伊犁地區(qū)一次罕見特大暴雨中尺度系統(tǒng)的數(shù)值模擬

曾 勇，楊蓮梅，張迎新

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.北京市氣象臺(tái)，北京 100089)

引 言

新疆位于中國西北部，境內(nèi)有北部的阿勒泰山、南部的昆侖山和中部的天山山脈，獨(dú)特地形和干旱、半干旱氣候，使該區(qū)域天氣狀況復(fù)雜多樣。其中，強(qiáng)降水天氣是新疆夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，其引發(fā)的洪水、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失，也嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厝嗣竦纳踩?。?0世紀(jì)80年代中期以來，中國西北地區(qū)西部降水呈增加趨勢(shì)，且已經(jīng)維持了約35 a。許多氣候模式預(yù)估認(rèn)為，未來50 a左右中國西北地區(qū)西部降水仍會(huì)持續(xù)增加，暖濕化趨勢(shì)可能仍然會(huì)持續(xù)相當(dāng)長的時(shí)間[1]。因此，在中國西北地區(qū)西部暖濕化背景引發(fā)的極端天氣氣候頻發(fā)情況下，有必要對(duì)新疆強(qiáng)降水天氣進(jìn)行更多細(xì)致研究，以期更好地為新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

目前，關(guān)于新疆暴雨的研究主要從大尺度環(huán)流特征、天氣尺度系統(tǒng)的動(dòng)力及熱力結(jié)構(gòu)和中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過程等方面出發(fā)，得到了諸多有益的結(jié)論。研究表明，西西伯利亞低槽、南支大槽、副熱帶大槽、中亞低渦和北槽東移(疊加破壞型)是影響新疆暴雨的主要天氣系統(tǒng)[2-5]，高、中及低空急流的有利配合是新疆暴雨產(chǎn)生的典型環(huán)流配置，天山陡峭地形極有利于系統(tǒng)性強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)生發(fā)展，致使暴雨增強(qiáng)[6-10]。此外，新疆暴雨的發(fā)生與低空風(fēng)場輻合線、切變線、地形輻合線關(guān)系密切[11-14]，生命史較短的中尺度對(duì)流云團(tuán)(中尺度對(duì)流系統(tǒng))是造成新疆暴雨的直接系統(tǒng)，不穩(wěn)定層結(jié)的建立、水汽和能量在迎風(fēng)坡附近的聚集對(duì)天山迎風(fēng)坡暴雨中尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生和向上強(qiáng)烈發(fā)展有重要作用[15-17]。

新疆地域廣闊，地形地貌復(fù)雜多樣，各地區(qū)暴雨存在一定差異性，且每次暴雨過程天氣形勢(shì)和中尺度系統(tǒng)等不盡相同，有必要對(duì)更多典型暴雨過程進(jìn)行深入分析。然而，以往暴雨中尺度系統(tǒng)分析主要是利用衛(wèi)星等觀測(cè)資料進(jìn)行的現(xiàn)象描述，缺乏系統(tǒng)發(fā)展演變過程的三維立體研究，而數(shù)值模式輸出的高時(shí)空分辨率模擬結(jié)果為中尺度系統(tǒng)動(dòng)、熱力場及結(jié)構(gòu)立體演變過程分析提供便利。伊犁地區(qū)位于新疆西部，境內(nèi)多山地，地形極其復(fù)雜，其南北兩側(cè)均為天山山脈，南部海拔多在3000 m以上，自伊犁向西延伸到中亞地區(qū)，北部海拔在2000 m左右，該地區(qū)是新疆強(qiáng)降水中心之一[2-3]，夏季極易發(fā)生災(zāi)害性暴雨天氣過程。為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域夏季暴雨天氣過程期間中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變與強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展關(guān)系的科學(xué)認(rèn)識(shí)，本文選取2016年6月16—17日伊犁地區(qū)多站降水量破歷史極大值并伴有多站次密集短時(shí)強(qiáng)降水的罕見暴雨天氣過程，利用自動(dòng)氣象站降水資料、風(fēng)云衛(wèi)星TBB資料和NCEP/NCAR再分析資料，在天氣形勢(shì)和中尺度系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，利用WRF模式高時(shí)空分辨率、精度可信的模擬結(jié)果，對(duì)此次暴雨天氣過程成因進(jìn)行探討分析，以期為伊犁地區(qū)暴雨預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 資料和方法

