基于多源资料的乌鲁木齐市两次极端短时强降水对比分析

张金霞，张云惠，于碧馨，芒苏尔·艾热提

（1.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州730000；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

短时强降水是强对流天气的一类，具有突发性强、降水强度大、降水时间短等特点，易导致城市内涝、山洪、泥石流等次生灾害，给社会经济建设造成严重损失，是主要的灾害性天气之一。早在20世纪，国内许多专家针对我国暴雨及短时强降水进行了诸多研究[1-3]，认为暴雨是多种尺度系统相互作用的产物，短时强降水具有中小尺度特性。近年来，随着气象业务现代化进程加快，气象专家又对其进行了深入探讨。孙继松等[4]、徐东蓓等[5]根据西北地区不同强对流过程的不同主导因素进行分类，总结了西北气流强迫类强对流天气的热力、动力机制。同时，高分辨率探测资料的应用为中小尺度天气系统研究提供了可能，大量研究利用高分辨率云图[6-7]、风廓线雷达[8-9]、多普勒雷达[10-11]等资料对局地对流性天气进行分析，提高了对局地灾害性天气的认识，但所取得的研究结果主要针对100°E以东区域。

新疆气象专家针对不同区域短时强降水进行了相关研究[12-16]，指出中亚低值系统是造成新疆强降水的主要影响系统，并归纳总结了新疆暴雨的典型环流配置，且在中亚低涡背景下1800～2000 m的连续短时强降水站次最多；分析近10 a新疆短时强降水环境参数特征发现[17]，T-ln P形态分为上下干而中层湿、下湿上干、整层湿等三种类型。张超等[18]通过分析2012—2016年暖季乌鲁木齐短时强降水环境条件，将500 hPa影响系统分为西西伯利亚低槽、中亚低涡和西北气流三类。杨莲梅等[19]对西北气流下一次乌鲁木齐短时强降水进行分析表明，脊前西北低空急流触发对流，对流单体以“列车效应”形式造成乌鲁木齐短时强降水。刘晶等[20]利用多源资料对乌鲁木齐一次短时强降水和冰雹的中小尺度特征进行分析，表明低空急流触发产生短时降水，低空急流向低层下传是触发冰雹的关键因子。阿不力米提·阿布力克木等[21]研究发现风廓线雷达资料能够清楚反映乌鲁木齐降水开始、结束及降水的强度。

上述研究成果丰富和提高了对新疆及乌鲁木齐短时强降水机制的认识，但利用多源高分辨资料对乌鲁木齐短时强降水中小尺度特征的研究仍较匮乏，为此，本文利用常规观测、区域自动站、FY-2G气象卫星、多普勒雷达、风廓线雷达及NCEP 1°×1°再分析等多源资料，对比分析近10 a乌鲁木齐两次极端短时强降水过程，即2015年6月9日和2015年6月27日两次天气过程（分别简称“6·09”和“6·27”过程），在分析天气尺度背景、水汽、动热力条件基础上，重点对比分析两者中小尺度系统特征，以期为乌鲁木齐短时强降水的短期及短时临近预报提供参考。

1 短时强降水实况

“6·09”过程：2015年6月9日15时—10日05时（北京时，下同）乌鲁木齐市出现以短时强降水为主的强对流天气（图1a），7站暴雨、1站大暴雨（新疆暴雨、大暴雨标准分别为日降水量＞24 mm、48 mm，下同），最大降水中心位于东部山区的柏杨乡独山子村，为56.8 mm；乌鲁木齐站降水量为25.0mm。有5站雨强＞10mm/h（新疆短时强降水标准），其中4站集中在乌鲁木齐站及以东30 km内的山区，且都发生在18—20时，柏杨乡独山子村18—19时降水量13.7 mm（图1c）；乌鲁木齐19—20时降水量为14.7 mm，突破了该站有气象记录以来小时雨强极值，并伴有雷电、对流性大风。暴雨引发了山洪、泥石流、滑坡等地质灾害，造成城区内涝和多处路段积水，给当地交通、电力、基础设施等带来严重影响。

