天山北坡短时强降水时空分布及环流配置特征

王 勇 ，张云惠 ，王智楷 ，于碧馨 ，洪 月

（1.新疆生态气象与卫星遥感中心，新疆 乌鲁木齐830000；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；3.中江县气象局，四川 中江618100）

短时强降水是强对流天气的一类，具有突发性强、持续时间短、雨强大、局地性强、来势迅猛等特点。过去数十年，我国中东部气象专家针对短时强降水及其预报技术，从科学理论和预报实践角度开展了深入细致的研究。华北短时强降水特征及天气分型研究表明[1-5]，短时强降水与西太平洋副热带高压有关，中低层多有急流、切变线和低涡，且湿区深厚，地面影响系统多为倒槽、辐合线和弱冷锋；山区较平原地区更易发生，且雨强更大。吴迎旭等[6]统计黑龙江省短时强降水分布特征及影响系统指出，6—8 月短时强降水日数和站次与平均降水量成线性关系，14—15 时（本文均用北京时）是高发时段。陈元昭等[7]分析珠江三角洲地区重大短时强降水的基本流型与环境参量特征表明，大多数过程中有利于重大短时强降水发生的环境条件关键点不是强对流预报中常关注的“高空冷空气的侵入”，而是低层暖湿气流的输送。沈澄等[8]分析南京短时强降水特征指出，雨强R≥50 mm/h 的致灾性短时强降水过程的发生次数呈显著增长的趋势，短时强降水天气的空间分布具有明显的城郊差异。段鹤等[9]在统计滇西南短时强降水特征基础上，建立了低质心弱辐合型、低质心辐合型、高质心等3 种短时强降水概念模型。毛冬艳等[10]分析西南地区短时强降水的气候特征表明，短时强降水呈现频次增加、强度增强的变化趋势，02 时左右为发生频次的峰值时段。而西北地区东部短时强降水过程主要为西南气流型和两高切变型，戈壁荒漠区以低槽型短时强降水为主[11-12]。

新疆因干旱区气候背景、复杂地形及下垫面影响，生态环境脆弱，短时强降水易导致山洪、泥石流等地质灾害和次生灾害，是新疆主要的气象灾害之一，也是气象预报预警的难点和重点。北疆暴雨研究表明[13-20]，中亚低槽（涡）、西西伯利亚低槽是主要影响系统；北疆夏季强降水事件呈增多、增强趋势，天山山区和伊犁河谷尤为显著，强降水随地形增高而增多或增强，可能在海拔2000 m 左右存在最大降水带[21]；北疆大部分地区降水量的增加主要是由于降水强度增加而造成的[22]；北疆降水量日变化呈现准单峰型特征，峰值主要发生在23 时至次日10 时，其中03 时是降水频数最多时刻，主要以短持续时间的降水为主，对总降水量的贡献也最大[21-23]。但多年来由于新疆观测站网稀疏，对短时强降水发生发展机理认识不足，2010 年以来随着新疆区域自动气象站的全面建设及业务化，监测发现新疆强降水多以短时强降水的形式出现。为此，本文针对新疆短时强降水的高发区之一天山北坡，在统计时空分布基础上，分析天山北坡短时强降水过程的环流配置特点，为提高新疆短时强降水预报预警能力提供参考。

1 资料与方法

1.1 短时强降水及短时强降水过程定义

目前，中央气象台和中国中东部地区气象部门均将雨强R≥20 mm/h 记为短时强降水。根据新疆多年的预报服务实践、暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱地区暴雨特点，结合新疆预报业务，新疆气象部门将该标准调整为R≥10 mm/h。

本文将一次短时强降水过程定义为：（1）1 h 内有2 个或以上相邻的测站R≥10 mm/h；（2）同一测站连续2 h（或以上）R≥10 mm/h；同时满足上述条件之一，为一次短时强降水过程。

1.2 资料来源

采用新疆气象信息中心提供的小时降水数据，统计2010—2018 年6—8 月天山北坡（博尔塔拉蒙古自治州（简称“博州”）精河县—塔城地区乌苏市和沙湾县—石河子市—昌吉回族自治州（简称“昌吉州”）—乌鲁木齐市一线26 个国家站和205 个区域自动站逐时降水资料，共筛选出短时强降水1338 站次，运用常规统计方法对其进行统计分析。环流形势及高低空配置利用常规观测资料、ECMWF0.25°×0.25°每日4 次的ERA-interim 再分析等资料。

