陶诗言(1980)指出暴雨及强降水是影响我国夏季的主要灾害天气之一, 其引发的洪涝灾害常给人民生命财产和国民经济带来巨大损失。丁一汇(1993)、陶诗言等(2001)和赵思雄等(2003)对暴雨的成因、机理和预报已经做了大量的工作, 揭示了许多重要现象和事实。随着观测手段的不断改进和观测资料的不断丰富, 近年来气象工作者从中尺度对流系统(李晓霞等, 2013; 陈红专等, 2013; 张迎新等, 2015; 陈鹏等, 2015; 赵庆云等, 2017)和暴雨的数值模拟(郑淋淋等, 2016; 李琴等, 2014; 周玉淑等, 2014; 宋雯雯等, 2016; 赵桂香等, 2017)等方面对暴雨事件开展了大量研究, 取得了许多有意义的研究成果。以上研究成果主要针对中国中东部暴雨, 对于新疆暴雨研究相对较少。

新疆位于中国西北部, 占中国国土面积约1/6, 气候不受季风系统的直接影响, 是典型的大陆性干旱、半干旱气候。其北部有阿勒泰山, 南部有昆仑山, 中部的天山将新疆分为北疆和南疆, 形成“三山夹两盆”的独特地形, 南、北疆气候差异显著。独特的气候和地形决定了新疆暴雨与中东部相比有其独特性, 目前新疆气象工作者针对新疆暴雨从统计特征(张家宝等, 1987; 江远安等, 2001)、天气尺度环流特征(杨莲梅, 2003; 陈春艳等, 2012; 张云惠等, 2013)、水汽输送路径(肖开提·多莱特1997, 1997; 杨莲梅等, 2012)和中尺度特征(杨莲梅等, 2004; 庄薇等, 2006; 曾勇等, 2017a, 2017b)等方面已经开展了一系列有意义的研究, 最主要的成果包括构建了新疆大范围暴雨天气过程的概念模型: 100 hPa南亚高压双体型、500 hPa副热带大槽控制新疆的环流背景; 三支气流的典型配置: 200 hPa西南急流、500 hPa偏南急流、700 hPa低空偏东急流; 阿拉伯海和孟加拉湾的水汽通过接力方式可以影响到南疆造成暴雨; 中小尺度系统辐合与对流是暴雨产生的直接原因。近年来新疆暴雨水汽的研究方面: 杨莲梅等(2012)对2007年7月新疆三次暴雨过程的水汽特征进行分析指出, 这3种典型雨型的水汽输送路径有明显的差异。陈春艳等(2012)对新疆天山北坡一次特大暴雨研究指出主汛期暴雨过程与中亚副热带大槽密切相关, 槽前西南气流是暴雨过程中水汽接力输送的主要通道。张云惠等(2013)对南疆西部一次罕见暴雨研究指出水汽来源有3部分:中亚低涡所携带的水汽, 中低层偏东气流的水汽和中高层中亚南部偏南风所携带的暖湿气流接力输送。

2016年7月31日至8月1日, 新疆西部出现了一次极端特大暴雨天气过程, 暴雨中心伊犁地区10个国家气象站日平均降雨量突破伊犁地区有气象记录以来10个站日平均最大记录, 多站破历史日极值, 同时伊犁地区南北两侧降水也较明显, 南疆地区的阿克苏地区北部、巴州地区西北部均出现大暴雨。与过去主要针对南疆或北疆暴雨分别研究不同, 此次极端特大暴雨过程出现在新疆西部, 覆盖南疆和北疆部分地区。那么, 新疆西部这次罕见暴雨天气是在怎样的环流背景下产生的？影响暴雨的系统是什么？暴雨的环境场有什么特点？充足的水汽供应从何而来？造成暴雨的中尺度系统发展特征是什么？针对以上一系列问题, 本研究利用常规观测资料、风云卫星资料、地面加密自动站资料、NCEP/NCAR(0.25°×0.25°)再分析资料, 对此次极端特大暴雨进行全面分析, 以期为新疆气象防灾减灾和此类罕见暴雨的预报积累经验。

