李 娜，秦 贺，李如琦，李 伟，周雅蔓

（新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

新疆位于中国西北部，气候不受季风系统的直接影响[1]，是典型的大陆性干旱、半干旱气候，中部横亘全境的天山将其分为气候差异显著的北疆和南疆。新疆虽然为干旱、半干旱区，但每年夏季均会出现区域性的强降水过程，且近20 a强降水天气呈增多趋势，新疆夏季强降水量的多少基本决定了夏季和年降水量的变化[2]，因此，夏季强降水一直是我们研究和预报的重点。不少学者对新疆的降水进行了大量研究，且已取得一定成果[3-6]。对南疆而言，能够造成显著降水、降温的主要影响系统是西风带上的短波槽和闭合气旋系统[7]，如1996年6月15—20日，受塔什干低涡影响，南疆西部、阿克苏地区出现小到中雨，其中喀什、克州两地普降大雨，山区出现暴雨，加之后期积雪融化，引发了洪水[8]；2010年6月4—7日，塔什干低涡影响南疆地区，造成喀什、克州、阿克苏、和田多地大雨，局部出现暴雨，引发洪水、泥石流灾害，塔什库尔干县还出现了雪灾，严重影响了当地人民生活。张云惠等人对2010年9月16—20日[9]和2013年6月14—19日[10]南疆西部低涡暴雨天气过程进行了分析研究，总结了低涡暴雨的环流特征，在讨论环境大气湿度条件与暴雨关系的基础上，分析了水汽远距离输送到新疆并在南疆上空积累的天气尺度动力过程及其形成的原因。据秦贺[11]等人统计，塔什干低涡天气过程平均每年7.95次，然而，并非每一次塔什干低涡影响南疆地区都会出现显著降水，如2009年6月4—7日，塔什干低涡影响南疆地区仅仅造成局地微到小量的降雨。本文针对2009年6月和2010年6月的两次塔什干低涡天气过程，从大尺度环流背景、高中低层系统配置、水汽输送等方面进行对比分析，探讨显著降水过程中塔什干低涡特征，提高对塔什干低涡造成的南疆西部大降水及落区的预报能力。

1 资料选取和天气实况

1.1 资料选取

本文使用的资料为新疆气象信息中心提供的新疆105站日降水资料和NCEP时间分辨率为6 h、水平分辨率为 1.0°×1.0°的 1000～10 hPa 共 26 层再分析资料。本文均采用北京时间。

1.2 两次低涡天气过程降水实况

根据新疆降水量级标准，绘制2009年6月4—7日及2010年6月4—7日过程降水量图（图1）。2009年6月4—7日受塔什干低涡影响，南疆仅喀什地区、克州、阿克苏局部出现降雨，普遍雨量不足1 mm；2010年6月4—7日受塔什干低涡影响，南疆喀什地区、克州、和田地区、阿克苏地区普降大雨，7个国家站累积雨量超过24.0 mm（暴雨），强降水中心分别位于麦盖提（45.9 mm）和民丰（46.3 mm）；日最大雨量：麦盖提出现在4日20时—5日20时（43.2 mm）、民丰为5日20时—6日20时（43.4 mm）；5日13时麦盖提站出现最强小时雨强（17.1 mm/h），此次降水天气过程的最大特点就是历时短、雨强大，对南疆干旱地区来说，这种多次间断性暴雨危害更为严重，易引发洪水、泥石流等地质灾害。

