沿天山地区一次暴雨动力过程和云中水凝物粒子特征的数值模拟研究

李 伟 ，张俊兰 ，曾 勇

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；3.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002）

暴雨在地形附近产生时，具有与平原地区不同的动力过程和云中水凝物粒子特征，表现出具有明显地形依赖性的成云致雨过程。地形分布特征往往决定着暴雨的落区和强度，发生在地形附近的暴雨可产生极端的局部降雨和洪水[1]。国外对地形暴雨的动力过程和云中水凝物粒子特征已开展了较为深入的研究。Caracenaet等[2]研究发现墨西哥湾丰沛的暖湿气流遇到落基山脉后，迎风坡气流出现明显的辐合上升，同时，云中水凝物粒子快速聚集增长，准静止的深对流可能产生突发性大暴雨。Nuissieret等[3]和Ducrocqet等[4]指出在阿尔卑斯山脉和法国中央山脉附近沿山暴雨过程中，暴雨的动力过程和云中水凝物粒子的分布和演变向着有利于增强暴雨的方向发生了变化，导致在有利的成云致雨条件下山脉附近地区出现数百毫米的强降雨过程。气象学者们进一步研究指出，在地形暴雨过程中，气流遇到山脉后的发展趋势受垂直山脉方向上的水平气流强度（特别是低空急流强度）、气流的热力学稳定度和山脉的高度共同影响[5-6]；降水粒子落地时的分布位置则受地形的高度、地形的陡峭程度和微物理过程的时间尺度制约[7-8]。国内针对地形暴雨的动力过程和云中水凝物粒子特征也进行了许多卓有成效的研究工作。例如，盛春岩等[9]利用ARPS模式对北京山区附近的一次大暴雨进行数值试验，表明大暴雨是在多尺度地形及一定的天气系统配置下产生的，暴雨的动力过程很大程度上受地形影响，且在沿山地区上空云中水凝物粒子出现大值中心。段静鑫等[10]利用WRF-Chem模式模拟了四川盆地暴雨过程后指出，盆地北部山区附近大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展，云中水凝物粒子质量浓度明显增大，使降水强度增强至大暴雨量级。董春卿等[11]利用WRF模式对山西南部垣曲县喇叭口地形进行地形敏感性试验后指出，地形的变化对积层混合云系的动力结构和水相物质的微物理结构变化有显著的影响。可见，国内外气象学者已经开展了许多有关地形暴雨的动力过程和云中水凝物粒子特征研究，得到了诸多有益结论，为地形暴雨的发生发展机理研究和预报预警业务提供了科学支撑。然而，相较于国外和我国中东部地区，目前对于新疆地区的地形暴雨，尚有一些认识上的不足。

新疆位于亚洲中部，远离海洋，属于典型的干旱、半干旱气候区[12-13]。天山位于新疆中部，其巨大的体积深刻影响着新疆的天气气候。以往的诸多研究已表明沿天山地区暴雨过程中气流的强度和三维空间分布结构对暴雨的产生有重要影响[14-19]。沿天山地区暴雨系统的动力和热力结构演变及水汽分布特征与平原地区存在差异，从而造成沿天山地区暴雨的分布和强度演变具有不同于平原地区的特征[20-22]。许多气象学者也针对天山地形暴雨的触发、水汽的聚集、暴雨系统的增强等过程开展了研究，得到了一些有价值的结论[23-26]。以上这些研究成果一定程度上增强了人们对新疆地形暴雨的认识，对新疆地形暴雨的预报具有较好的指导意义。然而，以上有关新疆地形暴雨的研究大多利用再分析资料开展，资料时空分辨率有限。更重要的是，以往研究较少关注新疆地形暴雨过程中云中水凝物粒子的特征，而云中水凝物粒子的形成和增长与降水的关系最为密切[27]。加之新疆地域广阔，各地区的地形暴雨存在一定差异，有必要对更多地形暴雨进行深入研究。高分辨率数值模式可为研究地形暴雨提供高时空分辨率的资料，其物理量计算过程可生成云中水凝物粒子，为研究天山地形暴雨的动力过程和云中水凝物粒子结构特征提供了可能和便利。基于此，本文选取2018年5月23—24日北疆沿天山地区一次典型地形暴雨天气过程，在分析了地形暴雨产生的有利背景后，利用高分辨率数值模式WRF对此次地形暴雨的动力过程和云中水凝物粒子结构进行分析，以期为此类暴雨预报提供有益参考。

