Analysis of the Difference between Rainstorm Accompanied by Easterly Low-level Jet in Tarim and Rainstorm without Easterly Low-level Jet in Tarim in Southern Xinjiang

  • Xia YANG ,
  • Hongkui ZHOU
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  • 1. Xinjiang Uygur Autonomous Region Meteorological Service,Urumqi 830002,Xinjiang,China
    2. Xinjiang Meteorological Information Center,Urumqi 830002,Xinjiang,China

Received date: 2021-07-07

  Revised date: 2023-01-17

  Online published: 2023-11-14

Abstract

Most of the regional heavy rain processes in the monsoon region of China are related to the low-level jet.However, in arid and semi-arid regions, the low-level jet stream is not necessarily associated with every rainstorm process.Based on the daily precipitation data from May to September from 1971 to 2020, hourly precipitation data from 2011 to 2020, and the radiosonde data from Ruoqiang Station twice a day, the observational characteristics of heavy rain with and without easterly low-level jet in southern Xinjiang in recent 40 years were analyzed by statistical methods.The results show that the number of rainstorm days accompanied by easterly low-level jet is slightly less than that without easterly low-level jet in southern Xinjiang in recent 40 years.Both of them showed an increasing trend in the past 40 years, but the increasing trend of the number of rainstorm days accompanied by the easterly low-level jet was more significant.In the past 40 years, the proportion of rainstorm days accompanied by easterly low-level jet to the total rainstorm days in southern Xinjiang showed an increasing trend, while the proportion of rainstorm days without easterly low-level jet showed a decreasing trend.In the warm season of southern Xinjiang, the number of rainstorm days accompanied by easterly low-level jet was the highest in May, while the number of rainstorm days without easterly low-level jet was the highest in July, and both of them were the least in September.From the 1970s to the 1990s, the heavy rain in the warm season in southern Xinjiang was mainly accompanied by the easterly low-level jet, and from the 2000s to the present, the heavy rain was mainly accompanied by the easterly low-level jet.The number of rainstorm days is relatively higher in the western part of southern Xinjiang, and the rainstorm is mainly accompanied by easterly low level jet stream.The proportion of short-time heavy precipitation events in the rainstorm without the easterly low-level jet in the warm season in southern Xinjiang is significantly higher than that in the rainstorm with the easterly low-level jet.The rainstorm accompanied by the easterly low-level jet is dominated by night rain, while the rainstorm without the easterly low-level jet is dominated by day rain.In the warm season of southern Xinjiang, the periods of maximum precipitation and maximum occurrence of the rainstorm with the easterly low-level jet mainly occurred around midnight, while the periods of maximum precipitation of the rainstorm without the easterly low-level jet mainly occurred from late afternoon to late afternoon.The maximum cumulative frequency of the rainstorm without the easterly low-level jet is similar to that of the rainstorm with the easterly low-level jet occurred around midnight.The maximum intensity of both types of torrential rain occurs from mid-afternoon to late afternoon.The peak value of rainstorm precipitation with easterly low-level jet in the warm season in southern Xinjiang was mainly caused by the frequency of precipitation in the early night, while the sub-peak value of rainstorm precipitation around evening was mainly caused by the intensity of precipitation.The diurnal variation characteristics of rainstorm precipitation without easterly low-level jet in the warm season in southern Xinjiang are similar to its precipitation intensity, and the difference between it and its precipitation frequency is great.There is a great difference between the rainstorm with easterly low level jet and the rainstorm without easterly low level jet in the warm season of southern Xinjiang.At present, the research on the formation mechanism of rainstorm in southern Xinjiang with the coordination of easterly low level jet from Tarim is relatively mature, while the formation mechanism of rainstorm without the coordination of easterly low level jet from Tarim is still unclear.

