1 引言
暴雨是新疆暖季最主要的灾害性天气， 其暴雨过程往往伴随短时强降水， 以对流性暴雨为主（张家宝和邓子风， 1987； 杨霞等， 2021）， 具有突发性、 偶然性、 局地性等特点， 易引发山洪、 泥石流、 山体滑坡、 城市内涝等灾害， 给国民经济和人民生命财产带来很大损失。因此研究该地区暴雨对于提升气象防灾减灾能力具有重要的理论和实践意义。
中尺度系统是造成暴雨灾害性天气的重要天气系统， 是触发对流的直接影响系统（何立富等， 2016； 李建刚等， 2019； 杨晓军等， 2022）。中尺度切变线、 中尺度辐合线、 中尺度低涡、 低空急流等对降水和中尺度对流系统发展有重要影响（周泓等， 2024； 柳龙生和许映龙， 2024； 武麦凤等， 2025）。地形阻挡促进动力抬升和对流单体的后向传播， 影响MCS的维持和发展（贺晓露等， 2020； 付双喜等， 2021）。在高空引导气流及中尺度对流触发机制作用下， 对流云团合并加强、 列车效应及本地发展均会致使短时暴雨的发生（曾勇和杨莲梅， 2020； 庄晓翠等， 2021）。中尺度对流系统中-52 ℃冷云区与降水存在明显的相关性， 短时强降水通常发生在冷云区中心前进方向右侧（Kane et al， 1987）。中尺度系统的发生发展离不开不稳定大气层结的发展和对流有效位能的释放（赵强等， 2022）。对流不稳定、 条件对称不稳定、 对流-对称不稳定（Seltzer et al， 1985； Xu， 1986； 周玉淑等， 2003）均可解释中尺度系统发生机制， 为极端暴雨天气机理研究提供一定的参考依据。
新疆地貌复杂， 高山、 沙漠、 绿洲、 戈壁交错， 近年来暴雨事件频发， 且呈“面弱点强”特征， 暴雨落区与时段很难把握， 精细化预报和临近预警一直是预报难点。2024年6月30日至7月3日天气具有影响范围广、 累计雨量大、 小时雨强强的特征， 且存在北疆西部和天山山区及北坡两个暴雨中心， 分别对应短时暴雨和系统性夹杂对流性暴雨的两类典型天气特征， 分析其中尺度特征及触发机制是否存在差异， 凝练预报指标可提升暴雨预报预警能力， 为防灾减灾提供科学依据。
2 资料来源与方法介绍
2.1 资料来源
本文研究资料： 地面气象观测站小时降水量数据用于降水天气实况分析； 再分析资料选取ECMWF发布的第五代（https： //cds.climate， copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysis-era5-pressure-level）全球分辨率0.25°×0.25°再分析资料， 时间分辨率为1 h， 垂直高度共37层， 主要用于大尺度环流形势、 对流触发和维持机制等分析； 风云4B卫星产品、 雷达产品主要用于对流云团演变特征分析。
降水量分级采用新疆降水等级标准（肖开提·多莱特， 2005）： 24.0 mm<R≤48.0 mm为暴雨， 48.0 mm<R≤96.0 mm为大暴雨， R>96.0 mm为特大暴雨（R为24 h降水量）。根据新疆暴雨洪水成灾事实和干旱区暴雨特点， 将1 h降水量≥10 mm定义为短时强降水（杨莲梅等， 2020）。文中所用时间均为北京时。
2.2 方法介绍
2.2.1 锋生函数
文中锋生函数计算采用Bluestein（1993）锋生公式， 并用假相当位温代替位温， 公式如下：
式中： θ se为假相当位温； D为总变形； 为膨胀轴与等熵线之间的夹角； 为散度； F为二维动力学锋生。
2.2.2 湿位涡
湿位涡可用于诊断惯性不稳定、 对流不稳定及条件对称不稳定状态， 计算公式（吴国雄等， 1995）如下：
式中： 、 为水平风速； 为假相当位温； 为相对涡度； 为地转涡度； 为重力加速度。
MPV 可分为垂直分量 MPV1和水平分量 MPV2：
式中： MPV1为湿位涡的正压项， 表示惯性稳定性和对流稳定性的作用， 取决于空气块绝对涡度垂直分量和θ se垂直梯度的乘积； MPV2为湿位涡的斜压项， 包含了湿斜压性和水平风垂直切变的作用。由于大气中绝对涡度在北半球一般为正值， 因而当MPV1为负值时大气是对流不稳定； 当同时满足MPV<0， MPV1>0， MPV2<0的条件， 则大气存在条件对称不稳定（寿绍文等， 2003； 黄明策等， 2019）。
