烏魯木齊市短時強降水分布特征及環(huán)境條件分析

張 超，賈 健

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

短時強降水是指降水效率高，短時間內雨量達到或超過某一量值的天氣現(xiàn)象，常常釀成城市內澇、山洪、泥石流、山體滑坡等災害。早在20 世紀80 年代，Doswell 就指出大多數(shù)的強降水是對流性的，做好短時強降水的預報，首先要理解產(chǎn)生強降水的環(huán)境條件[1]；近年來，隨著氣象監(jiān)測能力的不斷提升，氣象學者對對流性降水的認識也逐漸加深，一些學者針對某一區(qū)域或某一天氣系統(tǒng)背景下的短時強降水事件做了時空特征統(tǒng)計分析[2-12]，發(fā)現(xiàn)短時強降水多發(fā)于6—8 月，日變化明顯，且同地形關系密切；也有許多學者在產(chǎn)生短時強降水環(huán)境條件方面進行了大量研究[13-17]；樊李苗等[14]對全國范圍內短時強降水、強冰雹、雷暴大風以及混合型強對流天氣的環(huán)境參數(shù)特征進行了對比，指出純粹的短時強降水環(huán)境參數(shù)顯著區(qū)別于冰雹、雷暴大風，具有較大的地面及地面以上1.5 km 露點溫度；郝瑩[15]分析典型短時強降水環(huán)境背景場特征，總結出了中等強度的對流有效位能和高的K 值有利于高降水效率的產(chǎn)生。

在新疆短時強降水研究方面，毛列寧·阿依提看等[18]總結出了新疆短時強降水對流層高低層干而中層濕度大型、對流層中層干燥型、對流層整層濕度濕型三種T-lnP 圖型；曾勇等[19]研究中亞低渦背景下新疆連續(xù)短時強降水特征發(fā)現(xiàn)海拔在1800～2000 m的短時強降水站次最多；黃艷等[20]給出了南疆短時強降水中亞低槽型、西西伯利亞低槽型和西風短波型三種概念模型及環(huán)境參數(shù)閾值；這些成果對新疆強降水預報預警業(yè)務起到了積極推動作用，但對于烏魯木齊市短時強降水研究較少。烏魯木齊市深居內陸，南部為天山山脈，北部是古爾班通古特沙漠，南北海拔落差最高可達4000 m，特殊的地理位置和復雜的地形地貌造成各地區(qū)降水量差異大，時空分布極不均勻，據(jù)新疆氣象臺統(tǒng)計，僅在2010—2017年間，烏魯木齊市就出現(xiàn)13 起暴雨洪澇災害事件，而短時強降水正是導致該類災害的主要誘因。本文對烏魯木齊市短時強降水分布特征及環(huán)境條件進行分析，以期開展短時強降水預報提供參考。

1 研究區(qū)域概況與資料方法

1.1 研究區(qū)域概況

烏魯木齊市屬中溫帶大陸性氣候，下墊面復雜，三面環(huán)山,北部平原開闊，東部有博達山、喀拉塔格山、東山，西部有喀拉扎山、西山，南部有天格爾山、土格達坂塔格等。地勢由東南向西北降低,分為3 個梯級：第一級為山地,海拔2500～3000 m 或更高，第二級為山間盆地與丘陵,海拔1000～2000 m，第三級為平原,海拔在600 m 以下。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會各界對氣象信息的需求程度不斷加強，自2009 年起，烏魯木齊市的新建氣象自動站以每年5～10 個的速度快速增加，截至2018 年，已布設有74 個地面自動氣象站，為短時強降水精細化特征分布研究提供了條件（圖1）。

圖1 烏魯木齊市氣象自動站站點分布

1.2 資料與方法

本文所用資料來源于新疆氣象信息中心，選取2005—2016 年高空探測資料、烏魯木齊市6 個國家級地面自動站小時降水資料以及2012—2016 年31個區(qū)域地面自動站小時降水資料，并剔除不完整的數(shù)據(jù)及錯誤數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析烏魯木齊市短時強降水分布特征，根據(jù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和連續(xù)性原則，在分析小時雨強特征時，僅采用時序較長的國家級自動站資料，分析空間分布特征時加入?yún)^(qū)域自動站資料。

