天山北坡短時強降水時空分布及環(huán)流配置特征

王 勇 ，張云惠 ，王智楷 ，于碧馨 ，洪 月

（1.新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，新疆 烏魯木齊830000；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；3.中江縣氣象局，四川 中江618100）

短時強降水是強對流天氣的一類，具有突發(fā)性強、持續(xù)時間短、雨強大、局地性強、來勢迅猛等特點。過去數(shù)十年，我國中東部氣象專家針對短時強降水及其預(yù)報技術(shù)，從科學(xué)理論和預(yù)報實踐角度開展了深入細致的研究。華北短時強降水特征及天氣分型研究表明[1-5]，短時強降水與西太平洋副熱帶高壓有關(guān)，中低層多有急流、切變線和低渦，且濕區(qū)深厚，地面影響系統(tǒng)多為倒槽、輻合線和弱冷鋒；山區(qū)較平原地區(qū)更易發(fā)生，且雨強更大。吳迎旭等[6]統(tǒng)計黑龍江省短時強降水分布特征及影響系統(tǒng)指出，6—8 月短時強降水日數(shù)和站次與平均降水量成線性關(guān)系，14—15 時（本文均用北京時）是高發(fā)時段。陳元昭等[7]分析珠江三角洲地區(qū)重大短時強降水的基本流型與環(huán)境參量特征表明，大多數(shù)過程中有利于重大短時強降水發(fā)生的環(huán)境條件關(guān)鍵點不是強對流預(yù)報中常關(guān)注的“高空冷空氣的侵入”，而是低層暖濕氣流的輸送。沈澄等[8]分析南京短時強降水特征指出，雨強R≥50 mm/h 的致災(zāi)性短時強降水過程的發(fā)生次數(shù)呈顯著增長的趨勢，短時強降水天氣的空間分布具有明顯的城郊差異。段鶴等[9]在統(tǒng)計滇西南短時強降水特征基礎(chǔ)上，建立了低質(zhì)心弱輻合型、低質(zhì)心輻合型、高質(zhì)心等3 種短時強降水概念模型。毛冬艷等[10]分析西南地區(qū)短時強降水的氣候特征表明，短時強降水呈現(xiàn)頻次增加、強度增強的變化趨勢，02 時左右為發(fā)生頻次的峰值時段。而西北地區(qū)東部短時強降水過程主要為西南氣流型和兩高切變型，戈壁荒漠區(qū)以低槽型短時強降水為主[11-12]。

新疆因干旱區(qū)氣候背景、復(fù)雜地形及下墊面影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，短時強降水易導(dǎo)致山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和次生災(zāi)害，是新疆主要的氣象災(zāi)害之一，也是氣象預(yù)報預(yù)警的難點和重點。北疆暴雨研究表明[13-20]，中亞低槽（渦）、西西伯利亞低槽是主要影響系統(tǒng)；北疆夏季強降水事件呈增多、增強趨勢，天山山區(qū)和伊犁河谷尤為顯著，強降水隨地形增高而增多或增強，可能在海拔2000 m 左右存在最大降水帶[21]；北疆大部分地區(qū)降水量的增加主要是由于降水強度增加而造成的[22]；北疆降水量日變化呈現(xiàn)準單峰型特征，峰值主要發(fā)生在23 時至次日10 時，其中03 時是降水頻數(shù)最多時刻，主要以短持續(xù)時間的降水為主，對總降水量的貢獻也最大[21-23]。但多年來由于新疆觀測站網(wǎng)稀疏，對短時強降水發(fā)生發(fā)展機理認識不足，2010 年以來隨著新疆區(qū)域自動氣象站的全面建設(shè)及業(yè)務(wù)化，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)新疆強降水多以短時強降水的形式出現(xiàn)。為此，本文針對新疆短時強降水的高發(fā)區(qū)之一天山北坡，在統(tǒng)計時空分布基礎(chǔ)上，分析天山北坡短時強降水過程的環(huán)流配置特點，為提高新疆短時強降水預(yù)報預(yù)警能力提供參考。

1 資料與方法

1.1 短時強降水及短時強降水過程定義

目前，中央氣象臺和中國中東部地區(qū)氣象部門均將雨強R≥20 mm/h 記為短時強降水。根據(jù)新疆多年的預(yù)報服務(wù)實踐、暴雨洪水成災(zāi)事實和干旱半干旱地區(qū)暴雨特點，結(jié)合新疆預(yù)報業(yè)務(wù)，新疆氣象部門將該標準調(diào)整為R≥10 mm/h。

