一次新疆伊犁河谷特大暴雨過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)及不穩(wěn)定條件分析

黃昕 周玉淑 2, 冉令坤 KALIM Ullah 曾勇

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3 中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002

4 Department of Meteorology, COMSATS Institute of Information Technology, Islamabad, Pakistan 44000

1 引言

新疆位于中國(guó)的西北部，屬大陸性干旱半干旱氣候，以往的研究主要關(guān)注了其干旱的災(zāi)害性，而對(duì)降水尤其是暴雨機(jī)理的研究并不深入。實(shí)際上，新疆地區(qū)夏季也常出現(xiàn)暴雨洪澇等氣象災(zāi)害及其衍生的地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施等造成不利影響和嚴(yán)重?fù)p失。如1996 年7 月發(fā)生了一次中亞低渦影響下的新疆境內(nèi)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的大暴雨過(guò)程，造成了新中國(guó)成立以來(lái)新疆最嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，引發(fā)了對(duì)新疆暴雨的關(guān)注，對(duì)這次暴雨過(guò)程的分析相對(duì)較多（陳亞寧等, 1997; 陳勇航和徐?；? 1997; 徐羹慧, 1997;馬禹等, 1998; 王旭等, 1999; 楊蓮梅和李曼, 2015）。此外，許多研究也表明，近年來(lái)西北干旱半干旱區(qū)降水增加，極端降水頻發(fā)（丁一匯等, 2006; 戴新剛等, 2007; 楊霞等, 2011; Wang et al., 2013；Wang et al., 2017; 謝澤明等, 2018）。新疆暴雨降水特征與中國(guó)東部、南部地區(qū)的情況有較大不同，表現(xiàn)出更強(qiáng)的局地性，且其地形、下墊面與其它地區(qū)明顯不同，水汽來(lái)源與東部季風(fēng)區(qū)也有很大差異，預(yù)報(bào)難度很大，因此新疆暴雨亟需更有針對(duì)性的研究。

咸海以東至新疆一帶常出現(xiàn)的與烏拉爾脊聯(lián)系的天氣尺度冷性渦旋系統(tǒng)被定義為中亞低渦（張家寶和鄧子風(fēng), 1987），中亞低渦常是造成新疆強(qiáng)天氣的關(guān)鍵系統(tǒng)之一（江遠(yuǎn)安等, 2001; 楊蓮梅和李曼, 2015; 曾勇和楊蓮梅, 2016）。江遠(yuǎn)安等（2001）根據(jù)1970～1999 年新疆西南部116 次強(qiáng)降水天氣事件統(tǒng)計(jì)指出新疆地區(qū)61%的強(qiáng)降水天氣、72%的中強(qiáng)降水均是在中亞低渦影響下產(chǎn)生。除了受天氣系統(tǒng)影響以外，新疆暴雨也多發(fā)于山區(qū)和山前的迎風(fēng)坡地帶，如伊犁河谷地區(qū)（張家寶和鄧子風(fēng),1987; 馬淑紅, 1994）。位于新疆西北角的伊犁河谷北、東、南三面環(huán)山，形成了開(kāi)口向西、呈三角形區(qū)域的喇叭口地形，是新疆三大雨區(qū)之一。地形易使得低層大氣存在輻合及水汽熱量集中，從而產(chǎn)生層結(jié)不穩(wěn)定能量進(jìn)而有利于對(duì)流發(fā)展（高坤等,1994; 劉蕾等, 2015）。除了對(duì)熱力不穩(wěn)定有影響以外，地形對(duì)大氣動(dòng)力不穩(wěn)定的影響也很重要，如地形阻滯作用使得山前風(fēng)速降低，而其上氣流加速，加強(qiáng)水平風(fēng)的垂直切變，使得山區(qū)易激發(fā)出強(qiáng)對(duì)流單體（孫繼松和陶祖鈺, 2012）。伊犁河谷地區(qū)暴雨多發(fā)，地形復(fù)雜，地形如何影響該地區(qū)暴雨過(guò)程，目前還缺乏類似于我國(guó)東部地區(qū)地形暴雨的研究，亟需加強(qiáng)。

暴雨發(fā)生常常需要不穩(wěn)定層結(jié)配合，熱力不穩(wěn)定的形成與溫度和濕度的垂直廓線分布有關(guān)，而動(dòng)力不穩(wěn)定則與密度不連續(xù)性、水平風(fēng)切變和垂直風(fēng)切變有關(guān)，因此，地形通過(guò)影響熱力不穩(wěn)定與動(dòng)力不穩(wěn)定進(jìn)而影響強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展也是地形影響降水非常重要的一種方式。其中，熱力不穩(wěn)定又稱為靜力不穩(wěn)定、層結(jié)不穩(wěn)定、位勢(shì)不穩(wěn)定或者對(duì)流不穩(wěn)定；動(dòng)力不穩(wěn)定又稱為切變不穩(wěn)定，包括慣性不穩(wěn)定、對(duì)稱不穩(wěn)定以及條件性對(duì)稱不穩(wěn)定等。孫繼松和陶祖鈺（2012）強(qiáng)調(diào)熱力不穩(wěn)定是快速釋放，只影響對(duì)流的初始強(qiáng)度，無(wú)法影響對(duì)流的發(fā)展和持續(xù)，而動(dòng)力不穩(wěn)定是對(duì)流能否發(fā)展和維持的關(guān)鍵因素；劉璐等（2015）也發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水期間大氣可從對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱不穩(wěn)定狀態(tài)。除此之外，分析熱力不穩(wěn)定對(duì)對(duì)流發(fā)生發(fā)展影響的研究較多（陶詩(shī)言等, 1979; 李長(zhǎng)青和丁一匯, 1989; 高坤等, 1994; 周玉淑等, 2003; 畢寶貴等, 2004; 何立富等, 2007; 趙玉春等, 2008; 徐文慧等, 2010; 孫繼松和陶祖鈺, 2012; 劉蕾等, 2015; 劉璐等, 2015），但對(duì)熱力不穩(wěn)定產(chǎn)生原因的研究相對(duì)較少，周圍等（2018）通過(guò)相當(dāng)位溫垂直梯度的傾向方程分析后認(rèn)為，位勢(shì)散度能夠綜合表征降水區(qū)上空垂直風(fēng)切變、大氣濕斜壓性、水平輻合輻散和大氣位勢(shì)穩(wěn)定度變化的情況，是引起位勢(shì)穩(wěn)定度局地變化的主要強(qiáng)迫項(xiàng)。因此，利用位勢(shì)散度可以將熱力不穩(wěn)定與動(dòng)力過(guò)程建立關(guān)系，診斷出熱力層結(jié)分布及變化的原因，對(duì)強(qiáng)對(duì)流降水的研究有重要意義，張景等（2019）在分析一次京津冀極端降水過(guò)程中也利用位勢(shì)散度對(duì)大氣穩(wěn)定度變化進(jìn)行了診斷，指出位勢(shì)散度對(duì)降水落區(qū)有指示意義。他們的研究都是基于華北地區(qū)的暴雨過(guò)程，位勢(shì)散度及其演變?cè)谛陆畯?qiáng)降水過(guò)程中是否也能提供有益信息還需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

