金晨 何清 黃乾

摘要 ?南疆地區(qū)位于歐亞腹地，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，受復(fù)雜地形地貌、天氣系統(tǒng)路徑以及特殊的大氣環(huán)流與水汽條件等影響，暴雨突發(fā)性強(qiáng)且地域性特征顯著。目前，全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式及中尺度數(shù)值模式對(duì)南疆暴雨的預(yù)報(bào)能力十分有限，近年來(lái)，許多研究團(tuán)隊(duì)在塔里木盆地進(jìn)行了大型外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)揭示南疆暴雨的機(jī)制機(jī)理有了更多啟示，對(duì)造成南疆暴雨的對(duì)流觸發(fā)機(jī)制、高低空系統(tǒng)配置及演變特征、降雨云物理過(guò)程等都有了更為深入的認(rèn)識(shí)。本文對(duì)南疆暴雨的氣候特征、大尺度環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展、水汽輸送、降水動(dòng)力機(jī)制等方面進(jìn)行了總結(jié)回顧，并提出了需要進(jìn)一步研究的科學(xué)問(wèn)題，以期為進(jìn)一步開(kāi)展南疆暴雨研究、提高暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及防災(zāi)減災(zāi)能力提供參考。

關(guān)鍵詞 ?南疆暴雨; 水汽輸送; 動(dòng)力機(jī)制; 研究進(jìn)展; 防災(zāi)減災(zāi)

位于歐亞腹地的南疆三面環(huán)山（南、西、北三面分別被昆侖山、帕米爾高原和天山環(huán)抱），中央是塔里木盆地（圖1），屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，地形地貌十分復(fù)雜、受天氣系統(tǒng)路徑以及南疆特殊的大氣環(huán)流與水汽條件等影響，南疆降水具有其獨(dú)特性，雖然年平均降水量?jī)H為59 1 mm，但降水變率很大（楊蓮梅等，2011），暴雨時(shí)有發(fā)生。2014年6月中下旬，塔里木盆地周邊出現(xiàn)連續(xù)局地暴雨，和田地區(qū)于田縣累計(jì)降水超過(guò)120 mm;2019年6月24—28日，和田、巴州等地54站達(dá)到暴雨量級(jí)，國(guó)家站和田市日降水量27 7 mm居歷史第一位;2021年5月13—14日，南疆塔中站出現(xiàn)極端暴雨，國(guó)家站塔中12 h降水量34 0 mm，日降水量超過(guò)歷年的年降水量，打破該站年最大日降水量歷史極值，同時(shí)打破春季和月最大日降水量極值。這些事件一旦發(fā)生，往往引發(fā)城市內(nèi)澇、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害，不僅影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，還可能危害生命和財(cái)產(chǎn)安全，給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響（呂新生等，2021;王秀琴和王旭，2021）。

IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，全球范圍內(nèi)，極端降雨事件將變得更加頻繁，導(dǎo)致降雨量顯著增加（IPCC，2021）。南疆強(qiáng)降水雖然是小概率事件，但近年來(lái)南疆暴雨呈明顯增加趨勢(shì)（韓云環(huán)等，2014;王少平等，2014;曾佳等，2014），局地暴雨頻次增加趨勢(shì)更是明顯（楊蓮梅，2003;戴新剛等，2007;王澄海等，2012;陳春艷等，2015;王江等，2015a）。南疆暴雨突發(fā)性強(qiáng)，加上受特殊地形環(huán)境影響，給南疆暴雨預(yù)報(bào)增大了難度，由于南疆地區(qū)處于亞歐腹地，對(duì)氣候變化反應(yīng)極為敏感，加之生態(tài)系統(tǒng)脆弱、植被覆蓋率小，暴雨的發(fā)生極易引發(fā)泥石流等次生災(zāi)害，并造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失（李銘宇等，2020）。南疆氣候變化及由此帶來(lái)的暴雨直接影響 “一帶一路”建設(shè)，更關(guān)系到國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展（王會(huì)軍等，2020）。南疆暴雨研究既是全球變化的重大科學(xué)問(wèn)題，更是國(guó)家戰(zhàn)略的迫切需求，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其機(jī)理展開(kāi)了研究，以求提高南疆暴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。對(duì)南疆暴雨的深入研究，可以提高對(duì)極端事件提前響應(yīng)的能力，進(jìn)而減少災(zāi)害帶來(lái)的損失，還可為新疆的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供氣象保障。但目前研究中還存在一些短板，為了找出現(xiàn)存的問(wèn)題，對(duì)南疆地區(qū)暴雨的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和總結(jié)十分關(guān)鍵， 本文重點(diǎn)對(duì)南疆暴雨的氣候特征、環(huán)流背景、水汽輸送、暴雨發(fā)生機(jī)理等方面進(jìn)行了概述，并對(duì)現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

