中亚低涡引发的两次南疆西部暴雨中尺度特征对比分析

李如琦，李建刚，唐　冶，李桉孛，王　江

(新疆气象台，新疆　乌鲁木齐　830002)



中亚低涡引发的两次南疆西部暴雨中尺度特征对比分析

李如琦，李建刚，唐冶，李桉孛，王江

(新疆气象台，新疆乌鲁木齐830002)

摘要：选取南疆西部区域自动气象观测站逐时降水量资料、气象站常规观测资料、FY-2D云图TBB资料、NCEP再分析资料以及ECMWF和T639客观分析场资料，采用统计分析和滤波方法对2012年5月21～23日和2013年5月26～29日2次发生在南疆西部的暴雨过程进行对比分析。结果表明：2次暴雨过程均为中亚低涡影响形成，暴雨中心一致，但降水范围、持续时间和降水强度明显不同，中尺度系统的差异是其可能原因。2次暴雨过程分别由中-β系统和中-α系统影响形成，过程的影响系统尺度小，则雨强大、降水时间短，反之亦然。地形作用下的中低层抬升和辐合是南疆西部降水形成的重要原因。地面辐合线是南疆西部暴雨的主要中尺度影响系统，是暴雨的重要触发机制。冷空气翻越帕米尔高原进入盆地，与盆地暖湿气团交汇，形成强辐合线，不稳定强烈发展，利于出现对流性降水，降水强度大。

关键词：中亚低涡；中尺度；低通滤波；暴雨；南疆西部

引言

我国最西端的南疆西部地区，气候干旱，降水稀少，平原地区年均降水量仅有50～70 mm，由于地形复杂，沙漠与绿洲共存，南疆西部降水局地性强，一次强降水甚至能改变其气候阈值，这种小概率暴雨事件的预报一直是难点和重点。针对南疆西部暴雨已开展了一些研究，杨莲梅等[1]认为，阿拉伯海和孟加拉湾的水汽通过接力方式可以影响到南疆、东疆，从而产生大降水甚至暴雨；刘皑国等[2]总结了南疆喀什地区暴雨的特征；张云惠[3]、唐秀[4]、黄艳[5]、刘海涛[6]等在分析环流特征和影响系统的基础上，将雷达资料应用于南疆西部暴雨过程个例的分析；张俊兰等[7]发现，中尺度切变线和涌线对南疆西部暴雨落区有指示意义。以上研究对南疆西部暴雨形成的环流特征、影响系统、物理量特征有了较为深入的认识，但在中尺度特征方面的研究尚有很大不足。

中亚低涡是里海以东至新疆地区的高空冷性涡旋，是自对流层上部向下延伸的中期时间尺度(4 d以上)的深厚切断低压系统，是造成新疆暴雨(雪)、持续低温天气的重要影响系统之一[8-10]。中亚低涡对新疆降水的影响可分为干涡和湿涡，分别造成新疆低温大风和强降水天气[11]。江远安等[12]统计归纳了1970～1999年新疆西南部116次降水天气过程的影响系统，指出其中61%强降水天气和72%中等偏强降水过程由中亚低涡系统造成，最强的2次暴雨过程也由中亚低涡造成。以上研究表明，中亚低涡是造成南疆西部强降水的主要影响系统之一，但同样在中亚低涡系统影响下形成的降水强度、范围明显不同，这可能与中尺度系统在降水形成过程中的影响有关。本文选取2次中亚低涡引发的南疆西部暴雨过程进行对比，分析中尺度系统在暴雨过程中的演变特征及其触发作用。

1资料与方案

选取南疆西部区域自动气象观测站逐时降水量资料、气象站常规观测资料、ECMWF(分辨率0.25°×0.25°)和T639(分辨率0.28°×0.28°)客观分析场资料、NCEP再分析资料(分辨率1°×1°，每日4次)，以及国家卫星气象中心提供的逐小时FY-2D静止气象卫星红外通道TBB资料(分辨率0.1°×0.1°)。其中，对NCEP再分析资料的环流形势场、风场和垂直速度等进行滤波处理。

在一定的环流背景条件下，中尺度天气系统往往是暴雨的直接触发系统。为了揭示暴雨过程的中尺度影响系统，利用25点低通滤波算子进行尺度分离，滤去大尺度场，保留中小尺度场。尺度分离计算方案为[13]：

