馮 瑤，阿依先木·尼牙孜，熱依拉·玉努斯

(1.新疆哈密市伊州區(qū)氣象局，新疆 哈密 839000；2.新疆哈密市氣象局，新疆 哈密 839000)

引 言

暴雨和極端降雨具有來勢猛、強(qiáng)度大、歷時短且局地性強(qiáng)等特點，常導(dǎo)致山洪、泥石流、滑坡等災(zāi)害性天氣發(fā)生，造成重大人員傷亡和巨額經(jīng)濟(jì)損失[1-3]，因此一直受政府和氣象部門高度重視。近年來隨著全球氣候變暖，我國西北區(qū)域極端降水事件的頻率和強(qiáng)度均呈升高趨勢[4]，且西北地區(qū)由于復(fù)雜的地形和下墊面及不同的氣候區(qū)域，暴雨和極端降雨的局地性、突發(fā)性、重災(zāi)性更為突出[5]。1980年代以來，新疆夏半年極端降雨量和頻次也呈增加趨勢，尤其是天山山區(qū)極端降水顯著增多[6-7]，其致災(zāi)性也越來越明顯。為有效預(yù)防或減小暴雨和極端降水的致災(zāi)性，尤其是對流性暴雨和極端降水造成的危害，有必要對其發(fā)生、發(fā)展機(jī)理及成因進(jìn)行更深入的研究。

暴雨和極端降水往往是多尺度系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。目前，有很多研究針對致災(zāi)性暴雨和極端降水天氣過程進(jìn)行診斷分析[8-12]，并對強(qiáng)降水發(fā)生機(jī)理及水汽特征等進(jìn)行研究[13-18]。暴雨和極端降水常發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下，并引發(fā)中小尺度對流性天氣系統(tǒng)產(chǎn)生[14]；低空急流的促進(jìn)作用為強(qiáng)降水提供水汽輸送，與高空急流配合提供暴雨所需的動力和熱力條件[15]；特殊地形作用使中低層氣流抬升和輻合，地面輻合線觸發(fā)對流發(fā)展致使暴雨增強(qiáng)[16-17]等，以上研究結(jié)論對暴雨強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)報提供了一定的參考依據(jù)。

哈密市地處新疆東部，天山山脈從東至西橫貫中部，屬典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，地形復(fù)雜，地表多以戈壁、荒漠為主，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。近年來，哈密市大降水出現(xiàn)的頻率及降水量均呈增加趨勢[19-21]，局地極端暴雨和短時強(qiáng)降水的出現(xiàn)頻次雖少，但一旦出現(xiàn)往往會造成山洪、泥石流等災(zāi)害，沖毀農(nóng)田、破壞公路、鐵路，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，甚至造成人員傷亡等，給當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和人們的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重的破壞和影響。2018年7月31日哈密發(fā)生了一次致災(zāi)性極端大暴雨天氣過程，本文從環(huán)流背景、物理量場、中尺度分析等方面對此次暴雨天氣過程的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行診斷分析，以期歸納總結(jié)此類暴雨天氣成因，為提高當(dāng)?shù)乇┯甑念A(yù)報能力積累經(jīng)驗、提供參考依據(jù)和技術(shù)支撐，更好地為當(dāng)?shù)卣罏?zāi)減災(zāi)提供更有效的服務(wù)。

1 資 料

所用資料包括2018年7月29日至8月2日哈密站探空資料、地面常規(guī)觀測資料、哈密市6個國家基本站和79個區(qū)域自動站逐時降水資料、NCEP再分析資料和FY-2G紅外云圖TBB資料。文中附圖所涉及地圖基于新疆維吾爾自治區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)508的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。降雨量標(biāo)準(zhǔn)采用新疆降水標(biāo)準(zhǔn)：日降雨量R≥24.1 mm、R≥48.1 mm、R>96.0 mm分別定義為暴雨、大暴雨、特大暴雨；雨強(qiáng)≥10.0 mm·h-1為短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)[22]。