Cite this article

Xia YANG , Hongkui ZHOU . Analysis of the Difference between Rainstorm Accompanied by Easterly Low-level Jet in Tarim and Rainstorm without Easterly Low-level Jet in Tarim in Southern Xinjiang[J]. Plateau Meteorology, 2023 , 42(6) : 1492 -1503 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00003

1 引言

南疆位于新疆天山山脉以南, 昆仑山以北, 属典型干旱区, 由于远离海洋, 不受季风系统的直接影响, 其大部分地区的年平均降水量不足100 mm, 且暴雨雨量与我国东部地区相比明显偏小(张家宝等, 1986马淑红和席元伟, 1997)。南疆的暴雨雨量虽小, 但其暴雨的相对强度却很大, 一次暴雨过程的累计降水量可接近或超过该地区的年平均降水量(杨莲梅, 2003杨霞等, 2020a)。由于地表植被少, 贮水能力差, 南疆的暴雨极易诱发山洪、 泥石流、 山体滑坡等次生灾害, 给人们生命和财产带来巨大损失。2018年7月31日, 新疆哈密市伊州区沁城乡小堡发生极端暴雨, 过程降雨量110 mm, 超过其历史最大年降雨量(52.4 mm), 暴雨引发当地射月沟水库溃坝, 造成多人遇难(庄晓翠等, 2020)。研究表明, 20世纪80年代后期以来, 青藏高原北侧的西北干旱区由暖干向暖湿转型, 新疆是显著转型区, 在整个西北区域转型的特征最为突出(施雅风等, 20022003), 且南疆强于北疆(韩萍等, 2003)。进入21世纪后, 南疆暴雨频发(刘海涛等, 2013张云惠等, 2015), 暴雨灾害呈明显增加趋势, 新疆气候中心气候影响评价报告指出, 近10年南疆暴雨造成的灾害占当地气象灾害的36%, 各级政府、 部门及公众对南疆暴雨预报的准确性、 精确性和及时性都提出了更高的要求(窦新英等, 2018)。
低空急流是暴雨预报的一个重要指标(陶诗言等, 1980王华等, 2019张芳丽等, 2020韩子霏等, 2021)。我国华北、 华南、 长江流域多数暴雨过程都伴有低空急流(丁一汇, 1994孙淑清等, 1979何华和孙绩华, 2004苗爱梅等, 2010), 华南地区5月和6月急流日出现暴雨的几率分别为70%和79%, 而在江淮地区, 梅雨期间低空急流与暴雨天气过程的相关率甚至超过80%(陶诗言等, 1979)。大量研究表明, 在南疆暴雨过程中, 塔里木盆地东部经常存在一支低空偏东风急流, 称为“塔里木东风低空急流”(邓子风, 1990), 该低空急流对南疆暴雨有重要作用, 主要表现在水汽输送和汇聚作用、 辐合上升作用和垫高作用等方面(张云惠等, 2013张俊兰等, 2016杨霞等, 2020b)。塔里木东风低空急流主要有两条路径, 一条自南疆东部开始伸向南疆西南部地区, 另一条从甘肃敦煌开始向西伸展进入南疆。上述两条塔里木东风低空急流的路径都经过若羌站, 而且在若羌附近得到加强, 在阿尔金山折向西或者西北, 最后在南疆西部消失, 因此若羌站是塔里木东风低空急流的重要指标站(刘华悦等, 2015钱正安等, 2018)。目前, 在新疆实际天气预报业务中也主要使用若羌站的低层风场, 来判断塔里木东风低空急流的建立、 消亡和强度等特征。
我国季风区的区域性暴雨过程大多与低空急流有关(陈豫英等, 2021邓承之等, 2021), 然而在干旱、 半干旱地区, 每一次暴雨过程却不一定都有低空急流配合(邓子风等, 1982张丙午, 1979)。在实际天气预报业务中, 也发现在南疆的暴雨过程中, 并不是每一次都有塔里木东风低空急流配合。过去人们对南疆暴雨的研究, 更关注有塔里木东风低空急流配合的过程, 而对无塔里木东风低空急流配合的暴雨过程研究得很少。因此, 目前南疆有塔里木东风低空急流配合的暴雨(下文简称为“东风急流暴雨”)与无塔里木东风低空急流配合的暴雨(下文简称为“非东风急流暴雨”), 在观测特征上有何差异?二者的环流配置有何不同?上述问题都还不清晰。本文利用1971 -2020年南疆降水资料和塔里木东风低空急流指标站——若羌的探空资料, 对比分析南疆东风急流暴雨与非东风急流暴雨的观测特征差异和环流系统差异, 以期进一步加深对干旱区暴雨形成机制的认识, 为提高干旱区极端降水事件预报准确率和防灾减灾提供参考。

