2020年春季南疆西部一次極端暴雨成因分析

熱孜瓦古·孜比布拉，呂新生，王鵬飛，胡素琴，楊 鴻

（1.喀什地區氣象局，新疆 喀什844000；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

南疆西部常年干旱少雨，平原地區年降水量在40～70mm，屬典型的內陸性沙漠氣候[1]，但南疆西部暴雨特點是一次極端暴雨過程降水量可以超過其年均降水量，甚至能改變氣候值[2-4]。暴雨是我國的主要氣象災害之一，多年來氣象專家對我國不同地區的暴雨形成機制做了大量研究[5-11]，在暴雨落區、出現時間、強度等預報方面總結出了很多寶貴的經驗。不少學者[12-20]對南疆西部短時強降水及暴雨進行研究表明，中亞低渦（槽）是造成南疆西部大降水的主要影響系統，低空偏東急流起重要作用，高、中、低空三支氣流的有利配置，中小尺度輻合與對流是暴雨產生的直接原因，阿拉伯海和孟加拉灣的水汽通過接力方式可以影響到南疆，從而產生大降水甚至暴雨。同時，雷達資料分析應用對南疆西部暴雨的中小尺度特征有了進一步認識。

由于南疆西部三面環山的特殊地形及干旱氣候背景，暴雨落區及強度預報一直是難點，在實際預報業務中對是否有暴雨，暴雨發生時間、落區及強度等很難把握。近年來，南疆西部強降水天氣頻發且強度較強，局地性暴雨、冰雹、雷暴明顯增多增強，從而造成局地暴雨誘發洪水、泥石流等地質災害風險增大，不確定性氣象災害風險越來越高，但各類數值模式對暴雨預報準確率較低，從而增加了預報的難度[18-20]。2020年4月17—24日，南疆西部持續多日出現暴雨天氣，新疆氣象臺和喀什地區氣象臺連續三日全網發布暴雨紅色預警信號，過程降水持續時間長、影響范圍廣、局地性強、降水強度大，其中短時強降水、冰雹等強對流天氣出現的時間較歷年同期偏早。目前，針對類似極端過程的分析和研究較少，因此，本文通過分析環流演變、動力及水汽條件、觸發機制、中小尺度系統等與降水落區、強度的對應關系，總結此次極端暴雨天氣成因，為提高南疆西部暴雨、短時強降水預報預警準確率提供更多參考依據。

1 天氣實況及資料

1.1 資料

1.2 暴雨天氣實況

2020年4月17—24日喀什各地普遍出現小到中雨，偏北區域的喀什市、疏附縣、英吉沙縣和偏南區域的澤普縣、莎車縣、麥蓋提縣、葉城縣等部分區域出現大到暴雨，其中19、21日及22日午后至夜間平原大部區域伴有雷陣雨和短時冰雹。17日08時—24日08時有46個區域自動站累計降水量≥24.1 mm（圖1），最大累計降水量出現在葉城縣烏夏巴什鎮臺斯村，為67.3 mm；日最大降水量為48.3 mm，出現在22日澤普縣阿依庫勒鄉庫臺村；小時最大雨強為31.2 mm，出現在22日22時疏附縣欄桿鄉。受短時強降水和冰雹影響，疏附縣、英吉沙縣山區出現洪水，喀什市、疏勒縣、麥蓋提縣、岳普湖縣的部分區域出現不同程度災情。需要說明的是，此次過程中英吉沙縣克孜勒鄉5村過程累計降水量為169.2 mm，20日降水量為106.4 mm，20日08—09時小時降水量為42.5 mm，但此區域站所處地形復雜，降水數據可靠性有爭議，因此本文對此站不做分析。

圖1 4月17日08時—24日08時喀什地區過程累計降水量（a）和3個暴雨中心逐小時降水量（b）

1.3 極端氣候特征

2019年夏季以來喀什平原各地平均氣溫一直偏高，降水偏少，冬季除了莎車縣降水量較歷年偏多外，其余各地均偏少，尤其喀什市、伽師縣、岳普湖縣2020年冬季以來未出現明顯的降水天氣。

分析1961—2020年喀什地區9個國家氣象觀測站逐月降水資料，2020年4月喀什降水量為62.7 mm，突破歷史極值（喀什基準站于2014年遷站），澤普為33.5 mm，居歷史第3位。另外2020年4月21日伽師縣、岳普湖縣、疏附縣、疏勒縣、麥蓋提縣出現小冰雹，22日喀什市、疏勒縣、岳普湖縣出現冰雹。歷年4月喀什地區很少出現冰雹天氣，僅1975、1991年岳普湖縣，1984、1991年伽師縣及2006年麥蓋提縣出現過冰雹。

