伊犁河谷和天山北坡暴雨过程水汽特征分析

刘晶，曾勇，刘雯，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）

伊犁河谷和天山北坡暴雨过程水汽特征分析

刘晶1，2，曾勇1，2，刘雯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）

选取4次伊犁河谷、天山北坡暴雨天气过程，利用地面逐时降水、常规、NCEP/ NCAR 1°×1°再分析及地基GPS遥感的大气水汽总量资料（GPS-PWV），通过合成分析方法得到暴雨期间大气环流的基本配置，阐明了伊犁河谷、天山北坡地区强降水期间环流形势及水汽输送的异同，结果表明：（1）强降水过程中暴雨区上空200 hPa强辐散气流、500 hPa槽前正涡度平流、西南气流利于垂直运动的发展，低层偏西、偏东和偏北气流为暴雨区提供水汽和不稳定能量，低层辐合、高层辐散，配合地形辐合抬升，上升运动进一步增强，造成强降水发生；（2）深厚的西西伯利亚低涡低槽系统移速缓慢，停滞时间长，造成强降水前暴雨站增湿时间更长，比较发现强降水发生前暴雨站GPS-PWV均存在1～3 d的增湿过程，暴雨期间测站GPS出现明显跃变，峰值可达到气候平均值的2倍左右；（3）GPS大气可降水量的演变与大尺度的水汽输送、聚集有较好的对应关系，但GPS高值区并不代表降水大值区，还应和动力热力等条件综合判断降水的强弱。

暴雨；水汽输送；地基GPS

新疆地处我国西北部，属典型大陆性干旱气候，其降水不受季风的直接影响，但在“三山夹两盆”的特殊地形下，每年夏季均会出现不同程度的降水天气，局部地区往往有暴雨发生，其中伊犁河谷及天山北坡地区（天山北坡指西起精河、北起克拉玛依，经奎屯、沙湾、石河子、乌鲁木齐、昌吉至木垒一线）受天山大地形的影响，是新疆夏季暴雨的频发区，也是洪水和泥石流的高发区。随着全球显著变暖及水循环加快，新疆气候由暖干向暖湿转变[1]，暴雨发生的频次也相应增多。针对暴雨产生的环流背景、形成机制、多尺度天气系统配置、中尺度活动和水汽条件等方面国内外已开展了大量的研究[2-9]，给出各类暴雨主要影响系统、多尺度系统活动特征及演变规律，阐明了暴雨的水汽来源、输送特征和聚集机制。另外针对新疆暴雨天气也有大量的研究成果[10-20]，利用多普勒雷达、风廓线雷达、卫星等多元资料，对新疆暴雨发生的大尺度环流背景、动、热力场及中小尺度活动特征进行了详细的分析，但大多是针对一次天气个例分析或从气候角度阐述新疆强降水的时空分布及气候背景特征，而针对某类特定影响系统（西西伯利亚低槽、低涡）环流场、水汽输送特征分析研究工作相对较少，本文选取伊犁河谷和天山北坡2011—2016年6—8月4次由西西伯利亚低槽（涡）造成的暴雨天气过程，利用合成分析法，结合地基GPS大气可降水量资料，重点讨论此类暴雨天气过程中的大尺度环流场、水汽输送和局地水汽精细变化特征的异同之处。

1 资料选取和方法介绍

本文利用地面气象观测站逐时降水、常规探测、NCEP/NCAR 1°×1°再分析、地基GPS大气可降水量（GPS-PWV）资料，分别选取4次暴雨天气过程中的6个暴雨日，应用合成分析和天气动力学诊断方法对这两个地区暴雨期间水汽输送特征进行分析，探讨发生期间水汽的精细演变特征，为更好地理解此类暴雨天气提供一定的参考依据。

地基GPS遥感大气水汽技术是20世纪90年代发展起来的一种大气观测手段，目前，新疆共有14个气象观测站可收集、整理和传输本站的GPS资料，已有研究[21-22]发现大气可降水量和利用GAMIT软件处理反演得到1 h间隔的GPS-PWV间的误差在2 mm内，说明GPS-PWV较高的准确性可补充常规探空资料在时间和空间密度上的不足。

新疆属于干旱、半干旱区域，考虑到该区域降水特点及相应的灾害记录，本文采用新疆现行的降水业务标准：24 h降水量R，0.1＜R≤6.0 mm为小雨，6.1＜R≤12.0 mm为中雨，12.0＜R≤24.0 mm为大雨，24.0 mm＜R≤48.0 mm为暴雨，R≥48.1 mm为大暴雨。

