东天山哈密地区典型暴雨事件对流触发机制对比分析

刘晶 2, 刘兆旭 张晋茹 2, 刘凡 2, 李建刚 2, 曾勇 2, 仝泽鹏 2, 江雨霏 2, 杨莲梅 2, 周玉淑 4, 5

1 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所, 乌鲁木齐 830002

2 新疆云降水物理与云水资源开发实验室, 乌鲁木齐 830002

3 西天山云降水物理野外科学观测基地, 乌鲁木齐 830002

4 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室, 北京 100029

5 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049

1 引言

新疆哈密地区位于天山最东端，西起七角井，东至星星峡，与甘肃河西走廊相邻，是新疆通向中国内地的要道，也是“一带一路战略”的重要节点城市。受副热带高压系统和西风带系统影响，哈密地区近年来暴雨频发，作为国家“丝绸之路经济带”重要节点城市，哈密极端暴雨天气逐渐引起各方关注，在西风槽与副热带高压相互作用过程中，在副热带高压边缘、河西走廊低空急流前方常有中尺度对流系统发生发展，造成局地强对流天气，对当地经济发展和城市建设造成严重灾害。天山将哈密地区分为南北两部分，受天山地形影响（道然·加帕依等, 2007），哈密地区暴雨主要集中在天山北部的巴里坤县（年均降水量为230.5 mm），已有研究针对哈密暴雨大气环流形势（道然·加帕依等,2007; 屠月青和孔海江, 2014）、动热力条件（王荣梅等, 2010; 庄晓翠等, 2020）及空中水资源（卓世新等, 2016）等进行分析，并利用中尺度数值模式对该地区暴雨天气过程进行数值模拟（朱伟军等,2012），给出了最优参数化组合方案。哈密南部大多为戈壁荒漠，是新疆暴雨出现最少的区域之一，至今没有雷达探测能够覆盖，地面区域自动站稀疏，对南部暴雨研究也相对匮乏，加之地面植被差，大雨以上降水天气很容易引发局地山洪，对当地生产建设和人民生命财产安全构成一定危害，因而对于该地区极端暴雨的分析和研究在防汛抗旱方面显得尤为重要。

中尺度系统是中纬度地区夏季强降水的主要影响系统（陶诗言, 1980; Houze, 2004; Stevenson and Schumacher, 2014），常造成洪涝、冰雹、大风等灾害性天气（Weisman and Trapp, 2003; 郑永光等,2010）。国内外气象学者（陶祖钰等, 1998; Sugimoto and Ueno, 2010; Ueno et al., 2011; 高守亭等, 2013;张家国等, 2013; 慕建利等, 2014; 徐珺等, 2018）通过对中尺度系统及其对暴雨的影响开展了一系列相关研究工作，给出了中尺度系统形成及其结构特征，在此基础上，利用数值模式对中尺度系统动、热力结构、演变特征及触发机制进行了分析和讨论（王建捷和李泽椿, 2002; 陈力强等, 2005），指出中尺度对流系统触发与强暖湿气流强迫和弱冷空气扩散（苏爱芳等, 2016）、地面辐合线（侯淑梅等,2017）、地面切变线和地面干线（努尔比亚·吐尼牙孜等, 2019）、锋面抬升（赵宇等, 2017; Li et al.,2017）等密切相关，并给出了中尺度对流云团模型（李玉兰等, 1993）。还有很多研究（Houze et al.,1990; Smith et al., 2009; Zheng et al., 2013）基于雷达资料对中纬度地区夏季中尺度系统的运动学和结构特征进行分析和探讨，揭示了中尺度系统形成过程、强度变化以及对流系统传播过程中的列车效应（孙继松等, 2013; 张家国等, 2015）的物理机制，为极端暴雨定时、定量预报提供了一定的参考依据。

中尺度对流系统移动和演变往往受大尺度场的制约（陈良栋, 1987; Lavaysse et al., 2006; 全美兰等, 2013; Besson and Lemaître, 2014），其中低空急流对于中尺度系统的发展和维持具有重要的作用（顾 清 源 等, 2009; 刘 鸿 波 等, 2014; 傅 佩 玲 等,2018），孙淑清和翟国庆（1980）发现低空急流强烈的不稳定性使得急流轴上的风速出现中尺度脉动传播方向，能够触发中尺度系统形成，从而导致暴雨发生。陈忠明（2005）利用动力学诊断分析揭示了低空急流附近新对流和强降水在云团后部发生、发展的可能机制，黄小彦等（2020）分析发现低空急流下边界不断向下扩展过程中触发迎风坡上的MCS（中尺度对流系统）初始雷暴生成，白慧等（2020）分析了贵州一次大范围强对流天气，发现低空急流的建立和爆发式增强利于对流不稳定能量的积聚和对流运动的发展。针对新疆地区MCS 的研究（王旭和马禹, 2012; 曾勇和杨莲梅, 2017a,2017b）指出，新疆暴雨中尺度系统生命史短，突发性强，多发生在山边平原和浅山区（刘雯等,2017; 李建刚等, 2019），且多数MCS 形成于午后到午夜，具有明显的夜发性。云团的生成和发展与地面辐合线（曾勇等, 2019）、低空急流（曾勇和杨莲梅, 2018; 曾勇等, 2020）、干侵入（曾勇等,2018; 刘国强等, 2018）和中尺度风场辐合线（王清平等, 2016）等密切相关。中尺度对流云团生成后沿高空引导气流移动，在移动过程中合并增强，往往会造成测站出现短时强降水天气（曾勇和杨莲梅, 2020）。

2016年8月8日 和2018年7月31日，哈 密地区分别出现两次暴雨天气，其中2018年7月31日伊州区沁城乡小堡12 h 累积最大降雨量达到110 mm，致洪水爆发。洪水灾害造成房屋及部分农田、公路、铁路、电力和通信设施受损，对当地居民生命财产和生产建设造成重大影响。两次强降水天气均发生在副热带高压（简称副高）异常偏西偏北，中尺度云团在副高外围生成并影响暴雨区，而暴雨落区、雨强各不相同，因而本文利用NCEP/NCAR 的FNL 再分析资料（0.25°×0.25°）和FY-2G卫星等资料对两次极端暴雨的中尺度对流系统触发机制进行对比分析，探讨干旱、半干旱地区极端暴雨中尺度系统发生、发展和维持机制的差异，为更好理解该地区极端暴雨天气提供一定参考依据。

2 资料与研究方法

2.1 资料说明

本研究选用自动站观测数据、再分析资料、风云2G 卫星产品、三源融合降水产品。自动站观测数据和三源融合降水产品用于降水天气实况分析，其中自动站观测数据选用新疆地区共14 个探空站、105 个国家气象观测站和1830 个区域观测站小时降水量数据。三源融合降水产品选用中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品，空间分辨率为0.1°×0.1°。

再分析资料用于大尺度环流形势、对流触发和维持机制等分析，选取美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）的0.25°×0.25°FNL 再分析资料（网址：https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/#!access[2021-09-17]）和ECMWF 发 布 的第一代（网址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/[2021-09-17]）和第五代（网址：https://cds.climate,copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/rean alysis-era5-pressure-level?tab=overview/[2021-09-17]）全球分辨率0.25°×0.25°再分析资料，时间分辨率为6 h，FNL 再分析资料垂直高度共31 层，ERAInterim 垂直高度共37 层。卫星图像选用风云2G逐小时云顶亮温产品，主要用于对流云团演变特征分析。