分析1961—2020年4月喀什地區平均降水量M-K突變檢驗結果（圖2a），4月喀什地區平均降水量UF曲線在1973年之前振蕩頻繁，1973—2006年處于上升趨勢，2006—2018年呈下降趨勢。UF曲線和UB曲 線 相 交 于1964、1979、2001、2006、2018、2019年。4月澤普縣降水量M-K突變檢驗結果顯示（圖2b），UF曲線在2006年之前一直處于上升趨勢，UF曲線和UB曲線相交于2012和2017年，說明近年來氣候異常，降水突變明顯，極端天氣頻發。

圖2 1961—2020年喀什地區（a）與澤普（b）4月降水量Mann-Kendall突變檢驗曲線

2 環流背景

2020年4月17—23日，100 hPa南亞高壓呈東部型，脊線位于85°E，青藏高原型為南疆西部大降水有利的大尺度環流形勢[14]。16日08時—19日20時200 hPa南疆西部處于西南氣流控制，17日20時最大風速達30 m/s，20日08時—22日20時轉為偏西風，風速減弱，23日08時轉為西北風，降水趨于減弱。

16日08時500hPa歐亞范圍呈兩脊一槽的經向型環流，西伯利亞80°E附近存在低渦，與-32℃的冷中心相配合，南疆西部沿國境線以西70°E附近有一短波槽，南疆西部由槽前西南氣流控制。17日08時烏拉爾山高壓脊發展，受脊前偏北氣流影響，西伯利亞低渦東移南壓至貝加爾湖一帶；同時中亞短波槽持續加深，在18日20時風場閉合形成低渦。19日08時隨著烏拉爾山高壓脊衰退，有低槽從貝加爾湖底部伸至東疆，冷中心加強到-40℃，溫度槽落后于高空槽，中亞低渦穩定維持，形成“東西夾攻”形勢，有利于南疆西部出現降水天氣[2]。20日08時—23日08時貝加爾湖低渦東移南壓，其后部不斷有短波槽補充南壓至東疆，同時中亞低渦維持（圖3a）。

2.實現優質網絡課程資源整合與共享。高等學?？勺灾鏖_發建設網絡課程資源，也可通過校企合作、校際合作等形式聯合開發制作，抑或采取純商業化運營手段［8］，建成以學習、交互等功能于一體的網絡課程資源超市，保證網絡課程建設的可持續發展。

圖3 4月19日08時500 hPa高度場（單位：gpm）和風場（單位：m/s）（a）及海平面氣壓場（單位：hPa）和風場（單位：m/s）（b）

17日20時—18日08時700～850 hPa南疆西部有偏東風和偏西風的切變線，17日夜間至18日白天英吉沙及莎車、葉城、澤普出現中到大雨，山區局地出現大到暴雨。19日20時喀什—阿克蘇、喀什—和田存在偏東風和偏南風的切變線，19日夜間疏附縣、伽師縣淺山區及莎車淺山區出現大到暴雨。21日08時喀什地區有偏東風和偏北風的切變線，21日午后疏附、疏勒、伽師、麥蓋提出現小冰雹，夜間澤普出現暴雨。22日08—20時喀什—阿克蘇有偏西風和偏南風的切變線，傍晚至夜間疏附縣出現暴雨。23日08—20時偏東風和偏西風的切變線位于喀什—和田一帶，暴雨落區在莎車縣山區。

海平面氣壓場上，冷高壓為偏北路徑，冷高壓從中西伯利亞南下至蒙古高原堆積并不斷有南下冷空氣補充，19日08時冷高壓中心強度為1047.5 hPa，東疆東部有一高壓中心，強度為1022.5 hPa，與南疆西部低壓形成“東高西低”的氣壓場形勢，24日前冷高壓在蒙古高原穩定維持，盆地東西部氣壓梯度加大，有利于冷空氣從東疆灌入南疆西部（圖3b）。