表14 次暴雨天气过程

图1 伊犁河谷（a）和天山北坡（b）观测站点暴雨发生频次（单位：次）

2 降水基本概况和环流场分析

通过对2011—2016年4次暴雨天气过程中的6个暴雨日进行分析（表1，将国家自动气象观测站2站及以上24 h降水量≥24.1 mm且3站以上12.0＜24 h降水量≤24.0 mm定义为一个暴雨日），发现4个暴雨日的暴雨区主要集中在中天山一带，达到暴雨的站数26个，2个暴雨日的暴雨区主要集中在伊犁河谷，达到暴雨标准的站数13个。从暴雨发生频次图上可以看出，伊犁河谷暴雨天气过程中（图1 a）尼勒克站和巩留站发生暴雨频次最高，其中尼勒克发生大暴雨频次最多（2次），而天山北坡地区（图1 b）天池站和阜康站发生暴雨频次最高，天池出现大暴雨的频次最多（3次）。

2.1 伊犁河谷暴雨日环流形势及水汽特征分析

伊犁河谷强降水发生期间200 hPa南亚高压呈“偏西型”分布，中心位于印度半岛北部—青藏高原上空（图2a），西西伯利亚地区为东北—西南走向长波槽，槽底南伸至35°N，槽前副热带急流控制伊犁河谷地区，最大风速45 m/s，高层强烈的辐散抽吸，利于上升运动的发展，也使得大气的不稳定性增强，这是伊犁河谷暴雨发生的重要条件。

出现强降水时，500 hPa（图2b）上伊朗副热带高压向北发展，与乌拉尔山高压脊同位相叠加，西西伯利亚地区为稳定低槽系统，槽底南伸至35°N附近，伊犁河谷位于槽前西南气流控制，一方面槽前正涡度平流增强利于垂直运动的发展，另一方面偏南气流不断将低纬度地区水汽输送到暴雨区，为强降水的发生提供水汽输送。相较于中亚低涡系统，低槽生命史较短，但当低槽曲率加大、强度增强时，自东向西位势高度梯度增大，有利于槽前偏南气流的增强，充沛的水汽也将不断向暴雨区上空输送，这是低槽系统背景下暴雨产生的另一重要原因。由于新疆远离海洋且周围均为高山，因而无法直接从洋面上获得大量的水汽，而针对新疆大降水的研究指出，新疆境内强降水的水汽先在境外集中，并在合适的环流条件下通过接力输送机制输送至降水区[13-14]。从700 hPa水汽通量合成分析图上（图2c）发现，强降水期间有一条明显的偏西水汽输送通道，将水汽经巴尔喀什湖输送至伊犁河谷，另外偏东水汽输送通道将孟加拉湾水汽经河西走廊向暴雨区上空输送，两支水汽通道为暴雨区提供充沛的水汽供应，这与已有的研究结论[13-14]较一致。从水汽通量散度场上（图2d）可以看出，强降水期间850 hPa伊犁河谷存在明显的水汽通量辐合大值区，辐合中心-4×10-7g/（cm2·hPa·s），大量水汽在伊犁河谷地区辐合，上升运动得以发展，造成河谷多站出现暴雨。

图2 伊犁河谷暴雨期间环流场、水汽通量和水汽通量散度场合成图

2.2 天山北坡暴雨日环流形势及水汽特征分析

与伊犁河谷暴雨期间200 hPa环流形势相似的是（图3a），南亚高压仍稳定维持，长波槽底南伸至35°N，值得注意的是槽前副热带急流范围有所扩大，天山北坡恰位于高空急流出口区的右侧，高层强烈的辐散抽吸是垂直运动发展、强降水发生的重要因素之一。

500hPa天山北坡上空风速明显增强，且逐渐由偏南气流转为西南气流，暴雨区上空除了有低纬度地区水汽的输送外，还有偏西路径水汽的补充（图3b）。从700 hPa水汽通量合成分析图上（图3c）发现，西北水汽输送通道仍然活跃，且与偏东水汽在天山北坡汇集，为暴雨区上空提供了源源不断的水汽供应，且强降水期间（图3d）850 hPa水汽逐渐在天山北坡聚集，辐合中心-3×10-7g·cm-2·（hPa·s）-1，强烈的水汽辐合配合地形的抬升导致天山北坡出现暴雨。

高空辐散气流分别位于伊犁河谷、天山北坡上空，另外强降水期间对流层中低层均存在偏西和偏东气流，一方面在地形的辐合抬升下，使得上升气流增强，另一方面为暴雨区提供源源不断的水汽输送，总之，从高层到低层大尺度天气系统的环流配置都有利于上述地区暴雨天气的发生。