2.2 资料方法

2.2.1 数据检验

为确保NCEP/NCAR 再分析资料在西部干旱、半干旱地区可用性，对比哈密探空站、NCEP/NCAR的0.25°×0.25° FNL 再分析资料、ECMWF 发布的第一代全球分辨率ERA-Interim 0.25°×0.25°再分析资料和ECMWF 发布的第五代全球分辨率ERA-5 0.25°×0.25°再分析资料得到的温度、湿度和风场廓线（图1）发现，“7.31”暴雨过程哈密站对流层低层暖平流、中高层冷平流，“8.8”暴雨过程对流层中层—低层为一致冷平流，三种再分析资料计算得到的温、湿度廓线形态在400 hPa 以下与探空站表现较为一致，其中FNL 再分析资料得到的风廓线和冷暖平流与探空站更为接近，而ERAInterim 和ERA-5 再分析资料在“7.31”暴雨过程中对流层低层表现为冷平流，因而本文将利用FNL再分析资料对两次降水天气过程进行对比分析。

图1 （a–d）2018年7月31日08时（北京时，下同）和（e–h）2016年8月8日08时（a、e）哈密站探空、（b、f）FNL 资料、（c、g）ERA-interim 资料和（d、h）ERA-5 资料计算得到的温度（红色实线）、露点温度（绿色实线）和风（风向杆）廓线Fig. 1 Profiles of the temperature (red solid line), dew point temperature (green solid line), and wind (barbs) calculated by (a, e) Hami sounding station data, (b, f) FNL data, (c, g) ERA-interim data, and (d, h) ERA-5 reanalysis data at (a–d) 0800 BJT (Beijing time) 31 July 2018, (e–h) 0800 BJT 8 August 2016

2.2.2 降水量标准

由于国家降水量级标准不适合干旱、半干旱气候背景的新疆地区，因而本文采用新疆气象学者肖开提·多莱特（2005）提出的适合新疆气候特点的降水量级标准：0.1 mm≤R＜6.0 mm 为小雨，6.1 mm≤R＜12.0 mm 为中雨，12.1 mm≤R＜24.0 mm 为大雨，R＞24.0 mm 为暴雨，R＞48.0 mm 为大暴雨，R为24 h 降水量。

3 天气过程概况及环流形势分析

3.1 降水实况

2018年7月30～31日，西太平洋副热带高压（简称西太副高）向北伸展，同时对流层低层偏东急流出口区左侧有对流云团生成，云团在向东北方向移动过程中不断发展，造成哈密东南部出现短时强降水天气（图2a，简称“7.31”暴雨），哈密区域站共15站达到暴雨级别，其中4站12 h 累积降水量超过48 mm（达到大暴雨级别）。31日01～14时（北京时，下同）降水中心哈密沁城乡小堡站14 h 累积降水量达到115.5 mm。2016年8月8～9日，西太副高位置异常偏西，高压中心位于青海地区，受副高阻挡，中纬度地区低槽缓慢移动，对流层中低层冷锋锋生东移造成哈密北部出现强降水天气（图2b，简称“8.8”暴雨），8月8日08时至9日08时共有10站24 h 累积降水量超过48 mm，达到大暴雨级别，其中8日10～14时低槽与副高间有对流云团生成，并向东北方向移动发展，造成巴里坤县出现短时强降水天气，降水中心巴里坤镇大直沟站累积降水量为41.1 mm。下文将重点分析“7.31”暴雨和“8.8”暴雨期间大气环流、对流触发和维持机制等异同。

从“7.31”暴雨站逐时降水量演变图（图2c）上可以看出，哈密沁城乡小堡站31日01时出现降水天气，06～08时两小时累积降水量达58.4 mm；位于沁城乡小堡站东北方向的淖柳公路33 公里站（简称淖柳公路站）31日03时开始出现降水，最强降水集中在06～09时，3 h 累积降水量为58.8 mm。31日14时后，中尺度对流云团逐渐移出暴雨区，哈密东南部强降水天气逐渐结束。“8.8”暴雨短时强降水中心巴里坤镇大直沟站10～14时累积降水量为41.1 mm（图2d），最大小时降水量为12.8 mm，国家气象观测基本站巴里坤站8日10～14时累积降水量达28 mm，达到暴雨级别。14时后，随着对流系统移出暴雨区，暴雨区短时强降水趋于结束，受中纬度低槽缓慢东移影响，哈密地区仍出现持续小量降水，今后将另做研究分析。

图2 （a）2018年7月31日02～14时、（b）2016年8月8日01时至8月9日08时累积降水量分布（单位：mm），红色虚线矩形框区为哈密地区，图a 中黑色点和红色点分别代表沁城乡小堡站和淖柳公路站，图b 中黑色点代表巴里坤镇大直沟站。（c）“7.31”暴雨中心站和（d）“8.8”暴雨中心站逐小时降水量演变Fig. 2 Accumulated precipitation (units: mm) (a) from 0200 BJT to 1400 BJT 31 July 2018, and (b) from 0100 BJT 8 August to 0800 BJT 9 August 2016. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. 2a, the black and red dot represents the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively. In Fig. 2b, the black dot denotes the Dazhigou station in Balikun town. Hourly precipitation (units: mm) at the precipitation center in (c) the “7.31” heavy rainstorm (rainstorm occurred on 31 July 2018) and (d) “8.8” heavy rainstorm (rainstorm occurred on 8 August 2016)

3.2 环流形势分析

“7.31”暴 雨 期 间，200 hPa 位 势 高 度 场 上（31日02时，图3a）南亚高压呈带状分布，中心北移至35°N 以北地区，哈密东南部地区位于中亚地区长波槽槽前西南急流入口辐散区，高空辐散抽吸利于垂直运动的发展。500 hPa（图3b）为“两脊一槽”环流型，伊朗高压和西太副高位置异常偏北，西太副高西伸至哈密地区，其外围偏南气流携带暖湿气流向暴雨区输送充沛的水汽，同时，受副高阻挡影响，中纬度低槽移动缓慢，暴雨区主要受副高西侧偏南气流影响。从图3c 可以看出，暴雨区位于200 hPa 急流入口区左侧和700 hPa 低空东南急流左前方，低空急流出口区左侧为正涡度平流大值区，暴雨区处于西北风和东南风辐合区。同时对流层低层增湿明显，30日20时至31日08时，哈密探空站比湿增至11 g kg−1（图略）。受低纬度地区暖湿气流影响，哈密东南部地区上空形成不稳定大气层结。低层水汽强烈辐合，垂直运动发展，对流云团在低空急流出口区左侧不断生成，在沿500 hPa 引导气流向东北方向移动过程中不断合并、发展。此外，哈密位于地面倒槽前沿（图3d），暖湿气团与哈密北部冷空气交汇于倒槽附近，冷暖交绥剧烈，利于对流系统发展，综合分析发现，“7.31”暴雨过程从高层到低层大尺度天气系统环流配置均有利于暴雨区强降水的发生。

