中亚低涡背景下新疆连续短时强降水特征分析

曾　勇，杨莲梅*

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆　乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆　乌鲁木齐830002）

中亚低涡背景下新疆连续短时强降水特征分析

曾勇1，2，杨莲梅1，2*

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐830002）

利用新疆2005—2014年5—9月经过整编的105个气象站逐小时地面降水资料、美国国家环境预测中心和大气研究中心NECP/NCAR的空间分辨率为2.5°×2.5°逐日再分析资料，提出了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义，分析了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的时空分布特征，中亚低涡不同发展阶段新疆连续短时强降水的环流特征。结果表明：（1）中亚低涡背景下新疆连续短时强降水呈现北部多于南部、西部多于东部、山区多于平原和盆地的分布特征，4个高频中心分别位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山区，海拔在1800～2000 m的站点出现次数最多。（2）近10 a 5—9月，中亚低涡背景下新疆连续短时强降水具有明显的日变化，呈单峰分布型，主要发生在14—04时，约占76%，峰值在18—22时。连续短时强降水有明显的年变化，7月最多，达0.9次/a，8月次之，为0.8次/a，5月最少，只有0.1次/a。（3）中亚低涡发展期低涡西南部强锋区造成短时强降水，成熟期分为长时间和短时间持续短时强降水环流型。长时间环流型低涡前部强西南气流造成短时强降水，短时间型分低涡前强西南气流和低涡底部强锋区造成短时强降水，消亡期低槽后部西北气流和低槽前部西南气流均可造成短时强降水。

中亚低涡；连续短时强降水；时空分布；环流特征

曾勇，杨莲梅.中亚低涡背景下新疆连续短时强降水特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：67-72. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.010

新疆位于中国西北部，面积约1.66×106km2，占中国国土面积的六分之一。远离海洋，深居内陆，四周有高山阻隔，海洋湿气不易进入，境内多沙漠，著名的塔克拉玛干沙漠及古尔班通古特沙漠等分布于区内的天山南北，且气候不受季风系统的直接影响。降水量的地区及季节分布极不均匀，各地、各季降水量差异很大。降水量分布趋势是：北疆多于南疆，西部多于东部，山区多于盆地，山区迎风坡多于背风坡，盆地周围多于中央。新疆地形复杂、植被覆盖率低、生态脆弱，局部持续短时强降水具有突发性强、危害性大等特点，常常引起中小河流洪水、山洪、山体滑坡和泥石流等灾害，冲坏水利设施、冲毁土地房屋、破坏公路铁路，给国民经济和人民生命财产带来很大损失，对生态和水土保持也有很大的影响。

早在20世纪80年代，Hosking等[1]和Klaassen[2]就对短时强降水进行了研究。在国内，彭芳等[3]统计分析了贵州省汛期短时强降水的时空分布特征。韩宁等[4]对陕西、甘肃、宁夏三省（区）的短时强降水特征进行了统计。尹承美等[5]对济南市区短时强降水进行了分析。马思敏等[6]对宁夏固原市一次对流性天气进行了模拟。

张家宝等[7-8]指出咸海以东到新疆常出现与乌拉尔脊联系的天气尺度的冷性涡旋系统，称之为中亚低涡。中亚低涡是自对流层上部向下延伸的中期时间尺度（4 d以上）的深厚切断低压系统，是造成新疆暴雨（雪）、持续低温天气的重要影响系统之一。陆帼英[9]对1996年7月由中亚低涡造成的建国以来新疆最严重洪水灾害的三次大范围暴雨过程进行了分析总结，近年来利用新的资料和手段对中亚低涡的研究逐渐开展。张云惠等[10]对1971—2010年中亚低涡活动的时空分布、持续时间、移动路径进行分析，并给出其对新疆天气影响分类等特征。杨莲梅等[11]总结了中亚低涡研究的若干进展和问题。李圆圆等[12]对一次中亚低涡造成的暴雪天气过程进行分析。目前有关中亚低涡的研究集中于低涡造成暴雨、暴雪的天气学诊断[13-19]。而中亚低涡引发短时强降水造成的危害最大，特别是持续的短时强降水。新疆气象工作者在实际预报业务中发现目前气象预报对中亚低涡背景下短时强降水是否出现、落区、落时很难把握，预报预警准确率不高，各类数值模式对中亚低涡造成的降水预报准确率较其他天气系统低。目前对于中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的研究还较少。本文在前人研究的基础上，利用新疆2005—2014年5—9月105个气象站逐小时地面降水资料、美国国家环境预测中心和大气研究中心NECP/NCAR的空间分辨率为2.5°×2.5°逐日再分析资料，以及同期影响新疆的中亚低涡个例，提出了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义，并分析了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的时空分布特征，以及中亚低涡不同发展阶段新疆连续短时强降水的环流特征，为中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的预报预警提供一些参考。

