2012年3月新疆大范圍暴雨雪天氣診斷分析

陳春艷，秦 賀，唐 冶，趙鳳環

（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

2012年3月18日08時至23日08時，受北方較強冷空氣和西南暖濕氣流的共同影響，新疆出現了2012年春季首次大范圍雨雪風沙天氣過程。北疆大部、天山山區、南疆偏西地區雨雪天氣明顯：降水范圍大，南北疆79個國家站先后出現雨雪；局地降水強度強：北疆烏魯木齊（13.3 mm）等3站暴雪（24 h降雪量≥12.1 mm），南疆西部盆地伽師等3站出現暴雨（30.8～44.6 mm），南疆西部山區吐爾尕特（27.5 mm）等兩站出現暴雪（≥12.1 mm）；降水相態復雜：北疆雨或雨夾雪轉雪，南疆山區為雪，南疆盆地以雨為主，但南疆盆地和田等地出現10 mm以上的雨轉雨夾雪。另外，百里風區的瞬間最大風力達12級。若羌出現了能見度不足100 m的強沙塵暴。這次天氣的預報難點突出表現在強降水落區和起止時間的把握上，因此，本文重點分析大到暴雨雪天氣成因，以期對新疆春季強天氣降水落區有一個初步的概念模型，為春季暴雨雪精細化預報提供參考。

1 降水實況與大尺度環流背景分析

1.1 降水實況

2012年3月18日08時至20日08時，南疆西部山區吐爾尕特降雪量27.5 mm，出現持續暴雪，積雪36 cm，19日08時至20日08時首府烏魯木齊（13.3 mm）、米泉（12.8 mm），暴雪；20日 08時至 21日08時，和田、阿克蘇等地中到大雨；21日02時至22日20時，伽師（42.4 mm）、阿圖什（35.0 mm）等地暴雨。分析降水強度，吐爾尕特是較為平穩的持續降雪，烏魯木齊等地暴雪集中在19日傍晚到夜間，南疆盆地的降雨雨強較大：伽師21日20時至22日02時雨強16.7 mm/6 h，已開始有對流性降雨特征。

1.2 大尺度環流特征

500 hPa圖上，過程前期，歐州沿岸到北歐為長波脊，東歐到烏拉爾山為長波槽控制。這次強天氣發生在環流經向度不斷減弱的過程中，隨著東歐高壓脊向東南衰退，18日08時阻塞高壓脊內閉合中心南落至地中海附近，這一變化導致極鋒鋒區在東歐地區明顯加強，烏拉爾大槽東移過程中南北分段，北段槽受上游鋒區影響，快速東移于18日夜間到20日白天影響北疆地區的天氣。南段槽略有些南掉，移速偏慢，槽前西南氣流強盛，18日午后開始南疆西部山區受南段槽前西南氣流影響出現降雪，19日夜間南段槽前西南暖濕氣流與北段槽底偏西氣流匯合于天山北坡中段，造成烏魯木齊周圍大到暴雪，20日08時開始，南段槽（中亞低值系統）不斷分裂短波向東北移進南疆盆地，與低層“東灌”的冷空氣（偏東氣流）交匯，形成“東西夾攻”之勢[1-2]，造成了南疆盆地較強降水天氣。

這次過程南疆降水范圍廣，呈現強降水時段多、降水中心（伽師44.6 mm）雨雪量異常大等特點。分析其原因，500 hPa副熱帶鋒區異常活躍：首先，5 880 gpm線18日08時已北上至阿拉伯海北部沿岸地區，副熱帶鋒區明顯北抬，與東南移的南段槽疊加于里海南部地區，使得這一地區鋒區明顯加強，28°～35°N范圍內位勢高度梯度達40 gpm、南北溫差達16℃；其次副熱帶鋒區經向度明顯，且維持時間長，自18日08時至20日20時，中低緯度始終維持兩脊一槽的經向環流，18日08時，地中海脊、里海南部槽、阿拉伯海沿岸到青藏高原脊，低槽前西南氣流已開始影響南疆偏西山區，西南氣流控制南疆西部山區時間長達48 h，吐爾尕特出現了持續暴雪；槽脊系統緩慢東移，19日20時（圖1a），里海及其南部脊、中亞槽、青藏高原脊，低槽前西南氣流強盛，已北擴到天山北坡，西南暖濕氣流與北段槽底偏西氣流匯合于中天山北坡，造成烏魯木齊等地暴雪天氣；20日08時（圖1b），中亞低槽分裂短波快速進入南疆盆地，喀什轉為偏北風，和田、阿克蘇為偏南風，南北向的切變線與喀什西部、阿克蘇南部、和田中東部的中到大雨密切相關；21日08時，中亞到南疆盆地轉為一致的西西南氣流，表明中亞低值系統已全部進入南疆盆地，中高層冷空氣侵入，中低層濕度隨東灌增加，不穩定度加劇，有利于對流發展，伽師等地出現極端暴雨。

