新疆夏季兩例塔什干低渦天氣過程對比分析

李 娜，秦 賀，李如琦，李 偉，周雅蔓

（新疆維吾爾自治區氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆位于中國西北部，氣候不受季風系統的直接影響[1]，是典型的大陸性干旱、半干旱氣候，中部橫亙全境的天山將其分為氣候差異顯著的北疆和南疆。新疆雖然為干旱、半干旱區，但每年夏季均會出現區域性的強降水過程，且近20 a強降水天氣呈增多趨勢，新疆夏季強降水量的多少基本決定了夏季和年降水量的變化[2]，因此，夏季強降水一直是我們研究和預報的重點。不少學者對新疆的降水進行了大量研究，且已取得一定成果[3-6]。對南疆而言，能夠造成顯著降水、降溫的主要影響系統是西風帶上的短波槽和閉合氣旋系統[7]，如1996年6月15—20日，受塔什干低渦影響，南疆西部、阿克蘇地區出現小到中雨，其中喀什、克州兩地普降大雨，山區出現暴雨，加之后期積雪融化，引發了洪水[8]；2010年6月4—7日，塔什干低渦影響南疆地區，造成喀什、克州、阿克蘇、和田多地大雨，局部出現暴雨，引發洪水、泥石流災害，塔什庫爾干縣還出現了雪災，嚴重影響了當地人民生活。張云惠等人對2010年9月16—20日[9]和2013年6月14—19日[10]南疆西部低渦暴雨天氣過程進行了分析研究，總結了低渦暴雨的環流特征，在討論環境大氣濕度條件與暴雨關系的基礎上，分析了水汽遠距離輸送到新疆并在南疆上空積累的天氣尺度動力過程及其形成的原因。據秦賀[11]等人統計，塔什干低渦天氣過程平均每年7.95次，然而，并非每一次塔什干低渦影響南疆地區都會出現顯著降水，如2009年6月4—7日，塔什干低渦影響南疆地區僅僅造成局地微到小量的降雨。本文針對2009年6月和2010年6月的兩次塔什干低渦天氣過程，從大尺度環流背景、高中低層系統配置、水汽輸送等方面進行對比分析，探討顯著降水過程中塔什干低渦特征，提高對塔什干低渦造成的南疆西部大降水及落區的預報能力。

1 資料選取和天氣實況

1.1 資料選取

本文使用的資料為新疆氣象信息中心提供的新疆105站日降水資料和NCEP時間分辨率為6 h、水平分辨率為 1.0°×1.0°的 1000～10 hPa 共 26 層再分析資料。本文均采用北京時間。

1.2 兩次低渦天氣過程降水實況

根據新疆降水量級標準，繪制2009年6月4—7日及2010年6月4—7日過程降水量圖（圖1）。2009年6月4—7日受塔什干低渦影響，南疆僅喀什地區、克州、阿克蘇局部出現降雨，普遍雨量不足1 mm；2010年6月4—7日受塔什干低渦影響，南疆喀什地區、克州、和田地區、阿克蘇地區普降大雨，7個國家站累積雨量超過24.0 mm（暴雨），強降水中心分別位于麥蓋提（45.9 mm）和民豐（46.3 mm）；日最大雨量：麥蓋提出現在4日20時—5日20時（43.2 mm）、民豐為5日20時—6日20時（43.4 mm）；5日13時麥蓋提站出現最強小時雨強（17.1 mm/h），此次降水天氣過程的最大特點就是歷時短、雨強大，對南疆干旱地區來說，這種多次間斷性暴雨危害更為嚴重，易引發洪水、泥石流等地質災害。

