南疆西部干旱區兩次極端暴雨過程對比分析

胡素琴 希熱娜依·鐵里瓦爾地 李娜 冉令坤 常友治

1 喀什地區氣象局, 新疆喀什 844000

2 中國科學院大氣物理研究所, 北京 100029

3 南京信息工程大學, 南京 210044

1 引言

南疆西部地處我國最西端，因遠離海洋，水汽很難到達，導致氣候干燥、降水稀少，平原年平均降水量在50～70 mm（張家寶和鄧子風, 1987），屬于典型干旱地區。由于三面環山和沙漠—綠洲并間的特殊地形，春夏季傍晚前后局地對流性突發暴雨頻發，暴雨累計雨量往往能超過當地年平均降水量。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，給工農業生產、人民生命財產等造成重大損失（林建和楊貴名, 2014）。由于突發性強、尺度小、生命史短，加之地形復雜、觀測站點稀少等原因，如何準確監測預報干旱區極端暴雨落區和強度一直是業務工作中的一個重點和難點。

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（楊康權等, 2013; 胡鈺玲等, 2015; 牛淑貞等, 2016; 常煜等,2016; 符 嬌 蘭 等, 2017; 張 桂 蓮 等, 2018; 胡 皓 等,2018; 孔祥偉等, 2021; 田付友等, 2021），對新疆暴雨、短時強降水也有深入的分析（張家寶, 1986; 張云惠等, 2020; 楊蓮梅等, 2020），取得了諸多有價值的成果。研究發現，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（江遠安等,2001; 張云惠等, 2013; 李如琦等, 2016），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（黃艷等, 2012; 張云惠等, 2015; 曾勇和楊蓮梅, 2018; 楊霞等, 2020）。但這些研究多是針對南疆暴雨（24 h 雨量＞24.1 mm），對極端性降水的研究有限，南疆極端暴雨發生的天氣背景、水汽來源，以及季節性差異等還未進行過深入研究。全球氣候變暖背景下，南疆西部極端降水明顯增加，其影響和造成的災害損失不斷擴大，加強對干旱區突發性暴雨發生發展機理的研究十分重要。

2020 年4 月17～24 日（簡稱“4.17”過程）和2021 年6 月15～17 日（簡稱“6.15”過程），南疆西部分別出現極端暴雨過程，兩次過程發生的季節和極端降水出現位置存在明顯差異，前者發生在春季，極端降水出現在南疆西部喇叭口地形區，而后者發生在夏季，極端降水出現在昆侖山沿線。本文利用常規氣象觀測資料、美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）再分析資料、歐洲中期天氣預報中心（ European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）ERA5 分析場數據，對兩次極端暴雨過程的環境條件、形成機理等進行對比分析，找出南疆西部不同季節極端暴雨大尺度環流背景、影響系統、水汽來源的異同點，進一步加深對南疆西部極端暴雨事件形成和發展機理的認識，以期提高業務短臨預報能力。

2 暴雨過程概況及暴雨極端性特征對比

“4.17”過程中喀什地區有2 個國家站、44 個區域站累計降水量超過24.1 mm，7 個站超過48 mm。最大累計降水量為67.3 mm，出現在葉城縣臺斯村（圖1a）；日最大雨量為48.3 mm，出現在22 日澤普縣庫臺村。疏附縣蘭桿鄉、澤普縣庫臺村兩站最大小時雨強分別達31.2 mm h-1、29.5 mm h-1（圖1c）。暴雨過程強降水時段在17 日、19 日、21 日、22 日午后至夜間，其中17、21 日強降水主要集中在偏南的澤普和葉城淺山一帶，19、22 日主要集中在偏北的喀什市和疏附縣淺山一帶。此次暴雨過程具有明顯的極端性特征，2020 年4 月喀什國家基準站月降水量62.7 mm，居歷史第一位；澤普月降水量33.5 mm，居歷史第三位。21、22 日喀什平原北部和東部出現冰雹，據歷年冰雹統計，4 月喀什平原極少出現冰雹，此次冰雹出現時間較歷年明顯偏早。

“6.15”過程中國家站共有5 站、區域站共有100 站累計雨量超過24.1 mm，10 站超過48 mm。最大累計雨量為67.6 mm，出現在疏附縣烏帕爾鄉7 村（圖1b），其中15 日17 時（協調世界時，下同）最大小時雨強29.4 mm h-1（圖1d），日最大雨量為54.3 mm，突破此站建站以來的極值。此次過程也具有極端性特征，2021 年6 月喀什市、葉城月降水量分別為33.5 mm、44.8 mm，均居歷史第一位。莎車、英吉沙、葉城最大日降水量分別為37.2 mm、28.2 mm、33.9 mm，均破6 月歷史極值。澤普、伽師、喀什國家基準站最大日降水量均居6 月歷史第二位，英吉沙、葉城居夏季歷史第二位，莎車居夏季歷史第三位。

圖1 （a）2020 年4 月17 日00 時（協調世界時，下同）至24 日00 時暴雨過程累計降水量（單位：mm），（b）2021 年6 月15 日00 時至17 日00 時暴雨過程累計降水量（單位：mm）及其（c、d）暴雨中心逐小時降水量（單位：mm）Fig. 1 Accumulated precipitation (units: mm) (a) from 0000 UTC 17 April to 0000 UTC 24 April 2020, (b) from 0000 UTC 15 June to 0000 UTC 17 June 2021, (c, d) hourly precipitation (units: mm) at rainstorm centers

兩次暴雨過程都具有降水持續時間長、范圍廣、短時強降水的局地性強、小時雨強大等特點，且具有極端性特征；強降水發生在午后至夜間，最大暴雨中心都在疏附縣。不同之處在于，“4.17”過程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。“6.15”過程暴雨站次更多、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。