所用資料包括美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)逐6 h再分析資料(空間分辨率為1°×1°)、新疆氣象信息中心提供的全疆6 h和24 h地面自動(dòng)氣象站雨量觀測(cè)資料、國家衛(wèi)星氣象中心提供的FY-2G逐小時(shí)TBB(black-body temperature)資料(空間分辨率為0.1°×0.1°)以及WRF(weather research and forecasting model)模式高時(shí)空分辨率輸出資料。WRF模式動(dòng)力內(nèi)核采用WRF-ARW(advanced research WRF)，初始條件和邊界條件使用NCEP/NCAR再分析資料，模擬中心點(diǎn)在42°N、81°E，三層雙向嵌套，水平分辨率分別為27、9和3 km，對(duì)應(yīng)水平方向格點(diǎn)數(shù)分別為280×210、535×391和442×325，垂直分層為50層，積分步長為60 s(圖1)。微物理過程采用Single-Moment 6-class方案，積云參數(shù)化采用Kain-Fritsch方案(區(qū)域3關(guān)閉積云參數(shù)化方案)，邊界層采用YSU方案，長波輻射采用RRTM方案，短波輻射為Dudhia方案。積分時(shí)間從6月16日00:00(世界時(shí)，下同)至17日18:00，共42 h。本文模擬分析的資料均為3 km這一層模擬結(jié)果。

根據(jù)多年預(yù)報(bào)服務(wù)實(shí)踐、暴雨洪水成災(zāi)事實(shí)和干旱半干旱區(qū)暴雨特點(diǎn)，新疆氣象和水文部門以日雨量R>24 mm、R>48 mm和R>96 mm分別作為新疆暴雨、大暴雨和特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)[7]。在與實(shí)況對(duì)比基礎(chǔ)上，利用模擬資料對(duì)伊犁地區(qū)暴雨過程進(jìn)行診斷，分析造成此次暴雨的中尺度系統(tǒng)發(fā)展過程及結(jié)構(gòu)演變。

圖1 模擬區(qū)域(方框)與地形(陰影，單位：m)Fig.1 Model domains (boxs) and terrain height (shadows, Unit: m)

2 暴雨過程概述及分析

2.1 降水實(shí)況

2016年6月16日06:00至17日18:00，新疆西部伊犁地區(qū)出現(xiàn)一次罕見的強(qiáng)降水天氣過程，強(qiáng)降水中心位于北部沿天山地區(qū)[圖2(a)]，大部雨量達(dá)48 mm(紅色實(shí)線包圍區(qū)域)，局地出現(xiàn)超過96 mm的最強(qiáng)降水中心(紫色實(shí)線包圍區(qū)域)。其中，尼勒克站日降水量(68.4 mm)破歷史極值，鞏留站出現(xiàn)歷史第二極值(69.5 mm)，多站日雨量居歷年6月前三位。同時(shí)，多站次還出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。從代表站小時(shí)雨量演變[圖2(b)]可見，6月16日15:00—21:00，小時(shí)雨強(qiáng)大且強(qiáng)降水集中，是本研究重點(diǎn)關(guān)注時(shí)段；伊寧麻扎鄉(xiāng)博爾博松站16日出現(xiàn)本次過程最強(qiáng)日降水(151.3 mm)，其中19:00—20:00的小時(shí)雨強(qiáng)最大為44.3 mm·h-1。此次強(qiáng)降水事件給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失，有7萬余名群眾受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失近6億元人民幣。此次強(qiáng)降水天氣過程具有局地性強(qiáng)、極端性強(qiáng)、累計(jì)雨量大、小時(shí)雨強(qiáng)大等特點(diǎn)。

