東天山哈密地區典型暴雨事件對流觸發機制對比分析

劉晶 2, 劉兆旭 張晉茹 2, 劉凡 2, 李建剛 2, 曾勇 2, 仝澤鵬 2, 江雨霏 2, 楊蓮梅 2, 周玉淑 4, 5

1 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002

2 新疆云降水物理與云水資源開發實驗室, 烏魯木齊 830002

3 西天山云降水物理野外科學觀測基地, 烏魯木齊 830002

4 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴實驗室, 北京 100029

5 中國科學院大學地球科學學院, 北京 100049

1 引言

新疆哈密地區位于天山最東端，西起七角井，東至星星峽，與甘肅河西走廊相鄰，是新疆通向中國內地的要道，也是“一帶一路戰略”的重要節點城市。受副熱帶高壓系統和西風帶系統影響，哈密地區近年來暴雨頻發，作為國家“絲綢之路經濟帶”重要節點城市，哈密極端暴雨天氣逐漸引起各方關注，在西風槽與副熱帶高壓相互作用過程中，在副熱帶高壓邊緣、河西走廊低空急流前方常有中尺度對流系統發生發展，造成局地強對流天氣，對當地經濟發展和城市建設造成嚴重災害。天山將哈密地區分為南北兩部分，受天山地形影響（道然·加帕依等, 2007），哈密地區暴雨主要集中在天山北部的巴里坤縣（年均降水量為230.5 mm），已有研究針對哈密暴雨大氣環流形勢（道然·加帕依等,2007; 屠月青和孔海江, 2014）、動熱力條件（王榮梅等, 2010; 莊曉翠等, 2020）及空中水資源（卓世新等, 2016）等進行分析，并利用中尺度數值模式對該地區暴雨天氣過程進行數值模擬（朱偉軍等,2012），給出了最優參數化組合方案。哈密南部大多為戈壁荒漠，是新疆暴雨出現最少的區域之一，至今沒有雷達探測能夠覆蓋，地面區域自動站稀疏，對南部暴雨研究也相對匱乏，加之地面植被差，大雨以上降水天氣很容易引發局地山洪，對當地生產建設和人民生命財產安全構成一定危害，因而對于該地區極端暴雨的分析和研究在防汛抗旱方面顯得尤為重要。

中尺度系統是中緯度地區夏季強降水的主要影響系統（陶詩言, 1980; Houze, 2004; Stevenson and Schumacher, 2014），常造成洪澇、冰雹、大風等災害性天氣（Weisman and Trapp, 2003; 鄭永光等,2010）。國內外氣象學者（陶祖鈺等, 1998; Sugimoto and Ueno, 2010; Ueno et al., 2011; 高守亭等, 2013;張家國等, 2013; 慕建利等, 2014; 徐珺等, 2018）通過對中尺度系統及其對暴雨的影響開展了一系列相關研究工作，給出了中尺度系統形成及其結構特征，在此基礎上，利用數值模式對中尺度系統動、熱力結構、演變特征及觸發機制進行了分析和討論（王建捷和李澤椿, 2002; 陳力強等, 2005），指出中尺度對流系統觸發與強暖濕氣流強迫和弱冷空氣擴散（蘇愛芳等, 2016）、地面輻合線（侯淑梅等,2017）、地面切變線和地面干線（努爾比亞·吐尼牙孜等, 2019）、鋒面抬升（趙宇等, 2017; Li et al.,2017）等密切相關，并給出了中尺度對流云團模型（李玉蘭等, 1993）。還有很多研究（Houze et al.,1990; Smith et al., 2009; Zheng et al., 2013）基于雷達資料對中緯度地區夏季中尺度系統的運動學和結構特征進行分析和探討，揭示了中尺度系統形成過程、強度變化以及對流系統傳播過程中的列車效應（孫繼松等, 2013; 張家國等, 2015）的物理機制，為極端暴雨定時、定量預報提供了一定的參考依據。

中尺度對流系統移動和演變往往受大尺度場的制約（陳良棟, 1987; Lavaysse et al., 2006; 全美蘭等, 2013; Besson and Lema?tre, 2014），其中低空急流對于中尺度系統的發展和維持具有重要的作用（顧 清 源 等, 2009; 劉 鴻 波 等, 2014; 傅 佩 玲 等,2018），孫淑清和翟國慶（1980）發現低空急流強烈的不穩定性使得急流軸上的風速出現中尺度脈動傳播方向，能夠觸發中尺度系統形成，從而導致暴雨發生。陳忠明（2005）利用動力學診斷分析揭示了低空急流附近新對流和強降水在云團后部發生、發展的可能機制，黃小彥等（2020）分析發現低空急流下邊界不斷向下擴展過程中觸發迎風坡上的MCS（中尺度對流系統）初始雷暴生成，白慧等（2020）分析了貴州一次大范圍強對流天氣，發現低空急流的建立和爆發式增強利于對流不穩定能量的積聚和對流運動的發展。針對新疆地區MCS 的研究（王旭和馬禹, 2012; 曾勇和楊蓮梅, 2017a,2017b）指出，新疆暴雨中尺度系統生命史短，突發性強，多發生在山邊平原和淺山區（劉雯等,2017; 李建剛等, 2019），且多數MCS 形成于午后到午夜，具有明顯的夜發性。云團的生成和發展與地面輻合線（曾勇等, 2019）、低空急流（曾勇和楊蓮梅, 2018; 曾勇等, 2020）、干侵入（曾勇等,2018; 劉國強等, 2018）和中尺度風場輻合線（王清平等, 2016）等密切相關。中尺度對流云團生成后沿高空引導氣流移動，在移動過程中合并增強，往往會造成測站出現短時強降水天氣（曾勇和楊蓮梅, 2020）。

2016年8月8日 和2018年7月31日，哈 密地區分別出現兩次暴雨天氣，其中2018年7月31日伊州區沁城鄉小堡12 h 累積最大降雨量達到110 mm，致洪水爆發。洪水災害造成房屋及部分農田、公路、鐵路、電力和通信設施受損，對當地居民生命財產和生產建設造成重大影響。兩次強降水天氣均發生在副熱帶高壓（簡稱副高）異常偏西偏北，中尺度云團在副高外圍生成并影響暴雨區，而暴雨落區、雨強各不相同，因而本文利用NCEP/NCAR 的FNL 再分析資料（0.25°×0.25°）和FY-2G衛星等資料對兩次極端暴雨的中尺度對流系統觸發機制進行對比分析，探討干旱、半干旱地區極端暴雨中尺度系統發生、發展和維持機制的差異，為更好理解該地區極端暴雨天氣提供一定參考依據。

2 資料與研究方法

2.1 資料說明

本研究選用自動站觀測數據、再分析資料、風云2G 衛星產品、三源融合降水產品。自動站觀測數據和三源融合降水產品用于降水天氣實況分析，其中自動站觀測數據選用新疆地區共14 個探空站、105 個國家氣象觀測站和1830 個區域觀測站小時降水量數據。三源融合降水產品選用中國地面衛星雷達三源融合逐小時降水產品，空間分辨率為0.1°×0.1°。

再分析資料用于大尺度環流形勢、對流觸發和維持機制等分析，選取美國國家環境預報中心/美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的0.25°×0.25°FNL 再分析資料（網址：https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/#!access[2021-09-17]）和ECMWF 發 布 的第一代（網址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/[2021-09-17]）和第五代（網址：https://cds.climate,copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/rean alysis-era5-pressure-level?tab=overview/[2021-09-17]）全球分辨率0.25°×0.25°再分析資料，時間分辨率為6 h，FNL 再分析資料垂直高度共31 層，ERAInterim 垂直高度共37 層。衛星圖像選用風云2G逐小時云頂亮溫產品，主要用于對流云團演變特征分析。