3 極端暴雨成因

3.1 動力條件

沿39°N做南疆西部暴雨中心散度的垂直剖面，降水開始前19日14時850～600 hPa為輻散區，中心值為10×10-5s-1，而500～300 hPa為弱輻合區，大氣垂直運動不強（圖4a）。隨著降水時段接近，850～600 hPa轉為輻合區，強度不斷加強，強降水期間達到-20×10-5s-1，500 hPa以上為輻散層，中心強度達到10×10-5s-1。22日喀什暴雨中心也呈低層輻合、高層輻散的配置（圖4b）。表明強的低層輻合，高層輻散的發展和持續為暴雨產生提供動力條件。

圖4 4月19日14時（a）、22日20時（b）沿39°N的散度（填色，單位：10-5 s-1）和垂直速度（實線，單位：Pa/s）的剖面

沿39°N做暴雨中心垂直速度的垂直剖面，降水開始前19日850～600 hPa為上升運動區，強度為-2 Pa/s，但500 hPa為下沉區，強度為2 Pa/s，20日00時850～400 hPa轉為上升運動區，強度達到-12 Pa/s。22日22時短時強降水發生前，仍以下沉氣流為主，在強降水過程中整層為上升運動。強降水前上升速度快速增大，為暴雨形成提供了有利的動力條件。

3.2 熱力不穩定

假相當位溫（θse）反映了大氣的溫濕狀況，θse隨高度的變化反映大氣層結穩定度狀況，當其隨高度減小時，為對流不穩定，反之則為對流穩定[9]。沿39°N做喀什暴雨中心假相當位溫剖面，19日20時θse（圖5a）大值區位于近地面>46.85℃，500與850 hPa的θse差為-8.33℃；23日02時θse（圖5b）大值區位于700 hPa，中心值為36.85℃，500與850 hPa的θse差為-9.26℃。在兩次暴雨過程中，低層θse都隨高度增加而減小，產生劇烈的上升運動，即對流不穩定，為暴雨形成提供了較好的動力條件。

圖5 4月19日20時（a）、23日02時（b）沿39°N的θse垂直剖面（單位：K）

3.3 水汽條件

3.3.1 水汽輸送及輻合

沿39°N做4月17日20時—23日20時比濕的垂直分布圖（圖6a），可見從地面到700 hPa的比濕≥5 g/kg。17日中亞低槽前西南氣流使低緯度暖濕氣流輸送到中緯度，另外中低空偏東氣流也接力輸送水汽，使喀什地區迅速增濕，為后期暴雨提供有利的水汽條件。17日700 hPa喀什全區比濕增加到5 g/kg（圖6b），17日20時—18日08時疏附縣、英吉沙縣淺山和葉城縣山區達6～7 g/kg，18日20時—19日14時850 hPa比濕高達10 g/kg，為暴雨的發生提供了充沛的水汽供應。

圖6 4月17—23日喀什比濕空間隨時間變化（a），22日20時700 hPa比濕（b，單位：g/kg，黑點為喀什基準站）

500 hPa上只有一支水汽輸送通道，從阿拉伯海—中亞南部—南疆西部隨著低槽前西南氣流輸送暖濕水汽。700 hPa上有兩支水汽輸送通道，分別為阿拉伯?！衼喣喜俊辖鞑亢兔霞永瓰场嗖馗咴瓥|部—河西走廊西部—南疆盆地（圖7a）。850 hPa上除了上述兩支通道外還有一支是印度半島—青藏高原中部—南疆盆地。700和850 hPa低空水汽輸送較強，18日08時700 hPa青藏高原西部有8 g/（cm·hPa·s）的輻合中心，20日20時喀什南部有6 g/（cm·hPa·s）的輻合中心。

降水開始前，18日08時700 hPa喀什地區為水汽通量散度輻合中心（圖7b），最強達到-10×10-6g/（cm2·hPa·s），低空強烈的水汽輻合有利于將水汽快速集中到暴雨區。21日08時700 hPa喀什偏南地區存在-4×10-6g/（cm2·hPa·s）的輻合中心，21日午后疏附縣、疏勒縣、伽師縣、麥蓋提縣出現小冰雹，夜間澤普出現暴雨。22日08時喀什上空700 hPa存在-6×10-6g/（cm2·hPa·s）的輻合中心，喀什、疏附等地出現暴雨。18日08時—23日20時青藏高原、昆侖山脈一帶有強水汽輻合中心，持續時間長，22日20時700 hPa青藏高原西北部中心強度達-20×10-6g/（cm2·hPa·s）。可見，700和850 hPa低空水汽強烈輻合對暴雨的貢獻較大。