2 天氣實況及災(zāi)情概述

2018年7月29日夜間至8月2日，哈密市出現(xiàn)有氣象記錄以來十分罕見的極端大暴雨天氣過程。哈密市79個區(qū)域站中，有39站累計降水量達(dá)到暴雨以上量級，其中7月31日，偏東區(qū)域15站出現(xiàn)暴雨，2站出現(xiàn)大暴雨，2站出現(xiàn)特大暴雨。圖1為2018年7月30日21:00(北京時，下同)至31日20:00哈密市累計降水量分布及7月31日01:00—15:00典型代表站逐時降水量。可以看出，此次降水過程有2個強(qiáng)降水中心：一個位于東天山南坡伊州區(qū)沁城鄉(xiāng)小堡站，過程累計降水量達(dá)132.1 mm，其中31日降水量達(dá)115.5 mm；另一個為東天山北坡伊吾縣淖毛湖鄉(xiāng)淖-柳公路33公里站，過程累計降水量106 mm，其中31日降水量105.4 mm，以上降水量均突破有氣象記錄以來的歷史極值。哈密市6個國家站中，有2站出現(xiàn)暴雨，其中伊吾站日降水量40.5 mm，位居歷史第二，淖毛湖站日降水量33.3 mm，突破歷史極值。

圖1 2018年7月30日21:00至31日20:00哈密市累計降水量分布(a，單位：mm)及哈密市代表站7月31日01:00—15：00逐時降水量變化(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)

此次過程強(qiáng)降水主要集中在31日06:00—10:00，沁城站、沁城鄉(xiāng)小堡站、淖毛湖鄉(xiāng)淖-柳公路33公里站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，累計降水量分別為84.9、64.3、70.7 mm；其中沁城鄉(xiāng)小堡站31日07:00及08:00雨強(qiáng)均達(dá)29.2 mm·h-1，沁城站07:00雨強(qiáng)達(dá)29.5 mm·h-1，雨強(qiáng)之大屬歷史罕見。

此次特大暴雨過程具有降水時間長、累計雨量大、小時雨強(qiáng)大、范圍集中、破壞力強(qiáng)等特點，屬極端降水事件。特大暴雨引發(fā)山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，是哈密市建國以來最大的一次洪水災(zāi)害，也是新疆暴雨洪澇災(zāi)害遇難人數(shù)最多的一次天氣過程。受強(qiáng)降水和山區(qū)各溝口匯流共同影響，7月31日10:17，哈密市南部伊州區(qū)沁城鄉(xiāng)射月溝水庫漫頂潰壩，洪水入庫最大洪峰流量大于1800 m3·s-1，遠(yuǎn)超過該水庫300 a一遇的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(537 m3·s-1)，洪水造成水庫迅速漫頂并局部潰壩，致使28人遇難，8700多間房屋及部分農(nóng)田、公路、鐵路、電力和通信設(shè)施損毀，受災(zāi)群眾5880余名，特大暴雨和洪水共造成各類直接經(jīng)濟(jì)損失9.66億元。

3 環(huán)流背景及天氣系統(tǒng)

3.1 大尺度環(huán)流背景

100 hPa高空形勢：7月27日20：00，100 hPa南亞高壓雙體型已經(jīng)建立，這是新疆夏季典型的強(qiáng)降水環(huán)流配置形勢[23]。此時100 hPa大尺度環(huán)流形勢明顯異于常年，東部高壓中心由青藏高原上空明顯東移至蒙古高原上空，較常年平均位值明顯偏東20個經(jīng)距左右。30日20：00南亞高壓2個中心分別位于伊朗高原和蒙古高原上空，強(qiáng)度分別為1684、1700 dagpm，東部(蒙古高壓)強(qiáng)于西部(伊朗高壓)；31日02:00[圖2(a)]，蒙古高壓中心(110°E、45°N)減弱為1696 dagpm，且偏北9～10個緯距，哈密處于蒙古高壓中心西側(cè)、高空西南急流出口右側(cè)輻散區(qū)。強(qiáng)降水發(fā)生過程中，南亞高壓東部中心東移，伊朗高壓向北伸展與50°N附近的高壓脊疊加，使北支急流與南支急流匯合于新疆上空，伊朗高壓的南北振蕩與南亞高壓的東西振蕩，為東移南壓的西伯利亞低槽積聚更多的能量和水汽，起到動力抽吸作用，增強(qiáng)了高空的正渦度平流和大氣的不穩(wěn)定性，為特大暴雨的出現(xiàn)提供了有利的大尺度環(huán)流背景。8月1日20：00，南亞高壓東部向東南方向衰退，雙體型變?yōu)閱误w型，降水天氣結(jié)束。

