1 引言
博斯腾湖地区位于新疆天山南坡， 地处塔里木盆地东北、 焉耆盆地东南， 北部有中天山阻挡， 西面是霍拉山， 南面是南天山的分支——库鲁克塔格山， 远离海洋， 深居内陆， 是南北疆气候的过渡地带。博斯腾湖特殊的地理位置和地形环境决定了博斯腾湖地区干旱少雨的气候特征。该地区年平均降水量约87 mm， 不足全国平均标准的1/4， 但在夏季的时候该地区常会出现突发暴雨和局地对流天气， 给当地军民项目以及生命财产造成了巨大影响。由于发生强降水的频率相对偏低， 以往的研究很少关心如此偏远地区的强降水过程。至今关于该地区强降水过程的水汽来源以及强降水过程的天气形势仍缺乏深入了解。因此， 利用数值模拟手段， 模拟和再现该地区的暴雨过程， 从而深刻理解该地区降水过程机理， 对于国防安全和可持续发展均具有重要意义。
最近50多年来， 关于暴雨形成机理的研究一直持续不断。陶诗言等（1980）和寿绍文等（2003）的研究都指出， 中尺度天气系统是促使暴雨形成和发展最直接的主要因素， 多种不同尺度天气系统之间叠加和相互作用诱发了强降水的形成。近年来， 随着中尺度数值预报模式和数值模拟工作不断深入， 对于暴雨发生发展的机制和中尺度结构的研究已取得较大进展。张芳丽等（2020）和曾勇等（2020）分别针对强降水的激发作用和中尺度特征进行了研究， 在对物理量的诊断分析中对热力、 动力因素进行了大量研究。张云惠等（2013）认为， 中小尺度辐合及中尺度云团是造成南疆西部暴雨的主要原因。杨显玉等（2016）利用WRF模式模拟了甘肃岷县2012年5月10 -11日的一次强降水过程， 从水汽条件、 动力条件、 不稳定能量等方面分析了强降水的中尺度结构和形成发展的原因。高珩洲和李国平（2020）利用WRF3.9模式对贵州省雷山县的一次突发性暴雨过程进行了数值试验， 并对暴雨中尺度结构进行了研究分析， 结果认为地面辐合线、 切变线与低空西南急流共同促进了暴雨过程的发展。庄晓翠等（2020）对出现于新疆东部的一次区域极端暴雨的中尺度结构和机理进行研究认为， 沿西太副高西侧偏南气流北上的γ中尺度对流云团是暴雨的主要影响系统。最近， 陈豫英等（2021）从大气环流的高、 低空配置着手， 对贺兰山地区暴雨过程的中尺度天气系统进行了分析研究， 认为低空偏（东）南急流配合贺兰山地形， 触发或增强了暴雨中小尺度系统， 促进了暴雨的形成和发展。
综上所述， 许多气象科技人员已经对我国暴雨的影响机制和形成机理做了深入的研究。借鉴前人的研究思路和方法， 并利用数值模拟研究博斯腾湖地区的降水过程。由于新疆境内尤其南疆地区测站稀少， 观探测资料有限， 至今学术界对该地区暴雨的中尺度系统结构以及形成机理的认识仍然十分有限。数值模拟手段可能是研究博斯腾湖地区强降水过程的有效途径。
本文选取2020年8月14日发生在天山南部博斯腾湖地区的一次持续时间短、 强度大的突发性暴雨过程为研究对象， 应用数值模式WRF4.0对此次天气过程进行了模拟， 并对该暴雨影响机制和中尺度系统进行了研究探讨， 旨在为博斯腾湖地区暴雨预报及WRF模式在该地区本地化应用和推广方面提供参考依据和技术支持。
2 环流特征及模式试验设计
2.1 暴雨概况
2020年8月14日， 天山南脉博斯腾湖地区及周边县市出现一次罕见暴雨天气。从累计降水分布［图1 （a）］可见， 降雨落区主要位于博斯腾湖区南部（若羌、 尉犁、 博湖站）， 北部（和硕、 和静站）及西部（库尔勒、 塔什店站）则降水相对偏少， 降水空间分布不均匀， 具有很强的局地性， 博斯腾湖区暴雨中心位于和硕县乌什塔拉乡（图中红五角星所示位置）附近， 该地区24ｈ累计降水量高达33.1 mm。依据肖开提·多莱特（2005）提出的新疆降水量分级标准， 0~24ｈ的累积降水量达到24 mm以上， 属于暴雨级别。从博斯腾湖区附近站点的小时降水量［图1 （b）］可以看出， 降水增幅最大出现在14日13:00（北京时， 下同） -18:00， 最大小时降水量达到了9.8 mm。此次降水过程持续时间比较短， 强度大， 造成当地多处房屋倒塌， 设备被淹， 国道314、 省道325多处出现塌方， 造成了非常严重的财产损失。
