中亞低渦背景下新疆連續短時強降水特征分析

曾　勇，楊蓮梅*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆　烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆　烏魯木齊830002）

中亞低渦背景下新疆連續短時強降水特征分析

曾勇1，2，楊蓮梅1，2*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊830002）

利用新疆2005—2014年5—9月經過整編的105個氣象站逐小時地面降水資料、美國國家環境預測中心和大氣研究中心NECP/NCAR的空間分辨率為2.5°×2.5°逐日再分析資料，提出了中亞低渦背景下新疆連續短時強降水定義，分析了中亞低渦背景下新疆連續短時強降水的時空分布特征，中亞低渦不同發展階段新疆連續短時強降水的環流特征。結果表明：（1）中亞低渦背景下新疆連續短時強降水呈現北部多于南部、西部多于東部、山區多于平原和盆地的分布特征，4個高頻中心分別位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山區，海拔在1800～2000 m的站點出現次數最多。（2）近10 a 5—9月，中亞低渦背景下新疆連續短時強降水具有明顯的日變化，呈單峰分布型，主要發生在14—04時，約占76%，峰值在18—22時。連續短時強降水有明顯的年變化，7月最多，達0.9次/a，8月次之，為0.8次/a，5月最少，只有0.1次/a。（3）中亞低渦發展期低渦西南部強鋒區造成短時強降水，成熟期分為長時間和短時間持續短時強降水環流型。長時間環流型低渦前部強西南氣流造成短時強降水，短時間型分低渦前強西南氣流和低渦底部強鋒區造成短時強降水，消亡期低槽后部西北氣流和低槽前部西南氣流均可造成短時強降水。

中亞低渦；連續短時強降水；時空分布；環流特征

曾勇，楊蓮梅.中亞低渦背景下新疆連續短時強降水特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（4）：67-72. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.010

新疆位于中國西北部，面積約1.66×106km2，占中國國土面積的六分之一。遠離海洋，深居內陸，四周有高山阻隔，海洋濕氣不易進入，境內多沙漠，著名的塔克拉瑪干沙漠及古爾班通古特沙漠等分布于區內的天山南北，且氣候不受季風系統的直接影響。降水量的地區及季節分布極不均勻，各地、各季降水量差異很大。降水量分布趨勢是：北疆多于南疆，西部多于東部，山區多于盆地，山區迎風坡多于背風坡，盆地周圍多于中央。新疆地形復雜、植被覆蓋率低、生態脆弱，局部持續短時強降水具有突發性強、危害性大等特點，常常引起中小河流洪水、山洪、山體滑坡和泥石流等災害，沖壞水利設施、沖毀土地房屋、破壞公路鐵路，給國民經濟和人民生命財產帶來很大損失，對生態和水土保持也有很大的影響。

早在20世紀80年代，Hosking等[1]和Klaassen[2]就對短時強降水進行了研究。在國內，彭芳等[3]統計分析了貴州省汛期短時強降水的時空分布特征。韓寧等[4]對陜西、甘肅、寧夏三省（區）的短時強降水特征進行了統計。尹承美等[5]對濟南市區短時強降水進行了分析。馬思敏等[6]對寧夏固原市一次對流性天氣進行了模擬。

