乌鲁木齐市短时强降水分布特征及环境条件分析

张 超，贾 健

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830002）

短时强降水是指降水效率高，短时间内雨量达到或超过某一量值的天气现象，常常酿成城市内涝、山洪、泥石流、山体滑坡等灾害。早在20 世纪80 年代，Doswell 就指出大多数的强降水是对流性的，做好短时强降水的预报，首先要理解产生强降水的环境条件[1]；近年来，随着气象监测能力的不断提升，气象学者对对流性降水的认识也逐渐加深，一些学者针对某一区域或某一天气系统背景下的短时强降水事件做了时空特征统计分析[2-12]，发现短时强降水多发于6—8 月，日变化明显，且同地形关系密切；也有许多学者在产生短时强降水环境条件方面进行了大量研究[13-17]；樊李苗等[14]对全国范围内短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征进行了对比，指出纯粹的短时强降水环境参数显著区别于冰雹、雷暴大风，具有较大的地面及地面以上1.5 km 露点温度；郝莹[15]分析典型短时强降水环境背景场特征，总结出了中等强度的对流有效位能和高的K 值有利于高降水效率的产生。

在新疆短时强降水研究方面，毛列宁·阿依提看等[18]总结出了新疆短时强降水对流层高低层干而中层湿度大型、对流层中层干燥型、对流层整层湿度湿型三种T-lnP 图型；曾勇等[19]研究中亚低涡背景下新疆连续短时强降水特征发现海拔在1800～2000 m的短时强降水站次最多；黄艳等[20]给出了南疆短时强降水中亚低槽型、西西伯利亚低槽型和西风短波型三种概念模型及环境参数阈值；这些成果对新疆强降水预报预警业务起到了积极推动作用，但对于乌鲁木齐市短时强降水研究较少。乌鲁木齐市深居内陆，南部为天山山脉，北部是古尔班通古特沙漠，南北海拔落差最高可达4000 m，特殊的地理位置和复杂的地形地貌造成各地区降水量差异大，时空分布极不均匀，据新疆气象台统计，仅在2010—2017年间，乌鲁木齐市就出现13 起暴雨洪涝灾害事件，而短时强降水正是导致该类灾害的主要诱因。本文对乌鲁木齐市短时强降水分布特征及环境条件进行分析，以期开展短时强降水预报提供参考。

1 研究区域概况与资料方法

1.1 研究区域概况

乌鲁木齐市属中温带大陆性气候，下垫面复杂，三面环山,北部平原开阔，东部有博达山、喀拉塔格山、东山，西部有喀拉扎山、西山，南部有天格尔山、土格达坂塔格等。地势由东南向西北降低,分为3 个梯级：第一级为山地,海拔2500～3000 m 或更高，第二级为山间盆地与丘陵,海拔1000～2000 m，第三级为平原,海拔在600 m 以下。近年来，随着社会经济的快速发展，社会各界对气象信息的需求程度不断加强，自2009 年起，乌鲁木齐市的新建气象自动站以每年5～10 个的速度快速增加，截至2018 年，已布设有74 个地面自动气象站，为短时强降水精细化特征分布研究提供了条件（图1）。

图1 乌鲁木齐市气象自动站站点分布

1.2 资料与方法

本文所用资料来源于新疆气象信息中心，选取2005—2016 年高空探测资料、乌鲁木齐市6 个国家级地面自动站小时降水资料以及2012—2016 年31个区域地面自动站小时降水资料，并剔除不完整的数据及错误数据，统计分析乌鲁木齐市短时强降水分布特征，根据数据的稳定性和连续性原则，在分析小时雨强特征时，仅采用时序较长的国家级自动站资料，分析空间分布特征时加入区域自动站资料。

本文使用的短时强水事件和短时强降水过程的相关定义如下：

（1）由于短时强降水事件的确定目前并没有统一的标准，新疆为干旱、半干旱区气候，年平均降水量远远小于季风区，有学者在进行新疆短时强降水研究时采用过“1 h 降水量≥5.1 mm，作为一个短时强降水日”[19]，本文采用“短时强降水为1 h 降雨量≥5.1 mm”的定义方式。

（2）乌鲁木齐周边地形复杂，山区地形动力或热力强迫会导致局地的积云对流，为了选择具有较强气象信号的短时强降水事件，利用多尺度环境场分析提取有意义的指标，本文定义某站出现1 次短时强降水记为1 站次短时强降水天气事件；1 日内（08时至次日08 时，北京时，下同）有20%及以上站（≥8 站次）出现短时强降水，且至少8 站均出现短时强降水事件才记为1 场短时强降水过程。