圖2 2016年6月16日06:00至17日18:00新疆伊犁地區(qū)累計(jì)雨量分布(a，實(shí)線，單位：mm)和16日13:00至17日10:00代表站小時(shí)雨量演變(b)(灰色陰影為地形高度，單位：m)Fig.2 The distribution of accumulative precipitation from 06:00 UTC 16 to 18:00 UTC 17 June (a, solid lines, Unit: mm) and the evolution of hourly precipitation at representative stations from 13:00 UTC 16 to 10:00 UTC 17 June (b), 2016 in Yili of Xinjiang(The grey shaded areas represent terrain height, Unit: m)

2.2 天氣形勢(shì)

強(qiáng)降水天氣發(fā)生前(圖略)，500 hPa中緯度地區(qū)為“兩脊一槽”的環(huán)流形勢(shì)，整個(gè)新疆地區(qū)受高壓脊控制，巴爾喀什湖西部為一低渦，伊犁地區(qū)位于200 hPa高空急流出口區(qū)左側(cè)輻散區(qū)；700 hPa上，35°N—45°N、60°E—75°E區(qū)域?yàn)闅庑江h(huán)流，伊犁處于弱風(fēng)區(qū)。隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，6月17日00:00，500 hPa里海高壓脊強(qiáng)烈發(fā)展，并引導(dǎo)冷空氣南下，推動(dòng)由低渦逐漸演變的東北—西南向低槽向東移動(dòng)，強(qiáng)降水區(qū)受低槽前部明顯的西南氣流控制；200 hPa高空急流核增強(qiáng)至45 m·s-1以上[圖3(a)]；700 hPa上，氣旋式環(huán)流在向東北方向移動(dòng)過程中逐漸演變?yōu)橐粭l明顯的東北—西南向切變線[圖3(b)]，其前部偏西氣流攜帶的水汽和能量不斷將多個(gè)12 m·s-1以上的急流核輸送到強(qiáng)降水區(qū)，伊犁地區(qū)正處于低空急流左前部，其北部沿山區(qū)地形與風(fēng)場幾乎垂直。850 hPa(圖略)與700 hPa類似。配合有利地形，低層切變線和急流為強(qiáng)降水產(chǎn)生提供極好的動(dòng)力條件。張?jiān)苹莸萚18]研究指出，此次暴雨過程除700 hPa偏西路徑的水汽輸送外，500 hPa槽前西南路徑水汽輸送也較明顯，水汽在暴雨區(qū)上空輻合，為暴雨的產(chǎn)生提供較好的水汽條件。綜上可見，“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)是此次暴雨發(fā)生的背景，強(qiáng)勁的高空急流、中亞低槽、低空切變線和急流則是暴雨過程的影響系統(tǒng)。

圖3 2016年6月17日00:00 500 hPa位勢(shì)高度(實(shí)線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)及200 hPa高空急流(彩色陰影，單位：m·s-1)(a)和700 hPa位勢(shì)高度(實(shí)線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)、低空急流(彩色陰影，單位：m·s-1)(b)(黑點(diǎn)代表伊寧站)Fig.3 The 500 hPa geopotential height (solid lines, Unit: dagpm) and wind field (wind shafts, Unit: m·s-1), 200 hPa upper-level jet (color shadows, Unit: m·s-1) (a) and 700 hPa geopotential height (solid lines, Unit: dagpm), wind field (wind shafts, Unit: m·s-1), low-level jet (color shadows, Unit: m·s-1) (b) at 00:00 UTC 17 June 2016(The black dot for Yining station)

3 中尺度數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖4為伊犁地區(qū)2016年6月16日06:00至17日18:00觀測(cè)與模擬的累計(jì)降水量?？梢钥闯?，模式模擬的雨帶走向、落區(qū)、范圍與實(shí)況較為一致，且強(qiáng)度與觀測(cè)也對(duì)應(yīng)較好，基本模擬出了北部沿天山地區(qū)西西北—東東南向的強(qiáng)降水區(qū)，但細(xì)節(jié)上存在一些不足。其中，北部強(qiáng)降水區(qū)西段48～96 mm降水的模擬與實(shí)況對(duì)應(yīng)較好，但96 mm以上降水區(qū)較實(shí)況略小，而東段48 mm以上強(qiáng)降水區(qū)范圍較實(shí)況偏小更明顯。

