南疆西部“5·21”极端大暴雨成因分析

杨 霞 ，张云惠 ，张 超 ，于碧馨 ，牟 欢

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都610072）

南疆西部位于欧亚大陆腹地，塔里木盆地西缘，北、西、南三面环山，东面是塔克拉玛干沙漠；由于远离海洋，气候干旱，降水稀少，平原地区年平均降水量仅有50～70 mm[1]。南疆西部属典型干旱区，年降水量较我国东部地区明显偏少，但其降水强度大，一次强降雨过程甚至能改变年降水量的气候值，引发严重的洪涝、泥石流、山体滑坡等灾害，给人民生命和财产带来巨大损失[2]。由于南疆西部暴雨的突发性和局地性强，此类天气的预报服务一直都是实际业务中的一个难题[3]。

我国的暴雨研究多集中在华北、华南和长江流域[4-5]，针对西北干旱区特别是南疆西部暴雨的研究相对较少[6]。由于观测资料的限制，过去南疆西部的暴雨研究主要集中在大尺度环流背景和天气尺度影响系统等方面[7-9]。研究表明，南亚高压双体型分布是南疆西部暴雨的典型大尺度环流背景[10]；中亚低涡和塔什干低涡是造成南疆西部暴雨（雪）的重要影响系统[11-13]，南疆西部超过一半的强降水过程都与中亚低涡或塔什干低涡有关[14-15]。高、中、低空3支急流的有利配置为南疆西部暴雨提供了重要的动力作用[16-17]。近些年来，随着全球气候变暖，南疆西部暴雨的发生频次增多，降水的极端性特征也愈加明显[18]。暴雨是在有利的大尺度环流背景下引发的中小尺度天气系统发生发展的结果，但目前对造成南疆西部暴雨的中小尺度天气系统及其发展演变特征还缺乏客观认知，在实际预报业务中常出现漏报或空报，因此有必要针对此类暴雨天气进行更加深入的研究。

2018年5月21日南疆西部出现历史极端大暴雨天气，本文利用常规高空、地面气象观测资料，区域加密自动气象站逐时资料、NCEP/NCAR每日4次水平分辨率为1°×1°的再分析资料和国家卫星气象中心提供的水平分辨率为0.1°×0.1°的FY-2E/2G逐时平均云顶亮温（TBB）资料，对此次南疆西部极端大暴雨过程的高低空系统配置、环境场条件、中尺度系统演变特征等进行分析，揭示此次极端大暴雨过程的成因，以期加深对南疆西部极端暴雨形成机理的认识，为提高南疆极端降水天气预报准确率提供参考。

1 大暴雨天气特征

文中“南疆西部”指新疆维吾尔自治区所辖的喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州（以下简称“克州”）及和田地区3个地州，包括22个国家基本气象站和440个区域自动气象站。降水量级使用新疆气象局标准，日降水量24.1～48.0 mm为暴雨，48.1～96.0 mm为大暴雨。

1.1 天气概况

受塔什干低涡影响，2018年5月21日08时—22日08时（北京时，下同）南疆西部出现极端大暴雨天气过程，此次大暴雨过程影响范围广（322站出现降水），降雨强度大（84站暴雨，12站大暴雨）（图1a）；大暴雨中心位于和田地区皮山县，日降水量74.8 mm，约为其年平均降水量（56.9 mm）的1.3倍，其中21日18—19时1 h降水量达53.8 mm，与其年平均降水量接近。极端大暴雨导致南疆西部多地发生山洪，给当地社会经济和人民财产造成严重损失。

图1 2018年5月21日08时—22日08时降水量（a为累计降水量，单位：mm；b为不同量级逐时雨量，柱状图表示小时雨量为10.1～20.0 mm和≥20.1 mm站数，采用主纵坐标，点线图表示小时雨量为5.1～10.0 mm站数，采用次纵坐标）

