引发新疆强降水的中亚气旋分析

2021-04-20熊秋芬苏小岚吐莉尼沙周雅蔓

气象与环境科学 2021年1期

熊秋芬，苏小岚，吐莉尼沙，周雅蔓

(1.中亚大气科学研究中心,乌鲁木齐 830002； 2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081； 3.新疆维吾尔自治区气象服务中心,乌鲁木齐 830002； 4.新疆维吾尔自治区气象台,乌鲁木齐 830002)

引言

自1922年以Bjerknes等[1]为代表的挪威学派基于地面观测资料提出了锋面气旋的概念模型后，有关锋面气旋及其相伴天气广受国内外学者的关注[2-10]，特别是随着先进探测技术的应用、探测资料时空分辨率的提高，对气旋的结构特征、发生发展机理等[11-19]的认识更加深入细致。Palmen等[20]基于高空观测网发现地面气旋上方是一个西风带的波动。Carlson[21]给出了锋面气旋中的三条输送带。Kuo等[22]用模式模拟了锋面气旋中三条输送带对应气块的后向轨迹。我国学者对锋面气旋研究始于20世纪70年代。李兆祥等[23]对黄河气旋进行了分析。梁钰[24]、范学峰[25]、鲁坦[26]等则对影响河南的黄河气旋进行了研究。熊秋芬等[27]用HYSPLIT模式轨迹追踪了锋面气旋中水汽的来源。

中亚地处中纬度西风带，副热带急流常在该地分支，而极锋急流和副热带急流也常在这里汇合，为中亚锋面气旋(简称中亚气旋，下同)的发生发展提供了有利条件。中亚气旋是造成新疆暴雨、暴雪等灾害性天气的主要系统之一[28]。张家宝等[29]指出，春季新疆17次大降水过程中，有13次与中亚气旋活动有关。庄晓翠等[30]分析了新疆北部一次暖区与冷锋并存的暴雪天气过程，其中暖区降雪实际上是中亚气旋东侧暖锋引起的。尽管早在20世纪80年代，张家宝等[29]曾分析过中亚气旋的天气特征及其对新疆的影响，但近30年利用高时空分辨率资料对中亚气旋生成源地及移动方向、云系特征、气旋的三维结构、输送带及其对新疆降水影响等方面进行系统性的研究相对较少。

本文利用常规高空、地面观测资料，地面加密观测资料，风云二号系列卫星水汽云图，对2014-2018年由中亚气旋引发的新疆强降水过程进行了统计分析，再选取典型个例，归纳出对新疆造成强降水、不同类型的中亚气旋概念模型及输送带特征，以期提高対该类天气系统及天气过程的认识，为“一带一路”精细化的预报服务提供参考。

1 中亚气旋定义

结合张家宝等[29]关于中亚锋面气旋的概念，又有别于文献[31-32]对中亚低涡的定义，将中亚气旋定义为在60°-90°E、35°-55°N范围内(图 1中红色框所示)生成并满足下列条件的气旋：

(1)以2.5 hPa间距绘制地面等压线，地面图上至少有一条闭合等压线的低压系统，并同时伴有冷锋和暖锋。

(2)850或700 hPa上有低涡系统，但气旋初生时以4位势什米间隔绘制等高线时，500 hPa没有闭合等高线或低压环流中心(低涡)，仅有低槽，如果气旋发展过程中500 hPa低槽发展成低涡，则认为是同一次气旋过程。

(3)气旋生成后的24 h内给新疆造成强降水，排除了文献[29]中在巴尔喀什湖以西生成且北上，并不直接影响新疆的气旋。

2 中亚气旋概况

按照上述对中亚气旋定义，利用常规观测资料、地面加密观测资料，结合新疆雨、雪本地的降水标准[29,32]，对2014-2018年新疆24 h降水达到或超过大雨(大雪)的天气过程进行普查。结果发现，在新疆115次强降水过程中，有24次强降水过程伴随中亚气旋。下面给出这24次中亚气旋过程的统计特征。

