中昆侖山北坡一次極端暴雨天氣過(guò)程分析

唐 鵬，黃 艷，張 麗，陳天宇，楊小芳

（和田地區氣象局，新疆 和田 848000）

昆侖山脈中段位于77°～86°E，主要位于新疆南部（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南疆”）和田地區，主脈向南略呈弧形。在全球變暖背景下，南疆降水和氣溫增幅大于全國平均，降水增加主要是極端和短時(shí)對流降水的增加[1-5]。陳冬冬等[6]研究發(fā)現南疆降水增多與水汽輸送和環(huán)流調節有關(guān)，楊蓮梅和盧星等[7-8]認為南疆降水偏多存在副熱帶西風(fēng)急流位置偏南、500 hPa中高緯經(jīng)向環(huán)流強，從阿拉伯海、西太平洋的水汽分別從青藏高原兩側繞流進(jìn)入南疆上空。一些學(xué)者通過(guò)分析南疆夏季強降水給出了暴雨的環(huán)流和環(huán)境參數特征[9-13]，表明100 hPa南亞高壓呈雙體型分布，副熱帶槽加深，500 hPa塔什干低渦與貝加爾湖附近低槽構成“東西夾攻”形勢，高空強輻散區與低空偏東風(fēng)急流左前方強烈的氣旋式輻合區在大暴雨區上空疊加，低層偏西氣流與偏東風(fēng)急流有利于水汽向暴雨區匯聚和強對流天氣的觸發(fā)。曾勇[14]、劉雯[15]、楊蓮梅等[16]使用云圖、雷達、地面加密風(fēng)場(chǎng)等資料發(fā)現南疆強降水發(fā)生的一些中小尺度特征，地面輻合線(xiàn)是重要的觸發(fā)條件，雷達多以γ尺度系統為主。謝澤明等[17]總結了新疆降水的一些研究成果，同時(shí)提出了應該加強水汽輸送、中小尺度、地形對降水的影響研究，加強雷達、衛星、自動(dòng)站等氣象資料的應用等。冀翠華等[17-23]通過(guò)后向軌跡追蹤或探空分析等方法來(lái)找出暴雨過(guò)程水汽和環(huán)境條件變化等。

中昆侖山北坡強降水越發(fā)明顯，如何正確地認識造成強降水的成因十分重要。2021年6月15—16日中昆侖山北坡發(fā)生的大范圍強降水極其罕見(jiàn)，通過(guò)分析本次強降水環(huán)流、環(huán)境參數、水汽輸送、中小尺度系統、雷達與衛星圖像的特征，進(jìn)一步認識昆侖山中北部強降水。

利用常規氣象探測、地面實(shí)況融合產(chǎn)品、風(fēng)云衛星、和田CINRAD/CC天氣雷達及ERA5再分析資料（水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h），探究極端暴雨發(fā)生的影響系統、環(huán)境條件、中小尺度系統特征等，使用Hysplit-5后向軌跡模擬來(lái)追蹤強降水的水汽來(lái)源、輸送通道，以期為中昆侖山北坡強降水的預報預警提供一定參考。

式中，Qs表示通道水汽貢獻率，qlast表示通道上最終位置的比濕，m表示通道所包含的軌跡的條數，n表示軌跡的總數。公式（1）可計算不同高度后項軌跡的水汽貢獻率。

2021年6月14日—16日，中昆侖山北坡出現極端暴雨，其具有范圍大（圖1a）、暴雨站數多、持續時(shí)間長(cháng)、累計雨量大、極端性強、災害重等特點(diǎn)。此次暴雨過(guò)程累計受災4.08萬(wàn)戶(hù)、12.61萬(wàn)余人，安全轉移人口1.15萬(wàn)人，受災農作物1.08萬(wàn)hm2，直接經(jīng)濟損失1.08億元。

2.1 降水實(shí)況

此次暴雨天氣過(guò)程的主要降水時(shí)段為15日19時(shí)—16日14時(shí)，洛浦站降水持續16 h。累計降水量中心位于和田地區中西部平原（圖1b），49站降水量在25.9～47.3 mm，45站降水量為48.9～90.3 mm，6站為97.6～121.6 mm，最大降雨中心為洛浦縣山普魯鄉泥石流頻發(fā)區1號站，累計降水量達121.6 mm。過(guò)程共55站次暴雨、31站次大暴雨、2站次特大暴雨。