2 大尺度環流背景及高中低層系統配置

2.1 大尺度環流背景

2009年6月3—7日，100 hPa南亞高壓呈帶狀分布（圖略），中心位于90°E附近，副熱帶長波槽位于50°～75°E，南疆地區位于長波槽前偏西氣流帶上；200 hPa上長波槽的位置和100 hPa位置相當，兩層之間斜壓性小，南疆地區位于200 hPa槽前西南急流軸上，雖然風速超過60 m/s，但高空輻散區沒有進入南疆，動力抽吸作用不明顯（圖2a）。2010年6月3日，100 hPa南亞高壓呈帶狀分布，中心位置偏南，位于伊朗高原，副熱帶長波槽位于70°～80°E的中亞至新疆西部地區，3—5日南亞高壓出現了東西震蕩，長波槽前西南急流東移并南伸（圖略），200 hPa長波槽出現東移南壓，移動速度較100 hPa慢，兩層之間出現了前傾結構，有利于大氣斜壓性的建立，200 hPa急流位于31°N附近，南疆位于急流軸出口區的左前方，即高空輻散的動力上升運動區。6—7日100 hPa南亞高壓再一次進行東西震蕩的調整，副熱帶長波槽進一步東移南壓，200 hPa低槽出現快速東移加強，6日08時在塔什干地區形成低渦（圖2b），6日20時以后急流逐漸北抬東移，7日08 時急流核位于（33°N、82°E）附近，中心最大風速60 m/s，暴雨區位于急流出口區左側。

2.2 高中低層系統配置

2.2.1 500 hPa特征

圖1 過程降水量實況

圖2 200 hPa高空形勢

由500 hPa位勢高度和風矢量來看，2009年6月的塔什干低渦是由北方中亞低渦東移后滯留的冷空氣在上、下游高壓脊共同發展的作用下向南切斷形成的。3日08時，新疆高壓脊非常強盛，中亞南部為平均槽區，巴爾喀什湖低槽底部有部分冷空氣滯留于中亞南部，塔什干低渦尚未形成（圖3a）。4日08時隨著烏拉爾山脊的發展東移，北支低槽東移掃過北疆上空，里海南部高壓脊發展且新疆脊減弱向南衰退，促使中亞南部低槽逐漸被切斷并加強為低渦（圖3b）。5—6日，中亞至新疆已形成南北兩支反位相的環流形勢，由于里海高壓脊的維持和新疆南部高壓脊與北支西西伯利亞高壓脊的打通，塔什干低渦位于（63°E、38°N）附近，中心強度發展為568 dagpm并一直處于原地打轉狀態，7日08時后極區冷渦沿西西伯利亞脊前西北氣流南下并有所西退，里海脊、新疆南部脊受上游冷空氣侵襲逐漸東移減弱，塔什干低渦隨之東移南下且強度迅速減弱，分裂短波槽影響南疆偏西地區，造成的影響較弱。

從2010年6月3—8日500 hPa環流演變特征可見，6月3日08時，伊朗副高逐漸向北發展，引導脊前短波槽向南加深，低渦處于形成期，隨后，由于上游低槽東移推動高壓脊開始東移且脊線北部由準南北向轉為東北—西南向，引導西西伯利亞地區冷空氣不斷南下進入塔什干地區，低槽逐漸發展為低渦并有所東南移影響南疆，4日20時南疆地區開始出現降雨。到6月5日08時低渦主體東移至70°－80°E之間，南疆處于低槽控制之下，為主降水時段（圖4a）；6—7日80°E附近等高面開始北抬，而伊朗副高繼續向南衰落，致使低渦由72.5°E西退至67.5°E，外圍風速減小，南疆降水區逐漸西撤減弱（圖4b）；8日伊朗副高再次向北發展東擴，低渦東移再次影響南疆，但由于新疆高壓脊的發展維持，低渦造成的降水比5日要弱，并逐漸步入衰退期。此次東移型低渦活動有兩個顯著特征：（1）2010年低渦位置（中心位于 70°E、35°N）更偏東、較 2009年更接近南疆，且外圍風速更強；（2）由于伊朗高壓脊南北、東西震蕩和新疆脊的向北發展，使得低渦維持時間長，分別于4—6日和8日2次影響南疆造成顯著降水天氣。

2.2.2 700 hPa特征

圖3 500 hPa高空形勢

圖4 500 hPa高空形勢

兩場低渦天氣過程中，700 hPa南疆盆地都有偏東氣流的形成，但在東伸程度、維持時間和強度上有明顯差異。2009年6月4日，烏拉爾山脊頂東伸進入北疆，東疆為西北氣流大風速帶，脊前偏北風由于地形影響在北疆東部風口處轉向東形成南疆盆地偏東氣流（圖5a），6日20時高壓脊有所減退，南疆盆地的偏東風西退、減弱，在低渦影響期間，南疆盆地偏東氣流持續時間短，位置偏西，且沒有出現顯著的切變輻合，最終無明顯降水。