2.2 資料方法

2.2.1 數據檢驗

為確保NCEP/NCAR 再分析資料在西部干旱、半干旱地區可用性，對比哈密探空站、NCEP/NCAR的0.25°×0.25° FNL 再分析資料、ECMWF 發布的第一代全球分辨率ERA-Interim 0.25°×0.25°再分析資料和ECMWF 發布的第五代全球分辨率ERA-5 0.25°×0.25°再分析資料得到的溫度、濕度和風場廓線（圖1）發現，“7.31”暴雨過程哈密站對流層低層暖平流、中高層冷平流，“8.8”暴雨過程對流層中層—低層為一致冷平流，三種再分析資料計算得到的溫、濕度廓線形態在400 hPa 以下與探空站表現較為一致，其中FNL 再分析資料得到的風廓線和冷暖平流與探空站更為接近，而ERAInterim 和ERA-5 再分析資料在“7.31”暴雨過程中對流層低層表現為冷平流，因而本文將利用FNL再分析資料對兩次降水天氣過程進行對比分析。

圖1 （a–d）2018年7月31日08時（北京時，下同）和（e–h）2016年8月8日08時（a、e）哈密站探空、（b、f）FNL 資料、（c、g）ERA-interim 資料和（d、h）ERA-5 資料計算得到的溫度（紅色實線）、露點溫度（綠色實線）和風（風向桿）廓線Fig. 1 Profiles of the temperature (red solid line), dew point temperature (green solid line), and wind (barbs) calculated by (a, e) Hami sounding station data, (b, f) FNL data, (c, g) ERA-interim data, and (d, h) ERA-5 reanalysis data at (a–d) 0800 BJT (Beijing time) 31 July 2018, (e–h) 0800 BJT 8 August 2016

2.2.2 降水量標準

由于國家降水量級標準不適合干旱、半干旱氣候背景的新疆地區，因而本文采用新疆氣象學者肖開提·多萊特（2005）提出的適合新疆氣候特點的降水量級標準：0.1 mm≤R＜6.0 mm 為小雨，6.1 mm≤R＜12.0 mm 為中雨，12.1 mm≤R＜24.0 mm 為大雨，R＞24.0 mm 為暴雨，R＞48.0 mm 為大暴雨，R為24 h 降水量。

3 天氣過程概況及環流形勢分析

3.1 降水實況

2018年7月30～31日，西太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高）向北伸展，同時對流層低層偏東急流出口區左側有對流云團生成，云團在向東北方向移動過程中不斷發展，造成哈密東南部出現短時強降水天氣（圖2a，簡稱“7.31”暴雨），哈密區域站共15站達到暴雨級別，其中4站12 h 累積降水量超過48 mm（達到大暴雨級別）。31日01～14時（北京時，下同）降水中心哈密沁城鄉小堡站14 h 累積降水量達到115.5 mm。2016年8月8～9日，西太副高位置異常偏西，高壓中心位于青海地區，受副高阻擋，中緯度地區低槽緩慢移動，對流層中低層冷鋒鋒生東移造成哈密北部出現強降水天氣（圖2b，簡稱“8.8”暴雨），8月8日08時至9日08時共有10站24 h 累積降水量超過48 mm，達到大暴雨級別，其中8日10～14時低槽與副高間有對流云團生成，并向東北方向移動發展，造成巴里坤縣出現短時強降水天氣，降水中心巴里坤鎮大直溝站累積降水量為41.1 mm。下文將重點分析“7.31”暴雨和“8.8”暴雨期間大氣環流、對流觸發和維持機制等異同。

從“7.31”暴雨站逐時降水量演變圖（圖2c）上可以看出，哈密沁城鄉小堡站31日01時出現降水天氣，06～08時兩小時累積降水量達58.4 mm；位于沁城鄉小堡站東北方向的淖柳公路33 公里站（簡稱淖柳公路站）31日03時開始出現降水，最強降水集中在06～09時，3 h 累積降水量為58.8 mm。31日14時后，中尺度對流云團逐漸移出暴雨區，哈密東南部強降水天氣逐漸結束。“8.8”暴雨短時強降水中心巴里坤鎮大直溝站10～14時累積降水量為41.1 mm（圖2d），最大小時降水量為12.8 mm，國家氣象觀測基本站巴里坤站8日10～14時累積降水量達28 mm，達到暴雨級別。14時后，隨著對流系統移出暴雨區，暴雨區短時強降水趨于結束，受中緯度低槽緩慢東移影響，哈密地區仍出現持續小量降水，今后將另做研究分析。

圖2 （a）2018年7月31日02～14時、（b）2016年8月8日01時至8月9日08時累積降水量分布（單位：mm），紅色虛線矩形框區為哈密地區，圖a 中黑色點和紅色點分別代表沁城鄉小堡站和淖柳公路站，圖b 中黑色點代表巴里坤鎮大直溝站。（c）“7.31”暴雨中心站和（d）“8.8”暴雨中心站逐小時降水量演變Fig. 2 Accumulated precipitation (units: mm) (a) from 0200 BJT to 1400 BJT 31 July 2018, and (b) from 0100 BJT 8 August to 0800 BJT 9 August 2016. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. 2a, the black and red dot represents the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively. In Fig. 2b, the black dot denotes the Dazhigou station in Balikun town. Hourly precipitation (units: mm) at the precipitation center in (c) the “7.31” heavy rainstorm (rainstorm occurred on 31 July 2018) and (d) “8.8” heavy rainstorm (rainstorm occurred on 8 August 2016)

3.2 環流形勢分析

“7.31”暴 雨 期 間，200 hPa 位 勢 高 度 場 上（31日02時，圖3a）南亞高壓呈帶狀分布，中心北移至35°N 以北地區，哈密東南部地區位于中亞地區長波槽槽前西南急流入口輻散區，高空輻散抽吸利于垂直運動的發展。500 hPa（圖3b）為“兩脊一槽”環流型，伊朗高壓和西太副高位置異常偏北，西太副高西伸至哈密地區，其外圍偏南氣流攜帶暖濕氣流向暴雨區輸送充沛的水汽，同時，受副高阻擋影響，中緯度低槽移動緩慢，暴雨區主要受副高西側偏南氣流影響。從圖3c 可以看出，暴雨區位于200 hPa 急流入口區左側和700 hPa 低空東南急流左前方，低空急流出口區左側為正渦度平流大值區，暴雨區處于西北風和東南風輻合區。同時對流層低層增濕明顯，30日20時至31日08時，哈密探空站比濕增至11 g kg?1（圖略）。受低緯度地區暖濕氣流影響，哈密東南部地區上空形成不穩定大氣層結。低層水汽強烈輻合，垂直運動發展，對流云團在低空急流出口區左側不斷生成，在沿500 hPa 引導氣流向東北方向移動過程中不斷合并、發展。此外，哈密位于地面倒槽前沿（圖3d），暖濕氣團與哈密北部冷空氣交匯于倒槽附近，冷暖交綏劇烈，利于對流系統發展，綜合分析發現，“7.31”暴雨過程從高層到低層大尺度天氣系統環流配置均有利于暴雨區強降水的發生。