3 暴雨環境條件對比

3.1 大尺度環流背景與影響系統

兩次極端降水發生的天氣背景如圖2 所示。“4.17”過程發生在南亞高壓東部型背景下。2020年4 月17 日，200 hPa 南亞高壓偏南（圖2a），高空西風急流位于15°～30°N，中高緯度地區為“兩渦一脊”的形勢，中亞位于低緯兩支高空急流之間的弱槽脊區，等高線相對稀疏，易有短波槽活動（圖2a 紅色虛線框內），南疆上空存在小范圍高風速中心，盛行西南氣流，為該地區降水的發生提供了一定有利的高空輻散條件。300 hPa 新疆地區 附 近 的 低 槽 更 明 顯（圖2c），40°～50°N 及30°～35°N 分別存在兩個短波槽。將相對濕度≥80%的地區視為有云系活動的地區，南疆上空存在高空云系活動，位于兩短波槽槽前。兩槽錯位分布，南部低槽（30°～35°N，圖2c 中黑色加粗短槽線）的槽前西南氣流與北部低槽（40°～50°N，圖2c中黑色加粗長槽線）的槽后西北氣流相遇，冷暖空氣對峙誘發高層不穩定和干冷侵入。500 hPa 形勢與高空類似（圖2e），高緯是“兩渦一脊”形勢，低緯30°N 以南氣流相對平直，中亞一帶短波槽活動特征顯著，但相比于300 hPa，500 hPa 氣流在南疆上空受青藏高原地形影響出現背風槽脊（圖2e中東西走向的槽線和脊線）。對流層低層，800 hPa新疆塔里木盆地存在東風急流，昆侖山北坡一帶是低壓帶，東風急流與地形之間的輻合特征顯著。可見，在高層南亞高壓和“兩渦一脊”的穩定形勢下，中層短波槽的頻發活動，配合低層的急流和地形作用，是“4.17”過程降水的主要天氣背景。

“6.15”過程發生在南亞高壓雙體型背景下，為南疆暴雨典型的大尺度環流形勢。200 hPa（圖2b）南亞高壓中心位于30°N 附近，較“4.17”過程明顯偏北。兩個高壓中心之間為低槽，南疆位于低槽前部，副熱帶西風急流入口區，具備有利的高空輻散條件。300 hPa（圖2d）新疆上空同樣存在兩個低槽，其中北部低槽（40°N 附近）是一條東西走向的橫槽，南部低槽對應200 hPa 兩南亞高壓中心之間的低槽，南疆位于橫槽底部，低緯度低槽的槽前西南氣流中，存在高空云系活動。對應高空的兩個低槽，500 hPa（圖2f）南疆上空是低壓帶，564 dagpm 等高線雖然沒有閉合，但在南疆上空存在明顯波動，西北和東南向各存在一個低渦中心，其中北渦的西北干冷氣流與南渦的偏東暖濕氣流在昆侖山北坡相遇，為極端降水提供了中層的不穩定形勢。對流層低層800 hPa，“6.15”過程與“4.17”過程類似，昆侖山北坡是低壓帶，塔里木盆地有偏東急流將低層水汽輸送至南疆西部，與地形相遇形成低層有利的輻合形勢。

圖2 2020 年4 月17 日12 時（左）、2021 年6 月15 日12 時（右）（a、b）200 hPa 位勢高度（等值線，單位：dagpm）、風速（陰影，單位：m s-1），（c、d）300 hPa 位勢高度（等值線，單位：dagpm）、相對濕度（陰影）、風矢量（箭頭，單位：m s-1），（e、f）500 hPa位勢高度（等值線，單位：dagpm）、相對濕度（陰影）、風矢量（箭頭，單位：m s-1），（g、h）800 hPa 位勢高度（等值線，單位：dagpm）、風速（陰影，單位：m s-1）Fig. 2 (a , b) Geopotential height (isolines, units: dagpm) and wind speed (shadings, units: m s-1) at 200 hPa, (c, d) geopotential height (isolines,units: dagpm), relative humidity (shadings), wind vector (arrows, units: m s-1) at 300 hPa, (e, f) geopotential height (isolines, units: dagpm), relative humidity (shadings), wind vector (arrows, units: m s-1) at 500 hPa, and (g, h) geopotential height (isolines, units: dagpm), wind speed (shadings, units:m s-1) at 800 hPa at 1200 UTC 17 April 2020 (left) and at 1200 UTC 15 June 2021 (right)

綜上所述，兩次暴雨發生期間雖然南亞高壓和高空槽脊形勢不同，但均存在中層中尺度的槽（渦）活動，配合低空急流和地形輻合，形成極端降水。

3.2 水汽條件

水汽對南疆干旱區的暴雨產生具有非常重要的作用。圖3a、b 為兩次過程地面至500 hPa 水汽通量和水汽通量散度垂直積分。水汽輸送形勢表明，新疆及附近地區整體處于水汽通量的低值區。對比來看，兩次暴雨過程的主要水汽輸送通道均是先進入北疆，水汽通量反氣旋性旋轉經塔里木盆地輸送至南疆西部。除此之外，另一條比較顯著的水汽輸送來自青藏高原的背風槽氣流（圖3a、b 中35°N附近的紅色彎曲箭頭）。值得注意的是，兩條水汽通道均存在“接力”輸送特征，自北疆進入的水汽通量在40°N 附近存在一個弱輻合區（“S1”區和“T1”區），而自青藏高原進入的水汽通量在背風波處也存在輻合（“S2”區和“T2”區），之后由東風氣流輸送至暴雨區，南疆西部存在顯著水汽通量輻合。在有利的水汽輸送條件下，兩次極端降水過程均遠超氣候平均的大氣可降水量（圖3c、d），“4.17”過程達到17～22 mm，而南疆西部春季平均值為6～10 mm，“6.15”過程甚至超過了25 mm。有利的水汽輸送條件是極端降水產生的重要原因。

