白松竹 熱依拉·玉努斯 洪月 張云惠

（1 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；2 哈密市氣象局，哈密 839000；3 新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，烏魯木齊 830002）

0 引言

哈密位于新疆東部，地形復雜、區(qū)域遼闊，天山山脈從東至西橫貫中部，將其分為南北兩部分，北部降水充沛，氣候溫涼；春秋季節(jié)冷空氣活動頻繁，冷熱變化劇烈；南部光照充足，熱量豐富，干旱少雨。年平均暴雨日數(shù)除位于山北的巴里坤為1.1 d外，其余各站年平均暴雨日數(shù)均不足0.1 d。哈密境內(nèi)暴雨多是在有利的大尺度環(huán)流背景下，南支鋒區(qū)穩(wěn)定在40° N且強，鋒區(qū)小槽與北支冷槽匯合，具有有利的風場輻合切變及三股氣流的配合[1-4]下形成的。2018年7月31日（簡稱“7.31”暴雨）哈密市南部暖區(qū)暴雨天氣引發(fā)洪水災害，造成伊州區(qū)一水庫潰壩，損失慘重。黃士松[5]最早針對華南前汛期提出了暖區(qū)暴雨的定義，此類暴雨具有降水強度大、時段集中、對流性質明顯的特征。華南暖區(qū)暴雨多集中發(fā)生在每年的4—6月，這一時期低緯度暖濕氣團增強北進而中高緯干冷氣團減弱北退，冷暖氣團交界面停止在中高緯度，使得華南地區(qū)形成了更多遠離鋒面區(qū)的暖區(qū)暴雨[6]。而近幾年關于北方暖區(qū)暴雨的研究也越來越多。一些學者研究指出：2012年7月21日發(fā)生在北京的大范圍大暴雨，整個過程可分為鋒前暖區(qū)降水和鋒面降水兩個階段[7-9]，并且指出河北省拒馬河流域洪澇災害主要由暖區(qū)暴雨引起，北京西南部洪澇災害既有暖區(qū)降水的作用，又有鋒面過境降水的作用。王寶鑒等[10]、傅朝等[11]對2013年6月19—20日在甘肅隴東南出現(xiàn)的一次罕見暖區(qū)降水過程的中尺度特征和多普勒雷達特征做了深入的分析。對于新疆暖區(qū)降水的研究，主要集中在北疆伊犁、塔城、阿勒泰地區(qū)冬季的暖區(qū)降雪，許多學者針對暖區(qū)降雪的氣候特征、環(huán)流形勢、形成機理、模型特征等方面做了大量的研究[12-15]。但在新疆夏季出現(xiàn)暖區(qū)暴雨較少，曾勇等[16]對2016年新疆西部出現(xiàn)的一次極端特大暴雨過程研究表明，中低層暖平流、風切變和天山地形對天山迎風坡暴雨中尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生和向上強烈發(fā)展有重要的作用。本文選用中國氣象局提供的全國探空資料、區(qū)域自動站逐小時資料和逐5 min觀測、國家衛(wèi)星氣象中心提供的1 km高分辨率FY-2G衛(wèi)星云圖資料，以及美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）氣候預報系統(tǒng)的全球1°×1°逐6 h再分析資料，分析了“7.31”暴雨的環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)，及造成這次暴雨的動力熱力特征和中尺度特征，旨在為今后預報員認識和預報該類大暴雨天氣提供一些參考依據(jù)。

1 降水概況

新疆降水稀少，空氣干燥，根據(jù)新疆有關業(yè)務規(guī)定，大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨標準分別為日降水量（20時—次日20時）R＞12 mm、24 mm、48 mm和96 mm，短時強降水標準為10 mm/h。2018年7月31日哈密市出現(xiàn)罕見暴雨過程，全市有12站出現(xiàn)大雨，10站出現(xiàn)暴雨，2站達大暴雨，2站達特大暴雨；強降水有兩個大值中心，一個中心位于沁城小堡，降水量為115.5 mm，是哈密南部伊州區(qū)年平均降水量（43.7 mm）的2.6倍；另一個位于淖柳公路33 km處，降水量達105.4 mm（圖1a），是淖毛湖年平均降水量（23.4 mm）的4.5倍；沁城小堡和淖柳公路33 km處日降水量達到全國大暴雨標準（R＞100 mm）。伊吾站日降水量為39.8 mm，居歷史極值第二位；淖毛湖日降水量33.3 mm，突破有氣象記錄以來日降水量和月降水量的歷史極值；沁城降水量78.9 mm，是伊州區(qū)年平均降水量的1.8倍，降水量之大，為歷史罕見。