2 大尺度环流背景及高中低层系统配置

2.1 大尺度环流背景

2009年6月3—7日，100 hPa南亚高压呈带状分布（图略），中心位于90°E附近，副热带长波槽位于50°～75°E，南疆地区位于长波槽前偏西气流带上；200 hPa上长波槽的位置和100 hPa位置相当，两层之间斜压性小，南疆地区位于200 hPa槽前西南急流轴上，虽然风速超过60 m/s，但高空辐散区没有进入南疆，动力抽吸作用不明显（图2a）。2010年6月3日，100 hPa南亚高压呈带状分布，中心位置偏南，位于伊朗高原，副热带长波槽位于70°～80°E的中亚至新疆西部地区，3—5日南亚高压出现了东西震荡，长波槽前西南急流东移并南伸（图略），200 hPa长波槽出现东移南压，移动速度较100 hPa慢，两层之间出现了前倾结构，有利于大气斜压性的建立，200 hPa急流位于31°N附近，南疆位于急流轴出口区的左前方，即高空辐散的动力上升运动区。6—7日100 hPa南亚高压再一次进行东西震荡的调整，副热带长波槽进一步东移南压，200 hPa低槽出现快速东移加强，6日08时在塔什干地区形成低涡（图2b），6日20时以后急流逐渐北抬东移，7日08 时急流核位于（33°N、82°E）附近，中心最大风速60 m/s，暴雨区位于急流出口区左侧。

2.2 高中低层系统配置

2.2.1 500 hPa特征

图1 过程降水量实况

图2 200 hPa高空形势

由500 hPa位势高度和风矢量来看，2009年6月的塔什干低涡是由北方中亚低涡东移后滞留的冷空气在上、下游高压脊共同发展的作用下向南切断形成的。3日08时，新疆高压脊非常强盛，中亚南部为平均槽区，巴尔喀什湖低槽底部有部分冷空气滞留于中亚南部，塔什干低涡尚未形成（图3a）。4日08时随着乌拉尔山脊的发展东移，北支低槽东移扫过北疆上空，里海南部高压脊发展且新疆脊减弱向南衰退，促使中亚南部低槽逐渐被切断并加强为低涡（图3b）。5—6日，中亚至新疆已形成南北两支反位相的环流形势，由于里海高压脊的维持和新疆南部高压脊与北支西西伯利亚高压脊的打通，塔什干低涡位于（63°E、38°N）附近，中心强度发展为568 dagpm并一直处于原地打转状态，7日08时后极区冷涡沿西西伯利亚脊前西北气流南下并有所西退，里海脊、新疆南部脊受上游冷空气侵袭逐渐东移减弱，塔什干低涡随之东移南下且强度迅速减弱，分裂短波槽影响南疆偏西地区，造成的影响较弱。

从2010年6月3—8日500 hPa环流演变特征可见，6月3日08时，伊朗副高逐渐向北发展，引导脊前短波槽向南加深，低涡处于形成期，随后，由于上游低槽东移推动高压脊开始东移且脊线北部由准南北向转为东北—西南向，引导西西伯利亚地区冷空气不断南下进入塔什干地区，低槽逐渐发展为低涡并有所东南移影响南疆，4日20时南疆地区开始出现降雨。到6月5日08时低涡主体东移至70°－80°E之间，南疆处于低槽控制之下，为主降水时段（图4a）；6—7日80°E附近等高面开始北抬，而伊朗副高继续向南衰落，致使低涡由72.5°E西退至67.5°E，外围风速减小，南疆降水区逐渐西撤减弱（图4b）；8日伊朗副高再次向北发展东扩，低涡东移再次影响南疆，但由于新疆高压脊的发展维持，低涡造成的降水比5日要弱，并逐渐步入衰退期。此次东移型低涡活动有两个显著特征：（1）2010年低涡位置（中心位于 70°E、35°N）更偏东、较 2009年更接近南疆，且外围风速更强；（2）由于伊朗高压脊南北、东西震荡和新疆脊的向北发展，使得低涡维持时间长，分别于4—6日和8日2次影响南疆造成显著降水天气。

2.2.2 700 hPa特征

图3 500 hPa高空形势

图4 500 hPa高空形势

两场低涡天气过程中，700 hPa南疆盆地都有偏东气流的形成，但在东伸程度、维持时间和强度上有明显差异。2009年6月4日，乌拉尔山脊顶东伸进入北疆，东疆为西北气流大风速带，脊前偏北风由于地形影响在北疆东部风口处转向东形成南疆盆地偏东气流（图5a），6日20时高压脊有所减退，南疆盆地的偏东风西退、减弱，在低涡影响期间，南疆盆地偏东气流持续时间短，位置偏西，且没有出现显著的切变辐合，最终无明显降水。