根据多年的预报服务实践、暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱暴雨特点, 新疆气象、水文部门以日降水量R>24 mm作为暴雨标准(陈春艳, 2012)。2016年7月31日至8月1日, 新疆西部出现极端特大暴雨天气, 暴雨中心伊犁地区普遍出现大暴雨(新疆大暴雨标准:日降雨量大于48 mm), 局地甚至出现特大暴雨(新疆特大暴雨标准:日降雨量>96 mm)[图 1(a)]。伊犁地区10个国家气象站日平均降雨量46.8 mm, 突破伊犁地区有气象记录以来10站日平均最大记录。伊犁地区的特克斯(51.7 mm)、昭苏(52.8 mm)、新源(66.1 mm)、尼勒克(74.6 mm)均破历史日极值, 最强日降水发生在巩留库尔德宁达100.1 mm。此外, 南疆地区的阿克苏地区北部、巴州地区西北部、北疆地区的博州地区东部和塔城地区南部降水也较明显。7月31日20:00(北京时, 下同)至8月1日20:00伊犁地区代表站逐小时降水[图 1(b)]显示, 较强降水持续了超过20 h。此次极端特大暴雨天气过程具有强降雨影响范围广、累计雨量大、区域降雨强、日雨量突破历史极值、受灾点多等特点; 共造成2 395人受灾, 紧急疏散群众5 000余人, 造成民房、农田、牲畜、交通、水利设施等巨大的损失。

图 1(Figure 1)

图 1 2016年7月31日20:00至8月1日20:00新疆西部降水量分布(a, 单位: mm)及伊犁地区代表站逐小时降水量(b) Figure 1 Distribution of precipitation in the west of Xinjiang (a, unit: mm) and the hourly change of precipitation in representative stations in the west of Xinjiang (b) from 20:00 on 31 July to 20:00 on 1 August 2016

已有的许多研究均指出新疆暴雨过程通常发生在南亚高压双体型(青藏高原、伊朗高原东部分别出现东、西两个闭合高中心)背景下(张家宝等, 1987; 杨莲梅, 2012; 陈春艳等, 2012; 张云惠等, 2013), 而此次过程前后南亚高压双体型始终没有出现; 南亚高压呈单体型, 中心位于新疆东部, 位置偏北[图 2(a)]。暴雨过程前, 200 hPa西南急流自西南向东北方向发展移动, 7月31日20:00, 暴雨区位于高空西南急流入口区右侧辐散区[图 2(b)], 急流中心强度达56 m·s^-1。7月30 31日随着伊朗副热带高压与乌拉尔山高压脊同相位叠加, 脊前西北气流引导冷空气南下, 500 hPa中亚低槽形成并向南加深, 同时, 西太平洋副热带高压西伸北挺发展强盛, 588 dagpm线伸展到新疆东部地区, 阻挡中亚低槽东移, 形成“两脊一槽”的环流形势。7月31日20:00[图 2(c)], 中亚低槽位于巴尔喀什湖至西藏西部地区, 低槽南端已南伸至30°N, 同时, 孟加拉湾存在一个低值系统, 低值系统前部偏南气流与中亚低槽前部偏南气流形成接力输送形势, 这与肖开提·多莱特等(1997)提出的西南季风将南亚水汽输送到青藏高原, 高原系统再接力将水汽输送到新疆的结论基本一致。700 hPa存在一支经河西走廊进入阿克苏地区北部的偏东风急流[图 2(d)], 伊犁地区和阿克苏地区存在明显的辐合线, 使低层水汽迅速集中。1日20:00(图略)随着环流的调整, 500 hPa低槽减弱变得平直, 槽前偏南风明显减弱, 700 hPa辐合线和偏东急流减弱消失, 暴雨减弱结束。

图 2(Figure 2)