本文將一次短時強降水過程定義為：（1）1 h 內(nèi)有2 個或以上相鄰的測站R≥10 mm/h；（2）同一測站連續(xù)2 h（或以上）R≥10 mm/h；同時滿足上述條件之一，為一次短時強降水過程。

1.2 資料來源

采用新疆氣象信息中心提供的小時降水數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2010—2018 年6—8 月天山北坡（博爾塔拉蒙古自治州（簡稱“博州”）精河縣—塔城地區(qū)烏蘇市和沙灣縣—石河子市—昌吉回族自治州（簡稱“昌吉州”）—烏魯木齊市一線26 個國家站和205 個區(qū)域自動站逐時降水資料，共篩選出短時強降水1338 站次，運用常規(guī)統(tǒng)計方法對其進行統(tǒng)計分析。環(huán)流形勢及高低空配置利用常規(guī)觀測資料、ECMWF0.25°×0.25°每日4 次的ERA-interim 再分析等資料。

2 結(jié)果分析

2.1 短時強降水的時空分布特征

2.1.1 空間分布

由圖1 和表1 可以看出天山北坡短時強降水的空間分布極不均勻，主要發(fā)生在沿山、山麓丘陵、山地迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，其中昌吉州沿山（海拔1000～1500 m）的淺山區(qū)、臨近湖和水庫的站（海拔在470～650 m）年平均發(fā)生頻次最多4～5 次，其次是烏蘇市—沙灣縣—石河子市及烏魯齊市的沿山一帶（海拔 1000～2000 m）迎風(fēng)坡年平均最多 2～3 次，而靠近準噶爾盆地南緣少于1 次，這與天山北坡是新疆強降水及其災(zāi)害多發(fā)區(qū)相一致[20-23]。

圖1 2010—2018 年6—8 月天山北坡短時強降水平均頻次空間分布

短時強降水年平均出現(xiàn)1 次以上有43 站；2次以上有15 站，其中10 站位于昌吉州，且昌吉州有4 站出現(xiàn)3 次以上（1 站5 次），分別是廟爾溝站5 次、牛圈子湖站4.2 次、天池站4.0 次、瑪納斯縣南泥溝站3.1 次；而累計發(fā)生過1 次有16 站，均在靠近準噶爾盆地南部海拔400～700 m 的平原區(qū)（表1）。

表1 2010—2018 年天山北坡短時強降水平均每年出現(xiàn)≥2 次的站點

2.1.2 時間分布

圖 2a、2b 分別為 2010—2018 年 6—8 月天山北坡短時強降水逐年次數(shù)及小時雨強分級平均發(fā)生次數(shù)。雨強R≥10 mm/h 的年平均次數(shù)為149 次，2015 年出現(xiàn)最多，達259 次；其次是2016 年，為250 次；而 2014 年出現(xiàn)最少，為 57 次。R≥20 mm/h的年平均次數(shù)為20 次，占總次數(shù)的14%。2016 年出現(xiàn)最多為 39 次；其次是 2015 年 26 次；2014 年出現(xiàn)最少，為 4 次。R≥30 mm/h 的年平均次數(shù)為 6 次，占總次數(shù)的4%。2016 年出現(xiàn)最多，為15 次；其次2010、2018 年，均為 7 次；2014 年沒有出現(xiàn)。R≥40 mm/h 以上的年平均次數(shù)為1 次，僅占總次數(shù)的1.8%。R≥50 mm/h 的年平均次數(shù)為0.5 次，R≥60 mm/h 沒有出現(xiàn)，R≥70 mm/h 累計出現(xiàn) 2 次。以上量級短時強降水出現(xiàn)最多均為2016 年。

從圖2c 可以看到，小時雨強差異較大，最大出現(xiàn)在2016 年6 月10 日05 時昌吉州廟爾溝站，達76 mm；其次是 2010 年 6 月19 日 20 時吉木薩爾二工河站，為 72 mm；第三是 2012 年 8 月 10 日 05 時頭屯河農(nóng)場學(xué)校站59.5 mm；第四是2011 年7 月27 日 13 時白楊河站 58.9 mm；第五是 2015 年 8 月1 日08 時烏魯木齊永豐站52.8 mm；第六是2013年7 月23 日20 時沙灣博爾通古鄉(xiāng)2 號站，為47.6 mm。