張家寶等[7-8]指出咸海以東到新疆常出現與烏拉爾脊聯系的天氣尺度的冷性渦旋系統，稱之為中亞低渦。中亞低渦是自對流層上部向下延伸的中期時間尺度（4 d以上）的深厚切斷低壓系統，是造成新疆暴雨（雪）、持續低溫天氣的重要影響系統之一。陸幗英[9]對1996年7月由中亞低渦造成的建國以來新疆最嚴重洪水災害的三次大范圍暴雨過程進行了分析總結，近年來利用新的資料和手段對中亞低渦的研究逐漸開展。張云惠等[10]對1971—2010年中亞低渦活動的時空分布、持續時間、移動路徑進行分析，并給出其對新疆天氣影響分類等特征。楊蓮梅等[11]總結了中亞低渦研究的若干進展和問題。李圓圓等[12]對一次中亞低渦造成的暴雪天氣過程進行分析。目前有關中亞低渦的研究集中于低渦造成暴雨、暴雪的天氣學診斷[13-19]。而中亞低渦引發短時強降水造成的危害最大，特別是持續的短時強降水。新疆氣象工作者在實際預報業務中發現目前氣象預報對中亞低渦背景下短時強降水是否出現、落區、落時很難把握，預報預警準確率不高，各類數值模式對中亞低渦造成的降水預報準確率較其他天氣系統低。目前對于中亞低渦背景下新疆連續短時強降水的研究還較少。本文在前人研究的基礎上，利用新疆2005—2014年5—9月105個氣象站逐小時地面降水資料、美國國家環境預測中心和大氣研究中心NECP/NCAR的空間分辨率為2.5°×2.5°逐日再分析資料，以及同期影響新疆的中亞低渦個例，提出了中亞低渦背景下新疆連續短時強降水定義，并分析了中亞低渦背景下新疆連續短時強降水的時空分布特征，以及中亞低渦不同發展階段新疆連續短時強降水的環流特征，為中亞低渦背景下新疆連續短時強降水的預報預警提供一些參考。

1　中亞低渦背景下新疆連續短時強降水定義

1.1中亞低渦定義

本文所定義的中亞低渦為張云惠等[10]提出的符合下列條件的一次過程：①500 hPa高度場低壓中心位置位于35°～55°N，60°～90°E，低壓中心至少能分析出兩條以上閉合等值線，并且有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環流系統；③低渦在上述區域內的生命史維持2 d或以上。根據中亞低渦的定義通過計算機編程，自動識別追蹤中亞低渦過程，再根據天氣圖反查得到2005—2014年5—9月中亞低渦過程。

1.2中亞低渦不同發展階段界定

為了研究中亞低渦不同發展階段短時強降水的發生情況，本文將低槽發展并形成切斷低渦過程稱為中亞低渦發展期，將中亞低渦閉合穩定并符合中亞低渦定義過程稱為中亞低渦成熟期，將中亞低渦

減弱成槽東移過程稱為中亞低渦消亡期。

1.3中亞低渦背景下新疆連續短時強降水定義

利用新疆2005—2014年5—9月經過整編的105個氣象站逐小時地面降水資料，中亞低渦背景下新疆連續短時強降水定義為：在中亞低渦發展期、成熟期和消亡期期間，以北京時00時為日界，區域內某天至少1站出現小時降水強度≥5.1 mm為一個短時強降水日，連續2 d或以上出現短時強降水日則定義為一次中亞低渦背景下新疆連續短時強降水過程。根據此定義得到了中亞低渦造成26次新疆連續短時強降水過程見表1。

表1　2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水事件發生和持續時間/d

2　中亞低渦背景下新疆連續短時強降水時空分布特征

2.1連續短時強降水空間分布特征

2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水次數的空間分布（圖1）有以下特點：連續短時強降水次數隨地形變化呈現北部多于南部、西部多于東部、山區多于平原和盆地，4個高頻中心分別位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山區，海拔在1800～2000 m的站點出現連續短時強降水的次數最多，出現次數最多的前3個站點分別為海拔1 942.5 m的天池站，出現22次，海拔1 871.8 m的小渠子站，出現17次，海拔1851 m的昭蘇站，出現16次，海拔升高或降低連續短時強降水次數都呈減少趨勢。

2.2連續短時強降水時間分布特征

中亞低渦背景下新疆連續短時強降水具有明顯的日變化，呈單峰分布型，主要發生在14—04時，即從午后到前半夜，占到總數的76%，峰值在18—22時，即20時前后最易發生連續短時強降水（圖2）。2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水的逐月分布見表2。7月發生頻率最高，達到0.9次/a，8月次之，發生頻率為0.8次/a，9月和5月發生頻率最低，分別為0.3次/a和0.1次/ a。在6—8月盛夏季節由于中亞低渦活動頻繁，地面溫度較高，大氣熱力不穩定層結較強，易發生連續短時強降水。