3 降水概况和环流演变特征
3.1 降水实况
受中亚低涡东移影响， 6月30日至7月3日全疆大部出现降雨， 最大累计降水中心位于博州温泉县沃特克赛尔铜矿站77.1 mm［图1（a）］； 其中6月30日20:00至7月2日08:00伊犁州东部南部山区、 博州西部、 阿克苏地区北部、 吐鲁番市北部山区共20个站出现暴雨， 均为短时强降水造成的对流性暴雨； 主降水时段为2日08:00至3日08:00， 共144个站出现暴雨， 21个站为大暴雨， 其中伊犁州北部山区、 昌吉州东部、 阿克苏地区北部山区、 哈密市北部山区共91个站出现短时强降水， 属于混合性暴雨天气（系统性暴雨夹杂对流性暴雨）。暴雨期间最大雨强≥10 mm·h-1的区域集中于北疆西部北部、 天山山区及北坡、 阿克苏地区和克州、 哈密市局地， 其中伊犁州东部南部山区、 博州、 阿克苏地区和哈密市北部最大雨强≥20 mm·h-1， 博州、 阿克苏地区局地≥30 mm·h-1［图1（b）］。此次天气有两个暴雨中心， 分别位于北疆西部和天山山区及北坡， 分析两暴雨中心代表站逐时降水发现， 6月30日至7月2日博州温泉县沃特克赛尔铜矿站（Y5608）傍晚（19:00 -22:00）均出现对流性降水， 最大雨强为31.1 mm·h-1， 小时雨强强， 降水持续时间短， 说明存在中尺度对流系统的影响； 昌吉州五家渠市新疆生产建设兵团第六师奇台农场一万泉站（Y4109）的主降水时段为7月2日18:00至3日10:00， 降水持续时间长， 最大雨强7.6 mm·h-1， 降水过程中亦可能存在弱对流系统［图1（c）］。受暴雨洪涝影响， 博州温泉县、 精河县的房屋、 道路等部分公共基础设施以及棉花、 玉米部分农作物受损。
图1 2024年6月30日20:00至7月3日23:00降水等级实况（a， 彩色圆点， 单位： mm）、 最大雨强≥10 mm·h-1站点分布（b， 彩色圆点， 单位： mm·h-1）、 6月30日20:00至7月3日14:00暴雨代表站逐小时降水量（c）灰色填充区为地形高度（单位： m）； ●代表博州温泉县沃特克赛尔铜矿站（Y5608）， ▲代表昌吉州五家渠市新疆生产建设兵团第六师奇台农场一万泉站（Y4109）Fig.1 Real situation of precipitation levels from 20:00 on June 30 to 23:00 on July 3， 2024 （a， colored dots， unit： mm）， distribution of stations with maximum rain intensity greater than or equal to 10 mm·h-1 （b， colored dots， unit： mm·h-1）， and hourly precipitation of representative stations of heavy rain from 20:00 on June 30 to 14:00 on July 3 （c）.Gray shaded areas represent terrain height （unit： m）； ● represents Wotkesaier Copper Mine Station in Wenquan County， Bozhou Prefecture （Y5608）， ▲ represents Yiwanquan Stationof Qitai Farm， Sixth Division， Xinjiang Production and Construction Corps， Wujiaqu City， Changji Prefecture （Y4109） |
3.2 环流演变特征