图1 2020年8月14日00:00至15日00:00博斯腾湖地区气象站点降水量分布（红色矩形框代表博斯腾湖； 五角星和红色圆点代表暴雨； 绿色圆点表示大雨； 蓝色圆点表示小雨）和地形高度（灰阶）（a）、 博斯腾湖地区代表站观测的逐时雨量（b）Fig.1 Accumulative precipitation in Bosten Lake area from automatic weather stations observations from 00:00 on 14 to 00:00 on 15 August 2020（red rectangles denote Bosten Lake area， pentagram and red dots denote rainstorm， green dots denote heavy rain， and blue dots denote light rain） and geopotential height（gray scale）（a）， and hourly precipitation observed by representative stations in Bosten Lake area （b） |
本文所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS（2019）3266号的中国地图制作， 底图无修改。
2.2 天气环流形势
2020年8月14日08:00， 宽广深厚的低槽区位于乌拉尔山以东、 巴尔喀什湖以北区域（图略）， 西西伯利亚槽、 中亚槽自北向南呈阶梯状分布； 青藏高原东部为稳定的副热带高压区所控制， 大量暖湿空气被高压区西北侧的西南低空急流输送到新疆地区， 与南下的冷空气相遇， 从而提供了暴雨产生所需的基本条件。到14:00暴雨发生期间， 由于受到伊朗高压系统推动， 中亚槽不断东移， 于天山中部地区中亚槽与西西伯利亚槽合并加深形成一个自北向南的中天山大槽， 此时博斯腾湖地区处在槽前位置， 也是受系统影响最严重的时期， 气温也出现进一步下降， 根据乌什塔拉自动站实况资料显示， 此时为一天当中观测记录的最低温15.9 ℃， 最大小时降水量达到9.8 mm， 天气现象主要是中到大雨， 一段时间后降雨停止。受系统影响， 此时新疆南北上空被大片层积云控制， 此时为影响最严重的时段。到20:00， 系统主体移出本场， 该地区处于系统后部的西北下沉气流控制， 天气形势相对平稳。
2.3 数据来源及模式设计
实况数据来源于新疆气象局的自动站资料， 以时间间隔6 h的NCEP再分析资料作为WRF模拟的初始场和侧边界条件， 水平分辨率为1°×1°。（42°N， 87°E）为模拟的区域中心位置， 模式采用三重嵌套， 格点数分别为201×188、 349×349和436×436， 格距分别为27， 9和3 km； 积分步长分别为150， 54和18 s。
模式共积分36 h， 初始积分时间是2020年8月13日12:00至15日00:00结束， 结果每隔1 h输出一次。选择的主要物理过程方案如表1 所示：
表1 物理过程与方案选择Table 1 The physical processes and schemes selected |
| 物理过程 | 方案选择 |
|---|---|
| 云微物理过程方案 | Thompson方案 |
| 近地面层方案 | Monin-Obukhov方案 |
| 陆面过程方案 | Noah方案 |
| 边界层方案 | YSU方案 |
| 短波辐射方案 | Dudhia方案 |
| 长波辐射方案 | RRTM 方案 |
| 积云对流方案 | Kain Fritsch方案（3km层次关闭） |
3 模拟结果对比分析
3.1 环流形势检验
通过对比2020年8月14日700 hPa平均流场的实况和模拟图［图2 （a）， （b）］可以看出， WRF模式模拟的700 hPa流场形势与实况非常接近。在乌拉尔山以东、 巴尔喀什湖以北有西西伯利亚低值系统存在， 由于该低值系统的不断东移南压， 使来自西伯利亚的冷空气源源不断翻过天山； 来自西南以及东南侧的暖湿气流与北方的冷空气交汇于焉耆盆地一带， 冷空气东面因为受到蒙古高原阻挡， 南面受到库鲁克塔格山的阻挡， 移动缓慢， 北上的暖湿气流持续向盆地输送， 促使辐合中心在该地区的出现， 为暴雨的形成创造了有利条件。从图2 中还可以看出， 博斯腾湖地区的位置与该气旋性环流中心恰好相对， 气流的汇聚和提升作用将低层水汽输送至高层， 这为形成对流性天气提供了必要条件。
图2 2020年8月14日实况（左）和模拟（右）的700 hPa平均流场分布（a， b）以及TRMM卫星实况和模拟的24 h累计降水（c， d， 单位： mm）Fig.2 The distribution of the observed （left） and simulated （right） average streamline on 700 hPa （a， b ）， observed by TRMM and simulated 24-hour cumulative precipitation （c， d， unit： mm） on 14 August 2020 |