1 资料与方法

本文所使用的资料为美国国家环境预测中心和大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料（时间分辨率6 h，空间分辨率1°×1°）、国家卫星气象中心风云卫星遥感数据服务网提供的FY-2G逐小时TBB数据、新疆国家气象站及区域加密自动气象站降水资料和WRF3.8.1模式模拟输出资料，在利用观测资料和再分析资料对暴雨过程进行天气学分析的基础上，进一步应用高时空分辨率的数值模式WRF3.8.1模拟输出资料，揭示天山地形在暴雨过程中的作用。

2 暴雨过程的观测分析

2.1 天气实况

新疆幅员辽阔，但仅分布着105个国家气象站。近些年来，随着新疆经济和气象事业的不断发展，较为密集的区域加密自动气象站得以建设和应用，很大程度上解决了气象站点稀疏的问题。目前，北疆沿天山地区气象站网较为密集，但沿天山山脉较高海拔地区站点依旧稀疏（图1a）。2018年5月23日12时—24日12时（世界时，下同）北疆沿天山地区出现了一次暴雨天气过程，距离天山地形约50 km以内（44.5°N以南）地区的12个站点出现暴雨，然而距离天山地形约50 km以外（44.5°N以北）地区的站点仅出现了中雨以下量级的降雨（图1b）。可见，此次降雨受天山地形的影响较明显，属于典型的地形降雨天气过程。需要说明的是，北疆沿天山地区地理位置较为宽广，东西跨度较大，本研究重点关注的是85.5°～86.5°E的北疆沿天山地区。进一步分析可知，此次沿天山暴雨过程最强降雨时段为23日18时—24日00时，6 h总降雨量分布与日降雨量分布类似，同样体现出地形降雨的特征（图1c）。从北疆沿天山地区的乌兰乌苏、石河子、石河子143团卡子湾拦洪坝、石河子北阳山机场和沙湾县博尔通古乡1号5个代表站的逐小时降雨量演变可知，最强降雨时段为23日18时—24日00时，且降雨表现出积层混合云降雨特征（图1d），在较为平缓的降雨过程中出现短时强降水（乌兰乌苏站23日22—23时降雨量达10.4 mm）。

2.2 环流形势

2018年5月22日500 hPa欧亚中高纬度呈现“高—低—高”的“两脊一槽”环流形势，欧洲地区高压脊东移至乌拉尔山一带与里咸海高压脊同位相叠加，同时，新疆及其以北地区为高压脊控制区，两高之间的西西伯利亚地区为一低槽，且在中亚地区南部存在一短波槽。5月23日06时前后西西伯利亚低槽携带北方冷空气进一步东移南下，与中亚南部短波槽在巴尔喀什湖地区汇合形成中亚低槽，新疆西部受槽前强劲的西南急流控制。随着低槽进一步东移，北疆沿天山地区于23日18时开始受中亚低槽影响（图2a）。此时，700 hPa上巴尔喀什湖和新疆之间存在至少4个短波活动，北疆地区的短波已进入新疆西部，同时该短波有较明显的西北急流配合（图2b），偏西地区已经出现降雨；850 hPa与700 hPa上类似，但系统位置更偏东，西北急流已经抵达北疆沿天山地区附近，北疆沿天山地区开始出现降雨。随着中亚低槽进一步东移，23日18时—24日00时，700 hPa和850 hPa上低空西北或偏西急流加强并完全控制北疆沿天山地区，降雨强度明显增强。随着系统快速东移，5月24日00时后北疆沿天山一带的雨强明显减弱至停歇。