圖1　中亞低渦背景下新疆連續短時強降水次數的空間分布（陰影表示海拔高度）

圖2　2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水次數（單位：次）的日變化

2.3中亞低渦不同發展階段新疆連續短時強降水分布特征

表2　2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水次數逐月分布

中亞低渦在旋轉、東移過程中不斷有冷空氣分離南下，中層干冷空氣明顯，冷空氣侵入中高層促進層結不穩定，連續短時強降水過程低層幾乎都有風場切變、輻合存在，促發對流，進而造成連續數日的短時強降水。連續短時強降水能夠發生在中亞低渦的發展、成熟、消亡的各個時期，但是發生在成熟、消亡期較多，尤其是成熟期。在26次中亞低渦背景下連續短時強降水過程中，低渦發展期出現8次持續短時強降水，成熟期出現17次，消亡期出現11次。從影響時間看，發展期有16 d，成熟期61 d，消亡期22 d（圖3）。中亞低渦在發展和消亡期溫壓場結構不對稱、大氣斜壓性強，一旦有弱的擾動，易發生連續短時強降水，中亞低渦成熟期強度往往達到最強，冷空氣強度也達到最強，加之成熟期較發展和消亡期維持時間長，在低渦旋轉過程中不斷分裂冷空氣也易造成連續多日的短時強降水天氣。

圖3　1961—2014年5—9月中亞低渦各個發展階段連續短時強降水次數和影響天數

3　中亞低渦不同發展階段新疆連續短時強降水環流特征

3.1中亞低渦發展期

選取中亞低渦發展期造成新疆8次連續短時強降水進行合成分析（圖4），可以看出，500 hPa位勢高度場伊朗副熱帶高壓強烈向北發展與烏拉爾脊疊加形成低緯-高緯長波脊，脊頂向東北偏東方向伸展明顯，引導高緯冷空氣南下，在脊前巴爾喀什湖北部形成切斷低渦，同時西太平洋副熱帶高壓外圍584 dagpm線西伸至青藏高原上空，印度—中亞為平均長波槽，利于低緯阿拉伯海和印度洋暖濕空氣北上至中亞地區，為新疆持續短時強降水提供有利的水汽條件。新疆受低渦前部強西風鋒區控制，低渦分裂弱波動沿強鋒區東移過程中，往往使位勢不穩定加劇，冷暖空氣交匯劇烈產生連續短時強降水。

圖4　中亞低渦發展期短時強降水過程500 hPa位勢高度場（實線，單位：dagpm）和溫度場（虛線，單位：℃）

3.2中亞低渦成熟期

中亞低渦成熟期造成的17次新疆連續短時強降水過程可分為長時間連續短時強降水型和短時間連續短時強降水型。這里所說的長時間連續短時強降水型指中亞低渦成熟期持續5 d以上且造成5 d以上持續短時強降水；短時間過程指2～5 d過程。17次過程中共有5次長時間過程，12次短時間過程。從環流特征和產生連續短時強降水的位置及機理等方面又可以將12次短時間過程分為中亞低渦槽前型和中亞低渦底部型兩類，其中中亞低渦槽前型有7次過程，中亞低渦底部型有5次過程。

長時間連續短時強降水型100 hPa位勢高度場南亞高壓為雙體型，一個高壓中心位于伊朗高原上空，另一個高壓中心位于青藏高原上空，中亞為副熱帶大槽，亞洲副熱帶西風急流強盛且位于中亞副熱帶大槽底部呈西南—東北向，新疆位于急流出口區右側輻散區，為持續短時強降水提供有利垂直上升動力條件，這是新疆大降水過程典型環流配置。500 hPa位勢高度場伊朗副熱帶高壓東伸北挺明顯，與烏拉爾山脊疊加形成長波脊，且脊頂向東北方向伸展，西太平洋副熱帶高壓外圍584 dagpm線西伸至青藏高原且與貝加爾湖西側高壓脊疊加形成長波脊，中亞低渦穩定維持于兩個長波脊之間，因此低渦能長時間持續活動（超過5 d），低渦槽底可達35°N以南地區，利于低緯阿拉伯海水汽沿槽前西南氣流向中亞—新疆輸送，為新疆5 d以上持續性短時強降水提供有利水汽條件（圖5）。在這種高、中、低緯同位相兩脊一槽的穩定環流形勢下，新疆處于深厚低渦的西南側正渦度區和強西南氣流控制下，配合有利水汽條件易造成超過5 d的持續性短時強降水。

