库尔勒市强降水天气的环流配置及触发机制分析

周雪英，彭军，刘杰

（1.巴州气象台，新疆库尔勒 841000；2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京 210044）

库尔勒市强降水天气的环流配置及触发机制分析

周雪英1，彭军1，刘杰2

（1.巴州气象台，新疆库尔勒 841000；2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京 210044）

利用库尔勒市2005—2013年4—8月逐小时降水量资料分析了当地强降水天气发生的时间、强度特征，从天气预报的角度对强降水天气环流形势进行了分型，找出了产生强降水的触发抬升机制，建立了强降水天气的三种概念模型。研究得到库尔勒强降水影响系统包括低槽或涡东移型、南北低槽汇合型、锋区南压型以及脊前短波槽或西北气流型四类，降水触发机制分为冷锋触发类、干线触发类以及混合触发类三种。结合强降水发生前的影响系统、发生时抬升触发机制和雷暴降水天气形成的动力、水汽、不稳定条件以及强降水落区的显著特征的总结分析，归纳出包括锋区急流类、低涡气旋类以及低槽切变辐合线类三种强降水天气概念模型。

强降水，环流分型，触发机制，概念模型

库尔勒市坐落在塔里木盆地东北边缘，南临塔克拉玛干沙漠，北倚天山支脉霍拉山和库鲁塔格山，气候干旱少雨，但夏季多对流天气，甚至产生罕见的强降水天气，例如2012年6月4日午后，库尔勒出现历时短，强度很大的突发性暴雨天气，给当地造成巨大的影响。事实上[1-2]，中尺度天气系统是直接造成暴雨的天气系统,对积云对流活动有明显的组织和增强作用，强降水天气是多种不同尺度天气系统相互作用的中尺度现象。近年来，国内中尺度天气的分析技术不断完善发展[3-4]，通过从高低空的配置分析中尺度天气系统发生发展时水平方向和垂直方向的动力和热力不稳定、湿度条件。许爱华、吴翠红等[5-10]做了许多关于暴雨以及短时强降水的中尺度特征分析，认为干空气侵入将对流层高层高位涡带入低层，促进对流层低层气旋发展和对流运动加强。杨贵名等[11-14]分析表明干空气侵入对强降水起到激发作用,同时各种表征热力、动力的物理量也被广泛地应用到短时强降水的分析诊断中。然而关于造成新疆暴雨的中尺度系统发生、发展及移动变化规律等方面尚缺乏客观认识。孔期和陈春艳认为乌鲁木齐“7·17”暴雨中干冷空气侵入加强了大气的对流不稳定[15-16]，张云惠认为南疆西部暴雨的始作俑者是中小尺度辐合及中尺度云团[17]。由于库尔勒位于天山山脉的南坡，多背风坡对流天气，如果冷空气太强，大股冷空气翻越天山，库尔勒就会出现偏北风，不会有对流天气，只有高空弱冷空气翻越天山与低空几股弱冷空气的汇合才能产生对流天气[18]，因此在实际预报工作中库尔勒降水预报一直是个难点，而要准确预报夏季强降水更是难中之难。目前关于天山南侧库尔勒一带强降水的研究比较少，仅2003年孜外热木对1996—1999年的强降水天气进行了环流分型[19]，认为较强的南支低压槽的出现对库尔勒强降水天气有利，2013年周雪英应用中尺度分析方法建立了巴州寒潮降雪天气的概念模型[20]。近年来，始终缺乏利用新的技术手段对库尔勒市暖季强降水天气进行系统性归纳和总结方面的研究。因此本文收集了2005—2013年暖季库尔勒市13个强降水个例，总结了近10a库尔勒强降水的特点、天气系统及成因，初步建立了夏季强降水天气学概念模型，试图给预报员形成较清晰的强降水规律性认识和预报思路，同时有效地结合当前正在开展的中尺度天气分析业务，为库尔勒地区夏季强降水预报提供有实际意义的技术参考。

