1. 引言
强降水是在一定的大尺度环流形势和各种物理量场的相互配合下，直接由天气系统产生的，对国防和社会经济建设关系密切。在业务预报过程中分析不同尺度的天气系统生成发展的环境条件，判断天气系统发生发展的潜势至关重要。
新疆地处干旱半干旱地区，暴雨标准是其他城市的一半左右，且降水频次远远不如我国其他城市，但由于暴雨具有落点分散、历时短、强度大、局地性强的特点，危害程度十分严重 [1] [2] 。新疆强降水出现频次最高在5~8月，其中6月最多 [3]，在新疆气候由暖干向暖湿转变的大背景下 [4]，虽然暴雨概率小，暴雨天气仍是夏季干旱地区气象部门预报的难点。多年来，新疆气象工作者对新疆暴雨的形成条件、产生机理进行了一些研究 [5] - [12]，提出100 hPa南亚高压双体型、200 hPa西南急流、500 hPa控制新疆的副热带大槽以及中低层三支急流的暴雨天气概念 [13]，且研究区域多在伊犁、阿勒泰地区，对昌吉地区暴雨的研究较少。
昌吉州位于天山北麓，地处亚欧大陆的腹地，准格尔盆地的南缘，南部为山地，中部平原、北部沙漠，整个地势呈现南高北低的阶梯之势。2015年6月9~10日昌吉州暴雨天气过程具有受灾面积大、影响范围广、降水量突破历史极值的特点，且不存在副热带大槽和中低层急流配合，不完全符合新疆暴雨天气概念。王春燕从部分物理量(水汽通量散度、假相当位温等)、高低空急流配置、地形方面对此次天气过程进行了分析14]。此文将从不同角度(水汽源地、K指数、垂直速度、散度等)再次剖析此次天气过程，深入探讨当地暴雨的成因，以期提高对当地暴雨过程的预报能力，为今后此类暴雨预报、预警提供一些借鉴和参考依据。
2. 暴雨概况
受西西伯利亚东移的高空槽影响，2015年6月9~10日昌吉州出现入汛以来最强的降水过程(见图1)，大部地区降水为6 mm以上，共34个测站达24 mm以上，占总测站的近1/3，其中8个站出现48 mm；降水大值区主要集中在中东部的南部山区，极大值位于木垒南部山区的照壁山双湾，为108.8 mm；木垒县日降水量达62.0 mm，突破历史同期极值(1999年6月18日40.1 mm)。此次降水过程具有降水量大、持续时间长、部分时段降雨量强度大等特点。此强降雨造成我州四县市29个乡镇洪涝、风雹灾害，全州受灾人口19,512人，农作物受灾面积6062公顷，房屋受灾严重，直接经济损失3053万元。
Figure 1. Precipitation of counties and cities in Changji from 9 to 10 June 2015 (mm)
图1. 2015年6月9~10日昌吉州各县市降水量(单位：mm)
3. 大尺度环流形势演变特征
3.1. 高层环流特征
过程前期100 hPa南亚高压分裂成两个中心(见图2)，呈现带状双体型，至9~10日双体型较为明显，中心分别位于伊朗高原南部上空和青藏高原的西南部上空，咸海与巴尔喀什湖之间为低槽，但低槽的经向度并不大，约南北跨越10个经距。
Figure 2. 100 hPa height field on June 9th 20 hours
图2. 6月9日20时100 hPa高度场
200 hPa新疆偏北至甘肃、华北一带存在大于30 m/s的大风速轴，其中新疆上空为西北急流，昌吉州处于急流轴附近，对昌吉州的大降水有一定的高空抽吸作用。
3.2. 500 hPa环流形势特征
过程前期，欧亚范围的中高纬度500 hPa图上为两槽一脊经向环流形势(图略)，乌拉尔山到西西伯利亚平原和贝加尔湖到东西伯利亚分别是长波槽区，中西伯利亚、新疆至贝加尔湖以西为一长波脊区，环流经向度较大。本次暴雨影响天气系统是乌拉尔山到西西伯利亚平原的低槽，该低槽大约有20个径距，发展较强。8日开始，随着欧洲环流减弱，此低槽分裂为南北两个槽，其北段槽快速东移并向北收缩，而南段槽移至巴尔喀什湖附近则向南加深发展且移速缓慢(图3(a))，槽中暖平流的动力加压作用促使新疆高压脊加强并向北发展(图3(b))。北段槽后西北气流携带的冷平流与巴尔喀什湖附近的南段槽前的暖湿西南气流在北疆天山一带交绥。至此，新疆西部地区处于南段槽前即新疆高压脊后部的西南气流中，该地区500 hPa的温度露点差只有1℃~2℃，表明这里空气的湿度较大，同时北疆已逐步被北段槽后部的西北气流所控制，北疆大范围的降水开始。此后，10日08时低槽主体继续东移，槽中冷平流不断侵袭槽前高压脊，使其减弱，同时南段槽也在减弱，在南疆偏西地区只有580dagpm线能表征南段槽，因该槽明显减弱，等高线变得稀疏。北段槽已移到西西伯利亚地区(图3(c))，但北疆大部仍盛行冷平流，降雨持续。10日20时低槽已经完全移出新疆上空，转为高压脊控制，降水结束(图3(d))。