利用ERA5再分析资料分析环流形势发现， 200 hPa温带急流横穿新疆上空， 北疆大部处在高空急流出口区左侧的分流区， 急流轴北侧存在低涡系统， 配合有-56 ℃的冷中心， 且冷中心落后于低涡中心， 正热成风涡度平流作用下低涡系统将发展东移。其中6月30日20:00至7月2日20:00， 高空急流逐渐增强， 最大风速达58 m·s-1， 北疆大部、 阿克苏地区、 巴州北部处在高空分流区， 7月2日20:00至3日23:00， 高空急流分流区东移， 主要影响昌吉州东部和东疆， 强辐散抽吸作用有利于动力抬升； 随高空急流减弱东移， 低涡携带冷空气东移， 自西向东影响北疆大部， 造成垂直方向温度梯度加大， 层结不稳定增强。500 hPa欧亚范围中高纬呈“两脊两槽”的经向环流， 里咸海至巴尔喀什湖一带为低涡活动区， 东欧、 新疆至贝加尔湖地区受高压脊控制， 受上游不稳定小槽侵袭， 东欧高压脊减弱衰退过程中推动中亚低涡东移， 由于下游贝加尔湖高压脊强盛， 中亚低涡东移受阻， 移动缓慢， 其逆转过程中低槽及其不断分裂的短波东移影响新疆， 槽前正涡度平流提供动力抬升条件。1日17:00博州700 hPa存在一气旋性辐合中心， 850 hPa为西北风与西南风的切变线， 有利于1日傍晚博州的强对流暴雨天气； 2日在高空引导气流作用下， 西北风与西南风的切变线逐渐东移北上影响北疆大部， 辐合切变促进了垂直运动的发展， 且风速逐渐增大， 西北风最大风速达16 m·s-1， 西北风与东西向天山山脉近乎垂直， 地形强迫抬升进一步增强了主降水时段天山山区及北坡的降水。地面中亚气旋东移北上， 原位于黑海附近的冷高压以偏西路径东移至里海附近且高压中心不断分裂小高压东移， 7月2日08:00高压中心强度1010.0 hPa， 高压前沿等压线密集， 冷锋影响南北疆偏西地区， 20:00冷锋东移影响天山山区， 锋面抬升亦有利于垂直运动的发展（图2）。
4 对流云团演变特征
随中亚低涡逆转分裂短波东移北上， 降水云系亦相继东移北上影响新疆， 6月30日夜间至7月1日， 第一支短波东移北上， 降水云系呈减弱趋势， 造成北疆西部、 天山山区、 阿克苏地区的对流性降水； 7月1日14:00低涡分裂的第二支短波进入北疆西部， 开始影响伊犁河谷和博州， 其在东移北上过程中不断发展加强， 且上游不断有云系合并， 造成北疆大部、 阿克苏地区、 东疆等地暴雨。由于此次暴雨有北疆西部和天山山区及北坡两个中心， 故着重分析7月1日傍晚博州短时暴雨和2日白天至夜间天山山区及北坡暴雨的云系演变特征。利用FY-4B卫星观测资料分析发现， 1日16:00博州西部不断有中γ尺度对流系统生成， 云顶黑体亮温TBB≤-32 ℃， 云顶高度CTH为3~5 km， 其在东移北上过程中合并发展加强为中β尺度对流系统， 18:00 - 19:00对流云迅速发展， TBB迅速降低、 低TBB区域增大（中心值达-52 ℃）， 云顶高度升高（CTH为10~12 km）， TBB梯度密集区产生强降水， 对应地面部分站点小时雨强达20 mm·h-1， 最大雨强达31.1 mm·h-1， 且伴有8级以上雷暴大风（最大风速达23 m·s-1）和冰雹［图3（a）， （b）］， 且博州西部不断有中β尺度对流系统生成发展， 多个中β尺度对流系统合并加强影响博州东部， 造成精河风雹天气。由于对流云团不断生成且东移过程中发展合并， 2日08:00巴州北部至北疆中部一线形成“南北向”狭长状降水云系， 其由多个对流单体组成， 2日16:00左右开始影响昌吉州东部， 16:00 -23:00昌吉州暴雨中心位于主降水云系前TBB梯度密集区， 产生阵性降水， 2日23:00至3日10:00高空槽降水云系东移北上， 云带尾部不断有对流云团生成发展， 5个中β尺度对流系统相继影响暴雨中心上空， 其中2日23:00至3日01:00和3日04:00 -07:00的对流系统发展旺盛， TBB≤-52 ℃， CTH达11 km［图3（c）， （d）］， 对应地面部分区域出现大于10 mm·h-1的降水， 最大小时雨强13 mm·h-1， 即“列车效应”造成天山山区及北坡暴雨， 且受多个对流单体长时间影响， 降水持续时间长， 累计雨量大。