图1 乌鲁木齐市累计降水量（a，b）和自动气象站逐小时降水（c，d）

“6·27”过程：2015年6月27日08时—28日08时乌鲁木齐市出现明显暴雨天气（图1b），14站暴雨、1站大暴雨，最大降水中心位于南部山区的水西沟为58.5 mm；乌鲁木齐站降水量为28.2 mm。共有9站雨强＞10mm/h，但时空分布较为分散，水西沟强降水主要集中在27日16—18时，雨强分别为15.0、19.3 mm/h（图1d），28日00—01时降水量为18.9 mm；乌鲁木齐强降水时段为27日21时—28日03时，其中27日23时—28日00时降水量为10.1 mm，小时雨强居乌鲁木齐近10 a来第二。

两次短时强降水均发生在下午至夜间，最大降水中心均在山区。“6·09”过程具有突发性、局地性、时段集中的特点，强降水落区主要在中东部，且伴有对流性大风；而“6·27”过程特点是暴雨区范围大、时段分散，强降水落区主要在南部和中东部。

2 天气尺度环流背景对比分析

2.1 高低空系统配置

“6·09”过程前的6月7—8日北疆受低槽影响降水明显，低层空气湿度较大，9日08时，塔城—克拉玛依—天山北坡850 hPa比湿为6～9 g/kg，700 hPa比湿为4～5 g/kg。9日14时，200 hPa阿勒泰地区东部—哈密市南部为西北急流，乌鲁木齐处于急流入口处右侧，高空辐散明显；500 hPa欧亚范围中高纬为两槽一脊的经向环流（图2a），乌拉尔山附近和蒙古高原为低槽，乌拉尔山低槽配合有-20℃的冷中心，西伯利亚至新疆为高压脊，北疆中东部受高压脊前西北气流控制；700～850 hPa新疆为高压脊并配合有温度脊，700 hPa石河子—乌鲁木齐为显著偏西气流，850 hPa塔城地区北部—乌鲁木齐西北风速由8 m/s增大至16 m/s，700～850 hPa双低空急流在乌鲁木齐上空耦合，同时受天山地形强迫抬升，对流快速发展（图2c）。对应海平面气压场，14时乌鲁木齐受热低压控制，气压为1004 hPa，气温为29.5℃，随着冷空气快速侵入，18时乌鲁木齐地面气压升高4 hPa、气温降低5℃。

图2 500 hPa高度场（实线，单位：dagpm）、风场（风向杆，单位：m/s）、温度场（虚线，单位：℃，）（a，b）和高低空天气系统配置（c，d）

“6·27”过程前受中亚低值系统前偏西气流的影响，乌鲁木齐上空维持较高的比湿，22—26日850 hPa比湿为7～8 g/kg，700 hPa比湿为5～6 g/kg；27日乌鲁木齐出现微量降水补充了低层水汽，850 hPa比湿增至10 g/kg，700 hPa比湿增至8 g/kg。27日20时，200 hPa乌鲁木齐处于西南急流出口处左侧；500 hPa欧亚范围中低纬为两脊一槽（图2b），中亚南部和青藏高原东部为高压脊，新疆为低槽活动区，乌鲁木齐受低槽前偏南气流影响；700 hPa低涡中心位于巴州北部，巴州北部至乌鲁木齐有偏南风与偏北风的切变，700 hPa东南暖气流及850 hPa西北冷气流在乌鲁木齐上空汇合，冷暖交汇增强了对流不稳定（图2d）。对应海平面气压场，27日乌鲁木齐受热低压控制，随着北疆西部地面冷高压东移，20时乌鲁木齐处于冷高压前沿，气压略升。

两次过程均为低层冷空气侵入，冷暖交汇，同时受天山地形强迫抬升，产生强降水。不同的是“6·09”过程500 hPa受高压脊前西北气流控制，700 hPa偏西急流与850 hPa西北急流耦合触发，上游及本地水汽快速聚集产生局地性强降水；“6·27”过程是在中亚低涡背景下，500 hPa西南气流、700 hPa东南气流和850 hPa西北气流3支气流交汇，整层持续增湿，风切变及辐合明显，造成强降水。