(1)

(2)

2降水实况及环流形势对比

2.1降水实况对比

第1次过程(以下简称“过程I”)：2012年5月21日02时至23日02时(北京时，下同)，南疆喀什、克州、阿克苏的部分地区出现降雨，降水中心位于喀什地区叶城县，主要降水时段为22日17～20时，降水量28.6 mm，达到暴雨量级(新疆标准[14]：暴雨降水量≥24.1 mm，下同)，其中17～19时累计降雨量26.2 mm，具有明显的短时强降水特征(图1a)。

第2次过程(以下简称“过程II”)：2013年5月26日08时至29日14时，南疆喀什、克州、和田及阿克苏等地出现了持续性的暴雨过程，喀什地区东部、和田地区西部、克州北部和阿克苏西部的过程降雨量达50～90 mm。此次降水过程中国家站和区域站共有143站累计雨量超过24 mm，55站超过48 mm，暴雨中心叶城累计雨量88.2 mm，超过历年年平均降水量(66.7 mm)，皮山站降水量55.8 mm，接近该站年平均降水量。强降雨时段主要集中在26日夜间至28日白天，阿合奇降水持续35 h，叶城的暴雨主要由2次降水过程造成，其中第1次降水过程发生在26日21时至27日05时，8 h累计降雨量30.4 mm，小时最大雨量10.5 mm出现在26日22～23时；第2次降水过程发生在28日00～18时，18 h累计降雨量55.9 mm，28日01～02时小时降水量最大达10.3 mm(图1b)。

上述分析可见，2次过程降水中心基本一致，过程I降水集中，持续时间短，而过程II的降水范围和累计降水量均明显偏大，且持续时间长。

图1　过程I(a)和过程II(b)降水中心叶城站逐小时降水量

2.2环流形势对比

在上述2次暴雨过程中，100 hPa南亚高压均没有呈现出南疆降水中典型的“双体型”分布，南亚高压中心始终维持在青藏高原南部、印度半岛北部地区，主体呈带状分布，西部明显北抬并向东欧地区伸展，使得副热带大槽南伸到中亚地区，南疆西部处于槽前西南气流带中(图略)。环流虽未出现典型的“双体型”形势，却达到了“双体型”环流的效果。

从500 hPa环流来看(图2)，2次降水过程都在里海、咸海地区出现西北—东南向倾斜的Ω形势，在巴尔喀什湖以南的中亚地区形成闭合低涡。过程I里海、咸海高压脊较过程II略强，而过程II在新疆以北的西伯利亚地区有较强的低涡系统。在2次过程中均可看到，随着下游新疆东部到河西走廊的脊减弱，中亚低涡缓慢减弱进入盆地，造成南疆西部降水。可见，2次过程的影响系统均为中亚低涡，区别在于过程I没有下游系统的影响先成涡后减弱成槽快速东移，而过程II受下游稳定的北支低涡系统影响，先东移后成涡分裂成短波槽东移，低涡主体再逐步减弱东移。

图2　2012年5月22日08时(a)和2013年5月26日08时(b)500 hPa环流形势场(单位：dagpm)

2次过程中南疆盆地700～850 hPa均为一致的偏东风，低层偏东风是南疆西部暴雨的必要条件，既是暴雨的主要水汽来源，也引发低层辐合和上升运动的发展加强，为暴雨提供水汽和动力条件。海平面气压场上，地面冷高压闭合中心在里海和咸海地区，过程I强度略大于过程II，南疆盆地为暖低压控制。而后，冷高压前部不断分裂翻越西天山进入南疆盆地，冷高压逐渐减弱，盆地内地面气压不断增加。冷空气分段缓慢进入南疆盆地，持续影响南疆西部，冷暖交汇形成明显降水。降水开始前，过程I冷高压前锋进入南疆盆地西南部，过程II冷高压东伸的位置偏南，未进入盆地。地面无明显锋面系统也符合南疆大降水的一般特点。

综上所述，2次过程的环流背景、影响系统等均较为一致，系统强度虽略有差别，但2次过程降水的范围、大小却有明显差异，中小尺度系统的差异是其可能原因。因此，下面着重对比分析2次过程的中尺度系统特征及其对暴雨形成的贡献。

