新疆山地锋面暴雨的锋生分析

本研究充分考虑新疆复杂地形效应及锋面暴雨区湿大气的凝结潜热加热:(1)发展了地形追随坐标下基于位温、相当位温、广义位温的热力学锋生函数和基于变形场的动力学锋生函数,阐述地形追随坐标下的锋生函数在研究复杂地形锋面过程的优势;(2)从锋生过程更本质的温湿度梯度增大过程角度讨论四种锋生的优劣势,发现广义位温锋生和变形锋生与降水过程有更好的对应关系;(3)借助新疆一次北天山到南天山的移动型锋面降水的WRF数值模拟,对广义位温锋生函数和变形锋生函数的主要强迫和对降水的作用进行诊断分析,结论表明动力学锋生在降水触发和减弱阶段有重要作用,由涡度散度变形的能量转换引起,热力学锋生主要作用于降水发展阶段,潜热加热是其主要强迫。实际应用中,近地层至中低对流层两类锋生的重叠区可指示未来降水移动方向。

塔里木东风低空急流在南疆暴雨和非暴雨过程中的差异

本文利用1981~2020年南疆台站降水资料和欧洲中心ERA5再分析资料,统计分析了塔里木东风低空急流与南疆降水的关系,通过合成分析,从动热力条件、水汽输送和超地转特性等方面对比分析了塔里木东风低空急流在南疆暴雨和非暴雨过程(即“空急流”过程)中的差异。结果表明:(1)塔里木东风低空急流对南疆暴雨有重要作用,随着降水等级的增强和强降水范围的增大,塔里木东风低空急流的出现比例迅速增多,南疆一半以上的大雨和暴雨日中都伴有塔里木东风低空急流,塔里木东风低空急流在南疆大范围暴雨过程中的出现率高达85.0%。(2)塔里木东风低空急流在南疆暴雨中向西部推进的更远,东风层更厚,并在南疆西部与偏西气流形成一个持久的东西风辐合带;在“空急流”过程中,塔里木盆地中部出现一支较强的偏北气流,切断了塔里木东风低空急流的西伸,使其主要维持在南疆东部,其东风层厚度也较南疆暴雨中略低。(3)与我国季风区“空急流”不同,塔里木东风低空急流的“空急流”具有较大的不稳定性,与南疆暴雨过程中的塔里木东风低空急流一样都具有超地转特性。(4)与塔里木东风低空急流相联系的偏东水汽输送路径是南疆暴雨过程的主要水汽输送通道,而偏西路径则是“空急流”过程的主要水汽输送通道。(5)水汽和动力条件不匹配是造成塔里木东风低空急流出现“空急流”的主要原因。

南疆暴雨研究进展

南疆地区位于欧亚腹地,属于典型的温带大陆性干旱气候,受复杂地形地貌、天气系统路径以及特殊的大气环流与水汽条件等影响,暴雨突发性强且地域性特征显著。目前,全球数值预报模式及中尺度数值模式对南疆暴雨的预报能力十分有限,近年来,许多研究团队在塔里木盆地进行了大型外场观测试验,对揭示南疆暴雨的机制机理有了更多启示,对造成南疆暴雨的对流触发机制、高低空系统配置及演变特征、降雨云物理过程等都有了更为深入的认识。本文对南疆暴雨的气候特征、大尺度环流背景、中尺度系统发生发展、水汽输送、降水动力机制等方面进行了总结回顾,并提出了需要进一步研究的科学问题,以期为进一步开展南疆暴雨研究、提高暴雨预报准确率及防灾减灾能力提供参考。