圖3 （a、c）2020 年4 月17 日18 時、（b、d）2021 年6 月15 日18 時地面至500 hPa（a、b）水汽通量的垂直積分（黑色流線，單位：10-3 g cm-1 s-1）、水汽通量散度的垂直積分（陰影，單位：10-11 g cm-2 s-1），（c、d）大氣可降水量（單位：mm）。紅色箭頭表示水汽輸送方向Fig. 3 (a, b) Vertical integral of water vapor flux (black flow lines, units: 10-3 g cm-1 s-1) and its divergence (shadings, units: 10-11 g cm-2 s-1) from surface to 500 hPa, (c, d) atmospheric precipitable water (units: mm) at (a, c) 1800 UTC 17 April 2020 and (b, d) 1800 UTC 15 June 2021. The red arrows represent the water vapor transport direction

3.3 不穩定條件

圖4 為兩次過程中假相當位溫θse沿39°N 的垂直剖面，可初步對比兩次過程中的大氣熱力不穩定形勢。兩次過程在暴雨區的對流層低層均存在θse高值中心，且位置相當，均位于盆地與高地形交接的區域及高地形迎風坡位置。“4.17”過程中2020 年4 月17 日12 時（協調世界時，下同），θse在喀什（75°E）近地面層達到最大，為324 K，高值中心向上θse隨高度減小，為對流不穩定區。“6.15”過程中2021 年6 月16 日06 時，喀什近地面θse達到332 K，明顯高于“4.17”過程，相應地，具有更多不穩定能量積累，能夠產生更強垂直運動。兩次極端暴雨過程中喀什站的層結條件如表1 所示。“4.17”過程中，2020 年4 月17 日00時850～300 hPa 表現為“高層濕冷、低層干暖”特征，大氣層結較為穩定（圖略）。強降水發生前12 時，低層850～700 hPa 濕度有所加大，高層濕度明顯減小，大氣轉為弱的不穩定層結。K指數由00 時的25°C 增大到28°C、S? 指數由1.46°C 降到0.7°C、L? 指數由0.77°C 降至-0.6°C、對流有效位能CAPE由0 J kg-1增到37.3 J kg-1。Wsr0～6km（0～6 km 的垂直風切變）由21.1 m s-1增強為22.6 m s-1，強垂直風切變為強對流發生提供動力條件（表1）。“6.15”過程中2021 年6 月15 日00 時，850～600 hPa 溫、濕廓線呈倒喇叭口狀，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（圖略）。20 時隨著降水出現，850 hPa 溫度露點差由08 時14°C 轉 為4°C，濕 度 加 大、濕 層 加 厚 至250 hPa，200 hPa 以上溫度露點差＞20°C，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。6 月16 日00 時K指數由15 日12 時的32.8°C 增大到33.7°C、S? 指數由1.49°C 降到0.94°C、L? 指數由1.07°C 降至0.13°C、CAPE 由18 J kg-1增加到57.2 J kg-1，對流抑制能量C?N 由56 J kg-1減小為21.8 J kg-1。以上幾種對流參數的變化加劇了熱力不穩定，Wsr0～6km由4.4 m s-1增強為11.9 m s-1，使對流發生、發展的動力不穩定條件增長。

圖4 （a）2020 年4 月17 日12 時、（b）2021 年6 月16 日06 時沿39°N 假相當位溫θse 的垂直剖面（單位：K）。黑色三角形表示暴雨中心Fig. 4 Vertical sections (units: K) of pseudo-equivalent temperature θse along 39°N at (a) 1200 UTC 17 April 2020 and (b) 0600 UTC 16 June 2021.The black triangles represent the rainstorm centers

表1 兩次過程短時強降水喀什站探空對流參數Table 1 The sounding convective parameters at Kashi station at different times of two short-time torrential rain processes

4 基于二階濕位渦的診斷分析與暴雨機制討論

水汽、不穩定和抬升是暴雨形成的三個基本條件。高溫高濕的不穩定區在大尺度上升運動作用下，不穩定能量釋放，激發強烈上升運動，積云發展，從而產生暴雨，這也是暴雨形成的一般機制。動熱力條件配置不同，水汽集中、不穩定能量累積、觸發、上升運動維持的機制不同，造成不同降水系統落區和強度呈現明顯差異。上升運動的產生和發展與大氣非均勻性密切相關，包括動力非均勻性，如輻合、垂直切變、水平旋轉等，及熱力非均勻性，如冷暖氣團交匯造成的大氣斜壓性、垂直不穩定等，這些非均勻性表現為風速和溫度的水平和垂直梯度。降水系統的差異首先表現為大氣各種非均勻特征的差異，進而造成降水機制的差異，可見，識別降水大氣的非均勻特征對揭示降水發生發展機制十分必要。