2 乌鲁木齐市短时强降水分布特征

2.1 空间分布特征

通过对2012—2016 年暖季（指5—9 月，下同）乌鲁木齐市短时强降水事件的统计和筛选，5 a 来全区共出现558 站次短时强降水事件，平均112 站次，从空间分布来看（图2），乌鲁木齐市短时强降水的分布与地形关系密切，呈现出浅山区多，平原和高山区少的特点。短时强降水呈现2 个中心，一个位于乌鲁木齐西南部浅山区，其中小渠子站出现短时强降水事件次数达60 站次，另一个位于东北部浅山区，白杨河独山子村的短时强降水事件也达60 站次，短时强降水的频次随着海拔高度的升高而增大，但到达一定高度时其发生概率又会随海拔升高而降低，海拔为3539 m 的高山站大西沟短时强降水事件仅14 站次，最大小时雨强8.3 mm/h，海拔高度为1000～2200 m 的浅山区为短时强降水事件的多发区，发生概率是1000 m 以下区域的3～5 倍，在靠近准格尔盆地的安宁渠站（海拔565 m），仅出现2 次短时强降水事件。由于特殊地形作用，乌鲁木齐东南部的达坂城地区，虽然海拔高度也在1100 m 左右，但该区域很少发生短时强降水，发生短时强降水事件次数不足5 站次，最大小时雨强9.7 mm/h。可见特殊地形所造成的动力或热力强迫会对短时强降水天气的发生以及特征分布产生重要影响。

图2 2012—2016 年暖季乌鲁木齐短时强降水事件

2.2 小时雨强特征

为进一步得到乌鲁木齐市不同量级短时强降水分布特征，选取乌鲁木齐站作为城区代表站，小渠子站作为山区代表站，短时强降水的量级按照5.1～10 mm、10.1～20 mm、20.1～40 mm 3 个区间，统计2005—2016 年12 a 暖季不同量级短时强降水的发生频次（图3）得出，乌鲁木齐市山区3 个量级短时强降水年平均次数远大于城区，短时强降水小时雨强最多出现在5.1～10 mm 区间，山区平均10.5 次，而城区平均3 次，随着小时雨量量级的增加，10 mm以上的短时强降水出现了近似指数型递减的趋势，10.1～20 mm 的短时强降水山区年平均1.8 次，城区平均0.7 次，乌鲁木齐站最大小时雨强为14.7 mm/h，出现在2015 年6 月9 日；而＞20 mm 的短时强降水，山区平均仅0.3 次，小渠子站最大小时雨强为36.3 mm/h，出现在2009 年8 月4 日，而乌鲁木齐站没有出现过。

图3 2005—2016 年暖季乌鲁木齐站和小渠子站短

2.3 短时强降水天气过程特点

乌鲁木齐市2012—2016 年间出现的558 站次短时强降水事件中，共有22 场短时强降水过程（表1），月变化明显，以6 月最多，达9 场，占整个暖季短时强降水次数的39%，其余的5 月、7 月、8 月、9 月分别为3 场、4 场、5 场、2 场，在次数上并无显著差异。最大小时雨强超过15 mm/h，短时强降水过程均集中在6—8 月，≥20 站次的短时强降水过程除5 月有1次外，也均集中在6—8 月，6—8 月的短时强降水天气过程呈现出频次高、强度大，范围广等特点，而5月、9 月频次低，最大小时雨强小，范围小。最大小时雨强出现位置来看，新白杨河站频次最高（5 次），新市区站次之（4 次），最大小时雨强在10～22 mm/h，出现时段主要在傍晚到前半夜（20 时—次日02 时）。

3 短时强降水的天气概念模型

短时强降水的发生在很大程度上与天气尺度系统配置密不可分，产生短时强降水的直接影响系统是中小尺度对流系统，但这种中小尺度系统需要在某些特定环境条件下产生，天气尺度系统扮演的角色至关重要，高、低层影响系统的配置可以给对流性天气的产生提供不稳定条件、水汽条件以及触发机制。本节统计分析22 场短时强降水过程，200 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa 以及地面的影响系统，并通过500 hPa 环流特点，运用中尺度分析技术，给出了乌鲁木齐短时强降水天气概念模型，主要为西西伯利亚低槽型、中亚低涡型和西北气流型3 种类型[21]（图4）。