圖5　中亞低渦成熟期長時間連續短時強降水型500 hPa位勢高度場（實線，單位：dagpm）和溫度場（虛線，單位：℃）

中亞低渦槽前型500 hPa位勢高度場中高緯為烏拉爾山脊—中亞低渦—貝加爾湖脊環流形勢，而低緯伊朗副熱帶高壓在40°N以南活動，西太平洋副熱帶高壓在120°E以東活動（圖6a），因此歐亞范圍內低緯與中高緯環流系統不同步，使中亞低渦不易長時間維持，新疆短時強降水過程也不超過5 d。此種環流配置造成新疆短時強降水水汽主要來自西方路徑的里咸海，低緯水汽基本對新疆降水無貢獻，加之低渦東南側強西南氣流提供動力條件，新疆出現不超過5 d的持續短時強降水過程。

中亞低渦底部型500 hPa位勢高度場中高緯為西西伯利亞脊—中亞低渦—貝加爾湖脊環流型，中低緯為伊朗副熱帶高壓—阿拉伯海槽—青藏高原脊環流型，這兩套環流系統基本呈反位相，因此中亞低渦活動很少不超過5 d。中亞低渦位于新疆以北地區活動，低渦底部壓入北疆，鋒區壓過天山到達南疆盆地，并有明顯的冷中心與低渦配合（圖6b）。隨著低渦不斷打轉冷渦西部常有冷空氣不斷補充南下，新疆處于低層暖濕舌的后部，地面對應暖低壓，有利于低渦偏南部發生連續短時強降水。

3.3中亞低渦消亡期

根據造成連續短時強降水的低槽部位與降水落區關系，可將11次中亞低渦消亡期新疆連續短時強降水環流分為槽前西南氣流型和槽后西北氣流型兩類。

槽前西南氣流型500 hPa位勢高度場中亞低渦減弱為槽，新疆處于槽前強西南氣流控制的上升氣流區（圖7a），配合低渦發展和成熟期聚集的豐富水汽，較好的上升運動和水汽條件使此類環流型出現7次。

圖6　中亞低渦成熟期短時間連續短時強降水型500 hPa位勢高度場（實線，單位：dagpm）和溫度場合成分析（虛線，單位：℃）

槽后西北氣流型500 hPa位勢高度場中亞低渦減弱為槽東移后，經向環流轉為緯向環流，新疆處于中緯度強鋒區槽后西北氣流控制區（圖7b），槽后冷空氣疊加在低層暖濕氣團之上,中高層干冷，低層暖濕的結構使層結不穩定加劇，上冷下暖的不穩定形勢造成此類降水環流出現4次。

4　結論

（1）2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水呈北部多于南部、西部多于東部、山區多于平原和盆地的分布特征，4個高頻中心分別位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山區，海拔在1800～2000 m的站點出現連續短時強降水的次數最多，出現次數最多的前三個站點分別為海拔1 942.5 m的天池站，出現22次，海拔1 871.8 m的小渠子站，出現17次，海拔1851 m的昭蘇站，出現16次，連續短時強降水隨海拔升高或降低出現次數都呈下降趨勢。

（2）2005—2014年5—9月中亞低渦背景下新疆連續短時強降水具有明顯的日變化，呈單峰分布型，主要發生在14—04時，峰值在18—22時。中亞低渦背景下新疆連續短時強降水7月發生頻率最高，達到0.9次/a，8月次之，發生頻率為0.8次/a，9月和5月發生頻率最低，分別為0.3次/a和0.1次/a。

