新疆哈密“7·31”极端大暴雨过程成因分析

冯 瑶，阿依先木·尼牙孜，热依拉·玉努斯

(1.新疆哈密市伊州区气象局，新疆 哈密 839000；2.新疆哈密市气象局，新疆 哈密 839000)

引 言

暴雨和极端降雨具有来势猛、强度大、历时短且局地性强等特点，常导致山洪、泥石流、滑坡等灾害性天气发生，造成重大人员伤亡和巨额经济损失[1-3]，因此一直受政府和气象部门高度重视。近年来随着全球气候变暖，我国西北区域极端降水事件的频率和强度均呈升高趋势[4]，且西北地区由于复杂的地形和下垫面及不同的气候区域，暴雨和极端降雨的局地性、突发性、重灾性更为突出[5]。1980年代以来，新疆夏半年极端降雨量和频次也呈增加趋势，尤其是天山山区极端降水显著增多[6-7]，其致灾性也越来越明显。为有效预防或减小暴雨和极端降水的致灾性，尤其是对流性暴雨和极端降水造成的危害，有必要对其发生、发展机理及成因进行更深入的研究。

暴雨和极端降水往往是多尺度系统共同作用的结果。目前，有很多研究针对致灾性暴雨和极端降水天气过程进行诊断分析[8-12]，并对强降水发生机理及水汽特征等进行研究[13-18]。暴雨和极端降水常发生在有利的大尺度环流背景下，并引发中小尺度对流性天气系统产生[14]；低空急流的促进作用为强降水提供水汽输送，与高空急流配合提供暴雨所需的动力和热力条件[15]；特殊地形作用使中低层气流抬升和辐合，地面辐合线触发对流发展致使暴雨增强[16-17]等，以上研究结论对暴雨强度和落区预报提供了一定的参考依据。

哈密市地处新疆东部，天山山脉从东至西横贯中部，属典型的温带大陆性干旱、半干旱气候，地形复杂，地表多以戈壁、荒漠为主，植被稀疏，降水量少，年平均降水量只有43.7 mm，且主要集中在每年5—9月。近年来，哈密市大降水出现的频率及降水量均呈增加趋势[19-21]，局地极端暴雨和短时强降水的出现频次虽少，但一旦出现往往会造成山洪、泥石流等灾害，冲毁农田、破坏公路、铁路，导致严重的水土流失，甚至造成人员伤亡等，给当地自然环境和人们的生产生活带来严重的破坏和影响。2018年7月31日哈密发生了一次致灾性极端大暴雨天气过程，本文从环流背景、物理量场、中尺度分析等方面对此次暴雨天气过程的发生机理进行诊断分析，以期归纳总结此类暴雨天气成因，为提高当地暴雨的预报能力积累经验、提供参考依据和技术支撑，更好地为当地政府防灾减灾提供更有效的服务。

1 资 料

所用资料包括2018年7月29日至8月2日哈密站探空资料、地面常规观测资料、哈密市6个国家基本站和79个区域自动站逐时降水资料、NCEP再分析资料和FY-2G红外云图TBB资料。文中附图所涉及地图基于新疆维吾尔自治区标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)508的标准地图制作，底图无修改。降雨量标准采用新疆降水标准：日降雨量R≥24.1 mm、R≥48.1 mm、R>96.0 mm分别定义为暴雨、大暴雨、特大暴雨；雨强≥10.0 mm·h-1为短时强降水标准[22]。

2 天气实况及灾情概述

2018年7月29日夜间至8月2日，哈密市出现有气象记录以来十分罕见的极端大暴雨天气过程。哈密市79个区域站中，有39站累计降水量达到暴雨以上量级，其中7月31日，偏东区域15站出现暴雨，2站出现大暴雨，2站出现特大暴雨。图1为2018年7月30日21:00(北京时，下同)至31日20:00哈密市累计降水量分布及7月31日01:00—15:00典型代表站逐时降水量。可以看出，此次降水过程有2个强降水中心：一个位于东天山南坡伊州区沁城乡小堡站，过程累计降水量达132.1 mm，其中31日降水量达115.5 mm；另一个为东天山北坡伊吾县淖毛湖乡淖-柳公路33公里站，过程累计降水量106 mm，其中31日降水量105.4 mm，以上降水量均突破有气象记录以来的历史极值。哈密市6个国家站中，有2站出现暴雨，其中伊吾站日降水量40.5 mm，位居历史第二，淖毛湖站日降水量33.3 mm，突破历史极值。