2.1 中亚气旋生成的时空分布特征

根据气旋中心生成所在地来划分，中亚气旋生成源地及生成次数见图1。

由图1可知，中亚气旋生成最多的地区是北疆以西的巴尔喀什湖及其北部地区(简称北疆以西，下同)，为13次；其次是北疆地区，为5次；另外北疆以北和巴尔喀什湖南部地区各2次；南疆西部1次；南疆东部1次。由此可见，北疆及其周围地区更有利于气旋的生成，而南疆生成气旋的概率较小。需要说明的是，生成于70°E以西、50°N以北的中亚气旋主要向东北方向移动，对新疆的影响系统只是冷锋尾部,而不是气旋本身，因此不包含在本文的统计中。

图1 2014-2018年影响新疆的中亚气旋生成源地及次数

从中亚气旋生成的月份分布(表1)来看，6、8、9月出现最多，均为5次；2、4、11月的次之，都为2次；1、5、7月分别仅为1次；而3、10、12月一次也没有出现。从季节上看，夏季(6-8月)生成最多，为11次；秋季(9-11月)次之，为7次；春季(3-5月)和冬季(12-2月)均为3次。中亚气旋的这种时间分布特征表明在冬半年极锋锋区和地面冷高压占主导地位而暖空气不强时，不利于气旋的形成；而在副热带锋区和暖湿气流活跃的夏季和初秋容易生成气旋。另外中亚气旋年际差别也比较大，在统计的5年中，2017年出现气旋次数最多，为9次；而2018年的最少，仅为2次(表2)。

表1 2014-2018年影响新疆的24次中亚气旋月分布

2.2 中亚气旋的移动和强度分布特征

24次中亚气旋过程移动特征见表2。表2显示，中亚气旋只有1次稳定少动，其他均向东或东北移，其中东移12次，东北移11次；且生成于北疆地区的气旋大多数以东移(3次/5次)为主，生成于北疆以西的气旋东移(6次/13次)和东北移(7次/13次)次数差别不大。

有15次中亚气旋中心气压强度在1000～1010 hPa(表2)，5次中心气压强度<1000 hPa，4次中心气压强度>1010 hPa，最高可达1022 hPa，最低为991 hPa。这些气旋向东或东北方向移动时不仅移速快，且大多数强度也是减弱的，仅有4次是加强的(表2中序号9、12、14、17)，并没有出现强度暴发式发展的气旋，也没有冷锋赶上暖锋而形成的锢囚气旋。中亚气旋强度的这种分布特征除了与暖湿气流不强有关外，还与新疆及其周围地区复杂的下垫面摩擦有关。另外由于中亚气旋(含与气旋相伴的冷暖锋)移动速度较快，其对新疆的影响时间普遍较短(表略)，基本上在1天以内，只有1次气旋过程超过1.5天(表2中序号9)、3次气旋过程维持2天(表2中序号4、12、24)。

2.3 中亚气旋的水汽云图特征

从中亚气旋的水汽云图统计特征(表2)可知，24次中亚气旋过程中有12次伴随逗点云系，8次为斜压叶状云系，3次由斜压叶状云系转换为逗点云系(表2中序号1、15、17)，1次由逗点云系变为螺旋云系(表2中序号21)，且云系有变化的4次过程均发生在新疆以西生成的气旋中。

2.4 中亚气旋与冷空气

气旋的发生发展与东、西两路冷空气有关[29]，分别对应暖锋锋生和冷锋锋生。表2给出了中亚气旋过程中地面东、西两路冷空气强度对比情况，有15次过程西路冷空气强于东路冷空气，7次过程则是东路冷空气强于西路冷空气，2次过程东、西路冷空气势力相当。进一步分析发现，南疆生成的2次气旋均为东路冷空气强而西路冷空气弱的情况。

2.5 中亚气旋与高空急流

通常情况下，高空急流出口区左侧和入口区右侧有正涡度平流和辐散，有利于地面气旋的生成和发展。表2反映出17次中亚气旋发生在高空急流出口区的左侧，7次在高空急流入口的右侧，因此中亚气旋生成时均伴有高空急流引起的辐散。