（3）在2005—2014年5—9月26次中亞低渦背景下，低渦發展期出現8次連續短時強降水過程，成熟期17次，消亡期11次。發展期新疆受低渦前部西風鋒區控制，鋒區中的弱波動在東移過程中，往往使位勢不穩定加劇，冷暖空氣交匯產生連續短時強降水。成熟期分為長時間連續短時強降水型和短時間連續短時強降水型，長時間連續短時強降水型南亞高壓呈雙體型分布，500 hPa伊朗副熱帶高壓東伸北挺明顯，西太平洋副熱帶高壓西擴明顯，兩長波脊之間為平均槽區，平均槽的槽底可達35°N以南地區，高、中、低緯天氣系統同位相疊加，環流形勢穩定，且由于下游脊的阻擋和充足的冷空氣補充以及較好的水汽輸送條件，往往造成5 d以上的持續短時強降水。短時間連續短時強降水型低緯和中高緯環流系統呈反位相分布，中高緯環流系統不宜長時間維持，因此中亞低渦維持時間較短不易造成5 d以上持續短時強降水。中亞低渦槽前型中亞低渦在東移過程中北收明顯，在槽前上升運動區，冷暖空氣交匯明顯，造成連續短時強降水。中亞低渦底部型低渦底部壓入北疆地區，鋒區壓過天山到達南疆盆地，造成低渦南部的連續短時強降水。中亞低渦消亡期分為槽前西南氣流型和槽后西北氣流型兩類，槽前西南氣流型中亞低渦減弱為槽以后，在槽前強西南氣流控制下產生連續短時強降水；槽后西北氣流型中亞低渦減弱為槽以后，在槽后西北氣流控制下產生連續短時強降水。

圖7　中亞低渦消亡期連續短時強降水型500 hPa位勢高度場（實線，單位：dagpm）和溫度場合成分析（虛線，單位：℃）

[1]Hosking J G,Stow C D.Ground-based,high-resolution measurements of the spatial and temporal distribution of tain fall[J].J Applied Meteor，1987，26（11）：1530-1939.

[2]Klaassen W.Determination of rain intensity from Doppler spectra of vertically scanning radar[J].J Atmos Ocea Tech. 1989，6（4）：552-562.

[3]彭芳，吳古會，杜小玲.貴州省汛期短時降水時空特征分析[J].氣象，2012，38（3）：307-313.

[4]韓寧，苗春生.近6年陜甘寧三省5—9月短時強降水統計特征[J].應用氣象學報，2012，23（6）：691-701.

[5]尹承美，梁永禮，冉桂平，等.濟南市區短時強降水特征分析[J].氣象科學，2010，30（02）：262-267.

[6]馬思敏，劉曉莉，楊侃，等.寧夏固原市一次對流性天氣的數值模擬[J].干旱氣象，2015，33（2）：278-290.

[7]張家寶，蘇起元，孫沈清.新疆短期天氣預報指導手冊[M].烏魯木齊：新疆人民出版社，1986：456.

[8]張家寶，鄧子風.新疆降水概論[M].北京：氣象出版社[M]. 1987：400.

[9]陸幗英.“96·7”新疆特大暴雨洪水預報服務總結[J].新疆氣象，1997，20（1）：31-33.

[10]張云惠，楊蓮梅，肖開提·多萊特，等.1971—2010年中亞低渦活動特征[J].應用氣象學報，2012，23（3）：312-321.

[11]楊蓮梅，張云惠，秦賀.中亞低渦研究若干進展及問題[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（5）：1-8.

[12]李圓圓，肖開提·多萊特，楊蓮梅，等.一次中亞低渦造成的新疆暴雪天氣過程分析 [J].氣象科學，2014，34（3）：299-304.

[13]黃艷，劉濤，張云惠.2010年盛夏南疆西部一次區域性暴雨天氣特征[J].干旱氣象，2012，30（4）：615-622.

[14]楊蓮梅，張云惠，湯浩.2007年7月新疆三次暴雨過程水汽特征研究[J].高原氣象，2012，31（4）：963-973.