圖1 500 hPa高空高度場、溫度場

2 暴雨雪成因分析

2.1 烏魯木齊暴雪成因分析

烏魯木齊暴雪出現在19日18時—20日08時，沿88°E做等風速線和假相當位溫剖面圖（圖2a、b），3月19日08時極鋒鋒區高空急流位于53°N 300 hPa附近，副熱帶鋒區異常活躍，已北上到41°N附近；19日20時，極鋒鋒區南壓過程中受到副熱帶鋒區的補充，明顯加強，最大風速中心加強到56 m/s，由圖還可以看出，兩支鋒區匯合加強的同時，急流層增厚，并向下部伸展，使得400 hPa附近水平動量加大，激發500 hPa附近及其以下急流加強，500 hPa附近風速增至24 m/s，暴雪區附近等θse線傾斜，對流層及其以下鋒區明顯加強，850 hPa到700 hPaθse呈垂直陡立，鋒區在 44°N 達到最強，與暴雪區對應。

由此看來，烏魯木齊暴雪與急流關系密切，18日20時烏魯木齊高空急流明顯加強，中心風速位于300 hPa，增至58 m/s，19日 20時 500 hPa風速明顯增大，且轉為西南風，700 hPa、850 hPa由前期的偏東風轉為偏北風。高空急流移近啟動了高層強輻散，補償作用必將導致低層輻合，而向山偏北低空急流的建立，與烏魯木齊喇叭口地形相對應，加劇了低空輻合。19日20時沿44°N散度、垂直速度剖面圖可以看出，300 hPa高空急流與24×10-6s-1強輻散中心相配合，對應低空700 hPa的16×10-6s-1輻合中心。高低空急流促使高層輻散、低層輻合的耦合形勢建立，有利于產生垂直上升氣流。暴雪發生在高層輻散、低層輻合的垂直上升氣流區。

19日20時沿44°N濕位渦、溫度平流和θse剖面圖（圖3c、d）上可看出，高值位渦向下伸展，表明高層冷空氣下傳，產生冷溫度平流，伴隨冷溫度平流向對流層低層的輸送，鋒區快速建立加強，說明持續的冷平流是鋒區生成和維持的主要原因。冷平流的出現導致鋒生，鋒后冷平流的加強和維持使得鋒區加強維持[3-4]。南支暖濕氣流的加入不但為暴雪區輸送充足的水汽，同時輸送暖溫度平流，使鋒區兩側溫度梯度加大，導致鋒生加劇。

中緯度地區暴雨（雪）的產生和發展除了與暖濕氣流有關外，還與干冷空氣活動密不可分[5]。新疆北部暴雪過程總與北方強冷空氣的南下相關聯，做沿44°N位渦、渦度、渦度平流剖面圖，可以看出對流層正位渦異常沿西北路徑侵入，通過改變溫度場結構有利于鋒生，另一方面正位渦異常有利于對流層正渦度平流的產生，正位渦向對流層的傳播有利于對流層正渦度的產生和維持，暴雪發生在正渦度平流區，正負渦度對之間，渦度梯度最大區。

