南疆西部兩次極端暴雨中尺度特征對比分析

希熱娜依·鐵里瓦爾地，瑪依熱·艾海提，孟凡雪，胡素琴*，孫 雨，李建剛

（1.喀什地區氣象局，新疆 喀什 844000；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

南疆西部位于塔里木盆地西緣，北部為西天山，西部為帕米爾高原，南部為昆侖山，東側為塔克拉瑪干沙漠，具有三面環山，東面敞開的地理特征。平原年均降水量僅50～70 mm，是我國西北部典型的干旱地區[1]。受復雜地形影響，春夏季傍晚前后易發生突發極端暴雨，累計雨量往往能超過當地氣候值。此類極端降水在生態環境脆弱的南疆西部，更容易誘發嚴重的城市內澇、山洪等氣象災害，給農業生產、人民生命財產等造成重大損失[2]，但因為突發性和局地性強、尺度小、生命史短等原因，暴雨落區和強度預報一直是短臨預報的難點。

多年來國內氣象專家對我國各地暴雨、短時強降水的時空分布特征、環流背景、影響系統、中尺度系統演變特征等方面進行了大量研究[3-11]，取得了諸多有價值的研究成果，也表明不同地域暴雨、短時強降水有明顯差異。新疆學者對新疆暴雨、短時強降水也有深入的研究[12-14]，對南疆西部暴雨的大尺度、天氣尺度影響系統和水汽分析等方面的研究顯示，南疆西部暴雨大部分是在南亞高壓雙體型的大尺度環流背景下，受中亞低渦（低槽）有利的天氣系統影響產生的[15-17]，高低空急流的有利配置為暴雨提供動力條件，來自阿拉伯海、孟加拉灣的水汽以及低渦本身攜帶的水汽提供水汽條件，還給出了南疆西部暴雨概念模型[18-21]。而對南疆西部暴雨中尺度對流系統特征和不同季節極端暴雨對比分析的研究尚少。在全球氣候變暖的背景下，南疆西部極端降水呈增加趨勢，且早發頻發，其影響和造成的災害損失也在不斷擴大，因此，加強對此類天氣的中尺度系統和觸發因子的研究顯得十分重要。

2020年4月17—24日和2021年6月15—17日（分別簡稱“過程1”、“過程2”），南疆西部出現兩次極端暴雨過程，其中短時強降水突發性和局地性極強，雖然各級氣象臺站均做出提前預報和服務，但由于模式對極端暴雨落區及強度預報能力不足，加上預報員對此類小概率極端事件缺乏預報經驗，導致暴雨落區、強度跟實況存在明顯差異。本文利用常規氣象觀測、區域自動站資料、FY-2G云圖、雷達及NCEP再分析等資料，對兩次極端暴雨過程短時強降水的環境條件、中尺度系統特征等進行對比分析并找出異同點，進一步加深對南疆西部極端暴雨事件中尺度系統發展機理的認識，以期提高業務短臨預報能力。

1 暴雨概況及極端性分析

過程1：為2020年4月17日08時—24日08時（北京時，下同）南疆西部出現大范圍持續性暴雨的過程。喀什地區有2個國家站、44個區域站累計雨量超過24.1 mm，7站超過48 mm。最大累計雨量67.3 mm，出現在葉城縣臺斯村（圖1a）；日最大雨量48.3 mm，出現在22日澤普縣庫臺村。澤普縣庫臺村21日00時、疏附縣蘭桿鄉22日22時最大小時雨強分別達29.5、31.2 mm（圖1c）。暴雨過程強降水時段分別在19、21、22日午后至夜間，平原大部區域同時伴有雷雨大風和短時冰雹。2020年4月喀什和澤普站月降水量分別為62.7和33.5 mm，前者突破4月歷史極值，后者居同期歷史第3位。

過程2為2021年6月15日08時—17日08時，南疆西部出現大范圍極端暴雨的過程。喀什地區國家站5站、區域站100站累計雨量超過24.1 mm，10站超過48 mm。最大累計雨量67.6 mm，出現在疏附縣烏帕爾鄉7村（圖1b），其中15日17時最大小時雨強為29.4 mm（圖1d），最大日降水量為54.3 mm，突破此站建站以來的極值。強降水分別出現在15、16日午后至夜間。2021年6月喀什、葉城月降水量分別為33.5、44.8 mm，均居歷史第1位。莎車、英吉沙、葉城站最大日降水量分別為37.2、28.2、33.9 mm，均突破6月歷史極值。澤普、伽師、喀什站最大日降水量均居6月歷史第2位，英吉沙、葉城居夏季歷史第2位，莎車居夏季歷史第3位。

