中亞氣旋引發(fā)的2 次新疆強降水過程成因分析

蘇小嵐 ，熊秋芬 ，吐莉尼沙 ，周雅蔓

（1.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象服務中心，新疆 烏魯木齊830002；3.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京100081；4.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

鋒面氣旋是與冷、暖鋒相伴的斜壓系統(tǒng)[1-2]，它常常給中高緯地區(qū)帶來暴雨、暴雪、大風、沙塵暴等災害性天氣，因此許多學者對鋒面氣旋結(jié)構(gòu)特征[3-4]、輸送帶及其產(chǎn)生的天氣等[5-7]進行了深入研究。如鋒面氣旋是對流層中低層淺薄的斜壓系統(tǒng)而不是深厚正壓的系統(tǒng)等[7-8]。Carlson[5]提出了鋒面氣旋中干帶、暖輸送帶和冷輸送帶的概念。Kuo 等[9]用模式模擬了鋒面氣旋中這3 條輸送帶對應氣塊的軌跡，得到了3 條輸送帶的演變特征。由于鋒面氣旋在我國中東部地區(qū)造成的天氣比較劇烈，因此相關(guān)的研究成果也較多[10-14]，而對我國西部及中亞地區(qū)的鋒面氣旋（以下簡稱“中亞氣旋”）關(guān)注較少[15-16]。

中亞地處中緯度西風帶，副熱帶急流常在該地分支，而極鋒急流和副熱帶急流也常在這里匯合，為中亞氣旋[15-16]和中亞低渦[17-20]的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。中亞氣旋會給新疆帶來強暴雨、暴雪和大風等災害性天氣，張家寶等[15-16]指出春季新疆17 次大降水過程中，有13 次與中亞氣旋活動有關(guān)。莊曉翠等[21]分析了新疆北部一次暖區(qū)與冷鋒并存的暴雪天氣過程，其中暖區(qū)降雪實際上是中亞氣旋東側(cè)暖鋒引起的。盡管早在20 世紀80 年代，張家寶等[16]初步給出了中亞氣旋的天氣特征等，但近30 a 對中亞氣旋與新疆降水影響的研究相對較少，特別是鮮有文獻用HYSPLIT 軌跡模式[22]追蹤中亞氣旋中的水汽輸送帶。為此本文利用常規(guī)觀測資料，選取了不同季節(jié)、不同生成源地中亞氣旋引發(fā)的2015 年2 月12—14 日北疆暴雪天氣過程和2015 年5 月17—21日新疆暴雨天氣過程，在分析這2 次強降水天氣成因的基礎(chǔ)上，利用HYSPLIT 模式和NCEP 1°×1°再分析資料追蹤不同高度氣塊的軌跡，探討其水汽輸送特征及其異同，以期提高對該類天氣系統(tǒng)及天氣過程的認識，為精細化預報提供參考。

1 天氣過程概況及環(huán)流背景

1.1 2015 年 2 月 12—14 日天氣過程

2015 年 2 月 12 日 14 時—14 日 14 時（北京時，下同），北疆大部出現(xiàn)降雪，其中伊犁州、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)等地的部分地區(qū)中到大雪，局部地區(qū)暴雪（圖1g）。過程最大降雪中心位于天山山區(qū)的小渠子站，為18.2 mm；主要降雪時段為 13 日 08 時—14 日 08 時。另外，12 日08 時—13 日08 時塔城站降雪達13.9 mm。北疆大部伴有4 級西北風，風口風力8 級；氣溫下降5 ℃，偏北地區(qū)達10 ℃以上。

2015 年 2 月 13 日 08 時 300 hPa 西南急流入口右側(cè)輻散加強了地面氣旋的強度、促使中低層上升運動發(fā)展（圖1a）。500 hPa 巴爾喀什湖附近有冷槽發(fā)展東移，槽前暖平流和正渦度平流有利于地面氣旋的發(fā)展（圖1c）。850 hPa 有低壓環(huán)流存在（圖1e），低壓中心相對于地面氣旋中心略向西北傾斜并伴有冷、暖平流，且冷平流強于暖平流。地面氣旋生成于北疆（圖1g）。12 日下午氣旋生成前，位于冷鋒前暖區(qū)的北疆北部的塔城、阿勒泰地區(qū)已出現(xiàn)強降雪，而13 日08 時氣旋生成后強降雪主要出現(xiàn)在地面氣旋北部的阿爾泰山附近及氣旋南部的天山山區(qū)等地（圖 1g）。