图1 2018年7月30日21:00至31日20:00哈密市累计降水量分布(a，单位：mm)及哈密市代表站7月31日01:00—15：00逐时降水量变化(b)Fig.1 The cumulative precipitation distribution in Hami from 21:00 BST on 30 to 20:00 BST on 31 July 2018 (a, Unit: mm) and hourly precipitation at representative stations from 01:00 BST to 15:00 BST on 31 July 2018 (b)

此次过程强降水主要集中在31日06:00—10:00，沁城站、沁城乡小堡站、淖毛湖乡淖-柳公路33公里站出现短时强降水，累计降水量分别为84.9、64.3、70.7 mm；其中沁城乡小堡站31日07:00及08:00雨强均达29.2 mm·h-1，沁城站07:00雨强达29.5 mm·h-1，雨强之大属历史罕见。

此次特大暴雨过程具有降水时间长、累计雨量大、小时雨强大、范围集中、破坏力强等特点，属极端降水事件。特大暴雨引发山洪、泥石流、滑坡等次生灾害，造成重大经济损失和人员伤亡，是哈密市建国以来最大的一次洪水灾害，也是新疆暴雨洪涝灾害遇难人数最多的一次天气过程。受强降水和山区各沟口汇流共同影响，7月31日10:17，哈密市南部伊州区沁城乡射月沟水库漫顶溃坝，洪水入库最大洪峰流量大于1800 m3·s-1，远超过该水库300 a一遇的洪水设计标准(537 m3·s-1)，洪水造成水库迅速漫顶并局部溃坝，致使28人遇难，8700多间房屋及部分农田、公路、铁路、电力和通信设施损毁，受灾群众5880余名，特大暴雨和洪水共造成各类直接经济损失9.66亿元。

3 环流背景及天气系统

3.1 大尺度环流背景

100 hPa高空形势：7月27日20：00，100 hPa南亚高压双体型已经建立，这是新疆夏季典型的强降水环流配置形势[23]。此时100 hPa大尺度环流形势明显异于常年，东部高压中心由青藏高原上空明显东移至蒙古高原上空，较常年平均位值明显偏东20个经距左右。30日20：00南亚高压2个中心分别位于伊朗高原和蒙古高原上空，强度分别为1684、1700 dagpm，东部(蒙古高压)强于西部(伊朗高压)；31日02:00[图2(a)]，蒙古高压中心(110°E、45°N)减弱为1696 dagpm，且偏北9～10个纬距，哈密处于蒙古高压中心西侧、高空西南急流出口右侧辐散区。强降水发生过程中，南亚高压东部中心东移，伊朗高压向北伸展与50°N附近的高压脊叠加，使北支急流与南支急流汇合于新疆上空，伊朗高压的南北振荡与南亚高压的东西振荡，为东移南压的西伯利亚低槽积聚更多的能量和水汽，起到动力抽吸作用，增强了高空的正涡度平流和大气的不稳定性，为特大暴雨的出现提供了有利的大尺度环流背景。8月1日20：00，南亚高压东部向东南方向衰退，双体型变为单体型，降水天气结束。

500 hPa西太平洋副热带高压位置：29日20：00，500 hPa高空图上为“2脊1槽”的环流形势，中西伯利亚至巴尔喀什湖低槽进入南疆盆地，受地形影响槽呈南—北向，槽前出现明显的偏南气流，上游里海脊稳定维持，下游西太平洋副热带高压不断向北、向西挺进，起到阻挡作用。在上下游副热带高压脊的夹击下，巴尔喀什湖低槽稳定少动，长时间维持在原地，此种环流配置是新疆偏东区域持续性大降水的典型形势[23]。31日02:00西太平洋副热带高压西伸北进至哈-若交界(91.75°E、41.25°N)附近，较1981—2010年平均位置明显偏北超过10个纬距[图2(b)]，584 dagpm线覆盖哈密市大部区域，此时哈密市处于巴尔喀什湖槽前和副高外围西侧的偏南气流中，副高边缘存在高不稳定能量和充沛的水汽输送，在高空有利的大尺度环流背景下，触发中低层切变线、地面辐合线，导致极端大暴雨发生。