圖1 喀什地區兩次過程累積降水量分布（a、b)和暴雨中心逐時雨量變化（c、d）（單位：mm）

兩次暴雨過程均具有極端性特征，且有降水持續時間長、范圍廣、短時強降水的局地性強、小時雨強大等特點；強降水均發生在午后至夜間，最大暴雨中心都在疏附縣境內。不同之處在于，“過程1”強降水突發性更強并伴有冰雹、雷雨大風等強對流天氣，是典型的對流性強降水。“過程2”暴雨站次更多、范圍更廣、累計降水量更大，降水極端性特征更明顯，屬于系統性強降水。

2 環流背景

“過程1”中，2020年4月17—23日100 hPa南亞高壓呈東部型，17—19日200 hPa副熱帶大槽強烈發展，南端南伸至25°N附近，＞30 m/s的西南急流位于南疆西部上空，高空輻散明顯。降水開始前17日08時，500 hPa高度場為“兩支鋒區”型的經向環流，北支在東歐至貝加爾湖以西為“兩槽一脊”形勢，南支在中亞一帶有不穩定短波槽活動，18日20時—19日08時（圖2a）中亞短波槽切渦加深，與巴爾喀什湖以北東移的低槽形成“東西夾攻”形勢，850 hPa南疆西部為“人”字型切變，700~850 hPa河西走廊至南疆西部為偏東急流，850 hPa風速達20 m/s；19日20時中亞低渦減弱成槽過境，造成19日夜間疏附縣及伽師、莎車淺山區出現大到暴雨。21日08時—23日08時中亞短波活動頻繁，低層切變線維持，分別造成21日夜間澤普縣庫臺村短時暴雨和22日傍晚至夜間疏附縣蘭桿鄉、喀什市的短時強降水和小冰雹。

“過程2”中，2021年6月15—17日100 hPa南亞高壓呈雙體型，200 hPa高空西南急流位于南疆盆地上空，南疆西部位于西南急流（中心56 m/s）分流輻散區。降水前14日20時，500 hPa高度場為“兩槽一脊”的經向環流，烏拉爾山至西伯利亞為脊區，貝加爾湖北側至南疆西部為東北—西南向的橫槽區，南疆西部處于橫槽底部，700~850 hPa南疆西部有風向切變。15日08—20時（圖2b、2d），橫槽分為兩段，北段位于北疆東部，南段為中亞北部切渦，形成“東西夾攻”形勢，700~850 hPa低渦不斷發展，使得阿克蘇—喀什—和田的風場輻合、切變加強，盆地東部配合有回流性偏東風，15日20時850 hPa風速達14 m/s，15日白天喀什大部地區出現小量以上降水，偏北、偏南局地出現中到大雨，疏附縣出現大暴雨。15日20時—16日20時中亞低渦進入南疆西部，700~850 hPa持續有12~14 m/s的偏東急流輸送冷空氣和水汽至南疆西部，配合低層風場輻合及切變，造成喀什平原大部地區暴雨和葉城縣淺山區大暴雨。

圖2 500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）、風場（單位：m/s）（a、b）和中尺度環境場分析（c、d）

3 環境參數特征

兩次極端暴雨過程中都有短時強降水發生，利用喀什站探空資料（表1）分析兩次過程中短時強降水發生的能量和層結條件，其中“過程1”共有兩次短時強降水，分別發生在21日澤普縣和22日疏附縣，本文選取降水強度更強并伴有冰雹的22日的短時強降水進行對比分析。

表1 兩次過程短時強降水探空對流參數

“過程1”在2020年4月22日08時探空主要特征為，850~500 hPa風隨高度順轉有暖平流，500 hPa以上風隨高度逆轉有冷平流。850 hPa有弱逆溫，有利于積累不穩定能量。14時，“上干冷、下暖濕”的不穩定層結進一步增強。K指數由08時的30℃增大到34℃，SI指數由-1.24℃降到-5.2℃，LI指數由0.86℃降至-1.0℃，CIN由240.4 J/kg減小至189 J/kg，CAPE由3.8 J/kg突增到611 J/kg，說明14時前逆溫層已破壞，不穩定能量得到釋放。另外-20℃層與0℃層高度差為2 851 m，有利于冰雹發生。