2010年6月5—6日，乌拉尔山高压脊控制区域更为偏东，巴州、和田东部为偏东气流控制，南疆偏西地区为偏西北气流，4日20时在阿克苏西部至喀什一带存在偏北风和偏东风的切变，5日02时南疆盆地形成气旋式辐合，08时南疆盆地东部东风增强，急流建立，6日02时和田地区形成强烈的风向切变和风速辐合（图5b），有利于强降水的发生。急流和切变一直持续至6日14时后有所西退，强降水区也随着急流、切变西退。低涡影响期间，强降水与低空切变辐合对应，随着急流、切变的减弱而减弱。

由此可见，两次塔什干低涡天气过程在高中低层环流配置上存在显著差异：造成南疆显著降水的塔什干低涡天气过程在100 hPa上南亚高压为带状型分布，南疆处于长波槽区的西南气流上，南疆偏西地区处于200hPa急流左侧辐散区和500 hPa低涡前部较强西南气流控制之下，700 hPa南疆盆地东部有持续性东风急流，南疆偏西地区存在显著风向切变和风速辐合；而仅仅造成局地微到小雨的塔什干低涡天气过程，100 hPa南亚高压中心位置始终维持在90°E附近，南疆偏西地区位于副热带低槽的偏西气流及200 hPa高空急流轴线上，500 hPa环流则表现为里海脊和新疆脊势力相当，使得低涡在南疆西部境外稳定少动，后期里海脊和新疆脊同时减弱，低涡主体未进入而是分裂短波槽影响南疆，700 hPa上南疆盆地虽然也有东风气流的建立和维持，但其位置偏西、强度弱，并且没有显著的风向切变或辐合。

3 湿位涡分布特征

吴国雄[12]等人从完整的原始方程出发，导出等压面上的湿位涡方程：

湿位涡可分为湿正压项MPVl和湿斜压项MPV2。

湿位涡能同时表征大气动力、热力和水汽性质。MPV1为湿位涡的第一分量——湿正压项，表示惯性稳定性（ζ+f）和对流稳定性的作用，其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量与假相当位温的垂直梯度的乘积；MPV2为湿位涡的第二分量——湿斜压项，其值由水平风的垂直切变和假相当位温的水平梯度决定，负值越大表明大气的斜压性越强。一般来说，绝对涡度为正值，当对流稳定）时，MPVl＞0，此时只有湿斜压项 MPV2＜0，垂直涡度才能得到较大增长；当（对流不稳定）时，MPV1＜0，这时只有MPV2＞0，垂直涡度才能得到较大增长。

图5 700 hPa高空形势

沿39°N做低涡影响期间湿位涡的垂直剖面可见，南疆中西部地区（74°～86°E）MPV 的垂直分布有相似但也存在明显差异：2009年6月6日20时在400 hPa以上MPV1均为正值，正值中心在150~200 hPa之间，未出现向低层伸展的高湿位涡舌（图6a），表明对流层高层为对流稳定区且冷空气未向中低层侵入。在74°～75°E的对流层低层700 hPa以下存在-0.2～-0.4 PVU的MPV1弱负值中心，表明此处大气为对流不稳定状态，高湿位涡的冷空气叠加在对流不稳定扰动之上有利于此处位势不稳定能量释放，激发降雨的产生，而MPV2在300 hPa以上均为负值，值在0.4～0.6 PVU之间，对流层低层700 hPa以下为0～0.2 PVU的弱正值区（图6b），由于南疆地区MPV1和MPV2的值很小，垂直涡度增长很有限，低涡仅造成74°～75°E的南疆西部国境线一带的弱降水。