由已有研究可見(jiàn)，對(duì)影響新疆的天氣尺度系統(tǒng)、地形等已經(jīng)有一些統(tǒng)計(jì)分析和個(gè)例分析工作，但是相對(duì)東部地區(qū)的暴雨研究成果，西北干旱半干旱的暴雨研究明顯落后，伊犁河谷地形和中亞低渦如何配合造成動(dòng)熱力不穩(wěn)定以及動(dòng)熱力不穩(wěn)定條件與強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展有何關(guān)系尚不明確。2015 年6 月26 日，伊犁河谷出現(xiàn)日降水量24 mm 以上降水（達(dá)到新疆暴雨量級(jí)），部分地區(qū)達(dá)40 mm 以上，伊犁河谷內(nèi)的鞏留縣（經(jīng)緯度范圍大約為42.9°N～43.6°N，81.6°E～83.5°E）是此次強(qiáng)天氣過(guò)程中全疆降雨量最大的地方，雨量突破當(dāng)?shù)貧v史極值，是一次明顯的極端降水過(guò)程。本文選取此次伊犁河谷的特大暴雨過(guò)程，探討暴雨發(fā)生的有利環(huán)流背景與伊犁河谷地形影響，利用高分辨率數(shù)值模擬資料分析動(dòng)熱力不穩(wěn)定如何影響熱力層結(jié)分布從而影響降水，以期加深對(duì)影響伊犁河谷內(nèi)強(qiáng)降水產(chǎn)生機(jī)理的理解，能為當(dāng)?shù)亟邓A(yù)報(bào)提供有意義的參考。

2 資料、降水實(shí)況

2.1 資料

本文采用空間分辨率為0.25°×0.25°、時(shí)間間隔6 h 的歐洲中心（the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，簡(jiǎn)稱ECMWF）的ERAInterim 再分析資料（Dee et al., 2011）對(duì)暴雨發(fā)生的背景環(huán)流進(jìn)行分析。此外，使用的資料還包括中國(guó)氣象局提供的國(guó)家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水資料和探空資料，中國(guó)國(guó)家衛(wèi)星中心提供的基于全國(guó)自動(dòng)站觀測(cè)降水量和CMORPH（CPC MORPHing technique）衛(wèi)星反演降水資料，采用PDF（probability density function）和OI（optimal interpolation）兩步融合方法生成了中國(guó)區(qū)域1 h、0.1°×0.1°分辨率的降水量融合產(chǎn)品（以下簡(jiǎn)稱降水融合資料；沈艷等, 2013）。

2.2 降水實(shí)況

2015 年6 月26～27 日，地處西天山的伊犁河谷地區(qū)多地出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。圖1a 為26 日12:00（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至27 日00:00 期間伊犁河谷及其附近區(qū)域12 h 累積降水情況，可以看出強(qiáng)降水主要集中在伊犁河谷內(nèi)，圖1a 中黑框所示區(qū)域?yàn)閺?qiáng)降水發(fā)生的主要區(qū)域。黑框區(qū)域內(nèi)降水相較于其他地區(qū)強(qiáng)度明顯較大，為本文研究的主要區(qū)域，其中鞏留站12 h 累積降水量為84.2 mm，因此此次降水過(guò)程具有降水強(qiáng)度強(qiáng)、降水時(shí)段集中、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)。新疆預(yù)報(bào)員從多年預(yù)報(bào)的實(shí)際出發(fā)，正確認(rèn)識(shí)到新疆地區(qū)的降水情況與我國(guó)東、南部降水情況的不同，重新定義了與中國(guó)其他區(qū)域不同的新疆降水標(biāo)準(zhǔn)（張家寶和鄧子風(fēng), 1987; 馬淑紅,1994），根據(jù)新疆降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)有三個(gè)站也達(dá)到甚至超過(guò)了大雨量級(jí)（10.1 mm≤12 h降水量≤20.0 mm），其中鞏留站更是達(dá)到特大暴雨量級(jí)（12 h 降水量≥80.0 mm）。根據(jù)圖1b，鞏留站強(qiáng)降水主要集中在26 日17:00 至27 日00:00，26 日17:00 開(kāi)始出現(xiàn)較強(qiáng)降水后降水迅速增強(qiáng)，19:00 強(qiáng)降水強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，1 h 累積降水量高達(dá)近20 mm。以上站點(diǎn)降水資料均為國(guó)家級(jí)觀測(cè)站觀測(cè)資料。

3 大尺度天氣形勢(shì)背景分析

圖2a、b 為26 日12:00 ERA-Interim 再分析資料顯示的500 hPa 環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)，右圖2b 的位置即左圖2a 中黑框表示研究區(qū)域即伊犁河谷地區(qū)。圖2a中，26 日12:00，哈薩克斯坦地區(qū)存在一個(gè)中亞低渦環(huán)流，配合有冷中心，塔里木盆地也存在一個(gè)中亞低渦；低渦西側(cè)的伊朗地區(qū)附近以及低渦東側(cè)的新疆以東地區(qū)各存在一個(gè)高壓脊，溫度脊位相與高壓脊基本一致，說(shuō)明此時(shí)高壓脊已經(jīng)發(fā)展至成熟階段，這也使得兩個(gè)中亞低渦穩(wěn)定少動(dòng)，有利于低渦系統(tǒng)持續(xù)影響伊犁河谷地區(qū)，此時(shí)中緯度環(huán)流形勢(shì)呈現(xiàn)“兩脊一槽”的“倒Ω”形勢(shì)，這也是強(qiáng)降水天氣發(fā)生的有利環(huán)流形勢(shì)（黃艷等, 2012; 張?jiān)苹莸? 2013）。圖2b 可見(jiàn)，伊犁河谷受塔里木盆地低渦北側(cè)的東南風(fēng)氣流控制，且處于大風(fēng)速帶，大部分都達(dá)到10 m s?1。26 日18:00 的500 hPa 環(huán)流形勢(shì)與12:00 的基本一致（圖略）。

圖2c、d 為26 日12:00 ERA-Interim 再分析資料顯示的700 hPa 環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)，右圖2d 的位置即圖2c 中黑框表示研究區(qū)域，即伊犁河谷地區(qū)。圖2c中，26 日12:00，哈薩克斯坦地區(qū)和塔里木盆地各存在一個(gè)中亞低渦，兩低渦中心與500 hPa 上的低渦位置基本對(duì)應(yīng)，低渦中心附近溫度較低；圖2d顯示，受地形影響，伊犁河谷內(nèi)風(fēng)場(chǎng)較復(fù)雜，河谷中部和南部主要受西風(fēng)氣流控制，其北部有明顯的北風(fēng)氣流通過(guò)北天山地勢(shì)較低處進(jìn)入河谷內(nèi)，與谷內(nèi)西風(fēng)相遇，偏北風(fēng)與谷內(nèi)西風(fēng)共同作用下，在伊犁河谷低層大氣中形成明顯輻合線。除此之外，入谷西風(fēng)進(jìn)入伊犁河谷后風(fēng)速明顯加強(qiáng)，說(shuō)明伊犁河谷自西向東收縮的地形有利于入谷西風(fēng)在河谷內(nèi)加速。26 日18:00 的700 hPa 環(huán)流形勢(shì)與12:00 的基本一致（圖略）。