圖3 為天山北坡短時強降水分級月平均次數(shù)。各量級小時雨強6 月出現(xiàn)最多，其次是7 月和8月。R≥10 mm/h 的短時強降水 6 月平均 65 次，7 月和 8 月，均為 42 次（圖 3a）；而 R≥20 mm/h 的強降水次數(shù)驟減，6 月平均 11 次，7 月 5 次，8 月 4 次（圖3a）。圖3b 表明R≥30 mm/h 的強降水6 月平均3.6次，7 月 1.3 次，8 月 0.8 次；R≥40 mm/h 的強降水 6月平均 1.6 次，7 月 0.6 次，8 月 0.4 次；而 R≥50 mm/h 的強降水 6 月平均 0.9 次，7 月 0.1 次，8 月 0.4次。說明隨著小時雨強增大，次數(shù)明顯減少。

圖4a 為天山北坡短時強降水逐時年平均次數(shù)，可以看到短時強降水有明顯日變化，16 時至次日03時是發(fā)生頻次較多時段，共110 次，占總次數(shù)的73.8%，其中，20—22 時共33.8 次，占總次數(shù)的22.7%，20—21 時均為11.4 次，其次是22 時為11次，說明天山北坡短時強降水高發(fā)時段較我國中東部偏晚[2-12]，這與新疆地理位置偏西有關(guān)；而出現(xiàn)次數(shù)相對較少的時段在04—15 時，均為3～4 次，共39次，占總次數(shù)的26.2%。

圖2 2010—2018 年天山北坡短時強降水逐年次數(shù)（a）、小時雨強分級年平均次數(shù)（b）和小時雨強年最大值（c）

從圖4b 逐小時雨強最大值分布可以看到，每小時均有短時強降水發(fā)生，且R≥30 mm/h 的強降水發(fā)生時段較分散。小時雨強最大值出現(xiàn)在2016 年6月10 日05 時廟爾溝站，達76 mm，此極端強降水發(fā)生在頻次較少時段，說明短時強降水具有突發(fā)性，同時，也與中尺度系統(tǒng)發(fā)展增強時段及低空急流日變化在凌晨達到最強有關(guān)[20-23]；其次是20 時，為72.0 mm，第三是13 時，為58.9 mm，而12 時雨強相對較小，為15.1 mm。

分析短時強降水的持續(xù)時間表明，持續(xù)時間最長達 12 h，如 2016 年 6 月 28 日 18 時—29 日 05時，自西向東有49 站次出現(xiàn)短時強降水；其次是持續(xù)時間 11 h，如 2015 年 6 月 9 日 17 時—10 日 03 時，先后有51 站次出現(xiàn)短時強降水；最短僅維持1 h。

2.2 短時強降水過程影響系統(tǒng)及環(huán)流配置

圖3 2010—2018 年天山北坡短時強降水分級月平均次數(shù)

圖4 2010—2018 年天山北坡短時強降水日變化平均次數(shù)（a）和逐時雨強最大值（b）

2.2.1 短時強降水過程

根據(jù)短時強降水過程定義，2010—2018 年6—8月天山北坡短時強降水過程共86 次，按照短時強降水過程維持時間、影響范圍及強度等，將其分為局地分散性和系統(tǒng)性2 類（表2）：局地分散性是指短時強降水維持時間短（1～3 h）、局地性強（1～4 個站）、影響范圍分散（1～2 個不相鄰地區(qū)），共 56 次，占總次數(shù)的65.1%；系統(tǒng)性是指短時強降水維持時間長（3～12 h）、系統(tǒng)性強（5 個站以上）、影響范圍大（2 個以上相鄰地區(qū)），共30 次，占總次數(shù)的34.9%。說明短時強降水過程主要以局地分散性為主。2015 年出現(xiàn)最多為 15 次，其次 2016 年 13 次，2010 年、2012年出現(xiàn)最少均為5 次；可見天山北坡短時強降水過程年分布不均。

2.2.2 短時強降水過程500 hPa 影響系統(tǒng)

表2 2010—2018 年天山北坡短時強降水過程 次

分析2010—2018 年天山北坡主要地區(qū)短時強降水過程500 hPa 影響系統(tǒng)，主要有西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽、中亞低渦、西北氣流等4 類（圖5）。由表3 可見，西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽是天山北坡短時強降水的主要影響系統(tǒng)，分別為32 次和31 次，各占總過程的37.2%、36%；其次是西北氣流13 次，占總過程的15.1%，最少為中亞低渦10次，占總過程的11.6%。

