2016 年盛夏一次局地極端降水中尺度分析

王江華，李海華，方雯，彭勁松

（1.昌吉回族自治州氣象臺，新疆昌吉回族自治州 831100；2.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830002；3.昌吉回族自治州氣象服務中心，新疆昌吉回族自治州 831100）

暴雨是克孜勒蘇柯爾克孜自治州（以下簡稱“克州”）夏季出現(xiàn)的主要災害性天氣之一，它影響制約著人們生產、生活。尤其是近幾年來，暴雨日數(shù)呈逐年增多趨勢，且短時強降水經常讓人猝不及防，因而，研究該地區(qū)的暴雨發(fā)生機制，對指導暴雨的預報預警和防災減災有重大深遠的意義。

對暴雨的研究，國內許多學者做過大量的分析。例如，何光碧等[1-5]對不同地區(qū)的暴雨時空分布特征及周期變化、環(huán)流特征等方面進行了探討；周長艷等[6]從暴雨的水汽輸送機制及輸送路徑等進行了分析，同時提出有一條新的水汽輸送路徑，即阿拉伯海北部西南風水汽輸送經高原主體、高原東南部進入四川，這一新的發(fā)現(xiàn)對于研究新疆暴雨發(fā)生時水汽輸送機制有很大的啟示。充足的水汽供應是暴雨發(fā)生的重要因子之一，新疆地處沙漠邊緣，遠離海洋，水汽是如何輸送到南疆西部克州地區(qū)上空，對此新疆的一些學者也做過很多研究。例如，楊蓮梅等[7]對2007 年7 月新疆3 次暴雨過程的水汽特征進行了研究，結果表明，3 場天氣水汽輸送有明顯差異，青藏高原、孟加拉灣、貝加爾湖及南海、熱帶西太平洋水汽對它們有不同程度的貢獻。近些年，更多的學者如張雅斌等[8-15]對某一次典型暴雨個例的成因、環(huán)流特點及分析等方面進行了研究，得出了一些有利的預報指標，并應用于實際的暴雨預報中。但由于暴雨因局地氣候、背景不同又有很大的預報差異，加之新疆的地域特點，資料稀疏，暴雨預報一直是本地預報難點，因而探索暴雨天氣成因，提高預報準確率，依然是預報員不斷努力的方向。本文就2016-07-30—08-01 出現(xiàn)的一次局地強降水天氣，從大尺度環(huán)境場、水汽條件、不穩(wěn)定條件及雷達資料應用等方面分析了此次暴雨的成因，為克州地區(qū)今后暴雨預報提供一定的經驗和依據(jù)。

1 天氣概況

2016-07-30T20：00—08-01T20：00，克州地區(qū)出現(xiàn)了入夏以來最強的一次降水天氣過程，各地過程降水量普遍以小到中量為主，降水大值中心主要集中在北部山區(qū)阿合奇縣一帶，共有13 站過程雨量達到暴雨級別，3 站過程雨量達到大暴雨級別。三縣一市及部分區(qū)域站降水情況如表1 所示。

表1 三縣一市及部分區(qū)域站降水情況

2 大尺度天氣背景和影響系統(tǒng)分析

2.1 大尺度天氣背景

2016-07-29T20：00，200 hPa 南亞高壓呈雙體型，表現(xiàn)為2 個中心，一個位于里黑海以南，另一個則位于青藏高原一帶，中心數(shù)值為1 260 dagpm，中亞至帕米爾高原一帶為長波槽控制下；07-30T20：00，南亞高壓轉為東部型，中心位置、數(shù)值變化不大；07-31 T20：00，南亞高壓維持東部型，中亞至帕米爾高原大槽穩(wěn)定維持少動，該形勢的出現(xiàn)是南疆西部降水處于多發(fā)期的有利大氣候背景。

2.2 影響系統(tǒng)

2016-07-29T20：00，500 hPa 咸海至巴湖關鍵區(qū)為低渦控制下，克州位于低渦前西南氣流影響下，配合伊朗副熱帶高壓和西太平洋副熱帶高壓發(fā)展活躍；07-30T20：00，低渦快速東移減弱成槽并分裂為南北2支，北支控制在西天山一帶，南支則在中亞附近滯留，克州仍受槽前西南氣流影響下，并且伊朗副熱帶高壓穩(wěn)定少動，西太平洋副熱帶高壓則西伸北挺，此種形勢的建立促進了低槽攜帶的冷空氣與副高外圍暖濕空氣交匯，是造成大降水的有利條件；07-31T20：00，南北2 支東移同位向疊加，槽曲率較大，南伸明顯，且槽前南氣流進一步加強，克州處于其影響下，同時西太平洋副熱帶高壓也繼續(xù)西伸北挺，控制在東疆一帶。