综上所述，造成新疆强降水的中亚气旋主要发生在夏季-初秋、70°E以东的北疆及其周围地区；气旋向东或东北移动并伴有高空辐散。云图上表现为逗点云系或斜压叶状云系。与在我国东部生成的气旋[33-35]相比，其生成时间、移动方向略有不同，生命史较短，强度也比较弱[36-39]。

表2 2014-2018年影响新疆的24次中亚气旋的统计特征

3 天气学模型

为了进一步探讨中亚气旋发生发展的天气背景、三维结构特征、输送带的配置及其与强降水的关系，本文按照不同类型、不同季节、对新疆影响时间及降水强度等标准，从24次引发新疆强降水的中亚气旋个例中选取了3个个例作为研究对象，具体时间为2017年8月11-13日、2015年2月12-14日和2015年5月17-21日，分别代表表2中北疆以西、北疆地区和南疆的气旋生成过程。由于生成于巴尔喀什湖南部的气旋与南疆的气旋类似，因此以南疆的气旋个例为代表来讨论该类气旋；而生成于北疆以北的气旋由于个例少，且与北疆以西生成、向东北方向移动的气旋类似，限于篇幅，不再单独讨论该类气旋。

3.1 2017年8月11-13日天气过程

3.1.1 过程简介

8月11日14时-13日11时，北疆各地、天山山区、喀什地区东部、和田、阿克苏、巴州北部等地的部分地区出现小雨，其中伊犁河谷、博州、塔城、阿勒泰、北疆沿天山一带、天山山区、巴州北部等地的部分地区出现中到大雨，山区局部有暴雨，降水中心为新源吐尔根，降水量为75.9 mm。上述大部地区伴有5级左右偏西风，风口风力9级左右(图略)。

3.1.2 环流特征及主要影响系统

8月11日08时，500 hPa图(图2a)上欧亚中高纬地区为二脊一槽形势，脊分别位于雅库茨克和乌拉尔山地区，两脊之间为宽广的低涡、低槽区；其中西西伯利亚为低涡区，与其相伴的冷槽分为南、北2支，南支冷槽在咸海到巴尔喀什湖之间、槽底南伸至40°N；槽前暖平流和正涡度平流减压，对应700和850 hPa在巴尔喀什湖附近有低涡、切变线存在，并伴有东北-西南向的锋区(图略)。北疆及天山周围700 hPa上有西南气流输送水汽，比湿达3～6 g/kg，而850 hPa上则有偏东气流输送水汽，比湿为4～6 g/kg。地面图上，气旋在巴尔喀什湖东北部生成并伴有斜压叶状云系(图2b)，而新疆大部受热低压控制。从塔城和克拉玛依站探空图(图2c、d)上可以看出，2个站850 hPa以下均为偏东风，850-700 hPa风向随高度顺转有暖平流，整层垂直风切变较大，600 hPa的对流层中下层有逆湿，近地层有逆温层，该逆温层的存在不仅使水汽和能量聚集，而且一旦午后到傍晚近地层气温升高，逆温层会消失，出现超绝热现象，有利于对流性降水的发生。随着500 hPa南支冷槽、中低层低涡、切变线及地面气旋的东移，位于气旋东侧暖区中的北疆西部及天山11日下午开始产生降水。

图2 2017年8月11日08时500 hPa形势图(a)、地面形势图和FY-2G水汽图像(b)及塔城(c)和克拉玛依站(d)探空图

至11日20时，500 hPa南支冷槽加深东移到巴尔喀什湖东部(图3)，对应700和850 hPa的低涡、切变线也东移，锋区加强并开始影响北疆(图略)，比湿也增大；地面气旋发展加强并向东北方向移动达到北疆北部(图3)，与其相伴的斜压叶状云系已变为逗点云系(图略)；气旋和冷锋已进入新疆西部，降水区东移并加强；同时塔城和克拉玛依站探空图(图略)上显示700 hPa以下已变为中性层结，逆湿层和逆温层均已消失。12日08时以后(图略)，500 hPa西西伯利亚地区的北支锋区中冷空气补充南下，南支冷槽继续加深东移，中低层切变线、锋区及地面冷锋自西向东影响新疆，降水和大风天气也随之东移南下。由于各层系统移动缓慢，因此新疆降水持续时间达1天。