图2 2018年7月31日02:00 100 hPa高度场(单位：dagpm)(a)及2018年西太平洋副热带高压西伸脊线指数(b)(黑色圆点表示暴雨中心，下同)Fig.2 The geopotential height field on 100 hPa (Unit: dagpm) at 02:00 BST on 31 July 2018 (a) and the western extension ridge line index of the western Pacific subtropical high in 2018 (b) (the black dot for the rainstorm center, the same as below)

3.2 高低空急流配置

极端大暴雨天气过程发生前，7月26日20:00，200 hPa高空急流带已经在新疆建立，与以往大降水高空西北偏西急流配置不同，此次为西南偏西急流且中心范围大，轴线经拜城—和静—鄯善—十三间房及以东天山山区上空。随着500 hPa西太平洋副热带高压向西逼近，急流中心东段向西北方向推进，轴线转竖，由东西向转为东北—西南向，风向转为西南偏南风。30日20：00，200 hPa急流中心风速达60 m·s-1，中心西退至新疆西部国境线一带，哈密市位于高空急流入口区右侧，暴雨区风速24 m·s-1，高空强烈的辐散增强了大气的不稳定性，有利于大气抽吸和上升运动的维持。

30日20:00，哈密风速由4 m·s-1增加至18 m·s-1，虽未达急流标准，但旺盛的偏南风有利于上升运动的发展和水汽的垂直输送，为暴雨提供了一定的动力和水汽条件。31日08:00[图3(a)]，中层500 hPa为明显南风，有2个急流中心：一个位于新疆北部阿勒泰一带，另一个位于南疆盆地西部国境线外，相对于哈密位置偏西、偏北。西太平洋副热带高压在过程前期不断加强向西北推进，584 dagpm线控制新疆东部地区，哈密处于副高外围偏南气流中。

低空急流是动量、热量和水汽的高度集中带，对暴雨的产生具有重要意义。分析对流中、下层环境场发现：29日20:00，850～700 hPa哈密风场由冷式切变转为暖式切变，风速由2 m·s-1的西南风转为8 m·s-1的东南风，且随高度增加风向发生顺时针旋转，有明显辐合增强趋势，河西走廊至内蒙古西部一带风速不断加大。31日08:00形成中心风速为16～20 m·s-1的急流核[图3(a)]，随偏南气流增强，湿度不断增大，使水汽在降水前进一步集聚。暴雨区的强上升运动主要来自低空急流北侧的强风速辐合和风切变，因此，暴雨区主要位于低空急流的出口区和强风速辐合处。31日20:00后，低空急流明显减弱消失，降水趋于结束。

综上所述，此次极端大暴雨发生时，850～200 hPa高空风场均出现不同程度的偏南风[图3(b)]，高、中、低层3股气流不断增强辐合，有利于低层水汽的聚集和上升运动的发展和维持，高低空急流建立形成垂直方向上耦合形势，高空辐散气流的抽吸作用加强，低空急流触发降水，而降水凝结潜热释放又使低空急流加强，在暴雨区上空高低空急流耦合相互作用得以维持和加强，是此次哈密市大范围暴雨发生的重要机制之一，强盛的东南低空急流的增大和维持也是此次大降水预报的重要指标。

图3 2018年7月31日08:00 200 hPa(蓝色等值线，风速≥30 m·s-1)、500 hPa(黑色等值线，风速≥20 m·s-1)、700 hPa(红色等值线，风速≥12 m·s-1)全风速(a)及高、低空天气系统配置(b)(红色区域表示哈密市，下同)Fig.3 The full wind speed on 200 hPa (blue isoline, wind speed≥30 m·s-1), 500 hPa (black isoline, wind speed≥20 m·s-1) and 700 hPa (red isoline, wind speed≥12 m·s-1 (a), the weather influencing systems in the upper and lower level (b) at 08:00 BST on 31 July 2018(the red zone for Hami city, the same as below )