1　中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义

1.1中亚低涡定义

本文所定义的中亚低涡为张云惠等[10]提出的符合下列条件的一次过程：①500 hPa高度场低压中心位置位于35°～55°N，60°～90°E，低压中心至少能分析出两条以上闭合等值线，并且有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统；③低涡在上述区域内的生命史维持2 d或以上。根据中亚低涡的定义通过计算机编程，自动识别追踪中亚低涡过程，再根据天气图反查得到2005—2014年5—9月中亚低涡过程。

1.2中亚低涡不同发展阶段界定

为了研究中亚低涡不同发展阶段短时强降水的发生情况，本文将低槽发展并形成切断低涡过程称为中亚低涡发展期，将中亚低涡闭合稳定并符合中亚低涡定义过程称为中亚低涡成熟期，将中亚低涡

减弱成槽东移过程称为中亚低涡消亡期。

1.3中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义

利用新疆2005—2014年5—9月经过整编的105个气象站逐小时地面降水资料，中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义为：在中亚低涡发展期、成熟期和消亡期期间，以北京时00时为日界，区域内某天至少1站出现小时降水强度≥5.1 mm为一个短时强降水日，连续2 d或以上出现短时强降水日则定义为一次中亚低涡背景下新疆连续短时强降水过程。根据此定义得到了中亚低涡造成26次新疆连续短时强降水过程见表1。

表1　2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水事件发生和持续时间/d

2　中亚低涡背景下新疆连续短时强降水时空分布特征

2.1连续短时强降水空间分布特征

2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水次数的空间分布（图1）有以下特点：连续短时强降水次数随地形变化呈现北部多于南部、西部多于东部、山区多于平原和盆地，4个高频中心分别位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山区，海拔在1800～2000 m的站点出现连续短时强降水的次数最多，出现次数最多的前3个站点分别为海拔1 942.5 m的天池站，出现22次，海拔1 871.8 m的小渠子站，出现17次，海拔1851 m的昭苏站，出现16次，海拔升高或降低连续短时强降水次数都呈减少趋势。

2.2连续短时强降水时间分布特征

中亚低涡背景下新疆连续短时强降水具有明显的日变化，呈单峰分布型，主要发生在14—04时，即从午后到前半夜，占到总数的76%，峰值在18—22时，即20时前后最易发生连续短时强降水（图2）。2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的逐月分布见表2。7月发生频率最高，达到0.9次/a，8月次之，发生频率为0.8次/a，9月和5月发生频率最低，分别为0.3次/a和0.1次/ a。在6—8月盛夏季节由于中亚低涡活动频繁，地面温度较高，大气热力不稳定层结较强，易发生连续短时强降水。

图1　中亚低涡背景下新疆连续短时强降水次数的空间分布（阴影表示海拔高度）

图2　2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水次数（单位：次）的日变化

2.3中亚低涡不同发展阶段新疆连续短时强降水分布特征

表2　2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水次数逐月分布

中亚低涡在旋转、东移过程中不断有冷空气分离南下，中层干冷空气明显，冷空气侵入中高层促进层结不稳定，连续短时强降水过程低层几乎都有风场切变、辐合存在，促发对流，进而造成连续数日的短时强降水。连续短时强降水能够发生在中亚低涡的发展、成熟、消亡的各个时期，但是发生在成熟、消亡期较多，尤其是成熟期。在26次中亚低涡背景下连续短时强降水过程中，低涡发展期出现8次持续短时强降水，成熟期出现17次，消亡期出现11次。从影响时间看，发展期有16 d，成熟期61 d，消亡期22 d（图3）。中亚低涡在发展和消亡期温压场结构不对称、大气斜压性强，一旦有弱的扰动，易发生连续短时强降水，中亚低涡成熟期强度往往达到最强，冷空气强度也达到最强，加之成熟期较发展和消亡期维持时间长，在低涡旋转过程中不断分裂冷空气也易造成连续多日的短时强降水天气。

图3　1961—2014年5—9月中亚低涡各个发展阶段连续短时强降水次数和影响天数

3　中亚低涡不同发展阶段新疆连续短时强降水环流特征

3.1中亚低涡发展期

选取中亚低涡发展期造成新疆8次连续短时强降水进行合成分析（图4），可以看出，500 hPa位势高度场伊朗副热带高压强烈向北发展与乌拉尔脊叠加形成低纬-高纬长波脊，脊顶向东北偏东方向伸展明显，引导高纬冷空气南下，在脊前巴尔喀什湖北部形成切断低涡，同时西太平洋副热带高压外围584 dagpm线西伸至青藏高原上空，印度—中亚为平均长波槽，利于低纬阿拉伯海和印度洋暖湿空气北上至中亚地区，为新疆持续短时强降水提供有利的水汽条件。新疆受低涡前部强西风锋区控制，低涡分裂弱波动沿强锋区东移过程中，往往使位势不稳定加剧，冷暖空气交汇剧烈产生连续短时强降水。