图3 2018年7月31日02时（a）200 hPa 位势高度场（等值线，单位：dagpm）、风场（阴影≥30 m s−1），（b）500 hPa 位势高度场（等值线，单位：dagpm）、风场（阴影≥12 m s−1），（c）200 hPa 急流（等值线和矢量）、700 hPa 急流（阴影和风向杆，阴影≥10 m s−1），（d）海平面气压场（单位：hPa）。红色虚线矩形框区代表哈密地区，图c 中蓝色实线和红色实线代表海拔1500 m 和3000 m 地形Fig. 3 (a) Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥30 m s−1) at 200 hPa, (b) geopotential height (contours,units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥12 m s−1) at 500 hPa, (c) 200-hPa jet stream (contours and vectors, units: m s−1), 700-hPa jet stream(shadings and barbs, shadings for wind speed≥10 m s−1), (d) sea level pressure (units: hPa) at 0200 BJT 31 July 2018. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. c, the blue and red solid lines represent terrain height of 1500 m and 3000 m, respectively

“8.8”暴雨期间，200 hPa 南亚高压呈带状分布（图4a），中心位于30°N 附近，高压主体位于90°E 以西，同时，中纬度地区为一个长波槽，8日02～08时槽前西南急流明显增强，暴雨区位于高空西南急流控制区。强降水前500 hPa 也为“两脊一槽”环流型，伊朗高压与乌拉尔山高压脊同位相叠加，上游高压脊较“7.31”暴雨过程发展更加强盛，而中纬度低槽经向度发展也较“7.31”暴雨过程更强，西太副高移至内陆地区后呈东北—西南向分布，较“7.31”暴雨过程副高位置略偏南（图4b），随着中纬度地区低槽东移，8日02时500 hPa 副高中心位于95°E 附近，副高西侧偏南气流将青藏高原北部水汽向北输送，与中纬度低槽前西南气流交汇于新疆巴州北部—吐鄯托盆地一线，对应8日02时700 hPa 巴州北部—吐鄯托盆地—哈密北部一线有明显的风场切变线（图4c），中尺度对流云团在巴州北部生成，并沿500 hPa 西南气流向东北方向移动，在移动过程中经风场切变辐合区后上升运动进一步发展，对流云团合并发展，进而造成哈密北部短时强降水天气。从地面图上（图4d）可以看出，降水前巴州北部—吐鄯托—哈密北部受暖低压控制，地面最高温度在30°C～43°C，随着地面冷高压自西向东移动，高压前侧弱冷空气进入巴州北部—哈密北部，暖气团与西侧弱冷空气交汇，利于对流运动发展。

图4 2016年8月8日02时（a）200 hPa 位势高度场（等值线，单位：dagpm）、风场（阴影≥30 m s−1），（b）500 hPa 位势高度场（等值线，单位：dagpm）、风场（阴影≥12 m s−1），（c）700 hPa 风场（阴影和风向杆，阴影≥10 m s−1），（d）海平面气压场（单位：hPa）。红色虚线矩形框区代表哈密地区。图c 中蓝、红色实线代表海拔1500 m、3000 m 地形线Fig. 4 (a) Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥30 m s−1) at 200 hPa, (b) geopotential height (contours,units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥12 m s−1) at 500 hPa, (c) 700-hPa wind (shadings and barbs, shadings for wind speed≥10 m s−1),(d) sea level pressure (contours, units: hPa) at 0200 BJT 8 August 2016. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. c, the blue and red solid lines represent terrain height of 1500 m and 3000 m, respectively

对两次天气过程降水实况和环流分析后发现，两次短时强降水环流形势均为500 hPa 两脊一槽环流形势，且西太副高位置均偏西。其中“7.31”暴雨期间500 hPa 西太副高异常偏西偏北，受副高阻挡影响，中纬度低槽移动缓慢，暴雨区主要受500 hPa副高西侧、700 hPa 东南急流出口区和地面低压倒槽控制，对流云团在哈密南部生成、发展并向东北移动，造成哈密东南部多站出现暴雨；“8.8”暴雨期间500 hPa 环流经向度发展较“7.31”暴雨更加强盛，副高位置较“7.31”暴雨更加偏南，500 hPa副高西侧偏南和中纬度低槽前西南气流交汇共同影响哈密地区，同时受700 hPa 风场切变线和地面弱冷空气影响，巴州北部有对流云团生成，沿低空切变线发展并向东北方向移动，随后造成哈密北部测站短时强降水天气。两次过程暴雨区均受中尺度云团自西南向东北移动影响，因而下文将重点讨论两次过程对流触发和维持机制的差异，为哈密地区夏季短时强降水预报预警提供一定的理论依据。

4 对流系统触发和维持机制

4.1 中尺度云团活动特征

通过分析两次强降雨过程的云图资料并结合环流形势场发现，“7.31”暴雨期间多个中β 和中γ尺度云团在低空东南急流左前方生成并向东北方向移动，移动过程中云团合并增强，最低云顶亮温TBB 达−56°C，造成哈密东南部出现短时强降水天气。而“8.8”暴雨期间，两个TBB≤−44°C 的中γ 尺度云团在低空西南急流前生成，沿500 hPa 西南气流向东北方向移动过程中合并加强至中β 尺度云团，随后造成哈密北部地区短时强降水天气。“7.31”暴雨过程中尺度云团31日02时在低空急流出口区生成，对流触发，08时云团发展至成熟阶段，“8.8”暴雨过程中尺度对流8日02时在巴州北部浅山区触发，08时对流云团移至哈密地区，发展至成熟阶段。

7月31日02时（图5a），中γ 尺度云团A、B、C、D 和E 在700 hPa 偏东急流出口区左前方生成，受云团D 影响，沁城乡小堡站出现少量降水；03时（图5b）中尺度云团在向东北方向移动过程中迅速发展，云团D 移至沁城乡小堡站上空，最大TBB 由−16°C 降至−28°C，受中尺度云团D控制和影响，沁城乡小堡站和淖柳公路站出现强降水天气，其中沁城乡小堡站03～04时出现短时强降水，降水量达11.4 mm。

7月31日04时（图5c）云团B 和E 合并为中γ 尺度云团F，沿着高空引导气流向东北方向移动，最大TBB 降至−36°C，云团A 和D 分别移至沁城乡小堡站和淖柳公路站，最大TBB 均降至−28°C，造成测站雨强增强。06时（图5d），云团A 快速移过淖柳公路站，云团F 和C 向东北方向移动、合并为中β 尺度云团G，该云团范围增大，强度明显增强，最大TBB 降至−52°C，受中β 尺度云团G 影响，沁城乡小堡站和淖柳公路站出现短时强降水，其中沁城乡小堡站小时降水量达29.2 mm。随着700 hPa 偏东急流转为偏南急流且位置明显北抬（08时，图5e），云团G 范围进一步增大，最大TBB 为−56°C，受云团G 影响，沁城乡小堡站和淖柳公路站06～09 三小时累积降水量分别为76.3 mm 和58.8 mm。10时后（图5f），云团G移出新疆，测站降水逐渐减弱。综合上述分析发现，多个中尺度γ 和β 对流云团依次移过哈密东南部地区，“列车效应”明显，造成短时强降水天气。