500 hPa西太平洋副熱帶高壓位置：29日20：00，500 hPa高空圖上為“2脊1槽”的環(huán)流形勢，中西伯利亞至巴爾喀什湖低槽進(jìn)入南疆盆地，受地形影響槽呈南—北向，槽前出現(xiàn)明顯的偏南氣流，上游里海脊穩(wěn)定維持，下游西太平洋副熱帶高壓不斷向北、向西挺進(jìn)，起到阻擋作用。在上下游副熱帶高壓脊的夾擊下，巴爾喀什湖低槽穩(wěn)定少動，長時間維持在原地，此種環(huán)流配置是新疆偏東區(qū)域持續(xù)性大降水的典型形勢[23]。31日02:00西太平洋副熱帶高壓西伸北進(jìn)至哈-若交界(91.75°E、41.25°N)附近，較1981—2010年平均位置明顯偏北超過10個緯距[圖2(b)]，584 dagpm線覆蓋哈密市大部區(qū)域，此時哈密市處于巴爾喀什湖槽前和副高外圍西側(cè)的偏南氣流中，副高邊緣存在高不穩(wěn)定能量和充沛的水汽輸送，在高空有利的大尺度環(huán)流背景下，觸發(fā)中低層切變線、地面輻合線，導(dǎo)致極端大暴雨發(fā)生。

圖2 2018年7月31日02:00 100 hPa高度場(單位：dagpm)(a)及2018年西太平洋副熱帶高壓西伸脊線指數(shù)(b)(黑色圓點表示暴雨中心，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

極端大暴雨天氣過程發(fā)生前，7月26日20:00，200 hPa高空急流帶已經(jīng)在新疆建立，與以往大降水高空西北偏西急流配置不同，此次為西南偏西急流且中心范圍大，軸線經(jīng)拜城—和靜—鄯善—十三間房及以東天山山區(qū)上空。隨著500 hPa西太平洋副熱帶高壓向西逼近，急流中心東段向西北方向推進(jìn)，軸線轉(zhuǎn)豎，由東西向轉(zhuǎn)為東北—西南向，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南偏南風(fēng)。30日20：00，200 hPa急流中心風(fēng)速達(dá)60 m·s-1，中心西退至新疆西部國境線一帶，哈密市位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，暴雨區(qū)風(fēng)速24 m·s-1，高空強(qiáng)烈的輻散增強(qiáng)了大氣的不穩(wěn)定性，有利于大氣抽吸和上升運(yùn)動的維持。

30日20:00，哈密風(fēng)速由4 m·s-1增加至18 m·s-1，雖未達(dá)急流標(biāo)準(zhǔn)，但旺盛的偏南風(fēng)有利于上升運(yùn)動的發(fā)展和水汽的垂直輸送，為暴雨提供了一定的動力和水汽條件。31日08:00[圖3(a)]，中層500 hPa為明顯南風(fēng)，有2個急流中心：一個位于新疆北部阿勒泰一帶，另一個位于南疆盆地西部國境線外，相對于哈密位置偏西、偏北。西太平洋副熱帶高壓在過程前期不斷加強(qiáng)向西北推進(jìn)，584 dagpm線控制新疆東部地區(qū)，哈密處于副高外圍偏南氣流中。

低空急流是動量、熱量和水汽的高度集中帶，對暴雨的產(chǎn)生具有重要意義。分析對流中、下層環(huán)境場發(fā)現(xiàn)：29日20:00，850～700 hPa哈密風(fēng)場由冷式切變轉(zhuǎn)為暖式切變，風(fēng)速由2 m·s-1的西南風(fēng)轉(zhuǎn)為8 m·s-1的東南風(fēng)，且隨高度增加風(fēng)向發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，有明顯輻合增強(qiáng)趨勢，河西走廊至內(nèi)蒙古西部一帶風(fēng)速不斷加大。31日08:00形成中心風(fēng)速為16～20 m·s-1的急流核[圖3(a)]，隨偏南氣流增強(qiáng)，濕度不斷增大，使水汽在降水前進(jìn)一步集聚。暴雨區(qū)的強(qiáng)上升運(yùn)動主要來自低空急流北側(cè)的強(qiáng)風(fēng)速輻合和風(fēng)切變，因此，暴雨區(qū)主要位于低空急流的出口區(qū)和強(qiáng)風(fēng)速輻合處。31日20:00后，低空急流明顯減弱消失，降水趨于結(jié)束。

