中亚气旋引发的2 次新疆强降水过程成因分析

苏小岚 ，熊秋芬 ，吐莉尼沙 ，周雅蔓

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

锋面气旋是与冷、暖锋相伴的斜压系统[1-2]，它常常给中高纬地区带来暴雨、暴雪、大风、沙尘暴等灾害性天气，因此许多学者对锋面气旋结构特征[3-4]、输送带及其产生的天气等[5-7]进行了深入研究。如锋面气旋是对流层中低层浅薄的斜压系统而不是深厚正压的系统等[7-8]。Carlson[5]提出了锋面气旋中干带、暖输送带和冷输送带的概念。Kuo 等[9]用模式模拟了锋面气旋中这3 条输送带对应气块的轨迹，得到了3 条输送带的演变特征。由于锋面气旋在我国中东部地区造成的天气比较剧烈，因此相关的研究成果也较多[10-14]，而对我国西部及中亚地区的锋面气旋（以下简称“中亚气旋”）关注较少[15-16]。

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，为中亚气旋[15-16]和中亚低涡[17-20]的发生发展提供了有利条件。中亚气旋会给新疆带来强暴雨、暴雪和大风等灾害性天气，张家宝等[15-16]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[21]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[16]初步给出了中亚气旋的天气特征等，但近30 a 对中亚气旋与新疆降水影响的研究相对较少，特别是鲜有文献用HYSPLIT 轨迹模式[22]追踪中亚气旋中的水汽输送带。为此本文利用常规观测资料，选取了不同季节、不同生成源地中亚气旋引发的2015 年2 月12—14 日北疆暴雪天气过程和2015 年5 月17—21日新疆暴雨天气过程，在分析这2 次强降水天气成因的基础上，利用HYSPLIT 模式和NCEP 1°×1°再分析资料追踪不同高度气块的轨迹，探讨其水汽输送特征及其异同，以期提高对该类天气系统及天气过程的认识，为精细化预报提供参考。

1 天气过程概况及环流背景

1.1 2015 年 2 月 12—14 日天气过程

2015 年 2 月 12 日 14 时—14 日 14 时（北京时，下同），北疆大部出现降雪，其中伊犁州、塔城地区、阿勒泰地区、北疆沿天山一带、天山山区等地的部分地区中到大雪，局部地区暴雪（图1g）。过程最大降雪中心位于天山山区的小渠子站，为18.2 mm；主要降雪时段为 13 日 08 时—14 日 08 时。另外，12 日08 时—13 日08 时塔城站降雪达13.9 mm。北疆大部伴有4 级西北风，风口风力8 级；气温下降5 ℃，偏北地区达10 ℃以上。

2015 年 2 月 13 日 08 时 300 hPa 西南急流入口右侧辐散加强了地面气旋的强度、促使中低层上升运动发展（图1a）。500 hPa 巴尔喀什湖附近有冷槽发展东移，槽前暖平流和正涡度平流有利于地面气旋的发展（图1c）。850 hPa 有低压环流存在（图1e），低压中心相对于地面气旋中心略向西北倾斜并伴有冷、暖平流，且冷平流强于暖平流。地面气旋生成于北疆（图1g）。12 日下午气旋生成前，位于冷锋前暖区的北疆北部的塔城、阿勒泰地区已出现强降雪，而13 日08 时气旋生成后强降雪主要出现在地面气旋北部的阿尔泰山附近及气旋南部的天山山区等地（图 1g）。

1.2 2015 年 5 月 17—21 日天气过程

2015 年 5 月 17 日 08 时—21 日 05 时，北疆各地、天山山区及其两侧出现小到中雨，其中伊犁州、博州、天山山区及其两侧的部分区域出现大到暴雨，天山山区局部大暴雨（图1h）。过程最大降雨量北疆为天池站，达89 mm；南疆为和硕站，达27.8 mm。17日08 时—18 日08 时小渠子站雨量为40.5 mm；18日08 时—19 日08 时天池站雨量为39.1 mm、南疆最大雨量为巴仑台站，为25.2 mm。上述地区伴有4—5 级西北风，东疆风口风力9 级，南疆盆地部分地区出现扬沙或沙尘暴。

图1 2015 年 2 月 13 日 08 时高低空系统配置（a、c、e）、2 月 12 日 14 时—14 日 14 时强降雪分布（g）及 2015 年 5 月 18 日 20 时高低空系统配置（b、d、f）、5 月 17 日 08 时—21 日 05 时强降雨分布（h）