1 南疆暴雨的氣候特征

1 1 南疆暴雨時(shí)間分布特征

由于受地形影響，南疆暴雨的時(shí)空分布特征差異顯著，根據(jù)新疆暴雨年鑒統(tǒng)計(jì)的近10 a南疆暴雨個(gè)例（表1），可以看出暴雨在4—9月均有出現(xiàn)，但主要集中在5—8月。研究發(fā)現(xiàn)，南疆夏季小時(shí)暴雨量和暴雨頻次在6月最多，暴雨強(qiáng)度在8月最強(qiáng)（楊霞等，2020b）。南疆暴雨多以持續(xù)時(shí)間較短的強(qiáng)降水過(guò)程出現(xiàn)，超過(guò)70％站點(diǎn)的極端降水日都出現(xiàn)過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)月為7月，該月約95％的暴雨日中都出現(xiàn)過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水（楊霞等，2021）。同時(shí)南疆暴雨具有顯著的日變化特征，為三峰型，峰值分別出現(xiàn)在傍晚17：00—18：00、午夜后00：00—01：00和上午10：00（陳春艷等，2017）。南疆極端降水量占夏季降水總量的比重很大，往往極端降水的多少?zèng)Q定了夏季降水的多寡，且降水的極端性極為突出（楊霞等，2020b）。雖然南疆暴雨是小概率事件，但研究表明近年來(lái)南疆極端降水的頻次及強(qiáng)度都有顯著增加的趨勢(shì)（圖2）（曾佳等，2014;王秀琴和王旭，2021;魏艷英等，2021）。

1 2 南疆暴雨空間分布特征

由95％分位閾值統(tǒng)計(jì)的2012—2021年夏季南疆479個(gè)區(qū)域站小時(shí)極端降水總量空間分布（圖3），可以看出南疆暴雨分布極不均勻，具有十分明顯的地理空間分布特征，主要表現(xiàn)為由山區(qū)向盆地遞減;同時(shí)還受山脈走向及坡向的影響（馬淑紅和席元偉，1997）。

極端降水閾值、年均降水量、年均極端降水量、年均極端降水頻率和極端降水強(qiáng)度均呈現(xiàn)出山區(qū)高、盆地低的特點(diǎn);年降水量越少的區(qū)域，極端降水占年降水量的比重越大（趙麗等，2014）。南疆暴雨的分布受海拔高度的影響也很大，不同地形海拔梯度下的暴雨特征量，同樣有著“北高南低”的空間分布特點(diǎn)（楊霞等，2021），同時(shí)在小時(shí)尺度上，極端降水強(qiáng)度在南疆沿天山南麓地區(qū)為西部大于東部，在南疆沿昆侖山北麓地區(qū)則為東部大于西部（楊霞等，2020b）。新疆夏季不同等級(jí)降水還具有西部大于東部、山區(qū)多于盆地和谷地的空間分布特征（李雪婷等，2021）。

2 南疆暴雨的環(huán)流背景

2 1 大尺度環(huán)流背景

夏季對(duì)流層高層的南亞高壓是南疆暴雨重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，南亞高壓分為伊朗高壓型、青藏高壓型以及雙體型，雙體型分布產(chǎn)生的降水占新疆夏季總降水的70％～90％，對(duì)塔里木盆地降水影響尤為突出;且南亞高壓雙體型中心位置的東西振蕩會(huì)對(duì)環(huán)流和水汽輸送產(chǎn)生不同影響，從而使南疆降水存在一定差異（王前等，2017）。當(dāng)南疆暴雨發(fā)生，南亞中心為雙體型時(shí)，兩個(gè)中心分別位于伊朗高原上空和青藏高原上空，副熱帶長(zhǎng)波槽配合中層低槽和低層高壓引發(fā)強(qiáng)降水天氣，副熱帶西風(fēng)急流南移到 40°N 以南，楊蓮梅等也以此提出了短期預(yù)報(bào)的天氣學(xué)模型（楊蓮梅等，2011）。西亞副熱帶西風(fēng)急流夏季位于新疆上空，同樣是影響南疆暴雨的十分重要的大尺度環(huán)流系統(tǒng)，暴雨通常發(fā)生在副熱帶西風(fēng)急流入口區(qū)的右側(cè)，其南北位置、強(qiáng)度以及急流軸的方向都對(duì)降水有一定影響，暴雨期間急流帶常呈西南-東北走向，位置偏南（楊蓮梅和劉晶，2018）。極鋒急流與副熱帶西風(fēng)急流的相互作用，會(huì)使南疆上空造成很強(qiáng)的輻散，為南疆暴雨提供有利條件（楊霞等，2020a）。第三個(gè)重要系統(tǒng)是西太平洋副熱帶高壓 （西太副高），西太副高西伸北抬往往造南疆區(qū)域環(huán)流形勢(shì)的變化，并配合著伊朗高壓的東進(jìn)，形成“兩高夾一低”的環(huán)流形勢(shì)，西風(fēng)槽攜帶的冷空氣與西太副高攜帶的暖氣流在南疆區(qū)域交匯，從而形成區(qū)域暴雨（張俊蘭等，2021）。