圖3 2018年7月31日02時（a）200 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風場（陰影≥30 m s?1），（b）500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風場（陰影≥12 m s?1），（c）200 hPa 急流（等值線和矢量）、700 hPa 急流（陰影和風向桿，陰影≥10 m s?1），（d）海平面氣壓場（單位：hPa）。紅色虛線矩形框區代表哈密地區，圖c 中藍色實線和紅色實線代表海拔1500 m 和3000 m 地形Fig. 3 (a) Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥30 m s?1) at 200 hPa, (b) geopotential height (contours,units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥12 m s?1) at 500 hPa, (c) 200-hPa jet stream (contours and vectors, units: m s?1), 700-hPa jet stream(shadings and barbs, shadings for wind speed≥10 m s?1), (d) sea level pressure (units: hPa) at 0200 BJT 31 July 2018. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. c, the blue and red solid lines represent terrain height of 1500 m and 3000 m, respectively

“8.8”暴雨期間，200 hPa 南亞高壓呈帶狀分布（圖4a），中心位于30°N 附近，高壓主體位于90°E 以西，同時，中緯度地區為一個長波槽，8日02～08時槽前西南急流明顯增強，暴雨區位于高空西南急流控制區。強降水前500 hPa 也為“兩脊一槽”環流型，伊朗高壓與烏拉爾山高壓脊同位相疊加，上游高壓脊較“7.31”暴雨過程發展更加強盛，而中緯度低槽經向度發展也較“7.31”暴雨過程更強，西太副高移至內陸地區后呈東北—西南向分布，較“7.31”暴雨過程副高位置略偏南（圖4b），隨著中緯度地區低槽東移，8日02時500 hPa 副高中心位于95°E 附近，副高西側偏南氣流將青藏高原北部水汽向北輸送，與中緯度低槽前西南氣流交匯于新疆巴州北部—吐鄯托盆地一線，對應8日02時700 hPa 巴州北部—吐鄯托盆地—哈密北部一線有明顯的風場切變線（圖4c），中尺度對流云團在巴州北部生成，并沿500 hPa 西南氣流向東北方向移動，在移動過程中經風場切變輻合區后上升運動進一步發展，對流云團合并發展，進而造成哈密北部短時強降水天氣。從地面圖上（圖4d）可以看出，降水前巴州北部—吐鄯托—哈密北部受暖低壓控制，地面最高溫度在30°C～43°C，隨著地面冷高壓自西向東移動，高壓前側弱冷空氣進入巴州北部—哈密北部，暖氣團與西側弱冷空氣交匯，利于對流運動發展。

圖4 2016年8月8日02時（a）200 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風場（陰影≥30 m s?1），（b）500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風場（陰影≥12 m s?1），（c）700 hPa 風場（陰影和風向桿，陰影≥10 m s?1），（d）海平面氣壓場（單位：hPa）。紅色虛線矩形框區代表哈密地區。圖c 中藍、紅色實線代表海拔1500 m、3000 m 地形線Fig. 4 (a) Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥30 m s?1) at 200 hPa, (b) geopotential height (contours,units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥12 m s?1) at 500 hPa, (c) 700-hPa wind (shadings and barbs, shadings for wind speed≥10 m s?1),(d) sea level pressure (contours, units: hPa) at 0200 BJT 8 August 2016. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. c, the blue and red solid lines represent terrain height of 1500 m and 3000 m, respectively

對兩次天氣過程降水實況和環流分析后發現，兩次短時強降水環流形勢均為500 hPa 兩脊一槽環流形勢，且西太副高位置均偏西。其中“7.31”暴雨期間500 hPa 西太副高異常偏西偏北，受副高阻擋影響，中緯度低槽移動緩慢，暴雨區主要受500 hPa副高西側、700 hPa 東南急流出口區和地面低壓倒槽控制，對流云團在哈密南部生成、發展并向東北移動，造成哈密東南部多站出現暴雨；“8.8”暴雨期間500 hPa 環流經向度發展較“7.31”暴雨更加強盛，副高位置較“7.31”暴雨更加偏南，500 hPa副高西側偏南和中緯度低槽前西南氣流交匯共同影響哈密地區，同時受700 hPa 風場切變線和地面弱冷空氣影響，巴州北部有對流云團生成，沿低空切變線發展并向東北方向移動，隨后造成哈密北部測站短時強降水天氣。兩次過程暴雨區均受中尺度云團自西南向東北移動影響，因而下文將重點討論兩次過程對流觸發和維持機制的差異，為哈密地區夏季短時強降水預報預警提供一定的理論依據。

4 對流系統觸發和維持機制

4.1 中尺度云團活動特征

通過分析兩次強降雨過程的云圖資料并結合環流形勢場發現，“7.31”暴雨期間多個中β 和中γ尺度云團在低空東南急流左前方生成并向東北方向移動，移動過程中云團合并增強，最低云頂亮溫TBB 達?56°C，造成哈密東南部出現短時強降水天氣。而“8.8”暴雨期間，兩個TBB≤?44°C 的中γ 尺度云團在低空西南急流前生成，沿500 hPa 西南氣流向東北方向移動過程中合并加強至中β 尺度云團，隨后造成哈密北部地區短時強降水天氣。“7.31”暴雨過程中尺度云團31日02時在低空急流出口區生成，對流觸發，08時云團發展至成熟階段，“8.8”暴雨過程中尺度對流8日02時在巴州北部淺山區觸發，08時對流云團移至哈密地區，發展至成熟階段。

7月31日02時（圖5a），中γ 尺度云團A、B、C、D 和E 在700 hPa 偏東急流出口區左前方生成，受云團D 影響，沁城鄉小堡站出現少量降水；03時（圖5b）中尺度云團在向東北方向移動過程中迅速發展，云團D 移至沁城鄉小堡站上空，最大TBB 由?16°C 降至?28°C，受中尺度云團D控制和影響，沁城鄉小堡站和淖柳公路站出現強降水天氣，其中沁城鄉小堡站03～04時出現短時強降水，降水量達11.4 mm。

7月31日04時（圖5c）云團B 和E 合并為中γ 尺度云團F，沿著高空引導氣流向東北方向移動，最大TBB 降至?36°C，云團A 和D 分別移至沁城鄉小堡站和淖柳公路站，最大TBB 均降至?28°C，造成測站雨強增強。06時（圖5d），云團A 快速移過淖柳公路站，云團F 和C 向東北方向移動、合并為中β 尺度云團G，該云團范圍增大，強度明顯增強，最大TBB 降至?52°C，受中β 尺度云團G 影響，沁城鄉小堡站和淖柳公路站出現短時強降水，其中沁城鄉小堡站小時降水量達29.2 mm。隨著700 hPa 偏東急流轉為偏南急流且位置明顯北抬（08時，圖5e），云團G 范圍進一步增大，最大TBB 為?56°C，受云團G 影響，沁城鄉小堡站和淖柳公路站06～09 三小時累積降水量分別為76.3 mm 和58.8 mm。10時后（圖5f），云團G移出新疆，測站降水逐漸減弱。綜合上述分析發現，多個中尺度γ 和β 對流云團依次移過哈密東南部地區，“列車效應”明顯，造成短時強降水天氣。