對暴雨中心區(qū)域的沁城小堡、沁城、下馬崖、淖柳公路33 km 4站逐小時降水量演變（圖1b）進行分析表明，降水主要發(fā)生在31日02—14時，強降水時段集中出現(xiàn)在31日07—10時，最大雨強出現(xiàn)在沁城鄉(xiāng)，達29.5 mm/h；沁城鄉(xiāng)小堡村07時和08時連續(xù)2小時雨強達29.2 mm/h，4 h累計降水量達84.9 mm；淖柳公路33 km和下馬崖雨強相對較小，分別為20.9 mm/h和18.4 mm/h。

圖1 哈密市2018年7月31日—8月1日累計降水量分布（a）和7月31日02—14時4站逐小時降水量（b）（單位：mm）Fig. 1 (a) The distributions of accumulative precipitation in Hami from 31 July to 2 August 2018, (b) Hourly precipitation of automatic meteorological four stations in 02-14 BT 31 July 2018 (unit: mm)

2 環(huán)流背景

2.1 環(huán)流形勢

新疆夏季暴雨發(fā)生時，南亞高壓呈雙體型（出現(xiàn)東、西兩個閉合高中心），兩個中心分別位于伊朗高原和青藏高原東部，且西部的高壓中心強于東部的高壓中心[1,4,17-20]?！?.31”暴雨發(fā)生前，29日100 hPa南亞高壓雙體型已形成，西部中心位于里海南部，中心強度為1684 dagpm，東部中心位于蒙古中部，中心強度為1692 dagpm，明顯強于西部的高壓中心，這與以往的暴雨明顯不同，且這種形態(tài)一直持續(xù)至暴雨結束。南壓高壓東強西弱，有利于長波槽前西南急流建立、維持及南伸[17-18]，造成哈密市的大降水天氣。暴雨發(fā)生前，7月29—30日200 hPa副熱帶大槽槽底伸至30°N附近，哈密位于副熱帶槽前西南氣流控制，隨著西南急流的不斷增強，在30日20時急流中心最大風速達68 m/s，比新疆西部極端暴雨的急流強度大12 m/s[16]，暴雨區(qū)位于強西南急流入口區(qū)右側，強烈的輻散抽吸為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的動力條件。

29日500 hPa上歐亞范圍中高緯上為兩脊一槽型，伊朗副高發(fā)展并與歐洲脊疊加，脊頂北伸至70°N以北，脊前不斷有弱冷空氣南下，在中亞地區(qū)堆積；西太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高，下同）西伸北挺，588 dagpm線位于河套至東北地區(qū)，西部脊頂伸至98°E附近；西西伯利亞低槽分為兩段，北段位于新疆北部國境線一帶，南段位于巴湖以南的中亞地區(qū)。歐亞范圍中緯度地區(qū)形成“兩高夾一低”的形勢。30日，西西伯利亞低槽北段北收至泰米爾半島一帶，南段在中亞地區(qū)形成低渦，槽底南伸至20°N以南，西太副高西伸北挺增強，588 dagpm 線位于哈密東部95°E附近，中心增強至592 dagpm，中亞低渦前部西南氣流與西太副高西側偏南氣流在哈密西部匯合，偏南氣流不僅為暴雨提供了水汽，由于暖平流的作用，導致大氣中低層溫度升高，產(chǎn)生能量聚集。20時后中亞低渦東移減弱，西太副高減弱東退南撤，造成哈密市極端暴雨的產(chǎn)生。

