1. 引言
降水天气是乌鲁木齐地窝堡国际机场最主要的天气现象之一，降水引起的能见度下降、跑道湿滑、云中积冰、航空器动力性能受损以及与降水伴随的风切变、大风等危险天气对航空飞行有着重要的影响[1]。因此，降水天气特征研究一直是航空气象工作者关注的重点，对于航空运行安全与效率的保障有重要的意义。
近年来，气象工作者对于暴雨天气的发生发展进行了多方面的研究，陶诗言、孙建华等研究表明中尺度系统是造成暴雨的主要影响系统[2] [3]；赵强等研究得出：中尺度系统的发展与不稳定大气层结变化及对流有效位能的释放有密切关系的结论[4]。崔春光等[5]对湖北咸宁地区一次中尺度对流系统产生的短时暴雨进行研究，发现边界层风切变和地面气流辐合对MCS发展维持有利，易产生强降水天气。侯淑梅、苏爱芳、努尔比亚·吐尼牙孜等研究表明：
在有利的大气不稳定层结环境下，中尺度对流的生成与发展与地面辐合线[6]、强暖湿气流强迫和弱冷空气交汇[7]、地面切变线和地面干线[8]以及低空辐合区[9]等有密不可分的关系。以上研究为我国暴雨天气的机理研究和暴雨天气的预报预警提供了一定的参考依据。
本文利用ERA5再分析资料、微波辐射计资料、机场报文资料对2021年7月30日~31日乌鲁木齐机场降水天气过程进行分析，期望了解机场的降水特征，进一步提高预报预警能力，最大限度的减少天气对航空运行安全与效率造成的危害。
2. 资料选取
2.1. 报文资料
本文使用的机场报文资料来自于乌鲁木齐地窝堡国际机场例行天气报告(整点及半点)及特殊天气报告。
2.2. 再分析资料
文中使用的风、温度、相对湿度、气压、散度、位势高度等数据为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析资料。该数据的时间分辨率为1小时，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚。
2.3. 微波辐射计资料
乌鲁木齐机场Airda-HTG3型地基多通道微波辐射计资料，时间间隔为3 min，主要产品包括探空温度、相对湿度、绝对湿度、液态水等。
3. 研究内容
3.1. 天气概况
2021年7月30日，乌鲁木齐机场09:00~12:00偏西风8~11 m/s，阵风14~17 m/s，11:00~11:30、15:30~16:00小阵雨。7月30日，乌鲁木齐机场16:00~18:00，19:30，20:30~31日13:00出现小到中雨天气，其中05:00~06:00出现中雨，过程降水量15.4 mm。
3.2. 天气形势
3.2.1. 高空形势
Figure 1. Distribution maps of the 500 hPa wind field (black wind bars, unit: m/s), geopotential height field (black solid lines, unit: gpm), temperature field (red solid lines, unit: ˚C), and relative humidity (blue shading, unit: %). (a) 12:00 on July 29, 2021, (b) 06:00 on July 30, 2021, (c) 12:00 on July 30, 2021, (d) 18:00 on July 31, 2021
图1. 2021年(a) 7月29日12时，(b) 7月30日06时，(c) 7月30日12时，(d) 7月31日18时，500 hPa风场(黑色风杆，单位：m/s)、位势高度场(黑色实线，单位：gpm)、温度场(红色实线，单位：℃)、相对湿度(蓝色阴影，单位：%)分布图
从高空形势场来看，7月29日12时的500 hPa欧亚地区中纬度环流形势为两脊两槽型，新疆地区位于乌拉尔山大槽底前部，槽前西南气流强盛，槽后北风带不断有冷空气补充南下(见图1(a))；30日06时，乌拉尔山大槽北段槽前后风速较大，逐渐东移北收，南段槽后西北气流减弱，移速减慢(见图1(b))；30日12时，高空槽快速东移南下，自西部国境线进入北疆地区，槽前西南气流20 m/s，为降水提供充足的水汽；此后高空槽不断东移南压，为北疆大部地区带来了降水天气；高空槽移动速度缓慢，为新疆地区带来了较长时间的持续降雨(见图1(c))，直至31日18时，高空槽东移至东疆一带，新疆大部地区转为槽后西北气流控制(见图1(d))。
Figure 2. Distribution maps of the 700 hPa wind field (black wind bars, unit: m/s), geopotential height field (black solid lines, unit: gpm), temperature field (red solid lines, unit: ˚C), and relative humidity (blue shading, unit: %). (a) 06:00 on July 30, 2021, (b) 18:00 on July 31, 2021
图2. 2021年(a) 7月30日06时，(b) 7月31日18时，700 hPa风场(黑色风杆，单位：m/s)、位势高度场(黑色实线，单位：gpm)、温度场(红色实线，单位：℃)、相对湿度(蓝色阴影，单位：%)分布图
700 hPa图上，30日06时水汽自西向东输送至北疆大部地区，同时配合有明显的冷空气自北向南进入北疆地区，40~50˚N范围内有5条等温线，冷平流输送明显(见图2(a))。700 hPa持续有短波扰动向东移动；31日18时前后，水汽大值区移出乌鲁木齐机场，继续向东移动，为东疆地区带来降水天气(见图2(b))。
Figure 3. Distribution maps of the 850 hPa wind field (black wind bars, unit: m/s), geopotential height field (black solid lines, unit: gpm), temperature field (red solid lines, unit: ˚C), and relative humidity (blue shading, unit: %). (a) 06:00 on July 30, 2021, (b) 12:00 on July 30, 2021