考慮降水大氣的梯度，Li et al.（2016）在廣義濕位渦基礎上提出了二階濕位渦（S），定義為

廣義位渦是在非均勻飽和濕大氣動力框架下通過廣義位溫代替位渦中的位溫而提出，將廣義位渦進行分解，寫為如下形式：

可見，廣義位渦綜合包含了大氣中的垂直風切變、濕斜壓性、垂直渦度和對流穩定度等動熱力信息，

而二階濕位渦通過廣義位渦梯度不僅包含了這些動熱力信息本身，還包含了它們的梯度，既體現了大氣的一階不連續性還包含了物理信息的二階梯度。二階梯度（即梯度本身的非均勻性）也是二階濕位渦區別于其他物理診斷參數（如廣義濕位渦、Q矢量等）的典型特點。通過垂直運動方程與擾動氣壓診斷方程可發現，大氣動熱力要素的二階梯度與垂直運動的發展存在物理聯系，如浮力的垂直梯度是造成氣壓擾動的因素之一，而浮力垂直梯度的非均勻性（即二階梯度）造成擾動氣壓在垂直方向的非均勻分布，從而通過擾動氣壓垂直梯度影響垂直運動發展。基于二階濕位渦的這些特點，采用二階濕位渦對兩次南疆西部暴雨過程的關鍵動熱力信息進行識別和診斷，在此基礎上，對比分析兩次過程的形成機制。

圖5 是“4.17”過程中2020 年4 月17～18 日及“6.15”過程中2021 年6 月15～16 日二階濕位渦分布及對應3 h 累積降水。昆侖山北坡和天山南坡以及二者交接的喇叭口區是南疆西部MCS（中尺度對流系統）及暴雨的多發區（圖5a 的紅色框區域）。根據圖5，“4.17”過程與“6.15”過程降水均在昆侖山北坡處開始，雨區沿地形呈西北—東南走向不規則帶狀分布。“4.17”過程在昆侖山沿線降水較弱，3 h 累積降水在3 mm 以下，且4月17 日18 時之后降水基本結束，主要雨區維持在喀什喇叭口地形區（圖5b），3 h 累積降水在10～20 mm。之后，雨區逐漸向天山南坡發展，2020年4 月18 日00 時（圖5d），出現兩個強降水中心，分別沿天山和昆侖山走向分布。4 月18 日03 時，降水減弱，雨區轉為沿天山分布的東北—西南走向的帶狀結構。“6.15”過程的主要降水發生在昆侖山沿線，2021 年6 月15 日15 時（圖5g），和田附近（37°N，80°E）強降水達40 mm (3 h)-1以上，且持續時間長，極端性顯著。6 月16 日06 時，降水區沿昆侖山向西北擴展，東部雨帶減弱，喀什喇叭口地區降水增強（圖5i），喀什喇叭口地區出現強降水中心，3 h 累積降水10～20 mm，之后，昆侖山沿線降水基本結束，喇叭口地形區降水也逐漸減弱。

圖5 （a–e）“4.17”過程、（f–j）“6.15”過程二階濕位渦的水平分布（等值線，單位：10-9 K m4 s-2 kg-2）及對應的3 h 累積降水量（陰影，單位：mm）Fig. 5 Horizontal distributions of second-order moist potential vorticity (isolines, units: 10-9 K m4 s-2 kg-2) and 3-h accumulated precipitation(shadings, units: mm) during (a–e) “4.17” process (extreme rainstorm occurred on 17–24 April 2020) and (f–j) “6.15” process (extreme rainstorm occurred on 15–27 June 2021)

圖5 （續）Fig. 5 (Continued)

對應上述降水區的發展演變，二階濕位渦表現出顯著異常。“4.17”過程中，二階濕位渦異常高值區沿昆侖山呈帶狀結構，配合喇叭口地區的強降水中心（圖5a），二階濕位渦也表現出沿天山和昆侖山的兩個高值中心（圖5d），當降水區主要沿天山分布時，二階濕位渦沿天山的高值中心隨之增強（圖5e）。“6.15”過程中，昆侖山沿線的強降水也具有帶狀的二階濕位渦異常結構（圖5f、g），并逐漸向喀什喇叭口地形區擴展（圖5h、i），與降水的發展演變呈現出較高一致性。

如上所述，二階濕位渦能夠反映降水大氣動熱力學特點，尤其是大氣的一階及二階非均勻特點。圖5 中二階濕位渦與降水區良好的相關性表明其反映了造成極端降水的關鍵動熱力信息。Li et al.（2016）將二階濕位渦（S）進行了分解和量級分析：

其中，

可以發現暴雨過程中，決定二階濕位渦在降水區中顯著異常的關鍵物理因子來自對流層中低層的絕對渦度（ ζ +f）和對流穩定度（? θ*/?p）及它們的垂直梯度。圖6、7 分別給出了昆侖山沿線降水及喀什喇叭口地區降水的二階濕位渦及其主分量的垂直剖面。這里主要關注500 hPa 以下（圖6、7 藍色框）對流層中低層的動熱力信息，這一層次對降水的發生發展有直接作用。

昆侖山沿線降水發生時（圖6a、b），“6.15”過程降水達50 mm (3 h)-1，而“4.17”過程降水僅為3 mm (3 h)-1。圖6a、b 藍色框標注的降水大氣關鍵區中，“4.17”過程二階濕位渦自下而上為“- + -”的分布形態，高值區位于邊界層之上700～500 hPa 之間，而700 hPa 以下的邊界層內二階濕位渦較弱；“6.15”過程二階濕位渦負中心疊加于正中心之上，高值區覆蓋邊界層，位于800～600 hPa 之間，高度較“4.17”過程明顯偏低。對比圖6a、b 和圖6c–f 中的高值區分布，可以得到與Li et al.（2016）基本一致的結果，即方程（3）中所體現的大氣動熱力信息基本決定了降水大氣關鍵區域（圖6 的藍色框）的二階濕位渦分布。“4.17”過程中，絕對渦度與對流穩定度垂直梯度的耦合S1，更為突出（圖6c、e）；“6.15”過程中，除了S1，絕對渦度的垂直梯度與對流穩定度的耦合S2，也表現出較大貢獻（圖6d、f）。當降水區移至喀什喇叭口區時（圖7a、b），兩次過程中降水區上空的關鍵區中，二階濕位渦自下而上均有“+ - + -”的分布形態，但“4.17”過程的二階濕位渦明顯強于“6.15”過程。另外，兩次過程中二階濕位渦的主要因子與昆侖山沿線降水基本類似。下面以二階濕位渦中的主分量信息為出發點，對南疆西部的兩次極端暴雨過程形成機制作進一步討論。