图5 2018年“7.31”暴雨期间7月31日（a）02时、（b）03时、（c）04时、（d）06时、（e）08时、（f）10时中尺度对流云团云顶亮温TBB（阴影，单位：°C）及（a）02时、（e）08时风场（风向杆，单位：m s−1）。红色圆点和黑色圆点分别代表沁城乡小堡站和淖柳公路站，字母A 到G 表示中尺度对流云团Fig. 5 Black body temperature (TBB, shadings, units: °C) at (a) 0200 BJT, (b) 0300 BJT, (c) 0400 BJT, (d) 0600 BJT, (e) 0800 BJT, (f) 1000 BJT and wind (barbs, units: m s−1) at (a) 0200 BJT, (e) 0800 BJT July 31 2018. The red and black dots denote the Qinchengxiangxiaopu and Naoliugonglu stations, respectively. Letters A–G represent meso-scale convective clouds

8月8日02时（图6a），700 hPa 低空西南气流前有中γ 尺度云团A 在巴州北部生成，同时受锋面云系影响，哈密巴里坤站开始出现小量降水；06时（图6b）云团A 向东北移至巴州与吐鄯托盆地交界处，同时，吐鄯托盆地再次生成一个中γ 尺度云团B，最大云顶亮温为−40°C，对应吐鄯托盆地出现少量降水；08时（图6c），中γ 尺度云团A 和B 沿低空切变线向东北方向移动过程中合并为中β 尺度云团C，云团范围明显增大，强度增强，最大云顶亮温降至−44°C，同时，对流层低层和中层冷锋锋生区叠加，冷锋锋面云系明显增强并向东南方向移动，受对流层低层偏南气流和测站降水影响，哈密北部近地面增湿明显。10时（图6d），中β 尺度云团C 移至哈密北部与吐鄯托盆地交界，在对流层中低层冷锋锋生作用下，云团范围进一步增大，强度增强，最大云顶亮温为−48°C，哈密北部巴里坤站处于云团C 控制下，对应测站10～14时出现短时强降水天气，其中10～12时累积降水量达20.8 mm。14时后，云团C 逐渐移出哈密地区，受锋面云系影响，测站维持小量降水。综合上述分析发现，两个中尺度γ 对流云团合并增强移过暴雨区，最大云顶亮温达−48°C，造成此次哈密北部地区短时强降水天气。

图6 2016年“8.8”暴雨期间8月8日（a）02时、（b）06时、（c）08时、（d）10时中尺度云团云顶亮温TBB（阴影，单位：°C）及（a）02时、（c）08时风场（风向杆，单位：m s−1）。红色圆点代表巴里坤镇大直沟站Fig. 6 Black body temperature (TBB, shadings, units: °C) at (a) 0200 BJT, (b) 0600 BJT, (c) 0800 BJT, (d) 1000 BJT and wind field (barbs, units: m s−1)at (a) 0200 BJT, (c) 0800 BJT 8 August 2016. The red dot denotes the Dazhigou station in Balikun town

4.2 对流不稳定

对两次强降水天气过程的对流不稳定性进行分析，发现“7.31”暴雨期间暴雨区处于强对流不稳定区，在暖锋锋区触发下，锋面附近上升运动旺盛，造成中尺度对流云团生成和发展。“8.8”暴雨期间冷锋锋生触发不稳定能量，对流云团在天山南坡生成向东北方向移动过程中产生暴雨。

由前文分析可知，“7.31”暴雨和“8.8”暴雨对流分别于7月31日02时和8月8日02时触发，通过对暴雨区对流不稳定分析发现，“7.31”暴雨对流云团发展初期（31日02时，图7a），暴雨区上空850～700 hPa 由假相当位温等θse密集带控制，θse随高度升高（∂θse/∂p＜0），700～500 hPa 暴雨区θse随高度降低（∂θse/∂p＞0），因而可以看出对流层底层大气层结稳定，对流层中低层大气层结不稳定，同时700 hPa 暖锋锋区向北倾斜，锋区前沿与不稳定大气层结交界处冷暖空气交绥剧烈，锋面附近垂直运动迅速发展，伴随最大上升运动−0.8 Pa s−1。31日08时（图7b，对流成熟阶段），对流层低层暖锋向北爬坡移至44°N 附近，锋区高度有所降低。中低层大气不稳定层结进一步增强，在暖锋锋面抬升作用下，哈密东南部地区对流层低层至高层为一致的上升运动区，触发对流不稳定能量释放，对流发展至最强。“8.8”暴雨对流云团初期（8日02时，图7c），巴州北部（41.25°N，87.5°E）云团初生地850～700 hPa 以下暴雨区假相当位温θse随高度降低（∂θse/∂p＞0），对流层底层大气层结不稳定，同时巴州北部700～600 hPa 处于等θse密集区，锋区向西倾斜，700 hPa 弱冷锋锋生区与不稳定大气层结交界处冷暖交绥，在对流层低层弱冷锋锋生作用下，对流云团发展。8日08时（图7d，对流成熟阶段），对流云团沿500 hPa 向东北方向移动，同时，哈密北部—吐鄯托盆地—巴州北部一线对流层低层至中层冷锋锋生，锋面附近垂直运动发展旺盛，对流云团发展，哈密北部巴里坤站附近对流层低层至中高层为一致上升运动，最大上升运动达−2.4 Pa s−1，中尺度云团在冷锋锋生作用下发展旺盛，进而造成哈密北部短时强降水天气。

图7 2018年7月31日（a）02时、（b）08时沿94.75°E 的假相当位温（等值线，单位：K）和垂直速度（彩色阴影，单位：Pa s−1）的纬度—高度剖面，哈密位于42°～44°N。2016年8月8日（c）02时沿41.25°E、（d）08时沿43.5°E 的假相当位温（等值线，单位：K）和垂直速度（彩色阴影，单位：Pa s−1）经度—高度剖面，暴雨区位于93°E 附近。图形下方灰色阴影为地形，图c 中红色三角形表示对流云团初生地Fig. 7 Latitude–height cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature θse (contours, units: K) and vertical velocity (color shadings, units:Pa s−1) along 94.75°E at (a) 0200 BJT 31 July, (b) 0800 BJT 31 July 2018. Hami area is located at 42°–44°N. Longitude–height cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature (contours, units: K) and vertical velocity (color shadings, units: Pa s−1) (c) along 41.25°E at 0200 BJT 8 August, (d) along 43.5°N at 0800 BJT 8 August 2016. The heavy rainfall area is located near 93°E. The gray shadings represent the terrain. In Fig. c,the red triangle represents the origination area of the convective cloud

根据吴国雄等（1995）湿位涡方程计算暴雨中心湿位涡，假定垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，p坐标系中的湿位涡（Mpv，单位：PVU，1 PVU=10−6K m2s−1kg−1）方程可表示为

其中，θse为假相当位温，f、ζ、ζa分别为气块地转涡度、相对涡度和绝对涡度，u代表纬向风速，v代表经向风速，g是重力加速度。Mpv1为湿位涡正压分量，当大气处于对流不稳定时，∂θse/∂p＜0，则Mpv1＜0。Mpv2为湿位涡斜压分量，代表大气的湿斜压性。通过分析暴雨中心湿位涡发现，两次强降水期间暴雨区低层Mpv1＜0（图8a、c），Mpv2＞0（图8b、图8d），且|Mpv1|>|Mpv2|，说明对流层低层大气以对流不稳定为主，与西天山强降水期间大气层结不同的是，西天山极端暴雨大气存在对流不稳定和对称不稳定交替出现的现象，而东天山暴雨过程大气以对流不稳定为主，这为对流云团的发生和发展提供了有利的热力不稳定条件（刘晶等,2019）。