2.2 水汽条件

“6·09”过程：分析各时次各层水汽通量和水汽通量散度表明，6月7—8日北疆受低槽影响自巴尔喀什湖至北疆有明显的水汽输送，8日夜间低槽移过乌鲁木齐，水汽通道断裂；随着乌拉尔山低槽发展，6月9日14时，对流层低层从槽底快速建立了一支向东输送的水汽通道，该水汽通道自塔城地区进入新疆后在中天山北坡辐合，在乌鲁木齐附近形成-25×10-7g/（cm2·hPa·s）的水汽通量散度辐合中心（图3a），在偏西急流的作用下，20时该中心水汽通量散度达-40×10-7g/（cm2·hPa·s），为强降水提供了有利的水汽条件；之后随着强水汽辐合中心东移，强降水中心移至昌吉州东部山区。

图3 700 hPa水汽通量（单位：g/（cm·hPa·s）和水汽通量散度（填色区，单位：10-7 g/（cm2·hPa·s））

“6·27”过程：27日，乌鲁木齐受低涡前偏南气流影响，500～700 hPa偏南气流将水汽输送至乌鲁木齐附近，同时低层河西走廊东南气流将水汽输送至乌鲁木齐，乌鲁木齐附近有-25×10-7g/（cm2·hPa·s）的水汽通量散度辐合中心（图3b），造成乌鲁木齐站的弱降水和南部山区的强降水；20时，随着西部冷空气侵入，850 hPa塔城地区至乌鲁木齐建立了一支弱水汽输送通道；来自西南、偏西、偏东的3支水汽通道在乌鲁木齐附近汇合，27日20时—28日02时乌鲁木齐附近维持-30×10-7g/（cm2·hPa·s）的水汽辐合中心，为短时强降水提供了充足的水汽；之后随着低涡东移北上，水汽输送通道断裂，降水减弱停止。

2.3 探空分析

“6·09”过程：9日08时，乌鲁木齐上空700 hPa以上为≥16 m/s的西北风，0～3 km垂直风切变达18 m/s，且近地层有弱逆温，有利于不稳定能量积累；14时乌鲁木齐站订正探空温、湿廓线呈“X型”分布（图4a），即上下干、中层湿；由于白天晴热，14时地面气温升至29.5℃，△T850-500达36℃，环境温度递减率加大，有利于层结不稳定发展；订正后CAPE值1127 J/kg，K指数33℃，沙氏指数SI为-1.5℃，说明午后大气层结不稳定明显增强。

“6·27”过程：27日08时，乌鲁木齐上空中高层为一致的偏南风，低层为偏东风，0～3 km垂直风切变为8 m/s，500 hPa以下风随高度顺转有暖平流，500～300 hPa风随高度逆转有冷平流，有利于不稳定层结发展；14时乌鲁木齐站订正探空曲线300 hPa以下为深厚湿层（图4b），水汽条件较好，△T850-500达29℃，订正后CAPE值为676 J/kg，K指数为36℃，沙氏指数SI为0.3℃，不稳定条件有利于对流天气发生。

图4 6月9日14时（a）和6月27日14时（b）乌鲁木齐站订正探空曲线

3 基于多源资料的中尺度特征分析

3.1 中尺度对流云团演变特征

“6·09”过程：FY-2G逐小时0.1°×0.1°分辨率云顶亮温TBB动画显示，9日17时石河子附近生成3个对流云团，位于西部的两个云团快速东移与东部的云团合并加强为中β尺度对流云团A，18时（图5a）云团A发展成较规则的椭圆形，TBB最低达-52℃，同时在乌鲁木齐附近生成云团B。在低空急流及天山地形强迫抬升的作用下，19时（图5b）云团B快速发展为椭圆状中β尺度对流云团，TBB最低为-52℃，乌鲁木齐、柏杨乡独山子村位于该云团西侧TBB梯度最大处，18—19时两站分别出现5.4、13.7 mm的强降水。云团A在偏西气流引导下，20时（图5c）与云团B合并，面积增大，强度加强，TBB＜-48℃的面积达6000 km2，乌鲁木齐位于云团西侧TBB梯度大值区，19—20时乌鲁木齐、柏杨乡独山子村站分别出现14.7、13.6 mm的强降水。上述云团演变与前述偏西急流引导下，在乌鲁木齐附近形成强水汽辐合中心相对应。

