新疆阿勒泰地區(qū)短時強降水中尺度特征

白松竹，楊杰堯，莊曉翠，李如琦

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000；3.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆 阿勒泰 836500；4.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

短時強降水具有突發(fā)性強、持續(xù)時間短、雨強大、局地性強、來勢迅猛等特點，易導(dǎo)致山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和次生災(zāi)害。近年來國內(nèi)外專家對短時強降水的氣候統(tǒng)計特征、形成機理、中尺度特點及其預(yù)報技術(shù)等做了諸多研究[1-11]。新疆因為“三山夾兩盆”的特殊地形，暖季短時強降水具有北疆多于南疆，山脈坡面多于谷地和沙漠的特點[12]，天山北坡短時強降水主要發(fā)生在沿山海拔1 000～2 000 m區(qū)域[13]，而新疆北部短時強降水發(fā)生集中在山脈的迎風(fēng)坡和喇叭口地形附近[14]，造成新疆短時強降水的對流風(fēng)暴主要有合并加強型、列車效應(yīng)型和孤立對流單體型[15-16]。楊霞等[17]對新疆一次短歷時大暴雨過程研究表明，前期溫度異常偏高及暴雨上空的中尺度垂直環(huán)流圈為大暴雨的產(chǎn)生提供了有利的熱動力條件；大氣層結(jié)不穩(wěn)定、低層水汽的強烈輻合為對流云團和降水的形成提供了必要條件，地面中尺度輻合線和中尺度低壓對大暴雨過程具有觸發(fā)作用。李建剛等[18]對天山中部局地暴雨研究指出對流云帶發(fā)展強盛并在本地區(qū)上空長時間停留，強回波區(qū)的穩(wěn)定少動，逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)，是產(chǎn)生短時大暴雨的關(guān)鍵原因。楊蓮梅等[19]對一次西北氣流控制短時強降水研究指出，700 hPa中β尺度西北急流上多個中γ尺度對流單體以“列車效應(yīng)”形式依次影響烏魯木齊，造成短時強降水，降水發(fā)生在局地新生中尺度對流云團西南側(cè)云頂亮溫TBB梯度最大處。阿勒泰地區(qū)降水以短歷時為主[20]，大多數(shù)過程T-ln P圖溫濕廓線呈上干冷下暖濕的“漏斗”狀，對流層中低層水汽較好，CAPE呈“瘦弱”的梭形，抬升凝結(jié)高度較低[21]。

自動氣象站、衛(wèi)星云圖等資料在觀測短時強降水中發(fā)揮著重要作用，地面資料能提供MCS演變過程和生命期所處階段具有指示意義的信息[22]，地面加密風(fēng)場中尺度輻合線先于MCS和雨團出現(xiàn)[23]，中尺度輻合線造成的局地輻合可作為MCS發(fā)展的啟動機制。中尺度對流系統(tǒng)（MCS）中-52℃冷云區(qū)與降水存在明顯的相關(guān)性[8]，短時強降水通常發(fā)生在冷云區(qū)中心前進方向右側(cè)。莊曉翠等[24]對阿勒泰地區(qū)一次區(qū)域暴雨成因分析表明，云圖及自動站風(fēng)場均監(jiān)測到中γ尺度系統(tǒng)；地形使中尺度低渦（渦旋）在暴雨區(qū)旋轉(zhuǎn)、滯留、增強，是造成強降水的主要原因。以往的研究針對阿勒泰地區(qū)短時強降水中尺度特點分析較少，因此，本文運用多種資料，分析阿勒泰地區(qū)短時強降水中尺度特征，歸納預(yù)報著眼點，為當?shù)囟虝r強降水預(yù)報預(yù)警的制作及防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

1 資料與方法

目前，中央氣象臺和中國中東部地區(qū)氣象部門均將1 h降水量≥20 mm的降水記為短時強降水。根據(jù)多年的預(yù)報服務(wù)實踐、暴雨洪水成災(zāi)事實和干旱半干旱地區(qū)暴雨特點，新疆氣象部門將該標準調(diào)整為1 h降水量≥10 mm。為了與實際業(yè)務(wù)保持一致，本文將短時強降水過程定義為：（1）1 h內(nèi)相鄰（200 km以內(nèi)）2個或以上測站雨強均≥10 mm·h-1；（2）同一測站連續(xù)2～3 h雨強≥10 mm·h-1。至少滿足上述1個條件的定義為一次短時強降水過程。