图8 2018年“7.31”暴雨期间过哈密沁城乡小堡站（a）湿位涡正压分量Mpv1、（b）湿位涡斜压分量Mpv2 随时间变化，2016年“8.8”暴雨期间过巴里坤镇大直沟站（c）Mpv1、（d）Mpv2 随时间变化（单位：10−1 PVU）Fig. 8 Evolutions (units: 10−1 PVU) of (a) Mpv1 (barotropic component of the moist potential vorticity), (b) Mpv2 (baroclinic component of the moist potential vorticity) over Qinchengxiangxiaopu station in Hami during “7.31” heavy rainstorm in 2018 and evolutions (units: 10−1 PVU) of (c) Mpv1,(d) Mpv2 over Dazhigou station in Balikun town during “8.8” heavy rainstorm in 2016

通过分析沁城乡小堡站和淖柳公路站（位于沁城乡小堡站东北侧）θse随时间变化图（图9a、b）发现，“7.31”暴雨发生前（30日08～20时），暴雨区整层为稳定层结，对流触发初期（31日02时），700～500 hPa 逐渐由稳定层结转为不稳定层结，随着对流层低层暖锋锋生触发对流发展，不稳定层结高度随时间降低，空气中饱和水汽凝结释放大量潜热，中尺度云团生成和发展，造成测站出现短时强降水天气，强降水持续至31日14时。“8.8”暴雨发生前，受500 hPa 西太副高控制，巴州北部—哈密地区地面升温明显，暴雨区对流层低层增温增湿，900～700 hPa 大气层结不稳定（图9c），8日02时（对流触发初期），巴州北部对流层低层不稳定层结增厚，随着对流层低层冷锋锋生，对流触发，对流云团生成并向东北方向移动，8日08时（图9d），哈密北部巴里坤镇大直沟站对流层低层大气层结不稳定，伴随巴州北部—哈密北部对流层中低层冷锋锋生，空气中饱和水汽凝结释放大量潜热释放，中尺度云团发展，随后造成巴里坤县10～14时短时强降水天气。

图9 （a）沁城乡小堡站、（b）淖柳公路站、（c）阿克苏普乡大西沟站、（d）巴里坤镇大直沟站假相当位温（单位：K）随高度和时间的变化Fig. 9 Evolutions of θse (units: K) with height and time at the (a) Qinchengxiangxiaopu station, (b) Naoliugonglu station, (c) Daxigou station in Akesupu village, and (d) Dazhigou station in Balikun town

以上分析表明“7.31”暴雨发生初期哈密东南部地区中、低层大气为较强对流不稳定层结，在对流层低层暖锋锋生触发下，中尺度对流云团生成；暴雨最强时段，暖气团沿底层冷气团爬坡过程中被迫抬升，垂直运动进一步发展，降水达到最强阶段。而“8.8”暴雨对流发展初期，巴州北部对流层低层冷锋锋生触发对流发展，随着巴州北部—哈密北部对流层中低层进一步冷锋锋生，垂直运动进一步增强，云团在向东北方向移动过程中发展至最强阶段，进而造成哈密北部短时强降水天气。

4.3 对流触发和维持机制

锋面系统对于中纬度地区中尺度对流系统的发生、发展起重要作用（何齐强等, 1994; Capet et al.,2008）。锋生函数包括水平辐散项、水平形变项和倾斜项，它不仅考虑了大气的动力特征，同时也考虑了大气的热力特征，是诊断锋面强度和时空分布特征的一项重要指标。针对季风区暴雨过程锋面演变及其对暴雨中尺度对流触发机制相关研究（孙永刚等, 2014; 侯淑梅等, 2017; 任丽等, 2021）表明，锋面抬升是触发暴雨的动力机制，低层强锋生和次级环流圈与强降水发生时间和位置有较好的对应关系（邱贵强等, 2018），而对锋面系统影响新疆地区对流触发的相关研究相对较少。

下文采用Miller（1948）中的计算锋生函数的方法，并用假相当位温代替位温，得到两次暴雨期间锋生函数分布情况。通过分析暴雨区总锋生函数分布图（图10）发现，“7.31”暴雨期间700 hPa暖锋锋生是造成中尺度云团生成发展的主要因子。降水期间锋生区位于340～348 K 的强θse的高能区中。30日20时（10a），暴雨区上空600 hPa（42°N，95°E 附近）出现东北—西南走向的带状锋生大值区，锋生带断裂为东、西两段，锋生大值区中心强度为2.5×10−8K s−1m−1，同时700 hPa（图10d）哈密东南部出现等θse大值中心，最大θse为336 K，在等θse大值中心北侧也出现东北—西南走向的带状锋生大值区，中心强度为1×10−8K s−1m−1，由此可见对流层低层—中层暖锋锋生，锋面自下向上向西北方向倾斜；随着暖气团推动冷空气向西北方向移动，600 hPa 东段锋生区移至哈密地区东北部（31日02时，图10b），中心强度为2×10−8K s−1m−1，700 hPa 等θse密集带进一步向北延伸（图10e），暴雨区附近最大θse增至352 K，低层增暖增湿，暖气团沿冷气团向北爬坡，暖锋锋区向北移动，锋生进一步增强，锋生大值区迅速增至3×10−8K s−1m−1。在700 hPa 暖锋锋生触发下，对流不稳定能量释放，造成中尺度对流云团发展。31日08时600 hPa 暖锋逐渐移出哈密地区（图10c），低空急流进一步向东北方向伸展，低层强辐合区和湿舌移至哈密东部—蒙古西部，暴雨区最大θse增至355 K，在强暖锋锋生下（图10f），锋面次级环流加强，对流云团发展至最强阶段，造成哈密东南部出现短时强降水天气。

图10 2018年7月30～31日总锋生函数（阴影，单位：10−8 K s−1 m−1）和假相当位温（等值线，单位：K），红色、蓝色圆点分别代表沁城乡小堡站和淖柳公路站Fig. 10 Total frontogenesis function (shadings, units: 10−8 K s−1 m−1) and θse (contours, units: K) during 30–31 July 2018. The red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively

“8.8”暴雨期间，对流层低层弱冷锋锋生是触发巴州北部对流云团生成的主要因子（图11），锋生区（水平辐散项、水平形变项、倾斜项之和）位于336～345 K 的强θse的高能区中，7日20时（图11a）600 hPa 哈密北部—天山南麓一线上空（42°～44°N，85°～92°E）等假相当位温密集带附近出现东北—西南走向的带状锋生大值区，受天山大地形影响，锋生带断裂为两段，8日02时（图11b），对流层中层冷锋进一步锋生，东段冷锋大值区1.5×10−8K s−1m−1，哈密北部受东段冷锋锋生影响，测站出现小量降水，同时700 hPa（图11c）哈密北部—巴州北部冷锋锋生带断裂为两段，东段锋生大值区为1.5×10−8K s−1m−1，受东段锋生区影响，阿克苏普乡大西沟附近（41.25°N，87.5°E）对流触发，中尺度云团生成，并沿500 hPa引导气流向东北方向移动，8日08时700 hPa 哈密北部—巴州北部风场辐合增强，冷锋锋生明显（图11d），锋生大值区迅速增至2.5×10−8K s−1m−1，对流层中低层锋生区叠加，冷锋锋区向西北方向倾斜，锋面附近垂直运动发展，对流云团发展旺盛，随后造成哈密北部地区10～14时短时强降水天气。