2.2 南疆偏西地區強降水成因分析

南疆偏西地區因北部、西部高山環繞，西來冷空氣往往翻山下沉，多焚風，少降水。但若與低層“東灌”的冷空氣形成“東西夾攻”之勢，則有利發生降水。19日20時，隨著北段槽的快速東移，已開始有冷空氣回流進入南疆盆地，并不斷加強，20日08時，北段槽東移到哈密地區，“東灌”快速增強，21日08時，極鋒鋒區上巴爾喀什湖北部又有一股冷空氣，沿西北氣流快速東南移，給“東灌”注入了新的動力，21日20時，北疆偏北偏東地區有一支自80°E，55°N到哈密的強西北氣流，該氣流一直維持到22日08時，22日20時移出新疆，西北氣流的存在使得“東灌”持續，并保持了一定的強度，也促使“東西夾攻”的形勢多次建立并相互作用。由此看來，南疆盆地的多次降水天氣與低層回流“東灌”密不可分。

2.2.1 “三支”氣流的有利配合

圖2 沿88°E垂直剖面圖

從喀什、和田和阿克蘇等地的高空風時間剖面圖可以看出，南疆偏西地區出現降水前24～48 h 300～200 hPa有高空急流（≥40 m/s）出現或增強的現象，但均以偏西急流為主，出現降雨時段高空急流轉為西南或偏南急流，喀什是偏南急流中心，強度達62 m/s，阿克蘇、和田略弱分別為 40 m/s、52 m/s。高空急流的出現伴隨高層強輻散，有利于啟動垂直上升氣流，為強降水提供較好的動力條件。

由于昆侖山山脈大地形的影響，天氣系統尤其是短波槽進入南疆盆地的時間往往在預報中難以把握，因此影響到降水開始時間和落區的預報，從高空風時間剖面圖可以看出，高空短波槽進入可以通過500 hPa高空風是否轉偏南風來判斷，200 hPa高空轉為偏南急流，500 hPa隨后也轉為偏南風或中空偏南急流，表明中亞短波槽已進入南疆盆地，偏南氣流的建立：一方面說明中亞低值系統或分裂短波進入南疆盆地，另一方面是南疆盆地降水的水汽輸送通道之一，這一點從高空剖面圖可以得到證實：隨著中高層偏南氣流的建立，南疆盆地中低層大氣T-Td明顯減小，500 hPa及其以下層次明顯增濕。

高空急流增強高空鋒區進入南疆盆地，高空急流風向由偏西轉偏南，預示中亞低值系統開始影響南疆盆地，南疆盆地測站500 hPa偏南氣流的出現表明中亞短波槽已開始影響本區域。“東西夾攻”有了西來短波槽，低層東“灌”的判斷就顯得尤為重要，從若羌的高空剖面圖可以看到，東灌從19日20時開始，850 hPa低空偏東急流19日20時達到18 m/s，20日08時增至20 m/s，偏東低空急流一直持續到22日20時，期間風速大小略有起伏，但始終維持≥12 m/s低空急流的強度。低空偏東急流的出現，導致南疆偏西地區極易出現低空切變和氣旋性輻合，低空切變線和輻合區往往對應較強降水落區[6-7]。這在散度和垂直速度剖面圖上都有所體現：高空急流對應高層輻散，強輻散中心下方往往對應低層輻合區，高層輻散、低層輻合又與垂直上升區相對應，與降水落區一一對應。

綜上，這次降水過程滿足了南疆盆地出現大降水時“三支”氣流的完美配置：200 hPa西南急流、500 hPa偏南急流、850 hPa偏東低空急流。因此南疆盆地出現了罕見的大范圍降水過程。

2.2.2 動力條件分析

沿41°N做3月20日08時散度、垂直速度剖面圖（圖3），烏什至阿克蘇降水區對應高層輻散、低層輻合的耦合配置，輻散中心高達28×10-6s-1，還可看出高層輻散、低層輻合與4 Pa/s垂直上升氣流相對應。輻散中心高度在250 hPa附近，與高空西南急流的移近密切相關。400 hPa及其以下以輻合為主，越往低層輻合越強，分析20日08時的高空實況：喀什本站500 hPa為偏北風，阿克蘇、和田為偏南風，可以診斷有一股冷空氣進入南疆盆地，短波槽的位置在喀什東部、阿克蘇南部和和田的西部，在500 hPa層上表現為偏北風和偏南風的強切變，因此500 hPa也以輻合為主。850 hPa東灌氣流已達庫車站，東北風6 m/s，上游的庫爾勒站12 m/s，表明東灌有繼續加強的趨勢，阿克蘇本站為2 m/s的弱西風，喀什為10 m/s西北風，阿克蘇處在西北風和東北風的切變線上，低層的輻合機制建立并加強，由此高層輻散、低層輻合的垂直上升氣柱得以建立，且降水期間始終維持。