1.2 大暴雨极端性特征

南疆西部是典型干旱区，暴雨局地性强，发生概率小。此次大暴雨过程中1日内6个国家基本气象站日降水量同时达到暴雨量级，为近50 a来首次；和田地区的皮山站（74.8 mm）、克州的阿克陶站（53.7 mm）2站的日降水量突破有气象记录以来的极值，喀什地区叶城（40.1 mm）、泽普（40.0 mm）和莎车（38.3 mm）3站的日降水量突破春季历史极值。大暴雨中心皮山的日降水量是南疆西部22个国家基本气象站有气象记录以来暴雨雨量的极大值，皮山小时雨量53.8 mm为南疆西部各站的小时雨量之首。此次极端大暴雨过程的降水强度呈双峰型分布（图1b），21日10—13时为第一个峰值，此时段内有5站的小时雨量≥10 mm；17—22时为第二个峰值，此时段有21站的小时雨量≥10 mm，4站小时雨量≥20 mm，此次极端大暴雨过程中的短时强降水事件也主要发生在这一时段。

2 环流背景

2.1 大尺度环流及影响系统

100 hPa南亚高压呈双体型分布（两个高压中心分别位于伊朗高原和青藏高原东部）是南疆西部典型暴雨的大尺度环流背景。5月19日南亚高压双体型开始建立，但位于青藏高原东部的高压中心明显强于位于伊朗高原的中心；20日位于伊朗高原的高压中心东移至20°E附近，位于青藏高原东部的高压中心稳定维持。21日08时（图3a），南亚高压的两个中心同时北抬，位于伊朗高原的高压中心东移至30°E附近，使得两个高压中心之间的副热带槽加深，槽底伸到25°N附近，有利于南疆西部出现强降水的大尺度副热带环流系统形态形成。

大暴雨开始前，500 hPa欧亚范围内中高纬为“一脊一槽”的经向环流，欧洲为高压脊，西西伯利亚为较深厚的低压锅，中低纬塔什干地区为低槽。20日随着东欧高压脊部分向南衰退，脊前西北气流引导较强冷空气南下，塔什干低槽得到北方冷空气的补充形成低涡，主体位于 32°～38°N、60°～80°E，塔什干低涡外围槽底伸至25°N以南，槽前西南风加强至18 m/s。21日08时，塔什干低涡减弱东移与影响北疆后东移至贝加尔湖附近的低槽，形成了有利于南疆西部出现强降水的“东西夹攻”形势（图3b）。

图2 21日08时形势场（a为 100 hPa；b为 500 hPa，单位：dagpm）

图3 5月20日暴雨的高低空配置（a为20日20时300 hPa≥30 m/s全风速场（填色）和风矢量，单位：m/s；b为21日08时850 hPa风矢量（红色等值线为风速≥12 m/s）；c、d分别为20日20时和21日08时沿39°N风速垂直剖面，单位：m/s；黑色三角标志代表皮山站，浅咖色为地形）

2.2 高低空急流配置

研究表明，高空副热带西风急流的强度和位置对南疆西部暴雨有重要影响，暴雨一般发生在副热带西风急流入口区的右侧[1]。此次南疆西部“5·21”极端大暴雨过程不仅受到副热带西风急流的影响，极锋急流也发挥了重要作用。20日20时（图3a），东北—西南向的极锋急流南压至45°N附近，急流核最大风速达45 m/s；副热带西风急流北抬至35°N附近，东边界伸至90°E附近，南疆西部处于极锋急流入口区的右侧，副热带西风急流出口区的左侧，两支高空急流造成的强辐散区在南疆西部上空叠加，使得高空辐散进一步加强。21日08时，极锋急流略微减弱东移，副热带西风急流继续向东北方向推进，急流核风速增大至54 m/s，副热带西极锋急流与极锋急流在100°E处汇合，南疆盆地仍处于高空强辐散区内，高层强辐散为极端大暴雨所需的垂直上升运动提供了有利条件。