表1 2012—2016 年乌鲁木齐市暖季短时强降水过程

西西伯利亚低槽型（图4a）：22 场短时强降水过程中，以西西伯利亚低槽型最多（19 例），占86%。该型在500 hPa 高度场上，欧亚范围中高纬以经向环流为主，主导系统位于40°～60°E 附近，高压脊前北风带或西北风带引导冷空气南下抵达50°N 以南，在60°~100°E，45°~70°N 范围内形成的天气尺度低值系统，配合有明显的冷槽结构，一般主槽位置稳定，低值系统底部多短波槽活动或具有等温线密集的强锋区结构，强锋区位于70°~90°E，40°~50°N 区域内。短时强降水发生前，近60%以上的个例200 hPa 有风速≥30 m/s 的急流及700 hPa 切变线，45%的短时强降水个例850 hPa 有风速≥12 m/s 的西北急流，高低层急流的配合，有利于高层辐散，低层辐合，产生深厚的上升运动，使得空气块整体抬升，触发热力不稳定能量释放。海平面气压场上，所有个例都有地面冷锋侵入，为短时强降水的发生提供了有利的触发机制。强降水落区多位于高空急流出口区正下方、500 hPa 短波槽前、700~850 hPa 切变线附近和850 hPa 低空急流出口区及地面冷锋附近。

高空西北气流型：该型短时强降水过程仅出现2 次，占9%。500 hPa 高度场表现为两槽一脊经向环流型，中西伯利亚与新疆脊叠加，蒙古到东北地区为低值系统活动区，短时强降水天气出现于高压脊前西北气流环流背景下，乌鲁木齐市上空为整层的西北气流控制，低层为暖脊，高层冷平流与低层暖脊叠置于中天山一带（图4b），短时强降水临近时刻，大气具有强的热力不稳定层结。此型均出现在6 月，强降水区位于200 hPa 高空急流入口区右侧，低空急流出口区以及地面冷锋附近。

中亚低涡型：该型短时强降水过程出现次数最少，仅1 次，占5%。500 hPa 表现为东欧或乌拉尔山附近为一个阻塞高压，极地冷空气沿阻塞高压东侧的偏北气流南下，60°~80°E 长波槽南伸至30°N 以南，由于长波槽前的暖平流向北输送，与阻塞高压前的暖平流打通，导致锋区北跳，在60°~90°E、35°~55°N 的范围形成闭合低涡系统，有完整闭合等值线，风场有明显的气旋性切变，无明显的冷槽结构，等高线和等温线稀疏，无强锋区结构（图4c）。此型降水强度大，范围广，配合有200 hPa 高空急流、700 hPa 切变线以及较弱的地面冷锋，低涡在减弱东移时，造成乌鲁木齐市短时强降水，强降水落区位于高空急流出口区左侧，低涡前部，700 hPa 切变线附近，地面冷锋前侧。

图4 乌鲁木齐市短时强降水天气概念模型

4 关键环境参数分析

4.1 稳定度分析

4.1.1 K 指数

K 指数是目前气象业务中判定稳定度的最常用特征参数，它涵盖了大气垂直层的温度和湿度信息，量值的大小主要取决于垂直温度直减率、低层水汽条件以及中层的饱和程度，K 指数越大说明大气层结越不稳定，越有利于强对流天气的产生，反之，大气层结越趋于稳定，越不利于强对流天气的产生，因此，K 指数在短时强降水的预报预警工作中有着很好的指示意义。分析不同月份K 指数的分布情况表明（图5），发生短时强降水前一般K≥26 ℃，55%的个例K≥30 ℃；5—7 月的K 指数最大，7 月短时强降水过程K 指数集中最高，分布在33～37 ℃之间；6月的9 次短时强降水过程中，有4 次K 指数在30℃以下，其中有2 次都是由高空西北气流造成的短时强降水，K 指数的偏低可能与西北气流控制下，中层相对干燥，700 hPa 相对湿度偏低有关；8 月、9 月的K 指数分布区间为26～34 ℃，分布离散，判识强对流的指示意义较差，其中9 月的K 指数最小，在26～28 ℃之间。

图5 乌鲁木齐短时强降水过程临近时刻K指数分布

4.1.2 SI 指数

SI 指数是表征大气层结稳定度的另一个指标，它实际上是把850 hPa 等压面上的湿空气块先沿干绝热线上升，到达抬升凝结高度后再沿湿绝热线上升至500 hPa 时具有的气块温度与500 hPa 等压面上的环境温度T500的差值。SI指数的值越小，大气越不稳定，反之大气越稳定，一般我们将SI＜0 ℃作为大气不稳定的判据，分析乌鲁木齐市短时强降水期间SI指数（图6），表明50%的个例SI＜1 ℃；其中6—7 月SI指数值最小，85%的短时强降水个例SI＜1 ℃，集中在-2～0 ℃之间，最小值为-2.21 ℃；5 月、8 月、9月的SI指数较大，SI＞1 ℃，并且分布离散，最大达7.4 ℃，SI指数在6—7 月对短时强降水过程的发生指示性较好，5 月、8 月、9 月并没有较好的指示意义。

