1. 引言
新疆位于欧亚大陆腹地，属于干旱与半干旱区域，因深居内陆、远离海洋，且被“三山夹两盆”的复杂地形所环绕，季风环流对其并无直接影响[1]。新疆的降水主要集中在夏季，且多分布于山地，空间上呈现出显著的不均特征[2]。进入21世纪以来，我国110˚E以西的干旱、半干旱区域，春夏季极端降水事件的发生频次呈现增加趋势[3] [4]。相关研究成果显示[5]-[7]，新疆地区小雨出现的日数虽明显减少，但局地暴雨却频繁发生，强降水的日数与强度均表现出上升的态势。由于复杂的地形条件对暴雨的形成以及防御能力存在差异，当局部地区出现极端暴雨(24小时降水量超过48毫米)，尤其是短时强降水(雨强超过20毫米/小时)时，因其降水时间集中、强度大，极易引发山洪、泥石流、山体滑坡等次生灾害，给当地的经济建设和社会发展带来严重的损失，造成重大的人员伤亡和经济损害[8] [9]。新疆气象工作者在日常的业务工作中，针对新疆暴雨的形成条件、产生机理进行了一些研究[10]-[12]，由于国家降水量级标准不适合干旱、半干旱气候背景的新疆地区，因而本文采用肖开提·多莱特[13]提出的更适合新疆气候特点的降水量级标准：24 h降水量R，0.1 mm ≤ R < 6.0 mm为小雨，6.1 mm ≤ R < 12.0 mm为中雨，12.1 mm ≤ R ≤ 24.0 mm为大雨，>24.0 mm为暴雨，>48.0 mm为大暴雨。
博尔塔拉蒙古自治州(以下简称博州)位于新疆西北部，与哈萨克斯坦相邻，是新疆通往中亚的重要门户，也是“一带一路”战略的重要节点区域。近年来博州暴雨频发，该地区的极端暴雨天气逐渐引起各方关注。本文着重从大尺度环流背景、物理量场诊断分析，以及红外云图和雷达回波所反映的中尺度系统特征等维度，对此次暴雨天气过程展开剖析，旨在阐明暴雨发生期间各类环境要素场的演变规律，从而为博州未来同类暴雨天气的预报工作提供可借鉴的思路与参考依据。
2. 天气实况
2022年7月5日白天(图1)博州西部出现大到暴雨，暴雨落区主要在温泉东部至博乐北部，共14站暴雨，精河东部中到大雨。最大降水量出现在温泉县哈日布呼镇一牧场防洪区39.5毫米，最大小时雨强为15毫米/小时。本次日极端降水量处2016~2022年第34位，7月上旬第3位，在2022年处第2位。
此次降水具有降水强度大，持续时间长的特点。当日强降水有三个峰值时段，分别在09时、11~13时、15时。降水自西北山区至东部河谷，7月5日09时开始温泉北山出现5毫米/小时以上强度的降水，此后强降水范围逐渐向南向东扩展，强度最大、范围最广的短时强降水出现在11~13时，温泉东部小时雨强达10~15毫米/小时，17时之前，温泉东部至博乐北部降水强度维持在3毫米/小时以上，15时以后精河的降水强度和范围明显加大。博乐及以西地区降水在20时前后基本停止，精河的降水也明显减弱。
Figure 1. Precipitation from 08:00 on July 5 to 08:00 on July 6, 2022
图1. 2022年7月5日08时至6日08时降水量
3. 模式预报偏差及可预报性讨论
Figure 2. Comparison of precipitation forecasts from ECMWF, CMA_GFS, CMA_MESO and NCEP models
图2. ECMWF、CMA_GFS、CMA_MESO和NCEP模式降水对比
各家模式定量降水差异较大，且临近时次雨量预报均有所减弱。从大降水落区预报(图2)上看，CMA_GFS、CMA_MESO和NCEP较一致，降水中心在博州西部和北部山区；从降水强度预报上看，ECMWF预报博州南部山区及东南部山区暴雨，NCEP预报博州西部山区暴雨。较CMA_GFS、CMA_MESO量级均更接近实况，都预报出了有较大范围的大到暴雨。综合来看，本次过程中需要结合ECMWF和NCEP的预报大值区对外服务从而才能取得较好的预报效果。
对于环流形势(图略)，短期时效内，形势场预报都比较稳定，大致形势类似，都预报出了博州上游地区高空急流的强烈发展，这表明大气斜压性显著加强，有利于低层气旋和锋面系统的发展，是出现强降水的有利形势。相较而言，对于高空冷涡的强度、伊朗副高的强度和位置，ECMWF预报与实况更加吻合。
4. 环境背景