綜上所述，此次極端大暴雨發(fā)生時，850～200 hPa高空風(fēng)場均出現(xiàn)不同程度的偏南風(fēng)[圖3(b)]，高、中、低層3股氣流不斷增強(qiáng)輻合，有利于低層水汽的聚集和上升運(yùn)動的發(fā)展和維持，高低空急流建立形成垂直方向上耦合形勢，高空輻散氣流的抽吸作用加強(qiáng)，低空急流觸發(fā)降水，而降水凝結(jié)潛熱釋放又使低空急流加強(qiáng)，在暴雨區(qū)上空高低空急流耦合相互作用得以維持和加強(qiáng)，是此次哈密市大范圍暴雨發(fā)生的重要機(jī)制之一，強(qiáng)盛的東南低空急流的增大和維持也是此次大降水預(yù)報的重要指標(biāo)。

圖3 2018年7月31日08:00 200 hPa(藍(lán)色等值線，風(fēng)速≥30 m·s-1)、500 hPa(黑色等值線，風(fēng)速≥20 m·s-1)、700 hPa(紅色等值線，風(fēng)速≥12 m·s-1)全風(fēng)速(a)及高、低空天氣系統(tǒng)配置(b)(紅色區(qū)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 物理量診斷

4.1 熱力與不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫(θse)反映大氣的溫濕和不穩(wěn)定層結(jié)狀況，通常θse等值線越密集，表示大氣處于高溫高濕狀態(tài)，層結(jié)越不穩(wěn)定，θse值越大，對應(yīng)降水越強(qiáng)[16]。分析此次天氣過程θse發(fā)現(xiàn)，29日20:00，哈密市域內(nèi)θse等值線稀疏，梯度小，900～600 hPa大氣層結(jié)較穩(wěn)定，等值線密集帶(鋒區(qū))位于暴雨區(qū)南側(cè)的甘肅與青海一帶。隨著時間推移和暴雨天氣的臨近，哈密市θse逐漸增強(qiáng)，等值線梯度不斷加大，鋒區(qū)與高能舌向西北方向推進(jìn)進(jìn)入哈密市，鋒區(qū)的動力強(qiáng)迫有利于低層能量和水汽的向上輸送。31日08:00(圖4)，700 hPa能量鋒區(qū)形成鞍型場結(jié)構(gòu)，哈密市處于東部θse等值線密集區(qū)和能量鋒區(qū)的高能舌處，θse中心值達(dá)360 K，大氣處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨區(qū)位于等值線密集區(qū)偏東南側(cè)，此時500 hPaθse等值線呈西北方向的倒漏斗狀分布，為中性層結(jié)，200 hPa為穩(wěn)定層結(jié)，θse的這種垂直分布是典型的有利于對流天氣產(chǎn)生的配置方式，為暴雨的產(chǎn)生提供所需要的不穩(wěn)定能量。

圖4 2018年7月31日08:00 700 hPa假相當(dāng)位溫(單位：K)Fig.4 The pseudo-equivalent temperature on 700 hPa at 08:00 BST on 31 July 2018 (Unit: K)

低層溫度平流場顯示(圖略)，特大暴雨發(fā)生前(29日08:00)，哈密上空由微弱冷平流轉(zhuǎn)為暖平流，且隨時間變化暖平流加強(qiáng)，700～550 hPa溫度平流較強(qiáng)，超過8×10-5℃·s-1，其中650 hPa暖平流最強(qiáng)，達(dá)12×10-5℃·s-1。且前期地面一直受熱低壓控制，熱力條件好，配合低層暖濕水汽，在哈密上空形成高溫高濕且極不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，進(jìn)一步加劇了對流天氣。