1.2 2015 年 5 月 17—21 日天氣過程

2015 年 5 月 17 日 08 時—21 日 05 時，北疆各地、天山山區(qū)及其兩側(cè)出現(xiàn)小到中雨，其中伊犁州、博州、天山山區(qū)及其兩側(cè)的部分區(qū)域出現(xiàn)大到暴雨，天山山區(qū)局部大暴雨（圖1h）。過程最大降雨量北疆為天池站，達89 mm；南疆為和碩站，達27.8 mm。17日08 時—18 日08 時小渠子站雨量為40.5 mm；18日08 時—19 日08 時天池站雨量為39.1 mm、南疆最大雨量為巴侖臺站，為25.2 mm。上述地區(qū)伴有4—5 級西北風，東疆風口風力9 級，南疆盆地部分地區(qū)出現(xiàn)揚沙或沙塵暴。

圖1 2015 年 2 月 13 日 08 時高低空系統(tǒng)配置（a、c、e）、2 月 12 日 14 時—14 日 14 時強降雪分布（g）及 2015 年 5 月 18 日 20 時高低空系統(tǒng)配置（b、d、f）、5 月 17 日 08 時—21 日 05 時強降雨分布（h）

5 月18 日20 時200 hPa 西南急流入口區(qū)右側(cè)及風向分流輻散有利于上升運動的加強和南疆地面氣旋發(fā)展（圖1b）。500 hPa 分別有從西西伯利亞地區(qū)低渦中分裂的短波槽及巴爾喀什湖南部至伊朗的冷槽東移（圖1d）。850 hPa 也有低壓環(huán)流，低壓中心向西北傾斜不明顯，幾乎與地面氣旋中心垂直重合，但其東側(cè)暖鋒鋒生及暖平流較強（圖1f）。地面氣旋位于南疆（圖1h）。18 日08 時氣旋在南疆西部已經(jīng)生成，其在東移過程中強降雨主要出現(xiàn)在地面氣旋東北側(cè)與天山南坡之間（圖1h），雨帶分布與氣旋東北側(cè)的暖鋒鋒區(qū)及暖平流強等有關(guān)。由于中低層系統(tǒng)移動緩慢及高層輻散的維持，因此降水持續(xù)時間長。

2 強降水成因分析

2.1 水汽輸送及輻合

“201502 過程”：2 月 12 日 08 時，850～500 hPa均有從伊朗高原到巴爾喀什湖地區(qū)的水汽通量大值區(qū)，表明有西南通道向新疆輸送水汽。850～700 hPa大的水汽通量輻合中心在巴爾喀什湖東側(cè)、500 hPa水汽通量輻合中心在南疆西部；而甘肅西部到北疆有較小的偏東水汽通量、僅存在于850 hPa 上，指示有較弱的偏東水汽通道。12 日14 時850～500 hPa西南水汽通量的大值區(qū)和水汽輻合中心均東移，接近新疆西部。850 hPa 甘肅西部到北疆的偏東水汽通量仍然維持（圖2a），此時北疆西部已經(jīng)有降雪發(fā)生。13 日 08 時，850～500 hPa 水汽通量的大值區(qū)和輻合區(qū)進入新疆、強度增強，北疆有大的輻合中心，強度為-1×10-7g（/s·cm2·hPa），北疆降雪加強；但850 hPa 偏東水汽通量減弱。13 日20 時，各層水汽通量大值區(qū)及輻合中心東移，北疆降雪逐漸停止。因此本次降雪過程中有西南和偏東2 條水汽通道向新疆輸送水汽，西南水汽通道層次深厚，是水汽主要輸送通道；偏東的水汽通道僅在850 hPa 輸送，其貢獻較小。