此次天气过程期间(图3) 200 hPa南亚高压强盛，呈东西带状分布，横跨70个经度，高空强辐散的维持，为降水系统的发展和维持提供“稳定背景场”。高空冷涡加深，冷空气强迫抬升；大气斜压性强，不稳定能量释放。极锋急流和副热带西风急流合并加强，范围达50个经度，中心最大风速大于60 m/s，水汽输送能力提升。7月5日08时(图3左)博州位于急流轴右侧，有偏差风的辐散增强，急流轴波动东传，为正涡度平流。20时(图3右)急流南压，急流轴平直。此次“动力足、水汽够、持续稳”的有利条件，尤其有利于形成范围广、强度较强、持续时间较长的降水过程。
Figure 3. Observation at 200 hPa
图3. 200 hPa实况
7月5日(图4) 500 hPa副热带高压加强北上，北部冷涡加深，冷暖对峙使得冷空气的“楔入”强迫暖湿空气沿冷界面向上爬升，直接增强垂直上升运动。在新疆西部的中亚有32 m/s急流高效输送水汽，5日白天，新疆伴随锋区波动，槽东移北收，槽前的西南气流进一步输送暖湿空气移入北疆。
Figure 4. Observation at 500 hPa
图4. 500 hPa实况
7月5日08时(图5左) 700 hPa北疆大部受切变线影响，提供持续的辐合抬升动力。在新疆西部的中亚有风向风速辐合，直接促进水汽汇聚。次天气尺度急流位于新疆西部，风速大于28 m/s，强化水汽输送效率与辐合强度。20时(图5右)急流分支，切变断裂，降水渐止。
Figure 5. Observation at 700 hPa
图5. 700 hPa实况
7月5日08时(图6左) 850 hPa显示冷空气到达北疆西部。通过锋面抬升与地形抬升的双重动力作用、大气不稳定层结引发的对流增强、冷空气扩张驱动的水汽辐合与范围扩展，为新疆(尤其是北疆西部至天山北坡沿线)提供了“强抬升、足动力、广覆盖”的降水有利条件，是该时段降水形成与发展的重要低层支撑。到20时(图6右)冷空气已灌满天山北坡。
Figure 6. Observation at 850 hPa
图6. 850 hPa实况
Figure 7. Surface charts overlaid with satellite cloud images at 08:00 and 14:00 on July 5, 2022
图7. 2022年7月5日08时及14时地面图叠加卫星云图
7月5日08时地面图(图7)显示有完整锋面气旋云系并处于锢囚阶段，垂直上升运动达到最强，且上升气流覆盖范围广，这种强而广的上升运动能高效将低层水汽向上输送，促进水汽凝结成云致雨。地面冷锋05时前后到达博州后到达天山北侧，14时有干舌，涡旋云系和锋面云带逐渐分离，受天山阻挡，云带稳定。地形与冷锋的双重抬升增强了降水强度。深厚冷涡，后部冷空气强，系统后倾，冷锋云带位于锋线后阻挡部，有利于维持降水持续时间。
强降水发生时，500 hPa短波槽、700 hPa切变线和对流层上部西风急流轴经过了博州地区。
5. 物理量场展分析
5.1. 水汽条件
ECMWF7月5日08时起报的剖面(图8)可以看到相对湿度在温泉东北部(图8左图)和精河(图8右图)共同点为：湿层深厚，从地面至300 hPa均有60%以上相对湿度。600 hPa上下有干舌入侵，强迫抬升强；不同点为：>80%显著湿区在精河更强，干舌层次在精河更低达到700 hPa。垂直运动在温泉为1.1 pa/s，而在精河为0.8 pa/s。在ECMWF7月5日08时起报的比湿看出：7月5日08时700 hPa比湿 > 8 g/kg区域位于温泉，随着时间到11时，>8 g/kg区域东移南压，14时范围最大，扩大至博州南部。20时比湿减小至4~6 g/kg。以上预报说明高比湿区的位置和移动与降水中心高度相关，且具有一定的提前性，对强降水有一定指示性。
Figure 8. Vertical cross-section
图8. 垂直剖面图
水汽通量散度显示：7月05日08~14时(图9)，水汽辐合带维持，东移南压速度较慢，强度增强；17 h，西部辐散，东部辐合与强降水中心演变趋势吻合，是造成强降水的主导因素。
5.2. 动力条件
涡度条件分析：7月05日500 hPa上08~14时(图10左列)，正涡度区东移南压，发展加强，17时分裂。说明偏西急流中有短波槽东移，暴雨发生时，正涡度系统明显增强，移出或减弱时，降水强度也减弱。700 hPa上北山附近地形辐合线，为负涡度；南部暖切转冷切，正涡度。08~14时(图10右列)，正涡度加强，17时，西部负涡度，东部正涡度。700 hPa上，受地形影响阻挡南北两支气流，切变线较长时间维持，雨带稳定，从而形成暴雨，当中层引导系统进一步加强东移时，低层的辐合系统才能随之移动，降水落区也明显东移。