南疆东风急流暴雨与非东风急流暴雨的观测特征及天气系统差异

中国季风区的区域性暴雨过程大多与低空急流有关,然而在干旱、半干旱地区,每一次暴雨过程却不一定都有低空急流配合。根据南疆44个国家气象站1971-2020年5-9月逐日降水资料和2011-2020年逐小时降水资料,以及若羌站每日2次的探空资料,利用统计方法,分析了近50 a南疆东风急流暴雨与非东风急流暴雨的观测特征差异,以及造成二者的天气系统差异。结果表明:近50 a南疆东风急流暴雨日数略少于非东风急流暴雨日数,二者均呈增加趋势,但东风急流暴雨日数的增加趋势更显著;东风急流暴雨日数占南疆总暴雨日数的比例呈增加趋势,非东风急流暴雨日数占比呈下降趋势。南疆暖季东风急流暴雨日数在5月最多,非东风急流暴雨日数在7月最多,二者均在9月最少。20世纪70~90年代,南疆暖季以非东风急流暴雨为主,自21世纪起,以东风急流暴雨为主。南疆西(东)部地区的暴雨日数相对较多(少),且以东风(非东风)急流暴雨为主。短时强降水事件在南疆暖季非东风急流暴雨中出现的比例明显高于东风急流暴雨;约80%(60%)的东风(非东风)急流暴雨日的平均降水时数大于(小于)6 h,东风(非东风)急流暴雨以夜(日)雨为主。南疆暖季东风急流暴雨的最大降水时段和最多发生时段都主要在午夜前后;而非低空急流暴雨的最大降水时段则多发生在午后至傍晚,其最大累积频次与急流暴雨类似也出现在午夜前后;两类暴雨的最大雨强都发生在午后至傍晚。南疆暖季东风急流暴雨降水量在前半夜的峰值主要由降水频次多所导致,而其在傍晚前后降水量的次峰值则主要由降水强度大造成。南疆暖季非东风急流暴雨降水量的日变化特征与其降水强度类似,与其降水频次的差异较大,其降水量与降水强度的关系更密切。100 hPa南亚高压在南疆暖季东风急流暴雨和非东风急流暴雨中的差异较大,500 hPa上中亚低槽(涡)在二者中均占主要地位。目前,针对有塔里木东风低空急流配合的南疆暴雨的形成机制研究相对成熟,而对无塔里木东风低空急流配合的暴雨过程的形成机制还不清晰。

新疆1996年7月洪水灾害成因分析

作者从暴雨形成的环境背景、暴雨水汽来源及路径、暴雨过程及洪水时空分布、洪水稀遇程度和洪水特点等对新疆９６．７洪水进行了探讨，并综合野外考察结果，通过列述有关证据对洪水的成灾方式、致灾原因进行了详尽分析。

新疆黑石沟花岗岩裸露区历史泥石流形成条件及活动特点

西北地区干旱少雨,但却在新疆天山、阿尔泰山及东西准噶尔盆地等硬质岩裸露地区频繁暴发泥石流,究其原因与粗粒花岗岩自身易遭到物理风化有关。以哈密市天山故乡河流域三道沟左岸黑石沟花岗岩裸露地区为例,黑石沟特殊的地形条件（高差大、沟床比降大、沟道内存在两级高度6~8m的跌水坎）、粗粒（粒径达0.5~2.0mm）花岗岩易温差风化及夏季（6~8月）降水集中、降雨历时较短、降雨强度大是形成泥石流的充分必要条件。根据泥痕断面法和雨洪法判断历史上黑石沟内曾暴发多期泥石流,重点探讨了最为显著的两期泥石流侵蚀、输移、堆积的活动特点及泥石流堆积物粒度特征及流体性质,发现该沟泥石流为典型的低频稀性水石流,潜在危害性大,应采取防治措施。

南疆西部暴雨的动力热力特征分析

采用NCEP1°×1°再分析资料,对2012年南疆西部3次暴雨过程中的锋生函数和湿位涡特征的对比,分析南疆西部降水的动力、热力条件与降水的关系,结果表明:锋生函数和湿位涡与南疆西部的降水有很好的对应关系,并能较好地反映降水的动力、热力机制。西部翻山的和东部"东灌"冷空气与南疆盆地的暖空气冷暖交汇,形成锋生。低层锋生达6×10^(-9) K·s^(-1)·m^(-1)以上时,低层辐合叠加地形强迫提供动力作用,触发降水。锋生的强度与降水强度成正比。低层辐合,暖气团被抬升,中层锋生强度达4×10^(-9) K·s^(-1)·m^(-1)以上时,冷暖交汇的热力作用和水汽凝结,使降水维持,形成暴雨。暴雨时有>3 PVU的正湿位涡叠加于负湿位涡之上,低层负湿位涡<-3.0 PVU时易出现短时强降水。垂直分布上前倾结构形成对流性降水,后倾结构形成持续性降水。