研究表明南疆暴雨與伊朗副高的非周期振蕩也有一定的關(guān)系（李霞等，1997）。由南疆近10 a暴雨個(gè)例（表1）合成與40 a夏季平均200 hPa風(fēng)場(chǎng)以及500 hPa高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的差異（圖4），可以看出南疆暴雨發(fā)生時(shí)，200 hPa上暴雨區(qū)位于急流入口的右側(cè)，出現(xiàn)明顯的氣旋性切變，緯向風(fēng)增強(qiáng)，急流軸偏南;500 hPa上巴爾喀什湖存在明顯的低值系統(tǒng)，溫度場(chǎng)落后于高度場(chǎng)，不穩(wěn)定條件加強(qiáng)，易造成南疆暴雨。概括起來(lái)影響南疆大范圍強(qiáng)降水的大尺度環(huán)流背景：高層為南亞高壓雙體型、副熱帶西風(fēng)急流位置偏南，中層伊朗副高東伸北挺和西太副高西伸北抬，這種高、低空的大尺度環(huán)流系統(tǒng)的配置是南疆暴雨有利的環(huán)流形勢(shì)。

2 2 天氣尺度及中尺度系統(tǒng)

南疆暴雨天氣除了受大尺度環(huán)流系統(tǒng)影響外，還受天氣尺度及中尺度系統(tǒng)的影響。根據(jù)新疆典型短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的環(huán)境背景場(chǎng)特征，歸納了短時(shí)強(qiáng)降水的三種流型（圖5）：中亞低槽（渦）型、西伯利亞低槽（渦）型和西北氣流型（黃艷等，2022），中亞低槽（渦）型和西伯利亞低槽（渦）型是南疆短時(shí)強(qiáng)降水的主要類(lèi)型，常出現(xiàn)在南疆中部、西部地區(qū)的盛夏和夏末，多為西伯利亞低值系統(tǒng)和中亞低值系統(tǒng)影響（黃艷等，2018）。中亞低渦是在咸海以東到新疆地區(qū)出現(xiàn)的一種天氣尺度冷性渦旋系統(tǒng)，常與烏拉爾脊相聯(lián)系，中亞低渦是南疆暴雨過(guò)程的重要影響系統(tǒng)之一，占60％以上（江遠(yuǎn)安等，2001），南疆西部暖季降水對(duì)中亞低渦更為敏感（Guo et al.，2021）。中亞低渦以東南路徑進(jìn)入南疆可造成南疆西部喀什地區(qū)、克州、和田地區(qū)強(qiáng)降水（張?jiān)苹莸龋?013）。除了中亞低渦，影響南疆強(qiáng)降水的還有中緯低槽系統(tǒng)，南疆短時(shí)強(qiáng)降水可發(fā)生在500 hPa高壓脊前西北氣流內(nèi)，也可出現(xiàn)在低渦底部平直西風(fēng)帶中，地面和低空中尺度輻合線均是短時(shí)強(qiáng)降水的重要影響系統(tǒng)（曾勇和楊蓮梅，2017）;南疆西部暴雨偏多的環(huán)流背景為500 hPa烏拉爾山高壓脊和極地低壓偏強(qiáng)，700 hPa以下東風(fēng)氣流是暴雨強(qiáng)度、落區(qū)、持續(xù)時(shí)間的重要因素之一（努爾比亞·吐尼牙孜等，2019）。500 hPa中低緯“兩高夾一低”經(jīng)向環(huán)流形勢(shì)下，高原低壓、中亞低壓、印度低壓三者共存，互相作用影響，同樣會(huì)造成南疆的暴雨天氣過(guò)程（張俊蘭等，2021）。