2 资料来源和方法介绍

本文使用新疆气象信息中心提供的南疆44个国家气象站1971 -2020年5 -9月(即暖季)逐日降水资料和2011 -2020年逐小时降水资料, 以及若羌站(88°11′00″N, 39°01′00″E)每日2次(00:00 UTC 和12:00 UTC)的探空资料, 对应的北京时间(BST=UTC+08:00) 分别为08:00和20:00, 以下分析均为北京时间。
新疆地处干旱半干旱地区, 全国的暴雨标准和短时强降水事件的标准在新疆都不适用。本文采用新疆现行的降水业务标准(张家宝等, 1986), 即日降水量R(指前一日08:00至当日08:00各时次≥0.1 mm的降水累计总量), 当24.1 mm≤R≤48.0 mm时为暴雨, 48.1 mm≤R≤96.0 mm为大暴雨, R≥96.1 mm 为特大暴雨。将1 h降水量≥10.0 mm的降水事件定义为短时强降水事件。将伴有短时强降水事件的暴雨定义为短时强降水暴雨, 将未伴随短时强降水事件的暴雨定义为非短时强降水暴雨。本文中某站的暴雨日数指该站日降水量达到新疆暴雨标准的降雨天数; 某日南疆区域内任意一站出现暴雨, 则该日就记为一个南疆暴雨日; 若暴雨出现当日有塔里木东风低空急流配合则定义该类暴雨为东风急流暴雨, 反之, 若暴雨出现当日无塔里木东风低空急流配合则定义该类暴雨为非东风急流暴雨。
本文中塔里木东风低空急流指若羌站某日08:00和20:00两个时次中, 任一时次在600 hPa以下的标准层上出现风向在33.76° -146.25°之间, 风速≥12 m·s-1的现象。若探空资料的第一层风速≥12 m·s-1, 且该层上方最近一层的风速小于该层的风速值, 则定义第一层出现低空急流; 若除第一层以外的其他层风速≥12 m·s-1, 且该层临近的上、 下两层的风速均小于该层的风速值, 则定义该层出现低空急流。

3 结果分析

3.1 暴雨日数

图1给出1971 -2020年南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数及二者占总暴雨日数比例的年际分布。从图1中可以看出, 过去50年, 南疆共出现244个暴雨日, 其中东风急流暴雨日120 d, 非东风急流暴雨日124 d, 平均每年出现暴雨日4.9 d, 其中东风急流暴雨日2.4 d, 非东风急流暴雨日2.5 d[图1(a)、 1(b)]。东风急流暴雨日数的年际变化比非东风急流暴雨日数大, 东风急流暴雨日数在2010年最多, 为10 d; 在1975年、 1976年等7年, 均无东风急流暴雨; 非东风急流暴雨日数在1981年最多, 为6 d; 在1985年和2003年均无非东风急流暴雨。1971 -2020年, 南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数均呈增加趋势, 但东风急流暴雨日数的增加趋势比非东风急流暴雨日数更明显, 且通过了α=0.05的信度检验。由图1(c)和1(d)可以看出, 1971 -2020年南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数占总暴雨日数比例的年际变化趋势相反, 东风急流暴雨日数占总暴雨日数的比例呈增加趋势, 而非东风急流暴雨日数则呈减少趋势, 但二者的变化趋势均未通过显著性检验。
图1 1971 -2020年南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数及二者占总暴雨日数比例的年际分布特征

Fig.1 The interannual variation of the number of heavy rain days accompanied by low level easterly jet and without low level easterly jet in southern Xinjiang during 1971 -2020, and the interannual distribution characteristics of the proportion of the two to the total heavy rain days

图2可以看出, 暖季南疆暴雨主要发生在5月、 6月和7月, 东风急流暴雨和非东风急流暴雨日数在暖季各月的分布差异较大。东风急流暴雨日数在5月最多, 而非东风急流暴雨日数则在7月最多, 二者均在9月最少。过去50年, 南疆暖季各月的东风急流暴雨日数均呈增加趋势, 其中5月和9月的增加趋势较为显著, 分别通过了α=0.05和α=0.1的信度检验; 非东风急流暴雨日数除在6月呈弱的减少趋势外, 其余各月均呈增加趋势, 其中9月的增加趋势通过了α=0.1的信度检验。南疆暖季各月的东风急流暴雨日数占总暴雨日数的比例, 整体上呈春末夏初最高, 盛夏最低, 夏末秋初再次升高的分布, 即5月东风急流暴雨日数占总暴雨日数的比例最高, 为67.3%, 7月最低, 仅为33.3%。南疆暖季各月非东风急流暴雨日数占总暴雨日数比例的分布形态与东风急流暴雨日数相反, 呈现为7月占比最高(66.7%), 5月最低(32.7%)。综上可知, 5月和7月是南疆暖季暴雨最多的两个月份, 其中5月以东风急流暴雨为主, 而7月则以非东风急流暴雨为主, 上述两类暴雨形成的机制存在差异, 需要进一步深入研究。此外, 由上文还可以看出, 9月是南疆暴雨日数最少的月份, 但过去50年, 该月的东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数均呈现显著增加的趋势, 其成因也有待进一步分析。
图2 南疆东风急流暴雨日数(a)和非东风急流暴雨日数(b)及二者占总暴雨日数比例的月分布特征