2 结果分析

2.1 短时强降水的时空分布特征

2.1.1 空间分布

由图1 和表1 可以看出天山北坡短时强降水的空间分布极不均匀，主要发生在沿山、山麓丘陵、山地迎风坡、地形陡升区、喇叭口、戈壁湖泊绿洲交界等特殊地形附近，其中昌吉州沿山（海拔1000～1500 m）的浅山区、临近湖和水库的站（海拔在470～650 m）年平均发生频次最多4～5 次，其次是乌苏市—沙湾县—石河子市及乌鲁齐市的沿山一带（海拔 1000～2000 m）迎风坡年平均最多 2～3 次，而靠近准噶尔盆地南缘少于1 次，这与天山北坡是新疆强降水及其灾害多发区相一致[20-23]。

图1 2010—2018 年6—8 月天山北坡短时强降水平均频次空间分布

短时强降水年平均出现1 次以上有43 站；2次以上有15 站，其中10 站位于昌吉州，且昌吉州有4 站出现3 次以上（1 站5 次），分别是庙尔沟站5 次、牛圈子湖站4.2 次、天池站4.0 次、玛纳斯县南泥沟站3.1 次；而累计发生过1 次有16 站，均在靠近准噶尔盆地南部海拔400～700 m 的平原区（表1）。

表1 2010—2018 年天山北坡短时强降水平均每年出现≥2 次的站点

2.1.2 时间分布

图 2a、2b 分别为 2010—2018 年 6—8 月天山北坡短时强降水逐年次数及小时雨强分级平均发生次数。雨强R≥10 mm/h 的年平均次数为149 次，2015 年出现最多，达259 次；其次是2016 年，为250 次；而 2014 年出现最少，为 57 次。R≥20 mm/h的年平均次数为20 次，占总次数的14%。2016 年出现最多为 39 次；其次是 2015 年 26 次；2014 年出现最少，为 4 次。R≥30 mm/h 的年平均次数为 6 次，占总次数的4%。2016 年出现最多，为15 次；其次2010、2018 年，均为 7 次；2014 年没有出现。R≥40 mm/h 以上的年平均次数为1 次，仅占总次数的1.8%。R≥50 mm/h 的年平均次数为0.5 次，R≥60 mm/h 没有出现，R≥70 mm/h 累计出现 2 次。以上量级短时强降水出现最多均为2016 年。

从图2c 可以看到，小时雨强差异较大，最大出现在2016 年6 月10 日05 时昌吉州庙尔沟站，达76 mm；其次是 2010 年 6 月19 日 20 时吉木萨尔二工河站，为 72 mm；第三是 2012 年 8 月 10 日 05 时头屯河农场学校站59.5 mm；第四是2011 年7 月27 日 13 时白杨河站 58.9 mm；第五是 2015 年 8 月1 日08 时乌鲁木齐永丰站52.8 mm；第六是2013年7 月23 日20 时沙湾博尔通古乡2 号站，为47.6 mm。

图3 为天山北坡短时强降水分级月平均次数。各量级小时雨强6 月出现最多，其次是7 月和8月。R≥10 mm/h 的短时强降水 6 月平均 65 次，7 月和 8 月，均为 42 次（图 3a）；而 R≥20 mm/h 的强降水次数骤减，6 月平均 11 次，7 月 5 次，8 月 4 次（图3a）。图3b 表明R≥30 mm/h 的强降水6 月平均3.6次，7 月 1.3 次，8 月 0.8 次；R≥40 mm/h 的强降水 6月平均 1.6 次，7 月 0.6 次，8 月 0.4 次；而 R≥50 mm/h 的强降水 6 月平均 0.9 次，7 月 0.1 次，8 月 0.4次。说明随着小时雨强增大，次数明显减少。

图4a 为天山北坡短时强降水逐时年平均次数，可以看到短时强降水有明显日变化，16 时至次日03时是发生频次较多时段，共110 次，占总次数的73.8%，其中，20—22 时共33.8 次，占总次数的22.7%，20—21 时均为11.4 次，其次是22 时为11次，说明天山北坡短时强降水高发时段较我国中东部偏晚[2-12]，这与新疆地理位置偏西有关；而出现次数相对较少的时段在04—15 时，均为3～4 次，共39次，占总次数的26.2%。

图2 2010—2018 年天山北坡短时强降水逐年次数（a）、小时雨强分级年平均次数（b）和小时雨强年最大值（c）

从图4b 逐小时雨强最大值分布可以看到，每小时均有短时强降水发生，且R≥30 mm/h 的强降水发生时段较分散。小时雨强最大值出现在2016 年6月10 日05 时庙尔沟站，达76 mm，此极端强降水发生在频次较少时段，说明短时强降水具有突发性，同时，也与中尺度系统发展增强时段及低空急流日变化在凌晨达到最强有关[20-23]；其次是20 时，为72.0 mm，第三是13 时，为58.9 mm，而12 时雨强相对较小，为15.1 mm。

