1. 引言
库车天山神秘大峡谷以迷宫式峡谷与城堡式山岭闻名新疆内外，沿库车河河谷分布，经过多年的洪水侵蚀冲刷、风蚀、重力坍塌等综合作用，形成了近似南北弧形的库车市天山神秘大峡谷，由主谷和7条支谷组成，全长5000多米，地形地貌险峻，承灾能力弱，致灾因子复杂，导致大峡谷区域暴雨山洪泥石流多发、频发。张磊等[1]、张俊兰等[2]、刘进新[3]、彭江良等[4]对阿克苏当地强对流天气的影响系统、动力因子等进行了详细分析。2022年7月19日午后受对流性天气影响，库车大峡谷上游4个站18时出现中到大雨(阿格乡俄矿12.3 mm) [5]，下游大峡谷景区气象站仅0.2 mm降水，雨水快速汇集，19时下游大峡谷景区出现山洪。本文利用常规高空、地面观测资料对2022年7月19日库车大峡谷景区突发暴雨山洪天气的环流背景、动力条件、物理量场等方面进行了详细分析，为提高该地区暴雨山洪天气的预报预警能力提供参考。
2. 降水实况
统计大峡谷汇水区域站点降水资料，结果显示：7月19日14时至20时，库车市阿格乡饿矿新采石场降水量12.4 mm (大雨)，阿格乡阿格村中雨9.2 mm，伟晔煤矿中雨9.0 mm、阿格乡阿艾村中雨6.6 mm，17站出现小雨，大峡谷本站降水量0.2 mm。19日库车市阿格乡有5站日降水量超过历史同期日降水量极值，其中最大阿格乡俄矿新采石场该日降水量12.4 mm仅为其历史最大日降水量(39.0 mm，2018年6月17日)的32%，其余4站为其历史最大日降水量的15~25%，一定程度上增加了突发山洪的预报难度。
3. 环流形势和天气系统发展演变
3.1. 环流形势分析
库车大峡谷山洪发生在乌拉尔山高压脊北挺东移、西西伯利亚低涡东移南压且不断分裂短波的环流背景下。暴雨发生前期(图1) 18日08时500 hPa欧亚范围内呈两槽两脊的环流形势，东欧为深厚的低槽区，乌拉尔山南部为一阻塞高压，同时在西西伯利亚地区形成了一个低涡，此时阿克苏地区位于乌拉尔山高压脊脊前的西北气流上；随着东欧低槽东移南压，乌拉尔高压脊开始发展，高压脊脊顶北抬，18日20时东欧低槽继续东移南压且加深，乌拉尔高压脊脊顶已北伸至65˚N以北，19日08时东欧低槽进一步发展加深切断成低涡，19日08时至20时乌拉尔山以南的阻塞高压开始衰退南垮，迫使西西伯利亚低涡也随之东移南下分裂短波；同时低涡底部分裂短波槽影响阿克苏地区东部北部，短波槽曲率也有所增大，造成阿克苏地区东北部靠山区多对流暴雨天气。
Figure 1. 500 hPa circulation pattern at 8 a.m. to 20 p.m. on 19 July
图1. 7月19日08时至19日20时500 hPa环流形势
3.2. 不稳定层结和中分析
根据08时探空图分析(图略)，中低层风速较小，整层呈偏西风，0~6 km垂直风切变为17.1 m/s。850~600 hPa库车、阿克苏均存在风随高度顺转特征有暖平流，500~600 hPa风随高度逆转有冷平流，大气为上冷下暖的不稳定状态，有干空气卷入，K指数为25.3~31.1℃，阿克苏沙氏指数为−1.84℃，库车沙氏指数为0.24℃，阿克苏CAPE值80.6J·kg−1，库车CAPE值40.7J·kg−1，有利于不稳定能量发展，库车零度层高度在5千米左右，影响库车大峡谷的雷达回波的强中心在零度层高度以下，有利于对流性短时强降水产生。
通过08时的中分析，阿克苏地区200 hPa最大急流中心风速38 m/s，加大了高层的辐散抽吸作用，200 hPa和500 hPa为西北急流，850 hPa有偏东的显著流线，高层辐散，低层辐合，有利于上升运动。阿克苏地区500 hPa整层为饱和湿区(T-Td ≤ 4℃)，西部有短波槽；700 hPa库车大峡谷附近存在偏北风和偏西风的冷式切变；850 hPa库车大峡谷附近存在偏北风和偏南风的冷式切变。