圖4 2016年6月16日06:00至17日18:00伊犁地區(qū)觀測(cè)(a)和模擬(b)的累計(jì)降水量分布(單位：mm)(黑色框內(nèi)為強(qiáng)降水區(qū))Fig.4 The distribution of observed (a) and simulated (b) accumulative precipitation from 06:00 UTC 16 to 18:00 UTC 17 June 2016 in Yili of Xinjiang (Unit: mm)(The strong rainfall is occurred inside the black box)

為進(jìn)一步驗(yàn)證降水發(fā)展演變過程，對(duì)比了伊犁地區(qū)模擬與觀測(cè)的逐6 h累計(jì)降水量分布(圖5)。與實(shí)況對(duì)比可見，模式輸出結(jié)果能夠較好地反映此次強(qiáng)降水的雨帶移動(dòng)和強(qiáng)度變化過程，雨帶基本再現(xiàn)了實(shí)況降水范圍和走向以及北部沿天山地區(qū)強(qiáng)降水特征，但細(xì)節(jié)上存在一些差異。這些偏差與模擬初始時(shí)刻、模式地形精度以及觀測(cè)站點(diǎn)分布不均等因素有關(guān)[19-21]。雖然模擬和實(shí)況存在一些偏差，但模擬結(jié)果基本表征了這次強(qiáng)降水過程的結(jié)構(gòu)特征變化，可以利用模式輸出的高時(shí)空分辨率資料對(duì)該過程的中尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

4 中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及發(fā)展過程

4.1 中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變

研究表明，造成強(qiáng)降水天氣的直接原因往往是有利天氣背景下存在的中小尺度系統(tǒng)[22-26]。從TBB逐時(shí)演變可知，在伊犁地區(qū)上游中亞地區(qū)不斷有中尺度對(duì)流云團(tuán)生成，且不斷向東北或偏東方向移動(dòng)；6月16日15:00，在伊犁上空形成東北—西南向排列的4個(gè)中尺度云團(tuán)A、B、C和D[圖6(a)]，隨后在云團(tuán)A東南部有明顯的中尺度云團(tuán)E形成及增強(qiáng)[圖6(b)和圖6(c)]；隨著中尺度云團(tuán)的移動(dòng)和演變，18:00伊犁北部沿天山地區(qū)主要受云團(tuán)B和E的影響[圖6(d)]。從模擬的強(qiáng)降水區(qū)雷達(dá)組合反射率和700 hPa風(fēng)場看出，暴雨發(fā)生前中亞地區(qū)存在風(fēng)場輻合線和弱雷達(dá)回波區(qū)，在向東北方向移動(dòng)過程中逐漸形成東北—西南向排列的多單體回波(圖略)；6月16日15:00，東北—西南向排列的中尺度對(duì)流單體A、B、C和D[圖6(e)]與TBB資料的中尺度云團(tuán)有很好的對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步說明模擬結(jié)果的可靠性，此時(shí)中尺度對(duì)流單體A位于北部沿天山地區(qū)，且在單體A、B、C和D位置均有明顯的中尺度風(fēng)場輻合線，可見低層風(fēng)場輻合線在中尺度對(duì)流單體形成發(fā)展過程中起重要作用。隨著對(duì)流單體進(jìn)一步東北移，16日18:00中尺度對(duì)流單體B移到伊犁北部沿天山地區(qū)，其東部有一中尺度對(duì)流單體E也位于北部沿天山地區(qū)，風(fēng)場輻合線依然存在[圖6(f)]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中尺度對(duì)流單體B和E與TBB資料的中尺度云團(tuán)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨后，強(qiáng)回波中尺度對(duì)流單體不斷自上游中亞地區(qū)移動(dòng)到伊犁北部沿天山地區(qū)，并造成該地區(qū)明顯強(qiáng)降水。需要指出的是，43°N以南、79°E以西的高地處于境外中亞地區(qū)，由于海拔高、地形復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)落后、測(cè)站稀少，沒有能夠描述中尺度系統(tǒng)的降水實(shí)況，只能借助于衛(wèi)星云圖和模擬資料。

