1. 引言
2024年7月19日，乌鲁木齐机场发生了一次降雨天气，其中中雨的时段持续了4小时以上。这次降雨天气导致当日乌鲁木齐机场因天气原因延误的航班有59架次，延误超2小时航班有6架次。降雨天气是影响航班运行的重要天气之一，民航气象关注降雨天气的重点主要是降雨强度与起止时间。本次降雨过程中中雨维持的时间较长，对航班运行效率影响较大，本文分析的重点为这次降雨过程中中雨的成因及其特征。
多位气象工作者都对降雨天气有过深入的研究。刘婷[1]等分析了短时暴雨的雷达回波特征，指出了逆风区是暴雨天气发生的重要特征。徐玉秀[2]等则分析了台风暴雨的特征，指出了冷暖空气的对峙是长时效稳定性降水的重要影响因素。曹静[3]等指出了大气折射率结构常数(Cn2)可以反映降水的开始和结束时间。李方军[4]等分析了中低层的水汽条件，表明了10 g/kg的比湿是吉林省辽源市的暴雨预报的一项指标。秦炳文[5]等分析了TBB低值带区，发现其与暴雨发生的区域相对应。龙俊天[6]等指出低空急流可以为强降雨区域提供充足的水汽和能量。Mehta J D [7]等研究了不同尺度的SPI，并估计了干旱的严重程度和持续时间。Gaohong Y [8]等研究了多个静止卫星在东北亚地区的QPE，指出了：由于冻粒子和冰云的影响，QPE在冬季的精度更差。Fanyu X [9]等基于WRF模式开展了对流尺度集合预报，研究了2019年台风Lekima，指出IC/BC对集合降水预报影响较大。Akshay S [10]等使用SDBC与MPS相结合，生成了更精准的集合预报。
本文使用的资料主要有机场实况报文、机场自观测资料、NCEP再分析资料、机场多普勒雷达及FY4B卫星资料等。
2. 实况特征
2.1. 降雨概况
Figure 1. Hourly precipitation at Urumqi Airport on July 19, 2024
图1. 乌鲁木齐机场2024年7月19日小时降水量
根据乌鲁木齐机场气象实况报文，乌鲁木齐机场在2024年7月19日00:30开始出现小阵雨天气，并伴有1~2分量的CB云。7月19日04:00转为小雨天气，7月19日04:04转为中雨天气，7月19日04:21转为大雨天气，7月19日04:30转为中雨天气，7月19日08:43转为小雨天气，7月19日10:00降雨天气结束。从乌鲁木齐机场的降水量实况(图1)可以看出，7月19日05:00~08:00小时降水量均在3 mm以上，与机场报文中的中雨、大雨也是相对应的。
从乌鲁木齐机场的风向风速时间序列来看(图2，图3)，降雨过程中以西北风为主，风速大部分时间小于5 m/s，说明这次降水过程对流发展不强，没有大风天气。从乌鲁木齐机场的修正海平面气压时间序列来看(图4)，修正海平面气压在此次降雨期间是先增加后减小的，从降雨开始前的1004 hPa增加至降雨中期的1008 hPa，降雨末期修正海平面气压下降至1007 hPa。
Figure 2. Urumqi airport runway 25 instantaneous wind speed on July 19, 2024
图2. 乌鲁木齐机场25号跑道2024年7月19日瞬时风速
Figure 3. Urumqi airport runway 25 instantaneous wind direction on July 19, 2024
图3. 乌鲁木齐机场25号跑道2024年7月19日瞬时风向
Figure 4. Urumqi airport runway 25 instantaneous wind direction on July 19, 2024
图4. 乌鲁木齐机场25号跑道2024年7月19日修正海平面气压
2.2. 雷达回波
注：用软件Python绘制。
Figure 5. Urumqi airport July 18, 2024 16:32 combined reflectivity
图5. 乌鲁木齐机场2024年7月18日16:32组合反射率
注：用软件Python绘制。
Figure 6. Urumqi airport July 18, 2024 19:05 combined reflectivity
图6. 乌鲁木齐机场2024年7月18日19:05组合反射率
注：用软件Python绘制。
Figure 7. Urumqi airport July 19, 2024 00:30 combined reflectivity
图7. 乌鲁木齐机场2024年7月19日00:30组合反射率
