杨 涛，杨莲梅，张云惠，庄晓翠，黄 艳

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002； 2.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；4.新疆阿勒泰地区气象台，新疆 阿勒泰 836500； 5.新疆和田地区气象台，新疆 和田 848000)

引 言

短时强降水指历时短、降水效率高的对流性降水[1]，具有较强的突发性、局地性和致灾性，常造成严重的洪水、泥石流和城市内涝等灾害，是气象部门预报的重点和难点。短时强降水由中小尺度系统造成，发生在一定的大尺度环流背景下，我国不同区域短时强降水发生的天气形势有所差异，如我国100°E以东强对流天气形势有冷平流强迫、暖平流强迫、斜压锋生、准正压、高架对流5种基本类型[1-6]。造成短时强降水的对流风暴主要有合并加强型、列车效应型和对流单体型[1,7-8]，短时强降水可分为大陆强对流型和热带降水型，前者对流发展旺盛，以冷云降水为主，后者对流发展高度不如前者，以暖云降水为主[1]。短时强降水的发生发展需要热力不稳定层结、充足的水汽、较强的抬升运动和适当的垂直风切变条件，但不同区域短时强降水发生的环境条件以及各类对流参数阈值有所不同[1,3,7-13]，如华东、华中地区短时强降水大气可降水量大于28 mm，K指数大于28.1 ℃，对流有效位能CAPE>800 J·kg-1；珠三角850 hPa与500 hPa温度差较小，一般在21～23 ℃，CAPE>1033 J·kg-1，对流抑制能量CIN≤50 J·kg-1；西北地区短时强降水CAPE一般大于200 J·kg-1。

新疆为干旱半干旱气候，降水受地形影响分布极不均匀，其中天山山区年降水量为300～900 mm，且天山西部局地迎风坡可达1000 mm[14]，天山山区及其山麓地带是新疆短时强降水的频发区[15]，平原和盆地则降水较少。新疆短时强降水具有显著的区域差异和日变化[15-18]，其主要发生于海拔1000～2500 m的沿山、山地迎风坡、地形陡升区、喇叭口、戈壁湖泊绿洲交界等特殊地形附近，午后至傍晚多发。有关新疆不同区域短时强降水环境参数的研究指出K指数、CAPE、850 hPa与500 hPa温度差、0～6 km垂直风切变等变化对短时强降水发生有较好指示意义[15,19-20]。造成新疆短时强降水的系统多以β、γ中尺度系统为主[21-26]，尺度小、生命史短、预报难度大。目前，关于新疆短时强降水的天气系统环流配置和雷达回波特征研究大多为个例分析，样本数较少，没有预报预警业务相关的统计指标，因此需要对新疆地区短时强降水发生的天气系统环流配置和雷达回波特征进行进一步研究。本文利用新疆105个国家站、1240个区域自动站逐时降水资料及8部多普勒天气雷达资料，对新疆468次短时强降水过程的天气尺度环流特征、影响系统及其配置以及雷达回波特征进行分析，以期为新疆短时强降水的预报预警提供一定参考。

1 资料和方法

利用2010—2018年新疆105个国家站和1240个区域自动站(图1)逐时降水资料，数据经过新疆气象信息中心的严格质量控制，以及伊犁、克拉玛依、石河子、乌鲁木齐、喀什、和田、阿克苏和库尔勒8部多普勒天气雷达资料。天山山区及其以北区域为北疆，以南为南疆，北疆暖季为6—8月、南疆暖季为5—9月。

图1 新疆地形(阴影)及105个国家站和1240个区域自动站分布

中央气象台将1 h降水量大于等于20 mm定义为短时强降水[1]，新疆短时强降水标准为1 h降水量大于等于10 mm[15]。本文短时强降水定义为：(1)1 h内有2个或2个以上相邻站点雨强均大于等于10 mm·h-1；(2)同一测站连续2 h雨强大于等于10 mm·h-1；满足上述任一条，即为一次短时强降水过程[17]。据此定义，新疆短时强降水可分为局地分散性和系统性，局地分散性短时强降水维持时间短(1～3 h)、局地性强(1～4个站)、影响范围分散(1～2个不相邻地区)；系统性短时强降水维持时间长(3～12 h)、系统性强且影响范围大(5个站以上或2个以上相邻地区)。