5 月18 日20 时200 hPa 西南急流入口区右侧及风向分流辐散有利于上升运动的加强和南疆地面气旋发展（图1b）。500 hPa 分别有从西西伯利亚地区低涡中分裂的短波槽及巴尔喀什湖南部至伊朗的冷槽东移（图1d）。850 hPa 也有低压环流，低压中心向西北倾斜不明显，几乎与地面气旋中心垂直重合，但其东侧暖锋锋生及暖平流较强（图1f）。地面气旋位于南疆（图1h）。18 日08 时气旋在南疆西部已经生成，其在东移过程中强降雨主要出现在地面气旋东北侧与天山南坡之间（图1h），雨带分布与气旋东北侧的暖锋锋区及暖平流强等有关。由于中低层系统移动缓慢及高层辐散的维持，因此降水持续时间长。

2 强降水成因分析

2.1 水汽输送及辐合

“201502 过程”：2 月 12 日 08 时，850～500 hPa均有从伊朗高原到巴尔喀什湖地区的水汽通量大值区，表明有西南通道向新疆输送水汽。850～700 hPa大的水汽通量辐合中心在巴尔喀什湖东侧、500 hPa水汽通量辐合中心在南疆西部；而甘肃西部到北疆有较小的偏东水汽通量、仅存在于850 hPa 上，指示有较弱的偏东水汽通道。12 日14 时850～500 hPa西南水汽通量的大值区和水汽辐合中心均东移，接近新疆西部。850 hPa 甘肃西部到北疆的偏东水汽通量仍然维持（图2a），此时北疆西部已经有降雪发生。13 日 08 时，850～500 hPa 水汽通量的大值区和辐合区进入新疆、强度增强，北疆有大的辐合中心，强度为-1×10-7g（/s·cm2·hPa），北疆降雪加强；但850 hPa 偏东水汽通量减弱。13 日20 时，各层水汽通量大值区及辐合中心东移，北疆降雪逐渐停止。因此本次降雪过程中有西南和偏东2 条水汽通道向新疆输送水汽，西南水汽通道层次深厚，是水汽主要输送通道；偏东的水汽通道仅在850 hPa 输送，其贡献较小。

“201505 过程”：5 月 17 日 08 时，850～500 hPa从咸海到巴尔喀什湖附近有水汽通量大值区，表明有偏西的水汽输送；在西亚地区有偏南的水汽通道，其值比偏西通道小。850~700 hPa 南疆北部有偏东的水汽通量大值区，850～500 hPa 水汽通量辐合中心主要在新疆西部到中哈边境。17 日20 时850、700 hPa（图2b）偏西水汽通量大值区东移北上，但其南侧有转向西北的水汽通量分别进入南疆和北疆，而西亚偏南水汽通道继续北上到达南疆西部，同时南疆北部的偏东水汽通道加强，3 支水汽通道在南疆汇合，南疆西部有明显的水汽辐合，850 hPa 辐合中心值＜-2×10-7g（/s·cm2·hPa），对应南疆西部的降水加强；此时北疆中部也有水汽通量的辐合区，700 hPa 辐合中心＜-3×10-7g（/s·cm2·hPa）（图2b），对应北疆沿天山一线的降水。18 日08—20 时850～700 hPa 西北、偏南和偏东的水汽通道均加强，水汽的辐合区也增强并且移到了南疆中部，南疆强降水向东扩展；而北疆的水汽辐合中心减弱。19 日08 时850～700 hPa 3 支水汽通量强度减弱，辐合中心东移到了南疆东部。过程期间500 hPa 以偏西和偏南的水汽通道为主，17 日20 时水汽辐合区从境外东移进入新疆西部，18 日08、20 时水汽辐合区在北疆东部和南疆西部，辐合中心强度比700、850 hPa 弱。因此本次强降雨过程中北疆仅有西北水汽通道，而南疆有西北、偏南和偏东3 支水汽输送通道，偏东水汽输送通道位于850～700 hPa。

图2 2015 年 2 月 12 日 14 时 850 hPa（a）和 2015 年 5 月 17 日 20 时 700 hPa（b）水汽通量、水汽通量散度

2.2 垂直上升运动

“201502 过程”：由于强降雪主要集中在阿勒泰、北疆沿天山一带、天山山区，因此沿87°E 作垂直剖面来研究垂直运动和水汽辐合的情况。12 日08时天山北坡有偏南风的上升运动，天山南坡400 hPa以下为下沉运动，对应天山及南北两侧800 hPa 以上为水汽通量的辐合区，但强度弱。阿尔泰山南坡有偏南风的上升运动, 但水汽通量辐合主要在对流层中上层。13 日02 时天山北坡偏南风的上升运动增强、南坡由下沉运动变为偏南风的上升运动，天山南、北两侧水汽通量辐合的层次增厚。阿尔泰山南坡上升运动增强、范围扩大，山前及山坡上转为水汽通量的辐合区，强度为-1×10-7g/（s·cm2·hPa），此时有降雪产生。13 日08 时（图3a）天山北坡转为偏北风的上升运动、强度增强；南坡600 hPa 以下则转为下沉运动，天山南、北两侧及山前地区水汽通量辐合加强，均出现了-2×10-7g/（s·cm2·hPa）的辐合中心，分别位于550、700 hPa，对应降雪加强。阿尔泰山南坡虽然仍为上升运动，但水汽通量辐合的范围变小、层次变薄，降雪减弱。13 日20 时天山北坡的上升运动仅在600 hPa 以下，南坡为下沉运动，天山南北两侧的水汽通量辐合强度减弱、范围减小。阿尔泰山南坡虽然仍维持上升运动，但已变为水汽通量辐散区，降雪停止。