利用區(qū)域自動氣象站逐小時降水、FY2F/G云頂亮溫（TBB）、ECMWF細網(wǎng)格高分辨率（0.125°×0.125°）每日4次的ERA-interim（簡稱“EC-thin”）再分析等資料，分析2013—2020年5—9月（簡稱“暖季”）阿勒泰地區(qū)8個國家基本氣象站和60個區(qū)域自動站共68個站點（圖1）逐小時降水資料，按上述標準篩選出短時強降水過程共36次。MCS定義標準參考文獻[25]，定義地面圖上水平尺度≤200 km的低壓（高壓）稱為中低壓（高壓）。

圖1 阿勒泰地區(qū)68個自動站點地形分布

2 短時強降水天氣尺度的影響系統(tǒng)及MCS特征

2.1 影響系統(tǒng)

楊蓮梅等[26]將南北疆主要地區(qū)短時強降水的影響系統(tǒng)分為：中亞低槽、中亞低渦、西西伯利亞低槽（渦）、西北氣流4類。分析2013—2020年暖季阿勒泰地區(qū)36例短時強降水過程的500 hPa影響系統(tǒng)，可分為中亞低槽、中亞低渦、西西伯利亞低槽（渦）等3類，同時均有高、中、低緯度和高、中、低空系統(tǒng)的有利配合；中、低緯度系統(tǒng)較強，槽前對流層低層暖濕偏南氣流旺盛，將較低緯度水汽向強降水區(qū)輸送，而高層高緯度系統(tǒng)相對干冷，其南下為強降水區(qū)提供干冷空氣，這種配置有利于造成強降水區(qū)的不穩(wěn)定層結(jié)，易誘發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展，導(dǎo)致短時強降水的產(chǎn)生。

2.2 MCS特征

分析阿勒泰地區(qū)短時強降水FY2F/G衛(wèi)星云圖表明，可將影響系統(tǒng)分為渦旋云系（21次）、高空槽云系（15次）兩類。前者產(chǎn)生的MCS主要位于渦旋云系頭部南側(cè)干冷空氣侵入與暖濕空氣交界的區(qū)域（16次），4次MCS位于渦旋云系的尾部與西南暖濕氣流的交匯處，1次位于其前部，本文主要分析前一種類型。高空槽云系主要呈盾狀或帶狀，產(chǎn)生的MCS主要位于其南部暖濕空氣與高空槽后冷空氣交界的區(qū)域。MCS呈圓形或橢圓形，短時強降水常發(fā)生在MCS發(fā)展或成熟階段，且在TBB梯度密集區(qū)附近。

2.3 典型個例分析

2013年6月20日20：00（以下簡稱“6·20”）中亞低渦形成渦旋云系（圖2a），在渦旋云系東南部暖濕氣流與干冷空氣交匯處有MCS發(fā)展，21：00—23：00 MCS旋轉(zhuǎn)不斷生消，青河縣沙爾巴斯套村等3個自動站出現(xiàn)短時強降水，其中沙爾巴斯套村2 h累計降雨達30.0 mm（超過新疆暴雨量級），23：00最大雨強為16.9 mm·h-1。

2015年7月4日（以下簡稱“7·4”）受西西伯利亞低渦底部分裂短波槽東移影響，在帶狀云系西南部暖濕空氣與槽后干冷空氣交匯處有MCS發(fā)展（圖2b），13：00西部哈巴河縣阿舍勒銅礦附近2站出現(xiàn)短時強降水，最大雨強為13.2 mm·h-1，出現(xiàn)在阿舍勒銅礦；同時，在吉木乃縣有MCS發(fā)展東移（圖2b），造成15：00—17：00福海縣5站次短時強降水，最大雨強達21.4 mm·h-1，出現(xiàn)在賽克露村，該站2 h累計降雨為38.1 mm。

2016年6月24日20：00（簡稱“6·24”），中亞低渦減弱東移（圖2c），渦旋云系處于消散期，21：00—22：00有MCS增強西退，造成阿勒泰市烏圖布拉克、塔拉特村短時強降水，雨強分別達22.1、32.0 mm·h-1。

2017年6月30日（簡稱“6·30”）受渦旋云系影響（圖2d），在其西南部有多個MCS發(fā)展，合并增強、旋轉(zhuǎn)，14：00—18：00先后造成布爾津、哈巴河、福海縣和阿勒泰市等站短時強降水，其中15：00哈巴河縣合孜勒哈克村雨強最大，達37.5 mm·h-1。

圖2 500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場（風(fēng)羽，單位：m·s-1）及TBB（填色，單位：℃）