統(tǒng)計2010—2018 年6—8 月4 類影響系統(tǒng)可以看到（表 3），6 月出現(xiàn)最多為 36 次，占總過程41.9%，其次是7 月出現(xiàn)30 次，占總過程的34.8%，8月出現(xiàn)最少為20 次，占總過程的23.2%。其中，中亞低槽6 月出現(xiàn)最多，占本月短時強降水過程的42%，其次是西西伯利亞低槽（渦），占28%，中亞低渦出現(xiàn)最少，只有3 次，占8%。7 月西西伯利亞低槽（渦）出現(xiàn)最多，占本月短時強降水過程的40%；其次是中亞低槽，占33%；西北氣流出現(xiàn)最少，只有2次。8 月西西伯利亞低槽（渦）最多，占本月短時強降水過程的50%，中亞低渦出現(xiàn)最少，研究時段內(nèi)只出現(xiàn)了1 次。上述分析表明，天山北坡夏季短時強降水影響系統(tǒng)主要為西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽，但各月存在較大的差異。

圖5 天山北坡短時強降水過程500 hPa 影響系統(tǒng)

表3 2010—2018 年天山北坡短時強降水過程影響系統(tǒng) 次

對于系統(tǒng)性短時強降水過程，500 hPa 影響系統(tǒng)為中亞及西西伯利亞低槽（渦）分裂短波造成的，并有高、中、低緯度系統(tǒng)的有利配合，這與新疆暴雨影響系統(tǒng)一致[13-19]，說明暴雨過程中短時強降水貢獻較大。局地分散性短時強降水，一種是低槽（渦）分裂短波影響，另一種是系統(tǒng)性降水過程后，受低槽后西北氣流影響，午后近地面升溫明顯，大氣呈上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，易觸發(fā)強對流天氣，從而造成局地短時強降水。

2.2.3 短時強降水環(huán)流系統(tǒng)配置特征

按照影響系統(tǒng)的分類及定義，分析總結(jié)天山北坡86 次短時強降水過程，分別歸類概括出4 類主要影響系統(tǒng)高、低空環(huán)流系統(tǒng)配置特征（圖6）。

（1）西西伯利亞低槽（渦）

200 hPa 北疆中西部為偏西（西南）急流，短時強降水一般發(fā)生在高空急流出口區(qū)左側(cè)。500 hPa歐亞范圍呈兩脊一槽（渦），中高緯環(huán)流經(jīng)向度較大，西西伯利亞低槽（渦）在 60°～100°E、40°～70°N 范圍內(nèi)，配合有明顯的溫度槽，里海和貝加爾湖高壓脊發(fā)展強盛，西西伯利亞低槽（渦）穩(wěn)定維持，天山北坡位于低渦底部偏西（西南）氣流上，鋒區(qū)較強，其上不斷分裂波動影響新疆（圖6a）。

700～850 hPa 強降水位于西北氣流（急流）出口區(qū)前部、風(fēng)速輻合區(qū)、切變線、飽和濕區(qū)，冷暖交匯明顯；850～500 hPa 為層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)；地面為正變壓區(qū)、有風(fēng)場輻合或切變（圖6a）。

（2）中亞低槽

200 hPa 北疆為西南急流，短時強降水在高空急流入口區(qū)右側(cè)、出口區(qū)左側(cè)均有發(fā)生。500 hPa 低槽在 60°～90°E、35°～55°N，配合有溫度槽，歐亞范圍呈兩脊一槽，伊朗副熱帶高壓向北發(fā)展與里海高壓脊疊加，經(jīng)向度較大，貝加爾湖高壓脊經(jīng)向度發(fā)展相對較弱，中亞低槽不斷向南加深，并不斷分裂短波影響北疆（圖 6b）。

700～850 hPa 均有西北氣流（急流）、飽和濕區(qū)、風(fēng)速輻合區(qū)，冷切變線；850～500 hPa 為層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)；地面為正變壓區(qū)（圖6b）。

（3）中亞低渦

200 hPa 北疆為偏西（西南）急流，短時強降水在高空急流入口區(qū)右側(cè)、出口區(qū)左側(cè)均有發(fā)生。500 hPa 低渦在 60°～90°E、35°～55°N，有 2 條閉合等值線，有明顯的氣旋性風(fēng)場，配合有溫度槽，北疆位于中亞低渦前西南或偏南氣流（急流）上，冷溫槽落后于高度槽，低渦前西南或偏南氣流（急流）上為暖濕平流（圖 6c）。