由此可知，阿尔泰山南坡、天山北坡上升运动与水汽通量辐合强，造成北疆降雪量大；而位于天山南坡的南疆以下沉运动为主，因此降雪量不大。

“201505 过程”：由于这次强降雨主要集中在北疆沿天山一带、天山山区、南疆巴州北部等地，因此沿85°E 作垂直剖面来研究垂直运动和水汽辐合的情况。17 日08 时天山北侧的准噶尔盆地为偏北风的上升运动区，600 hPa 以下有较强的水汽通量辐合区，中心为-1×10-7g/（s·cm2·hPa）；而天山南坡为偏北风的下沉运动、水汽通量辐合弱。17 日20 时准噶尔盆地的上升运动加强，但水汽通量辐合减弱；而天山南坡转为上升运动且有水汽通量辐合区，中心为-1×10-7g/（s·cm2·hPa），该地有降雨产生。18 日02时准噶尔盆地的近地层为偏北风下沉运动，这与低层冷空气补充南下有关；其上为偏北风沿天山地形的爬升运动，但水汽通量的辐合加强、中心值为-1×10-7g/（s·cm2·hPa）；天山南坡的上升运动和水汽辐合均加强，辐合中心达-2×10-7g/（s·cm2·hPa），对应天山两侧的降雨均加强。18 日08—14 时随着冷空气的继续南下，天山北坡的地形抬升作用更为明显，该地水汽通量辐合维持；天山南坡的上升运动和水汽辐合继续增强，均对强降雨有利。18 日20 时（图3b）天山北坡的上升运动维持，准噶尔盆地辐合中心为-1×10-7g/（s·cm2·hPa）；天山南坡的上升运动加强，水汽辐合再次增强，达-3×10-7g/（s·cm2·hPa），使该地的强降水持续。19 日02 时虽然天山南北两侧仍为上升运动，但水汽通量辐合逐渐减弱，辐合层次变薄，降水逐渐停止。

图3 2 月 13 日 08 时沿 87°E（a）及 5 月 18 日 20 时沿 85°E（b）水汽通量散度剖面、v—ω 合成流场

综上所述，天山南、北两侧强的上升运动及水汽通量辐合持续达36 h 以上，造成了强降雨。

3 轨迹模拟方案及模拟结果分析

3.1 模拟方案

借鉴美国NOAA 开发的气流轨迹模式HYSPLIT[22]模拟分析气流路径的思路，假设空气中的粒子（以下简称“气块”）随风飘动，那么它的移动轨迹就是其在时间和空间上位置矢量的积分。粒子最终的位置由初始位置和第一猜测位置的平均速率计算得到。本文模拟过程中输入HYSPLIT 模式的资料均为 NCEP 的 1°×1°再分析场。

模拟方案1：选取中亚地区的3 个代表点（图4a中黑色圆点），即（50°N，60°E，9 000 m）、（40°N，85°E，1 000 m）、（46°N，90°E，1 000 m），分别作为干带、暖输送带和冷输送带的起点。以这3 个点的地理位置为基础，2015 年2 月12 日14 时为起始时间，用HYSPLIT 模式模拟这3 个点上气块24 h 的前向轨迹（终止时间为13 日14 时），前向的时间步长为1 h，并逐小时输出一次轨迹点的位置（图4a）。

模拟方案2：选取中亚地区的3 个代表点（图4b中黑色圆点），即（43°N，65°E，9 000 m）、（37°N，82°E，1 000 m）、（40°N，90°E，1 000 m），分别作为干带、暖输送带和冷输送带的起点。同样以这3 个点的地理位置为基础，2015 年5 月18 日08 时为起始时间，用HYSPLIT 模式模拟这3 个点上气块36 h 的前向轨迹（终到时间为19 日20 时），前向的时间步长为1 h，并逐小时输出一次轨迹点的位置（图4b）。