1 资料和方法

使用库尔勒市2005—2013年4—8月逐小时降水资料统计了库尔勒中量以上雨日、雨强及其降雨起始时间的变化特征。由于南疆盆地强降水过程所形成的降水量比北疆明显要小，结合实际气象业务选取日降雨量接近10mm的过程算为一次强降水过程。采用国家气象中心2010年下发的《中尺度天气图分析技术规范（暂行稿）》，对库尔勒市近些年来出现强降水天气过程的环境场进行中尺度天气图分析，包括天气图分析和中尺度系统分析。本文通过天气图分析寻找中尺度天气系统发生发展的各种环境场条件，最终通过高度组织化的综合图显示方法，确定天气发生的潜势、区域和时间。

2 库尔勒强降水天气的气候特征

2.1 强降水的发生频次及雨量极值

统计2005—2013年库尔勒站点暖季出现的中雨日共计20次，接近10mm的强降水日13次。除了2011年库尔勒市无中雨日，其余年份均有1～4次，其中2012年为4次，中雨日最多，同时雨量和雨强都突破历史记录，2012年6月4日17时库尔勒市出现了1h雨量为46.4mm的最大雨强以及日降雨量74.6mm最大雨量，这种极端强降水的发生与特殊地形条件下中尺度强对流系统的发展和演变相关。

2.2 强降水的季节分布与气候特征

近10a库尔勒市中雨日一般出现在4—10月,其中5—8月占总数的85%，7月占40%。然而强降水日80%则集中在5、6、7月，其中6月和7月各占30%。事实上，6—7月南疆盆地高空多为南亚高压控制，地面是发展强盛的热低压，而强降水天气发生时副热带西风急流轴则越过高原，沿天山山脉控制新疆地区，同时副热带西风急流上长波槽不断向南加深，整个南疆盆地和青藏高原都受副热带大槽影响。

2.3 强降水的强度特征

通常用逐时最强降水量表示降水强度，目前中央气象台和我国中东部地区气象部门将1h降水量≥20mm的降水记为短时强降水。陕甘宁地区研究表明，15mm/h左右的降水在特殊下垫面上就能造成灾害[21]，他们定义短时强降水为观测站1h降水量≥10mm。有研究[22]认为暴雨日连续降水时间不超过7h的暴雨为短历时暴雨。由于库尔勒比较干旱，强降水在强度和出现次数上远小于内地，于是将整体降水特征与实际业务结合，把库尔勒地区观测站1h降水量≥5mm且降水时间不超7h的强降水定义为短历时强降水。

从近年的13个强降水事件看（表1），1h最强降水量在2.2～46.4mm之间，1h降水量≥5mm的有7次，降水时间在4～16h，降水时间小于7h的有5次，表明近年来库尔勒强降水有4次为雨强较大、时间短的强降水过程，其余9次为降水时间长、雨强分布不均匀，具有混合性降水特性的强降水过程。分析强降水过程的最大雨强以及发生时间可知，午后至下半夜是强降水过程较强雨强的主要发生期。对于长时间的混合型强降水过程强雨强分布在夜间和上午，这与降水过程中影响系统进入的时间和云系相对应。然而短历时强降水过程大雨强集中在17时至次日09时这一时间段内，而上午没有，主要是因为短时强降水以对流性降水为主，午后是大气热力条件最有利于强对流出现的时段，而关于夜间多发，有学者认为这与低空急流常在夜间加强有关，也与在夜间特殊地形下形成的山谷风环流密切相关[21]。2012年6月4日库尔勒出现的短历时罕见大暴雨，最强雨峰出现在午后17时，是一天中对流最易发生、发展的时段，主要源于午后地面受日射而强烈加热，在近地层形成了绝对不稳定层结，同时南疆盆地当天水汽丰富，使得湿对流系统发展旺盛，造成午后库尔勒局地出现了降水量大、伴有冰雹、时间短的罕见强对流暴雨。

表1 2005—2013年4—8月库尔勒强降水事件的发生特征

3 库尔勒强降水的天气系统特征

3.1 强降水的影响系统和环流形势

库尔勒强降水天气过程包括短时强降水和较稳定的混合型降水两类，不管哪类强降水天气都是在有利的大尺度环流背景下、配合中小尺度天气系统共同作用产生的。影响系统和环流形势是强降水预报的核心，新疆强降水的天气尺度影响系统主要是低槽、低涡两大类，这里按照500hPa影响系统造成的库尔勒降水前24h所处位置、移动方向、锋区等特征，分析归纳了库尔勒市强降水天气的4种影响系统和环流形势。