基于探空资料的1961-2018年新疆高空大气比湿气候特征分析

利用1961-2018年新疆12个探空气象站逐日观测资料,分析新疆对流层850、700和500 hPa比湿的气候特征,结果表明:新疆大气比湿自西向东、自南向北递减,且随高度增加而减小,新疆比湿远小于东亚季风区;夏季比湿最大,其次为秋季、春季,冬季最小,850和500 hPa各站之间比湿差异较大,而700 hPa各站比湿差异较小;850、700和500 hPa比湿均表现为线性增加趋势,并表现为1967-1986年偏干、1987-2005年偏湿,1987年为突变点;850、700和500 h Pa比湿与降水均呈显著正相关关系;夏季暴雨天气对流层中低层比湿最大,发生暴雨时比湿约为气候平均1~2倍,夏季暴雨的动力和不稳定条件更关键,新疆暴雨天气时比湿比东亚季风区显著偏小;冬季暴雪天气比湿是一年中最小的,春、秋季强降水比湿介于夏、冬季之间,但可达气候平均的2~3倍,春、秋季需要更多的水汽产生强降水。

新亚欧大陆桥新疆段暴雨灾变事件的灰色预测

通过对新亚欧大陆桥新疆段水害严重区段暴雨灾变事件的分析，确定暴雨灾变事件的临界雨强，并运用灰色灾变预测方法，根据暴雨灾变序列确立相应的灾变年份序列，运用ＧＭ（１，１）模型，分别求出灾变年份序列的ＧＭ（１，１）序号响应式和灾变年份预测式。

1980—2019年新疆南部不同强度暴雨洪水灾害的空间分布和时间变化特征

以1980—2019年新疆南部出现的暴雨洪水灾害事件造成的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数、受灾面积作为灾情要素,采用比值权重法和无量纲化线性求和,构建了暴雨洪水灾害事件的灾损指数。根据灾损指数,采用百分位数法将每次暴雨洪水灾害事件定量划分为一般、较重、严重、特重四个等级。结果表明:新疆南部暴雨洪水事件在塔里木盆地北缘多于南缘,西部多于东部,高值区集中在阿克苏地区、喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州一带;暴雨洪水事件多发在3—10月,年出现次数呈现明显上升趋势,增幅为8次·(10a)^(-1),主要表现为一般性灾害发生频次的增加;新疆南部暴雨洪水灾害年平均灾损指数在1985年和1999年发生两次突变,平均值表现出"低—高—低"阶段性变化;暴雨洪水灾害发生次数与3—10月降水量、大雨发生日数、暴雨发生日数密切相关。近40年来新疆南部降水量的增多,导致暴雨洪水灾害次数增加;年平均灾损指数与特重和严重灾害发生次数关系密切,后者对其贡献率达87%。

南疆西部干旱区两次极端暴雨过程对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料、ERA5分析场数据等资料,对南疆西部两次极端暴雨过程的环境条件和形成机理进行对比分析,以更深入理解南疆极端降水特征和产生机制。两次过程分别发生在春季和夏季,高层环流存在显著差异,南亚高压分别呈东部型和双体型,但配合中层的“阶梯槽”形势,均为极端降水提供了特殊有利的环流背景。低空700~850 hPa偏东急流是南疆西部极端降水发生的重要天气系统,其不但是暴雨发生地主要水汽通道,还与地形形成强烈辐合,是极端降水重要的触发和水汽集中机制。引入二阶湿位涡对两次暴雨过程的非均匀特征及可能产生机制进行了对比分析。结果表明,二阶湿位涡高值区与降水的发展演变呈现较高一致性,二阶湿位涡主分量包含对流稳定度与绝对涡度垂直梯度的耦合,体现极端降水大气的主要动热力结构特点:发生在2021年6月15~16日的夏季过程,极端降水区主要位于昆仑山沿线,与塔里木盆地南侧强烈的低层气旋性旋转有关,旋转促进水汽快速集中,垂直方向表现为中层负涡度叠加于正涡度之上,垂直涡度梯度显著,同时水汽抬升凝结,中层大气加湿加热,对流稳定度在垂直方向非均匀性增强,两种垂直梯度结构均有助于垂直运动增强,促进极端降水形成;发生在2020年4月17~24日的春季过程,降水主要位于南疆西部喇叭口地形区,“阶梯槽”形势造成的越山干冷气流和塔里木盆地的偏东暖湿气流辐合,形成中层正涡度带,激发上升运动,是极端降水的主要成因。