上述4個個例共性是短時強降水過程主要發(fā)生在MCS的發(fā)展和成熟期，不同點是MCS冷云區(qū)中心值及移動方向不同。“6·20”和“6·30”是MCS旋轉(zhuǎn)，然后隨高空低渦或槽減弱東移，TBB分別是-36、-40℃，持續(xù)時間為6和7 h。“7·4”是MCS發(fā)展東移，移出福海時減弱東移；“6·24”是MCS西退增強，然后減弱東移，TBB均為-48℃，“7·4”持續(xù)了7 h，“6·24”持續(xù)了4 h。可見阿勒泰地區(qū)MCS的移向復(fù)雜，這與中國東部地區(qū)相似[27-28]。

3 中尺度系統(tǒng)

受阿爾泰山脈和薩吾爾山系的影響，阿勒泰地區(qū)的短時強降水主要發(fā)生在阿爾泰山、薩吾爾山的沿山一帶及山麓丘陵一帶（圖3）。統(tǒng)計2013—2020年阿勒泰地區(qū)36次短時強降水中尺度系統(tǒng)（表1）可知，中亞低槽、中亞低渦背景下的短時強降水主要為中尺度低壓（簡稱“中低壓”），而西西伯利亞低槽（渦）主要為倒槽或低壓舌（簡稱“低壓舌”），地面中低壓和低壓舌主要是準噶爾盆地的熱低壓向北伸展或中亞熱低壓東伸形成，短時強降水發(fā)生在中低壓北部或東北部、低壓舌北部。分析EC-thin 2 m溫度和露點溫度場，91%的短時強降水過程同時存在露點鋒和溫度鋒，當2 m露點溫度≥8℃時，易出現(xiàn)短時強降水，且其值大小與短時強降水強度呈正相關(guān)，露點鋒和溫度鋒主要出現(xiàn)在阿爾泰山、薩吾爾山的沿山一帶及山麓丘陵一帶。10 m流場上，92%的短時強降水落區(qū)附近存在風(fēng)場輻合（切變及氣旋性輻合）。850 hPa 56%的個例有中尺度低空急流，主要為中亞低槽和西西伯利亞低槽（渦）造成的短時強降水。短時強降水落區(qū)位于露點鋒和溫度鋒附近的中低壓、低壓舌北部或東北部及輻合區(qū)附近、850 hPa低空急流前部輻合區(qū)或切變線附近的重疊區(qū)域。

圖3 2013—2020年阿勒泰地區(qū)短時強降水的空間分布（單位：次）

表1 2013—2020年阿勒泰地區(qū)短時強降水中尺度系統(tǒng)發(fā)生頻次（單位：次）

3.1 中低壓

在阿勒泰地區(qū)短時強降水發(fā)生前，地面圖上有時有熱低壓發(fā)展，約4～6 h發(fā)展為中低壓，在中低壓發(fā)展到最強時段，MCS迅速發(fā)展、增強、面積增大；中低壓開始填塞時，MCS減弱東移，有時減弱的MCS又發(fā)展增強，并造成短時強降水。說明中低壓是觸發(fā)MCS的主要原因之一。

受2016年6月24日16：00—22：00渦旋云系發(fā)展影響，阿勒泰地區(qū)中西部發(fā)生短時強降水，22：00阿勒泰市塔拉特村短時強降水最強，為32.0 mm·h-1。24日08：00（圖4a）自哈巴河縣到阿勒泰市南部和福海縣北部的河谷一帶有熱低壓發(fā)展，14：00達最強（圖4b），低壓中心由08：00的1 012 hPa發(fā)展到14：00的1 010 hPa，且在阿勒泰地區(qū)中、西部分別形成中低壓（圖4b），20：00中低壓減弱填塞（圖4c）。短時強降水集中發(fā)生在16：00—19：00，即地面中低壓發(fā)展到最強時，中低壓東移過程中，由于其東北部、東部及東南部為西南、偏南、東南風(fēng)，有利于水汽向強降水區(qū)輸送輻合，因此，對應(yīng)MCS發(fā)展面積較大，TBB較低、為-44～-52℃，南側(cè)和北側(cè)水汽相對較少MCS面積較小，TBB為-32～-44℃。當中低壓明顯減弱填塞，短時強降水結(jié)束。

圖4 2016年6月24日EC-thin海平面氣壓場（等值線，單位：hPa）

由熱低壓發(fā)展到中低壓一般需要4～6 h，當中低壓形成時預(yù)示著短時強降水即將產(chǎn)生，中低壓逐漸填塞是短時強降水短時臨近預(yù)報預(yù)警和觀測的重點，這是由于對流開始后，冷池作用將造成中尺度渦旋和中尺度負變壓中心逐漸消失[5]。