图 2 2016年7月31日20:00 100 hPa位势高度场(a, 等值线, 单位: dagpm)、200 hPa风场(b, 风羽, 单位: m·s-1)、500 hPa(c)和700 hPa(d)位势高度场(等值线)和风场(风羽)分布 黑色阴影为海拔3 000 m以上地形 Figure 2 Geopotential height field at 100 hPa (a, contour, unit: dagpm), wind field at 200 hPa (b, barb, unit: m·s-1), and geopotential height field (contour) and wind field (barb) at 500 hPa (c) and 700 hPa (d) at 20:00 on 31 July 2016.The black shaded is terrain that more than 3 000 m

综上所述, 此次新疆西部暴雨发生在“两脊一槽”的环流形势下; 南亚高压呈单体型, 强度强, 位置偏北; 暴雨区位于200 hPa高空西南急流入口区右侧、700 hPa低空偏东急流前部、500 hPa偏南急流及700 hPa辐合线附近。

利用出现暴雨的阿克苏地区北部库车站和伊犁地区伊宁站探空温湿层结曲线(图 3)和对流参数表(表 1)分析暴雨出现前后的大气温湿条件变化。7月31日08:00库车站和伊宁站探空表现为湿度条件较差、无不稳定能量的特征(图略)。

图 3(Figure 3)

图 3 2016年7月31日20:00(左)和8月1日08:00(右)库车站(a, b)和伊宁站(c, d)温度对数压力图 蓝色线为层结曲线, 棕色线为状态曲线, 绿色线为露点温度曲线, 层结曲线与状态曲线相交的正面积红色阴影区为CAPE Figure 3 The T-lnp charts in Kuqa (a, b) and Yining (c, d) station of Xinjiang at 20:00 on 31 July (left) and at 08:00 on 1 August (right) 2016.The blue line represents stratification curve, the brown line represents state curve, the green line represents the dew point temperature, and the red shadow area represents CAPE

表 1(Table 1)

表 1 2016年7月31日至8月1日库车站和伊宁站探空对流参数 Table 1 The convective parameters in Kuqa and Yining radiosonde station of Xinjiang from 31 July to 1 August 2016 时间 K指数/℃ CAPE/(J·kg-1) 库车 伊宁 库车 伊宁 7月31日08:00 26 28 0 0 7月31日20:00 34 30 2 642.6 250.8 8月1日08:00 32 29 39.9 4.6 8月1日20:00 38 18 250.7 0

表 1 2016年7月31日至8月1日库车站和伊宁站探空对流参数 Table 1 The convective parameters in Kuqa and Yining radiosonde station of Xinjiang from 31 July to 1 August 2016

7月31日20:00库车站探空资料[图 3(a)]显示中低层为暖平流; 对流有效位能CAPE(Convective Available Potential Energy)达到2 642.6 J·kg^-1, K指数由26 ℃增大为34 ℃。随着降水的发生, 8月1日08:00库车站探空资料[图 3(b)]显示湿度明显增大, 风垂直切变和低层风速增强; CAPE得到释放明显减小, K指数也略减小。

7月31日20:00伊宁站探空结果[图 3(c)]表现为湿度增大。低层由弱偏东风转为强偏西风, 500 hPa以上西南风强劲。700 hPa以下有暖平流存在, 对低层起增温增湿的作用; K指数由28 ℃增大为30 ℃, CAPE达250.8 J·kg^-1, 风垂直切变明显。8月1日08:00伊宁站探空资料[图 3(d)]显示300 hPa以下相对湿度达70 %以上、500 hPa以下相对湿度达90 %以上, 依然十分有利于暴雨产生; 随着降水持续, CAPE减小为4.6 J·kg^-1, K指数也略减小。

可见, 暴雨发生前暴雨区上空积累了大量的不稳定能量, 对此次暴雨过程的发生提供了极好的不稳定能量条件; 同时暴雨发生前和发生过程中风垂直切变增强, 低层增温增湿, 对暴雨的产生和加强较为有利。