59站次出現短時(shí)強降水（≥10 mm），最大小時(shí)雨強為28.8 mm/h，最大3 h雨量為64.9 mm，最大6 h雨量為90.2 mm（洛浦縣山普魯鄉泥石流頻發(fā)區1號站，15日19：00—16日02：00）。洛浦縣山普魯鄉泥石流頻發(fā)區1號站（圖1c）15日19—23時(shí)為對流性降水，23時(shí)以后為西風(fēng)帶系統性降水。

圖1 6月14日21時(shí)—16日20時(shí)和田地區降水（a）和最大降水區域放大（b，●為觀(guān)測站，★為過(guò)程降水量最大站點(diǎn)）及洛浦縣山普魯鄉泥石流頻發(fā)區1號站逐小時(shí)降水（c，單位：mm）

2.2 日降水的極端性分析

2021年6月16日洛浦縣（74.1 mm）、墨玉縣（59.6 mm）、和田市（56.0 mm）日降水量均打破建站以來(lái)歷史極值，并超過(guò)其年平均降水量，其中洛浦縣16日降水量為該站年平均降水量的1.7倍。皮山縣過(guò)程累積降水達80.5 mm，打破建站以來(lái)夏季降水極值，同時(shí)也超過(guò)了年平均降水量。和田地區自動(dòng)站有56%以上氣象站都出現了暴雨，第一次同時(shí)監測到大范圍暴雨。

2021年6月平均500 hPa環(huán)流中高緯度為兩脊一槽，歐洲東部至烏拉爾山和鄂霍次克海高壓脊強盛，新疆受低槽影響，5月28日—6月20日新疆大部地區斷續出現降水天氣。

3.1 暴雨環(huán)流配置

6月15日100 hPa位于伊朗高原的南亞高壓東擴至青藏高原以東上空（圖2a），逐漸演變成具有2個(gè)中心的“雙體型”。14日位于青藏高原以東的高壓中心強度加強、面積增大，南疆處于高空低槽前。14日200 hPa南疆西部處于高空急流斷裂處和東段急流的入口區附近，最大風(fēng)速達40 m·s-1以上。

圖2 6月15日20時(shí)100 hPa位勢高度及200 hPa風(fēng)速（a）和500 hPa位勢高度及風(fēng)速（b）（位勢高度單位：dagmp，陰影代表強風(fēng)速區，單位：m/s，棕色線(xiàn)為槽線(xiàn)）

6月11—14日，500 hPa伊朗副熱帶高壓和西太平洋副熱帶高壓之間在印度半島形成低槽，西伯利亞至中亞有經(jīng)向度不斷加強的低槽系統，西伯利亞低槽東移過(guò)程受地形影響，在巴爾喀什湖形成橫槽，北段東移北收，低槽分裂短波和東移過(guò)程造成北疆、東疆、南疆山區出現明顯降水。15—16日，北段低槽東移到貝加爾湖，新疆北部和東部處于低槽底部，巴爾喀什湖橫槽東移翻越高原進(jìn)入南疆西部（圖2b），并與印度半島的低槽同相位結合。典型的“東西夾攻”和“南北結合”共同造成了昆侖山北坡歷史罕見(jiàn)暴雨。

3.2 東風(fēng)急流

15日20時(shí)850～700 hPa且末至民豐有12～16 m·s-1的東風(fēng)急流（圖3a、3b），最強的風(fēng)速中心位于且末，此時(shí)強降水區為東風(fēng)急流前沿，16日08時(shí)偏東急流達到最強，風(fēng)速為20 m·s-1，在和田中部逐漸轉為東南風(fēng)并增強，強降水區向西北移動(dòng)。15日20時(shí)850 hPa和田西側的西北風(fēng)與東北側的偏東風(fēng)同時(shí)加強（圖3b），在和田中部形成切變，16日14時(shí)以后偏東風(fēng)減弱，西北風(fēng)加強，輻合線(xiàn)向東北移動(dòng)。

圖3 地面6月15日20時(shí)700 hPa風(fēng)場(chǎng)（a，灰色陰影為海拔＞3500 m）、850 hPa風(fēng)場(chǎng)（b，灰色陰影為海拔＞1 500 m）及過(guò)去24 h變壓（c，單位：hPa）、變溫（d，單位：℃）

偏東急流作用主要有水汽的輸送、輻合和動(dòng)力輻合抬升，本次暴雨與普通暴雨一樣發(fā)生在低層東風(fēng)急流前側的輻合區。輻合持續的時(shí)間和強度與東西兩股冷空氣勢力和昆侖山向南的弧形地形有關(guān)，東風(fēng)強于西風(fēng)在昆侖山西部山區產(chǎn)生強降水，西風(fēng)強于東風(fēng)在昆侖山東部山區產(chǎn)生強降水，本次主要是東西風(fēng)同時(shí)到達和田，在和田中部產(chǎn)生持久的強輻合，這種情況十分少見(jiàn)。