圖5 2018年“7.31”暴雨期間7月31日（a）02時、（b）03時、（c）04時、（d）06時、（e）08時、（f）10時中尺度對流云團云頂亮溫TBB（陰影，單位：°C）及（a）02時、（e）08時風場（風向桿，單位：m s?1）。紅色圓點和黑色圓點分別代表沁城鄉小堡站和淖柳公路站，字母A 到G 表示中尺度對流云團Fig. 5 Black body temperature (TBB, shadings, units: °C) at (a) 0200 BJT, (b) 0300 BJT, (c) 0400 BJT, (d) 0600 BJT, (e) 0800 BJT, (f) 1000 BJT and wind (barbs, units: m s?1) at (a) 0200 BJT, (e) 0800 BJT July 31 2018. The red and black dots denote the Qinchengxiangxiaopu and Naoliugonglu stations, respectively. Letters A–G represent meso-scale convective clouds

8月8日02時（圖6a），700 hPa 低空西南氣流前有中γ 尺度云團A 在巴州北部生成，同時受鋒面云系影響，哈密巴里坤站開始出現小量降水；06時（圖6b）云團A 向東北移至巴州與吐鄯托盆地交界處，同時，吐鄯托盆地再次生成一個中γ 尺度云團B，最大云頂亮溫為?40°C，對應吐鄯托盆地出現少量降水；08時（圖6c），中γ 尺度云團A 和B 沿低空切變線向東北方向移動過程中合并為中β 尺度云團C，云團范圍明顯增大，強度增強，最大云頂亮溫降至?44°C，同時，對流層低層和中層冷鋒鋒生區疊加，冷鋒鋒面云系明顯增強并向東南方向移動，受對流層低層偏南氣流和測站降水影響，哈密北部近地面增濕明顯。10時（圖6d），中β 尺度云團C 移至哈密北部與吐鄯托盆地交界，在對流層中低層冷鋒鋒生作用下，云團范圍進一步增大，強度增強，最大云頂亮溫為?48°C，哈密北部巴里坤站處于云團C 控制下，對應測站10～14時出現短時強降水天氣，其中10～12時累積降水量達20.8 mm。14時后，云團C 逐漸移出哈密地區，受鋒面云系影響，測站維持小量降水。綜合上述分析發現，兩個中尺度γ 對流云團合并增強移過暴雨區，最大云頂亮溫達?48°C，造成此次哈密北部地區短時強降水天氣。

圖6 2016年“8.8”暴雨期間8月8日（a）02時、（b）06時、（c）08時、（d）10時中尺度云團云頂亮溫TBB（陰影，單位：°C）及（a）02時、（c）08時風場（風向桿，單位：m s?1）。紅色圓點代表巴里坤鎮大直溝站Fig. 6 Black body temperature (TBB, shadings, units: °C) at (a) 0200 BJT, (b) 0600 BJT, (c) 0800 BJT, (d) 1000 BJT and wind field (barbs, units: m s?1)at (a) 0200 BJT, (c) 0800 BJT 8 August 2016. The red dot denotes the Dazhigou station in Balikun town

4.2 對流不穩定

對兩次強降水天氣過程的對流不穩定性進行分析，發現“7.31”暴雨期間暴雨區處于強對流不穩定區，在暖鋒鋒區觸發下，鋒面附近上升運動旺盛，造成中尺度對流云團生成和發展。“8.8”暴雨期間冷鋒鋒生觸發不穩定能量，對流云團在天山南坡生成向東北方向移動過程中產生暴雨。

由前文分析可知，“7.31”暴雨和“8.8”暴雨對流分別于7月31日02時和8月8日02時觸發，通過對暴雨區對流不穩定分析發現，“7.31”暴雨對流云團發展初期（31日02時，圖7a），暴雨區上空850～700 hPa 由假相當位溫等θse密集帶控制，θse隨高度升高（?θse/?p＜0），700～500 hPa 暴雨區θse隨高度降低（?θse/?p＞0），因而可以看出對流層底層大氣層結穩定，對流層中低層大氣層結不穩定，同時700 hPa 暖鋒鋒區向北傾斜，鋒區前沿與不穩定大氣層結交界處冷暖空氣交綏劇烈，鋒面附近垂直運動迅速發展，伴隨最大上升運動?0.8 Pa s?1。31日08時（圖7b，對流成熟階段），對流層低層暖鋒向北爬坡移至44°N 附近，鋒區高度有所降低。中低層大氣不穩定層結進一步增強，在暖鋒鋒面抬升作用下，哈密東南部地區對流層低層至高層為一致的上升運動區，觸發對流不穩定能量釋放，對流發展至最強。“8.8”暴雨對流云團初期（8日02時，圖7c），巴州北部（41.25°N，87.5°E）云團初生地850～700 hPa 以下暴雨區假相當位溫θse隨高度降低（?θse/?p＞0），對流層底層大氣層結不穩定，同時巴州北部700～600 hPa 處于等θse密集區，鋒區向西傾斜，700 hPa 弱冷鋒鋒生區與不穩定大氣層結交界處冷暖交綏，在對流層低層弱冷鋒鋒生作用下，對流云團發展。8日08時（圖7d，對流成熟階段），對流云團沿500 hPa 向東北方向移動，同時，哈密北部—吐鄯托盆地—巴州北部一線對流層低層至中層冷鋒鋒生，鋒面附近垂直運動發展旺盛，對流云團發展，哈密北部巴里坤站附近對流層低層至中高層為一致上升運動，最大上升運動達?2.4 Pa s?1，中尺度云團在冷鋒鋒生作用下發展旺盛，進而造成哈密北部短時強降水天氣。

圖7 2018年7月31日（a）02時、（b）08時沿94.75°E 的假相當位溫（等值線，單位：K）和垂直速度（彩色陰影，單位：Pa s?1）的緯度—高度剖面，哈密位于42°～44°N。2016年8月8日（c）02時沿41.25°E、（d）08時沿43.5°E 的假相當位溫（等值線，單位：K）和垂直速度（彩色陰影，單位：Pa s?1）經度—高度剖面，暴雨區位于93°E 附近。圖形下方灰色陰影為地形，圖c 中紅色三角形表示對流云團初生地Fig. 7 Latitude–height cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature θse (contours, units: K) and vertical velocity (color shadings, units:Pa s?1) along 94.75°E at (a) 0200 BJT 31 July, (b) 0800 BJT 31 July 2018. Hami area is located at 42°–44°N. Longitude–height cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature (contours, units: K) and vertical velocity (color shadings, units: Pa s?1) (c) along 41.25°E at 0200 BJT 8 August, (d) along 43.5°N at 0800 BJT 8 August 2016. The heavy rainfall area is located near 93°E. The gray shadings represent the terrain. In Fig. c,the red triangle represents the origination area of the convective cloud

根據吳國雄等（1995）濕位渦方程計算暴雨中心濕位渦，假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，p坐標系中的濕位渦（Mpv，單位：PVU，1 PVU=10?6K m2s?1kg?1）方程可表示為

其中，θse為假相當位溫，f、ζ、ζa分別為氣塊地轉渦度、相對渦度和絕對渦度，u代表緯向風速，v代表經向風速，g是重力加速度。Mpv1為濕位渦正壓分量，當大氣處于對流不穩定時，?θse/?p＜0，則Mpv1＜0。Mpv2為濕位渦斜壓分量，代表大氣的濕斜壓性。通過分析暴雨中心濕位渦發現，兩次強降水期間暴雨區低層Mpv1＜0（圖8a、c），Mpv2＞0（圖8b、圖8d），且|Mpv1|>|Mpv2|，說明對流層低層大氣以對流不穩定為主，與西天山強降水期間大氣層結不同的是，西天山極端暴雨大氣存在對流不穩定和對稱不穩定交替出現的現象，而東天山暴雨過程大氣以對流不穩定為主，這為對流云團的發生和發展提供了有利的熱力不穩定條件（劉晶等,2019）。