从乌鲁木齐机场的组合反射率来看(图5~7)，在7月18日16:32 (图5)开始，在乌鲁木机场西南方向100~150 km处就有回波生成，强度在25~30 dBZ。后续回波向东北方向移动，强度增强，回波面积增大，至7月18日19:05 (图6)覆盖了乌鲁木齐机场偏西方向50~150 km范围、偏南方向20~70 km范围，中心强度增加至30~35 dBZ。后续回波逐渐覆盖乌鲁木齐机场上空，但回波大值区并未覆盖机场，因此在19日00:30之前，机场并未产生降雨。从降雨开始时刻的组合反射率来看(图7)，组合反射率回波特征表现为絮状回波，是混合性降水回波的主要特征，其对应的降雨云系为积层混合云。后续回波主要在乌鲁木齐机场偏北、偏西方向发展，覆盖了距乌鲁木齐机场150 km内的空域。
2.3. 卫星云图
从7月19日00:00的FY4B的长波红外云图(图8)来看，云系呈块状，云中对流发展明显。随着云带的进一步东移，云系的后边界变得光滑清晰，整个云块进一步变得均匀。云系中的对流发展减弱，从对流云系转为积层混合云系，从7月19日04:45的长波红外云图(图9)中看出，相比于00:00的云图，此时的云块小而分散，边界呈絮状。
注：用软件Python绘制。
Figure 8. July 19, 2024 00:00 FY4B 10.8 μm infrared cloud map
图8. 2024年07月19日00:00 FY4B 10.8 μm红外云图
注：用软件Python绘制。
Figure 9. July 19, 2024 04:45 FY4B 10.8 μm infrared cloud map
图9. 2024年07月19日04:45 FY4B 10.8 μm红外云图
3. 成因分析
3.1. 天气形势
根据2024年7月18日08:00的500 hPa天气形势场(图10)来看，主要影响新疆区域的环流系统为位于中亚地区的低涡系统，低涡中心强度为565 dagpm，与高度中心配合的还有温度场的冷中心。冷中心在高度中心底部，位于巴尔喀什湖北侧，冷中心强度为−13℃。新疆区域主要受低涡底前部的西南急流影响，急流中心强度为24 m/s。
7月18日08:00~19日02:00低涡稳定少动，低涡底部有不断的分裂短波槽。分析7月18日20:00的500 hPa高度场与风场(图11)可得，影响新疆区域的短波槽分为南北两支，南支槽位于南疆西部，后续主要影响南疆地区。北支槽位于北疆西部，7月19日02:00北支槽东移(图12)，槽前西南急流加强，急流中心强度从7月18日20:00的19 m/s加强至7月19日02:00的23 m/s。
根据7月18日20:00的700 hPa天气图(图13)来看，中亚地区的低涡在中低层仍然维持，新疆区域上空无明显急流，风场结构较乱，而同时间的850 hPa天气形势(图14)类似。所以此次乌鲁木齐机场降雨过程的主要影响系统为500 hPa上低涡底前部的西南急流。
注：用软件Python绘制。
Figure 10. 500 hPa high-altitude weather pattern at 08:00 on July 18, 2024
图10. 2024年7月18日08:00时500 hPa高空天气形势
注：用软件Python绘制。
Figure 11. 500 hPa height field and wind field in Xinjiang region at 20:00 on July 18, 2024
图11. 新疆区域2024年7月18日20时500 hPa高度场与风场
3.2. 动力条件
根据7月19日02:00的500 hPa的垂直速度场(图15)来看，在新疆中西部有带状大值区，与同时刻500 hPa急流区(图12)相叠加为乌鲁木齐机场降雨天气提供大范围的上升运动。从乌鲁木齐机场上空的垂直速度时间剖面图(图16)来看，7月18日~19日乌鲁木齐机场上空从200 hPa至近地面均是上升运动，上升运动的大值区在400 hPa左右，强度为16 × 10−2 m/s。
注：用软件Python绘制。
Figure 12. 500 hPa height field and wind field in Xinjiang region at 02:00 on July 19, 2024
图12. 新疆区域2024年7月19日02时500 hPa高度场与风场
注：用软件Python绘制。
Figure 13. 700 hPa height field and wind field in Xinjiang region at 20:00 on July 18, 2024
图13. 新疆区域2024年7月18日20时700 hPa高度场与风场
注：用软件Python绘制。
Figure 14. 850 hPa height field and wind field in Xinjiang region at 20:00 on July 18, 2024