2 短时强降水过程

表1列出2010—2018年新疆不同区域短时强降水发生次数。可以看出，2010—2018年新疆共出现468次短时强降水过程，年平均52.0次，其中系统性短时强降水18.3次，局地分散性短时强降水33.7次，占短时强降水过程的65.0%，可见新疆短时强降水范围小，持续时间短。北疆年平均短时强降水过程20.7次，其中系统性5.7次、局地分散性15.0次；南疆年平均短时强降水过程31.3次，其中系统性12.6次，局地分散性18.7次。南疆短时强降水过程比北疆明显偏多，但降水量明显比北疆偏少[27]。南疆只有阿克苏地区系统性短时强降水过程较局地性偏多，巴州两者相差不大，而北疆3个区域和南疆西部区域系统性短时强降水过程较少，尤其伊犁州、阿勒泰地区和南疆西部明显偏少，表明新疆短时强降水过程区域差异明显。

表1 2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程发生次数

3 短时强降水影响系统

分析新疆468次局地分散性和系统性短时强降水过程的影响系统，500 hPa影响系统主要有中亚低槽(涡)、西西伯利亚低槽(涡)、西北低空急流(表2)，其中中亚低槽是最主要的影响系统，共224次，占所有影响系统的47.9%；中亚低涡和西西伯利亚低槽(涡)相当，分别为88次和87次，占所有影响系统的18.8%和18.6%；西北低空急流影响最少(69次)，仅占14.7%。南疆西部影响系统合计出现159次，占34.0%，与南疆西部短时强降水频次最多一致，南疆位于天山以南，受西西伯利亚低值系统影响较小，其占比最少。

表2 2010—2018年新疆不同地区短时强降水过程500 hPa不同影响系统发生次数

短时强降水强度和落区与影响系统强度、位置及地形有密切关系。图2为2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程中亚低槽影响系统的环流配置。可以看出，200 hPa为西南急流，北疆短时强降水发生在急流入口区右侧和出口区左侧，南疆一般发生在急流入口区右侧。500 hPa欧亚范围呈“两脊一槽”型，伊朗副热带高压向北发展与里海高压脊叠加，贝加尔湖为高压脊，中亚低槽不断向南加深，并不断分裂短波槽影响新疆。700 hPa北疆均有饱和湿区及风速辐合区，出现显著气流，其中伊犁州为偏西急流，阿勒泰为西南和偏南气流，且其上游有冷切变线，天山山区及其北坡为西北气流和冷切变线；700 hPa南疆为偏西与偏东风切变线，并有偏东气流。850 hPa新疆有暖脊、切变线及饱和湿区；阿勒泰为显著西南气流前辐合区；南疆有风场辐合和明显切变，湿区不明显，并有偏东气流。850～500 hPa南北疆均为层结不稳定区。地面图上，伊犁州、天山山区及其北坡为正变压区，而南疆和阿勒泰为暖低压区和辐合线。

图2 2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程中亚低槽影响系统环流配置

图3为2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程中亚低涡影响系统环流配置。可以看出，200 hPa为偏西(西南)急流，北疆短时强降水在急流入口区右侧和出口区左侧，南疆一般发生在急流入口区右侧。500 hPa低涡有明显气旋性风场并配合温度槽，新疆位于中亚低涡前西南或偏南气流(急流)上，低温槽落后于高度槽，低涡前西南或偏南气流(急流)为暖湿平流。700 hPa新疆均有饱和湿区及风速辐合区；急流出口区北疆伊犁州为偏西急流、阿勒泰为西南气流、天山山区及其北坡为西北急流，南疆有东西风切变和偏东气流。850 hPa北疆均有饱和湿区及风速辐合，出现显著气流，伊犁州为偏西气流，阿勒泰为西南气流，天山山区及其北坡为西北急流；南疆有一定湿区和东西风切变线，冷暖交汇明显，并有偏东气流。850～500 hPa南北疆均为层结不稳定区，700～850 hPa北疆低空急流遇山地强迫抬升形成中尺度辐合线，南疆盆地偏东气流(急流)除了有热力输送作用外，还有动力抬升及触发作用，促使中尺度切变或辐合加强，从而产生短时强降水。地面图上，南北疆均为冷高压前正变压区，阿勒泰有风场辐合、切变线和暖区，南疆有风场辐合和冷池。