分析短时强降水的持续时间表明，持续时间最长达 12 h，如 2016 年 6 月 28 日 18 时—29 日 05时，自西向东有49 站次出现短时强降水；其次是持续时间 11 h，如 2015 年 6 月 9 日 17 时—10 日 03 时，先后有51 站次出现短时强降水；最短仅维持1 h。

2.2 短时强降水过程影响系统及环流配置

图3 2010—2018 年天山北坡短时强降水分级月平均次数

图4 2010—2018 年天山北坡短时强降水日变化平均次数（a）和逐时雨强最大值（b）

2.2.1 短时强降水过程

根据短时强降水过程定义，2010—2018 年6—8月天山北坡短时强降水过程共86 次，按照短时强降水过程维持时间、影响范围及强度等，将其分为局地分散性和系统性2 类（表2）：局地分散性是指短时强降水维持时间短（1～3 h）、局地性强（1～4 个站）、影响范围分散（1～2 个不相邻地区），共 56 次，占总次数的65.1%；系统性是指短时强降水维持时间长（3～12 h）、系统性强（5 个站以上）、影响范围大（2 个以上相邻地区），共30 次，占总次数的34.9%。说明短时强降水过程主要以局地分散性为主。2015 年出现最多为 15 次，其次 2016 年 13 次，2010 年、2012年出现最少均为5 次；可见天山北坡短时强降水过程年分布不均。

2.2.2 短时强降水过程500 hPa 影响系统

表2 2010—2018 年天山北坡短时强降水过程 次

分析2010—2018 年天山北坡主要地区短时强降水过程500 hPa 影响系统，主要有西西伯利亚低槽（涡）、中亚低槽、中亚低涡、西北气流等4 类（图5）。由表3 可见，西西伯利亚低槽（涡）、中亚低槽是天山北坡短时强降水的主要影响系统，分别为32 次和31 次，各占总过程的37.2%、36%；其次是西北气流13 次，占总过程的15.1%，最少为中亚低涡10次，占总过程的11.6%。

统计2010—2018 年6—8 月4 类影响系统可以看到（表 3），6 月出现最多为 36 次，占总过程41.9%，其次是7 月出现30 次，占总过程的34.8%，8月出现最少为20 次，占总过程的23.2%。其中，中亚低槽6 月出现最多，占本月短时强降水过程的42%，其次是西西伯利亚低槽（涡），占28%，中亚低涡出现最少，只有3 次，占8%。7 月西西伯利亚低槽（涡）出现最多，占本月短时强降水过程的40%；其次是中亚低槽，占33%；西北气流出现最少，只有2次。8 月西西伯利亚低槽（涡）最多，占本月短时强降水过程的50%，中亚低涡出现最少，研究时段内只出现了1 次。上述分析表明，天山北坡夏季短时强降水影响系统主要为西西伯利亚低槽（涡）、中亚低槽，但各月存在较大的差异。

图5 天山北坡短时强降水过程500 hPa 影响系统

表3 2010—2018 年天山北坡短时强降水过程影响系统 次

对于系统性短时强降水过程，500 hPa 影响系统为中亚及西西伯利亚低槽（涡）分裂短波造成的，并有高、中、低纬度系统的有利配合，这与新疆暴雨影响系统一致[13-19]，说明暴雨过程中短时强降水贡献较大。局地分散性短时强降水，一种是低槽（涡）分裂短波影响，另一种是系统性降水过程后，受低槽后西北气流影响，午后近地面升温明显，大气呈上干冷、下暖湿的不稳定层结，易触发强对流天气，从而造成局地短时强降水。

2.2.3 短时强降水环流系统配置特征

按照影响系统的分类及定义，分析总结天山北坡86 次短时强降水过程，分别归类概括出4 类主要影响系统高、低空环流系统配置特征（图6）。

（1）西西伯利亚低槽（涡）

200 hPa 北疆中西部为偏西（西南）急流，短时强降水一般发生在高空急流出口区左侧。500 hPa欧亚范围呈两脊一槽（涡），中高纬环流经向度较大，西西伯利亚低槽（涡）在 60°～100°E、40°～70°N 范围内，配合有明显的温度槽，里海和贝加尔湖高压脊发展强盛，西西伯利亚低槽（涡）稳定维持，天山北坡位于低涡底部偏西（西南）气流上，锋区较强，其上不断分裂波动影响新疆（图6a）。

700～850 hPa 强降水位于西北气流（急流）出口区前部、风速辐合区、切变线、饱和湿区，冷暖交汇明显；850～500 hPa 为层结不稳定区；地面为正变压区、有风场辐合或切变（图6a）。