吴国雄等(1995)指出低层假相当位温θ_se等值线密集的锋区中, 锋区的动力强迫有利于低层能量和水汽向上输送, 同时θ_se的陡立区容易出现涡度的倾斜发展。沿暴雨中心82.1°E作θ_se和比湿经向剖面, 8月1日02:00[图 4(a)], 暴雨区上空为θ_se密集区, θ_se密集区自天山迎风坡向北向高空倾斜分布。天山迎风坡为比湿大值区, 8 g·kg^-1的比湿大值区自850 hPa伸展到650 hPa。8月1日02:00, 沿82.1°E作涡度和散度经向剖面[图 4(b)], 阿克苏地区北部低层为-24×10^-5 s^-1的辐合中心, 其上为12×10^-5 s^-1的辐散中心, 散度中心之间为35×10^-5 s^-1的正涡度中心; 位于(82.1°E, 42.3°N)的天山迎风坡650 hPa附近为-44×10^-5 s^-1的强辐合中心, 其上空400 hPa附近为36×10^-5 s^-1的强辐散中心, 二者之间为15×10^-5 s^-1的正涡度中心, 涡度和散度中心也呈现自南向北倾斜向上分布特征。同时, (82.1°E, 43.5°N)和(82.1°E, 44.5°N)附近自低层向高层为“负-正-负-正”的散度中心分布, 涡度分布也有此特征, 可见对流系统发展高度较高。

图 4(Figure 4)

图 4 2016年8月1日02:00沿82.1°E比湿(彩色区, 单位: g·kg-1)和θse(等值线, 单位: K)(a)及涡度(彩色区, 单位: ×10-5 s-1)和散度(等值线, 单位: ×10-5 s-1)(b)的垂直剖面 灰色阴影为地形 Figure 4 The vertical section of specific humidity (color area, unit: g·kg-1) and θse (contour, unit: K) (a), vorticity (color area, unit: ×10-5 s-1) and divergence (contour, unit: ×10-5 s-1) (b) along 82.1°E at 02:00 on 1 August 2016.The gray shaded represents terrain

综上所述, 此次极端特大暴雨, θ_se等值线密集区的锋区的动力强迫配合天山地形的地形强迫的抬升作用, 造成了涡度倾斜发展, 有利于暴雨系统向上向北移动, 将水汽和能量向上向北输送, 为暴雨的产生提供有利的环境条件。同时, 暴雨系统强度较强、发展高度较高。

暴雨的形成必须有充足的水汽输送, 并且要有大量的水汽聚集在暴雨区上空。分析此次极端特大暴雨过程水汽输送情况可知, 7月31日至8月1日暴雨区水汽通道建立。8月1日02:00, 500 hPa水汽通量[图 5(a)]显示, 孟加拉湾低值系统前部偏南气流将孟加拉湾暖湿水汽向北输送, 再由南伸至30°N的中亚低槽接力将水汽输送至暴雨区上空; 另一支水汽通道为中亚低槽西南气流携带水汽。同时, 暴雨区存在-10×10^-7 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1的水汽辐合中心。

图 5(Figure 5)

图 5 2016年8月1日02:00 500 hPa(a)、700 hPa(b)水汽通量(矢量, 单位: g·hPa-1·cm-1·s-1)和水汽通量散度(彩色区, 单位: ×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)及地面至300 hPa水汽通量的垂直积分(c, 彩色区和矢量, 单位: g·hPa-1·cm-1·s-1) Figure 5 The water vapor flux (vector, unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) and water vapor flux divergence (color area, unit: ×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) at 500 hPa (a) and 700 hPa (b) and vertical integral of water vapor flux from surface to 300 hPa (c, color area and vector, unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) at 02:00 on 1 August 2016

8月1日02:00的700 hPa水汽通量[图 5(b)]显示, 一支自孟加拉湾向偏东北方向和自西太平洋和南海向偏西方向的水汽通道在云贵高原附近汇合, 再向偏北方向经青藏高原东侧到达河西走廊, 最后转为向西到达暴雨区的水汽通道十分明显, 这支水汽通道与孟加拉湾低值系统发展和西太平洋副热带高压西伸北挺有密切关系。另一支水汽输送通道为槽前偏西气流输送通道, 但是明显弱于前一支水汽通道。同时, 700 hPa水汽通量散度显示在阿克苏地区和天山迎风坡存在-10×10^-7 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1水汽辐合中心, 其中, 阿克苏地区水汽辐合中心由阿克苏地区的风场辐合线造成, 天山迎风坡辐合中心则是偏东水汽输送通道受天山地形阻挡作用产生。