“過程2”在6月15日08時850~600 hPa溫、濕廓線呈倒喇叭狀，風向順轉有暖平流，500~300 hPa風向逆轉有冷平流，大氣層結呈“低層干暖、高層濕冷”分布。15日20時隨著降水出現，850 hPa溫度露點差由08時的14℃轉為4℃，濕度加大、濕層加厚至250 hPa，200 hPa以上溫度露點差＞20℃，大氣層結轉為“高層干冷、中低層暖濕”分布，這種結構有利于熱力不穩定層結的增強。16日00時K指數由15日08時的31℃增大到33℃，SI指數由-0.95℃降到-3.2℃，CAPE由8.1 J/kg增加到382 J/kg，CIN由154 J/kg減小為37 J/kg，以上幾種對流參數的變化加劇了熱力不穩定，為強對流的發生提供了有利的環境條件。

4 中尺度對流系統特征

4.1 中尺度對流云團演變特點

中尺度對流系統是短時強降水的直接制造者。兩次過程均發生在南疆西部，期間不斷有對流系統組織生成、發展、消亡，伴隨多次強降水。其中，既有大尺度系統性降水，也包含局地特征顯著的突發性降水。為了突出南疆極端降水過程中中尺度系統的發展演變特點，對兩次過程進行中尺度對流系統（MCS）發展演變的對比分析。

“過程1”中，2020年4月22日19時（圖3a）南疆西部的阿克蘇北部—克州一帶出現一條東北西南向對流云帶，其中有3個對流云團A、B、C，分別位于阿合奇、阿圖什和烏恰，位于阿圖什的對流云團B云頂TBB為-60℃，3個對流云團隨500 hPa引導氣流向西南方向移動，20時，（圖3b）云團A和B在向西南移動過程中迅速合并，尺度增大形成β中尺度對流云團D，-60℃云頂亮溫范圍擴大。21時云團對流云團D脫離對流云帶繼續向西南移動與C合并形成東北西南向橢圓狀β中尺度對流云團，疏附縣蘭桿鄉處于TBB為-60～-44℃最大梯度處，強降雨隨之開始，受橢圓狀強對流云團持續影響，21—22時蘭桿鄉出現31.2 mm的強降水。22日22時—23日01時，對流云團繼續南移（圖4d），蘭桿鄉和喀什市位于強度為-60℃的TBB大值區，蘭桿鄉降水明顯減弱，喀什市出現短時強降水和冰雹。23日03時，對流云團快速減弱，降水減弱。

圖3 2020年4月22日逐小時FY—2G衛星TBB云圖演變

“過程2”中，2021年6月15日15時，在吐爾尕特山區—烏恰出現東北西南向對流云帶，包含2個β中尺度對流云團A、B，中心TBB為-48～-40℃，吐爾尕特開始降雨。16時，對流云帶向南伸展（圖4a），TBB低值區范圍增大，并向暴雨區移動，17時，移至暴雨區上空（圖4b），TBB強度為-48℃，對流發展旺盛，疏附縣烏帕爾鄉處于-48～-44℃的TBB梯度大值區，造成16—17時29.4 mm的短時強降水。18時-44～-40℃的TBB范圍擴大，小時雨強為11.8 mm，降水落區集中在MCS所在區域。19時，后云團中心溫度升高（圖4c），TBB降至-36℃以下，降水明顯減弱。

綜上所述，中尺度對流云團的發展演變與強降水的發生、發展及降水落區有密切關系，兩次過程MCS對短時強降水有2～3 h提前預報時效。“過程1”中強降水出現在對流云團發展尺度最大時的TBB梯度最大處，β中尺度對流云團生命史長、尺度大。“過程2”的TBB強度明顯弱于“過程1”，強降水出現在TBB低值區，對流云團尺度相對較小，變化明顯，預報難度更大。

4.2 地面中尺度輻合線與短時強降水

兩次過程強降水前地面有中尺度輻合線形成，與對流單體不斷生成、合并增強關系密切。小時雨強較大時次與地面輻合增強時次配合較好。

“過程1”中，2020年4月22日強降水開始前區域加密自動站風場顯示，20時，喀什北部的疏附縣附近以東南風為主，喀什以東為東風，風速均在4 m/s以下，疏附縣蘭桿鄉風速為2.9 m/s，東南風與南疆西部山區地形近乎垂直，在疏附縣附近形成地形輻合線，20—21時，蘭桿鄉風速增到4.8 m/s，對應時刻喀什北部有中尺度對流云團形成，對對流風暴有動力抬升作用，21—22時，疏附縣由東南風轉為偏北風，蘭桿鄉風速迅速增至18.6 m/s，偏北風與疏附縣東部的東風強烈輻合，形成地面中尺度輻合線，造成蘭桿鄉短時暴雨，隨后輻合線快速移過疏附縣，降水減弱。