（2）中亚低槽

200 hPa 北疆为西南急流，短时强降水在高空急流入口区右侧、出口区左侧均有发生。500 hPa 低槽在 60°～90°E、35°～55°N，配合有温度槽，欧亚范围呈两脊一槽，伊朗副热带高压向北发展与里海高压脊叠加，经向度较大，贝加尔湖高压脊经向度发展相对较弱，中亚低槽不断向南加深，并不断分裂短波影响北疆（图 6b）。

700～850 hPa 均有西北气流（急流）、饱和湿区、风速辐合区，冷切变线；850～500 hPa 为层结不稳定区；地面为正变压区（图6b）。

（3）中亚低涡

200 hPa 北疆为偏西（西南）急流，短时强降水在高空急流入口区右侧、出口区左侧均有发生。500 hPa 低涡在 60°～90°E、35°～55°N，有 2 条闭合等值线，有明显的气旋性风场，配合有温度槽，北疆位于中亚低涡前西南或偏南气流（急流）上，冷温槽落后于高度槽，低涡前西南或偏南气流（急流）上为暖湿平流（图 6c）。

700～850 hPa 北疆低空西北气流（急流）、中尺度辐合线，并配合有饱和湿区、风速辐合区；850～500 hPa 为层结不稳定区；地面为冷高压前正变压区（图 6c）。

（4）西北气流

200 hPa 北疆为偏西（西北）急流，短时强降水发生在高空急流出口区的左侧。500 hPa 欧亚范围为两槽一脊经向环流，新疆至中西伯利亚为经向度较大的长波脊，乌拉尔山附近和蒙古西侧宽广低槽活动区，北疆处于高压脊前西北气流控制，低层有偏西风扰动，两者汇合，因前期出现降水，近地层午后地面升温明显，不稳定度加强，易造成局地短时强降水（图 6d）。

700～850 hPa 北疆为西北气流、辐合线、暖区；850～500 hPa 为层结不稳定区；地面为正变压区，有风切变及风速辐合，此类短时强降水突发性强、预报难度大（图 6d）。

图6 天山北坡短时强降水影响系统环流配置与环境场及其未来6 h 或12 h 降水落区

上述4 类影响系统高低空配置分析表明，有共性也有差异，共同点：强降水落区主要位于200 hPa急流分流区，500 hPa 槽前西南（偏南）气流（急流），低空西北气流（急流）出口区、风速辐合区、低层切变线及地面辐合或切变线等相重叠的不稳定区域。差异主要是高、低空气流（急流）、风速辐合区及风向切变等的强度、时段及地理位置不同，从而导致短时强降水的落区及强弱差异。

3 结论

（1）2010—2018 年天山北坡短时强降水 231 站年平均发生次数达149 次，且空间分布极不均匀，主要发生在沿山、山地迎风坡、地形陡升区、喇叭口、戈壁湖泊绿洲交界等特殊地形附近，尤其昌吉州发生频次最多。时间分布不均匀，雨强R≥10 mm/h的强降水出现最多是2015 年，2014 年最少；而R≥20 mm/h 的强降水出现频次相较前者少很多，出现最多为2016 年，最少也为2014 年；就月分布而言，6月出现最多。短时强降水日变化明显，午后16 时—次日03 时发生频次最多，占总次数的73.8%；持续时间最长达12 h，最短仅1 h。小时雨强差异也较大，R≥10 mm/h 的强降水出现最多，R≥20 mm/h的强降水呈骤减趋势，仅占总次数的13.2%，R≥30 mm/h的强降水更少，仅占总次数的4%；最大小时雨强出现在阜康昌吉庙尔沟站2016 年6 月10 日05 时，达76 mm/h。

（2）2010—2018 年天山北坡短时强降水过程共86 次，其中局地分散性56 次，占总过程的65.1%；系统性30 次，占总过程的34.9%，说明短时强降水过程主要以局地分散性为主。短时强降水过程年度差别较大，2015 年出现最多，为16 次；其次是2016年，为 13 次；2010 年和 2012 年最少，均为 5 次。影响系统主要分为西西伯利亚低槽（涡）、中亚低槽、中亚低涡、西北气流等4 类，其中，西西伯利亚低槽（涡）、中亚低槽出现最多，两者之和占总过程的73.2%，且6 月最多，8 月最少。

（3）天山北坡短时强降水过程环流配置共性是强降水落区均位于200 hPa 急流分流区，500 hPa 槽前西南（偏南）气流（急流），低空西北气流（急流）出口区、风速辐合区、低层切变线及地面辐合或切变线等相重叠的不稳定区域。差异主要是低空气流（急流）、风速辐合及风向切变的强度、时段及地理位置不同，从而造成短时强降水的热力、动力及水汽辐合机制不同。短时强降水的强度、落区与影响系统的强度、时段及地理位置密切相关。