Fig.2 The monthly variation of the number of heavy rain days accompanied by low level easterly jet (a) and the number of heavy rain days without low level easterly jet (b) in southern Xinjiang during 1971 -2020, and the monthly distribution characteristics of the proportion of the two to the total heavy rain days

图3给出1971 -2020年南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数及二者占总暴雨日数比例的年代际变化。从图3中可以看出, 东风急流暴雨日数呈明显的逐年代际增加趋势, 即20世纪70年代最少, 仅为15 d, 21世纪10年代最多, 为33天; 后者较前者增加了1.2倍。非东风急流暴雨日数的年代际变化与东风急流暴雨日数不同, 呈现波动特征, 即在20世纪70年代最少(20 d), 90年代最多(29 d), 21世纪00年代略有减少(24 d), 10年代又有增加(27 d)。从图3还可以看出, 东风急流暴雨日数占总暴雨日数的比例也呈逐年代际增加的特征, 20世纪70年代最低, 占比为42.9%, 21世纪10年代最高, 占比增加至55%。非东风急流暴雨日数占总暴雨日数的比例与东风急流暴雨日数相反, 呈逐年代际减少的特征, 在20世纪70年代最高, 占比为57.1%, 21世纪10年代最低, 占比下降至45.0%。综上可知, 1971 -2020年南疆暖季的总暴雨日数和东风急流暴雨日数都呈逐年代际增加的特征, 20世纪70~90年代, 南疆暖季以非东风急流暴雨为主, 进入21世纪后, 南疆暖季以东风急流暴雨为主。
图3 南疆东风急流暴雨日数(a)和非东风急流暴雨日数(b)及二者占总暴雨日数比例的年代际分布特征

Fig.3 The interdecadal variation of the number of heavy rain days accompanied by low level easterly jet (a) and the number of heavy rain days without low level easterly jet (b) in southern Xinjiang during 1971 -2020, and the interdecadal distribution characteristics of the proportion of the two to the total heavy rain days

3.2 空间分布

图4给出1971 -2020年南疆各站东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数及二者占总暴雨日数比例的空间分布。从图4中可以看出, 过去50年南疆44个国家气象站中有40个站点出现过暴雨, 其中31个站点既出现过东风急流暴雨也出现过非东风急流暴雨, 6个站点仅出现过东风急流暴雨, 3个站点仅出现过非东风急流暴雨。总体来看, 南疆大部分站点的东风急流暴雨日数都多于非东风急流暴雨日数, 东风急流暴雨日数的空间分布特征与南疆一般性降水的空间分布特征类似, 即山区大于平原, 西部大于东部。非东风急流暴雨的日数的空间分布特征也表现为山区大于平原, 但其东西部差异不显著。南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数的最大中心都位于其西部山区的阿合奇站, 累计暴雨日数分别为28 d和13 d。由图4(c)和4(d)可以看出, 南疆东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数占总暴雨日数比例的空间分布存在较大的东西差异, 东风急流暴雨日数占总暴雨日数比例的高值区主要分布在南疆西部, 在东部地区的比例较低; 而非东风急流暴雨则呈现相反的分布形势, 即高值区主要分布在南疆东部, 在西部地区相对较低。综上不难看出, 南疆西部地区的暴雨日数相对较多, 且以东风急流暴雨为主; 南疆东部地区的暴雨日数较少, 以非东风急流暴雨为主。
图4 1971 -2020年南疆各站累计东风急流暴雨日数和非东风急流暴雨日数(单位: d)及二者占总暴雨日数比例(单位: %)的空间分布