3.2 模拟降水检验
对降水模拟水平的高低是评价中尺度数值模式的一个非常重要的指标。从2018年8月14日00:00至15日00:00 24 h累积降水量的模拟与TRMM卫星实况图对比［图2 （c）， （d）］可以看出， 尉犁县、 若羌县连成一片降雨区， 其中部分区域24 h累积降水达到40 mm以上， 范围约有150 km， 其他地区的降水则稳定在5~20 mm。通过对比模拟图可以看出， 几个主要雨带在图中均有准确体现， 几个暴雨中心也有所反映， 虽然个别站点模拟的降水强度较实况有一定程度偏低， 但对雨带走向和降雨落区的模拟与实况基本一致。总体来说， WRF模式模拟此次暴雨的结果较为理想。下面利用模式输出的高时空分辨率资料， 对引发此次暴雨的高度场、 风场的分布特征以及系统发展过程中的中尺度结构进行分析。
4 分析场及中尺度系统结构分析
4.1 高度场和风场分析
2020年8月14日14:00， 在对流层高层200 hPa［图3 （a）］， 中天山槽位于乌拉尔山以东、 巴尔喀什湖以北， 呈自北向南分布特征， 在该槽东南侧（32°N -50°N， 75°E -110°E）一带有明显的高空急流带， 博斯腾湖地区位于该急流入口区右侧， 急流中心附近最大风速达到40 m·s-1。在500 hPa高度层［图3 （b）］， 一条横槽切变线位于伊朗高压与西太副高之间， 宽广深厚的中天山大槽横亘于两个高压系统之间， 自北向南分布， 最北到乌拉尔山、 西西伯利亚一带， 最南到西藏南部， 博斯腾湖区处在该槽的中心位置， 槽前西南暖湿气流强盛， 这种形势对于水汽向高空的垂直输送非常有利， 非常有利于暴雨的形成与发展。
图3 2020年8月14日14:00 200 hPa（a）、 500 hPa（b）的环流形势（等值线， 单位： gpm）、 风场（风羽， 单位： m·s-1）和急流区（阴影）Fig.3 Composition of observed geopotential height （contour， unit： gpm） and wind field （barb， unit： m·s-1） and the high level jet （the shaded areas） on 200 hPa （a）， 500 hPa （b） at 14:00 on 14 August 2020 |
4.2 水汽条件分析
水汽条件对于暴雨过程的形成发挥着非常关键的作用。如果湿度越大、 湿层越厚， 就越能促进暴雨过程的形成和发展。通过分析2020年8月14日14:00相对湿度的垂直剖面图［图4 （a）］可以看出， 受中天山大槽的影响， 大量暖湿空气被槽前上升气流抬升到对流层高层， 在850~300 hPa， 相对湿度高达90%以上。结合14日14:00 700 hPa水汽通量分布可知［图4 （b）］， 此次暴雨过程中， 来源于中亚槽前偏西向的气流为暴雨中心输送了大量水汽， 从图4 （b）可以看出， 42°N附近有明显的水汽输送通道， 水汽通过该通道源源不断地被输送至降水区， 而在降水区上空， 存在较强的负水汽通量散度， 并且沿中天山一带出现一个强度超过 -1.5×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1的辐合中心， 表明该地区水汽辐合较强， 且该位置与暴雨区相对应， 以上说明， 在暴雨发生发展的过程中， 水汽通量散度对于暴雨过程的揭示具有一定的意义。
图4 2020年8月14日14:00相对湿度的垂直剖面（a， 单位： %）， 700 hPa水汽通量（阴影， 单位： g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（矢量， 单位： ×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1） （b）Fig.4 The zonal vertical section of relative humidity （a， unit： %）， the moisture flux （the shaded， unit： g·cm-1·hPa-1·s-1） and the moisture flux divergence （vector， unit： ×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1） on 700 hPa （b） at 14:00 on 14 August 2020 |
