天山北坡短時強降水時空分布及環流配置特征

王 勇 ，張云惠 ，王智楷 ，于碧馨 ，洪 月

（1.新疆生態氣象與衛星遙感中心，新疆 烏魯木齊830000；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；3.中江縣氣象局，四川 中江618100）

短時強降水是強對流天氣的一類，具有突發性強、持續時間短、雨強大、局地性強、來勢迅猛等特點。過去數十年，我國中東部氣象專家針對短時強降水及其預報技術，從科學理論和預報實踐角度開展了深入細致的研究。華北短時強降水特征及天氣分型研究表明[1-5]，短時強降水與西太平洋副熱帶高壓有關，中低層多有急流、切變線和低渦，且濕區深厚，地面影響系統多為倒槽、輻合線和弱冷鋒；山區較平原地區更易發生，且雨強更大。吳迎旭等[6]統計黑龍江省短時強降水分布特征及影響系統指出，6—8 月短時強降水日數和站次與平均降水量成線性關系，14—15 時（本文均用北京時）是高發時段。陳元昭等[7]分析珠江三角洲地區重大短時強降水的基本流型與環境參量特征表明，大多數過程中有利于重大短時強降水發生的環境條件關鍵點不是強對流預報中常關注的“高空冷空氣的侵入”，而是低層暖濕氣流的輸送。沈澄等[8]分析南京短時強降水特征指出，雨強R≥50 mm/h 的致災性短時強降水過程的發生次數呈顯著增長的趨勢，短時強降水天氣的空間分布具有明顯的城郊差異。段鶴等[9]在統計滇西南短時強降水特征基礎上，建立了低質心弱輻合型、低質心輻合型、高質心等3 種短時強降水概念模型。毛冬艷等[10]分析西南地區短時強降水的氣候特征表明，短時強降水呈現頻次增加、強度增強的變化趨勢，02 時左右為發生頻次的峰值時段。而西北地區東部短時強降水過程主要為西南氣流型和兩高切變型，戈壁荒漠區以低槽型短時強降水為主[11-12]。

新疆因干旱區氣候背景、復雜地形及下墊面影響，生態環境脆弱，短時強降水易導致山洪、泥石流等地質災害和次生災害，是新疆主要的氣象災害之一，也是氣象預報預警的難點和重點。北疆暴雨研究表明[13-20]，中亞低槽（渦）、西西伯利亞低槽是主要影響系統；北疆夏季強降水事件呈增多、增強趨勢，天山山區和伊犁河谷尤為顯著，強降水隨地形增高而增多或增強，可能在海拔2000 m 左右存在最大降水帶[21]；北疆大部分地區降水量的增加主要是由于降水強度增加而造成的[22]；北疆降水量日變化呈現準單峰型特征，峰值主要發生在23 時至次日10 時，其中03 時是降水頻數最多時刻，主要以短持續時間的降水為主，對總降水量的貢獻也最大[21-23]。但多年來由于新疆觀測站網稀疏，對短時強降水發生發展機理認識不足，2010 年以來隨著新疆區域自動氣象站的全面建設及業務化，監測發現新疆強降水多以短時強降水的形式出現。為此，本文針對新疆短時強降水的高發區之一天山北坡，在統計時空分布基礎上，分析天山北坡短時強降水過程的環流配置特點，為提高新疆短時強降水預報預警能力提供參考。

1 資料與方法

1.1 短時強降水及短時強降水過程定義

目前，中央氣象臺和中國中東部地區氣象部門均將雨強R≥20 mm/h 記為短時強降水。根據新疆多年的預報服務實踐、暴雨洪水成災事實和干旱半干旱地區暴雨特點，結合新疆預報業務，新疆氣象部門將該標準調整為R≥10 mm/h。

本文將一次短時強降水過程定義為：（1）1 h 內有2 個或以上相鄰的測站R≥10 mm/h；（2）同一測站連續2 h（或以上）R≥10 mm/h；同時滿足上述條件之一，為一次短時強降水過程。

1.2 資料來源

采用新疆氣象信息中心提供的小時降水數據，統計2010—2018 年6—8 月天山北坡（博爾塔拉蒙古自治州（簡稱“博州”）精河縣—塔城地區烏蘇市和沙灣縣—石河子市—昌吉回族自治州（簡稱“昌吉州”）—烏魯木齊市一線26 個國家站和205 個區域自動站逐時降水資料，共篩選出短時強降水1338 站次，運用常規統計方法對其進行統計分析。環流形勢及高低空配置利用常規觀測資料、ECMWF0.25°×0.25°每日4 次的ERA-interim 再分析等資料。