“過程2”中，2021年6月15日09時巴楚至伽師一帶有強東風，最大為20.5 m/s，暴雨中心烏帕爾鄉為12.4 m/s的西南風，12時，喀什北部地區全部轉為偏東風，偏東風在山前輻合，強降水出現前15時疏附縣西北部由偏東風轉為西北風，烏帕爾鄉風速增至13.4 m/s，此時喀什至伽師維持偏東風，西北風與偏東風形成地面中尺度輻合線，16—17時，輻合線東移，配合有中尺度對流云團，造成疏附縣烏帕爾鄉短時暴雨，強降水發生在輻合區內。隨后喀什北部均轉為西北風，地面輻合線消失，降水減弱。

4.3 雷達回波特征

本文從雷達組合反射率因子（CR）、基本徑向速度（V）、垂直累積液態含水量（VIL）等方面對兩次過程的雷達產品特征進行對比分析。

4.3.1組合反射率因子

“過程1”中，2020年4月22日20：01在喀什雷達站以北90 km范圍內出現大片降水回波，并存在多個強對流單體，最強單體強度為53 dBZ，隨后分散型強單體風暴向南擴展，20：30，雷達站西北方向的3個強對流單體發展為西北—東南向線性多單體風暴，同時雷達站東北方向阿圖什境內回波在南壓過程中與原地激發的新生單體合并增強，20：54，發展為東西向線性回波（圖5a），中心強度為58 dBZ，21：00，兩個線性風暴合并形成弓狀回波，此后向南移動發展并不斷有新生對流單體形成，并與之合并，強回波面積擴大，底部進入喀什境內，21：23，弓狀回波在喀什上空發展成為東西向颮線（圖5b），強度達63 dBZ，颮線移速緩慢，用8個體掃時間南壓掃過喀什市和疏附縣北部，強度持續60 dBZ以上，造成疏附縣蘭桿鄉31.2 mm/h的大暴雨和喀什市短時強降水、小冰雹。22：05—22：17，颮線斷裂，受偏北氣流影響南壓，回波強度減弱至53 dBZ，降水也隨之減弱。22：23，線性強單體風暴進入疏勒縣境內與周圍的新生單體合并增強（圖5c），強度達65 dBZ并維持5個體掃，造成疏勒縣冰雹。

圖5 2021年6月15日逐小時FY—2G衛星TBB云圖演變

“過程2”中，2021年6月15日14：00—15：00喀什市、疏勒、疏附境內出現積層混合云降水回波，疏附縣境內有多個對流單體，最強單體強度為48 dBZ，受對流單體影響疏附縣境內開始降水；隨后對流單體加強與北部單體合并，面積擴大，強度達53 dBZ，15：32—16：00暴雨中心烏帕爾7村降水量為3.1 mm、烏帕爾3村為7.8 mm。16：21（圖5d）疏附縣境內的兩個強對流單體周圍不斷有新回波激發、發展、加強，回波強度維持在45~58 dBZ，強回波向暴雨中心移動，造成烏帕爾7村29.4 mm/h的暴雨。17：28（圖5e）位于暴雨中心北部和南部的兩個強單體合并，烏帕爾鄉位于強度為58 dBZ的回波中心，強回波隨后又分離為南北兩個單體，南部強單體仍位于烏帕爾鄉，58 dBZ的強回波持續9個體掃，造成烏帕爾7村11.8 mm/h的短時強降水。18：19（圖5f）強回波范圍逐漸減小，強度維持在50~53 dBZ，暴雨中心小時降水為4.3 mm。

圖5 2020年4月22日20：54（a）、21：23（b），22：23（c）和2021年6月15日16：21（d）、17：28（e）、

兩次暴雨過程對流單體回波強度均＞50 dBZ，強回波穩定少動且中心強度長時間保持大值是造成兩次短時暴雨的主要原因。但造成強降水的風暴強度不同，“過程1”由持續增強并持續時間長的超級單體風暴造成，“過程2”由不斷新生激發的分散型普通單體風暴造成。

4.3.2徑向速度

“過程1”中，4月22日21：06，喀什雷達1.5°仰角徑向速度圖上（圖6a），喀什西北方向30～90 km為明顯的速度輻合區，21：23（圖6b）超級單體風暴形成時1.5°～4.3°仰角的徑向速度圖上均出現明顯的中小尺度輻合、旋轉特性，徑向速度垂直剖面圖上表現為中低層輻合、高層輻散特性，有利于風暴單體的維持和加強，維持到21：53，在21：47的1.5°仰角上最明顯（圖6c）。過程中喀什西北、偏北、東北方向有風向輻合，輻合區位置與暴雨落區有很好的對應關系。