4.2 水汽條件

極端強(qiáng)降水和持續(xù)性暴雨天氣發(fā)生時，常伴有超強(qiáng)的水汽輸送和強(qiáng)烈的水汽輻合[24]。通過分析此次天氣過程水汽來源和輸送路徑發(fā)現(xiàn)，水汽來源主要為2支：一支來自于孟加拉灣通過西風(fēng)氣流輸送至南海，隨500 hPa槽前西南氣流輸送的水汽；另一支經(jīng)青藏高原東部沿西太平洋副熱帶高壓西部偏南氣流向北輸送，部分在河西走廊轉(zhuǎn)為偏東急流輸送至東天山南側(cè)。幾股氣流在哈密市上空匯合，為特大暴雨的產(chǎn)生和持續(xù)提供了源源不斷的水汽輸送，與往年同期相比，孟加拉灣至南海的水汽輸送及西太平洋副熱帶高壓南側(cè)偏東急流輸送的水汽異常偏北、偏強(qiáng)，對降雨強(qiáng)度和落區(qū)有很好的指示意義。

此次特大暴雨水汽輻合主要集中在500 hPa以下，輸送強(qiáng)度大，維持時間長。29日20:00至30日20:00，500 hPa新疆大部分地區(qū)露點溫度差(T-Td)小于3 ℃(圖略)，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)。30日20：00哈密市上空500 hPaT-Td<0.3 ℃，接近準(zhǔn)飽和，700～850 hPa哈密市大部區(qū)域T-Td維持10 ℃以上，空氣干燥，處于暖干狀態(tài)，但暖空氣被西南部、東南部的大范圍高濕區(qū)包圍，此種濕度梯度分布，加之700 hPa明顯的風(fēng)速輻合，加劇了周圍高濕區(qū)水汽快速向干區(qū)匯合。31日02:00，哈密上空濕度層加厚，向下延伸至925 hPa，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，此時700 hPa水汽通量增強(qiáng)至最大，持續(xù)至08:00，且一直維持在8～12 g·hPa-1·cm-1·s-1，充沛的水汽沿較強(qiáng)的東南急流向暴雨區(qū)輸送。以往哈密夏季強(qiáng)降水中，比濕基本保持在8 g·kg-1左右，是當(dāng)?shù)仡A(yù)報強(qiáng)降水天氣的重要指標(biāo)。而此次比濕場顯示，30日08:00，比濕場大值中心位于河西走廊一帶，中心值為11 g·kg-1，此時沁城鄉(xiāng)小堡站的比濕為7 g·kg-1，已出現(xiàn)小量先兆性降水，強(qiáng)降水開始前，比濕逐步增加，梯度增大，由哈密東南方向向西北推進(jìn)。31日08:00[圖5(a)]，沁城鄉(xiāng)小堡站比濕達(dá)14 g·kg-1，高濕中心位于850 hPa，700 hPa比濕為12 g·kg-1，中低層水汽含量在近30 a哈密的暴雨天氣中極為罕見，強(qiáng)降水時段與此相吻合，強(qiáng)降水趨于結(jié)束時，比濕逐漸減小，此種大范圍增濕及輻合流場是此次暴雨形成和維持的重要條件。

水汽通量散度是反映水汽輸送的源與匯，其負(fù)值越大，表示水汽通量匯合越強(qiáng)，越有利于強(qiáng)降水產(chǎn)生。從水汽通量散度圖可以看出，7月29日08:00，暴雨區(qū)上空700 hPa以下水汽迅速聚集輻合上升。30日20:00[圖5(b)]，輻合中心位于哈密市偏東南區(qū)域，強(qiáng)度為-40×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，暴雨輻合中心位于700 hPa附近，水汽通量散度為-27×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1。31日02:00，水汽聚集上升至400 hPa附近，中心強(qiáng)度加強(qiáng)為-60×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，說明水汽上升高度高，濕層深厚。300 hPa以上為弱水汽輻散區(qū)，即低層明顯的水汽輻合及高層輻散，非常有利于水汽聚集上升，加之水汽源源不斷地輸送，為特大暴雨的產(chǎn)生提供充足的水汽條件。31日10:00后，水汽輻合迅速減小，強(qiáng)度減弱，強(qiáng)降水過程結(jié)束。

圖5 2018年7月31日08:00 700 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)和比濕場(等值線，單位：g·kg-1)(a)，7月30日08:00至8月1日02:00水汽通量散度的時間-高度剖面(單位：g·hPa-1·cm-2·s-1)(b)(灰色陰影表示地形)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 動力條件