[15]陳春艷，孔期，李如琦.天山北坡一次特大暴雨過程診斷分析[J].氣象，2012，38（11）：90-98.

[16]張云惠，陳春艷，楊蓮梅.南疆西部一次罕見暴雨過程的成因分析[J].高原氣象，2013，32（1）：191-200.

[17]王江，李如琦，黃艷，等.2013年南疆西部一次罕見暴雨的成因[J].干旱氣象，2015，33（6）：910-917.

[18]張建偉，劉海紅，阿斯瑪.2007年7月17日中天山暴雨天氣過程分析[J].沙漠與綠洲氣象，2008，2（3）：18-21.

[19]陳春艷，秦賀，唐冶，等.2012年3月新疆大范圍暴雨雪天氣診斷[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（2）：12-18.

[20]李建剛，馬玉英，姜彩蓮，等.天山山區中部一次局地暴雨成因分析[J].干旱氣象，2014，32（6）：972-979.

[21]李文莉，王寶鑒，吉惠敏，等.河西干旱區短時強降水過程的中尺度分析[J].干旱氣象，2013，31（2）：318-326.

[22]高潔，漆梁波.上海地區短時強降水特點及其影響[J].氣象與環境科學，2015，38（3）：52-60.

[23]張宇星，張寧，王超杰.2012年7月4日河南大暴雨過程的短時強降水成因分析[J].氣象與環境科學，2014，37 （4）：40-49.

[24]范昱，陳勇，王米吉，等.近32年長沙市短時強降水的氣候變化研究[J].氣象與環境科學，2013，36（4）：50-54.

[25]徐娟，紀凡華，韓風軍，等.2012年盛夏山東西部一次短時強降水天氣的形成機制 [J].干旱氣象，2014，32（3）：439-445.

Characteristics of Persistent Short-time Heavy Rainfall Causing by Central Asian Vortex in Xinjiang

ZENG Yong1，2，YANG Lianmei1，2
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Center for Central Asia Atmosphere Science Research，Urumqi 830002，China）

Using the reorganized hourly ground precipitation data of 105 weather stations from May to September during 2005-2014 in Xinjiang and 2.5°×2.5°NCEP reanalysis data,persistent shorttime heavy rainfall（PSHR）in Xinjiang causing by Central Asian vortex are defined,the temporalspatial distribution and circulation features are analyzed at different vortex periods.The results show that：（1）PSHR occur more at the north than the south,more at the west than the east,more at mountain than plain and basin,and four high-frequency centers are located in the northern Tacheng,Yili Valley,Central Tianshan Mountains and Western Mountains of Southern Xinjiang, appearing most frequently with an elevation of 1800～2000 m.（2）It appears obvious diurnal variation of unimodal distribution pattern,the main period is 14:00-04:00,about 76%,the peak is between 18:00-20:00.It has a significant monthly variation,the most in July,about 0.9 times per year,the second in August with 0.8 times per year,less in May only 0.1 times per year in the last 10 years. （3）short-time Heavy rainfall happened in the strong frontal zone of Southwestern Central Asian vortex during development period,the circulation of the maturity period is divided into the longtime circulation type and the short-time circulation type,the short-time heavy rainfall caused by strong southwesterly airflow in long time circulation type,and by strong southwesterly airstream and strong bottom frontal zone of vortex in short time circulation type.At decreasing period,both the northwest airflow after vortex and the strong southwestern airflow at vortex bottom cause short-time heavy rainfall.

central Asian vortex；continuous short-time heavy rainfall；temporal and spatial distribution；circulation features

P468.024

A

1002-0799（2016）04-0067-07

2016-03-21；

2016-05-04

科技部公益性行業科研專項（GYHY201506009），國家自然科學基金項目（41565003）共同資助。

曾勇（1990-），男，助理工程師，主要從事災害性天氣研究。E-mail：15099610397@163.com

楊蓮梅（1969-），女，研究員，主要從事災害性天氣研究。E-mail：yanglm@idm.cn