低空偏东风急流是南疆西部地区出现暴雨的必要条件之一。由于南疆西部三面环山的特殊地形，低层气流向西部汇合的过程中，有利于增强低层空气的辐合上升运动。20日20时，北支冷空气迅速东移南下，南疆塔里木盆地东部出现一支低空偏东风急流，急流头到达85°E附近，低空偏东风急流最强处垂直向上伸展高度接近650 hPa，急流核中心最大风速达23 m/s，位于800 hPa附近（图3c）。 21日08时，低空偏东风急流西伸至78°E附近，与塔里木盆地西部的偏西气流形成强烈辐合（图3b）；低空偏东风急流垂直向上伸展的高度下降至700 hPa附近，急流核中心最大风速为18 m/s（图3d）。22日02时以后低空偏东风急流东撤至塔里木盆地东部，南疆西部极端大暴雨过程趋于结束。

综上，可以得到本次南疆西部极端大暴雨天气的高低空系统配置（图4）。100 hPa南亚高压呈双体型分布（东部高压强于西部），副热带槽加深至25°N附近；500 hPa塔什干低涡与贝加尔湖附近低槽构成“东西夹攻”形势；东伸北抬的高空副热带西风急流与东移南下的极锋急流造成的高空强辐散区与低空偏东风急流左前方强烈的气旋式辐合区在大暴雨区上空叠加，使得整层大气的垂直上升运动增强；低层偏西气流与偏东风急流在和田地区西部强烈辐合有利于水汽向暴雨区汇聚和强对流天气的触发。

图4 2018年5月21日南疆西部极端暴雨天气的高低空系统配置

3 中尺度天气系统

3.1 中尺度对流云团特征

由于新疆雷达探测网稀疏覆盖面积非常有限，此次极端大暴雨过程的强降雨中心不在雷达探测区域，因此利用FY2E和FY2G红外云图云顶亮温（简称“TBB”）资料分析本次大暴雨过程中尺度对流系统（简称为“MCS”）发生发展的演变过程。

5月21日上午（图5），南疆西部地区主要为层状云降水，各站的小时降雨量均低于5.0 mm；11—13时，克州西部至喀什地区北部有对流云团发展，该区域5站出现小时降水量≥10.0 mm的短时强降水事件，其中最大小时雨量为16.0 mm/h。此后一直到16时，南疆西部地区均为层状云覆盖，小时雨量均低于5.0 mm。17时，和田地区皮山县南部沿山地带突然生成一个γ中尺度对流云团A，该云团快速发展，TBB由-24℃迅速下降到-32℃，该区域2个加密自动气象站出现降水量＞10 mm/h的短时强降水。18时，对流云团A继续发展并向东北方向伸展；与此同时在其北部又有一个新的γ中尺度对流云团B生成，该对流云团正好位于皮山县上空。由图6可以看出，对流云团B的TBB在15时为5℃，18时迅速下降至-30℃，3 h内TBB下降了35℃，说明对流云团B在短时间内得到迅速发展，此时皮山站的强降水尚未开始，小时雨量仅为2.5 mm。19时，对流云团B继续发展并向东北方向伸展，皮山站位于TBB的最大梯度处，该小时雨量达53.8 mm。20时，对流云团B继续向东北方向发展，皮山处于对流云团B的边缘，境内降水强度明显减小，小时雨量低于5.0 mm。此时一个新的对流云团C在对流云团B的西北部生成，21—22时该云团东移，造成喀什地区叶城县、泽普县和莎车县的强降水。23时后3个对流云团均明显减弱，强降水过程趋于结束。

本次极端大暴雨过程由多个γ中尺度MCS的活动造成，强降水发生在TBB梯度最大的区域，极端强降水开始前3 h TBB下降超过30℃以上，对强降水具有较好的指示意义，该特征与杜倩等[19]和喻谦花等[20]得出的我国中部和东部地区短时局地暴雨的预警指标类似。此次大暴雨过程的局地小时雨量虽然异常偏强，但从闪电监测来看，强降水过程中闪电密度并不大。