圖6為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、垂直速度的時間-高度剖面。由散度場的時間-高度剖面可以看出，30日08:00—20:00，700 hPa以下輻合中心開始向高空伸展至500 hPa附近，輻合中心較弱(-2×10-5s-1)，300 hPa以上為輻散區(qū)。隨著強(qiáng)降水臨近，31日08:00，低層輻合高度有所下降，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，中心位于700 hPa以下，散度為-8×10-5s-1；此時中高層的弱輻散區(qū)明顯加強(qiáng)向高及低空方向延伸，輻散區(qū)增厚，600～200 hPa為強(qiáng)輻散區(qū)，中心位于500 hPa附近，值為4×10-5s-1。

圖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(單位：10-5·s-1)(a)、垂直速度(單位：Pa·s-1)(b)的時間-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

此種低層強(qiáng)輻合，高層強(qiáng)輻散，在垂直方向上形成耦合形勢，有利于大氣垂直運(yùn)動發(fā)展和維持，同時加強(qiáng)了水汽的垂直輸送，是強(qiáng)降水發(fā)生的必要條件。

從垂直速度場的時間-高度剖面可以看出，29日20:00，沁城鄉(xiāng)小堡站850 hPa以上垂直運(yùn)動開始加強(qiáng)，不斷向高空伸展；31日08:00，垂直運(yùn)動上升至200 hPa附近，上升運(yùn)動區(qū)范圍明顯增大增厚，垂直速度大值中心位于600 hPa附近，達(dá)-1.8 Pa·s-1，強(qiáng)烈深厚的上升運(yùn)動使大氣層結(jié)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，加之持續(xù)穩(wěn)定的西南和偏東低空急流的觸發(fā)作用和水汽輸送，共同造成強(qiáng)降水發(fā)生。強(qiáng)降水結(jié)束之后，600 hPa垂直速度明顯減小，上升運(yùn)動減弱，大氣處于弱不穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，強(qiáng)降水發(fā)生時，中低層(500 hPa以下)強(qiáng)輻合上升，中高層(500 hPa以上)輻散下沉，加速了低層水汽的迅速集中和向上輸送，能量得到有效釋放和交換，為暴雨的產(chǎn)生提供了充足的動力條件。

5 中尺度系統(tǒng)特征

5.1 中尺度云團(tuán)

云頂亮溫(TBB)可以反映對流云發(fā)展的強(qiáng)弱程度和降水強(qiáng)度。TBB值越大，對流云發(fā)展越強(qiáng)盛，TBB等值線梯度越大，雨強(qiáng)越強(qiáng)，降水量越大[25]。分析此次暴雨天氣的FY-2G衛(wèi)星TBB演變(圖7)可知，7月31日04:00，中尺度對流系統(tǒng)MCS在沁城鄉(xiāng)偏東南方向開始發(fā)展，TBB中心值為-40 ℃，暴雨區(qū)位于云系外圍，降水強(qiáng)度較小；06：00，云層加厚及范圍擴(kuò)大，向東北方向移動，MCS中心強(qiáng)度不斷擴(kuò)展加強(qiáng)，TBB中心降低為-56 ℃，沁城和沁城小堡此時處于MCS邊緣，TBB等值線最密集處，且TBB為-52～-48 ℃的梯度大值區(qū)，雨強(qiáng)加強(qiáng)，降水量也明顯加大；07：00，TBB中心降低為-60 ℃，沁城和沁城小堡出現(xiàn)小時降水量達(dá)29.5 mm和29.2 mm的短時強(qiáng)降水，降水過程中，沁城和沁城小堡一直處于對流云團(tuán)西南邊緣TBB梯度最大處，此時伊吾和淖-柳公路33公里站位于MCS北部邊緣，處于-48～-44℃的TBB梯度大值區(qū)，降水也明顯加大，隨MCS系統(tǒng)繼續(xù)向東北方向移動，強(qiáng)降水中心也隨之北移；10：00之后，MCS系統(tǒng)基本移出哈密市，雨強(qiáng)明顯減小，短時強(qiáng)降水結(jié)束。

圖7 2018年7月31日06：00(a)、07：00(b)、08：00(c)FY-2G衛(wèi)星TBB演變(單位：℃)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 地面輻合線和地形抬升作用