4.3 中尺度系统垂直结构分析
陈红专和汤剑平（2009）指出， 天气系统发展过程中， 水汽、 热量、 动量等由于空气的垂直运动产生向上输送， 强烈的上升运动是导致天气系统发生发展的关键因素， 也是降水产生的必要条件。从8月14日14:00垂直速度剖面图［图5 （a）］可知， 较为强烈的垂直运动出现于14:00前后， 暴雨区低层到高层垂直运动发展很迅速， 垂直运动强度最强、 范围最广的区域位于850~400 hPa， 高值中心随着高度增加逐渐向北倾斜， 并在600 hPa附近处垂直速度达到最大， 暴雨区上空的垂直速度达到8 Pa·s-1以上。以上结果表明， 暴雨期间博斯腾湖地区对流活动很强盛， 垂直上升运动区可达400 hPa， 这与博斯腾湖地区特殊地形有关。由于存在强烈的垂直上升运动， 引发大气对流活动并导致大气层结的不稳定能量释放， 对流天气因此得以增强并维持。
图5 2020年8月14日14:00垂直速度（a， 单位： Pa·s-1）、 散度（b， 单位： ×10-5 s-1）和涡度（d， 单位： ×10-5 s-1）、 假相当位温（c， 单位： K）的垂直剖面Fig.5 The zonal vertical cross section of the vertical velocity （a， unit： Pa·s-1）， divergence （b， unit： ×10-5 s-1）and vorticity （d， unit： ×10-5 s-1）， pseudo-equivalent temperature （c， unit： K）at 14:00 on 14 August 2020 |
从8月14日14:00散度场的垂直分布［图5 （b）］可知， 500 hPa以下主要为辐合区， 中心值达30×10-5 s-1， 往上逐渐转为辐散区域， 因此具有典型高层辐散、 低层辐合的特征， 这种配置有利于博斯腾地区垂直运动的增强， 为暴雨的形成提供了有利的动力条件。由14日14:00的涡度场分布［图5 （d）］可以看出， 在暴雨区上空呈现出明显的正涡度区， 正涡度区高度延伸至100 hPa处， 中心值达到100×10-5 s-1， 正涡度与博斯腾湖区的地形相互配合， 形成强迫抬升作用， 从而促使暴雨的形成。
假相当位温 是反映大气层结稳定度的指数， 通过分析该指数， 可了解降水时段内大气稳定度的特征。从8月14日14:00 的垂直剖面图［图5 （c）］中可以看到， 在博斯腾湖地区上空， 假相当位温 随高度增加递减， 即 <0， 说明该地区上空存在深厚的对流不稳定区， 不稳定区范围从地面延伸至300 hPa附近， 而300~500 hPa之间假相当位温 几乎保持不变。以上结果表明， 在博斯腾湖地区中低层大气层结是不稳定的， 垂直方向存在着强烈的上升运动， 低层水汽和能量在该上升运动的促使下不断向上输送。
通过分析博斯腾湖地区探空层结曲线的时间变化（图6 ）可以看出， 在8月14日08:00， 该地区从850~250 hPa整层湿度都比较大， 对流有效位能为171 J·Kg-1， 此时该地区对流发展不旺盛， 湖区附近无明显降水； 到14:00， 博斯腾湖地区1000~100 hPa均维持较大湿度， 并处于绝对不稳定状态， 南北气流交会使得250 hPa以上湿度明显增加， 并导致不稳定能量以及潜热能的释放， 此时该地区对流有效位能显著增大， 至2636 J·Kg-1， 较08:00相比， 6 h内对流有效位能增加了2465 J·kg-1， 短时间内积累了大量不稳定能量， 在对流有效位能增加的过程中， 中天山大槽附近强降水逐渐出现， 这与14:00模式模拟出降水区也基本吻合； 到20:00， 随着博斯腾湖地区降水过程的基本结束， 大气中不稳定能量不断释放， 对流有效位能降至0 J·Kg-1， 大气也由暴雨发生前的绝对不稳定转变为绝对稳定状态。上述分析可以看出， 南北干湿气流交汇导致不稳定能量的释放是导致此次暴雨发生的一个重要因素， 暴雨生成、 发展、 结束过程与对流有效位能积聚、 发展、 释放的过程有较好对应关系。
图6 2020年8月14日08:00、 14:00、 20:00博斯腾湖站探空曲线黑色线： 气块路径曲线； 蓝色线： 露点温度； 红色线： 温度廓线 Fig.6 Sounding chart of Bosten Lake Observatory Station at 08:00， 14:00， 20:00 on 14 August 2020.The black line is air parcel path， the blue line is dew point temperature profile， and the red line is temperature profile |