8月11日08到20时(图略)，100 hPa南亚高压2个中心分别东移到了伊朗高原和青藏高原上空，且伊朗高原上空的高压中心强于青藏高原上空的高压中心；2个高压之间的副热带长波槽由60°E以西东移到了70°-80°E；南亚高压北侧的副热带急流维持在40°N附近，新疆大部处于急流出口区左侧和风向分流辐散中。

3.1.3 8月11日20时中亚气旋的结构特征

图3给出了11日20时中亚气旋的三维结构特点及输送带分布。由图3可以看出，地面气旋位于500 hPa槽前、高空200 hPa急流出口区左侧，急流出口区左侧有风向分流辐散(由于200 hPa的急流强度比100 hPa强，因此本文采用高空急流最强的层次，下同)。850 hPa低涡切变线附近比湿较大，为6～7 g/kg，此时降水出现在气旋南侧及冷锋附近。按照Carlson[21]给出的三个输送带的概念，综合各层风场、温度场和湿度场的分布，得到该类中亚气旋输送带的分布特征：在“东高西低”的形势下，暖输送带(红色箭头)中的偏南气流从地面气旋东南侧暖湿区上升，再沿冷锋锋面爬升，在对流层中层转为偏南风，到对流层上层转为西南风；冷输送带(蓝色箭头)中的偏东气流从地面气旋的东北侧、东路冷高压的后部向西爬升到850 hPa低涡的东北侧；对流层上层副热带长波槽后的干空气沿西北气流下沉到对流层中层，形成了干带(黄色箭头)，对应水汽图像中气旋后部的暗区(图略)，由此组成了气旋中的三个输送带。干空气叠加到低层暖湿气流之上,增加了大气的不稳定性，有利于对流性降水的发生。

图3 2017年8月11日20时影响新疆的中亚气旋高低空系统配置、降水落区及输送带示意图

3.2 2015年2月12-14日天气过程

3.2.1 过程简介

2月12日14时-14日14时北疆大部、天山山区和南疆西部山区、哈密的局部地区出现小雪，其中伊犁河谷、塔城、阿勒泰、北疆沿天山一带、天山山区等地的部分区域出现中到大雪，塔城、北疆沿天山一带、天山山区等的部分地区和伊犁河谷局部暴雪；北疆大部为4级左右西北风，风口风力达8级；气温普降5 ℃，偏北地区降温达10 ℃以上(图略)。

3.2.2 环流特征及主要影响系统

2月12日08时(图略)，500 hPa欧亚中高纬地区为宽广的低槽区，其中西西伯利亚低槽与中纬度短波槽在巴尔喀什湖西部叠加且伴有强锋区；槽前中低层切变线在巴尔喀什湖附近，并伴有东东北-西西南向的锋区；700和850 hPa分别有偏南急流和偏东气流向北疆输送水汽，比湿达1～2 g/kg；塔城和阿勒泰的探空图(图4)均显示中低层有2个逆湿层、近地层有逆温，925-850 hPa为偏东风且925-700 hPa风向随高度顺转有明显的暖平流，整层垂直风切变大；地面冷锋在巴尔喀什湖东部但未进入新疆(图略)。至12日下午，位于冷锋前暖区的北疆西部已有降雪发生(图略)。

13日08时，500 hPa冷槽继续加深东移到巴尔喀什湖附近(图5a)；700 hPa切变线也东移并开始影响北疆，850 hPa图上有低涡在北疆生成，低涡东侧偏东风维持，湿度增大，锋区加强且由东东北-西西南向转为东北-西南向(图略)；地面图上北疆有气旋生成并伴有逗点云系(图5b)，同时气旋及冷、暖锋附近的降雪加强。13日20时(图略)，500 hPa冷槽移到新疆中部，对应700 hPa切变线、850 hPa低涡快速移到新疆东部，地面气旋已移过新疆，与其相伴的冷锋已翻过天山，降雪区向东、向南扩展，气温下降。

过程期间(图略)，100 hPa南亚高压主体位于阿拉伯海上空，其北侧的副热带急流也南退到30°N附近。新疆则处于300 hPa西南极锋急流入口区的右侧，且急流轴上有槽存在，槽前正涡度平流引起的辐散也有利于低层辐合上升运动和降雪的加强。