图11 2016年“8.8”暴雨（a）7日20时600 hPa、（b）8日02时600 hPa、（c）8日02时700 hPa、（d）8日08时700 hPa 的总锋生函数（阴影，单位：10−8 K s−1 m−1）和假相当位温（等值线，单位：K），红色三角形代表云团初生地，红色实心矩形代表巴里坤镇大直沟站Fig. 11 Total frontogenesis function (shadings, units: 10−8 K s−1 m−1) and θse (contours, units: K) at 600 hPa at (a) 2000 BJT 7 August, (b) 0200 BJT 8 August, at 700 hPa at (c) 0200 BJT 8 August, (d) 0800 BJT 8 August during “8.8” heavy rainstorm in 2016. The red triangle and red filled rectangle denote the origination area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town, respectively

沿图5d 中红色线段做总锋生函数、经向风、温度平流和风场剖面（图12）发现，“7.31”暴雨降水前（7月30日14～20时（图12a、b），对流层中层600 hPa 附近锋生函数大值区伴有强暖平流，锋面次级环流上升运动支在600 hPa 附近，在对流层低层700 hPa 暴雨区上空存在南北风对峙，700 hPa偏南风最大风速9 m s−1，750 hPa 以下为偏北气流，700 hPa 暴雨区逐渐由冷平流转为暖平流（图12e、f），对流层低层暖锋锋生，范围有所扩大，700～600 hPa 暴雨区处于锋面次级环流上升支。31日02时（图12c）对流层低层偏南风迅速增强，700 hPa偏南急流最大风速12 m s−1，同时对流层低层暖平流迅速增强至30×10−5K s−1（图12g），暖气团沿底层冷气团爬坡，冷暖气团交绥剧烈造成对流层低层暖锋进一步锋生，对流层中低层上升运动叠加，垂直经圈环流进一步增强，触发对流不稳定能量释放，利于中尺度对流云团发展。对流层低层偏南风辐合区对应锋生函数正值中心所在高度，说明低空环流大气水平运动和暖平流增强能够增大大气的斜压性，对暖锋维持和进一步锋生具有重要作用。31日08时（图12d）对流层低层暖锋向东北爬坡过程中再次锋生，哈密东部暖锋锋生函数中心达3.0×10−8K s−1m−1，对流层低层暖平流随高度向东北方向倾斜，强度增强（图12h），垂直上升运动倾斜发展，对流云团发展至成熟阶段。

图12 2018年“7.31”暴雨沿图5d 红色线段的（a−d）总锋生函数（彩色阴影，单位：10−8 K s−1 m−1）、经向风（等值线，单位：m s−1）剖面，（e−h）温度平流（彩色阴影，单位：K s−1）和流场（流线，单位：m s−1）的垂直剖面，图下方灰色阴影表示地形Fig. 12 Vertical cross-sections of (a−d) total frontogenesis function (color shadings, units: 10−8 K s−1 m−1) and meridional wind (contours, units: m s−1), (e−h) temperature advection (color shadings, units: K s−1) and stream field (stream, units: m s−1) along the red line in Fig. 5d during the “7.31”heavy rainstorm in 2018. The grey shadings below the figure depict the terrain

沿图6c 中红色线段做总锋生函数和经向风、温度平流和风场剖面（图13）发现，“8.8”暴雨前（7日14时），巴州北部的对流层低层—中层为弱西风气流和弱冷平流（图13a、e），对流层低层无明显锋生区，20时天山南麓附近对流层中层（600 hPa 附近）出现冷锋锋生区（图13b），锋生区附近有强冷平流与暖平流交汇（图13f），并伴有上升运动，对流层低层天山南麓—巴州北部存在断裂弱冷锋锋生区，同时对流层低层冷平流明显增强，巴州北部为弱偏东气流，在低层弱冷锋影响下出现少量降水。8日02时对流层中低层锋区逐渐向东北方向移动（图13c），巴州北部对流层低层由偏东风转为偏西气流，巴州北部附近出现风速辐合区，并伴有−40×10−5K s−1的冷平流大值中心和1.0×10−8K s−1m−1的冷锋锋生大值区（图13g），相应的上升运动范围也有所增大，在低空700 hPa冷锋锋生和风场辐合作用下，对流云团在巴州北部初生。8日08时，对流层低层至中层冷锋锋生明显（图13d），锋区自下向上向西倾斜并伴有强冷平流（图13h），最大冷平流达−40×10−5K s−1，低层锋生区逐渐向东北方向移至吐鄯托盆地—哈密北部，最大锋生函数增至1.5×10−8K s−1m−1，锋区附近垂直经圈环流增强使得对流云团进一步发展，随后向东北方向移至哈密北部地区，造成短时强降水天气。

图13 同图12，但为2016年“8.8”暴雨沿图6c 中红色线段的垂直剖面。红、蓝色三角形分别表示云团初生地、巴里坤镇大直沟站Fig. 13 As in Fig. 12, but for vertical cross-sections along the red line in Fig. 6c in the “8.8” heavy rainstorm in 2016. The red and blue triangles represent the generation area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town, respectively

通过锋生函数各项垂直剖面散度图（图14）可以发现，“7.31”暴雨对流云团发展初期（31日02时，图14a）锋生水平散度项大值区集中在750～700 hPa，水平散度项和由垂直运动发展引起的倾斜项大值中心分别为2.5×10−8K s−1m−1和2.0×10−8K s−1m−1（图14a、e），水平形变项为1.5×10−8K s−1m−1（图14c）。低空急流携带较低纬度暖湿气流造成暴雨区低层暖平流迅速增强，同时偏南气流风速辐合加强了水平暖锋锋生，暖空气的倾斜上升导致垂直锋生加强，增加了大气层结不稳定性，从而进一步促进了中小尺度系统的发展。由水平散度项和倾斜项引起的锋生激发了锋面次级环流的发生，是对流云团初生的重要触发因子。31日08时（图14b、d、f），低空东南急流转向，锋面向东北方向推进至哈密东部，散度项引起的锋生收缩至600 hPa 以下（图14b），受风场形变引起的辐合、辐散影响，暖锋前沿湿舌向东北方向伸展，锋区附近θse维持较高梯度，形变项和倾斜项引起的锋生分别增大至2.5×10−8K s−1m−1和3×10−8K s−1m−1（图14d、1f），再次加强了锋面次级环流，造成对流云团发展至最强阶段。

图14 2018年7月31日02时（左）和08时（右）沿图5d 中红色线段的锋生函数（a、b）散度项、（c、d）形变项和（e、f）倾斜项（阴影，单位：10−8 K s−1 m−1）及（a−f）假相当位温（等值线，单位：K）的垂直剖面Fig. 14 Vertical cross-sections of (a, b) the divergence term, (c, d) deformation term, (e, f) tilt term (shadings, units: 10−8 K s−1 m−1) for frontogenesis function, and (a−f) θse (contours, units: K) along the red line in Fig. 5d at 0200 BJT (left) and 0800 BJT (right) 31 July 2018