低槽或涡东移型：500hPa中亚地区有低槽或者低涡[23]东移进入新疆，南疆盆地受低槽或者低涡控制。当中亚低值系统环流经向度明显增大，低槽南伸至30°N附近，且东移进入新疆加强成涡时，巴州全境都有明显降水，局部暴雨，例如2000年7月3日；当30°N附近有印度低涡配合，低值系统东移进入南疆盆地时巴州南部也会出现暴雨，例如2007年7月16日；当低涡减弱成低槽进入南疆盆地，位置偏北，巴州地区强降水范围和强度减弱，例如2005年5月14日，降水主要集中在巴州北部。近年来13个强降水个例中仅占2例。

南北低槽汇合型：500hPa高空天气图上存在南北两支低槽活动，北支偏北，过程前一天一般偏北低槽位于40°N以北，偏南低槽在25°～40°N，60°～80°E的关键区内活动，有时印度地区伴随着活跃的低涡。巴州的强降水天气大多是由北支低槽东移南下与南支低值系统北抬相结合的过程中形成的低槽造成影响，此类环流形势由于南支槽的水汽条件好，有人指出库尔勒强降水天气必须密切关注是否会出现较强的南支低压槽。事实也表明近年13个强降水个例中此类多达6例。

图1 库尔勒强降水天气的影响系统和环流形势

锋区南压型：锋区是温度梯度大而窄的区域，如果它又随高度向冷区倾斜，这样的等温线密集带通常称为锋区。锋区就是密度不同的两个气团之间的过渡区，多数情况下也可表现为温度差异特别大。此型500hPa欧亚范围为纬向环流，西西伯利亚为一个稳定的低值系统，南疆地区处在低压底部的锋区上，强锋区一般位于40°～45°N之间，锋区上时有短波槽活动，包括温度锋区和锋区短波两类。当为偏西气流时新疆境内南北位势高度差在24位势什米，为西南气流控制下新疆境内南北位势高度差在20位势什米，此类环流形势造成的强降水一般出现在春季和秋初，地面冷空气活跃，且伴有冷锋。近年来13个强降水个例中仅占2例。

脊前短波槽或西北气流型：一般过程前一天500hPa欧亚范围内两槽一脊，欧洲和贝加尔湖为低槽活动区，广大的西伯利亚地区存在明显的高压脊，同时伊朗地区的副热带高压活跃且略有东北伸，与西伯利亚地区高压脊同向叠加，欧亚范围环流径向度加大，新疆处于高压脊前的西北气流中，脊前有弱的低值系统活动，有时青藏高原上还伴有低涡系统，此类强降水天气多发生在较弱的影响系统下，大背景处在脊前一般易漏报，多对应夏季的短时强降水天气。近年来13个强降水个例中仅占3例。

3.2 强降水的抬升启动机制

库尔勒夏季的强降水过程均是伴有雷暴的对流天气，且水平尺度一般在几十千米至几百千米，时间尺度在几小时到十几小时，表现为不典型的中尺度对流天气。然而强降水天气地面多有雷暴，因此从雷暴发生的三要素条件不稳定层结、丰富的水汽、气块抬升到凝结高度的启动机制的角度来分析强降水天气的中尺度特征。

由于远离海洋、三面环山、水汽匮乏，库尔勒强降水是不太强的湿对流系统，研究表明塔里木盆地内的明显降水不是西方外来雨区的东移，而是局地新生成的。水汽的迅速集中表现为在强降水前空气干燥，仅仅几个小时就可能达到整层饱和状态，大气增湿是在很短时间内完成的。降水过程中大多都是中低层及地面水汽快速辐合、抬升、凝结和降落的过程，这与库尔勒强降水发生前一日地面总有弱的增湿关系密切。

关于从地面到低层暖湿气块是如何抬升到凝结高度冷却降落的启动机制，是分析库尔勒强降水的发生和形成的关键。有研究表明气块抬升到凝结高度的启动机制，包括地面边界的锋面、干线和边界层辐合线、地形抬升和中尺度重力波等。

通过对近年库尔勒强降水天气个例分析和中尺度天气系统发生发展的各种环境场条件诊断分析，发现库尔勒强降水天气抬升条件的启动机制包括三类：冷锋触发类、干线触发类和混合触发类。