3.3 地面冷空氣

使用實(shí)況融合產(chǎn)品計算地面24 h變壓、變溫情況。14—15日南疆盆地地面先后有東灌和西部翻山冷空氣進(jìn)入南疆地面，前后兩股冷空氣使得盆地底部形成冷墊（圖3c），同時(shí)變壓使得中昆侖山北部有東西風(fēng)的輻合。15日白天西翻冷空氣及和田上游降水影響，20時(shí)（圖3d）地面24 h變溫南疆西部降溫幅度在8～12℃，而東部升溫4～8℃，由于不同熱力性質(zhì)的空氣在和田中部交匯，利于鋒生和環(huán)境熱力不穩定的產(chǎn)生。

此次暴雨主要影響系統有高空西南急流、500 hPa低值系統、低層偏東急流、切變線(xiàn)和地面東西路冷空氣。中亞低值系統和印度半島低槽南北結合、低層東西風(fēng)在和田中部持續輻合，造成了此次極端降水過(guò)程。

4.1 探空分析

和田市探空表明，13—15日中昆侖山北坡中部有能量、水汽聚集，15日20時(shí)對流有效位能（CAPE）為4 64.9 J·kg-1，這個(gè)數值比黃艷等[12]分析4種類(lèi)型南疆短時(shí)強降水的CAPE值都要小。14—15日20時(shí)低層水汽條件變好，K指數15日20時(shí)達到了35.9℃，抬升指數（LI）＜-2.3℃，大氣極不穩定。根據方文維等[24]采用分層差分的方式計算大氣可降水量，南疆年平均大氣可降水量＜10 mm，13—15日大氣可降水量不斷增加，15日20時(shí)達24.2 mm。13—15日抬升凝結高度逐步下降，15日下降到距離地面1 000 m左右。0～1 km垂直風(fēng)切變降雨前達到最小，為0.9 m·s-1，弱的垂直切變有利于低層輻合線(xiàn)長(cháng)時(shí)間維持。

在大尺度環(huán)流作用下，暴雨區大氣表現為不穩定，大氣的可降水量異常增加和低層弱垂直切變是本次極端降水的最主要環(huán)境特征。

4.2 暴雨過(guò)程的水汽條件

本次降水前地面到300 hPa整層水汽通量情況，6月10—14日低槽或短波攜帶水汽不斷地輸送至盆地，主要沿著(zhù)西南東北向移動(dòng)。15—16日強中心由東向西移動(dòng)，中心強度可達200 kg·（m·s）-1（圖4a），暴雨位于強中心附近。水汽輸送有東北、西北、偏南路徑，強度最強的為東北路徑，東北風(fēng)將天山南坡阿克蘇至巴州的水汽輸送到中昆侖山北坡。500 hPa為偏南水汽輸送，700 hPa為東北水汽輸送（圖4b），850 hPa為西北、東北水汽輸送（圖4c）。

圖4 6月15日20時(shí)整層水汽通量（a，單位：kg·m-1·s-1），700 hPa（b）、850 hPa（c）水汽通量（單位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1），洛浦站（d）水汽通量和水汽通量散度隨時(shí)間（北京時(shí)）垂直剖面

700 hPa偏東水汽輸送一直維持到降水結束，強降水區有水汽通量輻合。850 hPa水汽輸送有偏西、偏北、偏東路徑，15日傍晚，850 hPa由于偏東北風(fēng)和西北風(fēng)在和田中部匯合，水汽通量散度表現出強輻合，中心強度達10 g·（cm·hPa·s）-1，暴雨區位于強輻合區。從洛浦單站水汽通量和水汽通量散度垂直剖面（圖4d）可知，水汽輸送加強對應西北風(fēng)或偏東風(fēng)加強，低層水汽通量和水汽輻合同時(shí)達到最強時(shí)，開(kāi)始出現暴雨。