2010年6月6日02时在南疆中西部上空400 hPa以上MPV1也为正值，正值中心高度较2009年略高，位于150 hPa，且中心值接近2009年的2倍，另外，可以看见在75°～80°E上空有高位涡舌向对流层中层伸展，且在对流层低层700 hPa以下MPV1负值区覆盖了整个南疆中西部区域，中心值为-0.4 PVU（图7a），表明在南疆中西部地区冷空气从对流层高层以高值位涡柱的形式向下入侵，使层结稳定度减弱，有利于强降雨的产生，同时向下伸展的高湿位涡柱叠加在低层较强的对流不稳定扰动之上，十分有利于位势不稳定能量的储存和释放，也有利于低层气旋式辐合的增强，使降雨增幅。MPV2的垂直分布与2009年类似的为高层负低层正，但不同的是，-0.05 PVU大值区在78°～82°E向下伸展到对流层中层550 hPa（图7b），对流层高层MPV2负湿位涡舌的向下伸展有利于中低层大气斜压性增强，使对流性降水加强，导致南疆中西部地区出现强降雨。对流层中高层MPV2水平梯度负值区与对流层低层MPV2水平梯度正值区叠加处与强降水区对应较好，尽管湿位涡的斜压项数值比正压项小很多，但是它在低涡暴雨的落区预报方面有较好参考价值。

4 水汽输送特征

图6 2009年 6月 6日 20 时 BT MPV1（a）和 MPV2（b）沿 39°N 的剖面图（单位：10-6m·2K·s-·1kg-1）

图7 2010年 6月 6日 02时 BT MPV1（a）和 MPV2（b）沿 39°N 的剖面图（单位：10-6m·2K·s-·1kg-1）

水汽是产生降水的重要条件，但仅仅是降水区上空的水汽凝结是不足以产生较强降水的，只有源源不断的水汽输送并在某一区域集中，这时才有利于强降水的产生。由于新疆远离海洋，周围又有高山，不可能从海面上直接获得大量的水汽。一般认为新疆大降水过程中水汽主要来自里咸海以西方路径为主，并且从中低层输送，而近年大降水的研究提出了重新认识高原水汽源的问题，提出了新疆境内产生降水的水汽在一定的环流条件下，在新疆境外集中，并在合适的环流条件下通过接力输送机制输送到强降水区的概念。

2009年6月4—7日低涡天气过程的水汽输送位置较为偏北，东欧上空低槽西南气流将水汽经黑海、里海向西西伯利亚输送。2009年6月4日20时乌拉尔山高压脊发展，脊前西北气流加强，从60°E一直向东南方向伸展到达新疆东北部地区，这支气流一部分转向东南进入内蒙古地区，另一部分通过新疆境内天山山脉之间的山口地带继续向南运行，山口的狭管效应迫使气流通过时迅速增强，在地形作用下，这支气流进入南疆地区后转向偏东，形成盆地东灌，正是这支自北向南的气流将北半球中高纬的水汽一直向南输送，为本次天气过程提供水汽来源，由于北方冷空气携带的水汽相对较少，水汽通量反映的很弱、维持时间短，最强的时候也只是在很小范围内超过4 g·cm-1·hPa-1·s-1（图8a、8b）。