上述分析可知，在復(fù)雜下墊面條件下模式能夠很好地模擬出此次暴雨過程的中尺度系統(tǒng)，結(jié)果基本可靠。與衛(wèi)星TBB相比較，模式能夠模擬出5個(gè)中尺度系統(tǒng)，但受模式自身精度及復(fù)雜性和復(fù)雜下墊面的影響，中尺度系統(tǒng)位置偏差、時(shí)間滯后是可以接受的。該模擬過程是在反復(fù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，盡可能使模擬結(jié)果與實(shí)況更為接近，為研究地形復(fù)雜、測(cè)站稀少的新疆西部甚至境外中亞地區(qū)的中尺度系統(tǒng)特征而進(jìn)行的一次有益嘗試。

圖5 2016年6月16日18:00至17日00:00(a、b)和17日00:00—06:00(c、d)、06:00—12:00(e、f)新疆伊犁地區(qū)觀測(cè)(a、c、e)和模擬(b、d、f)的6 h累計(jì)降水量分布(單位：mm)Fig.5 The distribution of observed (a, c, e) and simulated (b, d, f) 6-hour accumulative precipitation from 18:00 UTC 16 to 00:00 UTC 17 June (a, b), 00:00 UTC to 06:00 UTC 17 June (c, d) and 06:00 UTC to 12:00 UTC 17 June (e, f), 2016 in Yili of Xinjiang (Unit: mm)

圖6 2016年6月16日15:00—18:00新疆西部地區(qū)FY-2G衛(wèi)星TBB逐時(shí)演變(a、b、c、d，單位：℃)和15:00(e)、18:00(f)模擬的雷達(dá)組合反射率因子(彩色陰影，單位：dBZ)和700 hPa風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)(黑色實(shí)線為中尺度輻合線，紫色線為中尺度對(duì)流系統(tǒng)中心連線)Fig.6 The hourly evolution of TBB from FY-2G satellite from 15:00 UTC to 18:00 UTC 16 June (a, b, c, d, Unit:℃) and simulated radar combined reflectivity factor (color shadows, Unit: dBZ), 700 hPa wind field (vectors, Unit: m·s-1) at 15:00 UTC (e) and 18:00 UTC (f) 16 June 2016 in the west of Xinjiang(The black solid lines for the mesoscale convergence lines, and the purple line for the connecting line of the centers of mesoscale convective systems)

4.2 低空急流和地形對(duì)中尺度系統(tǒng)的影響

伊犁地區(qū)地形極其復(fù)雜，南部天山多在3000 m以上，北部天山在2000 m左右，故探討北部天山地形作用時(shí)需重點(diǎn)考慮850 hPa風(fēng)場與1500 m以上地形。CHEN[27]研究指出，低空急流除了能在急流左前方產(chǎn)生渦度外，其與高空急流的耦合能使垂直次級(jí)環(huán)流發(fā)展加強(qiáng)和雨帶中對(duì)流增強(qiáng)，并通過潛熱釋放進(jìn)一步使低空急流加強(qiáng)，形成有利于強(qiáng)降水產(chǎn)生和維持的正反饋機(jī)制。孫繼松[28]研究表明，中尺度強(qiáng)降水改變了對(duì)流層中層和近地面層的溫度梯度特征，形成對(duì)流層中層和邊界層符號(hào)相反的水平溫度梯度，從而造成中尺度急流的發(fā)展。同時(shí)，中尺度急流的形成又促進(jìn)急流核前方的動(dòng)力輻合，有利于強(qiáng)降水在急流核前沿產(chǎn)生。這些特征在本次強(qiáng)降水過程中都有所體現(xiàn)，即低空急流遇到北部天山地形時(shí)，在迎風(fēng)坡附近發(fā)展加強(qiáng)，強(qiáng)降水中心位于急流左前部。16日15:00[圖7(a)]，急流前部動(dòng)力輻合明顯加強(qiáng)，對(duì)流系統(tǒng)A強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，降水強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，尼勒克吉仁臺(tái)村站和林臺(tái)站分別出現(xiàn)36.9 mm和26.0 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。隨后，又有新的低空急流核不斷移向強(qiáng)降水區(qū)，16日18:00，在高空急流引起的高層輻散[圖7(b)]條件下，低空急流受天山地形阻擋產(chǎn)生強(qiáng)輻合[圖7(c)]，在迎風(fēng)坡位置低層輻合達(dá)-1×10-3s-1，并自低層至中層略向東北方向傾斜，而中高層輻散也自下而上略向東北方向傾斜(黑色矩形框內(nèi))，此時(shí)位于迎風(fēng)坡附近的對(duì)流系統(tǒng)B發(fā)展旺盛，在其作用下多站出現(xiàn)較強(qiáng)降水。與此同時(shí)，對(duì)流系統(tǒng)E正處于伊犁河谷喇叭口地形的狹窄位置，低空急流遇河谷地形產(chǎn)生的狹管效應(yīng)使其明顯增強(qiáng)，而對(duì)流系統(tǒng)C和D(79°E以西)由于位置較偏西，受低空急流及地形輻合抬升作用相對(duì)較弱，且沒有很好的水汽輻合條件，故而系統(tǒng)移動(dòng)緩慢且逐漸減弱?？梢?，在較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量和較好的水汽輸送及水汽輻合條件下，低空急流配合有利地形對(duì)此次強(qiáng)降水有重要觸發(fā)作用。