圖6 2020 年4 月17 日15 時（左）沿著78.5°E（圖5a 中的虛線）、2021 年6 月15 日15 時（右）沿著80°E（圖5g 中的虛線）（a、b）二階濕位渦（單位：10-9 K m4 s-2 kg-2）及其主分量（c、d）S1 和（e、f）S2（單位：10-13 K m4 s-2 kg-2）的垂直剖面。矩形框表示本文所關注的暴雨區，右側縱坐標為3 h 累計降水量，下同Fig. 6 Vertical cross sections of (a, b) second-order moist potential vorticity (isolines, units: 10-9 K m4 s-2 kg-2) and its principal components (c, d) S1 and (e, f) S2 (units: 10-13 K m4 s-2 kg-2) along 78.5°E (dashed line in Fig. 5a) at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and along 80°E (dashed line in Fig. 5g)at 1500 UTC 16 June 2021 (right). The rectangles represent rainstorm area, the y-axis represent 3-h accumulated precipitation, the same below

圖7 2020 年4 月17 日21 時（左）沿著76.5°E（圖5c 中的虛線）、2021 年6 月16 日06 時（右）沿著39.5°N（圖5i 中的虛線）（a、b）二階濕位渦（單位：10-9 K m4 s-2 kg-2）及其主分量（c、d）S1 和（e、f）S2 的垂直剖面（單位：10-13 K m4 s-2 kg-2）Fig. 7 Vertical cross sections of (a, b) second-order moist potential vorticity (isoline, units: 10-9 K m4 s-2 kg-2) and its principal components (c, d) S1 and (e, f) S2 (units: 10-13 K m4 s-2 kg-2) along 76.5°E (dashed line in Fig. 5c) at 2100 UTC 17 April 2020 (left) and along 39.5°N (dashed line in Fig.5i) at 0600 UTC 16 June 2021 (right)

4.1 昆侖山沿線降水

兩次過程昆侖山沿線降水垂直渦度及相應環流結構如圖8 所示，該地區也是“6.15”過程的主要降水區，“4.17”過程可作為參考，以發現有利于昆侖山沿線降水的關鍵信號。如圖8a、b 所示，500 hPa 以下，兩次暴雨過程迎風坡均存在垂直渦度柱，強度相當。“4.17”過程在800 hPa 以下邊界層及700～500 hPa 之間存在兩個渦度中心（圖8a），從兩個渦度中心激發出兩支比較強的上升運動，下層渦度柱為垂直上升流，中層渦度柱在高層西風作用下為傾斜上升流。“6.15”過程降水區上空僅在700 hPa 以下昆侖山山腳下存在一個渦度柱（圖8b），自渦度柱中激發的垂直運動上下貫通，首先沿著地形爬升，后垂直上升，并在500 hPa 以上的對流層中高層發生翻轉，隨副熱帶西風氣流傾斜上升，500 hPa 附近的氣流翻轉位置對應一個負絕對渦度區。圖9a、b 給出了800 hPa 垂直渦度與風速的水平分布。800 hPa 對應昆侖山沿線降水區附近，兩次過程均存在明顯的正渦度帶，正渦度帶的形成與塔里木盆地中的低空偏東急流（圖9c、d）及低值系統（圖9e、f）有關。塔里木盆地靠近昆侖山北坡處，兩次過程中800 hPa 高度均存在一個低值中心（圖9e、f），造成塔里木盆地等高線密集，強氣壓梯度力使得灌入盆地的偏東氣流加速，并在盆地西部發生氣旋性旋轉，使塔里木盆地偏東急流與昆侖山北坡地形相遇，形成強烈輻合。可見，昆侖山沿線降水發生時，兩次過程在對流層低層基本環流結構相似，但絕對渦度細致結構卻有明顯差異。

“4.17”過程強渦度帶位于降水區略偏北側（圖9a），雖然強渦度帶激發了上升流，但氣流垂直上升后隨中高層氣流向高緯度地區偏轉，而未經過降水區（圖8a），可見，低層氣流未對“4.17”過程中的昆侖山沿線降水起明顯促進作用，可能原因是700 hPa 高度上沿昆侖山出現一股下坡氣流（圖8a），在低層輻散，越過降水區，與東北急流相遇（圖9c 的紅色弧線）。地面輻散出流與低空急流的輻合是促使降水系統發展和增強的有利形勢，然而，在該地區輻散出流在一定程度上阻止了低空急流與陡峭地形相遇造成的強烈抬升。“4.17”過程昆侖山沿線降水主要是中層渦度柱內的傾斜上升流造成。如圖10a 所示，中層650 hPa 高度上，塔里木盆地存在一個高壓中心，整個地區基本為反氣旋性環流控制，而昆侖山北坡附近仍然是一條氣壓低值帶，促使高壓南側的偏東氣流在38°N 附近輻散，向南的輻散流與地形相遇，形成一條沿著地形分布的高渦度帶（圖10c），對應中層高比濕區（圖10e）。因高度較高，水汽不需要強烈抬升即可凝結致雨，但產生的降水也相對較小。