2 結果分析

2.1 短時強降水的時空分布特征

2.1.1 空間分布

由圖1 和表1 可以看出天山北坡短時強降水的空間分布極不均勻，主要發生在沿山、山麓丘陵、山地迎風坡、地形陡升區、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，其中昌吉州沿山（海拔1000～1500 m）的淺山區、臨近湖和水庫的站（海拔在470～650 m）年平均發生頻次最多4～5 次，其次是烏蘇市—沙灣縣—石河子市及烏魯齊市的沿山一帶（海拔 1000～2000 m）迎風坡年平均最多 2～3 次，而靠近準噶爾盆地南緣少于1 次，這與天山北坡是新疆強降水及其災害多發區相一致[20-23]。

圖1 2010—2018 年6—8 月天山北坡短時強降水平均頻次空間分布

短時強降水年平均出現1 次以上有43 站；2次以上有15 站，其中10 站位于昌吉州，且昌吉州有4 站出現3 次以上（1 站5 次），分別是廟爾溝站5 次、牛圈子湖站4.2 次、天池站4.0 次、瑪納斯縣南泥溝站3.1 次；而累計發生過1 次有16 站，均在靠近準噶爾盆地南部海拔400～700 m 的平原區（表1）。

表1 2010—2018 年天山北坡短時強降水平均每年出現≥2 次的站點

2.1.2 時間分布

圖 2a、2b 分別為 2010—2018 年 6—8 月天山北坡短時強降水逐年次數及小時雨強分級平均發生次數。雨強R≥10 mm/h 的年平均次數為149 次，2015 年出現最多，達259 次；其次是2016 年，為250 次；而 2014 年出現最少，為 57 次。R≥20 mm/h的年平均次數為20 次，占總次數的14%。2016 年出現最多為 39 次；其次是 2015 年 26 次；2014 年出現最少，為 4 次。R≥30 mm/h 的年平均次數為 6 次，占總次數的4%。2016 年出現最多，為15 次；其次2010、2018 年，均為 7 次；2014 年沒有出現。R≥40 mm/h 以上的年平均次數為1 次，僅占總次數的1.8%。R≥50 mm/h 的年平均次數為0.5 次，R≥60 mm/h 沒有出現，R≥70 mm/h 累計出現 2 次。以上量級短時強降水出現最多均為2016 年。

從圖2c 可以看到，小時雨強差異較大，最大出現在2016 年6 月10 日05 時昌吉州廟爾溝站，達76 mm；其次是 2010 年 6 月19 日 20 時吉木薩爾二工河站，為 72 mm；第三是 2012 年 8 月 10 日 05 時頭屯河農場學校站59.5 mm；第四是2011 年7 月27 日 13 時白楊河站 58.9 mm；第五是 2015 年 8 月1 日08 時烏魯木齊永豐站52.8 mm；第六是2013年7 月23 日20 時沙灣博爾通古鄉2 號站，為47.6 mm。

圖3 為天山北坡短時強降水分級月平均次數。各量級小時雨強6 月出現最多，其次是7 月和8月。R≥10 mm/h 的短時強降水 6 月平均 65 次，7 月和 8 月，均為 42 次（圖 3a）；而 R≥20 mm/h 的強降水次數驟減，6 月平均 11 次，7 月 5 次，8 月 4 次（圖3a）。圖3b 表明R≥30 mm/h 的強降水6 月平均3.6次，7 月 1.3 次，8 月 0.8 次；R≥40 mm/h 的強降水 6月平均 1.6 次，7 月 0.6 次，8 月 0.4 次；而 R≥50 mm/h 的強降水 6 月平均 0.9 次，7 月 0.1 次，8 月 0.4次。說明隨著小時雨強增大，次數明顯減少。

圖4a 為天山北坡短時強降水逐時年平均次數，可以看到短時強降水有明顯日變化，16 時至次日03時是發生頻次較多時段，共110 次，占總次數的73.8%，其中，20—22 時共33.8 次，占總次數的22.7%，20—21 時均為11.4 次，其次是22 時為11次，說明天山北坡短時強降水高發時段較我國中東部偏晚[2-12]，這與新疆地理位置偏西有關；而出現次數相對較少的時段在04—15 時，均為3～4 次，共39次，占總次數的26.2%。

圖2 2010—2018 年天山北坡短時強降水逐年次數（a）、小時雨強分級年平均次數（b）和小時雨強年最大值（c）

從圖4b 逐小時雨強最大值分布可以看到，每小時均有短時強降水發生，且R≥30 mm/h 的強降水發生時段較分散。小時雨強最大值出現在2016 年6月10 日05 時廟爾溝站，達76 mm，此極端強降水發生在頻次較少時段，說明短時強降水具有突發性，同時，也與中尺度系統發展增強時段及低空急流日變化在凌晨達到最強有關[20-23]；其次是20 時，為72.0 mm，第三是13 時，為58.9 mm，而12 時雨強相對較小，為15.1 mm。