圖7 2016年6月16日15:00(a)和18:00(b、c)新疆西部模擬的850 hPa流場(流線)和大風(fēng)區(qū)(彩色陰影，單位：m·s-1)(a、b)以及沿圖6(e)中紫色實(shí)線(下同)的散度(彩色陰影，單位：10-5 s-1)垂直剖面(c)[黑色實(shí)線為暴雨區(qū)位置，紅色實(shí)線為伊犁地區(qū)(下同)，黑色矩形框內(nèi)為主要的輻合輻散區(qū)域；灰色陰影為天山地形，其中圖(a)、圖(b)的高度均在1500 m以上]Fig.7 The simulated flow field (streamlines) and strong wind zone (color shadows, Unit: m·s-1) on 850 hPa at 15:00 UTC (a) and 18:00 UTC (b) 16 June, and the vertical section of divergence (color shadows, Unit: 10-5 s-1) along the purple solid line in Fig. 6(e) (the same as below) at 18:00 UTC 16 June (c), 2016 in the west of Xinjiang(The black solid line represents the location of rainstorm zone, the red solid line represents the location of Yili of Xinjiang (the same as below), the main convergence and divergence regions were located within the black rectangular, and the grey shadows were the terrain height of Tianshan mountains, the terrain heights exceed 1500 m in Fig.7(a) and Fig.7(b))

4.3 中尺度系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)及發(fā)展過程

沿東北—西南向中尺度對(duì)流系統(tǒng)中心連線[圖6(e)中紫色實(shí)線]做模擬的雷達(dá)組合反射率因子和風(fēng)矢量垂直剖面，發(fā)現(xiàn)多個(gè)強(qiáng)回波區(qū)自西南向東北方向移動(dòng)(圖略)。16日15:00(圖8)，在較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量和較好的水汽條件以及低空急流和有利地形配合下，伊犁北部沿天山地區(qū)迎風(fēng)坡上空為大風(fēng)速區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)極強(qiáng)，該處中尺度對(duì)流單體A發(fā)展旺盛，最強(qiáng)回波達(dá)55 dBZ以上，回波頂高度達(dá)250 hPa；單體A西南側(cè)的中尺度對(duì)流單體B正處于下坡位置，在降水粒子拖曳作用和下坡氣流共同影響下，600 hPa高度為明顯下沉氣流，在有利的不穩(wěn)定能量和水汽條件配合下，700 hPa輻合線及低空急流共同作用使單體B得以維持。隨后，系統(tǒng)進(jìn)一步向東北方向移動(dòng)，18:00(圖略)，單體B移至伊犁北部沿天山地區(qū)，強(qiáng)回波中心位于600 hPa，且強(qiáng)回波中心以上為上升運(yùn)動(dòng)。此后，不斷有中尺度對(duì)流單體移動(dòng)到北部沿天山地區(qū)，配合有利的不穩(wěn)定能量和水汽條件，該地區(qū)持續(xù)產(chǎn)生較強(qiáng)降水，成為強(qiáng)降水中心。