圖7 4月18日08時700 hPa水汽通量（a）（單位：g/（cm·hPa·s））和水汽通量散度（b，單位：g/（cm2·hPa·s）；黑點為喀什基準站）

3.3.2 水汽后向軌跡追蹤

利用HYSPLIT水汽后向軌跡追蹤模式分別對喀什基準站（39.48°N，75.75°E，海拔高度1385.6 m）、澤普縣庫臺村（38.21°N，77.20°E，海拔高度1281.1 m）、疏附縣欄桿鄉（39.52°N，75.80°E，海拔高度1413.0 m）3個暴雨中心根據暴雨出現時間及不同高度做120 h水汽后向軌跡追蹤（圖8），4月16日08時—20日08時喀什500～700 hPa水汽主要以偏西路徑為主，850 hPa水汽為西南路徑（圖8a）。4月17日08時—22日08時澤普縣庫臺村500～700 hPa水汽主要以偏西路徑為主，850 hPa水汽為偏東路徑（圖8b），20日20時—21日08時700和500 hPa高度的水汽在4000 m匯合，21日夜間澤普縣庫臺村出現暴雨。疏附縣欄桿鄉500～850 hPa水汽主要以偏西路徑為主（圖8c），21日20時—22日08時850和700 hPa高度的水汽在2800 m左右匯合，22日夜間疏附縣欄桿鄉出現暴雨。

圖8 4月17日08時—23日08時HYSPLIT水汽后向軌跡追蹤

3.4 中小尺度特征

3.4.1 地面加密觀測

分析地面加密觀測資料2 m氣溫和10 m風場（圖9），19日11時喀什為偏東風，20時風速增強，氣溫迅速下降，喀什附近形成地面輻合線（圖9a）；此時喀什以西帕米爾高原為-15℃的冷中心，喀什處于20℃的暖中心西側，在冷暖交界處溫度梯度大，形成等溫線密集帶，地面輻合線與等溫線密集帶垂直，21時喀什基準站小時降水量為11 mm。

21日14時沿和田至喀什南部為一致的偏東氣流（圖9b），21時喀什南部地區仍為偏東風，22時轉為偏北風且風速增強，氣溫快速下降，澤普處于冷暖交界等溫線密集帶，澤普縣庫臺村23時—00時小時降水量為29.5 mm。22日16時喀什基準站從西南風轉為偏東和東南風，20時風速突增，溫度驟降10℃，地面輻合線與等溫線密集帶垂直，等溫線梯度較19日強，對流比19日更強，疏附縣欄桿鄉小時降水量為31.2 mm。

3.4.2 FY-2G衛星云圖

衛星云圖能夠用來檢測暴雨云團的生成源地、發展、移動路徑及移速[14-16]，本文利用FY-2G衛星紅外云圖的云頂亮溫TBB資料來分析此次暴雨過程中尺度對流系統的演變特征。

4月19日18 時，在喀什地區西南部山區出現了MCS，該對流云團向東北方向移動，山區開始降雨，20時在克州境內，即暴雨區的東北方向出現了對流云團，TBB低值區范圍增大，云頂亮溫迅速下降，最低為-56℃，并向暴雨區移動（圖10a）。21時移至暴雨區上空，喀什基準站位于TBB梯度大值區，20—21時小時雨強為11.0mm/h。20日00時TBB低值區范圍繼續增大，對流發展旺盛，MCS向西移動，喀什基準站處于-56～-52℃的TBB梯度處，降雨持續，小時降水強度開始減弱，降雨落區集中在MCS所在區域。20日01時（圖10b），云團中心溫度升高，TBB減弱，MCS開始減弱，TBB降至-36℃以下，降雨趨于結束。21日20時澤普縣庫臺村西北方向出現弱對流云團，該云團向東南移動并不斷加強，22時影響庫臺村。21日23時—22日00時（圖10c、10d），庫臺村位于-56～-48℃的TBB梯度處，對應29.5 mm的強降水。隨后云團快速減弱，降水趨于結束。22日19時，西天山兩個對流云團合并，并迅速增強，云團呈東北—西南狀分布，中心TBB強度達-60℃。該MCS不斷擴大增強，向南移動，21時疏附縣蘭桿鄉處于-60～-44℃TBB梯度處，強降雨隨之開始。21—22時，蘭桿鄉出現31.2 mm的短時強降水（圖10e）。MCS不斷向南移動，22日22時—23日00時，蘭桿鄉位于TBB低值中心處，TBB強度為-60℃，降雨明顯減弱（圖10f），小時雨強分別為6.6、3.4 mm。之后隨著MCS的快速減弱，降水基本結束。TBB低值區與降雨落區緊密結合，強降雨發生在TBB梯度最大處，TBB等值線梯度越大，雨強越強。