图3 2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程中亚低涡影响系统环流配置

图4为2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程西西伯利亚低槽(涡)影响系统环流配置。可以看出，200 hPa为偏西(西南)急流，北疆短时强降水一般发生在急流出口区左侧，南疆一般发生在急流入口区右侧和出口区左侧。500 hPa欧亚范围呈“两脊一槽”或“两脊一涡”型，中高纬环流经向度较大，西西伯利亚低槽(涡)在60°E—100°E、40°N—70°N区域有明显温度槽，里海高压脊与贝加尔湖高压脊发展强盛，西西伯利亚大槽稳定维持，低涡底部偏西(西南)气流影响新疆，锋区较强，不断分裂波动影响新疆。由于午后升温明显，中层冷空气侵入使新疆局地环境场更不稳定。700 hPa强降水位于急流出口区前部，存在风速辐合区、切变线和饱和湿区，且冷暖交汇明显。850 hPa北疆均有风速辐合区、饱和湿区及冷暖交汇；南疆有切变线和暖脊发展，并伴有偏东气流。850～500 hPa南北疆均为层结不稳定区。地面图上，伊犁州、天山山区及其北坡和南疆均有正变压区、辐合或切变线，阿勒泰为负变压区、暖切变线。

图4 2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程西西伯利亚低槽(涡)影响系统环流配置

图5为2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程西北低空急流影响系统环流配置。可以看出，200 hPa为偏西(西北)急流，南北疆短时强降水均发生在急流出口区左侧。500 hPa欧亚范围为“两槽一脊”经向环流，新疆至中西伯利亚为经向度较大的长波脊，乌拉尔山附近和蒙古为宽广低槽区，北疆处于高压脊前西北气流控制，低层有偏西风扰动，西北气流与偏西风两者汇合，因前期降水，午后地面加热增湿明显，造成局地短时强降水。南疆短时强降水一般出现在500 hPa低槽(涡)后西北气流中，受槽后西北气流冷平流强迫产生强对流天气。700 hPa北疆有西北急流和切变线；南疆有风场辐合、切变线、饱和湿区及偏东(东南)气流，南疆西部转为干冷空气、东部有明显湿区。850 hPa北疆为西北气流、切变线和暖区；南疆有东西风切变线、湿度较小，并有偏东气流。850～500 hPa南北疆均为层结不稳定区。地面图上，南北疆均为正变压区，有风辐合和切变线。此类短时强降水突发性强、预报难度大。

图5 2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程西北低空急流影响系统环流配置

表3列出2010—2018年新疆不同地区短时强降水过程4类主要影响系统的环流配置特征。可以看出，共同点为强降水落区位于200 hPa急流入口区右侧或出口区左侧，500 hPa槽前西南(偏南)急流(气流)，低空急流(气流)出口区前、低空切变线及地面辐合或切变线附近重叠区域的上干冷下暖湿不稳定区域，南北疆地形及地理位置不同，使低空急流的风向、风速的辐合及切变热力性质有明显差异，造成短时强降水的热力动力机制也有所不同。

表3 2010—2018年新疆不同地区短时强降水过程4类主要影响系统的环流配置特征

4 短时强降水时雷达回波特征与预警阈值

利用2013—2018年新疆8部多普勒雷达资料，由于阿勒泰地区无天气雷达，巴州短时强降水过程少，因此选取雷达探测范围内伊犁州、天山北坡、南疆西部和阿克苏地区短时强降水过程共233次，分析这些短时强降水过程中雷达回波形态和演变，雷达回波基本为强单体或多单体风暴合并加强的带状、片状积云、积层混合云回波。按影响方式将雷达回波分为：(1)合并加强型，从多方向(至少1个方向)移入1个或以上对流单体进入影响地区后，受中尺度系统辐合等影响，多个回波或与本地块状回波聚合加强，回波强度较强，雨强较大，范围较小；(2)列车效应型，相对独立的多个对流单体沿高空引导气流或低空急流方向传播，在移动过程中相继影响同一地区造成短时强降水；(3)孤立对流单体型，受环境流场辐合影响，局地或层状云降水回波中迅速生成对流云团，点状回波在短时间内扩大为块状回波，生成发展速度快，一般短时强降水范围较小，持续时间较短，由于其突发性和局地性强，预警难度大。图6为新疆短时强降水时雷达回波合并加强型、列车效应型及孤立对流单体型典型个例。

图6 新疆短时强降水时雷达回波合并加强型(a、b)、列车效应型(c)及对流单体型(d)石河子多普勒雷达0.5°仰角反射率因子(单位：dBZ)

表4列出2010—2018年新疆233次短时强降水过程不同区域雷达回波分类统计。可以看出，合并加强型最多(105次)，占比45.1%，孤立对流单体型81次，占34.8%，列车效应型最少仅有47次，占20.2%。天山北坡列车效应型最多(23次)，伊犁州、南疆西部及巴州北部均为合并加强型最多，分别为24、26、13次，阿克苏孤立单体型最多(50次)，而列车效应型仅1次。天山北坡列车效应型最多，占该型总次数的48.9%，由于天山地形阻挡，高低空呈“后倾槽”结构，冷空气从低层进入北疆，850～700 hPa塔城—克拉玛依—天山北坡出现西北低空急流，且不断增强并维持，携湿冷空气东南下，在低空西北急流出口区被天山阻挡，多个回波单体沿西北低空急流以列车效应形式影响该区域。