4.3 暴雨的水汽來(lái)源和水汽貢獻率

利用HYSPLIT-5.1.0軌跡模型，繪制大暴雨上空4個(gè)高度、5個(gè)時(shí)刻水汽后向軌跡曲線(xiàn)（圖5），模擬距離地面高度1 500 m（圖5a）、3 000 m（圖5b）、4 000 m（圖5c）和5 000 m（圖5d），模擬站點(diǎn)為洛浦站，后向模擬時(shí)長(cháng)為120 h，初始時(shí)刻選擇16日02時(shí)，每6 h后向追蹤分析一次，每6 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置。水汽的軌跡有東北、偏西長(cháng)距離輸送、偏南翻山路徑。其中，東北路徑水汽源地在天山南坡，主要集中在距地面1 000～3 000 m。暴雨發(fā)生前，在1 000 m高度的天山南坡中西部和2 000 m高度的塔里木盆地中部有水汽聚集，水汽移動(dòng)速度慢，14—15日水汽貼地輸送至和田1 500～5 000 m高空。在各個(gè)高度層都存在偏西路徑水汽輸送，主要的水汽源地為地中?！毯Ｋ嘏撩谞柛咴M(jìn)入昆侖山北坡，1 000～2 000 m偏西路徑的水汽通過(guò)抬升到4 000 m，再沿帕米爾高原貼地下滑到1 000～2 000 m，4 000～5 000 m的偏西路徑水汽主要平流至盆地上空。偏南路徑的水汽源地主要為阿拉伯?！《劝雿u，水汽翻越青藏高原進(jìn)入中昆侖山北坡4 000 m高空，在暴雨發(fā)生前，偏南路徑氣流與西路部分水汽結合并且移動(dòng)速度明顯增加。

圖5 6月16日02時(shí)洛浦站距地面1 500 m（a）、3 000 m（b）、4 000 m（c）、5 000 m（d）高度逐6 h水汽后向軌跡模擬

本次強降水的水汽源地有天山南坡、青藏高原南坡、以及地中?！毯?，分別以東北、偏南、偏西路徑進(jìn)入中昆山北坡上空不同高度層，空氣移動(dòng)速度較慢，水汽聚集過(guò)程較長(cháng)。計算得出1 500、3 000、4 000、5 000 m水汽的貢獻率分別為38.7%、31.2%、17.1%、13.1%。水汽的貢獻層次深厚，從低層至高層逐漸減小，4 000 m以下的水汽貢獻率達到86.9%。

昆侖山北坡暴雨最重要的是水汽條件，通常西風(fēng)帶系統造成小范圍暴雨的水汽主要是低槽系統攜帶的水汽、以及中低層急流輸送水汽，本次暴雨的水汽主要是盆地中低層水汽的聚集和低槽結合后北上攜帶的水汽。

4.4 熱力和動(dòng)力條件

15日20時(shí)南疆西部冷暖平流分布不均，850 hPa冷暖平流差異很大（圖6a）。洛浦單站的溫度平流15日白天850 hPa為暖平流，800～700 hPa為冷平流，高低層冷暖平流疊置有利于形成大氣層結不穩定（圖6b）。

圖6 6月15日20時(shí)850 hPa溫度平流（a）及洛浦站溫度平流（b）隨時(shí)間（北京時(shí)）垂直剖面（單位：10-5·℃·s-1）、洛浦站垂直速度隨時(shí)間（北京時(shí)）垂直剖面（c，單位：cm·s-1）、沿高空大風(fēng)速經(jīng)向風(fēng)與垂直速度的矢量剖面（d，灰色陰影為地形）

15日08—20時(shí)200 hPa南疆中東部上空西南急流不斷增強，天山南坡急流中心風(fēng)速達55 m·s-1。沿著(zhù)高空急流方向做垂直速度、水平風(fēng)速、比濕空間垂直剖面（圖6d），高原南側的云團在高空急流的引導下攜帶水汽向北運動(dòng)，天山南坡下沉氣流在低層形成偏北回流，偏北氣流與昆侖山北坡地形作用，在昆侖山北側37°N附近形成了一個(gè)強的上升區，19時(shí)上升速度達20 cm·s-1。從洛浦單站垂直速度垂直剖面時(shí)間變化（圖6c）可知，15日20時(shí)垂直速度迅速達到最大，中心為30 cm·s-1，地面至400 hPa都有上升運動(dòng)，強度和上升運動(dòng)的厚度較大。

15日17時(shí)和田市至策勒縣有東北風(fēng)、偏西風(fēng)輻合線(xiàn)，15日23時(shí)輻合線(xiàn)向西移動(dòng)，輻合線(xiàn)有利于觸發(fā)不穩定能量的釋放，產(chǎn)生強的上升運動(dòng)。