2016-07-30T20：00，克州阿圖什市附近及阿合奇縣一帶有切變、輻合區(qū)，位于中低層700 hPa，且盆地東部偏東急流開始建立；07-31T20：00，偏東急流略有加強，克州地區(qū)仍受切變線影響下。偏東急流的長時間維持并加強促使孟加拉灣水汽源源不斷向暴雨區(qū)輸送，同時促進了低空不穩(wěn)定能量釋放，加之高空槽前偏南氣流攜帶的水汽共同作用下，是極端降水發(fā)生的重要條件。

2.3 中尺度條件分析

2016-07-30T08：00—20：00 中尺度分析如圖1 所示。從圖中可以看出，500 hPa 高度場上，伴有負變溫的溫度槽落后于高度槽，中低層700—850 hPa 存在明顯的切變，且20：00 時，850 hPa 切變線處于阿圖什至阿合奇一帶，08：00 時中尺度圖上，200 hPa、500 hPa西南急流較強，急流中心最大風速為36 m/s，同時850 hPa 有東風急流配合，20：00 時急流西伸明顯，低空切變與急流構成了低層輻合系統(tǒng)，增強了上升運動，是對流天氣出現(xiàn)的觸發(fā)條件之一。地面圖上，08：00有明顯的輻合線，20：00 在阿圖什至阿合奇一帶形成一閉合的小低壓，850 hPa 有暖脊建立，這是對流出現(xiàn)的又一觸發(fā)因子。08：00—20：00，濕區(qū)位于北疆大部地區(qū)，本區(qū)上空整層濕度偏干，濕層淺薄，近地面濕度略有增加，這種低層暖濕，中層干冷，使層結處于極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)強對流天氣。

圖1 2016-07-30T08：00—20：00 中尺度分析

3 物理量場分析

3.1 水汽條件分析

2016-07-30T08：00，探空資料顯示，從中低層溫度露點差來看，850—500 hPa 暴雨發(fā)生區(qū)均在3 ℃以下，克州處于4～8 g/kg 的比濕場內；20：00 濕舌進一步西伸，范圍有所加大，克州比濕進一步加強為8～10 g/kg，低層850 hPa 上，出現(xiàn)垂直分布大值區(qū)。水汽通量散度場上，07-30T08：00 降水發(fā)生前，克州地區(qū)阿合奇縣、阿克陶縣一帶輻合區(qū)，最大中心值為-36×10-7～-24×10-7g/（cm2·hPa·s），位于700—850 hPa；07-31T08：00，輻合區(qū)范圍有所增大，阿圖什市到阿合奇縣一線及阿克陶縣附近都有輻合出現(xiàn)，中心數(shù)值為-24×10-7g/（cm2·hPa·s）；08-01T08：00，輻合中心東移至阿克蘇偏東地區(qū)，克州地區(qū)為輻散區(qū)控制，降水隨之趨于結束。阿圖什市（76.1°E）和阿合奇縣（78.4°E）水汽通量及水汽通量散度剖面如圖2 所示。

3.2 動力條件分析

2016-07-30T08：00，200—850 hPa 散度圖上，克州阿圖什市和阿合奇縣一帶處于高層輻散、低層輻合區(qū)內，最大輻合中心位于700—850 hPa 上，中心強度為-36×10-5s-1，200 hPa 上為輻散區(qū)，中心值為12×10-5s-1；07-31T08：00，輻散中心加強為24×10-5s-1，最大輻合中心位于500 hPa，中心值為-72×10-5s-1，強降水出現(xiàn)時間與輻散、輻合最大時段較吻合。垂直速度圖上，07-30T08：00，阿圖什市至阿克陶縣一帶在500 hPa 圖上表現(xiàn)為下沉運動區(qū)，中低層（700—850 hPa）為上升運動區(qū)；07-30T20：00，中低層整層都為上升運動區(qū)（500—850 hPa），中心數(shù)值為-24×10-3m/s，強的上升運動將低層水汽和不穩(wěn)定能量帶到高空，是強降水發(fā)生的重要因子。

2016-07-30T08：00，EC 細網格10 m 風場分析，在阿合奇縣一帶存在明顯的風向輻合，同時在南疆盆地東部至克州地區(qū)有一支6～10 m/s 的明顯偏東急流出現(xiàn)；07-31T08：00，阿合奇縣一帶仍處于輻合區(qū)，盆地東部至克州一線的偏東急流略有加強，為8～12 m/s；08-01T08：00，盆地東部的偏東急流減弱，克州地區(qū)轉為西北氣流控制，降水也減弱趨于結束。