图5 6月FY-2G卫星0.1°×0.1°分辨率云顶亮温TBB（单位：℃）

“6·27”过程：27日15时，乌鲁木齐南部山区有一对流云团，在西南气流引导下向东北移动，16时TBB达-40℃，水西沟位于该云团南侧TBB梯度大值区，16—17时、17—18时分别出现15.0、19.3 mm的强降水，之后该云团减弱东移北上。20时在乌鲁木齐西部生成云团A，该云团东移发展，21时（图5d）TBB最低为-40℃，乌鲁木齐位于云团南侧TBB梯度大值区，21—22时产生4.5 mm的降水，同时云团A西南部生成新的云团B；云团B东移发展，22时（图5e）TBB值达-44℃，22—23时该云团在乌鲁木齐上空缓慢移动，造成乌鲁木齐3.5 mm的降水。22时在昌吉州西部生成的云团C发展东移，至23时（图5f）与云团B合并，乌鲁木齐位于该云团东南侧TBB梯度大值区，对应27日23时—28日00时产生10.1 mm的强降水；28日00时，该云团分裂为2个云团，东侧的云团快速减弱东移，西侧的云团面积增大、强度增强、TBB达-44℃，水西沟位于云团南侧TBB梯度大值区，该站00—01时产生18.9 mm的强降水，同时该云团在西南气流引导下向东北方向缓慢移动，造成乌鲁木齐00—02时6.7 mm的降水。

造成“6·09”过程强降水的中尺度对流云团在低空偏西急流前方生成，在乌鲁木齐东部山区快速发展，与上游东移减弱的云团合并，TBB最低为-52℃，生命史3～4 h。造成“6·27”过程强降水的云团在乌鲁木齐西南部生成，强度较弱，TBB最低为-40～-44℃，范围较小，生命史2～3 h；但两者强降水时段均对应对流云团TBB梯度最大处。

3.2 多普勒天气雷达特征

“6·09”过程：石河子多普勒天气雷达不同仰角反射率因子及其剖面演变显示，6月9日18：04（图6a），乌鲁木齐西北方向有西北—东南排列的多单体风暴，与上文对流云团B对应。中γ尺度对流单体A距乌鲁木齐20 km，强回波48 dBZ，中γ尺度对流单体组成的雷暴群B距乌鲁木齐40 km，最强回波达55 dBZ，强回波顶高为4～5 km，在西北急流引导下对流单体快速东南移。18：38（图6b）单体A移至乌鲁木齐，强度略有减弱，径向速度图上有明显气旋式辐合区（图6d），造成乌鲁木齐20 min内5.4 mm的降水。雷暴群B东南移，19：07（图6c）其中两个对流单体合并为单体C快速移至乌鲁木齐，强度增强，面积增大，强回波顶高为6 km，并伴有对流性大风，乌鲁木齐站极大风速达16.4 m/s；单体C后向新生的对流单体沿西北气流以“列车效应”形式继续影响乌鲁木齐，造成乌鲁木齐14.7 mm/h的强降水。

图6 6月9日18：04（a）、18:36（b）、19：07（c）石河子站雷达0.5°仰角基本反射率因子及其剖面（白线为剖面处；单位：dBZ）和18：38径向速度（d，单位：m/s）

“6·27”过程：乌鲁木齐多普勒天气雷达不同仰角反射率因子及其剖面演变显示，6月27日16：05乌鲁木齐南部是混合性降水回波，水西沟西南有40 dBZ的对流单体向东北移动，16：30开始影响水西沟，16：39强度最强达50 dBZ，强回波顶高为5 km，且有明显的倾斜结构，该单体缓慢移过水西沟造成16—17时15.0mm的强降水；17：18、17：41混合性降水回波中有2个对流单体移过水西沟，回波强度为40 dBZ，强回波顶高＜4 km，造成该站19.3 mm/h的强降水。28日00：09、00：26两个对流单体移过水西沟，造成00—01时18.9 mm的强降水。石河子多普勒天气雷达不同仰角反射率因子及其剖面演变显示，20：48乌鲁木齐西南有2个回波强度＜40 dBZ的中γ尺度对流单体A、B（图7a），在西南气流引导下缓慢向东北移动发展，21：40单体A、B分别移过乌鲁木齐西侧、东南侧（图7b），单体没有直接经过乌鲁木齐上空，因此21—22时乌鲁木齐降水仅4.5 mm。21：40乌鲁木齐西南25 km处生成的对流单体C沿西南气流向东北移动发展，23：06开始影响乌鲁木齐，23：29（图7c）单体C发展到最强且正好移过乌鲁木齐上空，强回波及其顶高分别为48 dBZ、4 km，径向速度图上有明显的辐合区（图7d），造成乌鲁木齐27日23时—28日00时10.1 mm的强降水。