图1 天山地形（灰阶）和北疆沿天山地区气象站点分布（a）、5月23日12时—24日12时总降雨量分布（b）、23日18时—24日00时降雨量分布（c）和23日15时—24日03时北疆沿天山地区代表站逐小时降雨量（d）（单位：mm）

图2 5月23日18时500 hPa环流形势（a）和700 hPa环流形势（b）（红色箭头表示急流）

2.3 水汽输送特征

暴雨的产生离不开丰沛的水汽输送至暴雨区上空并产生辐合，乌拉尔山最高海拔为1895 m，700 hPa从西北部东南下的水汽输送带可翻越乌拉尔山进入新疆北部。由此次暴雨整层水汽通量和700 hPa水汽通量散度可见，5月22日12时巴伦支海水汽向东南方向经西西伯利亚平原输送至巴尔喀什湖北部地区后转向偏东方向输送至中西伯利亚地区，此时水汽通道还未进入新疆地区，新疆为水汽弱辐合区（图3a）。随着天气系统的东移南压，水汽通道进行了相应调整；23日18时水汽通道在西西伯利亚中部地区转向偏南方向输送至巴尔喀什湖东部后再次转向偏东方向输送至北疆沿天山地区，该处水汽通量达 25 g·hPa-1·cm-1·s-1， 水汽辐合大值区也加强为-2×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1左右（图 3b），为北疆沿天山地区暴雨的产生提供了较好的水汽条件，该处降雨开始出现。同时，南疆盆地内也存在一条水汽输送通道，但由于天山山脉的阻隔，对北疆沿天山地区暴雨影响不大。随着水汽通道向东移出北疆沿天山地区，暴雨的较强降雨时段结束。当然，随着系统进一步东移，在北疆东天山海拔相对较低地区，南疆地区水汽通道和北疆水汽通道将共同为降水提供水汽，但已不是本文重点研究的地区和时段。就此次北疆沿天山地区暴雨的水汽来源和输送而言，巴伦支海是暴雨水汽的来源，水汽经过西西伯利亚平原长距离输送至暴雨区并产生辐合；在输送过程中发生了多次转向，而这些转向很大程度上受天气系统调整的影响和制约。

2.4 暴雨云系特征

新疆地形复杂，卫星遥感资料对于暴雨系统的“捕捉”具有较强的优势。以往新疆暴雨的卫星观测研究表明，快速发展移动的暴雨云团或云系可造成较短时间内某处出现较强降水，云团或云系主要表现为孤立对流云团和积层混合云[14-16，25-26]。此次暴雨过程FY-2G卫星TBB资料显示，造成北疆沿天山地区暴雨的是积层混合云。5月23日18时，积层混合云覆盖了新疆偏西地区，云系前沿位于北疆沿天山地区；随着云系的东移，23日20时，云系逐渐移至沿天山地区，云系强度基本保持不变；23日22时，云系主体已控制了北疆沿天山地区，TBB值达-44℃以下的云体覆盖了暴雨区；24日00时，积层混合云强度已有所减弱，且主体已经移过北疆沿天山地区，该地区仅可见云系后边缘较为零散的弱云团，此时暴雨的强降雨时段已经结束，仅有零散的弱降雨出现。

图3 2018年 5月 22日 12时（a）和 23日 18时（b）整层水汽通量（箭头，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1，红色长箭头表示水汽输送路径）和 700 hPa水汽通量散度（阴影，单位： ×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）