2.3 暴雨区天气模型概况图

通过上述分析给出伊犁河谷和天山北坡暴雨发生期间天气模型图（图4），200 hPa南亚高压稳定维持，长波槽加深，高空急流提供强烈的辐散场利于垂直运动的发展；500 hPa中纬度乌拉尔山高压脊和贝加尔湖高压脊稳定少动，西西伯利亚低槽向南加深，移动缓慢，槽前正涡度平流增强利于上升运动进一步加强；700 hPa偏西、偏东气流和850 hPa偏北气流在暴雨区辐合，一方面加强了水汽的输送，另一方面增加了大气层结不稳定性，有利于局地对流发展和上升运动的增强，配合地形的辐合抬升易造成暴雨区强降水。

图3 伊犁河谷暴雨期间环流场、水汽通量和水汽通量散度场合成图

图4 伊犁河谷和中天山地区暴雨流型配置

3 2016年6月16日和2016年7月31日暴雨站GPS-PWV分析

从第二节可以得到伊犁河谷、天山北坡暴雨发生期间大尺度环流和水汽输送、聚集的一些共性，为了更好地理解暴雨天气过程中水汽演变的特性，选取2016年6月16日和2016年7月31日两次典型的低涡和低槽天气过程，通过分析伊犁河谷和中天山地区的GPS观测站大气可降水量的演变特征，探讨暴雨站发生时GPS大气可降水量的异同，为今后理解此类天气过程水汽变化情况提供一定的参考。

3.1 伊犁河谷暴雨站GPS-PWV时间演变

伊犁河谷2016年6月、7月分别出现了一次强降水天气过程，影响系统分别为西西伯利亚低涡和西西伯利亚低槽，同样是深厚低值系统，暴雨站的GPS-PWV变化略有不同。2016年6月16—18日（图5a）伊宁站出现暴雨，降水发生前（16日08：00—17日00：00，北京时，下同）测站GPS-PWV处于高值（30 mm）附近，这与西西伯利亚低涡稳定少动，涡前西南气流较早开始影响伊犁河谷地区有关。17日00：00开始，伊宁站GPS-PWV出现了一次迅速剧烈的增长，GPS-PWV值由38 mm增至42 mm，增幅达2 mm/h，GPS-PWV峰值达到气候平均值的1.9倍，4 h后伊宁站开始出现强降水，降水持续8 h，降水结束后，伊宁站GPS-PWV并未下降至平均值附近，这与降水后近地面湿度较大有关，因而不能仅根据水汽条件判断降水的开始和结束，还应参考动力、热力等条件。

从图5b可以看出受西西伯利亚低槽影响，伊宁站在强降水发生前GPS-PWV始终维持在气候平均值（24 mm）附近，31日08：00—15：00，受低槽前部强西南气流影响，伊宁站GPS-PWV由24.9 mm增至36.4 mm，出现一次持续快速增长过程，1 h后伊宁站开始出现强降水，降水持续了23 h，在此期间伊宁站GPS一直维持在较高值（28 mm～38.1 mm），其峰值（38.1 mm）达到气候平均值的2倍左右。8月1日15：00后，伊宁站GPS-PWV迅速下降至气候平均值附近，地面降水结束。由此可以看出伊宁站的GPS-PWV值的演变趋势与大尺度的水汽输送及环流形势有较好的对应关系。

以上分析说明伊犁河谷GPS测站的GPS-PWV在强降水期间发生的跃变与低值系统的位置存在一定的对应关系，受低槽（涡）前西南气流影响，伊犁河谷测站GPS大气可降水量在强降水期间出现明显的跃变，但低涡系统在暴雨区上游和上空停滞时间较低槽系统更长，因而对应降水前GPS-PWV较气候平均值偏高，增湿时间更长。

3.2 中天山暴雨站GPS-PWV时间演变

由于天池站6月16—19日GPS大气可降水量资料缺测，因而用乌鲁木齐站GPS-PWV演变代表本次西西伯利亚低涡造成的中天山暴雨水汽大致演变趋势。

图5 强降水期间伊宁站GPS-PWV与降水量逐时演变

图6 强降水期间乌鲁木齐站（a）天池站（b）GPS-PWV与降水量的逐时演变曲线

从图6a可以看出，和伊宁站相似的是，受西西伯利亚低涡影响，乌鲁木齐强降水发生前GPS-PWV也存在2 d的增湿过程，且GPS-PWV处于25 mm附近，较历史平均值偏高5 mm左右。16日20：00—17日18：00，乌鲁木齐站GPS-PWV出现了一次持续增长，GPS-PWV由27 mm增至37 mm，峰值达气候平均值的1.9倍，1 h后乌鲁木齐站出现强降水。而在低槽影响下的强降水过程中，测站强降水发生前GPS-PWV增湿时间明显比低涡系统增湿时间短（图6b），8月1日11：00—19：00，天池出现一次持续的增湿过程，持续增湿时间7 h，GPS—PWV由23 mm增至28 mm，增加5 mm，随后在动力抬升下，天池站强降水开始，降水持续14 h，累积降水量46 mm，达到暴雨标准。