進一步計算暴雨發(fā)生時500 hPa高度距平發(fā)現(xiàn)，暴雨發(fā)生時7月30—31日中亞地區(qū)為低值系統(tǒng)活動區(qū)，負距平達40～80 dagpm；哈密—內(nèi)蒙古—東北地區(qū)受副熱帶高壓控制，正距平達到60～80 dagpm，副高西伸脊點（588 dagpm等高線）較常年偏北10個緯距，偏西14個經(jīng)距?？梢?，此次暴雨產(chǎn)生在西太副高西部，且西太副高西伸北挺的位置明顯偏北、偏西，與新疆南部和西部的極端暴雨[16-17]存在顯著差異；西太副高在此次暴雨過程中起到了水汽輸送和阻滯系統(tǒng)東移的作用，這與我國江南地區(qū)副高型暖區(qū)暴雨相似[21-22]，具有局地性、爆發(fā)性強，強降水時間集中的特征。

在700 hPa上，河西走廊西部有一暖性低渦，30日低渦前部沿河西走廊東南氣流上最大風速達14 m/s，該區(qū)域露點溫度達9～13 ℃，接近飽和。隨著500 hPa西太副高的西伸北抬，東南氣流逐漸加強，在暴雨開始前，31日02時達16 m/s，形成低空急流，哈密位于東南急流出口區(qū)左側輻合區(qū)，低空急流不僅使暴雨區(qū)增暖增濕，急流前端強烈的水平輻合運動也有利于上升運動在暴雨區(qū)形成和維持[23]。31日08時后，隨著西太副高的東撤，低空急流逐漸消失，降水隨之減弱。

海平面氣壓場上，暴雨前29日，青藏高原東北部熱低壓發(fā)展北上，控制哈密，中心值為1000 hPa，高壓位于45°N以北，呈帶狀分布。30日20時，青藏高原東北部熱低壓逆轉，呈西北—東南向，中心加強至995 hPa，冷高中心位于貝湖西南部的蒙古地區(qū)，中心為1015 hPa，形成高低對峙形式，哈密位于冷鋒前部暖區(qū)內(nèi)，高溫高濕，有強對流天氣發(fā)生的潛勢。31日11時，隨著冷高壓向西南伸，弱冷空氣進入哈密，降水隨之減弱。可見，在暴雨發(fā)生前和發(fā)生時，哈密一直位于暖區(qū)，沒有冷空氣的加入。

2.2 高低空系統(tǒng)配置

29—31日100 hPa南壓高壓為雙體型，且東部中心強于西部中心；200 hPa副熱帶大槽的建立與維持，使中亞槽前西南急流進入哈密上空，急流中心位于43°N、90°E附近，哈密處于槽前高空急流核出口區(qū)的右側；暴雨發(fā)生前、過程中和結束時這支高空急流的位置緩慢北抬。有關研究表明[24-27]，較強高空輻散場的通風和抽吸作用有利于加強中低層輻合上升運動。哈密南部高層長時間處于高空急流核入口區(qū)的右側，有助于中低層垂直運動維持加強，而強烈的上升運動又是暴雨形成的重要條件之一。

500 hPa副高異常北上，哈密位于副高西側偏南氣流上，偏南氣流為哈密暴雨提供了充足的水汽。30日20時700 hPa哈密探空站為ENE風，與東南氣流在哈密東南部形成輻合，使得低層水汽迅速集中，造成哈密南部的暴雨。850～700 hPa上30—31日沿河西走廊存在一支東南氣流，哈密位于東南急流出口區(qū)左側輻合區(qū)。高、中、低空風場的配置與700 hPa輻合線共同造成此次暴雨過程。

此次暴雨過程出現(xiàn)在冷空氣前部相當距離的588 dagpm等高線和700 hPa東南氣流上的暖區(qū)內(nèi)，是由于副高異常北上、中亞低渦及其延伸至哈密南部的暖式切變?yōu)橛绊懴到y(tǒng)的暴雨過程。這與江南地區(qū)、長江中下游地區(qū)暖區(qū)暴雨極為相似。暴雨期間，哈密一直處于槽前西南氣流上，同時西太副高的西伸北進及穩(wěn)定維持，都為此次暴雨提供了有利的環(huán)流背景。