圖8 2018年“7.31”暴雨期間過哈密沁城鄉小堡站（a）濕位渦正壓分量Mpv1、（b）濕位渦斜壓分量Mpv2 隨時間變化，2016年“8.8”暴雨期間過巴里坤鎮大直溝站（c）Mpv1、（d）Mpv2 隨時間變化（單位：10?1 PVU）Fig. 8 Evolutions (units: 10?1 PVU) of (a) Mpv1 (barotropic component of the moist potential vorticity), (b) Mpv2 (baroclinic component of the moist potential vorticity) over Qinchengxiangxiaopu station in Hami during “7.31” heavy rainstorm in 2018 and evolutions (units: 10?1 PVU) of (c) Mpv1,(d) Mpv2 over Dazhigou station in Balikun town during “8.8” heavy rainstorm in 2016

通過分析沁城鄉小堡站和淖柳公路站（位于沁城鄉小堡站東北側）θse隨時間變化圖（圖9a、b）發現，“7.31”暴雨發生前（30日08～20時），暴雨區整層為穩定層結，對流觸發初期（31日02時），700～500 hPa 逐漸由穩定層結轉為不穩定層結，隨著對流層低層暖鋒鋒生觸發對流發展，不穩定層結高度隨時間降低，空氣中飽和水汽凝結釋放大量潛熱，中尺度云團生成和發展，造成測站出現短時強降水天氣，強降水持續至31日14時。“8.8”暴雨發生前，受500 hPa 西太副高控制，巴州北部—哈密地區地面升溫明顯，暴雨區對流層低層增溫增濕，900～700 hPa 大氣層結不穩定（圖9c），8日02時（對流觸發初期），巴州北部對流層低層不穩定層結增厚，隨著對流層低層冷鋒鋒生，對流觸發，對流云團生成并向東北方向移動，8日08時（圖9d），哈密北部巴里坤鎮大直溝站對流層低層大氣層結不穩定，伴隨巴州北部—哈密北部對流層中低層冷鋒鋒生，空氣中飽和水汽凝結釋放大量潛熱釋放，中尺度云團發展，隨后造成巴里坤縣10～14時短時強降水天氣。

圖9 （a）沁城鄉小堡站、（b）淖柳公路站、（c）阿克蘇普鄉大西溝站、（d）巴里坤鎮大直溝站假相當位溫（單位：K）隨高度和時間的變化Fig. 9 Evolutions of θse (units: K) with height and time at the (a) Qinchengxiangxiaopu station, (b) Naoliugonglu station, (c) Daxigou station in Akesupu village, and (d) Dazhigou station in Balikun town

以上分析表明“7.31”暴雨發生初期哈密東南部地區中、低層大氣為較強對流不穩定層結，在對流層低層暖鋒鋒生觸發下，中尺度對流云團生成；暴雨最強時段，暖氣團沿底層冷氣團爬坡過程中被迫抬升，垂直運動進一步發展，降水達到最強階段。而“8.8”暴雨對流發展初期，巴州北部對流層低層冷鋒鋒生觸發對流發展，隨著巴州北部—哈密北部對流層中低層進一步冷鋒鋒生，垂直運動進一步增強，云團在向東北方向移動過程中發展至最強階段，進而造成哈密北部短時強降水天氣。

4.3 對流觸發和維持機制

鋒面系統對于中緯度地區中尺度對流系統的發生、發展起重要作用（何齊強等, 1994; Capet et al.,2008）。鋒生函數包括水平輻散項、水平形變項和傾斜項，它不僅考慮了大氣的動力特征，同時也考慮了大氣的熱力特征，是診斷鋒面強度和時空分布特征的一項重要指標。針對季風區暴雨過程鋒面演變及其對暴雨中尺度對流觸發機制相關研究（孫永剛等, 2014; 侯淑梅等, 2017; 任麗等, 2021）表明，鋒面抬升是觸發暴雨的動力機制，低層強鋒生和次級環流圈與強降水發生時間和位置有較好的對應關系（邱貴強等, 2018），而對鋒面系統影響新疆地區對流觸發的相關研究相對較少。

下文采用Miller（1948）中的計算鋒生函數的方法，并用假相當位溫代替位溫，得到兩次暴雨期間鋒生函數分布情況。通過分析暴雨區總鋒生函數分布圖（圖10）發現，“7.31”暴雨期間700 hPa暖鋒鋒生是造成中尺度云團生成發展的主要因子。降水期間鋒生區位于340～348 K 的強θse的高能區中。30日20時（10a），暴雨區上空600 hPa（42°N，95°E 附近）出現東北—西南走向的帶狀鋒生大值區，鋒生帶斷裂為東、西兩段，鋒生大值區中心強度為2.5×10?8K s?1m?1，同時700 hPa（圖10d）哈密東南部出現等θse大值中心，最大θse為336 K，在等θse大值中心北側也出現東北—西南走向的帶狀鋒生大值區，中心強度為1×10?8K s?1m?1，由此可見對流層低層—中層暖鋒鋒生，鋒面自下向上向西北方向傾斜；隨著暖氣團推動冷空氣向西北方向移動，600 hPa 東段鋒生區移至哈密地區東北部（31日02時，圖10b），中心強度為2×10?8K s?1m?1，700 hPa 等θse密集帶進一步向北延伸（圖10e），暴雨區附近最大θse增至352 K，低層增暖增濕，暖氣團沿冷氣團向北爬坡，暖鋒鋒區向北移動，鋒生進一步增強，鋒生大值區迅速增至3×10?8K s?1m?1。在700 hPa 暖鋒鋒生觸發下，對流不穩定能量釋放，造成中尺度對流云團發展。31日08時600 hPa 暖鋒逐漸移出哈密地區（圖10c），低空急流進一步向東北方向伸展，低層強輻合區和濕舌移至哈密東部—蒙古西部，暴雨區最大θse增至355 K，在強暖鋒鋒生下（圖10f），鋒面次級環流加強，對流云團發展至最強階段，造成哈密東南部出現短時強降水天氣。

圖10 2018年7月30～31日總鋒生函數（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）和假相當位溫（等值線，單位：K），紅色、藍色圓點分別代表沁城鄉小堡站和淖柳公路站Fig. 10 Total frontogenesis function (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) and θse (contours, units: K) during 30–31 July 2018. The red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively

“8.8”暴雨期間，對流層低層弱冷鋒鋒生是觸發巴州北部對流云團生成的主要因子（圖11），鋒生區（水平輻散項、水平形變項、傾斜項之和）位于336～345 K 的強θse的高能區中，7日20時（圖11a）600 hPa 哈密北部—天山南麓一線上空（42°～44°N，85°～92°E）等假相當位溫密集帶附近出現東北—西南走向的帶狀鋒生大值區，受天山大地形影響，鋒生帶斷裂為兩段，8日02時（圖11b），對流層中層冷鋒進一步鋒生，東段冷鋒大值區1.5×10?8K s?1m?1，哈密北部受東段冷鋒鋒生影響，測站出現小量降水，同時700 hPa（圖11c）哈密北部—巴州北部冷鋒鋒生帶斷裂為兩段，東段鋒生大值區為1.5×10?8K s?1m?1，受東段鋒生區影響，阿克蘇普鄉大西溝附近（41.25°N，87.5°E）對流觸發，中尺度云團生成，并沿500 hPa引導氣流向東北方向移動，8日08時700 hPa 哈密北部—巴州北部風場輻合增強，冷鋒鋒生明顯（圖11d），鋒生大值區迅速增至2.5×10?8K s?1m?1，對流層中低層鋒生區疊加，冷鋒鋒區向西北方向傾斜，鋒面附近垂直運動發展，對流云團發展旺盛，隨后造成哈密北部地區10～14時短時強降水天氣。