圖1 2015 年6 月（a）26 日12:00 至27 日00:00 12 h 國(guó)家級(jí)地面站累積降水量（彩色圓點(diǎn)，單位：mm）分布，加粗實(shí)線內(nèi)打黑點(diǎn)區(qū)域表示地形高度大于3000 m；（b）26 日12:00 至27 日02:00 國(guó)家級(jí)地面站鞏留站觀測(cè)的逐時(shí)雨量（單位：mm）Fig.1 (a) 12 h accumulated precipitation from national surface weather station observations from 1200 UTC 26 Jun to 0000 UTC 27 Jun 2015(colour spots; units: mm). The black spotted area inside the bold solid linedenotes the terrain (units: m); (b) hourly precipitation from national surface weather station observations from 1200 UTC 26 Jun to 0200 UTC 27 Jun 2015 (units: mm)

圖2 2015 年6 月26 日12:00 ERA-Interim 再分析資料（a）500 hPa 位勢(shì)高度（實(shí)線，單位：gpm）、溫度（虛線，單位：°C）；（b）圖2a中黑框區(qū)域內(nèi)500 hPa 位勢(shì)高度（實(shí)線，單位：gpm）、溫度（虛線，單位：°C）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向標(biāo)，單位：m s?1）；（c）700 hPa 位勢(shì)高度（實(shí)線，單位：gpm）、溫度（虛線，單位：°C）；（d）圖2c 中黑框區(qū)域內(nèi)700 hPa 位勢(shì)高度（實(shí)線，單位：gpm）、溫度（虛線，單位：°C）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向標(biāo)，單位：m s?1）；（e）200 hPa 輻散場(chǎng)（陰影，單位：10?5 s?1）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向標(biāo)，單位：m s?1）、風(fēng)速（實(shí)線，單位：m s?1）；（f）850 hPa 風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m s?1）、比濕（陰影，單位：g kg?1）。圖中黑框區(qū)域表示研究區(qū)域，D 代表中亞低渦的位置，G 代表南亞高壓位置，黑色粗線內(nèi)的打點(diǎn)區(qū)域表示高于3000 m 的地形Fig.2 (a) Geopotential height (solid lines, units: gpm) and temperature (dashed lines, units: °C) at 500 hPa, derived from ERA-Interim reanalysis data; (b) geopotential height (solid lines, units: gpm), temperature (dashed lines, units: °C), and wind bars (units: m s?1) at 500 hPa; (c) geopotential height (solid lines, units: gpm) and temperature (dashed lines, units: °C) at 700 hPa; (d) geopotential height (solid lines, units: gpm), temperature(dashed lines, units: °C), and wind bars (units: m s?1) at 700 hPa. (d) Divergence (shaded, units: 10?5 s?1), wind bars (units: m s?1), and wind speed(solid lines, units: m s?1) at 200 hPa; (e) wind vector (units: m s?1) and specific humidity (shaded, units: g kg?1) at 850 hPa, at 1200 UTC 26 Jun 2015.The black boxes indicate the location of the study area. The “D” labels indicate the locations of the central Asian vortexes, and the “G” labels indicate the locations of the South Asian high. The dotted area inside the thick black lines indicate a terrain above 3000 m

圖2e 為26 日12:00 ERA-Interim 再分析資料顯示的200 hPa 環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)，根據(jù)錢(qián)永甫等（2002）對(duì)南亞高壓雙體型的定義（有兩個(gè)高壓中心且分別在75°E 兩側(cè)），此時(shí)南亞高壓呈現(xiàn)雙體型。夏季南亞高壓雙體型是新疆夏季降水偏多的主要環(huán)流形勢(shì)（劉惠云, 2001; 王前等, 2017），南亞高壓呈現(xiàn)雙體型時(shí)若副熱帶槽位置合適或者南亞高壓兩主體脊北伸，易于低緯暖濕氣流北上以及水汽進(jìn)入新疆，有利于新疆產(chǎn)生并維持大降水。此外，中低層塔里木盆地中亞低渦中心沒(méi)有延伸至200 hPa，而中低層哈薩克斯坦中亞低渦中心延伸至200 hPa。哈薩克斯坦中亞低渦與南亞高壓之間形成強(qiáng)氣壓梯度，使得亞洲西風(fēng)急流正處于新疆上空，伊犁河谷地區(qū)對(duì)應(yīng)高空急流入口區(qū)左側(cè)高空輻散區(qū)，正位于低空輻合線上空，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的生成。

水汽是暴雨的產(chǎn)生、維持中不可缺少的要素。已有研究發(fā)現(xiàn)本次暴雨的水汽來(lái)源為大西洋、新疆以西各湖泊和海域、孟加拉灣北岸、新疆以北、新疆以東及其周邊區(qū)域，水汽通道主要為西南方向以及東北方向（謝澤明等, 2018）。根據(jù)前文分析，中亞低渦是影響此次降水的重要系統(tǒng)，因此，下文重點(diǎn)關(guān)注中亞低渦影響區(qū)域內(nèi)的水汽分布情況。圖2f 陰影表示26 日12:00 ERA-Interim 再分析資料顯示的850 hPa 比濕分布，可以明顯看出，水汽分布與塔里木盆地低渦、哈薩克斯坦的低渦以及伊犁河谷地形關(guān)系密切。其中，低渦附近大于8 g kg?1的較強(qiáng)水汽主要分布在低渦南側(cè)及北側(cè)，同時(shí)伊犁河谷內(nèi)有非常強(qiáng)的水汽，比濕整體達(dá)到10 g kg?1以上，河谷中部至河谷北部附近比濕可達(dá)12 g kg?1以上。根據(jù)850 hPa 風(fēng)場(chǎng)以及地形分布可以看出，哈薩克斯坦附近的低渦加強(qiáng)的西風(fēng)使得大量水汽能夠通過(guò)伊犁河谷“喇叭口”地形的西側(cè)開(kāi)口直接輸送至河谷內(nèi)并且在河谷內(nèi)迎風(fēng)坡附近大量堆積，而其他路徑的低層水汽輸送都被伊犁河谷三面環(huán)繞的高大山脈所阻礙，對(duì)伊犁河谷內(nèi)的影響明顯較小。26 日18:00 水汽分布與12:00 差別不大（圖略）。

4 中尺度數(shù)值模式（WRF）試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果驗(yàn)證