3暴雨中尺度特征

3.1中尺度云团特征

高时空分辨率的云图能较好地监测强降水过程中中尺度云团发生、发展的演变过程。图3是过程I与过程II云顶亮温的逐时演变。过程I中5月22日15时，暴雨区南部的昆仑山北坡出现云顶亮温低于-36 ℃的云团，而后云团北移，17时后叶城上空云顶亮温快速增大，18时达-44 ℃，开始出现短时强降水，19时中心移到叶城南部，20时加强到-48 ℃，叶城雨强达到最大，-44 ℃亮温区覆盖面积轴长不足1个经度格距，属于中-β系统。随着云团继续北移，21时叶城上空亮温升到-36 ℃以上，降水结束。过程II中5月26日21时，叶城西南侧出现云顶亮温低于-40 ℃的云团，叶城处于该云团边缘，随后云团北移至叶城上空，强度增加到-44 ℃，叶城出现降水，之后云团不断向北扩展，但强度变化不大，至23时-44 ℃亮温区覆盖面积轴长约3个经度格距，属于中-α系统，但中心强度弱于过程I。27日02时后，云团向北扩张到克州北部、阿克苏西部，04时叶城上空的亮温上升到-36 ℃以上，降水结束。上述分析可知，2次降水过程中均有中尺度系统的影响，但尺度、强度均不同，中尺度对流云团的演变与降水的发生、发展有密切关系。

图3　2012年5月22日17～21时和2013年5月26日21时至27日

3.2中尺度流场滤波特征

对比2次降水过程滤波前后500 hPa高度场可以看到，过程I中(图4a)，正环流区(槽区)存在负扰动，而反环流区(脊区)有正扰动，表明过程中存在明显的中尺度系统变化。过程II中(图4b)，正负扰动呈带状间隔分布，正负扰动中心与正反环流曲率最大的区域基本一致，但尺度较大，中尺度系统特征不明显。

对比2次过程滤波前后700 hPa流场的变化发现，过程I滤波前，降水区风速相对较小，降水区东部出现东风急流，至5月22日14时(图5a)，东风区西扩，降水区位于东风分量控制区，但风速仍然较小，没有明显的切变或辐合；滤波后(图5b)，在降水区出现一尺度约100 km的中-β尺度系统，东部明显的中尺度东风脉动西伸到叶城，且其南北均为西风分量，形成较强的风切变，有利于叶城西南部气旋系统发展，增强大气不稳定程度，激发对流云团的生成和发展，TBB达-48 ℃，出现短时强降水。过程II滤波前，南疆盆地大部为偏东气流控制，急流轴位于降水区东部(图5c)，降水区位于风速辐合区前部，没有明显的风切变；滤波后(图5d)，在降水中心北部东风区中镶嵌有强的东风脉动带，降水区出现明显的气旋性风切变，有利于加强降水区的气旋性辐合，为暴雨产生提供了强的动力抬升作用和不稳定能量。在叶城西南部出现尺度近300 km的中-α尺度系统，增加了大气的不稳定程度，激发中尺度对流云团的生成和发展，TBB达-44 ℃，与过程I相比对流云团尺度大、持续时间长，使得降水持续时间长、雨强相对弱，对流性降水特征不明显。

图5　2012年5月22日14时(a，b)和2013年5月26日20时(c，d)滤波前(a，c)、后(b，d)

在中低层平均气流场上隐藏着尺度较平均气流小而多的中尺度涡旋，虽然出现的区域较小，但其附近强烈的辐合作用使不稳定能量积聚，低层的辐合和切变为不稳定能量的释放提供足够的动力抬升条件。中尺度系统的尺度差异导致降水差异明显，较小尺度系统影响下出现了雨强大、降水时间短的短时强降水，而较大尺度系统影响下雨强小、降水持续时间长。

4中尺度垂直环流

图6给出2个过程沿38°N、78°E暴雨中心的垂直环流剖面。过程I的纬向垂直环流前期高层以偏西气流为主，低层偏东风逐渐加强，当偏东风西伸到78°E以西后，由于地形抬升作用，偏东气流沿帕米尔高原东侧上升，在76°E附近上空与偏西气流强烈辐合，形成强的上升气流带(图6a)。而经向垂直环流在中层500 hPa以上为一致的偏南气流，在天山山脉上空分裂，部分下沉气流与中层偏北气流辐合，在500～600 hPa之间形成随高度向北倾斜的南北风辐合带，随着中低层偏北气流的加强，辐合中心逐渐南移至38°N上空(图6b)，由于低层偏北气流较弱，抬升后受偏南气流影响较大，且昆仑山脉北坡山势较陡，在37°N～38°N的500 hPa以下中低层形成接近垂直的强上升气流区，其中心速度达11×10-2m/s，垂直运动发展为短时强降水的发生提供了有利条件。