8月1日02:00, 地面至300 hPa垂直积分水汽通量[图 5(c)]显示, 暴雨期间有三支水汽输送路径:第一支为槽前西南气流导致的西南路径; 第二支为低空急流导致的偏东路径; 第三支为孟加拉湾低值系统和低槽接力输送的偏南路径。由于大气水汽主要集中于低层, 而第三支偏南水汽输送路径经过青藏高原大地形, 所以第三支水汽输送强度明显弱于前两支水汽输送强度。其中, 第二支偏东水汽输送路径由两部分组成:孟加拉湾低值系统前部偏西南气流东北向输送路径和西太平洋和南海偏西向输送路径, 水汽通道在云贵高原附近汇合, 再向偏北方向经青藏高原东侧到达河西走廊, 最后转为向西到达暴雨区。

上述分析表明, 除了中亚低槽自身携带的西南路径水汽输送, 在高、中、低纬环流系统的配合下低纬孟加拉湾、南海和西太平洋丰沛的水汽向新疆西部地区输送, 是此次极端特大暴雨形成的关键。

利用NCEP/NCAR每天4次的0.25°×0.25°再分析资料, 计算7月30日至8月2日暴雨区(79°E 86°E、41°N 46°N)地面至700 hPa(对流层低层)、700~500 hPa(对流层中层)和500~300 hPa(对流层高层)各边界每隔6 h水汽输送量(正值为流入, 负值为流出)如图 6所示, 结果表明西边界暴雨期间500 hPa以下水汽输入量呈增加趋势, 低层水汽输入量略大于中层。北边界暴雨期间700 hPa以上为水汽输出区, 水汽输出量先增后减, 低层为水汽输入区, 水汽输入量呈减小趋势。东边界暴雨期间低层水汽输入量呈现明显增加趋势, 中层暴雨前期为水汽输出区, 后期为水汽输入区。南边界暴雨期间700 hPa以上为水汽输入区, 水汽输入量先增后减, 700 hPa以下为水汽输出区。暴雨期间, 西、东和南边界的水汽输入量分别为194×10⁸, 170×10⁸和100×10⁸ t, 分别占水汽输入总量的41.8 %, 36.6 %和21.6 %。北边界的水汽输出量为156×10⁸ t。

图 6(Figure 6)

图 6 2016年7月30日08:00至8月2日20:00对流层高、中及低层西边界(a)、北边界(b)、东边界(c)和南边界(d)的水汽输送 Figure 6 Transfer of water vapor on the upper, middle and lower level from the west (a), north (b), east (c) and south (d) directions from 08:00 on 30 July to 20:00 on 2 August 2016

综上所述, 此次新疆西部极端特大暴雨期间, 西、东、南边界水汽输入均起着重要作用, 尤其是西边界和东边界, 占水汽输入总量的78.4 %, 与水汽通量分析显示的槽前西南气流导致的西南路径和低空急流导致的偏东路径输送为主是一致的。