5 不稳定机制
5.1 博州短时暴雨不稳定机制
分析沿44.75°N假相当位温、 温度平流、 绝对地转动量及风场垂直剖面， 1日14:00巴尔喀什湖以南至博州一线500 hPa以下假相当位温随高度降低（∂θ se/∂p>0）， 即降水前存在较强的对流不稳定层结， 且受山谷风影响， 博州近地面为弱偏东风， 近地层至850 hPa受冷平流控制， 即偏东风引导冷空气东灌， 在低层形成冷垫， 而受短波扰动前西南气流影响， 850~500 hPa为弱暖平流， 冷暖气团于博州西部交绥， 暖气团在低层冷垫作用下沿山爬升， 且微差平流致使温度垂直递减率增大， 对流不稳定进一步增强， 致使博州成为不稳定能量聚集区， 为强降水提供不稳定条件［图4（a）］， 18:00 -19:00受近地面及低层扰动触发， 不稳定能量被释放， 对应温泉县出现短时强降水、 雷暴大风及冰雹等强对流天气， 此时博州西部700 hPa以下假相当位温随高度降低（∂θ se/∂p>0）， 仅近地面维持弱对流不稳定， 且因部分不稳定能量被释放， 降水减弱； 而博州中东部500 hPa以下对流不稳定仍维持， 为中东部风雹天气积聚不稳定能量［图4（b）］， 且天气发生前后博州上空整层等熵面斜率均小于等动量面斜率， 即博州强对流引发的短时暴雨主要受对流不稳定影响。
图4 2024年7月1日沿44.75°N 14:00（a）、 19:00（b）、 2日沿43.5°N 12:00（c）、 3日04:00（d）温度平流（彩色阴影， 单位： ×10-5 K·s-1）、 假相当位温（黑色等值线， 单位： K）、 风场（矢量， 单位： m·s-1）、 绝对地转角动量（蓝色等值线， 单位： m·s-1）和2024年7月2日12:00（e）、 3日04:00（f）沿43.5°N MPV（彩色阴影， 单位： ×10-1 PVU）、 MPV1（黑色等值线， 单位： ×10-1 PVU）、 MPV2（红色等值线， 单位： ×10-1 PVU）▲为暴雨中心代表站经度位置， 阴影为地形Fig.4 14:00 （a） and 19:00 （b） along 44.75°N on July 1 2024， 12:00 （c） on July 2 2024， and 04:00 （d） on July 3 2024 along 43.5°N temperature advection （colored shading， unit： ×10-5 K·s-1）， false equivalent potential temperature （black contour， unit： K）， wind field （vector， unit： m·s-1）， absolute geoangular momentum （blue contour， unit： m·s-1） and 12:00 （e） on July 2 2024， 04:00 （f） MPV （colored shading， unit： ×10-1 PVU） along 43.5°N on July 3 2024， MPV1 （black contour， unit： ×10-1 PVU）， MPV2 （red contour in ×10-1 PVU）.▲ represents the longitude position of the representative station in the rainstorm center， The shaded areas indicate the terrain |
5.2 中天山暴雨不稳定机制