图7 6月27日20：48（a）、21:40（b）、23：29（c）石河子站雷达0.5°仰角基本反射率因子及其剖面（白线为剖面处；单位：dBZ）和23：00径向速度（d，单位：m/s）

综上所述，“6·09”过程是西北急流前端不断新生中γ尺度对流单体，以“列车效应”形式快速影响乌鲁木齐，回波强度为55 dBZ，强回波顶高为6 km，乌鲁木齐产生极端强降水。“6·27”过程是在西南气流引导下，混合性降水回波中发展的中γ尺度对流单体缓慢移动，回波强度为40～50 dBZ，强回波顶高为4～5 km。两次过程均属于低质心对流风暴，且对应明显的风辐合区。

3.3 地面加密风场特征

乌鲁木齐附近加密自动站间距＜20 km，能有效捕捉中γ尺度系统。分析地面风场表明，6月9日降水前乌鲁木齐及其周边为弱西北风＜4 m/s，18时（图8a）西北风增大至8 m/s，乌鲁木齐附近出现中γ尺度气旋性风场，与对流单体A的生成和移动相对应（图6a、6b）；同时，东部山区的柏杨乡独山子村附近存在西南风与偏东风的切变，对应18—19时13.7 mm的降水。19时（图8b）乌鲁木齐西侧气温下降8～9℃，中γ尺度气旋性风场维持，有偏东风与偏西风、西北风与西南风两条切变线，对应雷暴群B移过乌鲁木齐，造成雨强最强；20时中γ尺度气旋性风场消失，切变减弱，乌鲁木齐降水减弱。

6月27日，昌吉州西部至乌鲁木齐为一致的西北风，随着低涡东移北上，受低槽前偏南气流影响，15时水西沟附近出现西北风与偏南风的弱切变，该切变维持至18时（图8c），对应水西沟16—18时连续两小时的强降水；20时乌鲁木齐附近出现西南风与偏东风的弱切变，并持续至23时，造成该站明显降水；23时乌鲁木齐西北部转为西北风，风速增大至6 m/s，切变加强。28日00时（图8d）乌鲁木齐附近出现中γ尺度气旋性风场，对应单体C发展加强移过乌鲁木齐，其西侧气温下降4～6℃，雨强达最大；同时，水西沟附近又出现西北风与偏南风的弱切变，对应00—01时18.9 mm的强降水；之后乌鲁木齐中γ尺度气旋性风场减弱，水西沟站附近切变消失，降水趋于减弱。

图8 6月9日18时（a）、19时（b）、6月27日18时（c）、28日00时（d）乌鲁木齐及周边区域自动站风场（单位：m/s）和温度场（单位：℃）

3.4 垂直风切变特征

分析乌鲁木齐风廓线雷达逐6 min水平风场高度—时间剖面图可知：16：30前（图9a）整层为一致的西北风，2000 m以下折射率结构常数为-130 dB左右，说明低层存在弱不稳定湿层，这是由地面热辐射引起的湍流不稳定造成的[22]；16：30，2000～4000 m为20 m/s的西北急流，且动量不断下传，垂直风速切变增大至12～14 m/s，对应值跃增至-110 dB，这与急流、风切变引起的大气扰动有关[22]。17：50，500～3000 m出现明显偏西风与偏东风切变，最大风速切变达20 m/s，强垂直切变导致大气层结动力不稳定发展，维持在-110 dB，动力不稳定有利于对流快速发展，与对流云团B的生成发展相对应（图5a）；同时，500～1000 m有8～12 m/s的偏西气流维持，有利于对流发展维持。18：30—19：20上升运动强盛，雨强太大导致信号衰减数据缺失，期间一直维持较大值，随着垂直风切变和减弱，降水逐渐减小。