本文使用的短時強水事件和短時強降水過程的相關定義如下：

（1）由于短時強降水事件的確定目前并沒有統(tǒng)一的標準，新疆為干旱、半干旱區(qū)氣候，年平均降水量遠遠小于季風區(qū)，有學者在進行新疆短時強降水研究時采用過“1 h 降水量≥5.1 mm，作為一個短時強降水日”[19]，本文采用“短時強降水為1 h 降雨量≥5.1 mm”的定義方式。

（2）烏魯木齊周邊地形復雜，山區(qū)地形動力或熱力強迫會導致局地的積云對流，為了選擇具有較強氣象信號的短時強降水事件，利用多尺度環(huán)境場分析提取有意義的指標，本文定義某站出現(xiàn)1 次短時強降水記為1 站次短時強降水天氣事件；1 日內（08時至次日08 時，北京時，下同）有20%及以上站（≥8 站次）出現(xiàn)短時強降水，且至少8 站均出現(xiàn)短時強降水事件才記為1 場短時強降水過程。

2 烏魯木齊市短時強降水分布特征

2.1 空間分布特征

通過對2012—2016 年暖季（指5—9 月，下同）烏魯木齊市短時強降水事件的統(tǒng)計和篩選，5 a 來全區(qū)共出現(xiàn)558 站次短時強降水事件，平均112 站次，從空間分布來看（圖2），烏魯木齊市短時強降水的分布與地形關系密切，呈現(xiàn)出淺山區(qū)多，平原和高山區(qū)少的特點。短時強降水呈現(xiàn)2 個中心，一個位于烏魯木齊西南部淺山區(qū)，其中小渠子站出現(xiàn)短時強降水事件次數(shù)達60 站次，另一個位于東北部淺山區(qū)，白楊河獨山子村的短時強降水事件也達60 站次，短時強降水的頻次隨著海拔高度的升高而增大，但到達一定高度時其發(fā)生概率又會隨海拔升高而降低，海拔為3539 m 的高山站大西溝短時強降水事件僅14 站次，最大小時雨強8.3 mm/h，海拔高度為1000～2200 m 的淺山區(qū)為短時強降水事件的多發(fā)區(qū)，發(fā)生概率是1000 m 以下區(qū)域的3～5 倍，在靠近準格爾盆地的安寧渠站（海拔565 m），僅出現(xiàn)2 次短時強降水事件。由于特殊地形作用，烏魯木齊東南部的達坂城地區(qū)，雖然海拔高度也在1100 m 左右，但該區(qū)域很少發(fā)生短時強降水，發(fā)生短時強降水事件次數(shù)不足5 站次，最大小時雨強9.7 mm/h。可見特殊地形所造成的動力或熱力強迫會對短時強降水天氣的發(fā)生以及特征分布產(chǎn)生重要影響。

圖2 2012—2016 年暖季烏魯木齊短時強降水事件

2.2 小時雨強特征

為進一步得到烏魯木齊市不同量級短時強降水分布特征，選取烏魯木齊站作為城區(qū)代表站，小渠子站作為山區(qū)代表站，短時強降水的量級按照5.1～10 mm、10.1～20 mm、20.1～40 mm 3 個區(qū)間，統(tǒng)計2005—2016 年12 a 暖季不同量級短時強降水的發(fā)生頻次（圖3）得出，烏魯木齊市山區(qū)3 個量級短時強降水年平均次數(shù)遠大于城區(qū)，短時強降水小時雨強最多出現(xiàn)在5.1～10 mm 區(qū)間，山區(qū)平均10.5 次，而城區(qū)平均3 次，隨著小時雨量量級的增加，10 mm以上的短時強降水出現(xiàn)了近似指數(shù)型遞減的趨勢，10.1～20 mm 的短時強降水山區(qū)年平均1.8 次，城區(qū)平均0.7 次，烏魯木齊站最大小時雨強為14.7 mm/h，出現(xiàn)在2015 年6 月9 日；而＞20 mm 的短時強降水，山區(qū)平均僅0.3 次，小渠子站最大小時雨強為36.3 mm/h，出現(xiàn)在2009 年8 月4 日，而烏魯木齊站沒有出現(xiàn)過。