3 要素分析

3.1 大氣層結分析

降水前期副高西北側的偏南氣流一直控制著河西走廊至哈密南部，對流層中層為暖脊控制，地面至700 hPa溫度及地面露點溫度緩慢升高，暴雨區(qū)上空的高低空溫差（850～500 hPa）達到26 ℃，不穩(wěn)定層結有利于對流天氣的發(fā)生。

分析距暴雨中心最近的哈密站T-lnp圖（圖2）發(fā)現(xiàn)，這次暴雨與一般的強對流天氣有很大不同，CAPE的作用不夠明顯?！?.31”暴雨開始前（30日20時），深厚濕層集中在600～400 hPa，在近地層存在淺薄的不穩(wěn)定層結，在500～400 hPa存在不穩(wěn)定層結，CAPE值為0，CIN也為0，表明很容易就能啟動對流或者對流已經(jīng)開始，可能是由環(huán)境的動力強迫抬升以維持降水[28]。從風場垂直切變來看，850～700 hPa風隨高度逆轉，有冷平流；700 hPa以上風隨高度順轉，有暖平流，垂直風切變?yōu)?.31×10-3s-1。02時T-lnp圖上，700 hPa以上整層為濕層，從850 hPa開始風隨高度順轉，哈密上空整層為暖平流，垂直風切變增大為8×10-3s-1，探空曲線呈現(xiàn)為短時強降水特征。

圖2 2018年7月30日20時（a）、31日02時（b）哈密站T-lnp圖Fig. 2 Sounding chart of Hami Station at 20:00 BT on 30 July (a) and 02:00 BT on 31 July 2018 (b)

假相當位溫θse是集溫度、氣壓、濕度于一體的表征大氣中能量分布的物理量[25]，它反映了大氣的溫濕狀況，其水平和垂直分布可以反映大氣中的能量分布、垂直穩(wěn)定度狀況和大氣濕斜壓性[27]。其表達式為：，其中：T為大氣溫度，L為凝結潛熱，cp為定壓比熱，R為比氣體常數(shù)。分析暴雨發(fā)生階段假相當位溫空間分布發(fā)現(xiàn)，850～500 hPa從30日08時—31日02時，東北—西南走向的θse鋒區(qū)位于南疆—河西走廊—內(nèi)蒙古一帶，暴雨區(qū)位于等θse線密集帶的西南側邊緣，即θse能量鋒區(qū)的高能區(qū)一側。暴雨發(fā)生時，700 hPa哈密南部存在強度達352 K的高能舌，該高能舌與東南氣流相聯(lián)系，反映的是一股高能、高濕、不穩(wěn)定的暖濕氣流，向哈密南部輸送了大量的水汽和不穩(wěn)定能量。

為了能夠清晰地看出系統(tǒng)的垂直結構，沿42.9°N作垂直環(huán)流的經(jīng)度剖面可見，31日02：00，一支強勁的偏南氣流由南至北通過河西走廊向北輸送水汽，受地形的影響，在暴雨區(qū)上空明顯抬升，暴雨區(qū)上空為整層的上升運動，垂直速度大值中心位于95°E上空600 hPa附近，強度達到1.5 m·s-1，強上升運動源源不斷地將水汽和能量向上輸送，造成沁城小堡6 h降水量達79.8 mm的大暴雨天氣，08：00垂直速度大值中心仍然存在，但中心位置有所減弱、范圍縮小并向東北偏移，降水強度減弱，此后隨著垂直速度的迅速減弱，降水結束。

3.2 暴雨的水汽特征

7月30日20時，河西走廊西部至內(nèi)蒙古西部上空從地面到700 hPa大氣接近飽和，700 hPa和地面露點分別達到12 ℃、14 ℃左右，均超過北方區(qū)域性短時強降水發(fā)生的露點閾值（4～5 ℃，源自國家氣象中心強天氣預報中心編寫的《中尺度天氣圖分析技術規(guī)范》），可見強降水出現(xiàn)前期哈密南部低層已屬于大范圍高濕區(qū)。