3.2.1 冷锋触发类

图2 冷锋触发示意图

冷锋指锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动，在它们之间形成的一个狭长过渡带，表现为水平方向的温度不连续线。库尔勒冷锋触发的强降水，在新疆地面总存在一条明显冷锋带，有时冷锋长时间维持在北疆沿天山一带，由于地形原因，在中天山库米什一带海拔略低，部分冷空气沿中天山缺口进入库尔勒，图2a为2010年4月19日08时库尔勒强降水天气的地面冷锋示意图，在巴尔喀什湖南侧存在一个1020hPa的地面冷高压中心，和田为热低压，冷空气南下在北疆沿天山一带堆积，库尔勒低层明显的特征就是850hPa出现较强的东北风；当地面冷空气强大时，在巴州偏东一带存在一个东北西南向的东灌槽，地面冷空气大范围东灌进入库尔勒。图2b为2008年8月19日08时库尔勒强降水天气的地面冷锋示意图，在巴尔喀什湖存在一个宽广1032.5hPa的强大的地面冷高压中心，同时和田为热低压，冷空气实力强大，且冷空气前沿很快到达北疆偏东，巴州东部出现了东灌槽，库尔勒低层850hPa出现较强的偏东风。库尔勒强降水一般都是锋面降水或锋后降水，少有锋前降水，有时冷锋到达即开始降水，有时冷锋过后才开始降水。冷锋触发强降水的机制应该与冷锋雷暴相似，即冷锋的动力抬升和冷空气的触发作用是激发对流云团发展的关键，库尔勒冷锋触发的强降水天气一般多见春季和夏末，表现为高空锋区密集。3.2.2干线触发类

中尺度分析规范里干线是指从干区进入显著地湿区，表征了露点锋区，干线的一侧是暖而干（湿）的空气，另一侧是暖（冷）而湿（干）的空气，是水平方向的湿度不连续线，干线附近是强对流天气最容易发生的地区[3]。库尔勒地区地处天山南侧背风坡，当高空冷空气东移南下影响时，其温度往往会发生变性，即与南疆盆地的暖性气团之间的温差越来越小，但其干性变化不太明显，所以在南疆盆地库尔勒地区一带强降水个例中时常可以分析出干线，干线系统多出现夏季的强降水中。例如图3a为2012年6月4日14时库尔勒大暴雨的地面干线，干冷空气从西北、东北及西侧向库尔勒汇集，同时近地层的暖湿空气从东南侧向北伸入库尔勒，地面的较强干冷和暖湿空气在库尔勒剧烈交汇触发大暴雨。图3b为2012年6月30日08时库尔勒强降水的850hPa干线，库尔勒东侧干冷空气沿偏东风进入库尔勒，湿空气包括一部分从巴州南部沿西南暖湿气流北上的水汽，一部分从乌鲁木齐冷空气南下的水汽，三股不同性质的气团在巴州北部交汇造成降水。库尔勒强降水干线多分布在地面到近地层的850hPa，有的干线呈南北向分布，有的干线呈东西向分布。多数情况下巴州北部存在一个的经向分布的湿舌，库尔勒的偏南侧存在湿空气大值区，库尔勒位于湿舌的顶部，表明发生强降水天气时近地层到低空盆地的东南侧存在水汽的补充路径，致使强降水有充足水汽，当库尔勒南侧的暖湿空气与其东北侧干冷或湿冷空气在巴州北部交汇时，干线就触发了冷暖气团的抬升，凝结产生强降水天气。

3.2.3 混合触发类

混合类是指同一强降水天气过程在地面有锋面存在、高空还伴有干线的两种抬升触发机制同时存在的一种类型，一般库尔勒地区5月的强降水都属于此类。春末时副热带西风急流开始活跃，不断北抬至高原，南北两支锋区都比较活跃，南支锋区携带的西南暖湿气流不断发展加强，一般在巴州的西南侧近地面层至中低空先增湿，由于地形原因，冷空气往往滞后东灌进入南疆盆地。一方面在中低层西南侧暖湿气流与东北侧干冷空气触发降水，另一方面地面冷锋强迫抬升，加强低层暖湿气流沿低层干冷气垫上滑形成更强的上升运动，加剧大气不稳定能量的释放而产生较强的降水（图4）。