圖11 2016年“8.8”暴雨（a）7日20時600 hPa、（b）8日02時600 hPa、（c）8日02時700 hPa、（d）8日08時700 hPa 的總鋒生函數（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）和假相當位溫（等值線，單位：K），紅色三角形代表云團初生地，紅色實心矩形代表巴里坤鎮大直溝站Fig. 11 Total frontogenesis function (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) and θse (contours, units: K) at 600 hPa at (a) 2000 BJT 7 August, (b) 0200 BJT 8 August, at 700 hPa at (c) 0200 BJT 8 August, (d) 0800 BJT 8 August during “8.8” heavy rainstorm in 2016. The red triangle and red filled rectangle denote the origination area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town, respectively

沿圖5d 中紅色線段做總鋒生函數、經向風、溫度平流和風場剖面（圖12）發現，“7.31”暴雨降水前（7月30日14～20時（圖12a、b），對流層中層600 hPa 附近鋒生函數大值區伴有強暖平流，鋒面次級環流上升運動支在600 hPa 附近，在對流層低層700 hPa 暴雨區上空存在南北風對峙，700 hPa偏南風最大風速9 m s?1，750 hPa 以下為偏北氣流，700 hPa 暴雨區逐漸由冷平流轉為暖平流（圖12e、f），對流層低層暖鋒鋒生，范圍有所擴大，700～600 hPa 暴雨區處于鋒面次級環流上升支。31日02時（圖12c）對流層低層偏南風迅速增強，700 hPa偏南急流最大風速12 m s?1，同時對流層低層暖平流迅速增強至30×10?5K s?1（圖12g），暖氣團沿底層冷氣團爬坡，冷暖氣團交綏劇烈造成對流層低層暖鋒進一步鋒生，對流層中低層上升運動疊加，垂直經圈環流進一步增強，觸發對流不穩定能量釋放，利于中尺度對流云團發展。對流層低層偏南風輻合區對應鋒生函數正值中心所在高度，說明低空環流大氣水平運動和暖平流增強能夠增大大氣的斜壓性，對暖鋒維持和進一步鋒生具有重要作用。31日08時（圖12d）對流層低層暖鋒向東北爬坡過程中再次鋒生，哈密東部暖鋒鋒生函數中心達3.0×10?8K s?1m?1，對流層低層暖平流隨高度向東北方向傾斜，強度增強（圖12h），垂直上升運動傾斜發展，對流云團發展至成熟階段。

圖12 2018年“7.31”暴雨沿圖5d 紅色線段的（a?d）總鋒生函數（彩色陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）、經向風（等值線，單位：m s?1）剖面，（e?h）溫度平流（彩色陰影，單位：K s?1）和流場（流線，單位：m s?1）的垂直剖面，圖下方灰色陰影表示地形Fig. 12 Vertical cross-sections of (a?d) total frontogenesis function (color shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) and meridional wind (contours, units: m s?1), (e?h) temperature advection (color shadings, units: K s?1) and stream field (stream, units: m s?1) along the red line in Fig. 5d during the “7.31”heavy rainstorm in 2018. The grey shadings below the figure depict the terrain

沿圖6c 中紅色線段做總鋒生函數和經向風、溫度平流和風場剖面（圖13）發現，“8.8”暴雨前（7日14時），巴州北部的對流層低層—中層為弱西風氣流和弱冷平流（圖13a、e），對流層低層無明顯鋒生區，20時天山南麓附近對流層中層（600 hPa 附近）出現冷鋒鋒生區（圖13b），鋒生區附近有強冷平流與暖平流交匯（圖13f），并伴有上升運動，對流層低層天山南麓—巴州北部存在斷裂弱冷鋒鋒生區，同時對流層低層冷平流明顯增強，巴州北部為弱偏東氣流，在低層弱冷鋒影響下出現少量降水。8日02時對流層中低層鋒區逐漸向東北方向移動（圖13c），巴州北部對流層低層由偏東風轉為偏西氣流，巴州北部附近出現風速輻合區，并伴有?40×10?5K s?1的冷平流大值中心和1.0×10?8K s?1m?1的冷鋒鋒生大值區（圖13g），相應的上升運動范圍也有所增大，在低空700 hPa冷鋒鋒生和風場輻合作用下，對流云團在巴州北部初生。8日08時，對流層低層至中層冷鋒鋒生明顯（圖13d），鋒區自下向上向西傾斜并伴有強冷平流（圖13h），最大冷平流達?40×10?5K s?1，低層鋒生區逐漸向東北方向移至吐鄯托盆地—哈密北部，最大鋒生函數增至1.5×10?8K s?1m?1，鋒區附近垂直經圈環流增強使得對流云團進一步發展，隨后向東北方向移至哈密北部地區，造成短時強降水天氣。

圖13 同圖12，但為2016年“8.8”暴雨沿圖6c 中紅色線段的垂直剖面。紅、藍色三角形分別表示云團初生地、巴里坤鎮大直溝站Fig. 13 As in Fig. 12, but for vertical cross-sections along the red line in Fig. 6c in the “8.8” heavy rainstorm in 2016. The red and blue triangles represent the generation area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town, respectively

通過鋒生函數各項垂直剖面散度圖（圖14）可以發現，“7.31”暴雨對流云團發展初期（31日02時，圖14a）鋒生水平散度項大值區集中在750～700 hPa，水平散度項和由垂直運動發展引起的傾斜項大值中心分別為2.5×10?8K s?1m?1和2.0×10?8K s?1m?1（圖14a、e），水平形變項為1.5×10?8K s?1m?1（圖14c）。低空急流攜帶較低緯度暖濕氣流造成暴雨區低層暖平流迅速增強，同時偏南氣流風速輻合加強了水平暖鋒鋒生，暖空氣的傾斜上升導致垂直鋒生加強，增加了大氣層結不穩定性，從而進一步促進了中小尺度系統的發展。由水平散度項和傾斜項引起的鋒生激發了鋒面次級環流的發生，是對流云團初生的重要觸發因子。31日08時（圖14b、d、f），低空東南急流轉向，鋒面向東北方向推進至哈密東部，散度項引起的鋒生收縮至600 hPa 以下（圖14b），受風場形變引起的輻合、輻散影響，暖鋒前沿濕舌向東北方向伸展，鋒區附近θse維持較高梯度，形變項和傾斜項引起的鋒生分別增大至2.5×10?8K s?1m?1和3×10?8K s?1m?1（圖14d、1f），再次加強了鋒面次級環流，造成對流云團發展至最強階段。

圖14 2018年7月31日02時（左）和08時（右）沿圖5d 中紅色線段的鋒生函數（a、b）散度項、（c、d）形變項和（e、f）傾斜項（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）及（a?f）假相當位溫（等值線，單位：K）的垂直剖面Fig. 14 Vertical cross-sections of (a, b) the divergence term, (c, d) deformation term, (e, f) tilt term (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) for frontogenesis function, and (a?f) θse (contours, units: K) along the red line in Fig. 5d at 0200 BJT (left) and 0800 BJT (right) 31 July 2018