Fig.4 Spatial distribution of the number of heavy rain days accompanied by easterly low level jet and without easterly low level jet (unit: d) in southern Xinjiang during 1971 -2020, and the spatial distribution of the proportion of the two to the total number of heavy rain days (unit: %)

3.3 短时强降水事件出现的比例

南疆暴雨的突发性强, 历时短, 暴雨天气过程中常常存在由中小尺度对流系统造成的短时强降水事件, 许多暴雨过程的1 h最大降水量、 6 h降水量和日降水量都很接近, 这也是干旱区暴雨不同于季风区暴雨的特征(张家宝和邓子风, 1987)。为了弄清南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨过程中, 短时强降水事件的发生情况, 本文利用自动气象站逐小时降水资料分别统计了2011 -2020年暖季, 南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨日中短时强降水事件的出现比例。由表1可以看出, 近10年, 南疆共出现东风急流暴雨日34 d, 其中17 d出现了短时强降水事件, 短时强降水暴雨日数的占比为50%; 共出现非东风急流暴雨日28 d, 其中22 d出现了短时强降水事件, 短时强降水暴雨日数的占比为78.6%。此外, 2011 -2020年, 南疆共出现54站次东风急流暴雨, 其中25站次中伴有短时强降水事件, 短时强降水暴雨站次的占比为46.3%; 共出现30站次非东风急流暴雨, 其中24站次中伴有短时强降水事件, 短时强降水暴雨站次的占比为80.0%。
表1 短时强降水事件在南疆东风暴雨和非东风急流暴雨中的出现比例

Table 1 The proportion of the occurrence of short-term heavy precipitation events in the rainstorm accompanied by the easterly low level jet and the rainstorm without the easterly low level jet in southern Xinjiang

暴雨类型 总暴雨日数/d 短时强降水暴雨日数/d 百分比/% 总暴雨站次/次 短时强降水暴雨站次/次 百分比/%
东风急流暴雨 34 17 50.0 54 25 46.3
非东风急流暴雨 28 22 78.6 30 24 80.0
图5可以看出, 2011 -2020年南疆共27个站出现过东风急流暴雨, 其中13个站在暴雨过程中出现短时强降水事件的比例是100%, 该类站点占南疆东风急流暴雨站数的比例为48.1%; 24个站出现了非东风急流暴雨, 其中19个站暴雨过程中出现短时强降水事件的比例是100%, 该类站点占非东风急流暴雨站数的比例为79.2%。由图5还可以看出, 在东风急流暴雨过程中, 短时强降水事件出现比例较高的站点主要分布在塔里木盆地西部和北部靠近沙漠的区域; 而在非东风急流暴雨过程中, 短时强降水事件出现比例较高站点分布的范围明显大于东风急流暴雨过程。综上可知, 2011 - 2020年南疆暖季的东风急流暴雨日数多于非急流日数, 短时强降水事件虽然在东风急流暴雨和非东风急流暴雨中都会出现, 但其在非东风急流暴雨中出现的比例明显高于东风急流暴雨。
图5 2011 -2020年南疆东风急流暴雨(a)和非东风急流暴雨(b)中短时强降水事件出现比例(单位: %)的空间分布

Fig.5 Spatial distribution of the proportion of short-time heavy precipitation events in southern Xinjiang with (a) and without (b) easterly low-level jet rainstorms during 2011 -2020.Unit: %

3.4 平均降水时数

过去由于观测资料的限制, 无法精确的获得暴雨日的降水时数, 本文利用2011 -2020年自动站逐小时降水资料, 逐站统计其暴雨日的平均降水时数, 得到南疆区域平均的暴雨日的平均降水时数。由计算可知, 南疆暖季东风急流暴雨日的平均降水时数为11.2 h, 非东风急流暴雨日为6.8 h。由图6可以看出, 南疆暖季东风急流暴雨日的平均降水时数在6 h以内的有12站次, 占总暴雨站次的22.2%; 7~12 h和大于12 h的均有21站次, 二者累计占比为77.8%。南疆暖季非东风急流暴雨日的平均降水时数在6 h以内的有17站次, 占总暴雨站次的58.6%; 7~12 h的有10次, 占比为34.5%, 大于12 h的仅有2站次, 占比为6.9%。可见, 南疆暖季东风急流暴雨和非东风急流暴雨日的平均降水时数差异较大, 接近80%的东风急流暴雨日的平均降水时数在6 h以上, 而接近60%的非东风急流暴雨日的平均降水时数都在6 h以内。由2.3节的分析可知, 2011 -2020年短时强降水事件在南疆暖季非东风急流暴雨中出现的比例明显高于东风急流暴雨。正是因为在非东风急流暴雨过程中, 短时强降水事件发生的比例较高, 该类事件可以使得降水量在短时间内迅速达到最大, 因此出现暴雨所需的时间相对较短, 而在东风急流暴雨过程中, 短时强降水事件出现的比例较低, 降水过程中降水量相对均匀, 因此出现暴雨所需的时间也就更长。
图6 南疆东风急流暴雨(a)和非东风急流暴雨(b)的平均降水时数统计