圖3 2005—2016 年暖季烏魯木齊站和小渠子站短

2.3 短時強降水天氣過程特點

烏魯木齊市2012—2016 年間出現(xiàn)的558 站次短時強降水事件中，共有22 場短時強降水過程（表1），月變化明顯，以6 月最多，達9 場，占整個暖季短時強降水次數(shù)的39%，其余的5 月、7 月、8 月、9 月分別為3 場、4 場、5 場、2 場，在次數(shù)上并無顯著差異。最大小時雨強超過15 mm/h，短時強降水過程均集中在6—8 月，≥20 站次的短時強降水過程除5 月有1次外，也均集中在6—8 月，6—8 月的短時強降水天氣過程呈現(xiàn)出頻次高、強度大，范圍廣等特點，而5月、9 月頻次低，最大小時雨強小，范圍小。最大小時雨強出現(xiàn)位置來看，新白楊河站頻次最高（5 次），新市區(qū)站次之（4 次），最大小時雨強在10～22 mm/h，出現(xiàn)時段主要在傍晚到前半夜（20 時—次日02 時）。

3 短時強降水的天氣概念模型

短時強降水的發(fā)生在很大程度上與天氣尺度系統(tǒng)配置密不可分，產(chǎn)生短時強降水的直接影響系統(tǒng)是中小尺度對流系統(tǒng)，但這種中小尺度系統(tǒng)需要在某些特定環(huán)境條件下產(chǎn)生，天氣尺度系統(tǒng)扮演的角色至關重要，高、低層影響系統(tǒng)的配置可以給對流性天氣的產(chǎn)生提供不穩(wěn)定條件、水汽條件以及觸發(fā)機制。本節(jié)統(tǒng)計分析22 場短時強降水過程，200 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa 以及地面的影響系統(tǒng)，并通過500 hPa 環(huán)流特點，運用中尺度分析技術，給出了烏魯木齊短時強降水天氣概念模型，主要為西西伯利亞低槽型、中亞低渦型和西北氣流型3 種類型[21]（圖4）。

表1 2012—2016 年烏魯木齊市暖季短時強降水過程

西西伯利亞低槽型（圖4a）：22 場短時強降水過程中，以西西伯利亞低槽型最多（19 例），占86%。該型在500 hPa 高度場上，歐亞范圍中高緯以經(jīng)向環(huán)流為主，主導系統(tǒng)位于40°～60°E 附近，高壓脊前北風帶或西北風帶引導冷空氣南下抵達50°N 以南，在60°~100°E，45°~70°N 范圍內形成的天氣尺度低值系統(tǒng)，配合有明顯的冷槽結構，一般主槽位置穩(wěn)定，低值系統(tǒng)底部多短波槽活動或具有等溫線密集的強鋒區(qū)結構，強鋒區(qū)位于70°~90°E，40°~50°N 區(qū)域內。短時強降水發(fā)生前，近60%以上的個例200 hPa 有風速≥30 m/s 的急流及700 hPa 切變線，45%的短時強降水個例850 hPa 有風速≥12 m/s 的西北急流，高低層急流的配合，有利于高層輻散，低層輻合，產(chǎn)生深厚的上升運動，使得空氣塊整體抬升，觸發(fā)熱力不穩(wěn)定能量釋放。海平面氣壓場上，所有個例都有地面冷鋒侵入，為短時強降水的發(fā)生提供了有利的觸發(fā)機制。強降水落區(qū)多位于高空急流出口區(qū)正下方、500 hPa 短波槽前、700~850 hPa 切變線附近和850 hPa 低空急流出口區(qū)及地面冷鋒附近。

高空西北氣流型：該型短時強降水過程僅出現(xiàn)2 次，占9%。500 hPa 高度場表現(xiàn)為兩槽一脊經(jīng)向環(huán)流型，中西伯利亞與新疆脊疊加，蒙古到東北地區(qū)為低值系統(tǒng)活動區(qū)，短時強降水天氣出現(xiàn)于高壓脊前西北氣流環(huán)流背景下，烏魯木齊市上空為整層的西北氣流控制，低層為暖脊，高層冷平流與低層暖脊疊置于中天山一帶（圖4b），短時強降水臨近時刻，大氣具有強的熱力不穩(wěn)定層結。此型均出現(xiàn)在6 月，強降水區(qū)位于200 hPa 高空急流入口區(qū)右側，低空急流出口區(qū)以及地面冷鋒附近。