“8.8”暴雨过程对流云团发展初期（8日02时，图15a）巴州北部锋生水平散度项大值中心集中在850～600 hPa，大值中心为0.5×10−8K s−1m−1，而水平形变项和倾斜项作用比散度项小，为0.25×10−8K s−1m−1（图15c、e），说明对流云团初生阶段对流触发主要是水平散度项决定。8日08时，吐鄯托盆地—哈密北部对流层中低层冷锋锋生，700 hPa 散度项引起的锋生增至1.0×10−8K s−1m−1（图15b），并向上伸展至500 hPa 以上，形变项引起的锋生迅速增大至1.0×10−8K s−1m−1（图15d），同时由于锋区附近垂直运动发展，对流云团发展旺盛，使得倾斜项引起的锋生迅速增至3×10−8K s−1m−1（图15f）。以上分析说明“8.8”暴雨过程对流云团发展初始阶段，对流层低层冷锋锋生主要由水平辐散项决定，低空西南气流在巴州北部山前风速辐合导致水平冷锋锋生，产生锋面次级环流，造成对流云团在巴州北部山前发展。水平散度项引起的对流层低层冷锋锋生激发了锋面次级环流的发生，是对流云团初生的重要触发因子；对流云团成熟阶段，对流层低层冷锋锋生主要由倾斜项决定，对流云团沿低空切变线向东北方向移至吐鄯托盆地附近，低空风场辐合和风场的形变引起的辐合、辐散使得吐鄯托—哈密北部冷锋锋区附近θse维持在较高的梯度，同时风速辐合导致水平冷锋锋生，产生锋面次级环流，暖空气被迫抬升产生垂直锋生，增强了大气不稳定性，进一步促进了中尺度云团发展。

造成两次强降水过程的中尺度对流云团生命时间长，发展旺盛，“7.31”暴雨过程对流云团在对流层低层暖锋触发下生成和发展，并依次移过暴雨区，“8.8”暴雨巴州北部对流云团在对流层低层冷锋触发下生成，在向东北方向移动过程中，对流层中低层冷锋锋生进一步加强了锋面次级环流，对流运动发展旺盛。两次强降水过程中尺度对流云团触发因子不同，但中尺度对流系统维持和发展时间长，分析发现“7.31”暴雨和“8.8”暴雨期间，对流层低层700 hPa 东南急流的维持加强和低空切变线稳定维持是两次强降水过程中尺度对流系统长时间持续的主要原因。

低空急流不仅为“7.31”暴雨哈密东南部地区输送充沛的水汽，同时也为中尺度对流云团发生、发展提供不稳定环境场。31日02时（“7.31”暴雨初期，图16a），700 hPa 低空东南急流前出现等θse大值区，哈密东南部最大偏东风风速达18 m s−1，低层暖舌沿急流伸入暴雨区，造成哈密东南部低层增暖增湿，不稳定能量在暴雨区积聚，利于暖锋锋生，锋面次级环流的增强再次增大低层风速辐合，加剧水汽辐合抬升，利于对流系统发展。31日08时（图16b）低空偏东急流转为偏南气流，暖舌沿急流向东北方向伸展，暖湿气流进一步向哈密地区输送，哈密探空站700 hPa 比湿达11 g kg−1，中β 尺度云团G（图5e）附近出现等θse梯度大值区，低层暖平流加强造成暖锋再次锋生，对流云团发展至最强阶段，造成哈密东南部地区出现极端短时强降水天气。结合前文分析发现，低空急流携带暖湿气团造成暴雨区低层增温增湿，加大了暴雨区上空大气层结不稳定性，同时低空急流前气流风速辐合也加强了水平暖锋锋生，锋面次级环流的增强，进一步促进了对流运动的发展。由此可见，低空急流在“7.31”暴雨过程中，一方面为暴雨区提供了有利于对流发展的不稳定环境场，另一方面，急流前的风速辐合加强了低层锋生，为对流触发提供了有利的动力条件，这与任丽等（2021）研究结果较为相似，低空急流前辐合抬升及次级环流上升气流共同作用触发对流发展。

图16 2018年7月31日（a）02时、（b）08时，2016年8月8日（c）02时、（d）08时700 hPa 风场（箭头，单位：m s−1）和假相当位温（等值线，单位：K）分布。图a 和b 中红色、蓝色圆点分别代表沁城乡小堡站、淖柳公路站，红色虚线矩形框区为哈密地区。图c 和d中红色、蓝色圆点分别代表巴里坤镇大直沟站和云团初生地Fig. 16 Wind (arrows, units: m s−1) and θse (contours, units: K) at 700 hPa at (a) 0200 BJT, (b) 0800 BJT 31 July 2018, (a) 0200 BJT, (b) 0800 BJT 8 August 2016. In Figs. a, b, the red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively, the red dashed rectangle denotes Hami area. In Figs. c, d, the red and blue dots denote the Dazhigou station in Balikun town and generation area of convective cloud,respectively

“8.8”暴雨降水初期（8日02时，图16c），对流层低层吐鄯托盆地—哈密北部和巴州北部均存在低空切变线，切变线附近对应等假相当位温密集带，在西南气流与浅山区地形辐合抬升下，低空水汽辐合聚集，巴州北部附近对流云团生成，并沿低空切变线向东北方向移动。8日08时（图16d）低空切变线附近西北气流明显增强，吐鄯托盆地—哈密北部附近对流层低层至高层冷锋锋生，等假相当位温梯度明显增大，锋面次级环流加强，充沛的水汽和不稳定能量聚集在锋区附近，哈密探空站700 hPa 比湿由5 g kg−1增至8 g kg−1，对流云团发展并继续向哈密北部移动，进而影响哈密北部地区。低空切变线的维持不仅加强了冷锋锋生，垂直运动发展，同时也将前期暴雨区附近水汽迅速汇集于切变线一线，使得中尺度云团在沿切变线东北移动过程中发展，造成哈密北部短时强降水。

“7.31”暴雨对流云团发展初期（31日02时，图17a），哈密东南侧地区高层辐散，低层强烈水平辐合，300 hPa 最大辐散和700 hPa 最大辐合中心分别为4×10−5s−1和−13×10−5s−1，暴雨区附近700 hPa 以上深厚气旋性涡柱向东北倾斜并伸展至300 hPa（图17c），700 hPa 和450 hPa 正涡度中心分别为14×10−5s−1和16×10−5s−1，涡度中心对应垂直运动大值区，深厚气旋性涡柱和低层强水平辐合造成暖锋锋区表现为随高度向东北方向伸展的一条正涡度柱，高低空急流耦合形成的次级环流加强了对流运动的发展，为暴雨的发生起重要的动力作 用。31日08时，300 hPa 辐 散 进 一 步 增 强 至8×10−5s−1（图17b），700 hPa 辐合区向东北方向伸展，上升运动大值区逐渐移至哈密东部，涡度柱也由前期的倾斜结构转为与地面垂直结构（图17d），垂直运动由倾斜上升转为垂直上升。高空抽吸和强低层辐合，利于锋面次级环流的维持和发展，低空急流的迅速增强是对流发展旺盛的增强机制，这与季风区相关研究结论较为一致（刘鸿波等, 2014; 侯淑梅等, 2017; 张芹等, 2018）。