4.4 地形和急流条件分析
通过以上分析可知， 此次暴雨天气过程与博斯腾湖地区地形关系较为密切， 为了了解地形对本次暴雨过程的影响， 可以对模式中相应的地形进行调整， 使环流形势做出相应改变， 导致模式模拟出的降水区域和强度呈现出不同的结果， 从而明确地形因子在暴雨发生发展过程中起的作用。为此， 设计了2组地形敏感性试验（表2 ）。
表2 地形试验方案Table 2 The topographic experiments scheme |
| 名称 | 内容 |
|---|---|
| CTRL | 保持原地形 |
| TEST1 | 库鲁克塔格山高度降低1/2 |
| TEST2 | 库鲁克塔格山高度降低3/4 |
对比控制试验与敏感性试验的24 h的累计降水量分布（图7 ）可以看出， TEST1试验与CTRL试验雨带分布及走向大致相同， 均为东北-西南向分布， 在TEST1试验中， 博斯腾湖地区累积雨量上升至40 mm， 较控制实验增加大约15 mm。TEST2试验中， 降水大值区中心雨量相较于控制试验呈现出普遍增加的特征， 范围也进一步有所扩大。以上模拟结果说明， 库鲁克塔格山对于此次降水有重要影响， 当库鲁克塔格山地形降低时， 雨量增多， 降水范围增大。
低空急流加以地形的配合， 会对暴雨的发生发展产生显著的触发和增强作用（杨莲梅， 2003； Huang et al， 2015）。从14:00 700 hPa高度上的低空急流配合博斯腾湖地形［图8 （a）］可知， 低空急流在强降雨发生时发展非常强盛， 急流核附近的强度达了30 m·s-1， 博斯腾湖地区正与之对应， 在地形的阻挡作用下， 该地区产生了风速的辐合， 造成在4000 m地形处出现明显的上升运动， 上升速度达2 Pa·s-1（图略）。从对应时间的雷达组合反射率分布［图8 （b）］可知， 该区域有明显积层混合云回波特征， 较强回波位于博斯腾湖区南侧， 强度达到了35 dBZ以上， 该回波区对应的位置与暴雨区基本吻合， 模式模拟的可靠性也进一步得到了体现。上述结果表明， 博斯腾湖地区低空急流的存在， 加以地形的有力配合， 为此次暴雨的形成提供了有利条件。
图8 2020年8月14日14:00 4000 m地形（黑色区域）、 700 hPa风场（风羽， 单位： m·s-1）、 急流（灰色阴影， 单位： m·s-1）（a）、 雷达组合反射率（阴影区， 单位： dBZ）（b）Fig.8 Composition of terrain height over 4000 m （the shaded areas）， wind field （barb， unit： m·s-1） on 700 hPa， the high level jet （color area， unit： m·s-1） （a）， radar combined reflectivity （the shaded areas， unit： dBZ） （b） on 14 August 2020 |
5 结论
应用中尺度数值模式WRF4.0， 结合NCEP气象再分析资料和地面自动站资料， 对发生于2020年8月14日博斯腾湖地区的一次暴雨天气过程进行了数值模拟和分析， 得到以下结论：
（1） 将环流场和降水场与实况对比后发现， WRF模式对暴雨过程的环流特征及降水落区和时空分布模拟结果较好。
（2） 中亚槽在伊朗高压系统推动下不断东移， 在天山中部地区与西西伯利亚槽合并加深形成一个自北向南的中天山大槽， 受该大槽的影响， 博斯腾湖地区暴雨逐渐形成和发展。
（3） 对流层中下层的湿润空气为暴雨过程提供了充沛的水汽， 配合水汽通量分析可知， 暴雨过程的水汽来源于中亚槽前偏西向的气流输送， 该偏西向气流与北上的暖湿气流汇合于天山山脉中部， 与暴雨落区相对应。
（4） 大气的上升运动、 高低空涡度和散度的有利耦合形势、 低空急流的存在共同触发了此次暴雨过程的发生； 同时， 水汽和能量由于受到不稳定气层的影响不断向上输送， 有利地促进了暴雨过程的进一步发展。
（5） 库鲁克塔格山对于降水有显著影响， 当山脉高度降低后， 雨量增多， 降水范围增大。
本文模拟结果与实况尚存在一定偏差， 下一步工作将考虑增加观测数据资料同化， 并依据局地特性对模式参数化方案进行优化， 从而进一步提高模式模拟效果， 以提高对该区域暴雨过程机理的了解。