環(huán)境大氣所含水汽的豐沛程度與引發(fā)的暴雨強度有密切關系，新疆屬于干旱半干旱地區(qū)，肖開提等[29]研究指出：新疆大降水過程水汽在一定的環(huán)流條件下，在新疆境外集中，并在合適的環(huán)流條件下通過接力輸送機制輸送到暴雨區(qū)。分析各層水汽通量場發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨過程，水汽源地一是阿拉伯海、孟加拉灣的水汽隨500 hPa副高前偏南氣流輸送至哈密市，二是阿拉伯海、孟加拉灣的水汽通過低層偏南風輸送至華北地區(qū)與來自黃海的水汽匯合，然后沿河西走廊與內(nèi)蒙的偏東急流進入哈密南部，這支異常的偏東急流水汽輸送在以往哈密暴雨中是罕見的。

分析暴雨期間逐層水汽通量散度發(fā)現(xiàn)700～500 hPa水汽輻合大值區(qū)與暴雨落區(qū)十分吻合。30日08時700 hPa上哈密南部沁城一帶出現(xiàn)水汽輻合，中心值為-3×10-4g·cm-2·s-1·hPa-1，之后輻合不斷加強，中心緩慢東北上，31日02時水汽通量散度負值中心下降到-5×10-4g·cm-2·s-1·hPa-1，大值區(qū)與強暴雨區(qū)一致。31日14時，隨著副高東南撤，輻合轉為輻散，降水結束。

3.3 地形影響下的動力抬升

哈密市位于天山東端，地形可以概括為“四山夾三盆”，天山橫貫，山、盆相間，由北向南依次為：小哈甫提克山、大哈甫提克山、呼洪得雷山、蘇海廷山、三塘湖—淖毛湖盆地、莫欽烏拉山（北山）、巴里坤盆地、巴里坤山—哈爾里克山、哈密盆地、嘎順戈壁位于最南部。地形中高南北低，地勢差異大。中部是天山主脈—巴里坤山、哈爾里克山和支脈莫欽烏拉山等高大山地，呈西北—東南向延展，南北兩側為中、低山區(qū)。整個山區(qū)面積占總面積的五分之三。在四個山地之間相間橫列著三個斷陷盆地，其長軸方向與山地相近，即西北—東南向，盆地近東西向。哈密盆地地勢東北高，西南低；東為淖毛湖盆地，海拔均在1000 m以下，中間一帶形成兩個盆地最低處（300多米），是哈密市山北緯度最高、地勢最低的地區(qū)。此次特大暴雨過程集中在哈密市東南部及淖毛湖盆地，其地形作用不容忽視。特大暴雨開始前，哈密市受中亞低渦前部西南氣流所控制，隨著西太副高的西伸北抬，低渦前部西南氣流與副高西側偏南氣流匯合加強，受到西北—東南向的天山山脈阻擋，700 hPa東南急流與東天山夾角近乎90°（圖3），天山地形的阻塞作用導致低層東南氣流轉向輻合，使得西南氣流強迫抬升，在沁城一帶上空形成一個中尺度垂直環(huán)流圈，為大暴雨過程提供較強的垂直上升運動。在副高東退過程中，西南氣流從東天山末端進入淖毛湖盆地，同樣受到中蒙邊境的小哈甫提克山阻擋，形成中尺度垂直環(huán)流圈，受地形影響中尺度垂直環(huán)流圈在山前增強、滯留。西南氣流同時將低緯度的暖濕氣流向暴雨區(qū)輸送，同時850～700 hPa偏東急流攜帶水汽北上，中低層水汽在迎風坡強烈輻合，使得降水進一步加強。

圖3 2018年7月31日02時700 hPa風場和地形（黑色圓點所示為暴雨區(qū)）Fig. 3 700 hPa wind field at 02:00 BT on 31 July 2018 and topography (black dot area is rainstorm)