分析沿43.5°N假相当位温、 温度平流、 绝对地转动量及风场垂直剖面， 2日白天昌吉州西部-乌鲁木齐-昌吉州东部一线600 hPa以下假相当位温随高度降低（∂θ se/∂p>0）， 且整层等熵面斜率均小于等动量面斜率［图4（c）］， 表明降水前暴雨区低层为较强的对流不稳定层结， 为暴雨积聚不稳定能量， 随中亚低涡逐渐东移， 午后槽前西南气流增强引导暖湿气流北上， 中天山上空暖平流逐渐增强， 20:00中层（500 hPa附近）西南风达20 m·s-1， 暖平流中心值达32×10-5 K·s-1， 低层850~700 hPa转为西北风， 引导冷空气东移南下在山前堆积， 推动暖气团爬升， 且自16:00后等假相当位温线逐渐变密， 20:00等假相当位温密集带影响昌吉州东部， 即冷锋前沿开始影响昌吉州东部， 受冷锋触发， 不稳定能量释放， 昌吉州东部出现降水。在高空引导气流作用下低层西北风增强， 致使冷平流增强且范围扩大， 大值中心增至-56×10-5 K·s-1（700~600 hPa）， 且随降水产生对流不稳定能量逐渐被释放， 对流不稳定层下降， 中层自西向东逐渐出现等熵面斜率大于等动量面斜率的垂直分布， 中层有可能出现条件对称不稳定， 但当大气中对称不稳定与对流不稳定共同存在时（Bennetts and Sharp， 1982； Moore and Lambert， 1993）， 由于对流不稳定的增长率大于对称不稳定， 故大气仍以对流不稳定为主， 造成中天山及北坡降水， 3日04:00后昌吉州东部假相当位温随高度升高（∂θ se/∂p<0）， 对流不稳定减弱消失， 此时近地面至500 hPa等熵面斜率大于等动量面斜率， 且600 hPa以下等熵面与等动量面斜率的差值较大［图4（d）］， 即大气完全受条件对称不稳定影响， 条件对称不稳定由中层向低层伸展， 且假相当位温密集带横亘于天山北坡， 冷锋受天山山脉阻挡， 移动缓慢， 长时间影响天山山区及北坡一线， 在锋面抬升与地形强迫抬升的共同作用下， 不稳定能量进一步被释放， 对应昌吉州东部地面降水增强。
进一步分析沿43.5°N的MPV、 MPV1、 MPV2的垂直分布情况， 2日白天昌吉州西部-乌鲁木齐-昌吉州东部一线600 hPa以下MPV<0、 MPV1<0［图4（e）］， 说明中天山一线降水前对流层低层大气为对流不稳定层结， 随中亚低涡东移， 地面冷锋及地形强迫抬升触发， 对流不稳定层逐渐下降， 对流不稳定能量逐渐被释放， 3日凌晨， 中天山自西向东出现MPV<0、 MPV2<0且MPV1≥0的垂直分布特征［图4（f）］， 即在降水期间对流不稳定逐渐减弱消失， 大气受条件对称不稳定的影响， 且条件对称不稳定层由600~500 hPa逐渐下降至600 hPa以下， 即条件对称不稳定向近地面伸展， 低层不稳定能量进一步聚集， 造成中天山降水持续且增强。综上， 通过假相当位温、 绝对地转动量、 湿位涡等的分析均可发现， 对流不稳定为中天山暴雨的发生提供热力条件， 而条件对称不稳定造成降水的维持和增强。
6 触发机制
本节利用地面加密自动站、 雷达及ERA5再分析资料对博州和中天山两暴雨中心的触发机制进行探讨。
6.1 博州短时暴雨触发机制
博州西、 北、 南三面环山， 具有向东开口的“喇叭口”地形， 受山谷风影响， 博州白天以偏东风为主， 偏东风与温泉县西部山脉形成地形辐合线， 随午后热力条件转好， 地形辐合和强迫抬升作用下， 温泉县西部触发弱对流， 从伊宁站（Z9999）C波段雷达组合反射率因子和回波顶高可知， 7月1日午后温泉县西部有分散的对流单体生成， 对流发展并不是很强， 回波分布相对均匀， 强度在30~40 dBz， 且回波顶高在3~6 km， 造成温泉县西部雷电、 阵雨等弱对流天气。受低涡底部分裂短波扰动影响， 1日17:00温泉县西部山区转为西北风， 地面出现西北风与偏东风的中尺度辐合线（图略）， 且低层850~700 hPa存在中尺度辐合中心， 负散度中心值达-10×10-5~-8×10-5 s-1， 高空300 hPa配合有12×10-5 s-1的正散度， 低层较强的辐合叠加高层辐散抽吸， 近地面至300 hPa产生强上升运动， 垂直速度中心值达-1.0 Pa·s-1（600 hPa附近）， 即近地面偏东气流沿山爬升， 在地面中尺度辐合线、 低层中尺度辐合中心及地形强迫下， 产生上升运动将低层空气向高空输送， 致使高空加压， 气压场与流场不适应， 在气压梯度力的作用下气流向东辐合， 于博州东部产生下沉运动， 