中亞低渦型：該型短時強降水過程出現(xiàn)次數(shù)最少，僅1 次，占5%。500 hPa 表現(xiàn)為東歐或烏拉爾山附近為一個阻塞高壓，極地冷空氣沿阻塞高壓東側的偏北氣流南下，60°~80°E 長波槽南伸至30°N 以南，由于長波槽前的暖平流向北輸送，與阻塞高壓前的暖平流打通，導致鋒區(qū)北跳，在60°~90°E、35°~55°N 的范圍形成閉合低渦系統(tǒng)，有完整閉合等值線，風場有明顯的氣旋性切變，無明顯的冷槽結構，等高線和等溫線稀疏，無強鋒區(qū)結構（圖4c）。此型降水強度大，范圍廣，配合有200 hPa 高空急流、700 hPa 切變線以及較弱的地面冷鋒，低渦在減弱東移時，造成烏魯木齊市短時強降水，強降水落區(qū)位于高空急流出口區(qū)左側，低渦前部，700 hPa 切變線附近，地面冷鋒前側。

圖4 烏魯木齊市短時強降水天氣概念模型

4 關鍵環(huán)境參數(shù)分析

4.1 穩(wěn)定度分析

4.1.1 K 指數(shù)

K 指數(shù)是目前氣象業(yè)務中判定穩(wěn)定度的最常用特征參數(shù)，它涵蓋了大氣垂直層的溫度和濕度信息，量值的大小主要取決于垂直溫度直減率、低層水汽條件以及中層的飽和程度，K 指數(shù)越大說明大氣層結越不穩(wěn)定，越有利于強對流天氣的產(chǎn)生，反之，大氣層結越趨于穩(wěn)定，越不利于強對流天氣的產(chǎn)生，因此，K 指數(shù)在短時強降水的預報預警工作中有著很好的指示意義。分析不同月份K 指數(shù)的分布情況表明（圖5），發(fā)生短時強降水前一般K≥26 ℃，55%的個例K≥30 ℃；5—7 月的K 指數(shù)最大，7 月短時強降水過程K 指數(shù)集中最高，分布在33～37 ℃之間；6月的9 次短時強降水過程中，有4 次K 指數(shù)在30℃以下，其中有2 次都是由高空西北氣流造成的短時強降水，K 指數(shù)的偏低可能與西北氣流控制下，中層相對干燥，700 hPa 相對濕度偏低有關；8 月、9 月的K 指數(shù)分布區(qū)間為26～34 ℃，分布離散，判識強對流的指示意義較差，其中9 月的K 指數(shù)最小，在26～28 ℃之間。

圖5 烏魯木齊短時強降水過程臨近時刻K指數(shù)分布

4.1.2 SI 指數(shù)

SI 指數(shù)是表征大氣層結穩(wěn)定度的另一個指標，它實際上是把850 hPa 等壓面上的濕空氣塊先沿干絕熱線上升，到達抬升凝結高度后再沿濕絕熱線上升至500 hPa 時具有的氣塊溫度與500 hPa 等壓面上的環(huán)境溫度T500的差值。SI指數(shù)的值越小，大氣越不穩(wěn)定，反之大氣越穩(wěn)定，一般我們將SI＜0 ℃作為大氣不穩(wěn)定的判據(jù)，分析烏魯木齊市短時強降水期間SI指數(shù)（圖6），表明50%的個例SI＜1 ℃；其中6—7 月SI指數(shù)值最小，85%的短時強降水個例SI＜1 ℃，集中在-2～0 ℃之間，最小值為-2.21 ℃；5 月、8 月、9月的SI指數(shù)較大，SI＞1 ℃，并且分布離散，最大達7.4 ℃，SI指數(shù)在6—7 月對短時強降水過程的發(fā)生指示性較好，5 月、8 月、9 月并沒有較好的指示意義。

圖6 烏魯木齊短時強降水過程臨近時刻SI 指數(shù)分布

4.1.3 LI 指數(shù)

LI指數(shù)與SI 指數(shù)性質較為類似，但它是將平均氣塊從抬升凝結高度出發(fā)，先沿干絕熱線上升，到達凝結高度后再沿濕絕熱線上升至500 hPa 時所具有的溫度與500 hPa 等壓面上的環(huán)境溫度T500的差值。烏魯木齊市短時強降水發(fā)生期間的LI指數(shù)統(tǒng)計表明（圖7），6—7 月LI指數(shù)值最小，64%的短時強降水個例LI＜0 ℃，2015 年6 月9 日短時強降水過程期間LI 達-6.4 ℃；5 月、8 月、9 月的LI＞0 ℃，分布離散，最大值可達5.9 ℃。