4 中小尺度特點

4.1 中尺度對流系統(tǒng)

衛(wèi)星遙感可獲取大范圍數(shù)據(jù)資料，應用時空分辨率高的衛(wèi)星遙感資料可以監(jiān)測對流云團的生成、發(fā)展和移動，是強對流天氣預報預警的有效方法。利用風云2G（FY-2G）高分辨率紅外云圖可以看到，31日03時大暴雨區(qū)上風向哈密與甘肅交界的紅柳河一帶出現(xiàn)3個小云團（圖4），一個位于紅柳河南部甘肅境內(nèi)（云團A），另外兩個相距較近，位于哈密境內(nèi)紅柳河至沁城之間（云團B、云團C）；04時云團東北上，B、C兩個云團合并（以下稱為云團B），TBB增長到-46.64 ℃，在云團上風方向出現(xiàn)另一云團D。05時B云團繼續(xù)北上約20 km至沁城南部，水平尺度增長到95 km，TBB增長到-54.73 ℃；A云團東北上，TBB增長到-30.61 ℃。06時A云團快速北上，與B云團、D云團合并成為一個β中尺度對流云團，并移至暴雨區(qū)上空，水平尺度增長到126.6 km，TBB增長到-60 ℃，沁城及淖毛湖一帶的強降水開始。07—08時云團移速減慢，TBB＜-60 ℃面積增大，與此對應最強降水時段出現(xiàn)。09時云團東北上至淖毛湖一帶，沁城區(qū)域降水減弱，至10時云團東移出哈密境內(nèi)，強降水結束。

圖4 2018年7月31日FY-2G紅外云圖Fig. 4 Infrared cloud images of FY-2G satellite on 31 July 2018

以上分析可見，β中尺度對流云團在沁城至淖毛湖一帶滯留、增強造成哈密東南部暴雨或大暴雨天氣；暴雨中心發(fā)生在中尺度對流云團影響的區(qū)域，云頂亮溫值在－60～－32 ℃。

4.2 地面自動站資料分析

進一步分析暴雨前、中期，哈密市逐5 min區(qū)域自動站風場、露點資料發(fā)現(xiàn)，31日05：45，暴雨中心沁城附近出現(xiàn)明顯的γ中尺度切變線；該切變線在強降雨過程一直維持，09：35該切變消失，隨之暴雨中心降水減弱。從地面露點的分布來看，暴雨開始前沁城一帶地面露點在15 ℃左右，接近飽和，在07時暴雨開始時地面露點迅速增大到18 ℃左右，達到飽和。

5 引發(fā)哈密南部特大暴雨的天氣過程概念模型

綜上分析，總結出本次哈密南部特大暴雨天氣過程的高低空配置模型（圖5）：100 hPa南亞高壓雙體型且東部中心強于西部中心，200 hPa強西南急流維持在新疆中部；500 hPa中亞低槽（渦）南伸至30°N以南，西太副高異常西伸北挺，西部脊點伸至45°N附近，副高西側偏南氣流不僅為暴雨區(qū)提供了水汽，也導致大氣中低層溫度升高，產(chǎn)生能量聚集；700 hPa暖式切變線有利于氣流的輻合上升；地面中尺度切變與西北—東南走向的有利地形加劇了暴雨區(qū)的輻合上升；阿拉伯海、孟加拉灣北上的水汽通過500 hPa副高西側的偏南氣流接力輸送至中亞低值系統(tǒng)中，700 hPa西南氣流將孟加拉灣的水汽經(jīng)青藏高原東部的偏南、東南氣流和850 hPa華北—內(nèi)蒙古的偏東氣流將渤海的水汽接力輸送至降水區(qū)上空；低空暖濕氣流的匯入同時增強了氣團的潛在不穩(wěn)定，為對流系統(tǒng)的發(fā)展和降水的發(fā)生提供了有利的條件。

圖5 哈密南部暖區(qū)暴雨高低空配置模型Fig. 5 High to low altitude model of warm-sector heavy rainfall in south Hami