朱乾根等(2007)采用经向风速和纬向风速确定急流的中心位置和轴线, 提高了对急流研究的准确性和严谨性, 可以很好地表征低空急流和高空急流。图 7为沿暴雨中心82.1°E分别作的纬向风分量和经向风分量的垂直分布状况。由纬向风分量垂直剖面可知, 7月31日14:00(图略), 暴雨区南侧850~700 hPa有东风急流生成并向北向上发展移动, 中心风力达10 m·s^-1, 暴雨区北侧300~200 hPa有西风急流生成并向北移动, 中心风力达40 m·s^-1; 20:00(图略)暴雨开始时刻, 高层西风急流开始通过动量下传使得暴雨区上空中层风力加大, 开始在暴雨区上空出现自高层向中层伸展的风力大值舌; 8月1日02:00[图 7(a)], 东风急流向上向北移到42°E天山迎风坡700~600 hPa附近, 高层西风急流动量下传引起中低层风速加强, 风力大值舌位于东风急流北部, 在暴雨区上空出现强的东西风水平切变。由经向风分量垂直剖面可知, 7月31日14:00(图略), 暴雨区北侧300~200 hPa有南风急流生成并向北发展移动, 中心风力达30 m·s^-1, 并通过动量下传使暴雨区上空出现自高层向下的大风速舌, 暴雨区南侧低层有弱北风; 8月1日02:00[图 7(b)], 高空急流中心发展为35 m·s^-1, 大风速舌向下发展加强, 暴雨区南侧850 hPa北风急流发展加强为15 m·s^-1, 在暴雨区上空出现强南北风垂直切变。

图 7(Figure 7)

图 7 2016年8月1日02:00纬向风分量(a)和经向风分量(b)沿82.1°E垂直剖面(单位: m·s-1) 灰色阴影为地形 Figure 7 Vertical sections of the zonal wind component (a) and the meridional wind component (b) along 82.1°E at 02:00 on 1 August 2016.Unit: m·s-1.The gray shaded represents terrain

综上所述, 暴雨区上空高低空急流的配合以及纬向风的水平切变和经向风的垂直切变为暴雨区辐合上升运动和中尺度系统的产生和发展提供有利条件。

此次暴雨过程出现在地形复杂的天山南北疆两侧, 应用时空分辨率高的卫星遥感数据, 可以监测对流云团的生成、发展和移动。图 8为FY-2G卫星7月31日22:00至8月1日13:00逐小时TBB演变特征。从图 8中可见, 7月31日22:00, 伊犁地区南部和阿克苏地区北部分别新生中心强度为-32和-36 ℃ β-中尺度对流云团A和B; 在向东北方向移动过程中, 23:00 A、B强度增强、范围扩大, 同时在B西南方的阿克苏地区北部新生中心强度达-40 ℃ β-中尺度对流云团C; 8月1日00:00, A、B和C强度继续增强、范围继续扩大, 中心强度分别达-40, -40和-44 ℃位于博州地区南部、伊犁地区和阿克苏地区北部, 此时B是影响伊犁地区主要对流云团; 随着A、B和C继续向东北方向发展移动, 01:00伊犁地区主要受B和C控制, 在C西南方的阿克苏地区北部又新生中心强度为-40 ℃ β-中尺度对流云团D; 02:00 C中心强度为-44 ℃覆盖伊犁地区大部, D发展增强向东北方向移动位于阿克苏和伊犁地区交界处; 03:00 C进一步发展成为α-中尺度对流云团, 其南部控制伊犁地区北部, D范围扩大位于伊犁地区南部, 在阿克苏地区中部新生β-中尺度对流云团E, 中心强度为-32 ℃。

图 8(Figure 8)

图 8 2016年7月31日22:00至8月1日13:00新疆西部地区FY-2G卫星逐小时TBB(单位: ℃) 分辨率为0.1°×0.1°; A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K代表中尺度云团 Figure 8 The hourly change of TBB from FY-2G satellite (unit: ℃) in the west of Xinjiang from 22:00 on 31 July to 13:00 on 1 August 2016.The resolution is 0.1°×0.1°.The capital A, B, C, D, E, F, G, H, I, J and K represent mesoscale clouds

04:00 07:00, 对流云团在向东北方向移动过程中, D和E依次控制伊犁地区, 07:00在E发展强盛控制伊犁地区时, 阿克苏中部又新生β-中尺度对流云团F; 08:00-12:00, E和F合并为α-中尺度对流云团G控制伊犁地区, 阿克苏地区中东部新生β-中尺度对流云团H发展东北移; 13:00一些范围较小较弱的β-中尺度对流云团影响伊犁地区, 此后随着中尺度云团北移, 降水逐渐减弱停止。