圖8 2020 年4 月17 日15 時（左）沿著78.5°E、2021 年6 月15 日15 時（右）沿著80°E（a、b）絕對垂直渦度（單位：10-4 s-1）、（c、d）廣義位溫（單位：K）、（e、f）廣義位溫垂直梯度（單位：10-3 K m-1）、（g、h）相對濕度及（i、j）比濕（單位：g kg-1）的垂直剖面。黑色箭頭為剖面上的風矢量（單位：m s-1）Fig. 8 Vertical cross sections of (a, b) absolute vertical vorticity (units: 10-4 s-1), (c, d) generalized potential temperature (units: K), (e, f) vertical gradient of generalized potential temperature (units: 10-3 K m-1), (g, h) relative humidity, and (i, j) specific humidity (units: g kg-1) along 78.5°E at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and along 80°E at 1500 UTC 15 June 2021 (right). The black arrows represent wind vectors on cross sections

圖8 （續）Fig. 8 (Continued)

相比之下，“6.15”過程低層800 hPa 則無沿地形的輻散出流（圖9b），（37.5°N，80.5°E）附近氣旋性切變最強烈地區形成了渦度中心，水平范圍約200 km 左右，從該中心上升的氣流對應降水極值中心，可見，其是造成“6.15”過程極端降水的關鍵動力結構，而該區域還存在8 g kg-1以上的比濕（圖9h），中β 尺度的氣旋性旋轉引發水汽迅速集中，造成了“6.15”過程極端暴雨。對流層中層，650 hPa 高度上（圖10b、d、f），氣流結構與800 hPa 相似，氣旋性旋轉中心對應著高比濕中心，表明“6.15”過程的水汽集中層次深厚，這也是極端降水形成的重要原因。

圖9 2020 年4 月17 日15 時（左）、2021 年6 月15 日15 時（右）3 h 累積降水量（陰影，單位：mm）以及800 hPa（a、b）絕對垂直渦度（等值線，單位：10-4 s-1）、（c、d）水平風速（等值線，單位：m s-1）、（e、f）位勢高度（等值線，單位：dagpm）、（g、h）比濕（等值線，單位：g kg-1）疊加風矢量（箭頭，單位：m s-1）的水平分布Fig. 9 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm) and (a, b) absolute vertical vorticity (isolines, units: 10-4 s-1), (c, d) wind speed (isolines,units: m s-1), (e, f) geopotential height (isolines, units: dagpm), (g, h) specific humidity (isolines, units: g kg-1) superimposed wind vector (arrows,units: m s-1) at 800 hPa at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and at 1500 UTC 15 June 2021 (right)

圖10 2020 年4 月17 日15 時（左）、2021 年6 月15 日15 時（右）3 h 累積降水量（陰影，單位：mm）以及650 hPa（a、b）位勢高度（等值線，單位：dagpm）、（c、d）絕對垂直渦度（等值線，單位：10-4 s-1）、（e、f）比濕（等值線，單位：g kg-1）疊加風矢量（箭頭，單位：m s-1）的水平分布Fig. 10 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm) and (a, b) geopotential height (isolines, units: dagpm), (c, d) absolute vertical vorticity(isolines, units: 10-4 s-1), (e, f) specific humidity (isolines, units: g kg-1) superimposed wind vector (arrows, units: m s-1) at 650 hPa at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and at 1500 UTC 15 June 2021 (right)

二階濕位渦中另一動力要素是渦度的垂直梯度，即絕對渦度在垂直方向上的非均勻性，其包含在S2中。昆侖山沿線降水垂直渦度的垂直結構也可從圖9a、b 中清晰看出。兩次過程的顯著區別是“6.15”過程在正絕對垂直渦度柱上方500 hPa 高度上存在一個負絕對渦度中心，而“4.17”過程則無負絕對渦度區。絕對渦度是相對渦度和地轉渦度之和，地轉渦度為正值，負絕對渦度表明該地區反氣旋性旋轉明顯較強。然而，對比圖2 中500 hPa大尺度環流結構，新疆上空整體位于大型槽脊之間的低值系統中，低值系統外圍盛行氣旋性環流，可見，500 hPa 的負絕對渦度與新疆上空的細致環流結構有關（圖11）。如圖11 所示，盡管500 hPa新疆上空整體受來自低緯的西南氣流影響，但存在明顯氣流擾動，氣流在經過青藏高原時形成背風槽脊，南疆為橫脊反氣旋性環流控制，槽脊之間強氣壓梯度力造成一股偏東氣流沿昆侖山北坡深入南疆西部，不僅為昆侖山沿線降水提供了中層水汽供應，還形成了強反氣旋性切變。中層負渦度疊加于低層正渦度之上，加強低層輻合，中層輻散，垂直運動增強；另外，負絕對渦度也是慣性不穩定的體現，而慣性不穩定能量釋放也是傾斜上升流產生的機制之一。值得關注的是，“4.17”過程和“6.15”過程雖然均出現背風槽脊，但強度和位置不同，形成的垂直渦度結構也明顯不同。

圖11 （a）2020 年4 月17 日15 時、（b）2021 年6 月15 日15 時3 h 累積降水量（陰影，單位：mm）以及500 hPa 風場（箭頭，單位：m s-1）、位勢高度（等值線，單位：dagpm）Fig. 11 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm) and wind field (arrows, units: m s-1) and geopotential height (isolines, units: dagpm) at 500 hPa at (a) 1500 UTC 17 April 2020 and (b) 1500 UTC 15 June 2021