地面輻合線在觸發(fā)對流發(fā)生發(fā)展和維持方面起著重要作用[26-27]。圖8為2018年7月31日06：00地面風(fēng)場和08：00 700 hPa風(fēng)場與地形?？梢钥闯觯?1日06：00地面風(fēng)場顯示，沁城鄉(xiāng)偏西偏北部均為偏北風(fēng)，而東部和南部均為偏南風(fēng)，所以在沁城鄉(xiāng)偏西北部形成東西向的地面輻合線，輻合線北部為冷空氣，南部為暖濕空氣，冷暖空氣交匯，利于地面水汽抬升，地面輻合線觸發(fā)對流生成，強(qiáng)降水開始。08：00沁城鄉(xiāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，沁城鄉(xiāng)以西轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，地面輻合線逆時針旋轉(zhuǎn)北抬，使對流繼續(xù)維持發(fā)展，此時東天山北側(cè)的伊吾和淖毛湖也由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，此階段對流發(fā)展旺盛，與最強(qiáng)降雨時段對應(yīng)。10：00之后，地面輻合線北移，強(qiáng)降水時段結(jié)束，因此，地面輻合線是對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和暴雨發(fā)生的重要觸發(fā)因素。

圖8 2018年7月31日06：00地面風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)(a)和08：00 700 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)與地形(陰影，單位：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

特殊地形與氣流相互作用影響下，容易形成致災(zāi)性暴雨，暴雨常常發(fā)生在山地的迎風(fēng)坡、氣流匯合的山谷、喇叭口地形等地方[28]。此次極端大暴雨區(qū)位于天山余脈東段迎風(fēng)坡與東天山北面喇叭口地形氣流匯合的山谷處，沁城和沁城小堡位于東天山南面迎風(fēng)坡，海拔高度近3000 m。強(qiáng)降水發(fā)生時，東天山迎風(fēng)坡地形阻擋作用使850～700 hPa強(qiáng)盛的東南風(fēng)與其形成近乎垂直的夾角，地形墊高強(qiáng)迫暖濕氣流抬升，上升運(yùn)動加強(qiáng)并延續(xù)至高層，且風(fēng)速輻合，水汽迅速在暴雨區(qū)堆積抬升，加劇對流發(fā)展，加強(qiáng)降水產(chǎn)生。淖毛湖和淖-柳公路33公里站點位于東天山北面淖毛湖盆地中，海拔高度不到500 m，北鄰莫?dú)J烏拉山，西鄰準(zhǔn)噶爾盆地東段，南面為東天山背風(fēng)坡，是典型的向東開口的喇叭口地形，偏南氣流吹來時，由于收縮作用使北上的偏南氣流產(chǎn)生輻合，在伴有風(fēng)速輻合的情況下，會導(dǎo)致中尺度切變線或渦旋系統(tǒng)產(chǎn)生，加速上升運(yùn)動和中層對流的發(fā)展，中尺度雨團(tuán)由于周圍高山的阻擋，會移動緩慢或停滯于山谷上空，導(dǎo)致在喇叭口地形或山谷風(fēng)的地方形成強(qiáng)降水。因此，喇叭口地形的輻合作用不僅是對暖空氣的動力抬升，而且極易形成偏南風(fēng)輻合區(qū)和中尺度輻合線，造成暖濕氣流上升和對流云發(fā)展，從而有利于暴雨的產(chǎn)生和加強(qiáng)。

6 數(shù)值模式降水預(yù)報檢驗

數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)客觀化、定量化、精細(xì)化發(fā)展最直接最有效的途徑，也是預(yù)報員預(yù)報天氣的主要參考和依據(jù)，尤其是暴雨預(yù)報的準(zhǔn)確性[29]。針對此次暴雨過程，對幾種數(shù)值模式預(yù)報降水量進(jìn)行對比檢驗(圖9)發(fā)現(xiàn)，ECMWF、T639、GRAPES-GFS、Japan模式均預(yù)報7月31日哈密東部有較強(qiáng)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薩爾喬克一帶。其中GRAPES-GFS對降水量級及落區(qū)預(yù)報略好于其他幾種模式，雖然報出伊吾縣東北部有53 mm左右的降水大值中心，但降水量級明顯比實況偏小，且并未報出伊吾東部和伊州區(qū)沁城及沁城小堡的暴雨中心，該模式對淖毛湖和淖-柳公路33公里落區(qū)預(yù)報較好，有一定的參考價值。