博州上空形成垂直环流圈［图5（b）］， 受其触发不稳定能量逐渐被释放， 雷达图上表现为分散的对流单体在东移过程中合并加强， 回波范围逐渐扩大， 强回波中心加强至60 dBz以上， 回波顶高达12 km， 垂直液态水含量达50 kg·m-2［图5（c）］， 随西北风增强， 推动地面辐合线东移， 垂直环流圈亦随之东移， 地面辐合加强［图5（a）］， 700 hPa负散度中心达-12×10-5 s-1， 对流系统增强， 强回波中心西南侧出现冷池， 1 h降温达4~6 ℃， 博州西部存在等温线密集带， 东西温差达8 ℃， 强烈的温差及增强的低层辐合致使强对流单体维持， 强回波持续至19:00， 造成降水强度增大， 部分站点小时雨强达20 mm·h-1， 最大雨强达31.1 mm·h-1， 且18:00 - 19:00之间温泉县局地出现8级以上雷暴大风（最大风速达23 m·s-1）和冰雹， 分析回波旺盛时（18:30）的雷达反射率因子垂直剖面， 强回波伸展至11 km， 中心强度65 dBz， 且存在弱回波区及有界弱回波区［图5（d）］， 造成短时强降水、 雷暴大风和冰雹等强对流天气。在高空引导气流作用下， 地面辐合线东移至博乐至精河一线， 对流系统出流边界触发新对流， 且雷暴大风促使地面辐合增强， 促使对流系统进一步发展， 雷达回波上表现为强回波减弱东移过程中与下游对流单体合并发展， 20:30 -21:00东移至精河， 回波强度再次增强至65 dBz以上， 回波顶高13~14 km， 垂直液态水含量达70 kg·m-2， 造成精河雷暴大风和冰雹天气， 且精河冰雹强于温泉， 风雹天气造成该地棉花、 玉米部分农作物受损， 出现灾情； 而温泉县南部山区触发两个新的对流单体， 对流单体在东移北上过程中造成该地区10 mm·h-1左右的降水。故博州短时暴雨主要由地面辐合线触发， 且伴有冰雹和雷暴大风， 对流表现呈高质心结构。
图5 2024年7月1日19:00地面风场（风羽， 单位： m·s-1）（a）、 18:00锋生函数（彩色阴影， 单位： ×10-9 K·m-1·s-1）、 垂直速度（等值线， 单位： Pa·s-1）、 流线［风矢量表示u和w合成风场（下同）， w放大50倍， 单位： m·s-1］剖面图（b）、 18:23伊宁雷达组合反射率因子（彩色阴影， 单位： dBz）（c）、 反射率因子（彩色阴影， 单位： dBz）垂直剖面（d） 图（a）●代表Y5608， 图（b）▲代表暴雨中心代表站经度位置Fig.5 Surface wind field （barb， unit： m·s⁻¹） at 19:00 on July 1 2024 （a）， cross-sectional diagram of frontogenesis function （color shading， unit： ×10⁻⁹ K·m⁻¹·s⁻¹）， vertical velocity （contour line， unit： Pa·s⁻¹）， and streamline ［wind vector represents the combined wind field of u and w （the same below）， with w amplified by 50 times， unit： m·s⁻¹）］ at 18:00 （b）， Yining radar composite reflectivity factor at 18:23 （colored shading， unit： dBz） （c）， vertical section of reflectivity factor（colored shading， unit： dBz） （d）.●represents Y5608 in （a）.▲indicates the longitude position of the representative station in the rainstorm center in （b） |
6.2 中天山暴雨触发机制