3.2 不稳定能量

南疆西部三面环山，戈壁、绿洲及沙漠相间，平原地区的海拔高度在1500 m以下，复杂的下垫面使得近地面辐射升温（降温）较快，气温日较差大。夏季傍晚前后山谷风效应容易触发局地强对流天气，大气层结的状况对强对流天气有很好的指示作用。受东西两股冷空气影响，南疆西部地区的气温自5月17日开始显著下降，日平均气温基本维持在16℃左右。从沿大暴雨中心皮山站（37.6°N）的假相当位温剖面图可以看出，21日08时（图7a），随着塔里木盆地东部“东灌”冷空气的向西推进，在79°～80°E处形成一个θse锋区，79°E以西的盆地为暖湿空气控制，皮山站上空800～600 hPa的大气为弱的层结不稳定，800 hPa以下的大气层结稳定。21日14时（图7b），随着午后太阳辐射加强，近地层湍流混合作用使得皮山的近地层大气不稳定性增加，皮山附近从地面至700 hPa的大气均为不稳定层结。大暴雨区附近的θse水平梯度加大，锋区加强为短时大暴雨的发生蓄积了能量。21日20时后，盆地内部的θse值迅速减少，大气层结由弱的不稳定逐渐转为稳定，强降水趋于结束。

图5 2018年5月21日17—20时南疆西部地区FY-2E和FY-2G TBB（单位：℃）演变（a 为 17：30，b为 18：00，c为 19：00，d为 20：00；分辨率 0.1°×0.1°，图中的红色三角为皮山站）

图6 2018年5月21日08—23时皮山站逐小时TBB（单位：℃）和降水量（单位：mm）

3.3 水汽条件

南疆西部是典型的干旱区，水汽条件对极端暴雨的产生具有至关重要的作用。由于南疆西部三面环山，低空偏东急流向盆地西部推进的过程中也不断将水汽向盆地西部汇聚。20日20时，850 hPa偏东风急流增大到23 m/s，700 hPa偏东风急流达20 m/s，东路水汽通量输送最强，南疆西部地区整层水汽通量散度达-3×10-5g/（s·cm2·hPa）（图8a）。21日08时（图8b），500 hPa塔什干低涡前的西南风增大至18 m/s，低空偏东急流推进至塔里木盆地西部，低层水汽在南疆西部地区辐合，850 hPa上皮山站附近出现一个强度为-4×10-5g/（s·cm2·hPa）的强水汽辐合中心。500 hPa偏南水汽输送和850～700 hPa偏东水汽输送在南疆西部上空叠加，为大暴雨的产生准备了充沛的水汽条件。

图7 沿37.6°N的假相当位温剖面（单位：K）（a为5月21日08时，b为5月21日14时，黑色三角标志代表皮山站位置）

图8 5月20日暴雨的水汽条件（a为20日20时地面～300 hPa垂直积分水汽通量（单位：10-5g（/s·cm））和水汽通量散度（单位：10-5g（/s·cm·2hPa））；b为21日08时850 hPa水汽通量（单位：10-5g（/s·hPa·cm）），和水汽通量散度（单位：10-5g（/s·cm·2hPa））；c为20日20时大气整层可降水量（≥12 mm）分布；d为16日08时—22日08时2个GPS测站大气整层可降水量随时间变化，单位：mm）

本次极端大暴雨发生前，南疆盆地已断续出现降雨天气，盆地内大气干燥的状况已得到改善。相关研究表明，春季南疆西部地区平均大气整层可降水量约为6～10 mm；南疆东部地区约为4～8 mm[21]。此次极端大暴雨发生前一日，南疆西部地区的大气整层可降水量普遍在18～20 mm，南疆东部地区在12～15 mm（图8c），大暴雨过程发生前大气整层可降水量约为春季平均的2倍，整层大气可降水量异常偏多。从皮山站东侧85 km处的GPS观测站（M0197）逐时大气整层可降水量的演变可以看出（图8d），在皮山极端大暴雨发生前，整层大气可降水量的波动较大，最大值为24 mm，最小值为16 mm。21日08时，整层大气可降水量处于相对低值，仅为17 mm，12时开始整层大气可降水量持续增加，19时增加至23.7 mm。皮山站西侧78 km处的GPS观测站（M0215）前期资料缺失，21日12时开始恢复，从逐小时整层大气可降水量的变化可以看出（图8d），同一时刻皮山站西侧GPS站点观测到的整层大气可降水量值大于其东侧站点，18—19时即最强降水发生的时刻，皮山站西侧M0215站的整层大气可降水量值突增2 mm。对比皮山站逐时降水量与其东西两侧两个GPS站点的逐时整层大气可降水量的演变情况，可以看出，强降水过程中整层大气可降水量突然增加，强降水过程结束后整层大气可降水量迅速减少。