4 物理量诊断

4.1 热力与不稳定条件

假相当位温(θse)反映大气的温湿和不稳定层结状况，通常θse等值线越密集，表示大气处于高温高湿状态，层结越不稳定，θse值越大，对应降水越强[16]。分析此次天气过程θse发现，29日20:00，哈密市域内θse等值线稀疏，梯度小，900～600 hPa大气层结较稳定，等值线密集带(锋区)位于暴雨区南侧的甘肃与青海一带。随着时间推移和暴雨天气的临近，哈密市θse逐渐增强，等值线梯度不断加大，锋区与高能舌向西北方向推进进入哈密市，锋区的动力强迫有利于低层能量和水汽的向上输送。31日08:00(图4)，700 hPa能量锋区形成鞍型场结构，哈密市处于东部θse等值线密集区和能量锋区的高能舌处，θse中心值达360 K，大气处于极度不稳定状态，暴雨区位于等值线密集区偏东南侧，此时500 hPaθse等值线呈西北方向的倒漏斗状分布，为中性层结，200 hPa为稳定层结，θse的这种垂直分布是典型的有利于对流天气产生的配置方式，为暴雨的产生提供所需要的不稳定能量。

图4 2018年7月31日08:00 700 hPa假相当位温(单位：K)Fig.4 The pseudo-equivalent temperature on 700 hPa at 08:00 BST on 31 July 2018 (Unit: K)

低层温度平流场显示(图略)，特大暴雨发生前(29日08:00)，哈密上空由微弱冷平流转为暖平流，且随时间变化暖平流加强，700～550 hPa温度平流较强，超过8×10-5℃·s-1，其中650 hPa暖平流最强，达12×10-5℃·s-1。且前期地面一直受热低压控制，热力条件好，配合低层暖湿水汽，在哈密上空形成高温高湿且极不稳定的大气层结，进一步加剧了对流天气。

4.2 水汽条件

极端强降水和持续性暴雨天气发生时，常伴有超强的水汽输送和强烈的水汽辐合[24]。通过分析此次天气过程水汽来源和输送路径发现，水汽来源主要为2支：一支来自于孟加拉湾通过西风气流输送至南海，随500 hPa槽前西南气流输送的水汽；另一支经青藏高原东部沿西太平洋副热带高压西部偏南气流向北输送，部分在河西走廊转为偏东急流输送至东天山南侧。几股气流在哈密市上空汇合，为特大暴雨的产生和持续提供了源源不断的水汽输送，与往年同期相比，孟加拉湾至南海的水汽输送及西太平洋副热带高压南侧偏东急流输送的水汽异常偏北、偏强，对降雨强度和落区有很好的指示意义。

此次特大暴雨水汽辐合主要集中在500 hPa以下，输送强度大，维持时间长。29日20:00至30日20:00，500 hPa新疆大部分地区露点温度差(T-Td)小于3 ℃(图略)，空气达到饱和状态。30日20：00哈密市上空500 hPaT-Td<0.3 ℃，接近准饱和，700～850 hPa哈密市大部区域T-Td维持10 ℃以上，空气干燥，处于暖干状态，但暖空气被西南部、东南部的大范围高湿区包围，此种湿度梯度分布，加之700 hPa明显的风速辐合，加剧了周围高湿区水汽快速向干区汇合。31日02:00，哈密上空湿度层加厚，向下延伸至925 hPa，强度逐渐加强，此时700 hPa水汽通量增强至最大，持续至08:00，且一直维持在8～12 g·hPa-1·cm-1·s-1，充沛的水汽沿较强的东南急流向暴雨区输送。以往哈密夏季强降水中，比湿基本保持在8 g·kg-1左右，是当地预报强降水天气的重要指标。而此次比湿场显示，30日08:00，比湿场大值中心位于河西走廊一带，中心值为11 g·kg-1，此时沁城乡小堡站的比湿为7 g·kg-1，已出现小量先兆性降水，强降水开始前，比湿逐步增加，梯度增大，由哈密东南方向向西北推进。31日08:00[图5(a)]，沁城乡小堡站比湿达14 g·kg-1，高湿中心位于850 hPa，700 hPa比湿为12 g·kg-1，中低层水汽含量在近30 a哈密的暴雨天气中极为罕见，强降水时段与此相吻合，强降水趋于结束时，比湿逐渐减小，此种大范围增湿及辐合流场是此次暴雨形成和维持的重要条件。