图17 2018年7月31日（a）02时和（b）08时300 hPa（等值线，单位：10−5 s−1）和700 hPa（彩色阴影＜−3×10−5 s−1）散度场，红色虚线矩形框区为哈密地区，红色、蓝色圆点分别代表沁城乡小堡站、淖柳公路站。2018年7月31日（c）02时和（d）08时沿图5d 中红色线段的涡度（彩色阴影，单位：10−5 s−1）和垂直速度（等值线，单位：Pa s−1）垂直剖面，灰色阴影代表地形Fig. 17 300-hPa (contours, units: 10−5 s−1) and 700-hPa (color shadings＜−3×10−5 s−1) divergence at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 31 July 2018.The red dashed rectangle denotes Hami area. The red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively.Vertical cross-sections of vorticity (color shadings, units: 10−5 s−1) and vertical velocity (contours, units: Pa s−1) along the red line in Fig. 5d at (c) 0200 BJT and (d) 0800 BJT 31 July 2018. The grey shadings represent the topography

“8.8”暴雨过程中尺度云团发展初期（8日02时，图18a），巴州北部300 hPa 最大辐散中心4×10−5s−1，配合低层700 hPa 强辐合区（最大辐合中心−7×10−5s−1），在低层强烈水平风和地形辐合作用下，垂直运动发展，同时暴雨区附近700～600 hPa 气 旋 性 涡 柱 向 西 倾 斜（图18c），700 hPa 正涡度中心为8×10−5s−1，对流层低层弱冷锋触发下，巴州北部上升运动发展，最大上升运动为−0.9 Pa s−1，涡度中心对应垂直运动大值区；8日08时（图18b）对流层高层300 hPa 辐散进一步增强，最大辐散中心增强至12×10−5s−1，且范围明显增大，同时700 hPa 吐鄯托盆地—哈密北部均处于辐合区，最大辐合中心为−15×10−5s−1，对应吐鄯托盆地—哈密北部出现近乎与地面垂直的涡度柱（图18d），最大涡度中心达24×10−5s−1，强烈的高空抽吸和低层辐合加强了冷锋锋面次级环流，使垂直运动迅速发展，对流运动发展至最强，对流云团在吐鄯托盆地发展旺盛，随后进入哈密北部造成短时强降水天气。

图18 2016年8月8日（a）02时、（b）08时300 hPa（等值线，单位：10−5 s−1）和700 hPa（彩色阴影＜−3×10−5 s−1）散度场。2016年8月8日（c）02时、（d）08时沿图6c 中红色线段的涡度（彩色阴影，单位：10−5 s−1）和垂直速度（等值线，单位：Pa s−1）垂直剖面，红色、蓝色三角形分别代表云团出生地、巴里坤站Fig. 18 300-hPa (contours, units: 10−5 s−1) and 700-hPa (color shadings＜−3×10−5 s−1) divergence at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 8 August 2016.Vertical cross-sections of vorticity (color shadings, units: 10−5 s−1) and vertical velocity (contours, units: Pa s−1) along the red line in Fig. 6c at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 8 August 2016. The red and blue triangles denote the generation area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town,respectively

5 结论与展望

通过对“7.31”暴雨和“8.8”暴雨两次哈密暴雨天气过程中尺度对流系统演变和触发机制进行分析，结合对强降水期间大气的不稳定性及锋面锋生函数的讨论，给出了两次强降水过程对流触发机制的异同点，得出以下结论：

（1）“7.31”暴雨期间，500 hPa 西太副高位置异常偏北（图19），哈密东南部由西太副高外围偏南气流控制，700 hPa 副高南侧偏东急流稳定维持，暖舌沿急流向西北伸展，低层增暖增湿，造成暴雨区上空形成不稳定大气层结。“8.8”暴雨期间，500 hPa 西太副高位置异常偏西，中纬度低槽前西南气流和西太副高外围西南气流汇集于哈密北部，700 hPa 巴州北部—哈密北部风切变线长时间维持，为暴雨的产生和中尺度云团发展提供了有利的动力条件。

图19 2018年“7.31”暴雨（左）和2016年“8.8”暴雨（右）概念模型。字母L、D 表示地面高压和低压系统Fig. 19 Conceptual models of the “7.31” heavy rainstorm in 2018 (left) and the “8.8” heavy rainstorm in 2016 (right). Letters L, D represent surface high pressure and low pressure systems

（2）两次暴雨天气均与长生命史的中尺度对流云团密切相关（图19）。对流层低层暴雨区暖锋锋生是“7.31”暴雨过程中尺度对流云团的主要触发因子，锋面次级环流上升运动与对流运动发生、发展密切相关，高空西南急流和低空东南急流的维持加强利于锋面次级环流发展，配合地形辐合抬升，是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。

“8.8”暴雨期间对流云团为对流层低层弱冷锋触发，低空切变线长时间维持和加强利于低层冷锋进一步锋生，是造成中尺度对流系统长时间持续的主要原因。

（3）“7.31”暴雨降水初期中尺度云团对流触发主要是由锋生水平散度项和倾斜项决定，低层暖平流增强和偏南气流风速辐合，导致水平暖锋锋生并产生锋面次级环流，暖空气倾斜上升产生垂直锋生，进一步增强了大气不稳定性，促进中小尺度对流系统发展。对流云团成熟阶段，变形项和倾斜项引起的锋生再次加强了锋面次级环流，使得对流云团得以发展。“8.8”暴雨对流云团发展初始阶段，对流层低层冷锋锋生主要由水平辐散项决定，低空西南气流在巴州北部山前风速辐合导致水平冷锋锋生，产生锋面次级环流，造成对流云团在巴州北部山前发展。对流云团成熟阶段对流层低层冷锋锋生主要由倾斜项决定，对流云团沿低空切变线向东北方向移动，低空风场辐合导致水平冷锋锋生，产生锋面次级环流，暖空气被迫抬升产生垂直锋生，增强了大气不稳定性，进一步促进了中尺度云团发展。

随着全球变暖和水循环加快，近年来东天山哈密地区暴雨频发，作为国家“丝绸之路经济带”重要节点城市，东天山哈密地区暴雨天气逐渐引起各方关注，且季风区与干旱、半干旱地区气候背景、地形条件各不相同，造成短时强降水的中尺度系统发生、发展机理差异较大。针对我国东部季风区极端暴雨和强对流天气事件的机理研究开展了一系列工作，为季风区强对流天气预报预警服务提供了理论支撑和技术保障，而针对干旱、半干旱的新疆地区，尤其是地表植被稀疏，对暴雨抵抗能力弱的东天山地区开展的强对流天气相关研究匮乏，本文通过计算暴雨期间锋生函数，结合中尺度对流系统活动特征分析，找出了两次暴雨过程中尺度对流系统触发因子差异，但研究工作仅针对了两次天气过程，研究样本量少，使用的再分析资料为NCEP/NCAR的FNL 再分析数据分辨率较低，因而今后将针对干旱、半干旱区暴雨事件，加大研究样本，利用ECMWF 发布的第一代全球ERA-Interim（0.125°×0.125°）再分析资料开展对比研究，同时，应用WRF 数值模式、多源气象探测数据深入探讨干旱区中尺度对流触发机理研究工作，增强对干旱、半干旱区暴雨形成的认识，从而为提高东天山哈密地区降水预报预警工作提供一定的参考依据。