图3. 2021年(a) 7月30日06时，(b) 7月30日12时，850 hPa风场(黑色风杆，单位：m/s)、位势高度场(黑色实线，单位：gpm)、温度场(红色实线，单位：℃)、相对湿度(蓝色阴影，单位：%)分布图
850 hPa图上，30日06时位于巴尔喀什湖附近有锋区生成，有强冷平流输送；12时锋区南压至北疆沿天山一带，天山北侧等温线较为密集，有4~5根等温线存在，较大的温度梯度带来北疆地区的西北大风天气c；30日12时，冷槽与东伸的湿舌相配合，乌鲁木齐机场上空为偏北风，在天山山脉地形的阻挡作用下，有明显的上升运动(见图3(b))。
3.2.2. 地面形势
Figure 4. Distribution maps of surface pressure field (black solid line, unit: hPa), wind field (black wind bar, unit: m/s), and temperature field (colored fill, unit: ˚C). (a) 06:00 on July 30, 2021, (b) 18:00 on July 31, 2021
图4. 2021年(a) 7月30日06时，(b) 7月31日18时地面气压场(黑色实线，单位：hPa)、风场(黑色风杆，单位：m/s)、温度场(填色，单位：℃)分布图
30日06时地面图上，冷高压中心位于乌拉尔山南侧，强度为1015 hPa，新疆地区位于冷高压前部，且冷锋位于北疆地区，自西向东影响伊犁河谷至北疆大部地区，带来大风降温降水天气(见图4(a))；09时冷锋压至天山山区一带影响乌鲁木齐机场，气压梯度进一步增强(图略)；31日18时冷锋向东移动，移出乌鲁木齐机场，北疆大部地区受冷高压控制，机场降水天气过程结束(见图4(b))。
3.3. 动力及水汽条件
Figure 5. Urumqi Airport (a) dispersion-time profile, (b) vertical velocity-time profile, and (c) wind-temperature-humidity profiles (wind field (black wind bar in m/s)), temperature (red dashed line in ˚C, and relative humidity (black solid line and blue shading in %)) time profiles
图5. 乌鲁木齐机场(a) 散度–时间剖面图，(b) 垂直速度–时间剖面图，(c) 风温湿廓线(风场(黑色风杆，单位：m/s))、温度(红色虚线，单位：℃、相对湿度(黑色实线及蓝色阴影，单位：%))时间剖面图
图5(a)为乌鲁木齐机场散度时间垂直剖面，由图可知，降水前期850~925 hPa负散度，为辐合区，中心值−8∙10−5∙s−1，位于900 hPa高度附近；800~600 hPa正散度，为辅散区，中心值12∙10−5∙s−1，位于700 hPa高度附近。低层层辐合中层辐散在垂直方向上产生的抽吸作用，可以加强垂直运动发展。从垂直速度变化图可知(见图5(b)) 30日00时前整层均为上升运动，06时后乌鲁木齐机场上空垂直速度呈现为低层上升，中层下沉的不稳定状态。这种低层辐合上升、中层辐散下沉的配置为降水提供了动力条件。
从风温湿廓线时间剖面图看(见图5(c))，30日10时，冷空气东南下影响乌鲁木齐机场，机场低层偏北风转偏西北风，风速增大至14 m/s，有利于加强地形强迫抬升；从温度变化可以看到，随着冷空气的进入，低层大气更加不稳定，为降水提供动力条件。同时，机场上空相对湿度大值区高度开始向下移动，近地面相对湿度不断增大，至31日00时前后大湿区完全接地，且持续时间长，为机场持续性降水提供了良好的水汽条件。31日06时后，相对湿度大值区高度逐步上升，至12时抬升至700 hPa以上，机场降水逐步减弱并结束。
3.4. 微波辐射计
Figure 6. (a) liquid water profile and (b) time evolution of relative humidity of Urumqi Airport microwave radiometer
图6. 乌鲁木齐机场微波辐射计(a) 液态水廓线，(b) 相对湿度时间演变图
从乌鲁木齐机场微波辐射计的液态水廓线看(见图6(a))，30日12时，机场上空6000米高度以下液态水含量骤增，持续时间短15时~20时，3000米高度一下液态水含量为0.2~0.4 g/m3。30日21时~31日11时，8000米高度以下液态水含量稳定维持在0.2~0.55 g/m3，整层液态含水量高。31日12时后，液态含水量骤减，机场降水基本结束。从相对湿度阔线图来看(见图6(b))，30日10时前，本场上空相对湿度小于50%，10时后，上层相对湿度大值区开始向下移动，近地面相对湿度增大，12时饱和区接地，随后上升，与前期短时小阵雨时间吻合。15时起，相对湿度大值区明显下降，机场降水开始。30日21时~31日11时，地面至3000米高度相对湿度值稳定维持在100%，水汽饱和且饱和区层次较厚，连续性降水时间维持较长。31日12时后，相对湿度大值区高度逐升高低，饱和区厚度减小，本场降水量明显减弱并结束。可见微波辐射计能够很好的展现机场上空垂直方向上水汽的时间变化特征。
4. 总结
1) 此次降水天气受乌拉尔山大槽东移南下影响，槽后北风带强，持续有冷空气补充；槽前西南气流强盛，为降水提供充足的水汽；高空槽移动速度缓慢，为新疆地区带来了较长时间的持续降雨。
2) 低层辐合上升、中层辐散下沉的配置为降水提供了动力条件；相对湿度大值区持续时间长，为机场持续性降水提供了良好的水汽条件。
3) 微波辐射计可以较好的展现机场上空垂直方向上水汽的动态变化特征。