(a) 9日08时 
(b) 9日20时 
(c) 10日08时 
(d) 10日20时
Figure 3. 500 hPa Live Field from 9 to 10 June
图3. 6月9~10日500 hPa高空实况场
从高空500 hPa来看，造成此次强降水过程的高空冷平流明显，T-Td配合较好，但新疆上空的高空脊稳定少动，促使上游低槽强度不断加强并主体北抬，南段槽等高线较为稀疏，仅580dagpm较为明显，为预报带来一定的困难。
3.3. 中低层环流特征
9月08时700 hPa中伊朗副高西伸至73˚E，位于南疆喀什西边境附近，700 hPa、850 hPa北疆上空为高空脊控制，温度脊压在北疆上空，500 hPa与850 hPa的温度差在27℃~34℃之间，形成了下暖上冷的温度层结，且北疆上空为冷平流控制。20时伊朗副高不断西伸，压在北疆上空，北疆上空为明显的冷平流控制，低层t-td的饱和湿区与降水时段配合较好。
3.4. 地面形势特征
造成此次暴雨的高压路径为西北路径(见图4)，高压在我国关键区加强后东进，9日20时冷高中心达1028 hPa，高压前冷锋压在昌吉州中部至南疆偏西地区，南疆地区为热低压控制，中心气压为993 hPa，高、低压之间的气压差达35 hPa，冷高压强度较强；昌吉州受到高压前缘和冷锋的共同作用，暖湿空气沿冷锋锋面爬升，促进水汽的凝结，大范围降水于17时前后开始；10日20时冷高压持续加强，中心达1031 hPa，且稳定少动，伴随着冷锋移动至东疆至南疆中部，昌吉州大范围降水结束。
Figure 4. Sea-level pressure field at 20:00 on 9 June (hPa)
图4. 6月9日20时海平面气压场(单位：hPa)
4. 暴雨的成因分析
4.1. 水汽条件
4.1.1. 水汽通量、相对湿度分析
分析9日08时~20时850~700 hPa水汽通量可以看出(见图5(a)、图5(b))，造成此次大降水的水汽来源分别为阿拉伯海和低槽系统自带的水汽。其中700 hPa中水汽主要来源于系统自身携带，中心处于咸海北部，为14 g∙s−1∙cm−1∙hpa−1，西南方向的水汽较少。从图5可以看出，850 hPa中9日08时来自阿拉伯海的西南方向的水汽较为充沛，中心为27 g∙s−1∙cm−1∙hpa−1，主要处于伊犁河谷附近，此时系统自带的水汽大值区主要位于咸海附近，中心为15 g∙s−1∙cm−1∙hpa−1，随着低槽的东移以及西南气流的作用下，两支水汽在北疆上空汇合，呈东西向的带状结构，昌吉州大范围降水开始。
(a) 
(b)
Figure 5. Sea-level pressure field at 20:00 on 9 June (hPa Water vapor flux of 850 hPa at 08:00 (a) and 20:00 (b) on 9 June
图5. 6月9日08时(a)和20时(b) 850 hPa水汽通量(单位：g∙s−1∙cm−1∙hpa−1)
从相对湿度场来看(图略)，9日08时高湿区中心位于700 hPa至850 hPa呈后倾形式，700 hPa中高湿区位于69˚E，42˚N一带，和81˚E，53˚N一带，达100%，至20时，两个高湿区汇合，覆盖北疆上空，中心位于伊犁河谷上空；850 hPa中高湿区位于伊犁河谷和76˚E，61˚N至伊犁河谷一带，至20时两个高湿区在汇合覆盖北疆上空。可以看出两个高湿区在北疆上空汇合过程中，形状呈近似 > 形，说明在高湿区的西侧有相对湿度较小的入流区。
4.1.2. 水汽源地及输送机制
T-Td反映了水汽饱和程度，还可以作为能量分析的指标 [13] 。从对流层中低层500 hPa、700 hPa的T-Td场、风场和水汽通量场综合分析(图略)，可以反映出此次大降水的水汽通道路径分别为西南路径和偏西路径，且偏西路径携带的水汽较为充足，不断携带水汽输送到降水区，在干湿空气强的水平、垂直交换作用下，增强中低层水汽辐合上升，为昌吉州暴雨提供了充足的水气。
4.2. 动力条件分析