由于本文重點(diǎn)關(guān)注伊犁河谷地區(qū)附近中亞低渦與地形對(duì)該地區(qū)暴雨的作用，僅使用再分析資料分析系統(tǒng)演變的過(guò)程時(shí)空分辨率不足，故進(jìn)一步利用中尺度數(shù)值模擬模式WRF（Weather Research and Forecasting Model）對(duì)此次伊犁河谷地區(qū)的暴雨過(guò)程進(jìn)行了高時(shí)空分辨率的數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證后即可利用模擬得到的高時(shí)空分辨率資料對(duì)此次暴雨過(guò)程中不穩(wěn)定層結(jié)的演變過(guò)程進(jìn)行分析。

4.1 WRF 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)此次新疆伊犁河谷地區(qū)暴雨過(guò)程進(jìn)行的高時(shí)空分辨率WRF 模式數(shù)值模擬采用兩層雙向嵌套，其中區(qū)域1（Dom1）水平分辨率為12 km，格點(diǎn)數(shù)為555×463，垂直分辨率為51 層，積云對(duì)流參數(shù)化方案為Kain-Fritsch（new Eta）方案；區(qū)域2（Dom2）水平分辨率為4 km，格點(diǎn)數(shù)為835×694，垂直分辨率為51 層，兩層網(wǎng)格所用微物理參數(shù)化方案均為Morrison 2-moment 方案。模擬區(qū)域如圖3 所示，五角星表示伊犁河谷的位置，陰影為地形高度。模式初始時(shí)刻為2015 年6 月26 日12:00，積分24 h，模式初始條件和邊界條件由分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間間隔為6 h 的ERA-Interim 再分析資料（Dee et al., 2011）提供。

4.2 WRF 模擬結(jié)果驗(yàn)證

從WRF 模擬（圖4b）與降水融合資料（圖4a）6 h 累積降水量的對(duì)比情況來(lái)看，模式結(jié)果基本再現(xiàn)了本文主要關(guān)注的鞏留縣附近的暴雨中心（即圖4 黑框內(nèi)的暴雨中心），模擬的強(qiáng)降水研究區(qū)（圖4b 中黑色方框區(qū)域）內(nèi)的最強(qiáng)降水中心位置與實(shí)況（圖4a 中黑色方框區(qū)域）接近，僅略微向西偏移約0.2 個(gè)緯度，模擬的降水強(qiáng)度也與實(shí)況接近。但模擬的強(qiáng)降水研究區(qū)北部降水較實(shí)況稍強(qiáng)，在強(qiáng)降水研究區(qū)外的北天山附近降水較實(shí)況也稍強(qiáng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模式模擬結(jié)果的可靠性，選取2015 年6 月26 日19:00，即降水最強(qiáng)的時(shí)刻，將WRF模擬的逐小時(shí)累積降水（圖4d）與實(shí)況（圖4c）進(jìn)行對(duì)比。強(qiáng)降水研究區(qū)內(nèi)，模擬的降水中心位置（圖4d 中黑色方框區(qū)域）與實(shí)況（圖4c 中黑色方框區(qū)域）基本一致，略微向西偏移約0.2 個(gè)緯度，模擬的降水強(qiáng)度也與實(shí)況接近，這與6 h 累積降水對(duì)比情況類似；該時(shí)刻模擬的強(qiáng)降水中心北部也較實(shí)況稍強(qiáng)，但通過(guò)FY-2D 衛(wèi)星逐時(shí)TBB 資料可以看出，該時(shí)刻模擬的強(qiáng)降水中心形態(tài)與TBB 顯示的強(qiáng)對(duì)流區(qū)域形態(tài)基本一致，并且強(qiáng)降水研究區(qū)內(nèi)模擬的6 h 累積降水中心也與該最強(qiáng)降水時(shí)刻TBB 顯示的強(qiáng)對(duì)流區(qū)域形態(tài)基本一致。通過(guò)TBB資料也可看出研究區(qū)外的北天山附近也存在較強(qiáng)的對(duì)流，TBB 顯示的對(duì)流形態(tài)與模擬的北天山一帶降水形態(tài)基本一致，且通過(guò)圖2f 可以得知，北天山附近水汽含量充足，因此北天山附近也很有可能產(chǎn)生較大的降水，但是由于北天山附近地勢(shì)復(fù)雜，觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，可能導(dǎo)致了靠近北天山區(qū)域?qū)崨r降水表現(xiàn)較弱。通過(guò)上述對(duì)比，可以看出模式對(duì)強(qiáng)降水研究區(qū)以及研究區(qū)外的北天山附近的降水落區(qū)、強(qiáng)度的模擬結(jié)果都是較為可信的，尤其是模式結(jié)果成功地再現(xiàn)了本文主要關(guān)注的強(qiáng)對(duì)流研究區(qū)內(nèi)的鞏留縣附近的強(qiáng)降水中心的情況，且降水落區(qū)分布與TBB 顯示的強(qiáng)對(duì)流區(qū)域分布也較為相似。

圖3 模式模擬區(qū)域（陰影表示地形高度，單位：m），五角星表示伊犁河谷的位置Fig.3 Model domains. The shading denotes the terrain (units: m), and the star denotes the location of the Ili Valley

圖4 2015 年6 月26 日17:00～22:00（a）降水融合資料與（b）WRF 模擬的 6 h 累積降水分布情況（陰影，單位：mm）；2015 年6 月26日19:00（c）降水融合資料與（d）WRF 模擬的1 h 累積降水分布情況（陰影，單位：mm）以及（e）FY-2D 衛(wèi)星逐時(shí)TBB 觀測(cè)資料（陰影，單位：°C）Fig.4 The distribution of 6-h accumulated precipitation (shaded, units: mm) from (a) merged precipitation data and (b) WRF simulation from 1700 UTC to 2200 UTC 26 Jun 2015; the distribution of 1-h accumulated precipitation (shaded, units: mm) from (c) merged precipitation data and (d) WRF simulation, and (e) TBB (Black-Body Temperature) from the FY-2E satellite hourly observations (shaded, units: °C) at 1900 UTC 26 Jun 2015

圖5a 進(jìn)一步對(duì)鞏留縣附近研究區(qū)域內(nèi)觀測(cè)降水的區(qū)域平均降水量（即圖4a、c 中黑色方框內(nèi)降水區(qū)域平均）以及WRF 模擬降水的區(qū)域平均降水量（即圖4b、d 中黑色方框內(nèi)降水區(qū)域平均）進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在整個(gè)降水過(guò)程中，雖然模擬的區(qū)域平均降水量整體較觀測(cè)強(qiáng)，但觀測(cè)資料區(qū)域平均降水量整體上升的趨勢(shì)以及上升過(guò)程中26 日13:00、16:00、19:00 三個(gè)相對(duì)的降水峰值、以及26 日14:00、17:00 兩個(gè)相對(duì)的降水谷值在模擬資料中都得到相應(yīng)的反映，說(shuō)明模擬資料的降水對(duì)強(qiáng)降水研究區(qū)內(nèi)的整個(gè)降水過(guò)程有很好地再現(xiàn)。