过程II的纬向垂直环流在500 hPa以上也维持偏西气流，低层偏东气流逐渐发展西伸，但前期高层偏西气流较强，气流沿帕米尔高原西侧下沉，与低层偏东气流在79°E附近相遇形成辐合。而后由于偏东气流逐渐增强，推动辐合中心西移，随着地形逐渐升高，加上低层偏东气流的强迫抬升，26日20时(图6c)辐合中心位于77°E上空500～600 hPa之间，并形成东西向气流切变。在辐合中心西侧，垂直运动强烈发展，500 hPa以下形成速度<6×10-2m/s的上升运动区，降水出现。27日02时后随着低层偏东风的逐渐减弱东缩，纬向辐合中心减弱东移，降水逐渐停止。27日14时后，纬向环流基本重复以上过程，降水再次出现。在经向垂直环流上，高层维持偏南气流，偏南气流翻越山脉后在北侧沿坡面下沉。26日08时后，中亚低涡进入南疆盆地，暴雨区北部有偏北气流翻越西天山，进入盆地后下沉，使得暴雨区低层产生偏北气流，偏北气流南下将沿山坡下沉的偏南气流抬升，在暴雨区形成经向反气旋环流，其北侧上升运动发展，在500～600 hPa间形成辐合层。至20时(图6d)低层偏北气流受较为陡峭的昆仑山的阻挡，强迫抬升，在600 hPa以下37°N～38°N形成接近垂直的上升运动区，有利于暴雨的出现。随着北部翻山偏北气流减弱，低层辐合区北移并逐渐减弱消失，降水进入间歇期。27日14时，低涡减弱成槽进入盆地，翻山偏北风再次加强，37°N～38°N上空600 hPa附近形成经向反气旋环流，垂直运动迅速发展，再次出现降水。

图6　2012年5月22日14时(a、b)和2013年5月26日20时(c、d)沿78°E的纬向(a、c，)和

分析表明，地形作用下的中低层抬升和辐合是南疆西部降水的重要原因。低层的偏东风提供水汽和动力条件，纬向抬升区随高度向西倾斜，上升运动区在暴雨区西部，伸展高度较高，可达300 hPa，而经向上升区接近垂直，伸展高度较低，基本在600 hPa以下。辐合层一般位于600 hPa附近。

5地面中尺度分析

从地面加密观测资料分析发现，2次暴雨过程中，中尺度对流云团的生成和维持均伴有地面中尺度辐合线的产生和变化。过程I前期22日08时，由冷空气聚集而成的地面高压自西方侵入南疆西部地区，至14时地面高压中心位于塔什库尔干北部的山区，叶城在高压中心的东侧，等压线稀疏，气压梯度力较小，为较一致的偏北风。之后，地面高压中心减弱并东扩，18时(图7a)叶城北部转为西北风，冷空气翻越帕米尔高原进入盆地，在叶城之南形成西南风，叶城附近形成中尺度辐合线，辐合线的强抬升作用激发了短时强降水的出现。辐合线维持时间较短，随着高压的继续扩张，冷空气不断北上，20时叶城附近均转为偏南风，辐合线消失，降雨结束。

图7　2012年5月22日18时(a)和2013年5月26日21时(b)海平面气压场

过程II降水开始前冷高压位于中亚地区，前锋部分南下但未翻越帕米尔高原进入南疆盆地，南疆西部处于高压前部等值线密集区，受气压梯度力的作用，呈偏西风，叶城处于高低压中间区域，等压线相对稀疏，气压梯度力减小，在地转偏向力的作用下，风向转为西北风，风速逐渐减小，形成风速辐合，促使降水出现(图7b)。由于地面高压移动缓慢，中尺度辐合线维持时间较长，使降水持续。当高压继续东进后，辐合线消失，降水也随之停止。

地面辐合线是南疆西部暴雨的主要中尺度影响系统，是中尺度对流云团产生和维持的重要系统，对暴雨有触发作用。冷空气翻越帕米尔高原进入盆地时，沿下坡地形加速，与盆地暖空气汇合，并被低层偏东风抬升，触发了暴雨。