綜上所述，在中尺度對(duì)流單體移至伊犁北部沿天山地區(qū)迎風(fēng)坡附近時(shí)，低空急流、地形強(qiáng)輻合抬升與槽前強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)疊加，使得迎風(fēng)坡附近成為大風(fēng)速區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)極強(qiáng)；自西南向東北方向移動(dòng)到迎風(fēng)坡附近的多個(gè)對(duì)流單體劇烈發(fā)展，造成多站次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，這些在迎風(fēng)坡附近劇烈發(fā)展的對(duì)流單體是造成此次強(qiáng)降水天氣的直接系統(tǒng)。

圖8 2016年6月16日15:00沿紫色實(shí)線做模式模擬的雷達(dá)反射率因子(彩色陰影，單位：dBZ)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)垂直剖面(風(fēng)場的垂直速度擴(kuò)大100倍，灰色陰影為天山地形，下同)Fig.8 The vertical section of simulated radar reflectivity factor (color shadows, Unit: dBZ) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) along the purple solid line at 15:00 UTC 16 June 2016(The vertical velocity of wind field expands 100 times, the grey shadows for the terrain of Tianshan mountains, the same as below)

圖9是6月16日沿紫色實(shí)線做相對(duì)濕度、比濕和溫度的垂直剖面。16日09:00，伊犁地區(qū)相對(duì)濕度較小，低層比濕在9 g·kg-1左右，而其西南部相對(duì)濕度較大，伊犁上空較其西南部空氣飽和度低，為相對(duì)干區(qū)，且地面溫度較高[圖9(a)]。隨著降水系統(tǒng)向東北方向移動(dòng)，15:00，整個(gè)區(qū)域地面至400 hPa基本為90%以上的相對(duì)飽和區(qū)，伊犁上空相對(duì)濕度和比濕明顯增大，中低層溫度明顯降低，北部沿天山地區(qū)低層溫度由09:00的24 ℃降為16 ℃左右[圖9(b)]。同時(shí)，在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)作用下，對(duì)流單體A所在的北部沿天山地區(qū)上空出現(xiàn)向上凸起的比濕大值區(qū)，低層比濕達(dá)13 g·kg-1以上，說明北部沿天山地區(qū)對(duì)流系統(tǒng)具有強(qiáng)的高濕、高能特性；而80°E—81°E背風(fēng)坡附近比濕波谷對(duì)應(yīng)對(duì)流單體B下沉氣流，是強(qiáng)降水下落過程中將水汽帶向低層所致，此處600 hPa以上大氣相對(duì)濕度在90%以上、雷達(dá)反射率為45 dBZ，表明此處附近水汽條件依然很好，有利于對(duì)流單體進(jìn)一步東北向移至北部沿天山地區(qū)，并產(chǎn)生持續(xù)強(qiáng)降水。

上述分析可見，上游水汽相對(duì)飽和區(qū)和比濕大值區(qū)不斷移動(dòng)到伊犁北部沿天山地區(qū)，且上升氣流在迎風(fēng)坡持續(xù)將水汽和能量向上輸送，形成濕度向上凸起的大值區(qū)，使得不斷移動(dòng)到迎風(fēng)坡的對(duì)流系統(tǒng)具有高濕高能特性，為暴雨產(chǎn)生提供較好的水汽和層結(jié)條件。

圖10是16日沿紫色實(shí)線的相對(duì)渦度垂直剖面。09:00[圖10(a)]，伊犁地區(qū)西南部(79°E附近)有一明顯自地面伸展到高空的強(qiáng)正渦度柱，而北部沿天山地區(qū)中低層為弱的正渦度區(qū)；15:00[圖10(b)]，當(dāng)強(qiáng)的正渦度柱東北移至伊犁北部沿天山地區(qū)時(shí)，其迎風(fēng)坡附近1×10-3s-1的正渦度自地面伸展到200 hPa(對(duì)應(yīng)對(duì)流單體A所在的位置)，為強(qiáng)降水提供有利的動(dòng)力條件。與此同時(shí)，其西南側(cè)80°E附近600～400 hPa強(qiáng)正渦度區(qū)對(duì)應(yīng)對(duì)流單體B，正是這些具有強(qiáng)正渦度特征的對(duì)流單體偏東移造成伊犁北部沿天山地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。