“201505 過程”：5 月 17 日 08 時，850～500 hPa從咸海到巴爾喀什湖附近有水汽通量大值區(qū)，表明有偏西的水汽輸送；在西亞地區(qū)有偏南的水汽通道，其值比偏西通道小。850~700 hPa 南疆北部有偏東的水汽通量大值區(qū)，850～500 hPa 水汽通量輻合中心主要在新疆西部到中哈邊境。17 日20 時850、700 hPa（圖2b）偏西水汽通量大值區(qū)東移北上，但其南側(cè)有轉(zhuǎn)向西北的水汽通量分別進入南疆和北疆，而西亞偏南水汽通道繼續(xù)北上到達南疆西部，同時南疆北部的偏東水汽通道加強，3 支水汽通道在南疆匯合，南疆西部有明顯的水汽輻合，850 hPa 輻合中心值＜-2×10-7g（/s·cm2·hPa），對應南疆西部的降水加強；此時北疆中部也有水汽通量的輻合區(qū)，700 hPa 輻合中心＜-3×10-7g（/s·cm2·hPa）（圖2b），對應北疆沿天山一線的降水。18 日08—20 時850～700 hPa 西北、偏南和偏東的水汽通道均加強，水汽的輻合區(qū)也增強并且移到了南疆中部，南疆強降水向東擴展；而北疆的水汽輻合中心減弱。19 日08 時850～700 hPa 3 支水汽通量強度減弱，輻合中心東移到了南疆東部。過程期間500 hPa 以偏西和偏南的水汽通道為主，17 日20 時水汽輻合區(qū)從境外東移進入新疆西部，18 日08、20 時水汽輻合區(qū)在北疆東部和南疆西部，輻合中心強度比700、850 hPa 弱。因此本次強降雨過程中北疆僅有西北水汽通道，而南疆有西北、偏南和偏東3 支水汽輸送通道，偏東水汽輸送通道位于850～700 hPa。

圖2 2015 年 2 月 12 日 14 時 850 hPa（a）和 2015 年 5 月 17 日 20 時 700 hPa（b）水汽通量、水汽通量散度

2.2 垂直上升運動

“201502 過程”：由于強降雪主要集中在阿勒泰、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)，因此沿87°E 作垂直剖面來研究垂直運動和水汽輻合的情況。12 日08時天山北坡有偏南風的上升運動，天山南坡400 hPa以下為下沉運動，對應天山及南北兩側(cè)800 hPa 以上為水汽通量的輻合區(qū)，但強度弱。阿爾泰山南坡有偏南風的上升運動, 但水汽通量輻合主要在對流層中上層。13 日02 時天山北坡偏南風的上升運動增強、南坡由下沉運動變?yōu)槠巷L的上升運動，天山南、北兩側(cè)水汽通量輻合的層次增厚。阿爾泰山南坡上升運動增強、范圍擴大，山前及山坡上轉(zhuǎn)為水汽通量的輻合區(qū)，強度為-1×10-7g/（s·cm2·hPa），此時有降雪產(chǎn)生。13 日08 時（圖3a）天山北坡轉(zhuǎn)為偏北風的上升運動、強度增強；南坡600 hPa 以下則轉(zhuǎn)為下沉運動，天山南、北兩側(cè)及山前地區(qū)水汽通量輻合加強，均出現(xiàn)了-2×10-7g/（s·cm2·hPa）的輻合中心，分別位于550、700 hPa，對應降雪加強。阿爾泰山南坡雖然仍為上升運動，但水汽通量輻合的范圍變小、層次變薄，降雪減弱。13 日20 時天山北坡的上升運動僅在600 hPa 以下，南坡為下沉運動，天山南北兩側(cè)的水汽通量輻合強度減弱、范圍減小。阿爾泰山南坡雖然仍維持上升運動，但已變?yōu)樗枯椛^(qū)，降雪停止。

由此可知，阿爾泰山南坡、天山北坡上升運動與水汽通量輻合強，造成北疆降雪量大；而位于天山南坡的南疆以下沉運動為主，因此降雪量不大。

“201505 過程”：由于這次強降雨主要集中在北疆沿天山一帶、天山山區(qū)、南疆巴州北部等地，因此沿85°E 作垂直剖面來研究垂直運動和水汽輻合的情況。17 日08 時天山北側(cè)的準噶爾盆地為偏北風的上升運動區(qū)，600 hPa 以下有較強的水汽通量輻合區(qū)，中心為-1×10-7g/（s·cm2·hPa）；而天山南坡為偏北風的下沉運動、水汽通量輻合弱。17 日20 時準噶爾盆地的上升運動加強，但水汽通量輻合減弱；而天山南坡轉(zhuǎn)為上升運動且有水汽通量輻合區(qū)，中心為-1×10-7g/（s·cm2·hPa），該地有降雨產(chǎn)生。18 日02時準噶爾盆地的近地層為偏北風下沉運動，這與低層冷空氣補充南下有關(guān)；其上為偏北風沿天山地形的爬升運動，但水汽通量的輻合加強、中心值為-1×10-7g/（s·cm2·hPa）；天山南坡的上升運動和水汽輻合均加強，輻合中心達-2×10-7g/（s·cm2·hPa），對應天山兩側(cè)的降雨均加強。18 日08—14 時隨著冷空氣的繼續(xù)南下，天山北坡的地形抬升作用更為明顯，該地水汽通量輻合維持；天山南坡的上升運動和水汽輻合繼續(xù)增強，均對強降雨有利。18 日20 時（圖3b）天山北坡的上升運動維持，準噶爾盆地輻合中心為-1×10-7g/（s·cm2·hPa）；天山南坡的上升運動加強，水汽輻合再次增強，達-3×10-7g/（s·cm2·hPa），使該地的強降水持續(xù)。19 日02 時雖然天山南北兩側(cè)仍為上升運動，但水汽通量輻合逐漸減弱，輻合層次變薄，降水逐漸停止。

