新疆伊犁3.13强降水成因诊断分析

Diagnosis and Analysis of the Causes of the 3.13 Heavy Rainfall in Yili, Xinjiang

摘要: 采用常规观测资料、NCEP逐6小时再分析资料(0.25˚ × 0.25˚)、风云2G卫星、伊宁新一代天气雷达回波等多源资料，综合诊断分析2023年3月13~14日伊犁暴雨过程(中高山区为雨转雪)。暴雨是在中高纬地区环流经向度较大的背景下，中亚低槽东移进入伊犁造成的。暴雨中心区850 hPa以下的水汽通量散度辐合中心高达−12 × 10⁻⁵ g•cm⁻²•hPa⁻¹•s⁻¹，为暴雨提供良好的水汽条件。暴雨期间边界层比湿大于6 g•kg⁻¹。暴雨中心区散度场、涡度场结构利于暴雨发生发展。暴雨期间低空急流强盛，急流核风速高达24 m•s⁻¹。冷平流利于中高山区雨转雪。FY-2G卫星TBB分析显示，暴雨中心区降水最强时段TBB ≤ −40℃。多普勒雷达回波分析表明，暴雨期间组合反射率因子最大值41.2 dBZ，回波顶最大高度7 km；偏西低空急流强盛，利于强降水的发生发展。

Abstract: The rainstorm process from 13th to 14th March 2023 in Yili (rain to snow in middle and high mountains) is synthetically diagnosed and analyzed based on the multi-source data such as conven-tional observation data, NCEP reanalysis data every 6 hours (0.25˚ × 0.25˚), FY-2G satellite and Yining new generation weather radar echo. The rainstorm is caused by the eastward movement of the Central Asia trough into Yili under the background of the high meridional circulation in the mid-high latitudes. The convergence center of water vapor flux divergence flux below 850 hPa in the central area of rainstorm is as high as −12 × 10⁻⁵ g•cm⁻²•hPa⁻¹•s⁻¹, providing good water vapor conditions for rainstorm. The specific humidity of boundary layer during rainstorm is greater than 6 g•kg⁻¹. The structure of divergence field and vorticity field in the central area of rainstorm is con-ducive to the occurrence and development of rainstorm. The low-level jet is strong during the rain-storm, and the core wind speed of the jet is up to 24 m•s⁻¹. Cold advection is fluent in the transition from rain to snow in the middle and high mountain areas. The analysis of FY-2G satellite TBB shows that TBB ≤ −40˚C during the strongest precipitation period in the rainstorm center area. Doppler radar echo analysis shows that the maximum combined reflectivity factor is 41.2 dBZ and the maximum height of echo top is 7 km during rainstorm; The strong westerly low-level jet is condu-cive to the occurrence and development of heavy rainfall.

1. 引言

伊犁河谷位于新疆的北疆最西部，属温带大陆性气候，三面环山，为东高西低向西开口的喇叭口地形，东西长达250千米，伊犁河由东向西横贯其中。降水时空分布极不均匀，伊犁年均降水量241~523毫米，山区600~800毫米。疆内外的气象科技工作者就新疆暴雨的气候特征、多尺度环流背景、动力机制、水汽特征、热力条件等各个方面开展了很多研究工作，取得了丰硕成果 [1] - [17] 。李海花等利用多源资料，采用水汽通量诊断、后向轨迹模型等方法分析了2022年3月18~22日阿克苏地区西部早春极端暴雨的环流形势、高低空配置、水汽输送、水汽收支及水汽追踪等 [12] 。热孜瓦古·孜比布拉等分析了2020年4月17~24日南疆西部喀什地区极端暴雨过程 [13] 。但针对伊犁河谷这一特殊地形下的初春暴雨的研究却很少。

2023年3月13日至14日，受中亚低槽东移影响，伊犁河谷出现一场初春暴雨天气(中高山区为雨转雪)，其中14个测站暴雨、6个测站暴雪，降水中心位于伊宁县。

2. 资料与方法

选取2023年3月13日至14日伊犁河谷常规气象观测、自动气象站逐时降水量、NCEP 0.25˚ × 0.25˚逐6小时全球再分析、FY-2G卫星0.1˚ × 0.1˚相当黑体温度和伊宁新一代天气雷达回波等资料。降水量按照新疆降水等级标准，24 h降雨量(R) ≥ 24.1 mm为暴雨，24 h降雪量(R) ≥ 12.1 mm为暴雪。