上升运动是产生降水的主要因素之一，而垂直运动的大小直接影响降水的强弱。通过分析此次降水量最大的木垒县照壁双湾村(降水总量108.8 mm)垂直速度剖面可以看出(见图6)，在9日20时双湾村中低层存在上升运动，中心位于700 hPa，中心达−33 hPa∙s−1，200 hPa以上存在下沉运动，22时双湾村开始降水，其中10日02时和03时出现短时强降水。可以看出，降水时段和大气大尺度的上升运动时刻基本吻合，上升运动较强，出现短时强降水。
Figure 6. Vertical velocity profile of Shuangwan village, Mulei county (hPa∙s−1)
图6. 木垒县双湾村垂直速度剖面图(单位：hPa∙s−1)
通过双湾村散度剖面可以看出(见图7)，在9日20时双湾村低层700 hPa以下存在风速的辐合，辐合中心达−36 × 10−6 s−1，700 hPa以上存在风速的辐散，时间段与其强降水时间段基本吻合，可以看出，中低层强烈的动力抬升运动导致大降水的产生，其落区与辐合、辐散中心基本重叠。
Figure 7. Divergence profile of Shuangwan village, Mulei county (10−6 s−1)
图7. 木垒县双湾村散度剖面图(单位：10−6 s−1)
4.3. 不稳定能量分析
假相当位温为暴雨诊断和预报的有力工具，能很好地反映大气不稳定能量的温湿特性。通过分析9日08~20时的假相当位温(见图8(a)，图8(b))，可以看出9日08时假相当位温的高能舌已经北伸至53˚N，中心为60℃，昌吉州上空为52℃的高能舌(图8(a))，随着系统移动，假相当位温中心于20时位于昌吉州上空，且中心增强为64℃ (图8(b))，此时正是昌吉降水量较大时段。
(a) 9日08时假相当位温 
(b) 9日20时假相当位温 
(c) 9日20时Si指数 
(d) 9日20时K指数
Figure 8. Pseudo equivalent temperature, K index, Si index
图8. 假相当位温、K指数、Si指数
通过分析9日20时的K指数(图8(c))和Si指数(图8(d))可以看出，20时K值的大值区和Si指数的负值区刚好压在昌吉州上空，K指数中心由08时的32℃增大为37℃，Si指数由1℃减小为−2℃，此时间段与本次开始降水的时间段基本吻合。
5. 对流云团的特征
从卫星云图可以看出，造成此次降水天气的云团为锋面云系的前部，由于有利的地形作用而生成的暴雨云团产生的。9日12:45锋面云系尾部呈松散的亮白的块状(见图9(a))，前部较为松散，呈灰黑色，降水主要集中在新疆偏西地区，昌吉州降水未开始。14点前后云系前部在中天山的有利地形下生成若干对流云团，云顶亮温为−38.33℃，对流云团沿着天山不断东移发展，不同的对流云团在昌吉州中部的加强，后部不断有新的对流单体在此补充并发展，形成“列车效应”，昌吉州自西向东大范围降水开始(见图9(b))。20时前后随着槽前西南气流的影响(见图9(c))，锋面云系的尾部逐渐加强，对流单体主要在昌吉州东部上产生，云顶亮温不断降低，昌吉州西部降水趋于减弱，中东部降水加强，受“列车效应”的影响，南部山区出现大面积的暴雨，小时雨强较强。可以看出，降水过程与对流云系生成、发展、消亡时刻对应较好。至10日白天逐渐消亡，锋面云系始终维持在新疆偏西地区，不断北上，未进入昌吉州，造成昌吉州暴雨的主要云团是锋面云系前部生成的对流云团所致(见图9(d))。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 9. The characteristics of the convective cloud masses from 9th to 10th
图9. 9日~10日的对流云团特征
6. 结论
此次暴雨过程南亚高压呈双体型，西西伯利亚低槽是本次暴雨的主要影响天气系统，在上干冷、下暖湿的大气不稳定层结中，配合低层丰沛的水汽以两条路径输送至降水区，中低层辐合上升、高层辐散下沉运动持久的有利高低空配置下产生的一次暴雨过程。
在表征大气层结稳定度、温湿特性的假相当位温、K指数和SI指数的最佳配置下为昌吉州产生暴雨天气提供了较好动力条件。
暴雨的对流云团产生在冷锋云系的前部，是中天山地形的辐合抬升作用所致，不断生成的对流云团合并加强，并沿昌吉州自西向东移动而形成“列车效应”，造成昌吉州出现强降水。
NOTES
*通讯作者。