700～850 hPa 北疆低空西北氣流（急流）、中尺度輻合線，并配合有飽和濕區(qū)、風(fēng)速輻合區(qū)；850～500 hPa 為層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)；地面為冷高壓前正變壓區(qū)（圖 6c）。

（4）西北氣流

200 hPa 北疆為偏西（西北）急流，短時強降水發(fā)生在高空急流出口區(qū)的左側(cè)。500 hPa 歐亞范圍為兩槽一脊經(jīng)向環(huán)流，新疆至中西伯利亞為經(jīng)向度較大的長波脊，烏拉爾山附近和蒙古西側(cè)寬廣低槽活動區(qū)，北疆處于高壓脊前西北氣流控制，低層有偏西風(fēng)擾動，兩者匯合，因前期出現(xiàn)降水，近地層午后地面升溫明顯，不穩(wěn)定度加強，易造成局地短時強降水（圖 6d）。

700～850 hPa 北疆為西北氣流、輻合線、暖區(qū)；850～500 hPa 為層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)；地面為正變壓區(qū)，有風(fēng)切變及風(fēng)速輻合，此類短時強降水突發(fā)性強、預(yù)報難度大（圖 6d）。

圖6 天山北坡短時強降水影響系統(tǒng)環(huán)流配置與環(huán)境場及其未來6 h 或12 h 降水落區(qū)

上述4 類影響系統(tǒng)高低空配置分析表明，有共性也有差異，共同點：強降水落區(qū)主要位于200 hPa急流分流區(qū)，500 hPa 槽前西南（偏南）氣流（急流），低空西北氣流（急流）出口區(qū)、風(fēng)速輻合區(qū)、低層切變線及地面輻合或切變線等相重疊的不穩(wěn)定區(qū)域。差異主要是高、低空氣流（急流）、風(fēng)速輻合區(qū)及風(fēng)向切變等的強度、時段及地理位置不同，從而導(dǎo)致短時強降水的落區(qū)及強弱差異。

3 結(jié)論

（1）2010—2018 年天山北坡短時強降水 231 站年平均發(fā)生次數(shù)達149 次，且空間分布極不均勻，主要發(fā)生在沿山、山地迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，尤其昌吉州發(fā)生頻次最多。時間分布不均勻，雨強R≥10 mm/h的強降水出現(xiàn)最多是2015 年，2014 年最少；而R≥20 mm/h 的強降水出現(xiàn)頻次相較前者少很多，出現(xiàn)最多為2016 年，最少也為2014 年；就月分布而言，6月出現(xiàn)最多。短時強降水日變化明顯，午后16 時—次日03 時發(fā)生頻次最多，占總次數(shù)的73.8%；持續(xù)時間最長達12 h，最短僅1 h。小時雨強差異也較大，R≥10 mm/h 的強降水出現(xiàn)最多，R≥20 mm/h的強降水呈驟減趨勢，僅占總次數(shù)的13.2%，R≥30 mm/h的強降水更少，僅占總次數(shù)的4%；最大小時雨強出現(xiàn)在阜康昌吉廟爾溝站2016 年6 月10 日05 時，達76 mm/h。

（2）2010—2018 年天山北坡短時強降水過程共86 次，其中局地分散性56 次，占總過程的65.1%；系統(tǒng)性30 次，占總過程的34.9%，說明短時強降水過程主要以局地分散性為主。短時強降水過程年度差別較大，2015 年出現(xiàn)最多，為16 次；其次是2016年，為 13 次；2010 年和 2012 年最少，均為 5 次。影響系統(tǒng)主要分為西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽、中亞低渦、西北氣流等4 類，其中，西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽出現(xiàn)最多，兩者之和占總過程的73.2%，且6 月最多，8 月最少。

（3）天山北坡短時強降水過程環(huán)流配置共性是強降水落區(qū)均位于200 hPa 急流分流區(qū)，500 hPa 槽前西南（偏南）氣流（急流），低空西北氣流（急流）出口區(qū)、風(fēng)速輻合區(qū)、低層切變線及地面輻合或切變線等相重疊的不穩(wěn)定區(qū)域。差異主要是低空氣流（急流）、風(fēng)速輻合及風(fēng)向切變的強度、時段及地理位置不同，從而造成短時強降水的熱力、動力及水汽輻合機制不同。短時強降水的強度、落區(qū)與影響系統(tǒng)的強度、時段及地理位置密切相關(guān)。