3 数值模拟及验证

3.1 数值模式方案

本文模拟采用的数值模式为WRF3.8.1，模式的初始场和边界条件由NCEP/NCAR逐6 h的1°×1°再分析资料提供，模拟中心点设置在（44°N，86°E），采用三层双向嵌套，三层区域的水平分辨率分别为27 km、9 km和3 km，相对应的水平方向格点数分别为 300×240、514×373 和 661×451，垂直层数取 50层，积分步长为60 s。微物理过程采用Thompson方案，积云参数化采用Kain-Fritsch方案（3 km层次关闭积云参数化方案），边界层采用YSU方案，长波辐射采用RRTM方案，短波辐射为Dudhia方案，积分时间从8月23日06时—8月24日18时，共积分36 h。本文模拟分析所用资料均为水平分辨率3 km的模拟资料。

3.2 模拟结果验证

由模拟的日降雨量分布（图4a）与实况日降雨量分布（图1b）对比可知，模拟结果基本反映出降雨量的实际分布情况，较好地再现出44.5°N以北地区为中雨以下量级降雨、沿天山地区为大到暴雨的分布特征。但也可以看到模拟降雨和实况存在一定的差异，特别是天山地区，模拟出了实况上不存在的较强降雨，而差异存在的最大原因是天山地区气象站点稀缺（图1a），没有观测资料；此外，模式自身精度限制、模式地形与实际地形的差异以及地形降雨的复杂性等原因也是导致模拟结果与实况存在一定差异的重要原因。进一步从降雨最强时段的模拟降雨分布（图4b）与实况（图1c）对比可见，雨带分布和沿天山地区强降雨特征均得到了再现，模拟结果与实况较为接近。但也存在不足，模拟的强降雨中心强度较实况偏弱。总体来看，模拟结果已经可以反映出此次地形暴雨的雨带分布特征，特别是模拟出了沿天山地区的较强降雨，可以利用模拟输出资料对此次暴雨进一步分析。

4 地形暴雨产生的机制

4.1 地形对暴雨动力过程的影响

低空急流与地形的配合对暴雨的产生和增强具有显著的触发和增强作用[13-14]。从此次地形暴雨强降雨时刻的700 hPa低空急流和天山地形的配合可见，强降雨时低空急流发展强盛，急流核强度达30 m·s-1，北疆沿天山地区位于急流核前端，风速的辐合叠加地形的阻挡作用造成在3000 m地形处出现明显的上升运动，最强上升速度达1.8 m·s-1（图5a）。同时，低空急流造成的大气不稳定性使沿天山地区出现明显的正涡度和辐合（图5b），为较强降水的产生提供有利的动力条件。从雷达组合反射率分布可见，积层混合云回波特征明显，较强回波位于沿天山地区，在35 dBZ以上，而距离天山相对较远的45°N附近地区，回波较弱，与卫星观测到的云系特征一致，进一步说明了模拟的可靠性，且沿天山一带较强回波与强降雨带有较好的对应关系。由沿图5b中黑色实线所做的组合反射率和风矢量剖面可见，气流在天山迎风坡附近受地形阻挡抬升作用后向上发展，且迎风坡为较强回波区，说明迎风坡降雨强度较强。综上，低空急流在天山地形的有力配合下，为此次沿天山地区强降雨的出现提供了有利的动力条件。

图4 2018年5月23日12时—24日12时模拟的总降雨量分布（a）和23日18时—24日00时模拟的降雨量分布（b）

图5 2018年5月23日21时3000 m天山地形（灰色阴影）、模拟的700 hPa风场（风羽，单位：m·s-1）、急流（彩色阴影，单位：m·s-1）和垂直速度（黑色实线，单位：10-1m·s-1）（a）、模拟的 700 hPa沿天山一带涡度（彩色阴影，单位：10-5·s-1）和散度（黑色虚线，单位：10-5·s-1）（b）