圖10 4月18日20時（a）、20日01時（b）、21日23時（c）、22日00時（d）、21時（e）、23時（f）FY—2G TBB分布（單位：℃）

3.4.3 雷達回波特征

19日18時喀什地區為大片以層云為主的混合性回波，19：17烏恰、疏附縣境內出現小對流單體，20：13疏附縣境內是以積云為主的降水回波，20：47喀什基準站附近積云回波中有γ-中尺度對流單體發展，最強反射率因子達58 dBZ（圖11a），回波頂高為5 km，垂直液態含水量VIL達21 kg·m-2，速度圖上疏附縣境內東南風有利于水汽輻合，中層有干冷西北氣流侵入（圖11b），2.4°仰角基準站附近中層有明顯的輻合，有利于對流發展。21：09單體減弱，23：51之前積云降水回波強度＞45 dBZ的。21時雷達站以西喀什、烏恰不斷有西北風侵入，喀什基準站20—21時1 h降水量為11 mm，21—00時的3 h降水量為12.5 mm，之后降水減弱。

圖11 4月19日20：52、22日21：35喀什雷達站組合反射率因子（a、c）和徑向速度（b、d）

22日20：30 喀什以北阿圖什境內出現多個分散型對流單體，20：54在雷達站東北方向阿圖什境內發展為線性多單體風暴，最大反射率因子達58 dBZ，回波頂高為10 km，垂直液態含水量達32 kg·m-2，此時距雷達站處西北方向22 km的阿圖什境內也有一對流單體發展，最大反射率因子達58 dBZ，不斷有新對流單體發展并直接翻山南壓，21：12西北方回波進入喀什境內并發展，21：29東—西向回波在喀什境內結合形成颮線，持續5個體掃影響喀什市和疏附縣附近（圖11c），21：41颮線斷裂，其西側的單體位于疏附縣境內，持續多個體掃最大反射率因子達60 dBZ，45 dBZ以上的強回波拓展到6.0°仰角，對應高度8 km，從1.5°仰角徑向速度圖上看到該單體左側對應明顯的中小尺度輻合風場特征（圖11d），上升運動強烈，基于單體質心的垂直液態含水量長時間維持在40 kg·m-2左右，造成疏附縣小時降水達31.2 mm的大暴雨及喀什市小冰雹和短時強降水。

22：23線性多單體風暴南壓至疏勒縣并發展加強，在其右側有新生單體，該單體迅速發展，23：03其最強反射率因子達63 dBZ，回波頂高為8 km，垂直液態含水量達27 kg·m-2，造成疏勒縣冰雹天氣。23：51對流單體東移南壓至距雷達站約40 km處，之后逐步減弱，最大反射率因子為45 dBZ左右，降水強度減弱。

4 結論

通過分析2020年4月17—24日南疆西部暴雨的大尺度環流背景、動力及水汽條件、觸發機制、中小尺度系統等與降水落區、強度的對應關系，得出以下結論：

（1）南疆西部持續性暴雨過程的環流背景相對穩定，處于100 hPa南亞高壓脊線左側，500 hPa為“東西夾攻”的大尺度環流背景，500 hPa中亞低渦（槽）和700 hPa切變線、850 hPa低空急流為主要影響系統，低層不斷有中小尺度系統發展。

（2）水汽源地是阿拉伯海、孟加拉灣，輸送路徑主要有兩條：一支水汽直接翻越帕米爾高原進入南疆，另一支水汽輸送至青藏高原東部在偏東氣流影響下沿著河西走廊進入南疆盆地。中低層有強烈的水汽輻合，為暴雨的發生提供了有利的水汽條件。

（3）低層輻合高層輻散的配置以及垂直上升運動為暴雨提供了有利的動力條件。低層高溫高濕，假相當位溫隨高度增加而減小，有利于暴雨區上空對流性不穩定層結的建立和維持。

（4）雷達回波圖上單體風暴或線性多單體風暴持續多個體掃導致強降水的發生，風暴最大反射率因子≥55 dBZ，徑向速度圖上具有明顯的中小尺度輻合特征；TBB低值區與降雨落區緊密結合，強降雨發生在TBB梯度最大處，且TBB等值線越密集雨強越強。