南疆西部两次极端暴雨中尺度特征对比分析

利用常规气象观测、地面区域气象站逐小时观测数据、FY-2G云顶亮温、喀什CR/CC雷达产品及NCEP再分析等资料,对比分析南疆西部2020年4月17—24日和2021年6月15—17日(分别简称“过程1”、“过程2”)两次极端暴雨过程环流背景和短时强降水环境条件、中尺度特征。结果表明:两次过程均发生在500 hPa“东西夹攻”的有利环流背景下,100 hPa南亚高压分别呈东部型和双体型,低空急流、切变线和地面中尺度辐合线是两次暴雨重要的触发系统。两次强降水均发生在对流云团发展最强盛、范围最大时或TBB梯度最大处。但雷达回波特征明显不同,“过程1”影响系统为线性多单体强风暴,最大反射率因子达65 dBZ,具有中小尺度辐合和旋转特性,强降水期间VIL维持40 kg/m2以上并有跃增现象,更有利于产生强对流。“过程2”影响系统为分散性普通单体风暴,径向速度高层辐散不明显,VIL值明显小于“过程1”。

新疆强对流暴雨的气候特征和概率分布模式研究

应用1980～2001年的6h降水量资料和雨量时程方程,首次给出了新疆地区强对流暴雨的划分标准;分析了强对流暴雨的气候特征、大气环流背景、影响系统、变化趋势和概率分布模式;发现,20世纪90年代强对流暴雨次数有明显的增加,Poisson分布拟合强对流暴雨频率分布尚好,还计算了各地每年(雨季)强对流暴雨发生n次以上的概率。

南疆西部一次突发极端暴雨成因分析

利用常规观测、NECP1°×1°再分析、FY2D卫星高分辨率云图及多普勒雷达产品等资料,对2015年8月31日南疆西部突发极端暴雨进行天气诊断及中尺度分析。结果表明:突发暴雨发生在蒙古至贝加尔湖的高压脊经向发展,西西伯利亚低压底部分裂短波槽影响南疆西部的环流背景下,500 h Pa以低槽后干冷的西北气流为主,翻山冷空气和低层高温高湿的环境条件有利于强对流天气的发生发展。突发暴雨与持续性暴雨的水汽输送、水汽辐合及路径均有差异,突发暴雨水汽主要来自南疆盆地前期高能高湿的环境。中低层中尺度切变及辐合是导致暴雨落区及强度不同的原因之一。"人字形"切变,θse能量锋区,中尺度气旋与暴雨中心有很好的对应关系,雷达出现的"逆风区"、VIL大值区和云图出现的干舌在短临预报预警中有一定的指示意义。

新疆一次暴雨过程的观测分析及水汽特征

2015年4月15—17日北疆和南疆东部出现了一场较强的暴雨过程,此次暴雨是在中亚低涡减弱成槽分裂短波、北方有冷空气补充的大尺度环流背景下产生的。观测分析显示,卫星云图相当黑体亮温TBB<-42℃区域可能出现中等强度降水、TBB<-52℃时最大小时雨强可能大于7 mm·h^(-1);乌鲁木齐风廓线雷达的反射率因子产品在大于20 d Bz的强回波出现后的30 min左右雨强增大。分析得出,水汽输送主要出现在临近暴雨前6~12 h的低层700—850 h Pa,而最大水汽通量值12 g·(cm·h Pa·s)^(-1)出现在850 h Pa,乌鲁木齐暴雨前期,出现低空急流后,5 min雨强增强,但中后期降雨强度主要取决于低空急流和中层大风速带携带的水汽及辐合抬升的强度。本文最后讨论了中国气象局沙漠气象研究所的区域数值预报模式、ECWMF和T639对这次暴雨过程的预报。

新疆夏季两例塔什干低涡天气过程对比分析

利用NCEP1°×1°再分析资料,对新疆夏季两次塔什干低涡天气过程进行对比分析,从天气尺度环流系统配置、动力和水汽输送的角度探讨造成南疆不同降水强度的塔什干低涡特征差异。结果表明:当南亚高压中心位于70°E,南疆位于200 hPa急流轴出口辐散区,500 hPa塔什干低涡东移携带强西南气流时,700 hPa盆地有显著东风急流,偏西地区中低层切变辐合长时间维持,同时通过接力输送的阿拉伯海水汽与中低层东风急流携带的水汽强烈辐合,导致大范围暴雨,高层正MPV1、负MPV2向下伸展,中低层不稳定性、斜压性增强,配合700 hPa以下负MPV1、正MPV2激发垂直涡度增长,对流性降水加强;当南亚高压中心始终维持偏东(90°E),南疆位于200 hPa急流轴上,500 hPa里海脊和新疆东部高压脊势力相当时,塔什干低涡减弱为槽影响南疆,700 hPa南疆盆地东风气流弱且位置偏西,南疆地区无明显高层辐散、中低层切变辐合,不利于垂直上升运动的发展和水汽的集中辐合,难以造成显著降水。