图14. 新疆区域2024年7月18日20时850 hPa高度场与风场
注：用软件Python绘制。
Figure 15. July 19, 2024 02:00 500 hPa vertical velocity field
图15. 2024年7月19日02:00 500 hPa垂直速度场
Figure 16. Vertical velocity time profile of Urumqi Airport from July 18~19, 2024
图16. 乌鲁木齐机场2024年7月18日~19日垂直速度时间垂直剖面图
3.3. 水汽条件
从7月19日02:00的700 hPa水汽通量场(图17)来看，水汽通量大值区与低涡底部急流区基本一致，在新疆西部水汽通量分为南北两支，南支水汽通量输送至北疆沿天山一带，是本次降雨过程中的水汽来源。从7月18日~19日乌鲁木齐机场上空的水汽通量散度(图18)来看，在低层有强的水汽通量的辐合，辐合中心强度为70 × 10−8·g/(s·cm2·hPa)。可以看出在本次降雨过程中，乌鲁木齐机场本地的水汽条件是充足的，并且低涡底部分裂的短波是本次降雨的水汽输送通道。低涡移动缓慢，水汽输送时间长，导致本次降雨维持时间长，中雨的时段长。
注：用软件Python绘制。
Figure 17. July 19, 2024 02:00 700 hPa water vapor flux field
图17. 2024年7月19日02:00 700 hPa水汽通量场
Figure 18. Vertical profile of water vapor flux divergence time at Urumqi Airport from July 18th to 19th, 2024
图18. 乌鲁木齐机场2024年7月18日~19日水汽通量散度时间垂直剖面图
4. 数值模拟
4.1. 方案介绍
使用WRF模式对该次降水过程进行数值模拟。方案设计使用三重嵌套网格，范围如图19所示。三个区域使用的物理参数化方案均为：微物理过程：WSM6、长波辐射：RRTM、短波辐射：Dudhia、近地面层：Monin-Obukhov、陆面层：热量扩散方案、行星边界层：YSU、积云参数化：Kain-Fritsch。三个区域按范围从大到小依次称为D01、D02、D03，其中D03区不参加积云参数化。三个区域空间分辨率为27 km、9 km、9 km，时间分辨率为180分钟、60分钟、20分钟。
注：用软件Python绘制。
Figure 19. Schematic diagram of WRF mode area
图19. WRF模式区域示意图
4.2. 降水量模拟
WRF模拟的D03区模拟的降水量如图20所示。降水中心在43˚N，86˚E附近，中心值约在50 mm以上，降水中心向东北方向伸展，伸展出一条西南–东北走向的降水带，乌鲁木齐机场在西南–东北走向的降水带的中央。降水带的走向与短板槽前的西南暖湿气流走向一致，说明是暖区云系降水。模拟场中乌鲁木齐机场24小时降水量约在10~15 mm，相较实况偏小。
4.3. 水成物模拟
此次过程中乌鲁木齐机场上空模拟的水成物主要占比为：云水、雨水、冰及雪比水蒸气含量小2个量级，霰小于水蒸气3量级。分析乌鲁木齐机场上空水蒸气的时间垂直剖面图(图21)，可以看出400 hPa以下乌鲁木齐机场的水蒸气含量丰富，蒸气含量在中低层保持含量高、波动小的特点，为该次乌鲁木齐机场的降水过程提供充足的水汽条件。
注：用软件Python绘制。
Figure 20. Total precipitation in WRF-D03 area from 08:00 on July 18, 2024 to 08:00 on July 19, 2024
图20. WRF-D03区域2024年7月18日08:00~19日08:00总降水量
Figure 21. WRF-D03 Urumqi Airport July 18, 2024 14:00~14:00 water vapor vertical profile
图21. WRF-D03乌鲁木齐机场2024年7月18日14:00~19日14:00水蒸气垂直剖面图
5. 结论
通过以上分析可以得出以下结论：(1) 本次乌鲁木齐机场的降雨云系主要为积层混合云降水；(2) 本次乌鲁木齐机场降雨天气的主要影响系统为中亚低涡底部的分裂的短波槽；(3) 新疆中西部500~700 hPa存在的大范围的上升运动是本次降雨过程的触发机制；(4) 本次降雨过程的水汽输送主要来源于低涡底部分裂的短波；(5) 本地充足的水汽和长时间维持的水汽输送是导致本次降雨总时间长和中雨时段长的主要原因。