3.3. 中小尺度系统发展演变
3.3.1. 地面风场及雷达回波演变
Figure 2. Shaya X-band radar
图2. 沙雅X波段雷达图
对流发生前期，7月19日08~11 h库车市大峡谷为西南风，其西北区域为偏西风，东北区域为偏东风，形成“人”字形地面辐合线。11~12 h峡谷东北明矾沟煤矿(偏东风6.5 m/s)与大桥乡(西南风8.6 m/s)两区域之间形成地面辐合线。12~13时明矾沟煤矿与大桥乡两区域之间地面辐合线加强。主要降水时段之前17:02，拜城–库车交界山区北部有雷达回波发展(1.98˚仰角)，中心强度40 DbZ (图2)。随着地面气温上升，17:20大峡谷以北出现地面辐合线(西北–东南)，拜城–库车交界山区北部有雷达回波发展加强(1.98˚)，中心强度45 DbZ。17:30~17:50大峡谷上游及左侧附近均有地面辐合线(西北–东南风，偏西–偏东风)，并且辐合线持续时间长，位置少动；17:30~17:52，拜城–库车交界北部山区雷达回波发展南下(1.98˚)，中心(40~45 DbZ)仍位于山区偏北区域；大峡谷上游及左侧附近有地面辐合线；17:30~17:50上游区域站陆续出现有量降水。17:50后，雷达回波发展(2.02˚)，迅速南下，中心40~45 DbZ；17:50~18:10是大峡谷、附近、上游区域站均出现有量降水。
3.3.2. 卫星资料分析
Figure 3. FY-4 satellite infrared cloud image and TBB evolution on July 19
图3. 2022年7月19日FY-4卫星红外云图及TBB演变
19日中午，西西伯利亚低槽南压分裂短波，在拜城、库车北部山区有积雨云发展(图3)，随后，17 h积雨云向南发展加强，在拜城北部山区形成了一个TBB中心，强度达−24~−16℃。17:34在大峡谷景区上游北部阿格乡–东风煤矿一带对流云快速发展，18 h对流云系发展到最强时期，对应在大峡谷景区上游北部山区阿格乡–东风煤矿一带TBB发展中心强度达−40~−36℃，至此阿格乡俄矿新采石场降水12.4 mm，阿格乡明矾沟一带降水量3 mm左右。随后对流云系开始减弱，云系向东移出库车向东部巴州移去。
4. 垂直物理量场分析
Figure 4. Time series of relative vorticity-wind field and divergence-wind field in vertical section from 00 to 23
图4. 19日00~23时相对涡度–风场、散度–风场垂直剖面时间序列变化图
沿库车大峡谷(N42˚, E83˚)站点做18日夜间至19日23 h时间序列的相对涡度及风场的垂直剖面，从剖面可以看到(图4)，18日夜间至19日14 h库车大峡谷附近整层都表现为负相对涡度，尤其是上午9 h至中午14 h左右，中层400~650 hpa已发展为负相对涡度中心(−0.2 × 10−5S−1)，中层风向也由偏西风转为西北风。此后15~21 h，正相对涡度开始快速发展，16 h中低层700~850 hPa出现正涡度中心，中心强度0.15~0.2 × 10−5S−1，正相对涡度有利于加速气流气旋式旋转，有利于中低层水汽凝结抬升，而且此后正涡度不断向中高层垂直发展，19~21 h几乎发展为整层深厚的正相对涡度，21 h中低层700~850 hPa出现正涡度中心，中心强度达0.25 × 10−5S−1。气旋式旋转提供辐合及上升运动等有利的环流背景。大峡谷附近上空几乎整层已经发展为正涡度平流。正涡度平流的发展使气块旋转上升运动持续发展并加强，有利于将中低层暖湿空气抬升。