“8.8”暴雨過程對流云團發展初期（8日02時，圖15a）巴州北部鋒生水平散度項大值中心集中在850～600 hPa，大值中心為0.5×10?8K s?1m?1，而水平形變項和傾斜項作用比散度項小，為0.25×10?8K s?1m?1（圖15c、e），說明對流云團初生階段對流觸發主要是水平散度項決定。8日08時，吐鄯托盆地—哈密北部對流層中低層冷鋒鋒生，700 hPa 散度項引起的鋒生增至1.0×10?8K s?1m?1（圖15b），并向上伸展至500 hPa 以上，形變項引起的鋒生迅速增大至1.0×10?8K s?1m?1（圖15d），同時由于鋒區附近垂直運動發展，對流云團發展旺盛，使得傾斜項引起的鋒生迅速增至3×10?8K s?1m?1（圖15f）。以上分析說明“8.8”暴雨過程對流云團發展初始階段，對流層低層冷鋒鋒生主要由水平輻散項決定，低空西南氣流在巴州北部山前風速輻合導致水平冷鋒鋒生，產生鋒面次級環流，造成對流云團在巴州北部山前發展。水平散度項引起的對流層低層冷鋒鋒生激發了鋒面次級環流的發生，是對流云團初生的重要觸發因子；對流云團成熟階段，對流層低層冷鋒鋒生主要由傾斜項決定，對流云團沿低空切變線向東北方向移至吐鄯托盆地附近，低空風場輻合和風場的形變引起的輻合、輻散使得吐鄯托—哈密北部冷鋒鋒區附近θse維持在較高的梯度，同時風速輻合導致水平冷鋒鋒生，產生鋒面次級環流，暖空氣被迫抬升產生垂直鋒生，增強了大氣不穩定性，進一步促進了中尺度云團發展。

造成兩次強降水過程的中尺度對流云團生命時間長，發展旺盛，“7.31”暴雨過程對流云團在對流層低層暖鋒觸發下生成和發展，并依次移過暴雨區，“8.8”暴雨巴州北部對流云團在對流層低層冷鋒觸發下生成，在向東北方向移動過程中，對流層中低層冷鋒鋒生進一步加強了鋒面次級環流，對流運動發展旺盛。兩次強降水過程中尺度對流云團觸發因子不同，但中尺度對流系統維持和發展時間長，分析發現“7.31”暴雨和“8.8”暴雨期間，對流層低層700 hPa 東南急流的維持加強和低空切變線穩定維持是兩次強降水過程中尺度對流系統長時間持續的主要原因。

低空急流不僅為“7.31”暴雨哈密東南部地區輸送充沛的水汽，同時也為中尺度對流云團發生、發展提供不穩定環境場。31日02時（“7.31”暴雨初期，圖16a），700 hPa 低空東南急流前出現等θse大值區，哈密東南部最大偏東風風速達18 m s?1，低層暖舌沿急流伸入暴雨區，造成哈密東南部低層增暖增濕，不穩定能量在暴雨區積聚，利于暖鋒鋒生，鋒面次級環流的增強再次增大低層風速輻合，加劇水汽輻合抬升，利于對流系統發展。31日08時（圖16b）低空偏東急流轉為偏南氣流，暖舌沿急流向東北方向伸展，暖濕氣流進一步向哈密地區輸送，哈密探空站700 hPa 比濕達11 g kg?1，中β 尺度云團G（圖5e）附近出現等θse梯度大值區，低層暖平流加強造成暖鋒再次鋒生，對流云團發展至最強階段，造成哈密東南部地區出現極端短時強降水天氣。結合前文分析發現，低空急流攜帶暖濕氣團造成暴雨區低層增溫增濕，加大了暴雨區上空大氣層結不穩定性，同時低空急流前氣流風速輻合也加強了水平暖鋒鋒生，鋒面次級環流的增強，進一步促進了對流運動的發展。由此可見，低空急流在“7.31”暴雨過程中，一方面為暴雨區提供了有利于對流發展的不穩定環境場，另一方面，急流前的風速輻合加強了低層鋒生，為對流觸發提供了有利的動力條件，這與任麗等（2021）研究結果較為相似，低空急流前輻合抬升及次級環流上升氣流共同作用觸發對流發展。

圖16 2018年7月31日（a）02時、（b）08時，2016年8月8日（c）02時、（d）08時700 hPa 風場（箭頭，單位：m s?1）和假相當位溫（等值線，單位：K）分布。圖a 和b 中紅色、藍色圓點分別代表沁城鄉小堡站、淖柳公路站，紅色虛線矩形框區為哈密地區。圖c 和d中紅色、藍色圓點分別代表巴里坤鎮大直溝站和云團初生地Fig. 16 Wind (arrows, units: m s?1) and θse (contours, units: K) at 700 hPa at (a) 0200 BJT, (b) 0800 BJT 31 July 2018, (a) 0200 BJT, (b) 0800 BJT 8 August 2016. In Figs. a, b, the red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively, the red dashed rectangle denotes Hami area. In Figs. c, d, the red and blue dots denote the Dazhigou station in Balikun town and generation area of convective cloud,respectively

“8.8”暴雨降水初期（8日02時，圖16c），對流層低層吐鄯托盆地—哈密北部和巴州北部均存在低空切變線，切變線附近對應等假相當位溫密集帶，在西南氣流與淺山區地形輻合抬升下，低空水汽輻合聚集，巴州北部附近對流云團生成，并沿低空切變線向東北方向移動。8日08時（圖16d）低空切變線附近西北氣流明顯增強，吐鄯托盆地—哈密北部附近對流層低層至高層冷鋒鋒生，等假相當位溫梯度明顯增大，鋒面次級環流加強，充沛的水汽和不穩定能量聚集在鋒區附近，哈密探空站700 hPa 比濕由5 g kg?1增至8 g kg?1，對流云團發展并繼續向哈密北部移動，進而影響哈密北部地區。低空切變線的維持不僅加強了冷鋒鋒生，垂直運動發展，同時也將前期暴雨區附近水汽迅速匯集于切變線一線，使得中尺度云團在沿切變線東北移動過程中發展，造成哈密北部短時強降水。

“7.31”暴雨對流云團發展初期（31日02時，圖17a），哈密東南側地區高層輻散，低層強烈水平輻合，300 hPa 最大輻散和700 hPa 最大輻合中心分別為4×10?5s?1和?13×10?5s?1，暴雨區附近700 hPa 以上深厚氣旋性渦柱向東北傾斜并伸展至300 hPa（圖17c），700 hPa 和450 hPa 正渦度中心分別為14×10?5s?1和16×10?5s?1，渦度中心對應垂直運動大值區，深厚氣旋性渦柱和低層強水平輻合造成暖鋒鋒區表現為隨高度向東北方向伸展的一條正渦度柱，高低空急流耦合形成的次級環流加強了對流運動的發展，為暴雨的發生起重要的動力作 用。31日08時，300 hPa 輻 散 進 一 步 增 強 至8×10?5s?1（圖17b），700 hPa 輻合區向東北方向伸展，上升運動大值區逐漸移至哈密東部，渦度柱也由前期的傾斜結構轉為與地面垂直結構（圖17d），垂直運動由傾斜上升轉為垂直上升。高空抽吸和強低層輻合，利于鋒面次級環流的維持和發展，低空急流的迅速增強是對流發展旺盛的增強機制，這與季風區相關研究結論較為一致（劉鴻波等, 2014; 侯淑梅等, 2017; 張芹等, 2018）。