3.2 風(fēng)場氣旋式輻合和切變

阿勒泰地區(qū)多數(shù)短時強降水發(fā)生前，地面圖上沒有中低壓，但10 m風(fēng)場上存在氣旋式輻合中心或切變線，且在短時強降水發(fā)生前12 h形成，由于受阿爾泰山脈影響，阿勒泰地區(qū)東部常有西北風(fēng)和東南風(fēng)的輻合線，MCS多數(shù)呈東南—西北向的橢圓型，但在阿勒泰地區(qū)其它區(qū)域，常為西南風(fēng)與東南風(fēng)的切變，有時是偏南風(fēng)與山脈的輻合。地面切變線北側(cè)、西側(cè)淺薄冷空氣南下與南側(cè)暖濕偏南氣流輻合，有利于邊界層水汽向高空輸送，觸發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展，造成短時強降水，且切變線、輻合線早于MCS，對短時強降水的出現(xiàn)具有一定的預(yù)報指示意義。

2013年6月20日22：00—23：00在阿勒泰地區(qū)東部沿山出現(xiàn)短時強降水。20日08：00—20：00，EC-thin10 m風(fēng)場（圖5），阿勒泰地區(qū)東部青河縣有明顯的切變線和輻合線，14：00和20：00在短時強降水區(qū)附近為明顯的偏西風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合區(qū)，21：00在風(fēng)場輻合區(qū)附近有MCS產(chǎn)生，受低空東南急流前較強輻合的影響，MCS向強降水區(qū)移動，MCS不斷生消，造成短時強降水，TBB為-32～-36℃。

圖5 2013年6月20日EC-thin10 m風(fēng)場

3.3 露點鋒和溫度鋒

阿勒泰地區(qū)阿爾泰山和薩吾爾山主峰都在3 000 m以上，而沿山和丘陵地區(qū)海拔在1 500 m以下，由于地形高度的差異，在阿爾泰山和薩吾爾山的沿山和丘陵地區(qū)易形成溫度鋒和露點鋒，是MCS發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素，且只出現(xiàn)在地面圖上。分析阿勒泰地區(qū)36次短時強降水發(fā)生前EC-thin的2 m溫度和露點溫度場（簡稱溫度、露點）發(fā)現(xiàn)，在阿爾泰山或薩吾爾山的沿山一帶，中低壓或低壓舌北部、東北部或南部存在溫度鋒區(qū)和露點鋒區(qū)，此時若阿爾泰沿山露點溫度≥10℃、薩吾爾沿山及其丘陵露點溫度≥8℃，則易出現(xiàn)短時強降水。

2017年6月30日14：00—18：00阿勒泰地區(qū)中西部發(fā)生短時強降水，前一天強降水落區(qū)露點溫度為17～18℃，露點鋒區(qū)在強降水發(fā)生前逐漸增強，1 h前迅速減弱（08：00、14：00露點溫度梯度分別為20.0、11.8℃/100 km）；對應(yīng)2 m溫度，08：00、14：00溫度梯度分別為21.6和23.1℃/100 km，溫度鋒區(qū)在短時強降水發(fā)生前強度有較明顯增大（圖6a）。14：00—15：00對應(yīng)有多個MCS對流云團生成，16：00合并增強旋轉(zhuǎn)，之后逐漸減弱。

2016年7月22日19：00—20：00吉木乃拉斯特村南（薩吾爾山的丘陵區(qū)）出現(xiàn)短時強降水，08：00—14：00露點溫度梯度由28.2℃/100 km增至51.7℃/100 km，露點溫度也由8～9℃增至12～13℃，溫度梯度由54.7℃/100 km減小到36.5℃/100 km（圖6b）。20：00露點溫度梯度減小到41.0℃/100 km，溫度梯度則增大到41.7℃/100 km。18：00—19：00新疆西部境外至邊界附近，有2個中β對流云團合并加強，-52℃的TBB范圍擴大。

圖6 EC-thin地面2 m要素場

溫度鋒、露點鋒達最強時，對流云團發(fā)展合并增強，造成短時強降水；溫度鋒在短時強降水前或發(fā)生時有一個增強的過程，露點鋒在短時強降水前明顯增強，發(fā)生時明顯減弱。因此，溫度鋒、露點鋒是觸發(fā)MCS的主要熱力機制，且露點鋒在短時強降水發(fā)生前增強，對短時強降水有一定的指示意義。