沿库车大峡谷(N42˚, E83˚)站点做18日夜间至19日23h时间序列的散度及风场的垂直剖面，从剖面可以看出(图4)，18日夜间至19日10h库车大峡谷附近几乎整层都表现为正散度，辐散下沉气流，从19日上午10 h开始，中层450~650 hPa开始出现负散度，这就预示着中层辐散运动开始向辐合运动转换。中午14 h，大峡谷附近上空600 hPa出现一个辐合中心，此后10~21 h，大峡谷附近上空的辐合区域不断向中低层发展，与此同时，中高层发展成为辐散区，这种中低层发展为辐合运动区，而中高层发展为辐散区，中低层辐合，高层辐散，辐散抽吸作用使上升运动维持，对流持续发展，产生了暴雨天气。
5. 水汽条件
暴雨的发生不但要求有很好的局地水汽条件，还要有源源不断的水汽补充。只有大量的水汽在降水区辐合，暴雨才有可能发生[6]。7月18日夜间~19日就不断有西方水汽通道向暴雨区拜城南部、库车输送水汽：西方路径的水汽经黑海、里海、咸海输送至国境线西部翻越帕米尔高原进入南疆西部、和田北部，再由偏西气流接力输送至阿克苏地区东部的拜城南部、库车，从7月19日08时500 hPa水汽通量及水汽矢量场可见(图5)，从黑海、里海、咸海到喀什一带就有自西向东的水汽输送带，来自西方路径的水汽输送至阿克苏地区东南部(阿拉尔东部、沙雅东部)由于偏东气流的阻挡而汇集，形成一个水汽通量中心，中心强度4 g·cm−2·hPa−1·s−1。此后水汽不断增加堆积，水汽通量中心也不断向东扩散增强，19日14时，水汽通量中心达到6 g·cm−2·hPa−1·s−1。19日20时水汽通量中心达到7.5g·cm−2·hPa−1·s−1，雨后东移南下向巴州南部移去。由此可见，此次暴雨天气的水汽源地主要位于黑海和里、咸海地区，水汽自西向东移动，在偏西气流的作用下，在我区汇合，为暴雨和冰雹的发生提供了充足的水汽条件。不利之处：水汽通量汇集区位于景区南部100~120 km，降水区域和水汽通量中心位置偏差较大，给预报增加了难度。
Figure 5. 500 hPa water vapor flux and water vapor vector field at 8 a.m. on 19 July
图5. 19日08时500 hPa水汽通量及水汽矢量场
6. 结论与讨论
1) 此次库车大峡谷突发暴雨山洪天气的主导系统是乌拉尔山阻塞高压，乌拉尔山南部阻塞高压南跨迫使西西伯利亚低涡东移南下分裂短波，造成阿克苏地区东北部靠山区多对流暴雨天气，北部山区突发短时强降水引发山洪汇集导致库车大峡谷景区山洪。
2) 此次库车大峡谷突发暴雨山洪天气从各家模式预报来看，ECMWF模式预报准确率更高，而且ECMWF细网格降水模式格点更细，能一定程度精细化预报拜城县黑英山乡至库车市大峡谷景区的降水。
3) 此次大峡谷突发暴雨山洪天气雷达回波反应不明显，雷达主要依靠沙雅X波段雷达，而峡谷景区沙雅X波段雷达相距100 km，回拨衰减严重，而且中间还隔了一座海拔两千多米的却勒塔格山。该雷达目前观测模式不具有连续性，山区局地对流性暴雨天气监测能力不足。目前库车C波段雷达正在建设中，可以解决上述问题。
4) 山洪爆发前期峡谷上游中低层辐合，高层辐散，辐散抽吸作用使上升运动维持，对流持续发展；而且当天17时至18时峡谷左侧附近地面辐合线发展，并且辐合线持续时间长，有利于对流天气的触发。
5) 此次暴雨天气的水汽源地主要位于黑海和里、咸海地区，水汽自西向东移动，在偏西气流的作用下，在我区汇合，为暴雨和冰雹的发生提供了充足的水汽条件。但水汽通量汇集区位于景区南部一百多公里，降水区域和水汽通量中心位置偏差较大，给预报增加了难度。
基金项目
中国气象局复盘总结专项(FPZJ2023-150)。
NOTES
*通讯作者。