5.1 云圖特征分析

夏季翻越青藏高原的云系進(jìn)入昆侖山北坡以高云為主，最低亮溫＜-40℃，不會(huì )造成昆侖山北坡明顯降水，昆侖山北坡短時(shí)強降水黑體亮溫為-48～-36℃。6月15日15時(shí)在印度半島低槽前部有發(fā)展中的對流云，塔什庫爾干地區低槽云系中有對流云發(fā)展，昆侖山北坡為中低云。18—23時(shí)南北支低槽結合（圖7a、7b、7c），位于印度半島的云系沿西南—東北向移動(dòng)，19時(shí)到達昆侖山北坡中部并與本地發(fā)展的中低云合并加強，降水開(kāi)始。23時(shí)逐漸形成渦旋云系，并向西北方向移動(dòng)合并。根據FY-2G衛星云頂黑體亮溫演變，18時(shí)由青藏高原以南翻山進(jìn)入盆地，在移動(dòng)方向上有多個(gè)亮溫為-28℃的低值中心，19—23時(shí)低的亮溫中心面積迅速變大并向西北方向翻過(guò)高原向西移動(dòng)，此時(shí)也是降水發(fā)生的最強時(shí)段。從洛浦單站的云頂黑體亮溫變化可知，15日19—22時(shí)變化最大，下降至-30℃以下（圖7d）。本次強降水云頂亮溫的特征與南疆常見(jiàn)暴雨沒(méi)有區別，只是云的移動(dòng)和發(fā)展有差異，云系先向北移動(dòng)然后向西北逆時(shí)針旋轉移動(dòng)，并與本地發(fā)展的云系合并加強。

圖7 15日FY-2G云頂黑體亮溫19時(shí)（a）、20時(shí)（b）、21時(shí)（c）和洛浦單站云頂黑體亮溫（d）隨時(shí)間變化（黑色方框為洛浦站，單位：℃）

5.2 雷達回波特征

15日18—20時(shí)，和田的雷達回波在東南和東北方向開(kāi)始出現線(xiàn)狀排列多單體，中心強度為35～40 dBZ，對流單體的移動(dòng)方向為東南—西北方。15日20—23時(shí)主要在雷達的東北方向有2個(gè)線(xiàn)狀排列的單體，線(xiàn)狀單體移動(dòng)方向轉為東北—西南向，移動(dòng)速度較快，兩條線(xiàn)狀排列的單體移動(dòng)到洛浦至和田市加強。15日23時(shí)線(xiàn)狀回波移出和田市向西北方向移動(dòng)，主要影響墨玉和皮山縣，墨玉縣和皮山縣的降水開(kāi)始加強，和田市至策勒以層狀云回波為主，降水強度減弱。

沿著(zhù)小時(shí)最強降水的分布中心作反射率的垂直剖面可知，19—23時(shí)在東部有多個(gè)質(zhì)心為35～45 dBZ的回波生成，洛浦縣以東＞35 dBZ的回波中心位置距離地面2～4 km，每個(gè)單體水平尺度在20 km以?xún)?，自東向西移動(dòng)到洛浦—和田市迅速發(fā)展，之后迅速衰減，移動(dòng)過(guò)程中質(zhì)心的位置逐步下降。這與南疆短時(shí)強降水雷達回波特征相似，線(xiàn)狀多單體長(cháng)時(shí)間影響同一地區造成強降水在南疆比較少見(jiàn)。

通過(guò)分析得出以下主要結論：

（1）昆侖山北坡大范圍暴雨發(fā)生前期塔克拉瑪干逐漸轉為潮濕和不穩定。南亞高壓2個(gè)中心青藏高原東部強于伊朗高原，高空急流加強，急流的入口區附近利于暴雨發(fā)生。

（2）500 hPa西伯利亞—中亞有低槽穩定維持，低槽東北移動(dòng)分成兩段，形成了“東西夾攻”的形勢，中亞低槽與印度半島低槽南北結合有利于降水強度加強。

（3）降水出現在東風(fēng)急流的前端和西風(fēng)交界的輻合最強區，輻合區有強的水汽輻合和上升運動(dòng)，輻合線(xiàn)是對流觸發(fā)和降水維持的一個(gè)重要條件。

（4）水汽輸送主要是距地4 000 m以下，水汽源地在天山南坡、高原南坡，強降水環(huán)境參數中可降水量表現得最顯著(zhù)。

（5）暴雨與低空急流和切變、地面風(fēng)場(chǎng)輻合等中小尺度系統有關(guān)，雷達上表現為線(xiàn)狀多單體長(cháng)時(shí)間影響同一區域。

本文從環(huán)流、物理參數等方面分析了本次極端降水產(chǎn)生的一些原因，但對于對流的觸發(fā)機制、地形、局地熱力環(huán)流、高空急流等因素的作用研究不夠深入，翻越高原的云系與昆侖北坡云系的相互作用的微觀(guān)物理過(guò)程等方面研究，還有待加強。