圖5 2015 年6 月（a）26 日12:00～20:00 鞏留縣附近研究區(qū)域內(nèi)觀測(cè)（實(shí)線）與WRF 模擬（虛線）的平均降水量（單位：mm）時(shí)間序列；（b）26 日12:00 至27 日02:00 鞏留觀測(cè)站（43.47°N，82.23°E）實(shí)況降水（實(shí)線）與WRF 模擬的鞏留代表區(qū)域（43.55°～43.6°N，81.9°～82.0°E）區(qū)域平均降水（虛線）的時(shí)間序列；27 日00:00 伊寧站（c）實(shí)況與（d）模擬探空曲線，其中粗實(shí)線表示環(huán)境溫度曲線，細(xì)實(shí)線表示環(huán)境露點(diǎn)溫度曲線Fig.5 (a) Time series of regional average precipitation (units: mm) in the study area near Gongliu County on the basis of APCP data (solid line) and WRF simulation data (dotted line) from 1200 UTC to 2000 UTC 26 Jun 2015; (b) time series of precipitation from the Gongliu national surface weather station (solid line) and regional average precipitation in the Gongliu representative area on the basis of WRF simulation data (dotted line) from 1200 UTC 26 Jun to 0200 UTC 27 Jun, 2015; (c) observed and (d) simulated sounding curve at Yining Station at 0000 UTC 27 Jun 2015, the thick solid line indicates the ambient temperature curve, and the thin solid line indicates the environmental dew point temperature curve

由于模擬資料較實(shí)況略偏西偏北，因此選取模擬資料中鞏留縣偏西北小區(qū)域（43.55°～43.6°N，81.9°～82.0°E）作為鞏留代表區(qū)域，將其平均降水量與實(shí)況中鞏留觀測(cè)站（43.47°N，82.23°E）進(jìn)行比較（圖5b），可以看出，雖然模擬的鞏留代表區(qū)域的平均降水量較實(shí)況中極端降水的強(qiáng)度略低，但基本還原了鞏留縣降水的過(guò)程，尤其是降水出現(xiàn)的峰值，說(shuō)明模擬資料的降水對(duì)鞏留縣強(qiáng)降水過(guò)程有很好地再現(xiàn)。

由于伊犁河谷內(nèi)僅有伊寧探空站（43.95°N，81.33°E），并且該測(cè)站位于此次強(qiáng)降水研究區(qū)內(nèi)，因此將模擬資料的伊寧站的探空（圖5d）與伊寧觀測(cè)站的探空資料進(jìn)行對(duì)比（圖5c），可以看出，雖然模擬的對(duì)流層高層偏干，但模擬結(jié)果準(zhǔn)確地反映出伊寧站的450 hPa 以下的中低層接近飽和、450 hPa 以上到對(duì)流層高層逐漸轉(zhuǎn)干的層結(jié)特征；從風(fēng)向上看，雖然模擬的低層西風(fēng)的層次較高，但模擬資料準(zhǔn)確地刻畫(huà)出了伊寧探空站的低層西風(fēng)中層偏東風(fēng)高層西南風(fēng)的特征。以上說(shuō)明模式較好地反映了此次降水中伊犁河谷內(nèi)層結(jié)及風(fēng)場(chǎng)情況。

綜合以上對(duì)WRF 模擬資料與觀測(cè)降水分布、觀測(cè)區(qū)域平均降水及鞏留縣站點(diǎn)觀測(cè)降水以及伊寧探空資料對(duì)比結(jié)果來(lái)看，模擬結(jié)果能夠基本再現(xiàn)本次伊犁河谷強(qiáng)降水過(guò)程中降水、層結(jié)以及風(fēng)場(chǎng)情況，因此，可以利用模式模擬輸出的高時(shí)空分辨率資料對(duì)影響此次強(qiáng)降水影響因素進(jìn)行深入分析。

5 影響鞏留縣強(qiáng)降水產(chǎn)生的環(huán)境因素分析

以上驗(yàn)證了模擬結(jié)果對(duì)鞏留附近的強(qiáng)降水中心有較好的再現(xiàn)，因此，本節(jié)利用上文提及的鞏留代表區(qū)域高時(shí)空分辨率模擬資料的平均情況來(lái)重點(diǎn)研究鞏留縣暴雨發(fā)生發(fā)展的可能原因。

圖6 2015 年6 月26 日12:00～23:00WRF 模擬的鞏留代表區(qū)域（43.55°～43.65°N，81.9°～82.05°E）區(qū)域平均：（a）散度（陰影，單位：10?3 s?1）、垂直風(fēng)速（矢量箭頭）以及1 h 累積降水量（綠色粗實(shí)線，單位：mm）；（b）相當(dāng)位溫（陰影，單位：K）、比濕（黑色實(shí)線，單位：g kg?1）、水平風(fēng)速（風(fēng)向標(biāo)，單位：m s?1）以及1 h 累積降水量（綠色粗實(shí)線，單位：mm）Fig.6 Regional (43.55°–43.6°N, 81.9°–82.0° E) averages from 1200 UTC to 2300 UTC 26 Jun 2015 from WRF simulation: (a) Divergence (shaded,units: 10?3 s?1), vertical wind vector (units: m s?1), and 1 h accumulated precipitation (green thick solid line); (b) equivalent temperature (shaded, units:K), specific humidity (black solid line, units: g kg?1), and 1 h accumulated precipitation (green thick solid line)

圖6b 為6 月26 日12:00～23:00 模擬資料中鞏留代表區(qū)域平均的降水、比濕、水平風(fēng)以及層結(jié)狀況隨時(shí)間演變情況。26 日12:00～17:00 低層水汽充足，比濕最強(qiáng)可以達(dá)到14 g kg?1以上，中低層有很強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，低層主要是北風(fēng)或者西北風(fēng)為主，風(fēng)速不強(qiáng)，往中層逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)槲黠L(fēng)，4～5 km高度左右有強(qiáng)水平風(fēng)垂直切變，中低層的偏西風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟巷L(fēng)或者東南風(fēng)，繼而再變?yōu)閺?qiáng)東風(fēng)，風(fēng)向隨高度呈明顯的逆時(shí)針變化，說(shuō)明冷平流作用明顯；26 日17:00 降水開(kāi)始發(fā)生，降水發(fā)生后，不穩(wěn)定層結(jié)略減弱，中低層西風(fēng)與中高層?xùn)|風(fēng)切變層高度向上發(fā)展，比濕略減小，26 日19:00 降水強(qiáng)烈發(fā)展，能量釋放后，不穩(wěn)定層結(jié)減弱，中低層西風(fēng)與中高層?xùn)|風(fēng)切變層高度發(fā)展到最高，19:00 后，降水雖然減弱，但仍維持一定的強(qiáng)度，中低層比濕減小，中低層西風(fēng)與中高層?xùn)|風(fēng)切變層高度降低，層結(jié)不穩(wěn)定條件逐漸消失。