图9 6月9日16：00—20：30（a）、6月27日21：00—28日01：30（b）乌鲁木齐站风廓线雷达逐6 min水平风场高度—时间剖面（单位：m/s）

6月27日降水前1500 m以下为弱偏北风，1500 m以上为偏南风。16：30，1000 m以下出现10～12 m/s的西风急流，1500 m以上偏南风增强，3000 m附近出现20 m/s的偏南急流，强扰动造成对流快速发展，值从-140 dB增至-115 dB，且维持至18：30，与造成水西沟站16—18时短时强降水的云团相对应，之后1500 m以下为弱偏北风，1500 m以上为偏南风。乌鲁木齐降水时段27日21：00—28日01：30（图9b）。21：30低层偏北风增加至6～8 m/s，1500 m以上偏南风增强，2500 m附近出现20 m/s的东南急流，强垂直风向切变导致大气层结不稳定增强，21—22时出现4.5 mm的降水。27日22时—28日01时低层偏北风与中高层偏南风的垂直风向切变维持，尤其27日23时—28日00时垂直风向风速扰动明显，造成乌鲁木齐10.1 mm/h的强降水。降水期间，中低层有明显风向垂直切变，风向随高度顺转，有暖平流，有利于维持大气不稳定性，使得较强降水持续了4～5 h。20时降水开始后一直维持高值，随着的减小，降水趋于结束。28日01时后风向随高度逆时针旋转，表明冷平流控制了中低层，降水趋于减弱。

4 结论与讨论

本文对比分析了乌鲁木齐市两次极端短时强降水过程的环流背景、水汽、动热力条件，在此基础上，基于多源资料重点分析了两次过程的中小尺度系统特征，得出以下结论：

（1）“6·09”过程，北疆受高压脊前西北气流控制，700 hPa偏西急流与850 hPa西北急流双低空急流耦合触发，受天山地形动力强迫抬升，使得水汽在短时间内快速聚集，属局地对流性强降水。“6·27”过程在中亚低涡背景下，500 hPa西南气流、700 hPa偏东气流和850 hPa偏西气流3支气流在乌鲁木齐上空交汇，使得整层增湿，为短时强降水提供了充足的水汽，属系统性降水中产生的短时强降水。两次过程前均有不稳定能量积累，但前者CAPE值明显大于后者，且大气层结更干，热力不稳定条件强于后者，更有利于强对流天气发生。

（2）造成“6·09”过程短时强降水的中β尺度对流云团生成于天山北坡迎风坡西北急流的前端，TBB最低达-52℃，且面积较大，生命史为3～4 h。“6·27”过程产生短时强降水的云团生成于乌鲁木齐南部山区，强度较弱，TBB最低为-44℃，生命史2～3 h。两次过程降水最强时段均对应对流云团TBB梯度最大处。

（3）乌鲁木齐风廓线雷达分析表明，两次过程低层均存在垂直风切变，为对流云团的发展及维持提供动力条件，折射率结构常数均在强降水时迅速增大并维持高值，随着降水减弱迅速减小。“6·09”过程中低层西北急流及低层风切变较强；“6·27”过程低层风切变持续时间长，且低层风向随高度顺转明显，暖平流的维持也是强降水持续时间长的原因之一。

（4）雷达回波显示“6·09”过程为典型的“列车效应”形式，强回波及其顶高分别达55 dBZ、6 km，且移速较快。“6·27”过程则表现为混合性降水回波中发展起来的多个对流单体，强回波及其顶高分别为40～50 dBZ、4～5 km。两次过程均属于低质心对流风暴，且乌鲁木齐附近地面风场均伴有一中γ尺度气旋性风场辐合或切变，前者气温变化较剧烈，为对流触发提供热力不稳定条件。

“6·27”过程短时强降水发生在系统性降水背景下，对降水时段、落区及强度的预报相对好把握，利用多源监测资料可提高短时临近预报预警能力。“6·09”过程突发性强、雨强大，精细化预报难度大，此类天气通过午后探空订正、低空急流及风切变的强弱变化，分析对流潜势落区预报显得非常关键，同时，分析风廓线雷达风场及折射率结构常数的时空变化、地面加密观测风、温、湿等要素变化特点，对强降水预报预警有很好的指示意义。