2010年6月5—6日，烏拉爾山高壓脊控制區域更為偏東，巴州、和田東部為偏東氣流控制，南疆偏西地區為偏西北氣流，4日20時在阿克蘇西部至喀什一帶存在偏北風和偏東風的切變，5日02時南疆盆地形成氣旋式輻合，08時南疆盆地東部東風增強，急流建立，6日02時和田地區形成強烈的風向切變和風速輻合（圖5b），有利于強降水的發生。急流和切變一直持續至6日14時后有所西退，強降水區也隨著急流、切變西退。低渦影響期間，強降水與低空切變輻合對應，隨著急流、切變的減弱而減弱。

由此可見，兩次塔什干低渦天氣過程在高中低層環流配置上存在顯著差異：造成南疆顯著降水的塔什干低渦天氣過程在100 hPa上南亞高壓為帶狀型分布，南疆處于長波槽區的西南氣流上，南疆偏西地區處于200hPa急流左側輻散區和500 hPa低渦前部較強西南氣流控制之下，700 hPa南疆盆地東部有持續性東風急流，南疆偏西地區存在顯著風向切變和風速輻合；而僅僅造成局地微到小雨的塔什干低渦天氣過程，100 hPa南亞高壓中心位置始終維持在90°E附近，南疆偏西地區位于副熱帶低槽的偏西氣流及200 hPa高空急流軸線上，500 hPa環流則表現為里海脊和新疆脊勢力相當，使得低渦在南疆西部境外穩定少動，后期里海脊和新疆脊同時減弱，低渦主體未進入而是分裂短波槽影響南疆，700 hPa上南疆盆地雖然也有東風氣流的建立和維持，但其位置偏西、強度弱，并且沒有顯著的風向切變或輻合。

3 濕位渦分布特征

吳國雄[12]等人從完整的原始方程出發，導出等壓面上的濕位渦方程：

濕位渦可分為濕正壓項MPVl和濕斜壓項MPV2。

濕位渦能同時表征大氣動力、熱力和水汽性質。MPV1為濕位渦的第一分量——濕正壓項，表示慣性穩定性（ζ+f）和對流穩定性的作用，其值取決于空氣塊絕對渦度的垂直分量與假相當位溫的垂直梯度的乘積；MPV2為濕位渦的第二分量——濕斜壓項，其值由水平風的垂直切變和假相當位溫的水平梯度決定，負值越大表明大氣的斜壓性越強。一般來說，絕對渦度為正值，當對流穩定）時，MPVl＞0，此時只有濕斜壓項 MPV2＜0，垂直渦度才能得到較大增長；當（對流不穩定）時，MPV1＜0，這時只有MPV2＞0，垂直渦度才能得到較大增長。

圖5 700 hPa高空形勢

沿39°N做低渦影響期間濕位渦的垂直剖面可見，南疆中西部地區（74°～86°E）MPV 的垂直分布有相似但也存在明顯差異：2009年6月6日20時在400 hPa以上MPV1均為正值，正值中心在150~200 hPa之間，未出現向低層伸展的高濕位渦舌（圖6a），表明對流層高層為對流穩定區且冷空氣未向中低層侵入。在74°～75°E的對流層低層700 hPa以下存在-0.2～-0.4 PVU的MPV1弱負值中心，表明此處大氣為對流不穩定狀態，高濕位渦的冷空氣疊加在對流不穩定擾動之上有利于此處位勢不穩定能量釋放，激發降雨的產生，而MPV2在300 hPa以上均為負值，值在0.4～0.6 PVU之間，對流層低層700 hPa以下為0～0.2 PVU的弱正值區（圖6b），由于南疆地區MPV1和MPV2的值很小，垂直渦度增長很有限，低渦僅造成74°～75°E的南疆西部國境線一帶的弱降水。