此次极端大暴雨过程中水汽的远距离输送特征不明显，极端大暴雨所需的水汽主要是在南疆西部特殊的地形条件下，在高低空有利的流场作用下，塔里木盆地内的水汽不断向暴雨区汇聚而产生的，由于缺乏充沛的水汽输送，盆地内局地汇聚的水汽量有限，因此极端大暴雨的强降水时段维持时间较短，降水强度减小迅速。

3.4 动力条件

从沿大暴雨中心皮山站（37.6°N）作纬向垂直环流剖面可以看出，21日08时（图9a），皮山西部存在一个垂直环流圈，东部存在一支强的上升气流，最大垂直上升运动中心位于450 hPa附近，皮山上空为弱的上升运动。14时（图9b），塔里木盆地内出现一个完整的反气旋式垂直环流圈，上升支位于皮山上空，与此同时在皮山站西部还出现一个气旋式垂直环流圈，其上升支与皮山上空反气旋式垂直环流的上升支叠加，使得皮山站上空850～400 hPa均为上升运动区，并在850～700 hPa出现一个强的上升运动中心，为极端强降水的出现提供了有利的动力条件。20时，皮山东部的反气旋式垂直环流圈减弱西移至82°E附近，皮山西部的气旋式垂直环流圈消失，皮山上空的整层垂直上升运动减弱，上升运动在600 hPa以下维持，600 hPa以上出现下沉运动，抑制了垂直上升运动的继续发展，强降水所需的动力条件减弱，降水强度随之明显减弱。

进一步分析本次大暴雨中心皮山的动力条件可以看出，21日08：00（图10a），对流层低层以负涡度为主，最大的正涡度中心位于300 hPa，低层辐合及高层辐散均较弱，垂直上升运动的大值中心主要位于500～400 hPa，600 hPa以下为较弱的上升运动。大暴雨发生前即14时（图10b），皮山整层为正涡度控制，大值中心位于750 hPa，中心强度为7.0×10-5s-1；500 hPa以下辐合强烈，500～400 hPa从无辐散层过渡到弱的辐散层，400～250 hPa仍为辐合；对流层的垂直上升运动明显增强，850～700 hPa有一个-6.0×10-3hPa/s的大值中心。20时，上升运动主要集中在600 hPa以下，低层涡度中心值增大到8.0×10-5/s，低层上升运动达-7.0×10-3hPa/s，低层辐合大于高层辐散，涡度由正转为负，不利于垂直运动的继续发展，此时皮山站的强降水已经明显减弱。

图9 5月21日沿皮山站（39.2°N）的垂直环流（a为08时；b为14时；阴影区为垂直速度，单位：10-3hPa/s；黑色三角为皮山站）

4 触发机制

大尺度天气形势和环境场为中尺度对流系统的生成提供了有利的环境条件，而中尺度对流系统发生最关键的因素是触发条件[22]。此次大暴雨中心皮山位于塔克拉玛干沙漠南缘，喀喇昆仑山北麓，境内地势西南高，东北低，南部为冰山雪岭，中部为高山和山前河谷，北部为平原及戈壁沙漠，下垫面地形条件极为复杂。21日17时大暴雨对流初生位置位于皮山县南部浅山区，17—18时开始出现小时降水量超过10 mm的短时强降水。