“過程2”中，6月15日16：01—17：06，喀什雷達1.5°～3.4°仰角徑向速度圖上（圖6d、6e），喀什雷達站偏西、西南方向90 km范圍內有明顯的速度輻合區，其中2.4°仰角上不僅有輻合特征，還具有旋轉特征。17：17—17：56在1.5°～3.4°仰角徑向速度圖上（圖6f）暴雨區有大片的正速度區中包含著小片負速度區，即類似于“逆風區”，附近存在明顯的風的徑向輻合，2.4°～3.4°仰角上這種輻合特征維持8個體掃，說明上升運動強，但更高的仰角輻散特征不明顯。“逆風區”的長時間維持有利于上升氣流的維持和增強。

圖6 2020年4月22日21：06（a）、21：23（b），22：47（c）和2021年6月15日16：49（d）、16：49（e）、17：45（f）喀什雷達徑向速度

兩次過程的徑向速度風場都具有輻合、旋轉特征，此特征出現的時間、位置與暴雨出現時間、位置較吻合。不同點是“過程1”徑向速度風場表現為明顯的超級單體特征，中低層輻合、高層輻散，而“過程2”只有中低層風場輻合，高層輻散不明顯。“過程2”出現逆風區，維持時間長、上升運動更強，這也是持續2 h出現短時強降水的重要原因。

4.3.3垂直累積液態含水量

“過程1”中，2020年4月22日20：30雷達站西北方強回波單體所在范圍出現大片VIL＞13 kg/m2的區域，其中最強單體VIL為38 kg/m2，隨后單體風暴發展為超級單體風暴，21：29，颮線最西端位于疏附縣境內的單體VIL達43 kg/m2（圖7a），21：59，又增大至48 kg/m2，隨后回波減弱，VIL隨之減小（圖7b）。疏附縣短時暴雨出現期間的9個體掃VIL維持在40 kg/m2以上。疏勒縣小冰雹出現前的22：17—22：23，VIL由3 kg/m2躍增至18 kg/m2，22：34，躍增至28 kg/m2，VIL躍增有利于雹粒的形成，對冰雹預報有指示意義（圖7c）。

“過程2”中，2021年6月15日16：01喀什雷達站西南方向60 km的疏附縣境內分析“過程2”的VIL演變（圖7d、7e、7f），出現VIL＞0的區域，16：21，暴雨落區北部強單體所在區域VIL達13 kg/m2，隨后減小至8 kg/m2，在17：28—17：56的6個體掃時間暴雨中心VIL維持13 kg/m2，這與長時間維持的對流單體反射率有較好的對應關系。

圖7 4月22日21：29（a）、21：59（b），22：34（c）和6月15日16：21（d）、17：28（e）、17：51（f）喀什雷達垂直累積液態含水量VIL（單位：kg/m2）

兩次過程在暴雨出現期間VIL長時間保持較大值，與強降水出現時間有較好對應關系。“過程1”VIL值明顯大于“過程2”，冰雹出現前有VIL的躍增。

5 結論與討論

通過對比分析南疆西部兩次極端暴雨過程的環流背景、環境參數以及中尺度對流系統演變特征，得出以下結論：

（1）兩次極端暴雨發生期間南疆西部均處在200 hPa強輻散區內；500 hPa為有利于南疆西部暴雨的“東西夾攻”形勢，低層輻合切變和偏東急流為對流觸發系統。不同點是：兩次過程100 hPa南亞高壓的位置不同，“過程1”中南亞高壓呈東部型，“過程2”中呈雙體型；中亞低渦的強度和維持時間不同，“過程2”明顯強于“過程1”，且維持時間更長。

（2）兩次過程短時強降水前大氣均處于“上干冷、下暖濕”的不穩定層結，并有不穩定能量的累積。但“過程1”CAPE明顯大于“過程2”，各對流參數更有利于強對流的發生。

（3）兩次強降水均由β中尺度對流云團產生，強降水出現在對流云團前沿TBB梯度最大處或者TBB低值區。“過程1”的中尺度對流云團較“過程2”范圍大、發展成熟、TBB強度大、生命史長、降水局地性強；“過程2”中對流云團演變迅速，TBB變化明顯、生命史短，預報難度更大。

（4）雷達回波上“過程1”中短時強降水是由超級單體風暴造成，而“過程2”是由普通單體風暴造成。徑向速度風場都具有輻合、旋轉特征，“過程2”長時間維持的“逆風區”為強降水的持續提供了有利的環境條件。“過程1”的VIL值明顯大于“過程2”，且有VIL的躍增，對冰雹預報有指示意義。