垂直絕對渦度及其梯度反映了大氣的動力結構，除了動力結構，二階濕位渦體現的熱力要素主要是對流穩定度及對流穩定度的梯度。圖8c–j 為兩次暴雨過程中廣義位溫、廣義位溫垂直梯度、相對濕度及比濕的垂直分布。由圖8c–f 所示，廣義位溫及其垂直梯度在降水區上空表現出顯著異常。與動力場分析結果一致，“4.17”過程中，廣義位溫異常在700 hPa 以上的對流層中高層更為顯著，進一步表明“4.17”過程的昆侖山沿線降水主要和中高層大氣有關。“6.15”過程廣義位溫呈深漏斗狀分布，自800 hPa 延伸至300 hPa。根據廣義位溫的定義，其在飽和大氣中具有與相當位溫相似的物理意義，即水汽上升后全部凝結，所釋放的凝結潛熱全部用來加熱大氣，而使大氣具有的位溫。因此，廣義位溫在降水區的異常高值及漏斗狀分布與大氣水汽含量及飽和程度密切相關。圖8g–j 中，“6.15”過程降水區呈現深厚飽和層，且降水區附近存在深厚水汽堆積。降水區上空的垂直上升運動將低層水汽向上輸送，達到飽和并釋放凝結潛熱加熱周圍大氣。這種加熱改變了大氣的熱力結構，等廣義位溫線下壓，降水中心附近650～450 hPa 高度表現為中性區甚至對流不穩定區（該對流不穩定指飽和大氣的不穩定），而800～650 hPa 則為穩定區，廣義位溫垂直梯度明顯較強（圖8d），進一步，導致廣義位溫垂直梯度在垂直方向的非均勻特征（圖8h）。對流穩定度在垂直方向的非均勻性有助于垂直運動增強，其物理意義在于上層的不穩定造成負擾動氣壓，而下層穩定層結造成正擾動氣壓，向上的擾動氣壓垂直梯度力促使垂直運動增強，更多水汽被向上輸送，降水增強（Parker and Johnson，2004）。“4.17”過程，700 hPa 以下的對流層中低層，雖然在地形氣旋性切變輻合與抬升作用下存在較強抬升，但低層水汽比濕較“6.15”過程小近一倍，相對濕度在50%以下（圖8e–h），即使遇強抬升，產生的降水也非常有限，而600 hPa 以上雖然存在飽和區及一定強度的抬升，但中層水汽供應有限，降水亦不大。

4.2 喀什喇叭口區降水

圖12 給出了兩次過程沿喀什喇叭口降水區的垂直渦度、廣義位溫及其垂直梯度、相對濕度及比濕等二階濕位渦所反映的關鍵物理要素垂直分布。

圖12 （續）Fig. 12 (Continued)

圖12 2020 年4 月17 日21 時沿著76.5°E（左）、2021 年6 月16 日06 時沿著39.5°N（右）（a、b）相對濕度、（c、d）絕對垂直渦度（單位：10-4 s-1）、（e、f）廣義位溫（單位：K）、（g、h）廣義位溫垂直梯度（單位：10-3 K m-1）及（i、j）比濕（單位：g kg-1）的垂直剖面。圖c 中?、??、??? 為三個渦度高值區Fig. 12 Vertical cross sections of (a, b) relative humidity, (c, d) absolute vertical vorticity (units: 10-4 s-1), (e, f) generalized potential temperature(units: K), (g , h) vertical gradient of generalized potential temperature (units: 10-3 K m-1), (i, j) specific humidity (units: g kg-1) along 76.5°E at 2100 UTC 17 April 2020 (left) and along 39.5°N bell mouth topographic area at 0600 UTC 16 June 2021 (right). ?n Fig. c, ?, ??, ??? represent three high values of vorticities

在相似的環流背景下，喇叭口地形區降水與昆侖山沿線降水的動熱力結構也表現出相似性。“4.17”過程中，上升運動仍然始于700 hPa 昆侖山北坡（圖12a 中的深藍色箭頭），隨高度向北傾斜。傾斜上升流下方，有明顯來自高緯度非飽和區的干冷空氣侵入（圖12a 中的淺藍色箭頭），在其作用下，降水區上空800 hPa 以下的邊界層中表現為下沉運動。如上一節所述，中尺度對流系統中的下沉運動對其單體新生系統發展具有重要作用，但從“4.17”過程喇叭口區降水的上升運動起始高度可以看出，下沉運動對其發展仍然無明顯促進作用。對應該環流結構，降水大氣中共存在三個絕對渦度正高值區（圖12c），? 區絕對渦度高值區沿昆侖山北坡分布，與昆侖山沿線降水類似，是塔里木盆地反氣旋性偏東氣流向西深入喇叭口區，與地形相遇的結果（圖13a）；?? 區絕對渦度高值區位于喇叭口區內700～500 hPa 的中層，其形成與“4.17”過程的中層“階梯槽”形勢有關（圖2e、圖11a），即北部槽偏東，南部槽偏西，北部槽東移過程中引導槽后冷空氣南下，越過天山，而南部槽的槽前氣流北上遇地形在盆地上空形成橫向槽脊，二者之間的偏東氣流深入喇叭口地形區，與冷空氣相遇，形成了?? 區渦度柱，該區也是垂直上升運動最強烈的地區，可見其對喇叭口區降水的重要性；??? 區絕對渦度形成則與昆侖山沿線降水類似，是南部槽前的西南氣流越過山后盆地南側形成的背風槽。

垂直渦度形成的旋轉是水汽聚集的一個重要機制，伴隨著上升運動的發展。由圖12c 也可以發現，“4.17”過程喇叭口地形區的上升運動也基本始于三個正垂直渦度區，但與降水中心最近的是?? 區，垂直運動發展也最為強烈。對比相對濕度和廣義位溫的垂直分布，? 區和??? 區垂直運動分別從低層和中層為降水系統提供了水汽輸送和集中條件，而?? 區是垂直運動發展強盛、飽和度高、凝結潛熱釋放強烈的區域，廣義位溫線下壓，對流穩定度及其梯度顯著。此外，還可發現，中高層500～400 hPa 傾斜上升流下游還存在一個負絕對渦度區，負渦度區與正渦度區的疊加更加有利于上升運動的增強。可見，“4.17”過程的喇叭口區降水與其在昆侖山沿線的降水機制相似，但水汽更充足、中層凝結潛熱區加熱更強且中層階梯槽引起的干冷侵入為垂直運動發展提供了更有利條件，導致降水明顯較強。