圖17 2018年7月31日（a）02時和（b）08時300 hPa（等值線，單位：10?5 s?1）和700 hPa（彩色陰影＜?3×10?5 s?1）散度場，紅色虛線矩形框區為哈密地區，紅色、藍色圓點分別代表沁城鄉小堡站、淖柳公路站。2018年7月31日（c）02時和（d）08時沿圖5d 中紅色線段的渦度（彩色陰影，單位：10?5 s?1）和垂直速度（等值線，單位：Pa s?1）垂直剖面，灰色陰影代表地形Fig. 17 300-hPa (contours, units: 10?5 s?1) and 700-hPa (color shadings＜?3×10?5 s?1) divergence at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 31 July 2018.The red dashed rectangle denotes Hami area. The red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively.Vertical cross-sections of vorticity (color shadings, units: 10?5 s?1) and vertical velocity (contours, units: Pa s?1) along the red line in Fig. 5d at (c) 0200 BJT and (d) 0800 BJT 31 July 2018. The grey shadings represent the topography

“8.8”暴雨過程中尺度云團發展初期（8日02時，圖18a），巴州北部300 hPa 最大輻散中心4×10?5s?1，配合低層700 hPa 強輻合區（最大輻合中心?7×10?5s?1），在低層強烈水平風和地形輻合作用下，垂直運動發展，同時暴雨區附近700～600 hPa 氣 旋 性 渦 柱 向 西 傾 斜（圖18c），700 hPa 正渦度中心為8×10?5s?1，對流層低層弱冷鋒觸發下，巴州北部上升運動發展，最大上升運動為?0.9 Pa s?1，渦度中心對應垂直運動大值區；8日08時（圖18b）對流層高層300 hPa 輻散進一步增強，最大輻散中心增強至12×10?5s?1，且范圍明顯增大，同時700 hPa 吐鄯托盆地—哈密北部均處于輻合區，最大輻合中心為?15×10?5s?1，對應吐鄯托盆地—哈密北部出現近乎與地面垂直的渦度柱（圖18d），最大渦度中心達24×10?5s?1，強烈的高空抽吸和低層輻合加強了冷鋒鋒面次級環流，使垂直運動迅速發展，對流運動發展至最強，對流云團在吐鄯托盆地發展旺盛，隨后進入哈密北部造成短時強降水天氣。

圖18 2016年8月8日（a）02時、（b）08時300 hPa（等值線，單位：10?5 s?1）和700 hPa（彩色陰影＜?3×10?5 s?1）散度場。2016年8月8日（c）02時、（d）08時沿圖6c 中紅色線段的渦度（彩色陰影，單位：10?5 s?1）和垂直速度（等值線，單位：Pa s?1）垂直剖面，紅色、藍色三角形分別代表云團出生地、巴里坤站Fig. 18 300-hPa (contours, units: 10?5 s?1) and 700-hPa (color shadings＜?3×10?5 s?1) divergence at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 8 August 2016.Vertical cross-sections of vorticity (color shadings, units: 10?5 s?1) and vertical velocity (contours, units: Pa s?1) along the red line in Fig. 6c at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 8 August 2016. The red and blue triangles denote the generation area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town,respectively

5 結論與展望

通過對“7.31”暴雨和“8.8”暴雨兩次哈密暴雨天氣過程中尺度對流系統演變和觸發機制進行分析，結合對強降水期間大氣的不穩定性及鋒面鋒生函數的討論，給出了兩次強降水過程對流觸發機制的異同點，得出以下結論：

（1）“7.31”暴雨期間，500 hPa 西太副高位置異常偏北（圖19），哈密東南部由西太副高外圍偏南氣流控制，700 hPa 副高南側偏東急流穩定維持，暖舌沿急流向西北伸展，低層增暖增濕，造成暴雨區上空形成不穩定大氣層結。“8.8”暴雨期間，500 hPa 西太副高位置異常偏西，中緯度低槽前西南氣流和西太副高外圍西南氣流匯集于哈密北部，700 hPa 巴州北部—哈密北部風切變線長時間維持，為暴雨的產生和中尺度云團發展提供了有利的動力條件。

圖19 2018年“7.31”暴雨（左）和2016年“8.8”暴雨（右）概念模型。字母L、D 表示地面高壓和低壓系統Fig. 19 Conceptual models of the “7.31” heavy rainstorm in 2018 (left) and the “8.8” heavy rainstorm in 2016 (right). Letters L, D represent surface high pressure and low pressure systems

（2）兩次暴雨天氣均與長生命史的中尺度對流云團密切相關（圖19）。對流層低層暴雨區暖鋒鋒生是“7.31”暴雨過程中尺度對流云團的主要觸發因子，鋒面次級環流上升運動與對流運動發生、發展密切相關，高空西南急流和低空東南急流的維持加強利于鋒面次級環流發展，配合地形輻合抬升，是造成中尺度對流系統長時間維持的主要原因。

“8.8”暴雨期間對流云團為對流層低層弱冷鋒觸發，低空切變線長時間維持和加強利于低層冷鋒進一步鋒生，是造成中尺度對流系統長時間持續的主要原因。

（3）“7.31”暴雨降水初期中尺度云團對流觸發主要是由鋒生水平散度項和傾斜項決定，低層暖平流增強和偏南氣流風速輻合，導致水平暖鋒鋒生并產生鋒面次級環流，暖空氣傾斜上升產生垂直鋒生，進一步增強了大氣不穩定性，促進中小尺度對流系統發展。對流云團成熟階段，變形項和傾斜項引起的鋒生再次加強了鋒面次級環流，使得對流云團得以發展。“8.8”暴雨對流云團發展初始階段，對流層低層冷鋒鋒生主要由水平輻散項決定，低空西南氣流在巴州北部山前風速輻合導致水平冷鋒鋒生，產生鋒面次級環流，造成對流云團在巴州北部山前發展。對流云團成熟階段對流層低層冷鋒鋒生主要由傾斜項決定，對流云團沿低空切變線向東北方向移動，低空風場輻合導致水平冷鋒鋒生，產生鋒面次級環流，暖空氣被迫抬升產生垂直鋒生，增強了大氣不穩定性，進一步促進了中尺度云團發展。

隨著全球變暖和水循環加快，近年來東天山哈密地區暴雨頻發，作為國家“絲綢之路經濟帶”重要節點城市，東天山哈密地區暴雨天氣逐漸引起各方關注，且季風區與干旱、半干旱地區氣候背景、地形條件各不相同，造成短時強降水的中尺度系統發生、發展機理差異較大。針對我國東部季風區極端暴雨和強對流天氣事件的機理研究開展了一系列工作，為季風區強對流天氣預報預警服務提供了理論支撐和技術保障，而針對干旱、半干旱的新疆地區，尤其是地表植被稀疏，對暴雨抵抗能力弱的東天山地區開展的強對流天氣相關研究匱乏，本文通過計算暴雨期間鋒生函數，結合中尺度對流系統活動特征分析，找出了兩次暴雨過程中尺度對流系統觸發因子差異，但研究工作僅針對了兩次天氣過程，研究樣本量少，使用的再分析資料為NCEP/NCAR的FNL 再分析數據分辨率較低，因而今后將針對干旱、半干旱區暴雨事件，加大研究樣本，利用ECMWF 發布的第一代全球ERA-Interim（0.125°×0.125°）再分析資料開展對比研究，同時，應用WRF 數值模式、多源氣象探測數據深入探討干旱區中尺度對流觸發機理研究工作，增強對干旱、半干旱區暴雨形成的認識，從而為提高東天山哈密地區降水預報預警工作提供一定的參考依據。