水汽通量散度是反映水汽输送的源与汇，其负值越大，表示水汽通量汇合越强，越有利于强降水产生。从水汽通量散度图可以看出，7月29日08:00，暴雨区上空700 hPa以下水汽迅速聚集辐合上升。30日20:00[图5(b)]，辐合中心位于哈密市偏东南区域，强度为-40×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，暴雨辐合中心位于700 hPa附近，水汽通量散度为-27×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1。31日02:00，水汽聚集上升至400 hPa附近，中心强度加强为-60×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，说明水汽上升高度高，湿层深厚。300 hPa以上为弱水汽辐散区，即低层明显的水汽辐合及高层辐散，非常有利于水汽聚集上升，加之水汽源源不断地输送，为特大暴雨的产生提供充足的水汽条件。31日10:00后，水汽辐合迅速减小，强度减弱，强降水过程结束。

图5 2018年7月31日08:00 700 hPa风场(风矢量，单位：m·s-1)和比湿场(等值线，单位：g·kg-1)(a)，7月30日08:00至8月1日02:00水汽通量散度的时间-高度剖面(单位：g·hPa-1·cm-2·s-1)(b)(灰色阴影表示地形)Fig.5 The wind field (vectors, Unit: m·s-1) and specific humidity field (the shaded, Unit: g·kg-1) on 700 hPa at 08:00 BST on 31 July (a), the time-height section of water vapor flux divergence from 08:00 BST on 30 July to 02:00 BST on 1 August 2018 (Unit: g·hPa-1·cm-2·s-1)(b)(the gray shadow for terrain)

4.3 动力条件

图6为2018年7月30日08:00至8月1日02:00沿暴雨中心(94.6°E、42.8°N)作散度、垂直速度的时间-高度剖面。由散度场的时间-高度剖面可以看出，30日08:00—20:00，700 hPa以下辐合中心开始向高空伸展至500 hPa附近，辐合中心较弱(-2×10-5s-1)，300 hPa以上为辐散区。随着强降水临近，31日08:00，低层辐合高度有所下降，强度明显加强，中心位于700 hPa以下，散度为-8×10-5s-1；此时中高层的弱辐散区明显加强向高及低空方向延伸，辐散区增厚，600～200 hPa为强辐散区，中心位于500 hPa附近，值为4×10-5s-1。

图6 2018年7月30日08:00至8月1日02:00沿暴雨中心(94.6°E、42.8°N)作散度(单位：10-5·s-1)(a)、垂直速度(单位：Pa·s-1)(b)的时间-高度剖面Fig.6 The time-height section of divergence (Unit: 10-5·s-1) (a) and vertical velocity (Unit: Pa·s-1) (b) along the storm center (94.6°E, 42.8°N) from 08:00 BST on 30 July to 02:00 BST on 1 August 2018

此种低层强辐合，高层强辐散，在垂直方向上形成耦合形势，有利于大气垂直运动发展和维持，同时加强了水汽的垂直输送，是强降水发生的必要条件。

从垂直速度场的时间-高度剖面可以看出，29日20:00，沁城乡小堡站850 hPa以上垂直运动开始加强，不断向高空伸展；31日08:00，垂直运动上升至200 hPa附近，上升运动区范围明显增大增厚，垂直速度大值中心位于600 hPa附近，达-1.8 Pa·s-1，强烈深厚的上升运动使大气层结处于极不稳定状态，加之持续稳定的西南和偏东低空急流的触发作用和水汽输送，共同造成强降水发生。强降水结束之后，600 hPa垂直速度明显减小，上升运动减弱，大气处于弱不稳定状态。

综上所述，强降水发生时，中低层(500 hPa以下)强辐合上升，中高层(500 hPa以上)辐散下沉，加速了低层水汽的迅速集中和向上输送，能量得到有效释放和交换，为暴雨的产生提供了充足的动力条件。