表4 2010—2018年新疆不同区域短时强降水过程中雷达回波分类统计

分析233次短时强降水过程中最大反射率因子强度(Zmax)、强回波中心顶高(Dmax，大于等于40 dBZ强回波顶到达最大高度)、回波顶高(ET，大于18 dBZ回波到达最大高度)、最大垂直累积液态水含量(VIL)。表5列出2010—2018年新疆不同地区短时强降水过程中各类风暴雷达回波参数预警阈值，阈值取各参数的第25%分位数。伊犁州合并加强型、列车效应型和孤立对流单体型对流风暴的Zmax分别为50～60 dBZ、38～58 dBZ和51～58 dBZ，平均值分别为53、48、54 dBZ，预警阈值分别为50、45、51 dBZ，该阈值强于中国中东部地区[28-30]。三类对流风暴的Dmax分别为3.6～4.4、4.0～4.8、2.0～6.3 km，平均值分别为3.9、4.2、4.0 km，预警阈值分别为3.7、4.0、3.8 km。可见伊犁州夏季短时强降水大多为低质心回波，大于24 mm·h-1短时强降水的Dmax为4 km左右的低质心回波。三类对流风暴的ET分别为8.4～11.5、6.1～9.4、6.3～11.8 km，平均值分别为9.7、7.7、9.6 km，因此列车效应型的ET较低，雨强为10.0～15.0 mm·h-1，且维持时间较长，一般在30 min以上。三类对流风暴ET的预警阈值分别为9.3、6.5、8.5 km，其中列车效应型阈值最低，大于24 mm·h-1短时强降水的回波顶高大多超过9.4 km。三类对流风暴的VIL分别为6.0～24.6、1.6～14.9、6.6～24.7 kg·m-2，平均值分别为16.1、5.7、11.8 kg·m-2，预警阈值分别为6.1、2.3、6.9 kg·m-2，其中列车效应型阈值最小。

表5 2010—2018年新疆不同地区短时强降水过程中各类风暴雷达回波参数预警阈值

天山北坡合并加强型、列车效应型、孤立对流单体型风暴的Zmax分别为39～63、40～62、35～62 dBZ，平均值分别为51、52、47 dBZ，预警阈值分别为48、49和37 dBZ(表5)。三类风暴的Dmax分别为3.0～10.5、3.0～10.0、3.0～9.0 km，最小值均为3.0 km，最大值为9.0～10.5 km，仅为个例总数的10%，平均值分别为5.8、6.1、5.9 km，其中Dmax达10.5 km的风暴造成33.8 mm·h-1短时强降水，预警阈值分别为4.0、4.0、4.5 km，大于24.0 mm·h-1短时强降水的Dmax为4.0 km左右的低质心回波或超过7.0 km的高质心回波。三类对流风暴的ET分别为7.9～14.5、4.7～14.1、6.7～12.5 km，平均值分别为10.5、10.1、10.6 km，均高于10.0 km，说明系统内部有强垂直运动。三类对流风暴ET的预警阈值分别为9.5、7.8、9.3 km，列车效应型最低，大于24 mm·h-1短时强降水的ET大多超过10 km。三类对流风暴的VIL分别为6～17.6、5.0～20.1、5.0～20.6 kg·m-2，最小值为5.0～6.0 kg·m-2，最大值为18.0～20.6 kg·m-2，平均值分别为11.8、11.3、10.0 kg·m-2，预警阈值分别为8.2、7.0、6.5 kg·m-2。

南疆西部合并加强型、列车效应型、孤立对流单体型风暴的Zmax分别为40～68、40～62、40～49 dBZ，平均值分别为51、52、45 dBZ，预警阈值分别为48、45、40 dBZ(表5)。三类对流风暴的Dmax平均值分别为4.5、4.7、4.0 km，最小值为2.0～3.0 km，最大值为7.0～8.0 km，占个例总数的15.0%，其中Dmax达8.0 km的风暴造成25.2 mm·h-1的短时强降水，大于20.0 mm·h-1短时强降水的Dmax为3.0 km左右的低质心回波或超过5 km的高质心回波，三类对流风暴Dmax的预警阈值均为3.0 km。三类对流风暴的ET分别为6.0～10.0、8.0～9.0、4.0～10.0 km，平均值分别为7.9、8.1、6.6 km，均高于6.0 km，说明系统内部有明显上升运动。三类对流风暴ET的预警阈值分别为7.0、8.0、4.5 km，孤立对流单体型最低，大于20 mm·h-1短时强降水的ET大多超过8.0 km。三类对流风暴的VIL分别为2.0～26、3.0～32.0、3.0～6.0 kg·m-2，平均值分别为14.2、15.5、4.2 kg·m-2，最小值为2.0～3.0 kg·m-2，最大值为6.0～32.0 kg·m-2，孤立对流单体型的VIL明显小于其他两种类型，预警阈值分别为5.8、9.0、3.0 kg·m-2。