5 暴雨過程的綜合模型

圖11給出此次暴雨過程的綜合模型?？梢钥吹?，200 hPa高空急流出口區(qū)左側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)、500 hPa槽前區(qū)、700 hPa 切變線區(qū)和850 hPa低空急流與天山迎風(fēng)坡地形作用區(qū)，構(gòu)成此次暴雨的高低空形勢(shì)。其中，高空急流形成的輻散和槽前強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)為低空急流在地形阻擋作用下形成的強(qiáng)輻合提供有利背景條件，中尺度低空偏西急流配合有利地形促進(jìn)急流核前方的動(dòng)力輻合，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致垂直運(yùn)動(dòng)維持和加速發(fā)展，配合有利的水汽條件，使系統(tǒng)在迎風(fēng)坡附近發(fā)展加強(qiáng)，從而造成此次迎風(fēng)坡附近強(qiáng)降水過程。

圖9 2016年6月16日09:00(a)、15:00(b)沿紫色實(shí)線的相對(duì)濕度(彩色陰影，單位：%)、比濕(黑線，單位：g·kg-1)和溫度(紅線，單位：℃)垂直剖面Fig.9 The vertical sections of relative humidity (color shadows, Unit: %), specific humidity (black lines, Unit: g·kg-1) and temperature (red lines, Unit: ℃) along the purple solid line at 09:00 UTC (a) and 15:00 UTC (b) 16 June 2016

圖10 2016年6月16日09:00(a)、15:00(b)沿紫色實(shí)線的相對(duì)渦度(彩色陰影，單位：10-5 s-1)垂直剖面Fig.10 The vertical sections of relative vorticity (color shadows, Unit: 10-5 s-1) along the purple solid line at 09:00 UTC (a) and 15:00 UTC (b) 16 June 2016

圖11 暴雨過程綜合模型Fig.11 Comprehensive model of the rainstorm process

6 結(jié) 論

(1)WRF模式輸出結(jié)果能夠較好地反映此次強(qiáng)降水的雨帶移動(dòng)和強(qiáng)度變化過程，雨帶基本再現(xiàn)了實(shí)況降水范圍和走向以及北部沿天山地區(qū)強(qiáng)降水特征，但細(xì)節(jié)上存在一些不足，可以利用模式輸出的高時(shí)空分辨率資料對(duì)該過程的中尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

(2)此次罕見暴雨發(fā)生的有利天氣系統(tǒng)包括中亞低槽、高空偏西急流、低空切變線和輻合線。在有利天氣尺度背景下，多個(gè)中尺度云團(tuán)不斷移至伊犁北部沿天山地區(qū)，在地形阻擋抬升作用下，云團(tuán)中心或TBB值梯度最大處長時(shí)間位于該區(qū)域，致使較強(qiáng)降水持續(xù)產(chǎn)生。

(3)中尺度低空偏西急流攜帶較豐富水汽和不穩(wěn)定能量在伊犁地區(qū)喇叭口地形處堆積，上游不斷移動(dòng)到北部天山地區(qū)附近的中尺度對(duì)流單體在地形阻擋抬升作用下，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，配合強(qiáng)輻合(低層)、輻散(高層)以及有利水汽條件，中尺度對(duì)流單體強(qiáng)烈發(fā)展，造成多站次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，整個(gè)暴雨過程中降水增強(qiáng)時(shí)段與低空偏西急流形成和發(fā)展時(shí)段一致。

鑒于伊犁河谷是新疆暴雨的一個(gè)頻發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，未來還需借助更多暴雨過程，針對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展動(dòng)力過程以及天山地形作用、列車效應(yīng)等問題開展進(jìn)一步深入研究，以期合理揭示該地區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展機(jī)制，更好服務(wù)于暴雨預(yù)報(bào)。