Fig.6 Statistics of average precipitation hours with and without easterly low-level jet rainstorms in southern Xinjiang from 2011 to 2020

3.5 昼夜分布特征

研究表明, 新疆夏季降水的夜雨特征明显(崔彩霞等, 2008), 那么南疆暖季东风急流暴雨和非东风急流暴雨是否也存在明显的夜雨特征呢?为弄清这个问题, 本文按白天(08:00 -20:00)和夜间(20:00至次日08:00)两个时段, 分别统计1971 - 2020年南疆暖季每个站白天和夜间的降水量占总暴雨降水量的比例。由计算可知, 南疆暖季东风急流暴雨以夜雨为主, 其白天降水量占总暴雨降水量的比例为49.3%, 夜间为50.7%; 非东风急流暴雨以日雨为主, 其白天降水量占总暴雨降水量的比例为51.5%, 夜间为48.5%。由图7可以看出, 南疆暖季东风急流暴雨日雨占比的大值区主要分布在西部和西北部地区; 夜雨主要分布在南疆北部、 南部和东部地区; 非东风急流暴雨日雨占比的大值区与东风急流暴雨不同, 其主要分布在南疆北部和东部地区, 夜雨主要分布在南疆西部地区。
图7 1971 -2020年南疆各站累计东风急流暴雨(a、 b)和非东风急流暴雨(c、 d)降水量昼夜比例的空间分布(单位: %)

Fig.7 Spatial distribution of day-night ratio of precipitation with (a、 b) and without (c、 d) easterly low-level jet rainstorms at each station in Southern Xinjiang during 1971 -2020.Unit: %

3.6 降水日变化特征

日变化是全球天气气候系统变化的最基本模态之一(宇如聪等, 2014), 降水的日变化差异在诸多气象变量中表现得最为显著(Yu et al, 2007Bao et al, 2011Chen et al, 2015)。研究表明, 南疆暴雨具有明显的日变化特征(杨霞, 2021), 但东风急流暴雨和非东风急流暴雨是否具有同样的日变化特征, 二者之间存在何种差异, 都还不清晰。图8给出2011 -2020年南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨降水量、 降水频次和降水强度的日变化曲线。由图8(a)和8(b)可以看出, 暖季南疆东风急流暴雨日累计降水量的高值时段主要分布在22:00至次日03:00, 低值时段主要分布在04:00 -18:00, 其中01:00的降水量最多, 08:00最少; 此外, 在暖季南疆东风急流暴雨日累计降水量在19:00还存在一个次峰值。南疆非东风急流暴雨日累计降水量的日变化特征与东风急流暴雨存在差异, 其波动性更大, 17:00和20:00为两个高值时段, 22:00至次日16:00为低值时段, 其中09:00的降水量最少。从南疆暖季东风急流暴雨日累计降水频次日变化曲线[图8(c), (d)]可以看出, 东风急流暴雨日累计降水频次日变化曲线的单峰特征明显, 峰值时段主要集中在23:00至次日05:00, 其中02:00的降水频次最多; 06:00 -22:00为降水频次的低值时段。非东风急流暴雨日累计降水频次的日变化曲线呈多峰型, 其中01:00的最大, 09:00和15:00最小。从暖季南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨平均降水强度的日变化特征[图8(e)和图8(f)]可以看出, 东风急流暴雨日平均降水强度的高值时段分布在18:00至次日03:00, 其中19:00最大; 低值时段主要分布在04:00 -17:00, 其中08:00最小。非东风急流暴雨日平均降水强度的日变化特征与累计降水量类似, 也呈现出较大的波动性, 其中17:00和20:00为两个高值时段, 22:00至次日16:00为低值时段, 其中09:00最小。
图8 南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨的日变化特征