图3 干线触发类示意图

图4 混合触发类示意图

4 库尔勒强降水天气概念模型

4.1 锋区急流类强降水

在一般情况下锋区急流类强降水范围大，暴雨落区连片，强度大，范围广。由于此类天气多见于春季和夏末，强降水落区主要集中在巴州北部，偶有夏季出现，范围覆盖全州。在高空200hPa和850hPa都存在显著的急流，500hPa存在明显的偏西或西南气流，850hPa存在明显的锋区或冷温槽，地面伴有冷锋过境，此类强降水共有4例，200hPa都出现了40m/s以上的大范围急流带，急流核中心风速都在50m/s以上，最强达到60m/s，其中有3例急流核位于巴州北部偏南的位置，仅1例位于东疆偏东。200hPa急流轴的分布与降水落区存在一定对应关系，其中有3例呈东西向分布，对应的降水落区主要在天山山区及两侧的绿洲，在巴州境内降水落区主要在北部；1例呈南北向分布的急流轴，全疆普遍都出现了强降水，巴州自南向北也多地伴有强降水。此类强降水在库尔勒地区另一显著特征就是低空850hPa总存在大于12m/s的东北急流，与地面冷锋对应，降水大值易出现在850hPa低空急流顶端风速辐合的地方（图5）。

4.2 低涡气旋类强降水

图5 强降水落区（灰色区域）

低涡气旋类强降水出现1例，就是2007年7月16日全疆的一次大范围强降水过程，巴州自南向北都出现明显的暴雨天气，7月14—19日中亚低涡进入新疆后仍维持深厚低涡影响新疆的一次天气。与中低层的气旋式风场相配合的500hPa以上的高层仍为明显的低涡，低涡进入新疆前在下游存在明显向北伸展的副热带高压阻挡，700hPa在中天山以东为明显气旋式环流控制，在河西走廊存在的东南气流，是中低层水汽输送通道，高层的低涡中心位置略落后于中低层气旋中心，整个低涡呈后倾结构，700hPa气旋东侧偏南暖湿气流发展，气旋北侧干冷空气与暖湿气流形成干线，其干冷下沉气流与低层暖湿气流垂直配置，形成了强烈对流不稳定，致使系统性强降水天气中伴有明显的强对流降水天气。强降水落区位于700hPa气旋式风场移动方向干线的前方、低空东南气流与西北气流风向风速辐合处。4.3低槽切变辐合线类强降水

低槽切变与辐合线类强降水过程最多，共有8例。此类强降水影响范围相对较小，以地方性局地暴雨为主，降水落区零散，强降水和暴雨中心主要出现在巴州北部。天气形势表现多样，一般情况下，在500hPa都伴有弱的低槽活动，南疆盆地存在西风或弱的西南气流，中低层700hPa和850hPa存在切变或辐合线，有的为纬向，有的为经向，有的切变辐合线伴有急流，然而有时地面也会出现弱冷锋（图6）。

由于南疆盆地地形特殊，常年干旱少雨，盆地里水汽匮乏，此类根据水汽条件的差异分为一型和二型两个小类。第一型为水汽条件较好，地面至低层增湿，盆地西南侧存在水汽补充输送类，共有5例。此类主要特征就是地面至近地层前期增湿，地面和低空露点温度高，在巴州西南与东南侧存在湿轴向北伸展，主要的中尺度影响系统是切变与辐合线，其中4例是850hPa切变与辐合线，1例是700hPa为风向风速的辐合线，强降水的触发启动机制都是干线，干线分布层次不同，具体影响的作用也不尽相同，其中地面干线2例，850hPa干线3例，降水落区位于切变线附近和偏南气流风向风速辐合处。第二型水汽系统自身携带类共有3例。此类中尺度影响系统主要是700hPa的冷暖切变与辐合线，降水的触发启动机制2例地面存在弱冷锋，1例是500hPa库尔勒南北两侧都出现的干线，此类强降水过程一般在700hPa南疆盆地若羌测站都观测到明显的偏南气流，而库尔勒测站则为偏北气流，表明当中空冷暖气流在盆地里剧烈交汇，锋面和干线触发了强降水天气，而降水落区则靠近500hPa槽线与切变重合的区域。