新疆一次罕见的暖区暴雨过程特征分析

2018年7月31日新疆出现了一次罕见的暴雨过程,最大暴雨中心位于新疆东部哈密市,哈密市伊州区沁城乡小堡村过程累计雨量115.5 mm,连续2个时次小时雨强29.2 mm。对比哈密市建站以来6个国家气象站历年资料发现,此次暴雨特征与以往冷锋暴雨明显不同,暴雨降水时段更为集中,强度比冷锋暴雨更强,暴雨云团为典型的中尺度云团,范围小、呈块状。由于500 hPa西太平洋副热带高压偏西偏北,高空无低值系统和冷空气入侵,哈密市主要受西太平洋副热带高压外围偏南暖湿气流的影响,此次暴雨结合了南方副热带高压型和偏南风风速辐合型暖区暴雨的典型特征,具有暖区暴雨的热力结构和风场配置,是一次罕见的暖区暴雨过程。暴雨区偏南风风速辐合和暴雨区山区地形的抬升效应是本次暴雨重要的触发机制,700 hPa孟加拉湾和日本海南部两支水汽在华北平原汇合沿东南输送路径至暴雨区且有强烈水汽辐合。暴雨发生在云顶亮温(TBB)等值线密集区梯度最大处,越接近TBB低值中心梯度处的暴雨强度越强。

中亚低涡引发的两次南疆西部暴雨中尺度特征对比分析

选取南疆西部区域自动气象观测站逐时降水量资料、气象站常规观测资料、FY-2D云图TBB资料、NCEP再分析资料以及ECMWF和T639客观分析场资料,采用统计分析和滤波方法对2012年5月21~23日和2013年5月26~29日2次发生在南疆西部的暴雨过程进行对比分析。结果表明：2次暴雨过程均为中亚低涡影响形成,暴雨中心一致,但降水范围、持续时间和降水强度明显不同,中尺度系统的差异是其可能原因。2次暴雨过程分别由中-β系统和中-α系统影响形成,过程的影响系统尺度小,则雨强大、降水时间短,反之亦然。地形作用下的中低层抬升和辐合是南疆西部降水形成的重要原因。地面辐合线是南疆西部暴雨的主要中尺度影响系统,是暴雨的重要触发机制。冷空气翻越帕米尔高原进入盆地,与盆地暖湿气团交汇,形成强辐合线,不稳定强烈发展,利于出现对流性降水,降水强度大。

2013年南疆西部一次罕见暴雨的成因

利用新疆自动站逐小时雨量资料和NCEP（1°×1°）再分析资料,从锋生作用和湿位涡特征出发,对2013年5月26～29日发生在南疆西部罕见暴雨的成因进行诊断分析。结果表明：（1）此次暴雨过程是中亚低涡影响造成的,高空西南急流、低层偏东急流的耦合有利于次级环流的形成,对上升运动发展和水汽辐合抬升有重要作用;（2）降水出现在能量锋区上,暴雨中心位于等θse线密集且陡立的区域;（3）锋生函数与降水有很好的对应关系,锋生的强度和伸展高度与降水的强度及持续时间有非常明显的相关性;（4）暴雨发生在700 h Pa湿位涡零线附近等值线密集区,湿位涡＂上＋下-＂配置以及高湿位涡的下滑有利于对流发展和降水加强。

南疆暴雨洪涝灾害风险区划

统计分析2010—2020年南疆气象观测逐小时降水及各县暴雨洪涝灾情数据,将灾损指标按百分位法划分为4个等级,基于GIS技术的自然断点法,从暴雨事件和孕灾环境方面,将暴雨洪涝灾害危险性等级划分为低、中低、中高、高级。结果表明:6、12、24 h最大降水量可作为南疆暴雨洪涝灾害的气象致灾因子,且北部高于南部,西部高于东部,山区高于平原。受灾人口特重区域在和田地区洛浦县、墨玉县和于田县;直接经济损失特重区域在和静县、沙雅县、乌什县;农作物受灾特重区域在阿克苏地区沙雅县、喀什地区英吉沙县和岳普湖县;暴雨洪涝灾害高风险区域主要集中在和田地区于田县南部山区、阿克苏地区西部北部山区、喀什地区泽普县、巴州北部轮台县山区。