从以上细致分析不难发现, 造成伊犁地区暴雨的中尺度对流云团不断生成于阿克苏地区中北部, 生成后向东北方向移动, 在移动过程中不断发展增强到达伊犁地区, 造成伊犁地区出现持续性较强降水。影响伊犁地区的中尺度对流云团以β-中尺度对流云团为主, 也有α-中尺度对流云团。中尺度对流云团移动较快, 平均每个云团在伊犁地区停留2~3 h。

许多学者研究指出新疆暴雨与低空急流和切变线、辐合线关系密切(杨莲梅, 2003; 陈春艳等, 2012; 张云惠等, 2013; 曾勇等, 2017a, 2017b)。此次暴雨期间, 中尺度低空急流、切变线、辐合线明显且发展、移动迅速。7月31日20:00, 850 hPa(图略)南疆东部偏东急流形成, 12 m·s^-1的等风速线到达巴州, 阿克苏东部偏东风达12 m·s^-1, 阿克苏西部为急流核达20 m·s^-1的西北偏北低空急流, 偏东急流和西北偏北急流在阿克苏中部形成明显的风场辐合线。700 hPa(图略)南疆东部偏东急流16 m·s^-1等风速线到达巴州, 阿克苏东部偏东南风达8 m·s^-1, 与天山南麓地形几乎垂直, 形成明显的地形辐合线, 同时, 阿克苏西部存在切变线。8月1日02:00, 850 hPa[图 9(a)]南疆东部偏东急流向北向西发展、移动, 到达阿克苏东部转为东南急流, 12 m·s^-1等风速线到达阿克苏东部, 阿克苏西部西北偏北急流向东移动, 二者风场辐合线较前一时次向东移动了约100 km, 且辐合明显加强。700 hPa[图 9(b)]南疆东部偏东急流向北向西发展、移动, 阿克苏东北部16 m·s^-1东南风急流与天山地形几乎垂直, 地形辐合线(图中红色实线所示)加强, 同时, 阿克苏西部切变线发展加强并向东移动。随后, 中尺度低空急流、切变线、风场辐合线和地形辐合线进一步东移(图略)。这些发展、移动的低空急流、切变线和辐合线不断将水汽和能量向上输送, 在500 hPa槽前强偏南气流的作用下向北输送至暴雨区上空, 对应着图 8中TBB显示的云团移动发展, 产生此次极端特大暴雨, 同时, 在此过程中, 伊犁地区偏西气流与喇叭口地形形成的地形辐合线对于暴雨的产生同样重要。

图 9(Figure 9)

图 9 2016年8月1日02:00 850 hPa(a)和700 hPa(b)风场(风羽, 单位: m·s-1)、8月1日02:00沿82.1°E流场(流线)和垂直速度(彩色区, 单位: ×10-1 m·s-1)的垂直剖面(c)及7月31日08:00至8月1日20:00沿82.1°E, 42.25°N水平风场(风羽, 单位: m·s-1)、涡度(彩色区, 单位: ×10-5 s-1)和散度(等值线, 单位: ×10-5 s-1)(d)的时间-高度剖面 (a)和(b)中等值线为等风速线红色粗实线为地形辐合线 Figure 9 The wind field (barb, unit: m·s-1, at 850 hPa (a) and 700 hPa (b), the vertical section of flow field (streamline) and vertical velocity (color area, unit: ×10-1 m·s-1) along 82.1°E (c) at 02:00 on 1 July and the height-time sections of wind field (barb, unit: m·s-1), vorticity (color area, unit: ×10-5 s-1), divergence (contour, unit: ×10-5 s-1) along 82.1°E, 42.25°N from 08:00 on 31 July to 20:00 on 1 August 2016. The contours are equidistant lines, the thick red lines are the topography convergence lines in Fig. 9 (a) and (b)