4.2 地形对暴雨过程云中水凝物粒子特征的影响

Fan等[27]指出较强的上升速度与较多的水汽可以提高云系周围环境过饱和程度，进而影响云中水凝物粒子。图6为沿图4b黑实线所做的云中水凝物粒子、温度、垂直速度和风矢量剖面。强降水发生时，冰晶粒子主要分布在400 hPa以上高空，温度低于-30℃区域，沿天山地区为冰晶粒子大值区，中心强度达0.011 g·kg-1，其下气流遇天山地形后产生向上运动，对应了较明显垂直速度（图6a）。雪粒子分布较冰晶分布明显更广，主体位于400～800 hPa（对应温度-30～0℃），雪粒子的强度也明显强于冰晶，沿天山地区1.2 g·kg-1的雪粒子大值中心位于600～800 hPa，对应了较强的迎风坡辐合和上升运动。同时可见，在天山较高海拔直接与雪粒子接触的地形处，高海拔地区地面可直接降雪（图6b）。霰粒子主体分布在700 hPa以下的沿天山地区，与雪粒子大值中心相交，中心强度达0.16 g·kg-1（图6c）。云水分布与霰粒子相似，沿天山地区为霰粒子大值区，中心强度达 0.24 g·kg-1。 同时，700 ～800 hPa分布为过冷云水，有利于向液态云水转化，从而增强暴雨（图6d）。雨水主要分布在800 hPa以下低空，沿天山地区大值中心达0.2 g·kg-1，与霰粒子、云水相接。可见，在沿天山地区有利动力作用下，水凝物粒子聚集、增长，固相粒子与液相粒子在垂直分布上相交，有利于固—液粒子转化；霰粒子与过冷云水的存在，对于降雨强度的增强具有重要的作用。

图6 2018年5月23日21时模拟的沿图5b中黑色实线所做的云中水凝物粒子（彩色阴影，单位：g·kg-1）、风矢量（为分析方便，垂直速度 w×10）、温度（红色实线，单位：℃）、垂直速度（绿色虚线，单位：10-1m·s-1）和天山地形（灰色阴影）垂直剖面

5 结论与讨论

2018年5月23 日12时—24日12时北疆沿天山地区出现了一次典型的地形暴雨天气过程。本文重点分析了暴雨过程最强降雨时段23日18时—24日00时，得到结论如下：

（1）从暴雨区代表站的小时降雨演变和卫星TBB特征可判断此次暴雨过程为积层混合云降雨过程；东移加深的中亚低槽是此次暴雨的影响系统；北疆沿天山地区暴雨的水汽来源为巴伦支海，水汽经过西西伯利亚平原多次转向输送至暴雨区；快速移动的积层混合云是形成暴雨的主要云系。

（2）利用高时空分辨率数值模式WRF对此次暴雨过程进行模拟，在模拟结果能较好地反映此次降雨性质、分布和大值中心的基础上，利用模式输出资料对此次地形暴雨过程进一步分析。模拟结果表明暴雨过程强劲的低空急流在沿天山地区形成了显著的辐合区，在天山地形的抬升作用下，沿天山地区出现较明显的上升运动，为此次强降雨提供了有利的动力条件。

（3）北疆沿天山地区上空的水凝物粒子（冰晶、雪、霰、云水、雨水）在有利动力辐合抬升作用配合下，不断聚集、增长，在沿天山地区形成大值中心。固相粒子与液相粒子在垂直分布上相交，为固—液粒子转化提供了良好的条件，而其中霰粒子和过冷云水对增强降雨强度具有重要的作用。

本文对一次地形暴雨过程在观测分析的基础上，重点利用数值模式对地形暴雨的动力过程和云中水凝物粒子分布进行了研究，揭示了天山地形对暴雨动力过程和云中水凝物粒子的影响。但本文仅仅是对一次过程得到的结论，未来还需要通过更多的个例研究进行验证，为预报提供可靠参考。暴雨动力过程和云中水凝物粒子的影响。但本文仅仅是对一次过程得到的结论，未来还需要通过更多的个例研究进行验证。