以上分析了鞏留縣附近區(qū)域的動(dòng)熱力和水汽環(huán)境場(chǎng)的演變，這里再沿伊犁河谷的暴雨區(qū)緯向—垂直剖面（沿43.6°N，如圖4 中黑色細(xì)實(shí)線CD 所示）進(jìn)行分析，進(jìn)一步討論上述物理量對(duì)此次伊犁河谷強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展過(guò)程的綜合作用。位渦理論在解釋天氣現(xiàn)象、預(yù)測(cè)天氣系統(tǒng)變化方面具有重要作用，目前針對(duì)不同的天氣系統(tǒng)應(yīng)用各種位渦的診斷研究工作不少，其中濕位渦MPV（Moist Potential Vorticity）因?yàn)槠淠鼙憩F(xiàn)出水汽、熱力、動(dòng)力的綜合效應(yīng)，并與強(qiáng)降水有很好的對(duì)應(yīng)和預(yù)測(cè)關(guān)系，在對(duì)強(qiáng)降水診斷分析中受到廣泛應(yīng)用（周玉淑等,2006; 陳棟等, 2007; 張建海和龐盛榮, 2011; 劉璐等,2015; 王晨曦等, 2018; 劉賽賽等, 2019），除了基本的環(huán)境場(chǎng)分析，不穩(wěn)定條件的演變也是研究暴雨過(guò)程的重要內(nèi)容，而位渦除了能反映大氣動(dòng)熱力的作用，還包含了不穩(wěn)定的信息，因此，本節(jié)將濕位渦也用于此次暴雨的分析，以期通過(guò)濕位渦分析揭示伊犁河谷此次暴雨過(guò)程中的不穩(wěn)定條件的變化及其對(duì)降水的影響。

濕位渦可用于診斷慣性不穩(wěn)定、對(duì)流不穩(wěn)定以及條件性對(duì)稱不穩(wěn)定狀態(tài)：

其中，u、v 為水平風(fēng)速， θe為 相當(dāng)位溫， ξp為相對(duì)渦度， f為地轉(zhuǎn)渦度，g 為重力加速度。MPV 出現(xiàn)負(fù)值意味著大氣中有不穩(wěn)定發(fā)生發(fā)展（吳國(guó)雄等,1995; 高 守 亭 等, 2002; 鄧 國(guó) 等, 2005; 周 玉 淑 等,2006; 張建海和龐盛榮, 2011; 冉令坤等, 2013; 劉賽賽等, 2019）。圖7a?d 就表明，低層MPV 負(fù)值區(qū)對(duì)降水區(qū)有很明顯的指示預(yù)報(bào)意義，也即動(dòng)熱力不穩(wěn)定與降水發(fā)生和移動(dòng)有很強(qiáng)的相關(guān)性。26 日16:00 降水區(qū)東側(cè)低層存在很強(qiáng)的動(dòng)熱力不穩(wěn)定，26 日17:30 最大降水即發(fā)生在該區(qū)域，此后，區(qū)域東側(cè)發(fā)展出較強(qiáng)的低層動(dòng)熱力不穩(wěn)定，雖然16:00到17:30 之間，動(dòng)熱力不穩(wěn)定區(qū)域與當(dāng)前時(shí)刻降水對(duì)應(yīng)不好，但是18:00 以后的，動(dòng)熱力不穩(wěn)定區(qū)域與降水最強(qiáng)時(shí)刻都保持了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其18:00 鞏留縣附近不穩(wěn)定層發(fā)展較高，降水強(qiáng)度也明顯增強(qiáng)。在降水過(guò)境后，鞏留縣附近低層強(qiáng)不穩(wěn)定也完全被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)（圖7d）。

MPV 可分為垂直分量MPV1 以及水平分量MPV2：

其中，MPV1 又稱為濕位渦的正壓項(xiàng)，可用于表示慣性穩(wěn)定性和對(duì)流穩(wěn)定性，一般北半球絕對(duì)渦度為正值，故當(dāng)MPV1 為負(fù)值時(shí)，大氣是對(duì)流不穩(wěn)定；MPV2 又稱為濕位渦的濕斜壓項(xiàng)，由風(fēng)的垂直切變和相當(dāng)位溫的水平梯度決定，可用于表示條件性對(duì)稱不穩(wěn)定，當(dāng)MPV2 為負(fù)值時(shí)，大氣是條件性對(duì)稱不穩(wěn)定的。通過(guò)將MPV 分解為MPV1 和MPV2（圖7e–h 與圖7i–l）可以更加明確為何MPV 對(duì)后續(xù)降水有指示意義，MPV 與當(dāng)前降水有何關(guān)系以及動(dòng)熱力不穩(wěn)定與降水發(fā)生發(fā)展分別有何作用?？梢钥闯觯鲿r(shí)刻降水發(fā)生前鞏留縣附近及其西側(cè)小地形迎風(fēng)坡及背風(fēng)坡的低層MPV 負(fù)值主要由于熱力不穩(wěn)定（MPV1 負(fù)值）造成，即降水主要發(fā)生在對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域；但對(duì)流不穩(wěn)定能量在降水發(fā)生時(shí)已經(jīng)釋放，因此在降水發(fā)生時(shí)刻，降水區(qū)轉(zhuǎn)為對(duì)流穩(wěn)定（MPV1 正值）。由于26 日16:00 與17:30 兩個(gè)時(shí)刻，降水產(chǎn)生時(shí)對(duì)流不穩(wěn)定能量已經(jīng)快速釋放且并未存在條件對(duì)稱不穩(wěn)定，因此MPV 表現(xiàn)為正值。動(dòng)力不穩(wěn)定（MPV2 負(fù)值）的作用主要體現(xiàn)在降水已經(jīng)產(chǎn)生之后，26 日16:00～17:30 降水區(qū)內(nèi)為對(duì)稱穩(wěn)定，而26 日18:00～19:30 降水區(qū)內(nèi)存在條件對(duì)稱不穩(wěn)定，能夠在對(duì)流不穩(wěn)定消耗后維持或增強(qiáng)降水，這可以解釋為何26 日18:00 鞏留縣降水明顯增幅以及26 日19:00 鞏留縣東側(cè)區(qū)域降水較強(qiáng)。

圖7 2015 年6 月26 日（a、e、i）16:00、（b、f、j）17:30、（c、g、k）18:00 和（d、h、l）19:30 沿圖4d 黑色細(xì)實(shí)線CD 濕位渦MPV（左列彩色陰影）、MPV 垂直分量MPV1（中間列彩色陰影）、MPV 水平分量MPV2（右列彩色陰影）的緯向—垂直剖面（單位：PVU，1 PVU=10?6 m2 K s?1 kg?1）。黑色陰影區(qū)為地形，灰色柱狀圖表示30 min 累積降水，五角星表示鞏留縣大致的位置，下同F(xiàn)ig.7 Vertical cross sections of (a–d) MPV (moist potential vorticity; colour shaded, units: PVU, 1 PVU=10?6 m2 K s?1 kg?1), (e–h) MPV1 (colour shaded, units: PVU), and (i–l) MPV2 (colour shaded, units: PVU) along the line CD (shown in Fig.4d) at (a, e, i) 1600 UTC, (b, f, j) 1730 UTC, (c, g,k) 1800 UTC, and (d, h, l) 1930 UTC 26 Jun 2015. The gray bar denotes 30 min accumulated precipitation, the black shaded denotes the terrain, and the star denotes the location of the Gongliu County, the same below