图4　中亚低涡发展期短时强降水过程500 hPa位势高度场（实线，单位：dagpm）和温度场（虚线，单位：℃）

3.2中亚低涡成熟期

中亚低涡成熟期造成的17次新疆连续短时强降水过程可分为长时间连续短时强降水型和短时间连续短时强降水型。这里所说的长时间连续短时强降水型指中亚低涡成熟期持续5 d以上且造成5 d以上持续短时强降水；短时间过程指2～5 d过程。17次过程中共有5次长时间过程，12次短时间过程。从环流特征和产生连续短时强降水的位置及机理等方面又可以将12次短时间过程分为中亚低涡槽前型和中亚低涡底部型两类，其中中亚低涡槽前型有7次过程，中亚低涡底部型有5次过程。

长时间连续短时强降水型100 hPa位势高度场南亚高压为双体型，一个高压中心位于伊朗高原上空，另一个高压中心位于青藏高原上空，中亚为副热带大槽，亚洲副热带西风急流强盛且位于中亚副热带大槽底部呈西南—东北向，新疆位于急流出口区右侧辐散区，为持续短时强降水提供有利垂直上升动力条件，这是新疆大降水过程典型环流配置。500 hPa位势高度场伊朗副热带高压东伸北挺明显，与乌拉尔山脊叠加形成长波脊，且脊顶向东北方向伸展，西太平洋副热带高压外围584 dagpm线西伸至青藏高原且与贝加尔湖西侧高压脊叠加形成长波脊，中亚低涡稳定维持于两个长波脊之间，因此低涡能长时间持续活动（超过5 d），低涡槽底可达35°N以南地区，利于低纬阿拉伯海水汽沿槽前西南气流向中亚—新疆输送，为新疆5 d以上持续性短时强降水提供有利水汽条件（图5）。在这种高、中、低纬同位相两脊一槽的稳定环流形势下，新疆处于深厚低涡的西南侧正涡度区和强西南气流控制下，配合有利水汽条件易造成超过5 d的持续性短时强降水。

图5　中亚低涡成熟期长时间连续短时强降水型500 hPa位势高度场（实线，单位：dagpm）和温度场（虚线，单位：℃）

中亚低涡槽前型500 hPa位势高度场中高纬为乌拉尔山脊—中亚低涡—贝加尔湖脊环流形势，而低纬伊朗副热带高压在40°N以南活动，西太平洋副热带高压在120°E以东活动（图6a），因此欧亚范围内低纬与中高纬环流系统不同步，使中亚低涡不易长时间维持，新疆短时强降水过程也不超过5 d。此种环流配置造成新疆短时强降水水汽主要来自西方路径的里咸海，低纬水汽基本对新疆降水无贡献，加之低涡东南侧强西南气流提供动力条件，新疆出现不超过5 d的持续短时强降水过程。

中亚低涡底部型500 hPa位势高度场中高纬为西西伯利亚脊—中亚低涡—贝加尔湖脊环流型，中低纬为伊朗副热带高压—阿拉伯海槽—青藏高原脊环流型，这两套环流系统基本呈反位相，因此中亚低涡活动很少不超过5 d。中亚低涡位于新疆以北地区活动，低涡底部压入北疆，锋区压过天山到达南疆盆地，并有明显的冷中心与低涡配合（图6b）。随着低涡不断打转冷涡西部常有冷空气不断补充南下，新疆处于低层暖湿舌的后部，地面对应暖低压，有利于低涡偏南部发生连续短时强降水。

3.3中亚低涡消亡期

根据造成连续短时强降水的低槽部位与降水落区关系，可将11次中亚低涡消亡期新疆连续短时强降水环流分为槽前西南气流型和槽后西北气流型两类。

槽前西南气流型500 hPa位势高度场中亚低涡减弱为槽，新疆处于槽前强西南气流控制的上升气流区（图7a），配合低涡发展和成熟期聚集的丰富水汽，较好的上升运动和水汽条件使此类环流型出现7次。

图6　中亚低涡成熟期短时间连续短时强降水型500 hPa位势高度场（实线，单位：dagpm）和温度场合成分析（虚线，单位：℃）

槽后西北气流型500 hPa位势高度场中亚低涡减弱为槽东移后，经向环流转为纬向环流，新疆处于中纬度强锋区槽后西北气流控制区（图7b），槽后冷空气叠加在低层暖湿气团之上,中高层干冷，低层暖湿的结构使层结不稳定加剧，上冷下暖的不稳定形势造成此类降水环流出现4次。