研究表明， 低层强锋生和次级环流圈与强降水发生时间和位置有较好的对应关系（邱贵强等， 2018）， 故利用锋生函数分析暴雨期间锋生、 锋消情况， 揭示中天山暴雨的触发机制。7月1日白天至2日夜间， 中天山及两侧700~500 hPa假相当位温均存在高值区， 且于2日午后逐渐增强， 假相当位温为336~360 K， 不稳定能量不断积聚， 说明该区域高温高湿高能。2日08:00前后假相当位温密集带位于新疆偏西地区， 伴有锋生大值区， 即地面冷锋影响北疆偏西地区； 高空引导气流作用下低层西北风增强推动冷空气不断东移南压， 20:00假相当位温密集带和锋生大值区已移至天山北坡， 700~500 hPa锋生函数大值中心达8×10-9~12×10-9 K·m-1·s-1， 冷锋前沿已影响昌吉州东部（图略）， 从奇台站（Z9994）C波段双偏振雷达组合反射率因子和回波顶高可知（图略）， 16:00左右昌吉州东部出现降水回波， 以层状云为主， 回波结构比较均匀， 回波强度为15~35 dBz之间， 回波顶高在5 km以下， 回波东移北上过程中合并发展， 局地回波强度达45 dBz， 回波顶高达6 km， 即出现层状云和积雨云并存的回波结构特征， 地面对应系统性降水夹杂对流性降水的出现； 3日00:00 -08:00昌吉州东部假相当位温高能舌维持且沿偏南气流向北伸， 而上游假相当位温低值区迅速东南压， 位温梯度加大， 热力差异逐渐增大， 锋生函数增强， 700~500 hPa锋生函数大值中心达28×10-9 K·m-1·s-1， 强冷锋影响昌吉州东部， 地面冷锋促使上升运动进一步发展［图6（a）］。分析沿43.5°N锋生函数和垂直速度的垂直剖面， 中层（600~400 hPa）先锋生， 而后锋区向地面伸展， 且锋区向西北侧冷区倾斜， 对应昌吉州东部暴雨中心的降水， 2日18:00 -23:00冷锋主体仍位于昌吉州西部， 昌吉州东部近地面有弱锋生， 锋生函数最大值为6×10-9 K·m-1·s-1， 锋面上空有弱垂直上升运动， 垂直速度中心值为-1.4 Pa·s-1， 弱锋生产生的上升运动将低层空气向高层输送， 高层气压增强引导气流向东输送， 于偏东地区辐合产生下沉运动， 形成次级垂直环流， 动力触发致使对流不稳定能量逐渐被释放， 产生降水， 而前期降水使得大气呈近乎饱和状态， 随低层偏北风增强， 与高空槽前偏南风之间形成较大的垂直风切变， 为条件对称不稳定的发生提供有利条件。7日00:00中层锋区影响昌吉州东部， 锋生函数大值中心位于500 hPa， 中心值为6×10-9 K·m-1·s-1， 垂直速度仅为-2.0 Pa·s-1， 其在东移过程中增强且向地面伸展， 05:00锋生函数大值中心降至700 hPa（相当于该山区近地面）， 中心值为24×10-9 K·m-1·s-1， 中空500 hPa锋生函数为15×10-9 K·m-1·s-1， 强锋区前垂直上升运动迅速增强， 垂直速度达-3.0 Pa·s-1， 垂直上升运动触发积云对流， 而积云对流释放凝结潜热使对流层中上层不断增暖， 并使高层加压， 产生辐散， 而高层辐散促使低层锋面附近气压降低， 产生辐合， 即锋面扰动和积云对流相互作用， 使得垂直环流增强， 致使降水维持且增强［图6（b）］。雷达回波表现为明显增强， 且强回波范围明显增大， 昌吉州东部大部出现45~50 dBz的回波， 回波顶高在3~6 km之间， 垂直液态水含量5 kg·m-2以下， 对应该地区地面降水增强， 南部山区大部出现6~10 mm·h-1的降水， 局地大于10 mm·h-1， 最大小时雨强13 mm·h-1， 分析回波旺盛时的雷达反射率因子垂直剖面， 强回波集中在4 km附近的0 ℃层以下， 以暖云降水为主， 降水效率高［图6（c）， （d）］。故对流层中低层冷锋锋生是中天山暴雨的主要触发因子， 且锋面扰动和积云对流呈正反馈作用， 锋面次级环流上升运动与对流运动发生、 发展密切相关。