2010年6月6日02時在南疆中西部上空400 hPa以上MPV1也為正值，正值中心高度較2009年略高，位于150 hPa，且中心值接近2009年的2倍，另外，可以看見在75°～80°E上空有高位渦舌向對流層中層伸展，且在對流層低層700 hPa以下MPV1負值區覆蓋了整個南疆中西部區域，中心值為-0.4 PVU（圖7a），表明在南疆中西部地區冷空氣從對流層高層以高值位渦柱的形式向下入侵，使層結穩定度減弱，有利于強降雨的產生，同時向下伸展的高濕位渦柱疊加在低層較強的對流不穩定擾動之上，十分有利于位勢不穩定能量的儲存和釋放，也有利于低層氣旋式輻合的增強，使降雨增幅。MPV2的垂直分布與2009年類似的為高層負低層正，但不同的是，-0.05 PVU大值區在78°～82°E向下伸展到對流層中層550 hPa（圖7b），對流層高層MPV2負濕位渦舌的向下伸展有利于中低層大氣斜壓性增強，使對流性降水加強，導致南疆中西部地區出現強降雨。對流層中高層MPV2水平梯度負值區與對流層低層MPV2水平梯度正值區疊加處與強降水區對應較好，盡管濕位渦的斜壓項數值比正壓項小很多，但是它在低渦暴雨的落區預報方面有較好參考價值。

4 水汽輸送特征

圖6 2009年 6月 6日 20 時 BT MPV1（a）和 MPV2（b）沿 39°N 的剖面圖（單位：10-6m·2K·s-·1kg-1）

圖7 2010年 6月 6日 02時 BT MPV1（a）和 MPV2（b）沿 39°N 的剖面圖（單位：10-6m·2K·s-·1kg-1）

水汽是產生降水的重要條件，但僅僅是降水區上空的水汽凝結是不足以產生較強降水的，只有源源不斷的水汽輸送并在某一區域集中，這時才有利于強降水的產生。由于新疆遠離海洋，周圍又有高山，不可能從海面上直接獲得大量的水汽。一般認為新疆大降水過程中水汽主要來自里咸海以西方路徑為主，并且從中低層輸送，而近年大降水的研究提出了重新認識高原水汽源的問題，提出了新疆境內產生降水的水汽在一定的環流條件下，在新疆境外集中，并在合適的環流條件下通過接力輸送機制輸送到強降水區的概念。

2009年6月4—7日低渦天氣過程的水汽輸送位置較為偏北，東歐上空低槽西南氣流將水汽經黑海、里海向西西伯利亞輸送。2009年6月4日20時烏拉爾山高壓脊發展，脊前西北氣流加強，從60°E一直向東南方向伸展到達新疆東北部地區，這支氣流一部分轉向東南進入內蒙古地區，另一部分通過新疆境內天山山脈之間的山口地帶繼續向南運行，山口的狹管效應迫使氣流通過時迅速增強，在地形作用下，這支氣流進入南疆地區后轉向偏東，形成盆地東灌，正是這支自北向南的氣流將北半球中高緯的水汽一直向南輸送，為本次天氣過程提供水汽來源，由于北方冷空氣攜帶的水汽相對較少，水汽通量反映的很弱、維持時間短，最強的時候也只是在很小范圍內超過4 g·cm-1·hPa-1·s-1（圖8a、8b）。