5 中尺度系统特征

5.1 中尺度云团

云顶亮温(TBB)可以反映对流云发展的强弱程度和降水强度。TBB值越大，对流云发展越强盛，TBB等值线梯度越大，雨强越强，降水量越大[25]。分析此次暴雨天气的FY-2G卫星TBB演变(图7)可知，7月31日04:00，中尺度对流系统MCS在沁城乡偏东南方向开始发展，TBB中心值为-40 ℃，暴雨区位于云系外围，降水强度较小；06：00，云层加厚及范围扩大，向东北方向移动，MCS中心强度不断扩展加强，TBB中心降低为-56 ℃，沁城和沁城小堡此时处于MCS边缘，TBB等值线最密集处，且TBB为-52～-48 ℃的梯度大值区，雨强加强，降水量也明显加大；07：00，TBB中心降低为-60 ℃，沁城和沁城小堡出现小时降水量达29.5 mm和29.2 mm的短时强降水，降水过程中，沁城和沁城小堡一直处于对流云团西南边缘TBB梯度最大处，此时伊吾和淖-柳公路33公里站位于MCS北部边缘，处于-48～-44℃的TBB梯度大值区，降水也明显加大，随MCS系统继续向东北方向移动，强降水中心也随之北移；10：00之后，MCS系统基本移出哈密市，雨强明显减小，短时强降水结束。

图7 2018年7月31日06：00(a)、07：00(b)、08：00(c)FY-2G卫星TBB演变(单位：℃)Fig.7 The evolution of TBB of FY-2G satellite at 06:00 BST (a), 07:00 BST (b) and 08:00 BST (c) on 31 July 2018 (Unit： ℃)

5.2 地面辐合线和地形抬升作用

地面辐合线在触发对流发生发展和维持方面起着重要作用[26-27]。图8为2018年7月31日06：00地面风场和08：00 700 hPa风场与地形。可以看出，31日06：00地面风场显示，沁城乡偏西偏北部均为偏北风，而东部和南部均为偏南风，所以在沁城乡偏西北部形成东西向的地面辐合线，辐合线北部为冷空气，南部为暖湿空气，冷暖空气交汇，利于地面水汽抬升，地面辐合线触发对流生成，强降水开始。08：00沁城乡风向转为偏东风，沁城乡以西转为偏西风，地面辐合线逆时针旋转北抬，使对流继续维持发展，此时东天山北侧的伊吾和淖毛湖也由西北风转为东南风，此阶段对流发展旺盛，与最强降雨时段对应。10：00之后，地面辐合线北移，强降水时段结束，因此，地面辐合线是对流系统发生发展和暴雨发生的重要触发因素。

图8 2018年7月31日06：00地面风场(风矢量，单位：m·s-1)(a)和08：00 700 hPa风场(风矢量，单位：m·s-1)与地形(阴影，单位：m)(b)Fig.8 The surface wind field (vectors, Unit: m·s-1) at 06:00 BST (a) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 700 hPa and terrain (the shadow, Unit: m) at 08:00 BST (b) on 31 July 2018

特殊地形与气流相互作用影响下，容易形成致灾性暴雨，暴雨常常发生在山地的迎风坡、气流汇合的山谷、喇叭口地形等地方[28]。此次极端大暴雨区位于天山余脉东段迎风坡与东天山北面喇叭口地形气流汇合的山谷处，沁城和沁城小堡位于东天山南面迎风坡，海拔高度近3000 m。强降水发生时，东天山迎风坡地形阻挡作用使850～700 hPa强盛的东南风与其形成近乎垂直的夹角，地形垫高强迫暖湿气流抬升，上升运动加强并延续至高层，且风速辐合，水汽迅速在暴雨区堆积抬升，加剧对流发展，加强降水产生。淖毛湖和淖-柳公路33公里站点位于东天山北面淖毛湖盆地中，海拔高度不到500 m，北邻莫钦乌拉山，西邻准噶尔盆地东段，南面为东天山背风坡，是典型的向东开口的喇叭口地形，偏南气流吹来时，由于收缩作用使北上的偏南气流产生辐合，在伴有风速辐合的情况下，会导致中尺度切变线或涡旋系统产生，加速上升运动和中层对流的发展，中尺度雨团由于周围高山的阻挡，会移动缓慢或停滞于山谷上空，导致在喇叭口地形或山谷风的地方形成强降水。因此，喇叭口地形的辐合作用不仅是对暖空气的动力抬升，而且极易形成偏南风辐合区和中尺度辐合线，造成暖湿气流上升和对流云发展，从而有利于暴雨的产生和加强。