图6 乌鲁木齐短时强降水过程临近时刻SI 指数分布

4.1.3 LI 指数

LI指数与SI 指数性质较为类似，但它是将平均气块从抬升凝结高度出发，先沿干绝热线上升，到达凝结高度后再沿湿绝热线上升至500 hPa 时所具有的温度与500 hPa 等压面上的环境温度T500的差值。乌鲁木齐市短时强降水发生期间的LI指数统计表明（图7），6—7 月LI指数值最小，64%的短时强降水个例LI＜0 ℃，2015 年6 月9 日短时强降水过程期间LI 达-6.4 ℃；5 月、8 月、9 月的LI＞0 ℃，分布离散，最大值可达5.9 ℃。

图7 乌鲁木齐短时强降水过程临近时刻LI指数分布

综上所述，短时强降水期间K、SI、LI 等不稳定指数随月份变化的差异较大，6—7 月各指数相对集中，对短时强降水的发生指示意义最好，一般情况下K＞33 ℃、SI＜1 ℃、LI＜0 ℃。5 月、8 月、9 月各指数分布离散度较大，对短时强降水出现的指示意义较差，尤其是8—9 月，当K＜28 ℃、SI＞2 ℃、LI＞1 ℃时，指示着层结相对稳定的状态时，仍会出现短时强降水，在实际业务中，根据不稳定指数作为短时强降水参考因素时，应当考虑月变化影响。

4.2 水汽条件

水汽是成云致雨的主要原料，水汽条件是短时强降水的基本条件，较为充沛的水汽是产生短时强降水的物理基础，因此对大气环境水汽的研究分析至关重要。比湿和露点温度是表征大气绝对含水量的重要物理量，在实际工作中，850 hPa 比湿和地面露点温度对短时强降水的预报有很好的指导意义。本文按照不同月份分别统计短时强降水过程的水汽特征，结果表明（表2），850 hPa 比湿＞6 g/kg，平均值6～10 g/kg，短时强降水过程地面露点温度均＞12 ℃，平均值在12～15 ℃，只有2 场过程＜12 ℃。5 月、9 月短时强降水的水汽特征量值明显小于6—7 月的，其中7 月水汽值最高，850 hPa 比湿平均值10.3 g/kg,最大值达12 g/kg,地面露点温度平均值为16 ℃，最大值17 ℃，而5 月、9 月短时强降水时，850 hPa 比湿＜7 g/kg，地面露点温度＜10 ℃。

表2 5—9 月乌鲁木齐市短时强降水水汽物理量

5 结论

（1）2012—2016 年乌鲁木齐市共有22 场短时强降水天气过程，558 站次短时强降水事件呈现浅山区多、平原和高山区少的特点，空间分布与地形关系密切，存在两个中心，分别位于西南部和东北部的浅山区，1000～2200 m 的浅山区为短时强降水事件的多发区，发生概率是1000 m 以下区域的3～5 倍。

（2）近5 a 暖季乌鲁木齐市短时强降水天气过程月变化明显，6—8 月频次高、强度大、范围广，6 月频次最高，而5、9 月短时强降水天气过程次数少，降水范围小，雨强较弱。

（3）乌鲁木齐市短时强降水的500 hPa 影响系统分为西西伯利亚低槽、中亚低涡和西北气流3 类，得出不同影响系统下的环流形势及概念模型。统计表明西西伯利亚低槽型短时强降水出现次数最多，占86%，大部分有200 hPa 高空急流、700 hPa 切变线、850 hPa 西北急流及地面冷锋等系统配合，中亚低涡型和西北气流型出现次数较少。

（4）短时强降水期间，K、SI、LI 等不稳定指数的关键环境参数的月变化差异较大，6—7 月各指数相对集中，对短时强降水的发生指示意义最好，一般情况下K＞33 ℃、SI＜1 ℃、LI＜0 ℃。5 月、8 月、9 月各指数分布离散度较大，对短时强降水出现的指示意义较差。

（5）5 月、9 月短时强降水的水汽特征量值明显小于6—8 月的，其中7 月水汽值最高，850 hPa 比湿平均值10.3 g/kg，最大值达12 g/kg,地面露点温度平均值为16 ℃，最大值为17 ℃；而5 月、9 月短时强降水850 hPa 比湿＜7 g/kg，地面露点温度＜10 ℃。