3.4 850 hPa低空急流

短時強降水發(fā)生前，EC-thin 850 hPa風(fēng)場主要存在偏西（西南）低空急流。當500 hPa西西伯利亞低值系統(tǒng)南下，阿勒泰地區(qū)受槽前西南氣流控制，850 hPa中亞地區(qū)偏西（西南）低空急流攜帶暖濕氣流進入阿勒泰地區(qū)，與中高層不同風(fēng)向或較強風(fēng)速的氣流共同作用，使垂直風(fēng)切變增大，不穩(wěn)定層結(jié)加強，有利于短時強降水的發(fā)生。此外，在大尺度環(huán)流合適的背景下，當中亞低渦東移，850 hPa在蒙古—哈密常形成東南低空急流，阿勒泰地區(qū)東部處于急流出口區(qū)前部，東南低空暖濕氣流與中高層不同風(fēng)向的氣流形成垂直風(fēng)切變，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的形成和加強，在低空急流的觸發(fā)下造成短時強降水，這種情況相對較少。

受西西伯利亞低槽東移的影響，2017年7月2日06：00—08：00、11：00、16：00阿勒泰地區(qū)17個區(qū)域站出現(xiàn)短時強降水，850 hPa 02：00（圖7a）,阿勒泰地區(qū)西部境外中亞有偏西低空急流，14：00（圖7b）急流東移進入阿勒泰地區(qū)西部和塔城地區(qū)。該低空急流逐漸東移，先后造成阿勒泰地區(qū)短時強降水。

圖7 2017年7月2日850 hPa風(fēng)場

造成阿勒泰地區(qū)短時強降水的中尺度系統(tǒng)有地面中低壓、風(fēng)場氣旋式輻合和切變、溫度鋒和露點鋒、850 hPa低空急流等，均與阿爾泰山脈和薩吾爾山山脈有關(guān)，地形差異形成的熱力、動力機制是觸發(fā)MCS的主要原因。

4 結(jié)論與討論

本文主要運用區(qū)域自動氣象站逐小時降水、FY2F/G云頂亮溫（TBB）、ERA-interim再分析資料，對阿勒泰地區(qū)短時強降水中尺度特征進行了分析。主要結(jié)論如下：

（1）阿勒泰地區(qū)短時強降水過程發(fā)生在高、中、低緯度和高、中、低空系統(tǒng)的有利配合下；中、低緯度系統(tǒng)較強，而高層高緯度系統(tǒng)相對干冷，低層暖濕高層干冷的配置有利于不穩(wěn)定層結(jié)的產(chǎn)生和加強，從而觸發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展。

（2）造成阿勒泰地區(qū)短時強降水的MCS主要是渦旋云系頭部南側(cè)或尾部干冷空氣侵入與暖濕空氣交界的區(qū)域，帶狀云系的南部暖濕空氣與高空槽后冷空氣交界的區(qū)域。MCS呈圓形或橢圓形，短時強降水常發(fā)生在MCS發(fā)展或成熟階段，且在TBB梯度密集區(qū)附近。

（3）造成阿勒泰地區(qū)短時強降水的地面中尺度系統(tǒng)有中低壓、風(fēng)場氣旋式輻合和切變、露點鋒和溫度鋒及850 hPa低空急流等。不同的影響系統(tǒng)，中尺度系統(tǒng)存在差異。地面中低壓和低壓舌主要是準噶爾盆地的熱低壓向北伸展或中亞熱低壓東伸形成，短時強降水發(fā)生在中低壓北部或東北部、低壓舌北部。露點鋒和溫度鋒主要出現(xiàn)在阿爾泰山、薩吾爾山的沿山一帶和山麓丘陵一帶，由復(fù)雜地形引起的熱力差異造成。

（4）中低壓發(fā)展到最強時段，MCS迅速發(fā)展、增強、面積增大，造成短時強降水。中低壓開始填塞時，MCS減弱東移，短時強降水結(jié)束。地面切變線北側(cè)、西側(cè)淺薄冷空氣南下與南側(cè)暖濕偏南氣流輻合，有利于邊界層水汽向高空輸送，觸發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展，造成短時強降水。溫度鋒在短時強降水前或發(fā)生時有一個增強的過程，露點鋒在短時強降水前明顯增強，發(fā)生時明顯減弱。850 hPa低空急流攜帶暖濕氣流進入阿勒泰地區(qū)，與中高層不同風(fēng)向或較強風(fēng)速的氣流形成較強的垂直風(fēng)切變，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的形成和加強。

造成阿勒泰地區(qū)短時強降水的中尺度系統(tǒng)均與阿爾泰山脈和薩吾爾山脈有關(guān)，地形差異形成的熱力、動力機制，且具有一定的提前量，對該區(qū)短時強降水預(yù)報預(yù)警具有一定的指示意義。