图6 2024年7月3日05:00 600 hPa锋生函数（彩色阴影， 单位： ×10-9 K·m-1·s-1）和假相当位温（等值线， 单位： K）（a）、 3日05:00锋生函数（彩色阴影， 单位： ×10-9 K·m-1·s-1）、 垂直速度（等值线， 单位： Pa·s-1）、 流线（风矢量， 单位： m·s-1）剖面图（b）、 3日04:19奇台雷达组合反射率因子（彩色阴影， 单位： dBz）（c）、 反射率因子（彩色阴影， 单位： dBz）垂直剖面（d）图（a） ▲代表Y4109， 图（b） ▲代表暴雨中心代表站经度位置Fig.6 The frontogenesis function （colored shading， unit： ×10-9 K·m-1·s-1） and pseudo-equivalent potential temperature （contour line， unit： K） at 600 hPa on July 3 2024， at 05:00（a）， cross-sectional diagram of frontogenesis function （colored shading， unit： ×10⁻⁹ K·m⁻¹·s⁻¹）， vertical velocity （contour lines， unit： Pa·s⁻¹）， and streamlines （wind vectors， unit： m·s⁻¹） at 05:00 on the 3rd.（b）， the composite reflectivity factor of Qitai radar at 04:19 on the 3rd （colored shading， unit： dBz） （c）， and the vertical section of the reflectivity factor （colored shading， unit： dBz）（d）.▲ represents Y4109 in （a）.▲ indicates the longitude position of the representative station in the rainstorm center in （b） |
7 结论
本文通过对2024年6月30日至7月3日北疆对流性暴雨的中尺度特征及触发与维持机制的分析， 得出以下结论：
（1） 7月1日中亚低涡位于里咸海至巴尔喀什湖之间， 低涡底部分裂短波扰动东移， 中层西南风携带暖湿气流北上， 受山谷风影响偏东风引导冷空气东灌于博州低层形成冷垫， 暖湿气流沿冷垫爬升， 暴雨区上空形成对流不稳定层结， 为强降水的发生积聚不稳定能量。2日白天至夜间， 中亚低涡东移北上过程中减弱成槽， 槽前西南气流增强引导暖湿气流北上， 低层西北急流引导冷空气于天山北坡堆积， 低层强冷平流与中层强暖平流叠加， 大气对流不稳定增强， 地面冷锋触发对流不稳定能量释放产生降水， 后期大气呈饱和状态且垂直风切变增大， 大气转为条件对称不稳定状态， 造成降水维持且增强。
（2） 中尺度对流云团是造成暴雨的直接影响系统， 地面中尺度辐合线是博州暴雨的主要触发因子， 中γ尺度对流系统不断生成发展， 东移过程中合并增强为中β尺度对流系统产生暴雨， 对流呈高质心结构， 属强对流天气造成的短时暴雨。对流层中低层冷锋锋生是中天山暴雨的主要触发因子， 受天山山脉阻挡冷锋长时间维持， 锋面次级环流上升运动与对流运动发生、 发展密切相关， 且锋面扰动和积云对流呈正反馈作用， 多个中β尺度对流系统相继东移产生暴雨， 对流呈低质心， 为暖云降水。
对流性暴雨突发性、 局地性强， 强降水落区与时段的精准预报一直是天气预报业务的难点之一。本文利用 FY-4B卫星、 雷达等多源资料， 深入剖析北疆对流性暴雨的中尺度特征， 明确不同类型暴雨（强对流短时暴雨与混合性暴雨）的触发、 维持机制， 研究结果可为北疆对流性暴雨短临预报预警业务提供关键科学依据， 未来可加大研究样本， 通过WRF高分辨率模拟与参数化改进， 细化地形对气流的影响， 精准刻画中尺度辐合线与锋生过程， 提升对暴雨触发位置、 强度及持续时间的预报精准度， 为北疆对流性暴雨的精细化预报提供核心技术支撑。