图4 2015年2月12日08时塔城(a)和阿勒泰站(b)探空图

图5 2015年2月13日08时500 hPa形势图(a)和地面形势图及FY-2E水汽图像(b)

3.2.3 2月13日08时中亚气旋的结构特征

由高低空系统配置、降水落区及输送带示意图(图6)可以看出，地面气旋位于北疆，该气旋处在500 hPa高空疏散槽前、高空300 hPa极锋急流入口区右侧辐散区。850 hPa冷式切变线附近比湿最大，为4g/kg，气旋周围都出现了降水。综合各层风场、温度场和湿度场的分布得到：近地层的偏南暖湿空气在暖区先上升，再沿冷锋和暖锋锋面爬升到对流层中层后转为偏西风，然后在对流层上层转为西南风，形成暖输送带(红色箭头)；从地面气旋的东侧、东路冷空气后部爬升到850 hPa低涡东北侧的偏东气流形成冷输送带(蓝色箭头)，该气流与暖输送带中的暖湿气流交汇，加强了北疆北部的降雪，即暖锋附近的降雪；对流层上层的干空气沿槽后西北极锋急流下沉到对流层中层形成了干带(黄色箭头)，对应水汽图像中气旋后部的暗区(图5b)，由此组成了气旋中的三条输送带。

图6 2015年2月13日08时影响新疆的中亚气旋高低空系统配置、降水落区及输送带示意图

3.3 2015年5月17-21日天气过程

3.3.1 过程简介

5月17日08时-21日05时(图略)，北疆各地、天山山区、阿克苏、哈密和南疆西部、吐鄯托盆地、巴州等地的部分地区出现小到中雨，其中伊犁河谷、博州、北疆沿天山一带、天山山区、巴州北部等地的部分地区及塔城、哈密、阿克苏、克州等地的局部出现大到暴雨，天山山区局部为大暴雨。上述地区出现4～5级西北风，十三间房最大风力为9级，南疆盆地部分地区出现扬沙或沙尘暴。

3.3.2 环流特征及主要影响系统

5月17日08时(图略)，500 hPa欧亚中高纬为二槽一脊的形势，脊位于新疆至中西伯利亚地区，乌拉尔山至西西伯利亚地区附近为低涡活动区，低涡中不断有小槽分裂东移；另外在巴尔喀什湖南部-伊朗有冷槽。冷槽前中低层南疆盆地有低涡、切变线存在，并伴有东东北-西西南向的锋区；850 hPa上有偏东气流输送水汽，比湿达4 g/kg以上；从库车和库尔勒站探空图上(图7)可以看出，对流层中层饱和度高，低层有偏东风，整层垂直风切变大，近地层库车有逆温层而库尔勒有逆湿；地面图上东西向的冷高压位于伊朗到北疆以西地区，冷锋前沿已到达中哈边境，新疆大部为暖低压控制。

图7 2015年5月17日08时库车(a)和库尔勒(b)探空图

18日08时，500 hPa从中高纬低涡中分裂的短波槽到达北疆；原位于巴尔喀什湖南部-伊朗的冷槽越过帕米尔高原移到南疆西部-青藏高原西部(图8a)，冷槽前中低层南疆盆地仍有低涡、切变线，但原来850 hPa上东东北-西西南向锋区变为2段，即沿天山东部东西向的锋区和南疆西部东北-西南向的锋区，表明有东、西两路冷空气分别进入南疆；同时地面冷高压分裂成2个中心(图8b)，东侧冷空气已移过北疆，北疆大部已出现降水，而南疆西部处于东侧冷高压中心的后部、西侧冷高压中心的前沿，分别对应有暖锋锋生和冷锋锋生，且南疆西部有闭合的低压中心存在，此时水汽图像上出现了逗点云系，也表明气旋已经生成并伴有降水。18日20时(图9)，500 hPa北疆的槽加深东移，而南疆的冷槽也移到了南疆中部-高原中部，对应中低层地区低涡、切变线，地面气旋也东移。19日20时以后500 hPa冷槽在新疆东部发展成低涡，850 hPa低涡和地面气旋已移过新疆，降水逐渐减弱(图略)。