圖3 20日08時沿41°N散度、垂直P速度垂直剖面圖

沿37°N做3月20日02時至20時緯向風與垂直速度合成的緯向垂直環流圖（圖4a、b），可看出02時葉城西部500 hPa以下以偏西氣流為主，700 hPa以下偏東氣流已進入80°E以東地區，78°E附近出現了東西風匯合的上升氣流，該上升氣流與葉城中到大雨開始時間對應，08時該上升氣流依然維持，但有向東傳播的跡象，14時上升氣流已東移至80°E附近，葉城降水明顯減弱，和田及其附近降水陸續開始，20時上升中心維持在80°E附近，與和田中到大雨的開始時間對應。再沿39°N做3月20日20時至22日02時緯向風與垂直速度合成的緯向垂直環流圖（圖4c、d）可看出，伽師附近極端暴雨的出現依然與700 hPa及其以下層東西風匯合產生的上升氣流緊密相連，所不同的是在伽師附近建立的上升氣流維持在75～77°E之間，穩定少動長達48 h，這也是伽師等地出現異常暴雨的主要原因之一。

綜上，南疆偏西降水天氣的動力機制除了高空急流的移近產生高層強輻散外，700 hPa以下層次低層切變輻合線的出現和維持至關重要，高層輻散、低層輻合垂直上升氣柱的存在和維持是降水出現的主要動力機制[5]，因此，低層輻合切變線是判斷降水落區的重要指標。

2.2.3 熱力條件分析

由3月20日08時和20時濕位勢渦度、比濕和θe的垂直剖面圖可知，高層濕位渦向下伸展，導致中低層等θe線明顯傾斜，中低層鋒區明顯得到加強[8]。由于“東灌”的影響低空增濕明顯，高層冷空氣侵入，低空先是明顯增溫，繼而隨著“東灌”偏東氣流的進入、明顯增濕。通過這種機制導致氣層不穩定性明顯增加，能量積聚。和阿克蘇地區不同的是，和田隨著偏東氣流的進入，東西向冷熱差異急劇增加，700 hPa以下θe等值線陡立，降水中心上空850 hPa附近均出現了，假相當位溫隨高度增加而降低，有對流不穩定層存在，因此南疆降水大都出現了對流性降水雨強大的特點。

2.3 水汽條件分析

新疆遠離海洋等水汽源地，降水天氣所需的水汽條件往往難以達到，南疆盆地四周高山環繞，水汽輸送通道更是難以建立。本次天氣過程19日午后到夜間烏魯木齊周圍出現了暴雪天氣，18日08時至20日08時南疆西部山區代表站吐爾尕特出現持續暴雪，20日08時前后南疆盆地偏西地區降水陸續開始。分別做16日08時至22日20時間隔6 h的500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽通量圖（圖5），可看出，500 hPa水汽源于波斯灣等附近水域，隨著副熱帶鋒區上低槽的移近，從波斯灣等水域到南疆偏西山區的西南水汽通道早在16日08時就已建立，中軸水汽輸送普遍在10 g/（cm·hPa·s），自18日08時起水汽輸送大值中心已抵達吐爾尕特附近，吐爾尕特降雪開始。19日08時大值中心依然維持在吐爾尕特附近，吐爾尕特降雪持續，還可看出，已有部分水汽開始翻越昆侖山進入南疆盆地。19日20時水汽通量大值區維持在昆侖山及其以北區域，較前期已隨南支槽明顯東移，吐爾尕特處在水汽輸送大值區尾部，降雪依然持續，同時隨著西南氣流的北抬，偏南路徑的水汽輸送大值區已越過天山到達天山北坡中部，與烏魯木齊暴雪相對應，此時北方冷空氣也已抵達天山北坡中段，西北風和偏南氣流的交匯導致冷暖、干濕空氣急劇匯合，烏魯木齊降雪開始。20日02時水汽輸送大值區繼續東移，吐爾尕特已處在水汽輸送大值區后部，降雪也隨之減弱，向北輸送到天山北坡的水汽輸送通道依然維持，已由偏南轉為西南路徑，烏魯木齊的降雪強度也是明顯減弱。20日08時之后南疆盆地中到大雨陸續開始，這與進入南疆盆地的水汽輸送大值區一一對應，由此看來，南疆盆地大范圍降水與500 hPa偏南氣流的水汽輸送密切相關。21日08時之后進入南疆盆地的水汽輸送明顯減弱，伽師等地極端暴雨過程發生時500 hPa水汽輸送并不明顯。