3.3 不穩(wěn)定條件分析

由于克州地區(qū)強對流天氣多出現(xiàn)在午后，因而需用14：00 時的最高氣溫和露點溫度進行訂正來更好地反映對流發(fā)展情況。從2016-07-30T08：00 的喀什探空圖上看，低層為冷平流，高層為暖平流，說明此時的層結穩(wěn)定，從探空指數(shù)來看，也表明了層結較穩(wěn)定，k指數(shù)為20 ℃，沙氏指數(shù)為3.72 ℃，對流有效位能CAPE（Convective Available Potential Energy）值為0.4 J·kg；經14：00 探空訂正后，對應k指數(shù)為27 ℃，沙氏指數(shù)為-1.5 ℃，對流有效位能CAPE 值為294 J·kg，各項探空指數(shù)都有明顯變化，說明層結開始趨于不穩(wěn)定，同時850—500 hPa 風隨高度順轉變?yōu)榕搅鳎?00 hPa以上，風隨高度逆轉變?yōu)槔淦搅鳎脖砻鞔髿馓幱诓环€(wěn)定狀態(tài)，不穩(wěn)定條件是強對流天氣發(fā)生的有利條件。從T639k指數(shù)在07-30T08：00 的預報場看，克州地區(qū)處于20～24 的不穩(wěn)定范圍內，07-30T08：00，影響范圍變化不大，克州地區(qū)k指數(shù)增加為28，最大中心位于阿合奇至阿圖什一帶，k指數(shù)中心數(shù)值為32。

4 雷達回波特征分析

強對流天氣發(fā)生初期，從雷達回波演變圖上看，在0.5°仰角的反射率圖上（如圖3 所示），2016-07-31T08：00，克州阿圖什市上空為大片的層云覆蓋，有幾個結構松散的對流單體發(fā)展，在其偏北方，有一個40 dBz 的對流單體活動；08：17，對流單體合并加強東移，與偏北方的對流單體連成一片，其中心最大回波強度在50 dBz，在1.5°對應的徑向速度圖上，表現(xiàn)有一對正負速度中心，最大中心速度值為-7.3 m/s，并且有氣旋性幅合；到08：57，回波繼續(xù)加強，中心最大強度增大為45 dBz，最大中心速度值也增加為-10 m/s。

圖3 喀什新一代天氣雷達0.5°仰角在2016-07-31 T08：00—08：46 時的反射率因子圖

2016-07-31T08：00 開始出現(xiàn)降水時，在阿圖什市吐古買提鄉(xiāng)和哈拉峻鄉(xiāng)有大值區(qū)存在，垂直液態(tài)水的含量為10 kg/m2；隨著回波東移加強，08：17 垂直液態(tài)水含量中心數(shù)值加強為15 kg/m2左右，此時降水區(qū)范圍加大，降水強度也變強，一直維持到08：40—08：57，之后開始逐漸東移，降水強度也有所減弱，該雷達參數(shù)的最大值出現(xiàn)時間與強降水發(fā)生時段比較一致。

從回波頂高ET 圖上看，2016-07-31T08：12，阿圖什上空回波頂高處于3 km 左右，阿圖什東北方哈拉峻一帶回波頂高為4 km；隨著回波逐漸東移加強，08：57，位于阿圖什上空的回波頂高變化不大，東北方回波頂高增加為5 km，表明此時對流發(fā)展較強，云頂較高，此雷達參數(shù)對強降水的發(fā)展趨勢及落區(qū)有較好的指示意義。

5 結論

綜上所述，可以得出以下結論：①南亞高壓呈雙體型，伊朗副熱帶高壓和西太平洋副熱帶高壓活躍，是強降水形成的有利大尺度環(huán)流背景；②強的比濕中心及低層偏東急流長時間維持在克州上空，配合水汽通量散度大值區(qū)存在，使水汽不斷向暴雨區(qū)輸送并在此迅速匯合集中，是此次降水的重要水汽輸送條件；③低層輻合，高層輻散，且配合強的上升運動，使低層水汽和不穩(wěn)定能量抬升到高空，是強降水發(fā)生的有利動力條件；④中尺度條件分析，高低空急流共同作用，促使上升運動增強，低層切變線和地面小尺度系統(tǒng)觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，多普勒雷達較好地反映了對流回波的特征，其速度圖、液態(tài)水含量及回波頂高與強降水出現(xiàn)時間及落區(qū)有較好的對應關系。