过程期间(图略)，100 hPa南亚高压主体位于印度半岛到孟加拉湾上空，其北侧的副热带急流也南退到40°N以南；新疆则处于250 hPa西南极锋急流入口区的右侧和风向分流辐散区中(图9)，且急流轴上有槽存在，槽前正涡度平流引起的辐散也有利于低层辐合上升运动和降水的加强。

图8 2015年5月18日08时500 hPa形势图(a)和地面形势图及FY-2D水汽图像(b)

图9 2015年5月18日20时影响新疆的中亚气旋高低空系统配置、降水落区及输送带示意图

3.3.3 5月18日20时中亚气旋的结构特征

由高低空系统配置、降水落区和输送带示意图(图9)可以看出，地面气旋位于南疆中部、500 hPa南北2支槽前、高空250 hPa西南急流入口区右侧的风向分流辐散区。850 hPa低涡及切变线附近比湿较大，为6～7 g/kg，强降水主要出现在气旋的东北部。综合各层风场、温度场和湿度场的分布得到：(1)近地层的偏南暖湿空气在暖区先上升，再沿暖锋锋面爬升到对流层中层后转为西南风，西南风一直维持到对流层上层且风速增大形成暖输送带(红色箭头)；(2)从地面气旋的东侧、东路冷空气后部爬升到850 hPa低涡东北侧的偏东气流形成冷输送带(蓝色箭头)，该气流与暖输送带中的暖湿气流交汇形成了南疆北部的强降水，即暖锋附近的降水；(3)对流层上层的干空气沿槽后西北极锋急流下沉到对流层低层形成了干带(黄色箭头)，对应水汽图像中气旋后部的暗区(图略)。

通过上面的分析可知，尽管影响新疆的气旋生成源地和降水落区不同，但也具有共性特征：降水先发生在暖区，然后是气旋和冷锋或暖锋共同产生降水。中亚气旋为浅薄系统，即地面和850 hPa或700 hPa有低压存在，而700 hPa以上减弱为槽；中亚气旋均生成于槽前“东高西低”形势下，槽前暖平流和正涡度平流使地面减压有利于气旋的发生发展；中、高纬环流甚至与低纬环流相互作用，高、中、低空系统配合下使低层辐合、高层辐散，有利于强降水的发生。气旋中三条输送带与降水的位置和强度密切相关。3次过程中均存在中低层湿度大，低层偏东风、高层西南风等新疆强降水的特点[28,29]，垂直风切变大也表明强降水发生在斜压大气环境中。

4 结论和讨论

4.1 结论

通过对2014-2018年造成新疆强降水的中亚气旋的统计和分析，得到以下结论：

(1)新疆115次大雨(大雪)及以上降水过程中，有24次伴有中亚气旋。

(2)中亚气旋主要发生在夏季-初秋、70°E以东的北疆及其周边地区，其中北疆以西最多，而南疆气旋较少；气旋向东或东北移动且移速快；云图上主要表现为逗点云系或斜压叶状云系；绝大多数中亚气旋中心气压在1000 hPa以上，强度较弱；17次中亚气旋发生在高空急流出口区的左侧，7次在高空急流入口的右侧；虽然中亚气旋强度不强，但其生成和发展时均伴有高空辐散。

(3)与中亚气旋相伴的强降水先发生在暖区，然后是气旋和冷锋或暖锋共同产生降水。中亚气旋为浅薄的斜压系统；在“东高西低”的形势下，高、中、低层系统相互作用，以及偏南风和偏东风水汽输送均有利于强降水产生，具有典型新疆大降水的环流特征。

(4)中亚气旋中三条输送带的特征是：从近地层暖区上升的偏南暖湿空气沿锋面爬升到对流层上层形成了暖输送带，从地面气旋东侧、东路冷空气后部上升到850 hPa低涡东北侧的偏东气流形成了冷输送带，从对流层上层沿西北气流下沉到对流层中、下层的干空气构成了干带，由此构成了气旋中的三条输送带。干空气叠加到低层暖湿气流之上，使大气不稳定性加剧，降水与三条输送带密切相关。