圖9 ECMWF模式數(shù)值預(yù)報(a)、T639全球集合預(yù)報(b)、GRAPES-GFS全球預(yù)報(c)及Japan中期模式預(yù)報(d)的2018年7月31日哈密市降水對比(單位：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)

沁城鄉(xiāng)小堡站主要降水時段為31日02：00—08：00，其中07：00、08：00連續(xù)出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，降水量為79.8 mm，占當(dāng)日總降水量的69%。圖10為2018年7月30日20:00至31日20:00沁城鄉(xiāng)小堡站多模式預(yù)報逐6 h降水對比檢驗?？梢钥闯觯聡Ｊ?Germany)報的主降水時段與實況吻合，降水量最接近，但量級還不到實況的一半，說明該模式對強(qiáng)降水時段預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義。其他模式對于各時段降水預(yù)報明顯偏弱，此次實際預(yù)報中基本無參考價值。

圖10 2018年7月30日20:00至31日20:00沁城鄉(xiāng)小堡站逐6 h降水實況及多模式預(yù)報降水量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 結(jié) 論

(1)此次極端大暴雨是發(fā)生在南亞高壓雙體型建立的大尺度環(huán)流背景下，是典型的新疆大降水的環(huán)流配置形勢，南亞高壓中心東部強(qiáng)盛，且較常年異常偏東偏北，降水過程中，伊朗高壓南北振蕩與南亞東部高壓東西振蕩，引導(dǎo)北方冷空氣不斷南下與南支暖濕氣流匯合，同時500 hPa西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定維持且較常年明顯偏北10個緯距，利于西太平洋副熱帶高壓邊緣強(qiáng)盛的水汽源源不斷地向強(qiáng)降水區(qū)輸送，中低層切變線及地面輻合線觸發(fā)中尺度對流發(fā)展加強(qiáng)，是此次極端暴雨產(chǎn)生的動力機(jī)制之一。

(2)與以往新疆大降水高空偏西急流不同，此次強(qiáng)降水發(fā)生時新疆上空200 hPa為大范圍強(qiáng)盛的西南急流，500 hPa西太平洋副熱帶高壓西側(cè)南風(fēng)氣流與700 hPa異于常年的東南急流匯合，在暴雨區(qū)上空垂直方向形成耦合形勢，高層輻散、低層輻合的環(huán)流配置加劇了垂直上升運(yùn)動的增強(qiáng)與維持。強(qiáng)降水發(fā)生在200 hPa西南急流出口區(qū)右側(cè)、500 hPa偏南風(fēng)和700 hPa東南急流的匯合區(qū)域，高低空急流為極端大暴雨的發(fā)生提供了有利的動力和水汽條件。

(3)偏南風(fēng)風(fēng)速輻合、地面中尺度輻合線長時間維持和北移，東天山特殊地形強(qiáng)迫抬升與喇叭口地形的匯合作用，使低層水汽迅速輻合上升，氣流垂直上升運(yùn)動加強(qiáng)，從而觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生、發(fā)展和加強(qiáng)。700 hPa以下存在θse高能舌區(qū)的不穩(wěn)定層結(jié)，為此次大暴雨提供了有利的不穩(wěn)定能量和熱力條件，是此次短時強(qiáng)降水預(yù)報的主要著眼點。

(4)水汽通量大值帶和比濕的異常增強(qiáng)、減弱及對流云團(tuán)的發(fā)展、減弱與消亡階段與強(qiáng)降水的落區(qū)和強(qiáng)度有較好的時間對應(yīng)關(guān)系。短時強(qiáng)降水發(fā)生在水汽通量及比濕最大和中尺度對流云團(tuán)發(fā)展旺盛的階段，強(qiáng)降水中心位于中尺度對流云團(tuán)邊緣TBB等值線密集處的最大梯度區(qū)，TBB等值線梯度最大處雨強(qiáng)也越大。

(5)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在新疆復(fù)雜地形下具有一定的預(yù)報能力，但降水落區(qū)及量級均有較大誤差。