分析短時強降水的持續時間表明，持續時間最長達 12 h，如 2016 年 6 月 28 日 18 時—29 日 05時，自西向東有49 站次出現短時強降水；其次是持續時間 11 h，如 2015 年 6 月 9 日 17 時—10 日 03 時，先后有51 站次出現短時強降水；最短僅維持1 h。

2.2 短時強降水過程影響系統及環流配置

圖3 2010—2018 年天山北坡短時強降水分級月平均次數

圖4 2010—2018 年天山北坡短時強降水日變化平均次數（a）和逐時雨強最大值（b）

2.2.1 短時強降水過程

根據短時強降水過程定義，2010—2018 年6—8月天山北坡短時強降水過程共86 次，按照短時強降水過程維持時間、影響范圍及強度等，將其分為局地分散性和系統性2 類（表2）：局地分散性是指短時強降水維持時間短（1～3 h）、局地性強（1～4 個站）、影響范圍分散（1～2 個不相鄰地區），共 56 次，占總次數的65.1%；系統性是指短時強降水維持時間長（3～12 h）、系統性強（5 個站以上）、影響范圍大（2 個以上相鄰地區），共30 次，占總次數的34.9%。說明短時強降水過程主要以局地分散性為主。2015 年出現最多為 15 次，其次 2016 年 13 次，2010 年、2012年出現最少均為5 次；可見天山北坡短時強降水過程年分布不均。

2.2.2 短時強降水過程500 hPa 影響系統

表2 2010—2018 年天山北坡短時強降水過程 次

分析2010—2018 年天山北坡主要地區短時強降水過程500 hPa 影響系統，主要有西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽、中亞低渦、西北氣流等4 類（圖5）。由表3 可見，西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽是天山北坡短時強降水的主要影響系統，分別為32 次和31 次，各占總過程的37.2%、36%；其次是西北氣流13 次，占總過程的15.1%，最少為中亞低渦10次，占總過程的11.6%。

統計2010—2018 年6—8 月4 類影響系統可以看到（表 3），6 月出現最多為 36 次，占總過程41.9%，其次是7 月出現30 次，占總過程的34.8%，8月出現最少為20 次，占總過程的23.2%。其中，中亞低槽6 月出現最多，占本月短時強降水過程的42%，其次是西西伯利亞低槽（渦），占28%，中亞低渦出現最少，只有3 次，占8%。7 月西西伯利亞低槽（渦）出現最多，占本月短時強降水過程的40%；其次是中亞低槽，占33%；西北氣流出現最少，只有2次。8 月西西伯利亞低槽（渦）最多，占本月短時強降水過程的50%，中亞低渦出現最少，研究時段內只出現了1 次。上述分析表明，天山北坡夏季短時強降水影響系統主要為西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽，但各月存在較大的差異。

圖5 天山北坡短時強降水過程500 hPa 影響系統

表3 2010—2018 年天山北坡短時強降水過程影響系統 次

對于系統性短時強降水過程，500 hPa 影響系統為中亞及西西伯利亞低槽（渦）分裂短波造成的，并有高、中、低緯度系統的有利配合，這與新疆暴雨影響系統一致[13-19]，說明暴雨過程中短時強降水貢獻較大。局地分散性短時強降水，一種是低槽（渦）分裂短波影響，另一種是系統性降水過程后，受低槽后西北氣流影響，午后近地面升溫明顯，大氣呈上干冷、下暖濕的不穩定層結，易觸發強對流天氣，從而造成局地短時強降水。

2.2.3 短時強降水環流系統配置特征

按照影響系統的分類及定義，分析總結天山北坡86 次短時強降水過程，分別歸類概括出4 類主要影響系統高、低空環流系統配置特征（圖6）。

（1）西西伯利亞低槽（渦）

200 hPa 北疆中西部為偏西（西南）急流，短時強降水一般發生在高空急流出口區左側。500 hPa歐亞范圍呈兩脊一槽（渦），中高緯環流經向度較大，西西伯利亞低槽（渦）在 60°～100°E、40°～70°N 范圍內，配合有明顯的溫度槽，里海和貝加爾湖高壓脊發展強盛，西西伯利亞低槽（渦）穩定維持，天山北坡位于低渦底部偏西（西南）氣流上，鋒區較強，其上不斷分裂波動影響新疆（圖6a）。

700～850 hPa 強降水位于西北氣流（急流）出口區前部、風速輻合區、切變線、飽和濕區，冷暖交匯明顯；850～500 hPa 為層結不穩定區；地面為正變壓區、有風場輻合或切變（圖6a）。