綜上，對(duì)流不穩(wěn)定對(duì)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)有很強(qiáng)的指示意義，但降水發(fā)生后這部分能量快速釋放，如果沒(méi)有條件對(duì)稱不穩(wěn)定產(chǎn)生，當(dāng)前時(shí)刻的MPV 可能不能反映出該區(qū)域有降水發(fā)生的情況，而條件對(duì)稱不穩(wěn)定對(duì)降水的維持以及降水增幅有較大作用，這也與孫繼松和陶祖鈺（2012）的研究結(jié)論一致。

6 對(duì)流不穩(wěn)定特征及成因分析

從前文分析可以得出，對(duì)流（位勢(shì)）不穩(wěn)定對(duì)降水區(qū)發(fā)生的位置具有指示意義，這對(duì)暴雨研究非常有意義，本節(jié)將進(jìn)一步對(duì)對(duì)流不穩(wěn)定及影響對(duì)流不穩(wěn)定形成的動(dòng)熱力因子進(jìn)行討論。

式中：x為Ⅳ指標(biāo)實(shí)際取值，d、e、f、g為各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取值。帶入隸屬函數(shù)要根據(jù)指標(biāo)不同性質(zhì)(成本型、效益型)作適當(dāng)調(diào)整。

6.1 對(duì)流不穩(wěn)定特征分析

圖8 中，等值線表示相當(dāng)位溫分布情況，陰影表示大氣對(duì)流穩(wěn)定度，圖8c 中五角星標(biāo)示出了鞏留縣的位置。從相當(dāng)位溫分布來(lái)看，2 km 高度以下，鞏留縣以及其以西小地形附近為相當(dāng)位溫高值區(qū)，說(shuō)明該區(qū)域高濕高能，從該地區(qū)向兩側(cè)有較強(qiáng)的水平梯度，其西側(cè)較強(qiáng)水平梯度是由于東側(cè)已經(jīng)降水的區(qū)域水汽能量被消耗，東側(cè)可能是受到地形阻擋以及地形日變化影響。從相當(dāng)位溫的垂直分布來(lái)看，鞏留縣以及其以西小地形附近相當(dāng)位溫高值區(qū)之上的中低層基本為中性層結(jié)，中高層基本為穩(wěn)定層結(jié)，并且中高層的相當(dāng)位溫等值線在降水區(qū)向下伸展。

大氣對(duì)流穩(wěn)定度即相當(dāng)位溫垂直梯度（?θe/?z），負(fù)的大氣對(duì)流穩(wěn)定度又被稱為位勢(shì)不穩(wěn)定或?qū)α鞑环€(wěn)定。圖8 顯示，26 日16:00，整個(gè)河谷內(nèi)存在很強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，但已有弱降水在小地形迎風(fēng)坡產(chǎn)生，這也意味著有對(duì)流不穩(wěn)定能量已被弱降水消耗。26 日17:30，對(duì)流區(qū)域移動(dòng)，降水區(qū)域與對(duì)流區(qū)域?qū)?yīng)，降水增強(qiáng)后，降水區(qū)內(nèi)部的對(duì)流不穩(wěn)定較附近明顯減弱，河谷內(nèi)對(duì)流不穩(wěn)定強(qiáng)度和范圍均減小。這是由于降水區(qū)對(duì)流觸發(fā)后，消耗水汽，不穩(wěn)定能量被釋放，該區(qū)域就由對(duì)流不穩(wěn)定趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，而未有對(duì)流產(chǎn)生或經(jīng)過(guò)的區(qū)域，對(duì)流不穩(wěn)定仍維持，降水并未產(chǎn)生，但一旦對(duì)流產(chǎn)生或經(jīng)過(guò)，配合該區(qū)域充沛的低層水汽，仍會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的降水，26 日18:00～19:30，降水區(qū)也即對(duì)流區(qū)向東移動(dòng)，從圖中可以看出，鞏留縣附近也即小地形背風(fēng)坡一直維持很強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，并且由前文可知鞏留縣附近低層水汽充沛（圖6b），降水產(chǎn)生后，對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)明顯轉(zhuǎn)為較為穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對(duì)流不穩(wěn)定對(duì)此次伊犁河谷降水的產(chǎn)生及移動(dòng)有重要作用。

圖8 2015 年6 月26 日（a）16:00、（b）17:30、（c）18:00 和（d）19:30 沿圖4d 黑色細(xì)實(shí)線CD 相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）以及相當(dāng)位溫垂直梯度（彩色陰影，單位：10?3 K km?1）的緯向—垂直剖面Fig.8 Vertical cross sections of equivalent temperature (contour lines, units: K) and the vertical gradient of equivalent temperature (colour shaded,units: 10?3 K km?1) along the line CD (shown in Fig.4d) at (a) 1600 UTC, (b) 1730 UTC, (c) 1800 UTC, and (d) 1930 UTC 26 Jun 2015

6.2 對(duì)流不穩(wěn)定成因的診斷分析

前人對(duì)對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的分析較多，卻較少關(guān)注到對(duì)流不穩(wěn)定產(chǎn)生的原因。為了進(jìn)一步研究對(duì)流不穩(wěn)定變化的可能原因，本文利用位勢(shì)散度（周圍等, 2018）研究大氣位勢(shì)（對(duì)流）穩(wěn)定度發(fā)展的變化。位勢(shì)散度綜合垂直風(fēng)切變、散度以及相當(dāng)位溫梯度等信息，能夠很好的表征大氣動(dòng)、熱力綜合特征，并且能很好地應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)和暴雨中尺度系統(tǒng)。周圍等（2018）將位勢(shì)散度m 分為代表熱成風(fēng)（垂直風(fēng)切變）對(duì)相當(dāng)位溫的熱力平流的垂直風(fēng)切變部分mbc項(xiàng)以及表征水平散度和位勢(shì)穩(wěn)定度的耦合效應(yīng)的散度部分mbt項(xiàng)：