散度条件分析：700 hPa散度场上08~14时(图11)，辐合带稳定维持，辐合中心东移，博州中西部辐合强度减弱，与水汽通量散度的变化特征相反，也与实际降水演变不符，说明暴雨区除了有风的辐合外，水汽平流对水汽通量辐合也产生了重要的影响，17时的散度特征与水汽通量散度类似。山前水汽平流的变化十分重要，平原地区风的散度特征可代表水汽辐合辐散特征。200 hPa上高空辐散带，有急流抽吸作用的表现。正涡度平流(图略)显示对流层中部的正涡度平流有利低层上升运动，11~14时正涡度平流加强或维持，17时涡度平流减弱。正涡度平流主要在东部，倾斜上升运动。
Figure 9. Water vapor flux divergence at 08:00, 11:00, 14:00 and 17:00 on July 5 (from left to right, top to bottom)
图9. 7月5日08、11、14、17时(从左至右，从上至下)水汽通量散度
Figure 10. Vorticity at 500 hPa (left) and 700 hPa (right) at 08:00, 11:00, 14:00 and 17:00 (from top to bottom)
图10. 08、11、14、17时(自上到下) 500 hPa (左边)及700 hPa (右边)涡度
Figure 11. Divergence at 700 hPa at 08:00, 11:00, 14:00 and 17:00, and divergence at 200 hPa at 08:00 and 11:00 (from left to right, top to bottom)
图11. 08、11、14、17时(自左至右，自上到下) 700 hPa散度及200 hPa 08、11时散度
5.3. 不稳定层结
ECMWF模式在7月5日08时0时刻探空图(图12)中1000~600 hPa之间，风向顺转为暖平流，博乐低层尚未受到冷空气的影响；暖云层3 km。LCL在850 hPa以下，弱CIN，利于低层湿度的增加和不稳定能量的积累；CAPE细长，对流不稳定。700~600 hPa之间垂直风切很大，再加上处于高空急流轴的南侧，很有可能发生对称不稳定。
Figure 12. Sounding chart of Bole
图12. 博乐探空图
5.4. 触发条件
700 hPa切变线位于博州西部，700 hPa西南低空急流位于博州境外西北部，为本次强降水的抬升触发系统；500 hPa西南风大风速轴穿过博州。
5.5. 雷达特征结构
7月5日11:26开始有>30 dBZ的回波，最强超过50 dBZ (范围小)。12时开始超过50 dBZ的回波有所发展(图13)。低质心回波，降水效率高。13~17时(图14)，回波带南压速度缓慢，温泉东部至博乐北部仍然受到30~40 dBZ回波的影响，降水强度维持在3毫米/小时以上，较长的持续时间，是该地区出现暴雨的原因之一。
Figure 13. Composite reflectivity cross-sections at Tasierhai at 11:48 and 12:00
图13. 塔斯尔海11时48分、12时00分组合反射率剖面
Figure 14. Composite reflectivity at Tasierhai at 13:14 and 15:48
图14. 塔斯尔海13时14分、15时48分组合反射率
6. 结论与讨论
(1) 本次天气为冷锋锋面降水叠加对流性降水，暴雨区存在短时强降水和中等强度降水稳定维持。
(2) 综合各家模式，短期时效降水量级预报均偏小，日常预报不可过于依赖模式定量降水预报，需要加强对天气形势的研判能力。
(3) 对于博州强降水，形势场需要关注高空冷涡强度和位置、伊朗高压的发展；中层西风急流往往对应较大的大气斜压性，地面易有锋面气旋活动，需关注博州上游中层西风急流；对流层上部急流轴位置。
(4) 博州7月强降水物理量场关注点：湿度条件自低层至高层都需要60%以上，显著湿区的伸展高度较高，700 hPa上比湿为8 g/kg的区域及其影响区域，水汽辐合中心；正涡度系统的演变特征，强垂直上升运动区域、存在CAPE。
(5) 博州7月强降水卫星云图关注点：中亚北部地区云系结构，是否形成完整的锋面气旋云系，气旋发展处于哪个阶段，都会体现不同的降水强度。
(6) 雷达回波关注点：45 dBZ以上强回波的高度，尤其低质心强回波时会有较高的降水效率。
(7) 关注地形作用，包括天山大地形对锋面云系的阻挡，博州北部山区对冷空气的阻挡，下坡地形对下沉气流的增强作用。
NOTES
*通讯作者。