圖7 烏魯木齊短時強降水過程臨近時刻LI指數(shù)分布

綜上所述，短時強降水期間K、SI、LI 等不穩(wěn)定指數(shù)隨月份變化的差異較大，6—7 月各指數(shù)相對集中，對短時強降水的發(fā)生指示意義最好，一般情況下K＞33 ℃、SI＜1 ℃、LI＜0 ℃。5 月、8 月、9 月各指數(shù)分布離散度較大，對短時強降水出現(xiàn)的指示意義較差，尤其是8—9 月，當K＜28 ℃、SI＞2 ℃、LI＞1 ℃時，指示著層結相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，仍會出現(xiàn)短時強降水，在實際業(yè)務中，根據(jù)不穩(wěn)定指數(shù)作為短時強降水參考因素時，應當考慮月變化影響。

4.2 水汽條件

水汽是成云致雨的主要原料，水汽條件是短時強降水的基本條件，較為充沛的水汽是產(chǎn)生短時強降水的物理基礎，因此對大氣環(huán)境水汽的研究分析至關重要。比濕和露點溫度是表征大氣絕對含水量的重要物理量，在實際工作中，850 hPa 比濕和地面露點溫度對短時強降水的預報有很好的指導意義。本文按照不同月份分別統(tǒng)計短時強降水過程的水汽特征，結果表明（表2），850 hPa 比濕＞6 g/kg，平均值6～10 g/kg，短時強降水過程地面露點溫度均＞12 ℃，平均值在12～15 ℃，只有2 場過程＜12 ℃。5 月、9 月短時強降水的水汽特征量值明顯小于6—7 月的，其中7 月水汽值最高，850 hPa 比濕平均值10.3 g/kg,最大值達12 g/kg,地面露點溫度平均值為16 ℃，最大值17 ℃，而5 月、9 月短時強降水時，850 hPa 比濕＜7 g/kg，地面露點溫度＜10 ℃。

表2 5—9 月烏魯木齊市短時強降水水汽物理量

5 結論

（1）2012—2016 年烏魯木齊市共有22 場短時強降水天氣過程，558 站次短時強降水事件呈現(xiàn)淺山區(qū)多、平原和高山區(qū)少的特點，空間分布與地形關系密切，存在兩個中心，分別位于西南部和東北部的淺山區(qū)，1000～2200 m 的淺山區(qū)為短時強降水事件的多發(fā)區(qū)，發(fā)生概率是1000 m 以下區(qū)域的3～5 倍。

（2）近5 a 暖季烏魯木齊市短時強降水天氣過程月變化明顯，6—8 月頻次高、強度大、范圍廣，6 月頻次最高，而5、9 月短時強降水天氣過程次數(shù)少，降水范圍小，雨強較弱。

（3）烏魯木齊市短時強降水的500 hPa 影響系統(tǒng)分為西西伯利亞低槽、中亞低渦和西北氣流3 類，得出不同影響系統(tǒng)下的環(huán)流形勢及概念模型。統(tǒng)計表明西西伯利亞低槽型短時強降水出現(xiàn)次數(shù)最多，占86%，大部分有200 hPa 高空急流、700 hPa 切變線、850 hPa 西北急流及地面冷鋒等系統(tǒng)配合，中亞低渦型和西北氣流型出現(xiàn)次數(shù)較少。

（4）短時強降水期間，K、SI、LI 等不穩(wěn)定指數(shù)的關鍵環(huán)境參數(shù)的月變化差異較大，6—7 月各指數(shù)相對集中，對短時強降水的發(fā)生指示意義最好，一般情況下K＞33 ℃、SI＜1 ℃、LI＜0 ℃。5 月、8 月、9 月各指數(shù)分布離散度較大，對短時強降水出現(xiàn)的指示意義較差。

（5）5 月、9 月短時強降水的水汽特征量值明顯小于6—8 月的，其中7 月水汽值最高，850 hPa 比濕平均值10.3 g/kg，最大值達12 g/kg,地面露點溫度平均值為16 ℃，最大值為17 ℃；而5 月、9 月短時強降水850 hPa 比濕＜7 g/kg，地面露點溫度＜10 ℃。