本文利用地面自动气象站1 h加密资料计算温度平流和散度场，讨论此次极端大暴雨过程的中小尺度对流系统形成原因和触发机制。21日08时塔里木盆地东部为东北风，西部为西北风，东西风在和田西部地区辐合，并在79°E附近形成一个中心强度为-2.5×10-5/s的辐合中心（图11）。由于南疆西部地理位置偏西，日出时间较我国东部地区偏晚，08时盆地内部冷暖平流均较弱（图11a）。12时，和田地区东部的暖平流输送开始加强，中心值达10×10-3℃/s。15时，和田地区东部的暖平流输送继续增强，且范围进一步扩大，喀什市至和田市一带均为暖平流控制区，皮山站东部的暖平流中心强度达15×10-3℃/s。此时喀什市至和田市一线的辐合强度增加，中心强度增大至-5×10-5/s（图11b）。17时地面辐合场进一步加强，中心强度达-7×10-5/s；皮山站南部出现一对冷暖平流中心，强度分别为-15×10-3℃/s和20×10-3℃/s，该地区出现小时降水量≥10 mm的降水（图11c）。19时地面辐合中心南压至皮山站附近，暖平流输送达到最强，皮山站由2 m/s的西北风转为西南风，其北部站点为东北风，风速突然增大至6 m/s，西南风与东北风在皮山站附近强烈辐合，有利于触发对流强烈发展（图11d）。21时皮山东部地区的暖平流输送减弱，在喀什市南部地区出现一个西南东北向的冷暖平流中心，地面辐合中心北抬，中心强度减弱至-7×10-5/s；23时暖平流输送明显减弱，地面辐合中心强度减弱至-4×10-5/s，强降水过程趋于结束。

图 10 5 月 21日08时（a）和14时（b）皮山站涡度（单位：10-5/s）、散度（单位：10-5/s）、垂直速度（单位：10-3hPa/s）的垂直变化

图11 5月21日地面温度平流（10-3℃/s，填色图）、散度场（10-5/s，灰色等值线）和加密自动站风场（黑色）（a为08时，b为15时，c为17时，d为19时，黑色三角标志代表皮山站）

5 结论

2018年5月21南疆西部5站出现极端暴雨，大暴雨中心和田地区皮山站1 h降水量53.8 mm，接近其年平均降水量（56.9 mm）。本文利用多种观测资料对此次南疆西部极端大暴雨过程的极端性特点、大尺度环流背景、动力、水汽和中尺度系统特征进行了分析，得到以下结论：

（1）100 hPa南亚高压呈双体型分布，副热带槽加深至25°N附近；500 hPa塔什干低涡与贝加尔湖附近的低槽形成“东西夹攻”之势，低空850 hPa偏东气流在西伸的过程中加强为急流，偏东急流垂直高度较高，急流顶伸展至600 hPa附近，为极端大暴雨发生提供了有利的高低空系统配置。

（2）副热带西风急流与极锋急流形成的高空强辐散区，与低空偏东风急流左前方强烈的气旋式辐合区在大暴雨区上空叠加，有利于上升运动维持；大暴雨发生前4 h，2个垂直环流圈的上升气流在暴雨中心上空交汇，使得上升运动进一步增强。

（3）南疆西部下垫面复杂，此次极端大暴雨天气过程中，东西两股气流在和田西部地区汇合形成地面中尺度辐合线，午后局地热力不均匀触发了此次极端短时强降水天气。

（4）极端大暴雨发生前南疆盆地大气湿润，大气整层可降水量异常偏多，约为春季平均值的2倍，低层偏西气流与偏东急流在暴雨区中心附近形成强烈辐合，有利于水汽向暴雨区的快速集中和汇聚。

（5）本次极端大暴雨过程中有多个γ中尺度MCS活动，大暴雨发生在TBB梯度最大的区域，大暴雨开始前3 h TBB降幅超过30℃，与我国中东部局地暴雨发生前TBB变化特征相似。