阿克苏列车效应型对流风暴仅有1次个例，不具有统计意义，因此未分析其阈值。该区合并加强型和孤立对流单体型风暴的Zmax分别为46～52、25～54 dBZ，平均值分别为46、45 dBZ，预警阈值分别为44、37 dBZ(表5)。二类风暴的Dmax分别为5.0～10.0、1.0～10.0 km，平均值分别为6.8、4.6 km，大于24.0 mm·h-1短时强降水中80%个例的Dmax超过4.0 km，57%个例的Dmax超过6.0 km，预警阈值分别为5.8、2.8 km。二类对流风暴的ET分别为8.0～10.0、4.0～11.0 km，平均值分别为9.1、7.9 km，系统内部有明显上升运动，预警阈值分别为9.0、6.7 km，大于24 mm·h-1短时强降水的ET达8.4 km。二类对流风暴的VIL分别为3.0～15.4、0.5～12.8 kg·m-2，平均值分别为18.5、4.5 kg·m-2，预警阈值分别为5.7、1.7 kg·m-2。

5 结论与讨论

(1)2010—2018年新疆短时强降水局地分散性过程有303次，占总次数的64.7%，系统性过程165次，占总次数35.3%，影响系统主要为中亚低槽、中亚低涡、西西伯利亚低槽(涡)、西北低空急流，其中中亚低槽最多，其次为中亚低涡，西北低空急流最少，中亚低槽(涡)是影响新疆短时强降水天气的主要系统。各类影响系统环流配置共同点为：新疆短时强降水主要位于200 hPa急流入口区右侧或出口区左侧，500 hPa槽前西南(偏南)急流(气流)，低空急流(气流)出口区前、风速辐合区、低空切变线及地面辐合或切变线附近重叠区域的上干冷下暖湿不稳定区域。

(2)造成新疆短时强降水的对流风暴主要有合并加强型、列车效应型和孤立对流单体型，其中合并加强型最多，占比45.1%，孤立单体型其次，占比34.8%，列车效应型最少，占比20.2%，天山北坡三种类型均较多，伊犁州、南疆西部及巴州北部以合并加强型为主，阿克苏地区以孤立对流单体型为主。

(3)南疆短时强降水过程中雷达回波参数(Zmax、Dmax、ET、VIL)的预警阈值小于北疆，且伊犁州最大，阿克苏最小，均大于中国中东部地区[28-30]，伊犁州短时强降水以低质心回波为主，其他区域低质心和高质心回波均有发生。不同区域三类对流风暴雷达回波参数有所不同，但也存在一些共性，北疆短时强降水过程中对流风暴的Zmax为37～51 dBZ，南疆西部为40～48 dBZ，阿克苏地区37～44 dBZ；Dmax多为3～6 km，天山北坡最大可达9.0～10.5 km，仅占个例总数的10%，南疆西部最大可达7.0～8.0 km，仅占个例总数的15.0%左右，阿克苏地区约57%的个例Dmax超过6.0 km，除伊犁州以外其他区域大于20 mm·h-1短时强降水的Dmax大多超过8.0 km；各区域各类对流风暴的VIL差异较大，最大约为20～25 kg·m-2，最小约为2～5 kg·m-2，天山北坡的VIL相对较大，伊犁州列车效应型的VIL最小，其他区域则是对流单体型的VIL最小。

本文利用综合探测网目前能获得的资料对新疆短时强降水的天气系统环流配置和雷达回波参数特征进行研究，由于新疆面积大，观测网稀疏，尤其探空站和雷达站远不能满足业务和研究需求，且具有高山冰川、绿洲、沙漠的复杂山盆地形和下垫面，区域气候差异显著，对短时强降水的认识，主要依赖于中小尺度天气动力学理论不断完善和观测研究持续进步，目前在这两方面都存在一些理论瓶颈和认识上的不足。今后迫切需要应用双偏振天气雷达等开展针对性的强化观测试验，并利用多源观测结合数值模拟和理论分析，在新疆短时强降水对流生成和演变机制、强对流组织形态以及预警技术等方面开展更加深入的研究。