4　结论

（1）2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水呈北部多于南部、西部多于东部、山区多于平原和盆地的分布特征，4个高频中心分别位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山区，海拔在1800～2000 m的站点出现连续短时强降水的次数最多，出现次数最多的前三个站点分别为海拔1 942.5 m的天池站，出现22次，海拔1 871.8 m的小渠子站，出现17次，海拔1851 m的昭苏站，出现16次，连续短时强降水随海拔升高或降低出现次数都呈下降趋势。

（2）2005—2014年5—9月中亚低涡背景下新疆连续短时强降水具有明显的日变化，呈单峰分布型，主要发生在14—04时，峰值在18—22时。中亚低涡背景下新疆连续短时强降水7月发生频率最高，达到0.9次/a，8月次之，发生频率为0.8次/a，9月和5月发生频率最低，分别为0.3次/a和0.1次/a。

（3）在2005—2014年5—9月26次中亚低涡背景下，低涡发展期出现8次连续短时强降水过程，成熟期17次，消亡期11次。发展期新疆受低涡前部西风锋区控制，锋区中的弱波动在东移过程中，往往使位势不稳定加剧，冷暖空气交汇产生连续短时强降水。成熟期分为长时间连续短时强降水型和短时间连续短时强降水型，长时间连续短时强降水型南亚高压呈双体型分布，500 hPa伊朗副热带高压东伸北挺明显，西太平洋副热带高压西扩明显，两长波脊之间为平均槽区，平均槽的槽底可达35°N以南地区，高、中、低纬天气系统同位相叠加，环流形势稳定，且由于下游脊的阻挡和充足的冷空气补充以及较好的水汽输送条件，往往造成5 d以上的持续短时强降水。短时间连续短时强降水型低纬和中高纬环流系统呈反位相分布，中高纬环流系统不宜长时间维持，因此中亚低涡维持时间较短不易造成5 d以上持续短时强降水。中亚低涡槽前型中亚低涡在东移过程中北收明显，在槽前上升运动区，冷暖空气交汇明显，造成连续短时强降水。中亚低涡底部型低涡底部压入北疆地区，锋区压过天山到达南疆盆地，造成低涡南部的连续短时强降水。中亚低涡消亡期分为槽前西南气流型和槽后西北气流型两类，槽前西南气流型中亚低涡减弱为槽以后，在槽前强西南气流控制下产生连续短时强降水；槽后西北气流型中亚低涡减弱为槽以后，在槽后西北气流控制下产生连续短时强降水。

图7　中亚低涡消亡期连续短时强降水型500 hPa位势高度场（实线，单位：dagpm）和温度场合成分析（虚线，单位：℃）

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Characteristics of Persistent Short-time Heavy Rainfall Causing by Central Asian Vortex in Xinjiang

ZENG Yong1，2，YANG Lianmei1，2
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Center for Central Asia Atmosphere Science Research，Urumqi 830002，China）

Using the reorganized hourly ground precipitation data of 105 weather stations from May to September during 2005-2014 in Xinjiang and 2.5°×2.5°NCEP reanalysis data,persistent shorttime heavy rainfall（PSHR）in Xinjiang causing by Central Asian vortex are defined,the temporalspatial distribution and circulation features are analyzed at different vortex periods.The results show that：（1）PSHR occur more at the north than the south,more at the west than the east,more at mountain than plain and basin,and four high-frequency centers are located in the northern Tacheng,Yili Valley,Central Tianshan Mountains and Western Mountains of Southern Xinjiang, appearing most frequently with an elevation of 1800～2000 m.（2）It appears obvious diurnal variation of unimodal distribution pattern,the main period is 14:00-04:00,about 76%,the peak is between 18:00-20:00.It has a significant monthly variation,the most in July,about 0.9 times per year,the second in August with 0.8 times per year,less in May only 0.1 times per year in the last 10 years. （3）short-time Heavy rainfall happened in the strong frontal zone of Southwestern Central Asian vortex during development period,the circulation of the maturity period is divided into the longtime circulation type and the short-time circulation type,the short-time heavy rainfall caused by strong southwesterly airflow in long time circulation type,and by strong southwesterly airstream and strong bottom frontal zone of vortex in short time circulation type.At decreasing period,both the northwest airflow after vortex and the strong southwestern airflow at vortex bottom cause short-time heavy rainfall.

central Asian vortex；continuous short-time heavy rainfall；temporal and spatial distribution；circulation features

P468.024

A

1002-0799（2016）04-0067-07

2016-03-21；

2016-05-04

科技部公益性行业科研专项（GYHY201506009），国家自然科学基金项目（41565003）共同资助。

曾勇（1990-），男，助理工程师，主要从事灾害性天气研究。E-mail：15099610397@163.com

杨莲梅（1969-），女，研究员，主要从事灾害性天气研究。E-mail：yanglm@idm.cn