3. 结果与分析

3.1. 强降水概况

受中亚低槽东移影响，2023年3月13日至14日伊犁河谷出现一场暴雨雪过程(图1)，21个测站累计降水量超过20毫米，4个国家站累计降水量超过30毫米，暴雨中心位于伊宁县(39.9毫米)。伊宁县、伊宁市、察布查尔县、巩留县、新源县、霍尔果斯市、尼勒克县共14站出现暴雨，昭苏县、尼勒克县共6站出现暴雪。国家气象观测站中，12日20时至13日20时，伊宁县(29.9 mm)、察布查尔县(27 mm)、巩留县(26.6 mm)、昭苏县(19.4 mm)打破本站3月最大日降水量极值，霍尔果斯市(18.3 mm)居同期历史第二，伊宁市(24.1 mm)、霍城县(20.2 mm)居同期历史第三。降水主要时段在13日早晨至夜间。

在降水前两天3月11~12日伊犁河谷升温明显，平原地区最高气温升至20℃~23℃，为强降水发生提供较好的热力条件。

(a)(b)

Figure 1. (a) The precipitation distribution map of Yili from 06:00 on 13 March to 14:00 on 14 March, 2023 (unit: mm); (b) The hourly precipitation map of Yining County from 06:00 on 13 March to 07:00 on 14 March, 2023 (unit: mm)

图1. (a) 2023年3月13日06时至14日14时伊犁降水量实况图(单位：mm)，(b) 2023年3月13日06时至14日07时伊宁县逐小时雨量图(单位：mm)

3.2. 高空环流形势

500 hPa天气图上(图2)，3月12日08 h，欧亚范围中高纬地区环流经向度较大，呈三槽二脊型，二脊位于里海以北、贝加尔湖至新疆地区，三槽分别位于黑海及其以北地区、西伯利亚至中亚地区、东亚地区，伊犁为新疆脊区西风气流；12日20 h，咸海至巴尔喀什湖为中亚低槽活动区，新疆脊有些东移，伊犁转为脊后西南气流；13日08 h，中亚低槽移入新疆偏西地区，温度槽落后于高度槽，利于低槽发展维持，伊犁为槽区西风气流；13日20 h，新疆西部为低槽区，巴尔喀什湖以北高压脊前的偏北风引导冷空气入侵新疆西部，伊犁为偏西气流；14日08 h，巴尔喀什湖以北形成阻塞高压，北疆北部转为偏东风，新疆低槽减弱填塞，伊犁转为槽后西北气流，降水趋于停止。

(a)(b)

Figure 2. 500 hPa synoptic chart at 08:00 (a) and 20:00 (b) on 13 March, 2023

图2. 2023年3月13日08时(a)、20时(b) 500 hPa天气图

3.3. 物理量诊断分析

3.3.1. 水汽通量、水汽通量散度

分析暴雨中心伊宁县的水汽通量、水汽通量散度时间–高度剖面图可见(图3)，水汽通量大值区主要在700 hPa以下，高值中心在800 hPa，暴雨最强时段3月13日08~14 h中心值达7 g·cm⁻¹·hPa⁻¹·s⁻¹，13日20 h后，水汽通量明显减小，降水强度亦骤减。水汽通量散度辐合区主要在750 hPa以下，大值区在800 hPa以下，辐合中心在850 hPa以下的边界层，中心值高达−12 × 10⁻⁵g·cm⁻²·hPa⁻¹·s⁻¹，利于水汽快速集中、辐合上升，为暴雨发生发展提供良好的水汽条件。

Figure 3. The time-height profile of water vapor flux (isoline, unit: g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹), water vapor flux divergence (stain, unit: 10⁻⁵ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s^{−1 )} and wind field (unit: m∙s⁻¹) from 20:00 on 12 March to 08:00 on 14 March, 2023

图3. 伊宁县2023年3月12日20时至14日08时水汽通量(等值线，单位：g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹)、水汽通量散度(色斑，单位：10⁻⁵ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)、风场(单位：m∙s⁻¹)时间–高度剖面图