3.2 模拟结果及分析

图4a 为 2015 年 2 月 12 日 14 时不同高度、不同地理位置3 个气块的前向24 h 轨迹，为了便于对比，添加了13 日08 时地面气旋中心（D）和冷、暖锋，因此图4a 也反映了3 个气块移向地面气旋中心的过程。暖输送带反映了从冷锋前暖区的近地层先上升、再沿暖锋锋面爬升到对流层中层的暖湿气块。冷输送带表明气块从地面气旋中心的东侧近地层先向西移动、再向东移、上升到3 000 m 以上；冷输送带中的偏东气流与西南暖湿气流交汇形成了北疆北部的降雪，即暖锋附近的降雪。干带显示对流层上层的干空块沿西北急流下沉到气旋西侧的对流层中层，由此组成了气旋中的3 个输送带。

图4b 为 2015 年 5 月 18 日 08 时 3 个不同高度和位置（图中黑色圆点）气块36 h 的前向轨迹、18日20 时地面气旋中心（D）及冷、暖锋。暖输送带表明暖湿气块在冷锋前暖区的近地层先上升、再沿暖锋锋面爬升到对流层中上层。冷输送带显示气块从地面气旋中心的东侧、暖输送带下方先向西移动，再向东移并上升到对流层中高层，冷输送带中的偏东风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雨，即暖锋附近的降雨。干带对应着对流层上层的干气块沿西北急流下沉到气旋附近的对流层中层。

图4 2 月 12 日 14 时 3 个气块 24 h 的前向轨迹（a）、5 月 18 日 08 时 3 个气块 36 h 的前向轨迹（b）及 2 月13 日 08 时（a）和 5 月 18 日 20 时（b）地面气旋中心（D）和冷锋（蓝色实线）、暖锋（红色实线）

综合本文的模拟结果和张家宝等[16]指出的3 支气流，可以得到冷输送带、暖输送带与文献[16]中的偏东、偏南气流对应，都是输送水汽的气流。与文献[16]中的高层西南气流不同，干带则是来自对流层上层的干空气，一般与高空西北急流相伴，干冷空气叠加到低层暖湿气流会增加大气的不稳定层结，会使降水加强，降水与3 条输送带温湿分布密切相关。

4 结论和讨论

4.1 结论

通过对2015 年2 月12—14 日北疆暴雪天气过程和2015 年5 月17—21 日新疆暴雨天气过程的形成原因分析和输送带轨迹的模拟，得到2 次过程的共性与差异：

（1）2 次强降水均伴有低槽、低涡、气旋等中低层辐合系统，高空急流入口右侧的辐散加强了上升运动；中亚气旋低压为存在于850 hPa 及以下层次的浅薄系统。不同之处是“201502 过程”中850 hPa低压向西北倾斜比“201505 过程”明显，但“201505过程”气旋东北侧暖锋锋生及暖平流强，且高层不仅有急流入口右侧的辐散，还伴有风向分流辐散，上升运动更强。

（2）“201502 过程”水汽来源于西南和偏东 2 条水汽输送通道，以西南水汽输送为主；阿尔泰山南坡、天山北坡及山区上升运动与水汽辐合强，有利于产生强降雪。“201505 过程”有西北、偏南和偏东3条输送通道，偏东水汽输送通道位于850～700 hPa。天山两侧强的上升运动及水汽辐合持续时间长达36 h，造成了强降雨。不同的是“201505 过程”偏东水汽输送的强度比“201502 过程”强、层次更厚；强上升运动的维持时间也是“201505 过程”更长。

（3）轨迹模拟结果显示2 次过程的共同特征是，从近地层冷锋前暖区上升的暖湿气块形成了暖输送带，而从地面气旋东侧先向西移动、再向东移且上升的气块形成了冷输送带，从对流层上层沿西北气流下沉到气旋西侧对流层中层的干气块构成了干带。不同点是“201502 过程”的冷输送带不如“201505 过程”明显，且暖输送带上升的层次也不高，这与该次暴雪过程中偏东气流较弱密切相关。

中亚气旋中的冷输送带、暖输送带与文献[16]中的偏东、偏南气流基本一致，但干带与文献[16]中的高层西南气流不同，它是高层沿西北气流下沉的干空气。

4.2 讨论

本文给出了2 次中亚气旋过程3 条输送带轨迹的模拟结果，虽然3 条输送带的配置略有差异，但上升和下沉等运动趋势基本一致，因此不同的天气过程，输送带配置可能不完全一致，有待于今后用更多的实例加以验证。另外限于篇幅，文中仅讨论了3 条轨迹对应的气块高度和位置的变化，并没有详细给出气块上升和下沉过程中温、湿等特性的变化。

由于中亚气旋引发的强降水不出现在气旋的中心附近，主要是在气旋周围并且与冷、暖锋及地形关系密切，而研究气旋的结构、发生发展机理是以地面气旋中心为重点而进行的，因此有关中亚气旋的细致结构特征、形成和发展机制以及与复杂下垫面地形关系等问题将另文讨论。