Fig.8 Diurnal variation characteristics of rainstorm with and withou easterly low level jet in southern Xinjiang

综上可以看出, 暖季南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨的降水日变化存在差异。南疆暖季东风急流暴雨的最大降水时段和最多发生时段都主要在午夜前后; 而非低空急流暴雨的最大降水时段则多发生在午后至傍晚, 其最大累积频次与急流暴雨类似也出现在午夜前后; 两类暴雨的最大雨强都发生在午后至傍晚。因为东风急流暴雨降水量的主峰时段与降水频次的主峰时段一致, 其降水量的次峰时次与降水强度的峰值时次一致, 因此, 暖季南疆东风急流暴雨降水量在前半夜的峰值主要由降水频次多所导致, 而其在傍晚前后降水量的次峰值则主要由降水强度大造成。暖季南疆非东风急流暴雨降水量的日变化特征与其降水强度类似, 与其降水频次的差异较大, 因此, 暖季南疆非东风急流暴雨降水量与降水强度的关系更密切。由前文分析可知, 暖季南疆非东风急流暴雨中, 短时强降水出现的比例较高, 该类降水事件的降水强度大, 因此也主导了非东风急流暴雨降水量和降水强度日变化的形态。

3.7 南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨与天气系统的关系

南亚高压是北半球夏季对流层高层重要的大气环流系统之一, 对新疆夏季降水有重要影响(王前等, 2017王天竺和赵勇, 2021)。按照钱永甫和张琼(2002)的定义, 以75°E为界对南亚高压进行分型, 当南亚高压仅有一个高压中心, 且在75°E以西时, 称为伊朗高压型; 在75°E以东时, 称为青藏高压型; 当南亚高压存在两个高压中心, 且分别在75°E两侧时, 称为双体型, 当存在两个以上中心时则称为带状型。部分天气个例分析发现(谢泽明等, 2018孙颖姝等, 2019), 当南疆出现强降水时, 南亚高压通常呈现“双体型”分布, 但在南亚高压呈现其他形态时, 南疆是否有暴雨出现, 南亚高压不同形态与南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨的关系还不清楚。此外, 研究还表明, 中亚低涡(槽)是造成南疆强降水天气过程的主要影响系统, 但其与南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨的统计关系也还不清楚。
为弄清上述问题, 分别统计了1971 -2020年4 -9月, 南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨与100 hPa南亚高压和500 hPa中亚低涡(槽)的关系。由表2可以看出, 在南疆总暴雨过程中, 南亚高压呈青藏高压型最多, 双体型次之, 带状型第三, 伊朗高压型最少。在南疆东风急流暴雨过程中, 南亚高压各形态所占的比例与总暴雨类似, 也是青藏高压型最多(42.1%), 双体型次之(24.0%), 带状型第三(22.3%), 伊朗高压型最少(11.6%)。在南疆非东风急流暴雨过程中, 南亚高压各形态所占的比例与东风急流暴雨存在较大差异, 在非东风急流暴雨中, 带状型最多(33.6%), 伊朗高压型次之(24.0%), 双体型第三(21.6%), 青藏高压型最少(20.8%)。中亚低涡和低槽是南疆暴雨的主要影响系统, 其中, 中亚低涡和中亚低槽在东风急流暴雨中的占比略高于非东风急流暴雨; 由表2还可以看出, 除上述两类影响系统外, 500 hPa上的弱短波也可以造成南疆暴雨过程, 且该系统造成的非东风急流暴雨占比高于东风急流暴雨。综上可以看出, 南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨过程中, 100 hPa南亚高压和500 hPa影响系统均存在差异, 特别是100 hPa南亚高压的差异更大。以往针对南疆强降水的研究, 主要集中在100 hPa南亚高压呈双体型分布, 500 hPa受中亚低涡(槽)影响, 850 hPa有塔里木东风低空急流配合的典型暴雨天气个例中(图9), 并形成了较为系统的天气概念模型, 但对南亚高压呈双体型以外的其他类型, 500 hPa 呈中亚低涡(槽)以外的其他类型, 以及低层无低空急流配合的暴雨天气研究得较少, 其天气概念模型还尚未建立, 还需进一深入研究。
表2 南疆东风急流暴雨和非东风急流暴雨与天气系统的关系

Table 2 The relationship between the different types of rainstrom and synoptic systems over the southern Xinjiang