圖3 2 月 13 日 08 時沿 87°E（a）及 5 月 18 日 20 時沿 85°E（b）水汽通量散度剖面、v—ω 合成流場

綜上所述，天山南、北兩側(cè)強的上升運動及水汽通量輻合持續(xù)達36 h 以上，造成了強降雨。

3 軌跡模擬方案及模擬結(jié)果分析

3.1 模擬方案

借鑒美國NOAA 開發(fā)的氣流軌跡模式HYSPLIT[22]模擬分析氣流路徑的思路，假設(shè)空氣中的粒子（以下簡稱“氣塊”）隨風飄動，那么它的移動軌跡就是其在時間和空間上位置矢量的積分。粒子最終的位置由初始位置和第一猜測位置的平均速率計算得到。本文模擬過程中輸入HYSPLIT 模式的資料均為 NCEP 的 1°×1°再分析場。

模擬方案1：選取中亞地區(qū)的3 個代表點（圖4a中黑色圓點），即（50°N，60°E，9 000 m）、（40°N，85°E，1 000 m）、（46°N，90°E，1 000 m），分別作為干帶、暖輸送帶和冷輸送帶的起點。以這3 個點的地理位置為基礎(chǔ)，2015 年2 月12 日14 時為起始時間，用HYSPLIT 模式模擬這3 個點上氣塊24 h 的前向軌跡（終止時間為13 日14 時），前向的時間步長為1 h，并逐小時輸出一次軌跡點的位置（圖4a）。

模擬方案2：選取中亞地區(qū)的3 個代表點（圖4b中黑色圓點），即（43°N，65°E，9 000 m）、（37°N，82°E，1 000 m）、（40°N，90°E，1 000 m），分別作為干帶、暖輸送帶和冷輸送帶的起點。同樣以這3 個點的地理位置為基礎(chǔ)，2015 年5 月18 日08 時為起始時間，用HYSPLIT 模式模擬這3 個點上氣塊36 h 的前向軌跡（終到時間為19 日20 時），前向的時間步長為1 h，并逐小時輸出一次軌跡點的位置（圖4b）。

3.2 模擬結(jié)果及分析

圖4a 為 2015 年 2 月 12 日 14 時不同高度、不同地理位置3 個氣塊的前向24 h 軌跡，為了便于對比，添加了13 日08 時地面氣旋中心（D）和冷、暖鋒，因此圖4a 也反映了3 個氣塊移向地面氣旋中心的過程。暖輸送帶反映了從冷鋒前暖區(qū)的近地層先上升、再沿暖鋒鋒面爬升到對流層中層的暖濕氣塊。冷輸送帶表明氣塊從地面氣旋中心的東側(cè)近地層先向西移動、再向東移、上升到3 000 m 以上；冷輸送帶中的偏東氣流與西南暖濕氣流交匯形成了北疆北部的降雪，即暖鋒附近的降雪。干帶顯示對流層上層的干空塊沿西北急流下沉到氣旋西側(cè)的對流層中層，由此組成了氣旋中的3 個輸送帶。

圖4b 為 2015 年 5 月 18 日 08 時 3 個不同高度和位置（圖中黑色圓點）氣塊36 h 的前向軌跡、18日20 時地面氣旋中心（D）及冷、暖鋒。暖輸送帶表明暖濕氣塊在冷鋒前暖區(qū)的近地層先上升、再沿暖鋒鋒面爬升到對流層中上層。冷輸送帶顯示氣塊從地面氣旋中心的東側(cè)、暖輸送帶下方先向西移動，再向東移并上升到對流層中高層，冷輸送帶中的偏東風氣流與暖輸送帶中的暖濕氣流交匯形成了南疆北部的強降雨，即暖鋒附近的降雨。干帶對應著對流層上層的干氣塊沿西北急流下沉到氣旋附近的對流層中層。