6结论

(1)南疆西部2次暴雨过程都是在南亚高压带状分布且西部明显北抬、副热带大槽南伸到中亚以及南疆盆地存在强高空西南急流的环流背景下，中亚低涡东移，冷空气翻山进入南疆盆地西部冷暖交汇而形成的。低层偏东急流为暴雨提供水汽和动力条件。在环流背景、影响系统基本相同的情况下，2次暴雨过程的范围、强度、持续时间均有较大差异。

(2)卫星云图和中尺度滤波分析结果表明，2次暴雨过程中均有中尺度系统活动，其演变与降水的发生、发展密切相关。然而，中尺度系统的尺度大小导致降水的差异，其中尺度小，易出现短时强降水，表现为雨强大、降水时间短；而尺度大且强度相对较弱的系统，出现短时强降水的可能性较小，多表现出雨强较小、降水持续时间较长的降水特征。

(3)地形作用下的中低层抬升和辐合是南疆西部降水的重要原因。纬向抬升区随高度向西倾斜，上升运动区在暴雨区西部，伸展高度较高，可达300 hPa，而经向上升区接近垂直，伸展高度低，基本在600 hPa以下。辐合层一般位于600 hPa附近。

(4)地面辐合线是南疆西部暴雨的主要中尺度影响系统，是暴雨的重要触发机制。辐合线的强弱与暴雨的强度有直接关系，辐合线强，表明冷空气翻越高原进入盆地，与盆地暖湿气团交汇较强，低层暖、高层冷，大气不稳定强烈发展，利于出现对流性降水；辐合线弱，表明冷暖气团的汇合较弱，低层暖湿气团的强迫抬升是发展机制，降水强度较弱。

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Comparison Analysis on the Mesoscale Characteristics of Two Rainstorms Processes Caused by Central Asian Vortex in the West of South Xinjiang

LI Ruqi, LI Jiangang, TANG Ye, LI Anbei, WANG Jiang

(XinjiangMeteorologicalObservatory,Urumqi830002,China)

Abstract:Based on the hourly precipitation from automatic weather stations, conventional observation data, TBB from FY-2D, NCEP reanalysis data, objective analysis fields from ECMWF with 0.25°×0.25° and T639 with 0.28°×0.28° spatial resolution in the west of South Xinjiang, two rainstorm processes occurring on 21 to 23 May 2012 and 26 to 29 May 2013 in the west of South Xinjiang were comparatively analyzed by using statistics and filtering method. The results show that two rainstorm processes occurred under the influence of the Central Asian vortex, and the rainstorm centers of them were same, but the ranges, durations and intensities were obviously different, which may be caused by the different mesoscale system. Two rainstorm processes were separately generated by the meso-β and meso-α systems, and the scale of mesoscale system influencing the process was smaller, so the rainfall intensity was bigger and the duration was shorter, and vice versa. The uplifting and convergence in middle and low level, which were affected by the terrain, played an important role to rainstorm in the west of South Xinjiang. The surface convergence line was main meso-scale system of rainstorm in the west of South Xinjiang, and it triggered two heavy rains. The cold air got over the Pamir plateau into the basin, and met with the warm and wet air, which formed the strong convergence line, and it was in favor of convective precipitation.

Key words:Central Asian vortex;mesoscale; low-pass filtering; rainstorm;the west of South Xinjiang

中图分类号：P458.2

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0297-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0297

作者简介：李如琦(1974-)，男，硕士，高级工程师，从事中短期天气预报和研究工作. E-mail：liruqi@sohu.com

基金项目：科技部公益性行业(气象)科研专项(GYHY201506009)、吐哈人工增水科技支撑项目(TUHA201511)、国家自然科学基金项目(41565003)和中国气象局预报员专项(CMAYBY2013-079)共同资助

收稿日期：2015-09-15；改回日期：2015-12-31

李如琦，李建刚，唐冶，等.中亚低涡引发的两次南疆西部暴雨中尺度特征对比分析[J].干旱气象，2016，34(2)：297-304, [LI Ruqi, LI Jiangang, TANG Ye, et al. Comparison Analysis on the Mesoscale Characteristics of Two Rainstorms Processes Caused by Central Asian Vortex in the West of South Xinjiang[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):297-304], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0297