2010年6月4—7日低涡天气过程的水汽源地主要是阿拉伯海地区，这种超远距离的水汽输送基本上只有在特定环流背景下通过接力输送机制才能完成。此次天气过程的环流配置正是接力输送的一种典型条件。700 hPa上2010年6月4日20时阿拉伯海有热带气旋的生成和强烈发展，副热带锋区活跃，并且在 25°N 附近的 70°～100°E 之间存在一支强水汽输送带，中心强度接近 20 g·cm-1·hPa-1·s-1（图8c），正是这支西风急流将阿拉伯海热带风暴东侧偏南气流向北输送的水汽接力输送至我国西藏、云南西部、青海地区，6月5日水汽输送带继续北进，经河西走廊转为西向进入南疆盆地，水汽通量中心值超过 8 g·cm-1·hPa-1·s-1；5 日 20 时阿拉伯海热带气旋向东北方向移动减弱，但副热带西风急流依然维持强劲，我国大陆高压后部的东南水汽输送带较前一日增强，南疆盆地的水汽通量大值中心超过16 g·cm-1·hPa-1·s-1（图8d）；6日20时阿拉伯海气旋登陆后继续减弱，同时蒙古地区有北方冷空气南下，使我国大陆高压东撤，这支东南气流的水汽输送带也随之东移，此时南疆盆地的水汽主要由北疆东部风口偏北风向南输送，水汽通量显著减小，中心值为4～8 g·cm-1·hPa-1·s-1；7 日 20 时我国东部大陆高压继续东撤，北方冷空气也基本移出新疆，此时南疆盆地的水汽输送继续减弱，盆地内部水汽通量中心仅有 4 g·cm-1·hPa-1·s-1。

图8 700 hPa水汽通量

两次天气过程的水汽通量存在显著差异并且水汽源地也有所不同，未能造成显著降水的低涡天气过程水汽主要由低槽西南气流向南输送，由于北方冷空气水汽含量较少，此次天气过程的水汽通量表现得很弱；而造成南疆西部暴雨的低涡天气过程水汽通过接力输送的机制到达南疆盆地，由于此次天气过程水汽源地位于阿拉伯海，热带洋面上水汽含量充沛，水汽通量较2009年6月低涡天气过程大很多。水汽输送的机制是和天气系统、高低空气流的配置密切相关的，只有在合适的环流条件下，洋面上空的水汽才可能通过接力输送机制到达距离甚远的大陆腹地。当500 hPa热带洋面的水汽在气旋性环流作用下被输送到青藏高原上空聚集，这部分在高原上空聚集的大量水汽在强的偏南风作用下以接力的方式继续北涌，经河西走廊转向进入南疆地区，为南疆盆地的大降水提供充足的水汽供应。

5 结论

（1）2010年南疆强降水高低空配置特征：100 hPa上南亚高压位于伊朗高原（70°E）为带状型分布，南疆处于100～200 hPa长波槽前急流轴左前侧的高层辐散区，500 hPa伊朗高压脊的南北振荡与下游新疆脊的发展相配合，使塔什干低涡两次东移影响南疆地区，700 hPa南疆盆地东风急流的维持，使中低层切变辐合长时间在南疆偏西地区维持，此高地空配置为暴雨提供环流背景和垂直上升的动力；2009年塔什干低涡天气过程中100 hPa南亚高压稳定少动，中心位置偏东（90°E），500 hPa里海脊和新疆脊势力相当使得低涡在南疆西部境外稳定少动，当里海脊减弱东移时，塔什干低涡东移并减弱为槽，700 hPa上南疆盆地东风气流强度较弱、位置偏西、时间较短，无显著的高层辐散和中低层切变辐合，不利于垂直上升运动的发展。

（2）两场天气过程中，500 hPa以上 MPV1＞0、MPV2＜0，700 hPa 以下 MPV1＜0、MPV2＞0。2010 年高层MPV1高值区向对流层伸展，冷空气向下侵入激发不稳定，MPV2负湿舌向下伸展，中低层斜压性增强，利于对流性降水；同时700 hPa以下南疆地区MPV2正值中心配合MPV1负值激发垂直涡度增长，最终低涡天气系统下南疆出现强降水。2009年没有此配置特征且700 hPa以下南疆地区MPV1和MPV2的值很小，垂直涡度增长很有限，低涡仅造成南疆西部国境线一带弱降水。

（3）2010年阿拉伯海的大量水汽通过接力输送机制由西南气流向北输送至南疆盆地西部，与中低层东风急流携带的水汽在暴雨区强烈辐合，造成了南疆偏西地区的暴雨；而2009年主要由新疆东部东灌向南疆盆地输送水汽的塔什干低涡天气过程难以造成显著降水。