影响系统 类型 总暴雨 东风急流暴雨 非东风急流暴雨
个例数 百分比 个例数 百分比 个例数 百分比

100 hPa

南亚高压

双体型 56 22.8% 29 24.0% 27 21.6%
青藏高压型 77 31.3% 51 42.1% 26 20.8%
伊朗高压型 44 17.9% 14 11.6% 30 24.0%
带状型 69 28.0% 27 22.3% 42 33.6%

500 hPa

影响系统

中亚低槽 148 60.2% 75 62.0% 73 58.4%
中亚低涡 71 28.9% 37 30.6% 34 27.2%
弱短波 27 11.0% 9 7.4% 18 14.4%
图9 南疆偏东低空急流型暴雨天气的高低空系统配置概念模型

Fig.9 A weather model of typical rainstorm weather process in southern Xinjiang

4 结论

本文对比分析了1971 -2020年南疆东风急流暴雨与非东风急流暴雨的观测特征差异, 并探讨了上述两类暴雨与大尺度天气系统的关系, 结论如下:
(1) 1971 -2020年, 南疆非东风急流暴雨日数略多于东风急流暴雨日数, 二者均呈增加趋势, 但东风急流暴雨日数的增加趋势更显著; 东风急流暴雨日数与非东风急流暴雨日数占南疆总暴雨日数比例的年际变化趋势相反, 前者呈增加趋势, 后者呈减少趋势, 但二者的变化趋势都不显著。南疆东风急流暴雨日数在5月最多, 非东风急流暴雨日数在7月最多, 二者均在9月最少。20世纪70~90年代, 南疆暖季以非东风急流暴雨为主, 进入21世纪后, 南疆暖季以东风急流暴雨为主。
(2) 南疆西部地区的暴雨日数相对较多, 以东风急流暴雨为主; 南疆东部地区的暴雨日数较少, 以非东风急流暴雨为主。南疆暖季东风急流暴雨以夜雨为主, 非东风急流暴雨以日雨为主。
(3) 2011 -2020年南疆暖季的东风急流暴雨日数多于非急流日数; 短时强降水事件在东风急流暴雨和非东风急流暴雨中都会出现, 但其在非东风急流暴雨(79.2%)中出现的比例明显高于东风急流暴雨(48.1%); 南疆暖季东风急流暴雨日的平均降水时数为11.2 h, 非东风急流暴雨日为6.8 h, 接近80%的东风急流暴雨日的平均降水时数在6 h以上, 而接近60%的非东风急流暴雨日的平均降水时数都在6 h以内。
(4) 南疆暖季东风急流暴雨的降水量和降水频次均主要在午夜前后; 而非低空急流暴雨的降水量峰值则多发生在午后至傍晚, 其频次峰值与急流暴雨类似也出现在午夜前后; 两类暴雨的最大雨强都发生在午后至傍晚。南疆暖季东风急流暴雨降水量在前半夜的峰值主要由降水频次多所导致, 而其在傍晚前后降水量的次峰值则主要由降水强度大造成。南疆暖季非东风急流暴雨降水量的日变化特征与其降水强度类似, 与其降水频次的差异较大, 其降水量与降水强度的关系更密切。
(5) 100 hPa南亚高压在南疆暖季东风急流暴雨中以青藏高压型最多, 在非东风急流暴雨中以带状型最多, 500 hPa中亚低槽(涡)在南疆暖季东风急流暴雨和非东风急流中均占主要地位, 但弱短波造成的非东风急流暴雨多于东风急流暴雨。
低空急流是我国季风区产生暴雨的必要条件, 塔里木东风低空急流是南疆暴雨预报的重要指标, 然而在像南疆这样的干旱地区, 每一次暴雨过程中却不一定都有低空急流配合。有低空急流配合的暴雨过程和无低空急流配合的暴雨过程呈现出明显的观测特征差异, 其背后也对应着不同的降水形成机制。由于南疆特殊的地理位置和地形条件, 目前针对南疆的暴雨研究, 更多关注有塔里木东风低空急流配合的暴雨过程, 对其的形成的大尺度环流条件、 中尺度系统、 水汽输送及快速辐合机制等都有了较为深入的研究, 而针对无塔里木东风低空急流配合的暴雨过程关注得相对较少, 对其形成的机制还不清晰, 因此常常导致南疆暴雨漏报或者空报, 针对上述问题还需要进一步深入研究。

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