圖9 為沿著圖4d 黑色細(xì)實(shí)線CD 的緯向垂直剖面中模擬的位勢(shì)散度及其分量分布情況及其與降水的關(guān)系，圖9c、g、k 中藍(lán)色五角星標(biāo)示的位置為鞏留縣位置。圖9a–d 為位勢(shì)散度分布情況，可以看出，26 日16:00，弱降水區(qū)上空的低層為較強(qiáng)的負(fù)位勢(shì)散度，其上層為較強(qiáng)的正位勢(shì)散度，說(shuō)明弱降水區(qū)低層存在較強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定，但其上存在抑制對(duì)流不穩(wěn)定向上發(fā)展的對(duì)流穩(wěn)定區(qū)域，這可能是該時(shí)刻該降水區(qū)較弱的原因；除此之外，該時(shí)刻降水區(qū)東側(cè)存在很強(qiáng)的未被抑制的對(duì)流不穩(wěn)定。26日17:30，降水區(qū)上空之前存在的較強(qiáng)的負(fù)位勢(shì)散度已經(jīng)消失，說(shuō)明降水區(qū)消耗了大部分未被抑制的對(duì)流不穩(wěn)定，降水明顯發(fā)展加強(qiáng)；除此之外，該時(shí)刻降水區(qū)東側(cè)的小地形背風(fēng)坡處存在很強(qiáng)的未被抑制的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域。26 日18:00，降水區(qū)上空無(wú)明顯位勢(shì)散度異常值，說(shuō)明降水區(qū)內(nèi)部的對(duì)流不穩(wěn)定已經(jīng)被大量消耗，此時(shí)小地形背風(fēng)坡對(duì)應(yīng)非常強(qiáng)的降水，強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放可能是該時(shí)刻該降水強(qiáng)烈發(fā)展的重要原因。26 日19:30，降水區(qū)上空的低層存在弱的負(fù)位勢(shì)散度，強(qiáng)度明顯較前一時(shí)刻弱，說(shuō)明降水區(qū)內(nèi)僅部分對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，這可能是該時(shí)刻降水減弱的原因。綜上，降水區(qū)內(nèi)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，該區(qū)域位勢(shì)趨于對(duì)流穩(wěn)定，降水減小，新的強(qiáng)降水趨于發(fā)生在對(duì)流更不穩(wěn)定的區(qū)域。

圖9e–h 與圖9i–l 分別為 mbc以 及 mbt的 分布，可以進(jìn)一步分析影響對(duì)流不穩(wěn)定的主要因素。圖9e–h 可以看出，位勢(shì)散度在低層的負(fù)值區(qū)域，尤其是小地形迎風(fēng)坡低層，主要是 mbc在低層的負(fù)值造成的，即說(shuō)明整個(gè)降水區(qū)低層的對(duì)流不穩(wěn)定主要是由于垂直風(fēng)切變部分造成。圖9i–l 可以看出，小地形背風(fēng)坡 mbt對(duì)該地區(qū)位勢(shì)散度負(fù)值區(qū)的強(qiáng)度有很強(qiáng)的加強(qiáng)作用，也即該地區(qū)散度部分的作用加強(qiáng)了小地形背風(fēng)坡處的對(duì)流不穩(wěn)定。

7 結(jié)論與討論

本文基于ERA-Interim 再分析資料、新疆地區(qū)的多種觀測(cè)資料，并利用WRF 高時(shí)空分辨率模擬資料，對(duì)2015 年6 月26 日新疆伊犁河谷特大暴雨過(guò)程進(jìn)行初步分析后，得到以下主要結(jié)論：

（1）此次降水過(guò)程局地性強(qiáng)、短時(shí)降水強(qiáng)度大，降水發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)對(duì)流層中層中高緯度“兩脊一槽”以及對(duì)流層高層南亞高壓“雙體型”的環(huán)流形勢(shì)，其中伊犁河谷在哈薩克斯坦中亞低渦帶來(lái)的低層西風(fēng)與塔里木盆地中亞低渦帶來(lái)中層?xùn)|風(fēng)控制之下，兩低渦與伊犁河谷特殊向西開(kāi)口的喇叭口地形配合形成了中低層較強(qiáng)的水平風(fēng)垂直切變、低空輻合線、水汽輸送及堆積，從而有利于伊犁河谷內(nèi)形成動(dòng)熱力不穩(wěn)定條件，同時(shí)伊犁河谷上空高空急流產(chǎn)生的高層輻散場(chǎng)與低層輻合線附近的輻合運(yùn)動(dòng)耦合，從而有利于伊犁河谷內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生和加強(qiáng)。

（2）散度分布、水汽、垂直風(fēng)切變及熱力層結(jié)分布對(duì)鞏留縣的降水產(chǎn)生有重要的正貢獻(xiàn)，濕位渦分析表明熱力層結(jié)影響的對(duì)流不穩(wěn)定對(duì)降水的產(chǎn)生有正貢獻(xiàn)，垂直風(fēng)切變影響的對(duì)稱不穩(wěn)定對(duì)降水增強(qiáng)維持有正貢獻(xiàn)。

（3）整個(gè)降水區(qū)低層的對(duì)流不穩(wěn)定主要是由于位勢(shì)散度的垂直風(fēng)切變部分造成，而位勢(shì)散度的散度部分能加強(qiáng)小地形背風(fēng)坡處的對(duì)流不穩(wěn)定，其中，水平風(fēng)的垂直切變強(qiáng)度直接影響對(duì)稱不穩(wěn)定從而影響降水強(qiáng)度，同時(shí)也間接影響位溫垂直分布；位勢(shì)散度的散度部分分布情況直接影響垂直運(yùn)動(dòng)分布及強(qiáng)度，間接影響相當(dāng)位溫的分布；相當(dāng)位溫的垂直分布影響對(duì)流不穩(wěn)定、水平分布影響對(duì)稱不穩(wěn)定，當(dāng)不穩(wěn)定能量釋放，配合低層充沛水汽，最終影響強(qiáng)降水的產(chǎn)生、落區(qū)及強(qiáng)度。

圖9 2015 年6 月26 日（a、e、i）16:00；（b、f、j）17:30；（c、g、k）18:00；（d、h、l）19:30 沿圖4d 黑色細(xì)實(shí)線CD 位勢(shì)散度m（彩色陰影，單位：10?6 K m?1 s?1）、m 的分量 mbc （彩色陰影，單位：10?6 K m?1 s?1）、m 的分量 mbt（彩色陰影，單位：10?6 K m?1 s?1）的緯向—垂直剖面Fig.9 Vertical cross sections of (a–d) m (potential divergence; colour shaded, units: 10?6 K m?1 s?1), (e–h) m bc (colour shaded, units: 10?6 K m?1 s?1),and (i–l) m bt (colour shaded, units: 10?6 K m?1 s?1) along the line CD (shown in Fig.4d) at (a, e, i) 1600, (b, f, j) 1730 UTC, (c, g, k) 1800 UTC, and (d,h, l) 1930 UTC 26 Jun 2015

本文雖然對(duì)此次新疆伊犁河谷特大暴雨過(guò)程進(jìn)行了診斷和模擬，也得到了一些初步結(jié)論，但仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究分析，如本文還未涉及到利用高分辨率模擬資料對(duì)直接觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放的中尺度天氣系統(tǒng)的演變過(guò)程以及其如何影響降水，對(duì)地形影響降水作用的分析也還欠缺，這將在后續(xù)的工作中繼續(xù)進(jìn)行深入討論。