5 结论

（1）库尔勒5月开始强降水天气逐渐增多，6、7月是强降水天气频发期，80%的强降水日集中在这3个月，近10a基本每年都出现强降水，2012年强降水天气频繁发生，出现了罕见“6·4”短时大暴雨天气。

（2）库尔勒夏季强降水天气均是伴有雷暴的对流天气，包括具有典型强对流特征的短历时强降水过程和不典型中尺度对流天气的混合性强降水过程。短历时强降水过程雨强大、时间短，多见于午后，与午后对流最易发生，层结不稳定密切相关。

图6 强降水落区（灰色区域）

（3）库尔勒强降水天气的主要影响系统包括低槽或涡东移型、南北低槽汇合型、锋区南压型以及脊前短波槽或西北气流型四类，锋区南压型环流主要出现在春季和夏末，动力条件好；其余三类夏季时常出现，南北低槽汇合型水汽条件好，脊前短波槽或西北气流型，形势表现弱，易漏报。

（4）库尔勒强降水天气过程中气块抬升到凝结高度触发启动机制包括冷锋、干线以及冷锋和干线混合。冷锋触发类多见于春季和夏末，表现为高空锋区密集，地面有冷锋过境。干线触发类多见于夏季，表现为高空风场动力条件不强，多数南疆盆地地面提前增湿，盆地里水汽条件好。冷锋和干线混合触发的强降水一般存在于5月，干线多见于高空，地面伴有弱冷锋。

（5）根据影响系统、触发机制以及强降水天气形成的动力、水汽、不稳定条件和降水落区，建立锋区急流类大降天气概念模型即高低空存在显著急流大降水天气概念模型，地面冷锋过境启动触发降水。低涡气旋类即高空存在一个深厚低涡系统、低层700hPa气旋式环流和以及中低层存在干侵入启动触发降水。低槽切变辐合线类包括水汽在盆地偏南侧补充类和水汽系统自身携带两类，中尺度影响系统主要是低层的低槽切变辐合线，启动触发机制包括弱冷锋和干线。

基于对库尔勒强降水天气个例资料的综合分析，本文归纳了强降水发生的环流背景、抬升触发机制，且进行了天气概念的模型的分类，对今后做库尔勒降水预报具有一定的参考价值，然而上述工作中也存在讨论不深入以及一些没有思考到的问题，如不同层次的干线是如何触发的强降水，强降水过程中高低层上下如何配合和相互影响，强降水水汽是如何短时间聚集、抬升的机制，还有待于今后做进一步研究。

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An Analysis of Circulation Background of heavy Rain Process and Mesoscale Trigger mechanism in Korla

ZHOU Xueying1，PENG Jun1，LIU Jie2

（1.Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture Meteorological Observatory，Korla 841000，China；2.Nanjing University of Information Science and Technology,Department of Atmospheric Sciences，Nanjing 210044，China）

Based on the hourly data of precipitation in warm season in Korla，the climate characteristics of occurrence and intensity as well as circulation situations resulting in heavy rain events were analyzed from aspect of weather forecast.The mesoscale of lifting trigger mechanism and the three conceptual model of heavy rain were found.The heavy rain were classified to four influence systems,including east moving trough of low pressure or vortex,the confluent trough from southern and northern,frontal mass south pressing,the short wave trough or southeasterly flow before ridge.There were three trigger mechanisms which were cold-front,dew-point front,the blending type including cold-front and dew-point front.By summary analysis of characteristics of dynamic，water vapor and instability conditions as well as heavy rain distribution,three conceptual models which were jet stream front and low vortex cyclone as well as low trough with shear line or convergence line were concluded.

heavy rain；classification of circulation type；trigger mechanism；conceptual model

P458.11

B

1002-0799（2015）05-0047-09

周雪英，彭军，刘杰.库尔勒市强降水天气的环流配置及触发机制分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（5）：47-55.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.05.008

2014-01-29；

2015-05-16

新疆气象局科学技术研究项目“巴州北部突发性暴雨的中尺度特征分析”资助。

周雪英（1982-），女，工程师，主要从事短时临近天气预报服务工作。E-mail：zhouxueying2004@163.com