2010年6月4—7日低渦天氣過程的水汽源地主要是阿拉伯海地區，這種超遠距離的水汽輸送基本上只有在特定環流背景下通過接力輸送機制才能完成。此次天氣過程的環流配置正是接力輸送的一種典型條件。700 hPa上2010年6月4日20時阿拉伯海有熱帶氣旋的生成和強烈發展，副熱帶鋒區活躍，并且在 25°N 附近的 70°～100°E 之間存在一支強水汽輸送帶，中心強度接近 20 g·cm-1·hPa-1·s-1（圖8c），正是這支西風急流將阿拉伯海熱帶風暴東側偏南氣流向北輸送的水汽接力輸送至我國西藏、云南西部、青海地區，6月5日水汽輸送帶繼續北進，經河西走廊轉為西向進入南疆盆地，水汽通量中心值超過 8 g·cm-1·hPa-1·s-1；5 日 20 時阿拉伯海熱帶氣旋向東北方向移動減弱，但副熱帶西風急流依然維持強勁，我國大陸高壓后部的東南水汽輸送帶較前一日增強，南疆盆地的水汽通量大值中心超過16 g·cm-1·hPa-1·s-1（圖8d）；6日20時阿拉伯海氣旋登陸后繼續減弱，同時蒙古地區有北方冷空氣南下，使我國大陸高壓東撤，這支東南氣流的水汽輸送帶也隨之東移，此時南疆盆地的水汽主要由北疆東部風口偏北風向南輸送，水汽通量顯著減小，中心值為4～8 g·cm-1·hPa-1·s-1；7 日 20 時我國東部大陸高壓繼續東撤，北方冷空氣也基本移出新疆，此時南疆盆地的水汽輸送繼續減弱，盆地內部水汽通量中心僅有 4 g·cm-1·hPa-1·s-1。

圖8 700 hPa水汽通量

兩次天氣過程的水汽通量存在顯著差異并且水汽源地也有所不同，未能造成顯著降水的低渦天氣過程水汽主要由低槽西南氣流向南輸送，由于北方冷空氣水汽含量較少，此次天氣過程的水汽通量表現得很弱；而造成南疆西部暴雨的低渦天氣過程水汽通過接力輸送的機制到達南疆盆地，由于此次天氣過程水汽源地位于阿拉伯海，熱帶洋面上水汽含量充沛，水汽通量較2009年6月低渦天氣過程大很多。水汽輸送的機制是和天氣系統、高低空氣流的配置密切相關的，只有在合適的環流條件下，洋面上空的水汽才可能通過接力輸送機制到達距離甚遠的大陸腹地。當500 hPa熱帶洋面的水汽在氣旋性環流作用下被輸送到青藏高原上空聚集，這部分在高原上空聚集的大量水汽在強的偏南風作用下以接力的方式繼續北涌，經河西走廊轉向進入南疆地區，為南疆盆地的大降水提供充足的水汽供應。

5 結論

（1）2010年南疆強降水高低空配置特征：100 hPa上南亞高壓位于伊朗高原（70°E）為帶狀型分布，南疆處于100～200 hPa長波槽前急流軸左前側的高層輻散區，500 hPa伊朗高壓脊的南北振蕩與下游新疆脊的發展相配合，使塔什干低渦兩次東移影響南疆地區，700 hPa南疆盆地東風急流的維持，使中低層切變輻合長時間在南疆偏西地區維持，此高地空配置為暴雨提供環流背景和垂直上升的動力；2009年塔什干低渦天氣過程中100 hPa南亞高壓穩定少動，中心位置偏東（90°E），500 hPa里海脊和新疆脊勢力相當使得低渦在南疆西部境外穩定少動，當里海脊減弱東移時，塔什干低渦東移并減弱為槽，700 hPa上南疆盆地東風氣流強度較弱、位置偏西、時間較短，無顯著的高層輻散和中低層切變輻合，不利于垂直上升運動的發展。

（2）兩場天氣過程中，500 hPa以上 MPV1＞0、MPV2＜0，700 hPa 以下 MPV1＜0、MPV2＞0。2010 年高層MPV1高值區向對流層伸展，冷空氣向下侵入激發不穩定，MPV2負濕舌向下伸展，中低層斜壓性增強，利于對流性降水；同時700 hPa以下南疆地區MPV2正值中心配合MPV1負值激發垂直渦度增長，最終低渦天氣系統下南疆出現強降水。2009年沒有此配置特征且700 hPa以下南疆地區MPV1和MPV2的值很小，垂直渦度增長很有限，低渦僅造成南疆西部國境線一帶弱降水。

（3）2010年阿拉伯海的大量水汽通過接力輸送機制由西南氣流向北輸送至南疆盆地西部，與中低層東風急流攜帶的水汽在暴雨區強烈輻合，造成了南疆偏西地區的暴雨；而2009年主要由新疆東部東灌向南疆盆地輸送水汽的塔什干低渦天氣過程難以造成顯著降水。