6 数值模式降水预报检验

数值预报产品的解释应用是天气预报业务客观化、定量化、精细化发展最直接最有效的途径，也是预报员预报天气的主要参考和依据，尤其是暴雨预报的准确性[29]。针对此次暴雨过程，对几种数值模式预报降水量进行对比检验(图9)发现，ECMWF、T639、GRAPES-GFS、Japan模式均预报7月31日哈密东部有较强降水，降水大值中心位于哈密市北部淖毛湖以西至三塘湖到萨尔乔克一带。其中GRAPES-GFS对降水量级及落区预报略好于其他几种模式，虽然报出伊吾县东北部有53 mm左右的降水大值中心，但降水量级明显比实况偏小，且并未报出伊吾东部和伊州区沁城及沁城小堡的暴雨中心，该模式对淖毛湖和淖-柳公路33公里落区预报较好，有一定的参考价值。

图9 ECMWF模式数值预报(a)、T639全球集合预报(b)、GRAPES-GFS全球预报(c)及Japan中期模式预报(d)的2018年7月31日哈密市降水对比(单位：mm)Fig.9 The comparison of precipitation forecasted in Hami by ECMWF numerical model (a)、T639 global ensemble model (b)、GRAPES-GFS (c) and medium-term model of Japan (d) on 31 July 2018 (Unit: mm)

沁城乡小堡站主要降水时段为31日02：00—08：00，其中07：00、08：00连续出现短时强降水，降水量为79.8 mm，占当日总降水量的69%。图10为2018年7月30日20:00至31日20:00沁城乡小堡站多模式预报逐6 h降水对比检验。可以看出，德国模式(Germany)报的主降水时段与实况吻合，降水量最接近，但量级还不到实况的一半，说明该模式对强降水时段预报具有较好的指导意义。其他模式对于各时段降水预报明显偏弱，此次实际预报中基本无参考价值。

图10 2018年7月30日20:00至31日20:00沁城乡小堡站逐6 h降水实况及多模式预报降水量Fig.10 The 6 hours precipitation observed and forecasted by different models in Xiaopu station of Qincheng County from 20:00 BST on 30 to 20:00 BST on 31 July 2018

7 结 论

(1)此次极端大暴雨是发生在南亚高压双体型建立的大尺度环流背景下，是典型的新疆大降水的环流配置形势，南亚高压中心东部强盛，且较常年异常偏东偏北，降水过程中，伊朗高压南北振荡与南亚东部高压东西振荡，引导北方冷空气不断南下与南支暖湿气流汇合，同时500 hPa西太平洋副热带高压稳定维持且较常年明显偏北10个纬距，利于西太平洋副热带高压边缘强盛的水汽源源不断地向强降水区输送，中低层切变线及地面辐合线触发中尺度对流发展加强，是此次极端暴雨产生的动力机制之一。

(2)与以往新疆大降水高空偏西急流不同，此次强降水发生时新疆上空200 hPa为大范围强盛的西南急流，500 hPa西太平洋副热带高压西侧南风气流与700 hPa异于常年的东南急流汇合，在暴雨区上空垂直方向形成耦合形势，高层辐散、低层辐合的环流配置加剧了垂直上升运动的增强与维持。强降水发生在200 hPa西南急流出口区右侧、500 hPa偏南风和700 hPa东南急流的汇合区域，高低空急流为极端大暴雨的发生提供了有利的动力和水汽条件。

(3)偏南风风速辐合、地面中尺度辐合线长时间维持和北移，东天山特殊地形强迫抬升与喇叭口地形的汇合作用，使低层水汽迅速辐合上升，气流垂直上升运动加强，从而触发中尺度对流系统产生、发展和加强。700 hPa以下存在θse高能舌区的不稳定层结，为此次大暴雨提供了有利的不稳定能量和热力条件，是此次短时强降水预报的主要着眼点。

(4)水汽通量大值带和比湿的异常增强、减弱及对流云团的发展、减弱与消亡阶段与强降水的落区和强度有较好的时间对应关系。短时强降水发生在水汽通量及比湿最大和中尺度对流云团发展旺盛的阶段，强降水中心位于中尺度对流云团边缘TBB等值线密集处的最大梯度区，TBB等值线梯度最大处雨强也越大。

(5)数值预报产品在新疆复杂地形下具有一定的预报能力，但降水落区及量级均有较大误差。