为了更清晰地看出中尺度系统的垂直结构及地形的作用, 沿暴雨中心82.1°E作流线和垂直速度的经向剖面。8月1日02:00[图 9(c)], 天山迎风坡700 hPa附近存在明显的垂直环流中心, 垂直环流的上升支在500 hPa槽前强上升运动和地形强迫抬升的共同作用下发展加强。同时, 在其北部天山地形上空600 hPa附近和伊犁地区700 hPa附近也分别存在一个明显的垂直环流中心。垂直环流对应着天山迎风坡和伊犁地区的中尺度云团, 这三个中尺度系统垂直环流上升支最大上升速度达0.4 m·s^-1, 强上升运动源源不断地将水汽和能量向上输送造成暴雨天气, 随着垂直环流和中尺度云团同步向东移动, 雨带也相应东移(图略)。作天山迎风坡(82.1°E, 42.25°N)的涡度、散度和水平风场随时间的剖面[图 9(d)], 7月31日20:00水平风场在400 hPa以下表现为明显的随高度顺转, 8月1日02:00低层西北风和东南风风切变加剧, 同时, 各个高度层风速也呈现增大的趋势, 中低层暖平流与风切变有利于暴雨的产生。散度场7月31日20:00表现为较明显的低层辐合、高层辐散特征, 8月1日02:00出现低层辐合、高层辐散的大值中心, 分别达到-48×10^-5 s^-1和32×10^-5 s^-1, 随后暴雨系统在地形作用下向上发展强烈, 辐合、辐散区向上伸展, 08:00辐散区达400 hPa, 辐合中心达250 hPa。7月31日20:00开始在500 hPa附近出现15×10^-5 s^-1涡度大值区, 随后涡度大值区向上、向下发展, 8月1日08:00, 600 hPa附近涡度增长为30×10^-5 s^-1, 350 hPa附近涡度为15×10^-5 s^-1, 同时, 涡度和散度从7月31日20:00至8月1日08:00的增强趋势与该时段中尺度云团的增强趋势一致, 且在偏西南气流的作用下, 中尺度云团配合涡度和散度中心在地形的有利抬升作用下, 将低层水汽和不稳定能量向上向偏东北方向输送到暴雨区上空, 同时凝结潜热释放加热中高层大气, 增强暴雨。

(1) 2016年7月31日至8月1日新疆西部出现的极端特大暴雨天气发生在稳定维持的“两脊一槽”环流形势下, 中亚低槽前部偏南气流与孟加拉湾低值系统前部偏南气流形成接力输送形势。南亚高压呈单体型、强度强、位置偏北。暴雨区位于200 hPa高空西南急流入口区右侧、700 hPa低空偏东急流前部、500 hPa偏南急流及700 hPa辐合线附近。θ_se等值线密集区的锋区的动力强迫配合天山地形的地形强迫的抬升作用, 造成了涡度倾斜发展, 有利于暴雨系统向上向北移动, 将水汽和能量向上向北输送, 为暴雨的产生提供良好的环境条件。

(2) 在此次新疆西部极端特大暴雨期间, 除了中亚低槽自身携带的西南路径水汽输送, 在高、中、低纬环流系统的配合下低纬孟加拉湾、南海和西太平洋丰沛的水汽向新疆西部地区输送, 是此次极端特大暴雨形成的关键。西、东、南边界水汽输入均起着重要作用, 尤其是西边界和东边界, 占水汽输入总量的78.4 %。

(3) 暴雨区上空高低空急流的配合以及纬向风的水平切变和经向风的垂直切变为暴雨区辐合上升运动和中尺度系统的产生和发展提供有利条件。中尺度对流云团不断生成于阿克苏地区中北部, 生成后向东北方向移动, 在移动过程中不断发展增强到达伊犁地区; 中尺度对流云团移动较快, 平均在伊犁地区停留2~3 h。

(4) 发展、移动的低空急流、切变线、风场辐合线和地形辐合线及自天山迎风坡向北分布的多个具有强上升支的中尺度垂直环流不断将水汽和能量向上输送, 在500 hPa槽前强偏南气流的作用下向北输送至暴雨区上空。暴雨过程中, 中低层暖平流与风切变配合天山地形使天山迎风坡暴雨系统向上强烈发展, 向北移动过程中产生暴雨。