3.3.2. 比湿、假相当位温

从暴雨中心伊宁县的比湿时间–高度剖面图上可见(图4)，暴雨期间湿层较厚，暴雨最强时段13日08~14 h，边界层比湿大于6 g∙kg⁻¹，850 hPa比湿大于5 g∙kg⁻¹，3 g∙kg⁻¹的比湿线升至650 hPa，假相当位温线密集而陡峭，说明大气斜压性大、锋区强，利于强降水的发生。

Figure 4. The time-height profile of specific humidity (dotted line, unit: g∙kg⁻¹) and pseudo-equivalent potential temperature (solid line, unit: K) from 02:00 on 13 March to 08:00 on 14 March, 2023 in Yining County

图4. 伊宁县2023年3月13日02时至14日08时比湿(虚线，单位：g∙kg⁻¹)、假相当位温(实线，单位：K)时间–高度剖面图

3.3.3. 水平散度、垂直涡度

从伊宁县的水平散度、垂直涡度时间–高度剖面图上可见(图5)，暴雨期间800 hPa以下为强辐合区，辐合中心位于850 hPa及以下的边界层，辐合中心值高达−21 × 10⁻⁵s⁻¹，800~500 hPa基本为辐散区，750 hPa的辐散强中心达12 × 10⁻⁵s⁻¹。涡度场上，650 hPa以下基本为正涡度区，13日08时800 hPa的正涡度中心达30 × 10⁻⁵s⁻¹，13日14时后正涡度减小，上升运动由盛而衰，降水强度随之有些减弱。散度场、涡度场结构为暴雨提供有利的动力条件。

Figure 5. The time-height profile of horizontal divergence (isoline, unit: 10⁻⁵ s⁻¹) and vertical vorticity (stain, unit: 10⁻⁵ s⁻¹) from 02:00 on 13 March to 08:00 on 14 March, 2023 in Yining County

图5. 伊宁县2023年3月13日02时至14日08时水平散度(等值线，单位：10⁻⁵ s⁻¹)、垂直涡度(色斑，单位：10⁻⁵ s⁻¹)时间–高度剖面图

3.3.4. 850 hPa低空急流、温度平流

3月13日02 h后，偏西低空急流进入伊犁西部。13日08 h低空急流(图6)加大且风速辐合，急流核风速高达24 m∙s⁻¹，为暴雨区输送充沛的水汽，伊犁大部为冷平流，伊宁县冷平流为−1 × 10⁻⁴ K∙s⁻¹。13日14 h，伊犁西部低空急流略有减弱，降水强度随之有些减弱，伊犁北部山区、东部、南部冷平流增大，中高山区降水相态逐渐由雨转为雪。13日20 h，伊犁西部低空急流继续有些减弱，伊犁北部山区、东部的冷平流也略有减弱，降水强度亦略有减弱。14日02时，伊犁西部低空急流消退，东部冷平流明显减弱，降水强度随之骤减。14日08时，伊犁大部地区转为偏东风和暖平流，降水基本结束。低空急流及温度平流的发展演变对应于降水强度的强弱变化。

3.4. FY-2G卫星相当黑体温度TBB演变特征

3月13日凌晨在中亚低槽前的偏西气流引导下，降水云系逐渐进入伊犁。13日08 h (图7)，云系−52℃~−48℃的TBB低值中心区移入伊犁西部，TBB中心区呈东北−西南向的近似椭圆形，伊宁县处于TBB中心区的前端，TBB为−48℃，小时降水量2.8 mm。13日09 h，伊犁西部的TBB中心区升至−48℃，中心区面积略有缩小，伊宁县TBB为−48℃~−44℃，小时降水量3.4 mm。13日10 h，伊犁西部的TBB升高，−44℃的中心区移至伊犁北部东部，伊宁县TBB为−40℃，小时降水量3.9 mm。13日11 h，伊犁西南部出现一个−48℃的TBB低值中心区，伊犁西北部的TBB降至−48℃~−44℃，伊犁东北部出现两个−44℃的TBB低值区，伊宁县TBB为−40℃，小时降水量3.6 mm。13日12 h，伊犁南部TBB降低，−48℃的TBB低值中心区面积增大，伊犁东北部的TBB中心区降至−48℃，伊宁县TBB升至−36℃，小时降水量减小为1.9 mm。13日13~15 h，伊宁县TBB ≤ −44℃，小时降水量为2.4 mm、2.7 mm、1.8 mm。13日16~20 h，伊宁县TBB为−40℃~−36℃，小时降水量减为1.0~1.6 mm。之后，伊犁TBB明显升高，云系东移，降水逐渐减弱，13日07 h后伊犁大部降水基本结束。由以上分析可见云系TBB的演变与暴雨发生、发展有密切关系。