（2）中亞低槽

200 hPa 北疆為西南急流，短時強降水在高空急流入口區右側、出口區左側均有發生。500 hPa 低槽在 60°～90°E、35°～55°N，配合有溫度槽，歐亞范圍呈兩脊一槽，伊朗副熱帶高壓向北發展與里海高壓脊疊加，經向度較大，貝加爾湖高壓脊經向度發展相對較弱，中亞低槽不斷向南加深，并不斷分裂短波影響北疆（圖 6b）。

700～850 hPa 均有西北氣流（急流）、飽和濕區、風速輻合區，冷切變線；850～500 hPa 為層結不穩定區；地面為正變壓區（圖6b）。

（3）中亞低渦

200 hPa 北疆為偏西（西南）急流，短時強降水在高空急流入口區右側、出口區左側均有發生。500 hPa 低渦在 60°～90°E、35°～55°N，有 2 條閉合等值線，有明顯的氣旋性風場，配合有溫度槽，北疆位于中亞低渦前西南或偏南氣流（急流）上，冷溫槽落后于高度槽，低渦前西南或偏南氣流（急流）上為暖濕平流（圖 6c）。

700～850 hPa 北疆低空西北氣流（急流）、中尺度輻合線，并配合有飽和濕區、風速輻合區；850～500 hPa 為層結不穩定區；地面為冷高壓前正變壓區（圖 6c）。

（4）西北氣流

200 hPa 北疆為偏西（西北）急流，短時強降水發生在高空急流出口區的左側。500 hPa 歐亞范圍為兩槽一脊經向環流，新疆至中西伯利亞為經向度較大的長波脊，烏拉爾山附近和蒙古西側寬廣低槽活動區，北疆處于高壓脊前西北氣流控制，低層有偏西風擾動，兩者匯合，因前期出現降水，近地層午后地面升溫明顯，不穩定度加強，易造成局地短時強降水（圖 6d）。

700～850 hPa 北疆為西北氣流、輻合線、暖區；850～500 hPa 為層結不穩定區；地面為正變壓區，有風切變及風速輻合，此類短時強降水突發性強、預報難度大（圖 6d）。

圖6 天山北坡短時強降水影響系統環流配置與環境場及其未來6 h 或12 h 降水落區

上述4 類影響系統高低空配置分析表明，有共性也有差異，共同點：強降水落區主要位于200 hPa急流分流區，500 hPa 槽前西南（偏南）氣流（急流），低空西北氣流（急流）出口區、風速輻合區、低層切變線及地面輻合或切變線等相重疊的不穩定區域。差異主要是高、低空氣流（急流）、風速輻合區及風向切變等的強度、時段及地理位置不同，從而導致短時強降水的落區及強弱差異。

3 結論

（1）2010—2018 年天山北坡短時強降水 231 站年平均發生次數達149 次，且空間分布極不均勻，主要發生在沿山、山地迎風坡、地形陡升區、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，尤其昌吉州發生頻次最多。時間分布不均勻，雨強R≥10 mm/h的強降水出現最多是2015 年，2014 年最少；而R≥20 mm/h 的強降水出現頻次相較前者少很多，出現最多為2016 年，最少也為2014 年；就月分布而言，6月出現最多。短時強降水日變化明顯，午后16 時—次日03 時發生頻次最多，占總次數的73.8%；持續時間最長達12 h，最短僅1 h。小時雨強差異也較大，R≥10 mm/h 的強降水出現最多，R≥20 mm/h的強降水呈驟減趨勢，僅占總次數的13.2%，R≥30 mm/h的強降水更少，僅占總次數的4%；最大小時雨強出現在阜康昌吉廟爾溝站2016 年6 月10 日05 時，達76 mm/h。

（2）2010—2018 年天山北坡短時強降水過程共86 次，其中局地分散性56 次，占總過程的65.1%；系統性30 次，占總過程的34.9%，說明短時強降水過程主要以局地分散性為主。短時強降水過程年度差別較大，2015 年出現最多，為16 次；其次是2016年，為 13 次；2010 年和 2012 年最少，均為 5 次。影響系統主要分為西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽、中亞低渦、西北氣流等4 類，其中，西西伯利亞低槽（渦）、中亞低槽出現最多，兩者之和占總過程的73.2%，且6 月最多，8 月最少。

（3）天山北坡短時強降水過程環流配置共性是強降水落區均位于200 hPa 急流分流區，500 hPa 槽前西南（偏南）氣流（急流），低空西北氣流（急流）出口區、風速輻合區、低層切變線及地面輻合或切變線等相重疊的不穩定區域。差異主要是低空氣流（急流）、風速輻合及風向切變的強度、時段及地理位置不同，從而造成短時強降水的熱力、動力及水汽輻合機制不同。短時強降水的強度、落區與影響系統的強度、時段及地理位置密切相關。