圖4 2 月 12 日 14 時 3 個氣塊 24 h 的前向軌跡（a）、5 月 18 日 08 時 3 個氣塊 36 h 的前向軌跡（b）及 2 月13 日 08 時（a）和 5 月 18 日 20 時（b）地面氣旋中心（D）和冷鋒（藍色實線）、暖鋒（紅色實線）

綜合本文的模擬結(jié)果和張家寶等[16]指出的3 支氣流，可以得到冷輸送帶、暖輸送帶與文獻[16]中的偏東、偏南氣流對應，都是輸送水汽的氣流。與文獻[16]中的高層西南氣流不同，干帶則是來自對流層上層的干空氣，一般與高空西北急流相伴，干冷空氣疊加到低層暖濕氣流會增加大氣的不穩(wěn)定層結(jié)，會使降水加強，降水與3 條輸送帶溫濕分布密切相關(guān)。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

通過對2015 年2 月12—14 日北疆暴雪天氣過程和2015 年5 月17—21 日新疆暴雨天氣過程的形成原因分析和輸送帶軌跡的模擬，得到2 次過程的共性與差異：

（1）2 次強降水均伴有低槽、低渦、氣旋等中低層輻合系統(tǒng)，高空急流入口右側(cè)的輻散加強了上升運動；中亞氣旋低壓為存在于850 hPa 及以下層次的淺薄系統(tǒng)。不同之處是“201502 過程”中850 hPa低壓向西北傾斜比“201505 過程”明顯，但“201505過程”氣旋東北側(cè)暖鋒鋒生及暖平流強，且高層不僅有急流入口右側(cè)的輻散，還伴有風向分流輻散，上升運動更強。

（2）“201502 過程”水汽來源于西南和偏東 2 條水汽輸送通道，以西南水汽輸送為主；阿爾泰山南坡、天山北坡及山區(qū)上升運動與水汽輻合強，有利于產(chǎn)生強降雪?！?01505 過程”有西北、偏南和偏東3條輸送通道，偏東水汽輸送通道位于850～700 hPa。天山兩側(cè)強的上升運動及水汽輻合持續(xù)時間長達36 h，造成了強降雨。不同的是“201505 過程”偏東水汽輸送的強度比“201502 過程”強、層次更厚；強上升運動的維持時間也是“201505 過程”更長。

（3）軌跡模擬結(jié)果顯示2 次過程的共同特征是，從近地層冷鋒前暖區(qū)上升的暖濕氣塊形成了暖輸送帶，而從地面氣旋東側(cè)先向西移動、再向東移且上升的氣塊形成了冷輸送帶，從對流層上層沿西北氣流下沉到氣旋西側(cè)對流層中層的干氣塊構(gòu)成了干帶。不同點是“201502 過程”的冷輸送帶不如“201505 過程”明顯，且暖輸送帶上升的層次也不高，這與該次暴雪過程中偏東氣流較弱密切相關(guān)。

中亞氣旋中的冷輸送帶、暖輸送帶與文獻[16]中的偏東、偏南氣流基本一致，但干帶與文獻[16]中的高層西南氣流不同，它是高層沿西北氣流下沉的干空氣。

4.2 討論

本文給出了2 次中亞氣旋過程3 條輸送帶軌跡的模擬結(jié)果，雖然3 條輸送帶的配置略有差異，但上升和下沉等運動趨勢基本一致，因此不同的天氣過程，輸送帶配置可能不完全一致，有待于今后用更多的實例加以驗證。另外限于篇幅，文中僅討論了3 條軌跡對應的氣塊高度和位置的變化，并沒有詳細給出氣塊上升和下沉過程中溫、濕等特性的變化。

由于中亞氣旋引發(fā)的強降水不出現(xiàn)在氣旋的中心附近，主要是在氣旋周圍并且與冷、暖鋒及地形關(guān)系密切，而研究氣旋的結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機理是以地面氣旋中心為重點而進行的，因此有關(guān)中亞氣旋的細致結(jié)構(gòu)特征、形成和發(fā)展機制以及與復雜下墊面地形關(guān)系等問題將另文討論。