“6.15”過程和“4.17”過程在南疆盆地西部的地形喇叭口區降水強度相當（圖7、圖9）。如圖12b 所示，“6.15”過程在700～800 hPa 以下，降水區東部存在深厚的向東輸送層，遇喇叭口地形強烈抬升（圖13b、d），相應的垂直渦度柱出現在山前，使水汽高度集中，并沿山坡向上輸送。650 hPa 與700 hPa 均表現為強偏東氣流（圖13b、d），涌向喇叭口區，進一步說明“6.15”過程深厚的水汽輸送和集中（圖13h、圖13j）。廣義位溫異常發生在800～300 hPa 的廣闊范圍內，對應了相對濕度近飽和區，其中心主要出現在600～700 hPa，也是凝結潛熱釋放最強烈的地區，上部對應對流不穩定，下部為對流穩定區，與該過程中的昆侖山沿線降水形成機制類似，不穩定區疊加于穩定區之上，有助于垂直運動的增強。

圖13 2020 年4 月17 日21 時（左）、2021 年6 月16 日06 時（右）（a、b）3 h 累積降水量（等值線，單位：mm）以及700 hPa 風矢量（箭頭，單位：m s-1）、垂直速度（陰影，單位：10 Pa s-1），（c、d）3 h 累積降水量（陰影，單位：mm）、650 hPa 位勢高度（等值線，單位：dagpm）Fig. 13 (a, b) 3-h accumulated precipitation (isolines, units: mm), 700-hPa wind vector (arrows, units: m s-1), 700-hPa vertical velocity (shadings,units: 10 Pa s-1), (c, d) 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm), 650-hPa geopotential height (isolines, units: dagpm) at 2100 UTC 17 April 2020 (left) and 1500 UTC 16 June 2021 (right)

5 結論與討論

通過上述南疆西部兩次極端暴雨過程的大尺度環流背景、水汽、熱動力條件及演變特征的分析，得出以下幾點對南疆極端暴雨產生有關鍵作用的因子，并總結出概念模型（圖14）。

圖14 南疆西部極端暴雨概念模型：（a）“4.17”過程；（b）“6.15”過程Fig. 14 Conceptual models of extreme rainstorm in west of southern Xinjiang: (a) “4.17” process; (b) “6.15” process

（1）大尺度有利的環流背景對南疆極端降水的發生十分關鍵。2020 年4 月17～24 日降水（“4.17”過程）發生在春季，高層環流與2021年6 月15～17 日（“6.15”過程）存在顯著不同，表現在南亞高壓的位置和中高緯度的槽脊形勢上。“4.17”過程南疆上空雖然缺少大尺度的高空急流，但短波槽活動頻繁。“6.15”過程南亞高壓為雙體型，是典型的夏季南疆暴雨形勢。

（2）對流層中層，兩次過程均有“階梯槽”，“階梯槽”是造成南疆極端降水的重要天氣形勢，其關鍵作用表現在：北部槽與南部槽錯位分布，南部槽前西南氣流是影響南疆的主要氣流，槽前氣流位于青藏高原上空，受地形作用，在昆侖山沿線產生背風橫槽和橫脊，橫槽和橫脊之前的偏東氣流可將越山氣流攜帶的水汽向南疆西部輸送，為暴雨提供中層水汽輸送；“階梯槽”在昆侖山沿線形成氣壓低值帶，塔里木盆地則為高壓區，二者之間氣壓梯度力增強，有利于低層偏東急流的發展。

（3）兩次過程在低層均存在偏東急流，該偏東急流不但是主要的水汽通道，還與高地形相遇形成有利的輻合和氣旋性環流，造成的水汽聚集和抬升對極端降水的發生發展有關鍵作用。

（4）昆侖山北坡沿線地區及昆侖山、天山交接處的喇叭口地形區是兩次暴雨過程的主要降水地區。二階濕位渦對南疆不同區域的暴雨有比較好地反映能力，并且能夠抓住南疆極端暴雨產生的關鍵動熱力信息。研究發現，兩次暴雨過程雖然有比較相似的低層東風急流和中層“階梯槽”形勢，造成其降水的發生區域和演變趨勢也具有相似特征，但垂直熱力和動力結構差異顯著。“4.17”過程在昆侖山沿線降水較弱，主要降水發生在喀什喇叭口區，雖然存在多個渦度高值帶，但對極端降水產生貢獻的對流始于對流層中低層的渦度帶，而邊界層內的渦度帶對應下沉流，未對降水產生直接影響，其中對流層中低層的渦度帶與北部槽槽后越山干冷氣流和塔里木盆地的偏東暖濕氣流輻合有關，是“4.17”過程強降水形成的重要原因；“6.15”過程極端降水主要是塔里木盆地偏東急流與地形相互作用產生具有強氣旋性切變的渦度中心，引起水汽強烈集中造成。兩次過程的強降水階段，配合低層的正渦度，在對流層中高層均有負渦度中心出現，表現為顯著的渦度垂直梯度，可加強低層輻合、高層輻散形勢，促使垂直運動增強。

（5）熱力結構上，兩次過程均有廣義位溫的漏斗結構，是大氣高溫、高濕的體現。強降水區內對流層中層存在中性區和對流不穩定區，對流層低層等廣義位溫線下壓，是穩定區，這種廣義位溫垂直梯度本身的非均勻性與強烈的凝結潛熱釋放有關，是強降水大氣的重要熱力學特征。