综合分析发现，深厚低涡由于移速缓慢，停滞时间较低槽系统长，因而造成暴雨站强降水前增湿时间长。GPS大气可降水量的演变与天气尺度系统的位置和大尺度的水汽输送、聚集有较好的对应关系，但GPS高值区并不代表降水大值区，还应和动力热力等条件综合判断降水的强弱。

4 结论与讨论

通过对天山北坡暴雨期间大尺度环流、水汽输送和暴雨站GPS演变特征的分析，明确了深厚低槽（涡）系统造成的暴雨水汽输送路径，并得到以下结论：

（1）降水期间，暴雨区200 hPa南亚高压稳定维持，长波槽加深，高空急流提供强烈的辐散场有利于垂直运动的发展；500 hPa中纬度乌拉尔山高压脊和贝加尔湖高压脊稳定少动，西西伯利亚低槽向南加深，移动缓慢，槽前正涡度平流增强利于上升运动进一步加强；700 hPa偏西、偏东气流和850hPa偏北气流在暴雨区汇合，一方面加强了水汽的输送，另一方面增加了大气层结不稳定性，配合地形辐合和抬升，有利于局地对流发展和上升运动的增强，造成暴雨区强降水。

（2）深厚西西伯利亚低涡相较于低槽系统，其移速缓慢，停滞时间较低槽系统长，因而造成强降水前暴雨站增湿时间长。比较发现伊犁河谷和天山北坡强降水发生前GPS-PWV均存在1～3 d的增湿过程，且暴雨发生期间测站GPS出现明显的跃变，峰值可达到气候平均值的2倍左右。

（3）GPS大气可降水量的演变与大尺度的水汽输送、聚集有较好的对应关系，但GPS高值区并不代表降水大值区，还应和动力热力等条件综合判断降水的强弱。

以上研究给出了深厚低槽（涡）系统造成的天山北坡暴雨环流形势特征、水汽输送路径以及两者在降水前水汽输送、聚集的异同，但强降水的发生不仅与水汽有关。在今后的工作中还应关注暴雨的触发、水汽辐合机制等问题，从而更好地理解此类暴雨的发生、发展机制，使该地区夏季低槽（涡）背景下暴雨定时、定量预报能够得到实质性的进展。

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Analysis of Water Vapor Characteristics during the Rainstorm Process at the Ili River Valley and North Slope of Tianshan Mountains

LIU Jing1，2，ZENG Yong1，2，LIU Wen1，2，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）

Based on ground hourly rainfall，conventional observations，1°×1°NCEP/NCAR reanalysis and ground-based GPS atmospheric precipitation data，the basic configuration of atmosphericcirculationandthedifferencesandsimilaritiesinwatervaportransmission characteristics among them for four heavy rain process in the Ili river valley and the north slope of Tianshan Mountains were analyzed through synthetic analysis method in this study.It is showed that：（1）200 hPa strong divergence airflow，500 hPa positive vorticity advection and southwest airflow were in favor of vertical movement development，and 700 hPa west and east airflow which provided the water vapor and instability energy，were over the rainstorm area during the heavy rainfall period，low-level convergence and high-level divergence facilitated vertical movement further strengthen which was conducive to the rainstorm occurrence；（2）compared to the low trough system，the humidifying time of GPS was longer before the heavy rainfall occurred caused by the deep west of Siberian vortex，due to its slowly moving speed and the longer stagnation time.the stations’GPS PWV had 1-3 days humidifying process before the rainstorm occurred，appeared obvious jump during the period of precipitation，and the peak of GPS-PWV could achieve 2 times to climate average；（3）The evolution of GPS had good corresponding relation with the large-scale water vapor transport，but the GPS high value area was not representative the precipitation area of greater value，also with the dynamic and thermodynamic condition to comprehensive judge the strength of rainstorm.

heavy rain；water vapor transmission；ground-based GPS

P458.121.1

B

1002-0799（2017）03-0065-07

刘晶，曾勇，刘雯，等.伊犁河谷和天山北坡暴雨过程水汽特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（3）：65-71.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.009

2017-02-14；

2017-03-18

中国沙漠气象科学研究基金项目（Sqj2016017）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM2016001）；国家自然科学基金项目（41565003）共同资助。

刘晶（1991-），女，助理研究员，主要从事灾害性天气研究。E-mail：994365768@qq.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