圖4 沿37°N緯向風與垂直速度合成的緯向垂直環流圖

700 hPa水汽輸送和500 hPa不同，有兩條路徑進入新疆，一條沿中緯度鋒區將地中海等地水汽接力輸送到咸海到巴爾喀什湖附近，再隨低值系統東移進入北疆，這是北疆地區降雪的水汽輸送通道之一；另一條和500 hPa相同，由偏南氣流將波斯灣附近水汽輸送到青藏高原再進入南疆盆地，19日20時隨著“東灌”的開始，出現了偏東路徑的水汽輸送，但輸送值相對較小，水汽輸送輻合主要集中在喀什附近，喀什出現了小陣雨，20日08時隨著“東灌”的加強，偏東路徑的水汽輸送也逐漸增大，20日14時增至5 g/（cm·hPa·s），與南疆盆地的中到大雨一一對應。伽師出現持續強降水時，南疆盆地仍有偏東路徑的水氣輸送，但強度明顯減弱，21日20時—22日02時伽師附近有2～4 g/（cm·hPa·s）的相對大值區與6 h累計16.7 mm的強降水對應。

圖5 水汽通量

由850 hPa水汽通量圖可看出，18日14時開始由青藏高原東側北上的孟加拉灣水汽沿河西走廊已開始抵達新疆東部，19日20時隨著“東灌”的開始，由東疆經南疆盆地東口有一支偏東路徑的水汽輸送直達南疆盆地西部，與喀什等地小陣雨對應，自此這支偏東路徑的水汽輸送始終維持，隨著時間的推移有向南擴展的趨勢。

綜上分析，烏魯木齊暴雪水汽主要來源于500 hPa偏南路徑輸送的水汽，其次是700 hPa以下偏西路徑輸送的水汽；南疆西部山區暴雪水汽以500 hPa偏南路徑輸送為主；南疆盆地西部降雨水汽輸送路徑有兩條，500～700 hPa偏南路徑的水汽輸送和低空偏東路徑的水汽輸送。

3 小結

（1）本次強天氣過程發生在歐洲高壓脊向東南衰退，烏拉爾長波槽東南移的環流背景下，烏拉爾長波槽東移過程中南北分段、北支槽快速東移影響北疆，南支槽先是不斷分裂短波、之后緩慢東移進入南疆盆地影響南疆天氣。

（2）北支槽東移配合西方路徑的冷高壓，為“東灌”奠定了基礎，“東灌”天氣持續有利于南疆盆地“東西夾攻”的有利降水形勢維持。200 hPa西南急流、500 hPa偏南氣流、850 hPa偏東低空急流“三支”氣流的耦合是南疆盆地出現強降雨的關鍵。

（3）南疆偏西降水天氣的動力機制除了高空急流的移近產生高層強輻散外，700 hPa以下層次輻合、切變線的出現和維持至關重要，高層輻散、低層輻合垂直上升氣柱的存在和維持是產生降水的主要動力機制，低層輻合切變線是判斷降水落區的重要指標。

（4）烏魯木齊暴雪水汽主要來源于500 hPa偏南路徑水汽輸送，因此偏南氣流與偏西氣流的匯合是判斷烏魯木齊周圍暴雪落區和降雪開始時間的重要指標；南疆西部山區暴雪水汽以500 hPa偏南路徑輸送為主；南疆盆地西部降雨水汽輸送路徑有兩條，500～700 hPa偏南路徑的水汽輸送，低空偏東路徑的水汽輸送，二者缺一不可。

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