Figure 6. 850 hPa wind field (unit: m∙s⁻¹) and temperature advection (unit: 10⁻⁴ K∙s⁻¹) at 08:00 on 13 March (a), 14:00 on 13 March (b), 20:00 on 13 March (c), and 02:00 on 14 March (d), 2023, and D is Yining County

图6. 2023年3月13日08时 (a)、13日14时 (b)、13日20时 (c)、14日02时 (d) 850 hPa风场(单位：m∙s⁻¹)和温度平流(单位:10⁻⁴ K∙s⁻¹)，D伊宁县

Figure 7. FY-2G Satellite TBB from 07:00 to 21:00 on 13 March, 2023 (unit: ˚C), and D is Yining County

图7. 2023年3月13日07时至21时FY-2G卫星TBB(单位：℃)，D伊宁县

3.5. 多普勒雷达回波特征

暴雨期间以层状云降水为主(图8)，组合反射率因子大多在15~35 dBZ，最大值41.2 dBZ；回波顶高度大多在2~5 km，最大高度7 km。暴雨较强时段，高仰角反射率因子图上有清晰的0℃层亮带。径向速度场上，暴雨区偏西低空急流强盛，出现速度模糊，低层辐合、高层辐散，利于水汽辐合上升。

风廓线图上，暴雨较强时段雷达站上空2.4 km处有低空急流；低层西风随高度逆转为西南风，为冷平流，利于降水的发生发展。

4. 结论

1) 此次强降水过程是在中高纬地区环流经向度较大的背景下，中亚低槽东移进入伊犁造成的。

(a) (b) (c)(d)

Figure 8. (a) Combined reflectivity factor at 09:45 on 13 March, 2023 (unit: dBZ), (b) Elevation angle 6.0˚ reflectivity factor at 10:42 on 13 March (unit: dBZ), (c) Elevation angle 1.5˚ radial velocity field at 09:45 on 13 March (unit: m∙s⁻¹), (d) Wind profile map from 11:04 to 12:01 on 13 March

图8. (a) 2023年3月13日09:45组合反射率因子(单位：dBZ)，(b) 3月13日10:42仰角6.0˚反射率因子(单位：dBZ)，(c) 3月13日09:45仰角1.5˚径向速度场(单位：m∙s⁻¹)，(d) 3月13日11:04~12:01风廓线图(单位：m∙s⁻¹)

2) 暴雨中心区的水汽通量大值区主要在700 hPa以下，800 hPa高值中心达7 g·cm⁻¹·hPa⁻¹·s⁻¹，水汽通量散度辐合大值区在800 hPa以下，850 hPa以下边界层的辐合中心值高达−12 × 10⁻⁵ g·cm⁻²·hPa⁻¹·s⁻¹，为暴雨提供良好的水汽条件。暴雨期间湿层较厚，3 g·kg⁻¹的比湿线升至650 hPa，边界层比湿大于6 g·kg⁻¹。

3) 暴雨中心区散度场、涡度场结构为暴雨提供有利的动力条件。800 hPa以下为强辐合区，850 hPa及以下的边界层辐合中心值高达−21 × 10⁻⁵ s⁻¹，800~500 hPa为辐散区。涡度场上，650 hPa以下为正涡度区，800 hPa的正涡度中心达30 × 10⁻⁵ s⁻¹。

4) 暴雨期间低空急流强盛，低空急流的演变对应于降水的强弱变化；冷平流利于中高山区雨转雪。

5) FY-2G卫星TBB分析显示，暴雨中心区降水最强时段TBB ≤ −40℃。

6) 多普勒雷达回波分析表明，暴雨期间组合反射率因子最大值41.2 dBZ，回波顶最大高度7 km；低空急流强盛，利于强降水的发生发展。

基金项目

新疆气象局引导性计划项目(三维WebGis在地质灾害气象监测预警服务中的应用)资助。

NOTES

^*通讯作者。