3 南疆暴雨的水汽來(lái)源

在氣候平均態(tài)下，南疆暴雨集中在夏季，其水汽輸送的大氣環(huán)流系統(tǒng)主要是西風(fēng)帶，水汽主要來(lái)自其以西中高緯地中海、里海、黑海、大西洋和北冰洋，暴雨過(guò)程水汽主要為西風(fēng)、偏南和偏東輸送路徑（楊蓮梅和劉晶，2018）。然而影響南疆不同區(qū)域的水汽輸送過(guò)程不同，大量的暴雨個(gè)例分析指出有三條主要水汽輸送路徑（楊蓮梅，2003;張?jiān)苹莺屯跤拢?004;楊蓮梅等，2012;張?jiān)苹莸龋?013;張俊蘭等，2014;張?jiān)苹莸龋?015），一支為西風(fēng)氣流和影響系統(tǒng)本身攜帶的西風(fēng)水汽輸送，另一支為中亞低槽或低渦南伸槽前西南氣流攜帶的偏南水汽輸送，該路徑水汽大多來(lái)自青藏高原，還有一些極端情況在合適環(huán)流配置下阿拉伯海水汽以接力輸送方式向新疆西南部地區(qū)輸送水汽。阿拉伯海東岸和孟加拉灣北岸同樣也是南疆暴雨的水汽源地之一，低層水汽以接力方式由阿拉伯海東岸和孟加拉灣北岸輸送到次源地巴爾喀什湖和四川盆地，四川盆地部分水汽經(jīng)過(guò)河西走廊進(jìn)入新疆，巴爾喀什湖附近水汽隨西風(fēng)進(jìn)入新疆，青藏高原水汽隨南風(fēng)輸送到新疆（馬禹等，1998;楊蓮梅等，2012）。也有學(xué)者提出了“三支氣流+兩個(gè)中轉(zhuǎn)站的三棒接力”式水汽輸送模型（蔡英等，2015）。在探索青藏高原西南部和印度中東部夏季降雨變化之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)水汽主要是通過(guò)一種“抬升-翻越”機(jī)制輸送來(lái)維持的，其中印度洋水汽被印度中東部和喜馬拉雅山腳下的對(duì)流風(fēng)暴抬升，然后被對(duì)流層中部環(huán)流掃過(guò)青藏高原西南部，進(jìn)入新疆南部（圖6）（Dong et al.，2016）。還有大量的研究也證實(shí)了阿拉伯海和孟加拉灣的水汽可以通過(guò)接力方式輸送至帕米爾高原、青藏高原和河西走廊地區(qū)，再通過(guò)高空平流和中低空回流輸送至塔里木盆地（楊梅學(xué)等，2004;李照榮等，2008;王江等，2015b）。

在利用傳統(tǒng)的歐拉方法對(duì)南疆暴雨水汽通量研究的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者也開(kāi)始使用拉格朗日后向軌跡模型來(lái)辨識(shí)南疆暴雨的水汽輸送路徑及源地。對(duì)2012年6月巴州地區(qū)一次暴雨水汽特征分析表明，水汽傳輸?shù)穆窂街饕袃蓷l，分別為西風(fēng)氣流引導(dǎo)下的偏西路徑和經(jīng)巴爾喀什湖、伊犁河谷和中天山傳輸?shù)桨椭荼辈康奈鞅甭窂?，兩者的水汽貢獻(xiàn)率達(dá)到了96 20％（劉國(guó)強(qiáng)等，2019）。在對(duì)南疆一次暴雨水汽輸送軌跡追蹤中，發(fā)現(xiàn)水汽在輸送過(guò)程中高度多變，以偏東和偏南路徑為主輸送到大暴雨區(qū)上空，歐洲大陸、西西伯利亞、中亞地區(qū)等陸地及黑海、里海等海洋是此次大暴雨水汽主要來(lái)源（曾勇等，2017）。對(duì)南疆西部一次特大暴雨水汽軌跡進(jìn)行后向模擬結(jié)果表明，暴雨水汽源于巴倫支海、喀拉海、挪威海和地中海，水汽先分別沿西北氣流和偏西氣流向下游地區(qū)輸送，水汽軌跡在哈薩克丘陵匯聚后進(jìn)入北疆，再繞過(guò)天山東側(cè)到達(dá)羅布泊地區(qū)后隨低層的偏東急流抵達(dá)暴雨區(qū)上空（牟歡等，2021）。

由此可見(jiàn)，在特定的大尺度環(huán)流背景下，南疆暴雨的水汽源地和輸送路徑極其復(fù)雜，并與低緯阿拉伯海、孟加拉灣和熱帶印度洋水汽輸送均有聯(lián)系，因此，揭示多尺度天氣系統(tǒng)對(duì)水汽區(qū)域輸送、路徑及匯聚的影響，不同水汽輸送路徑對(duì)極端降水的貢獻(xiàn)十分重要。

4 南疆暴雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機(jī)理

4 1 南疆暴雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

許多學(xué)者對(duì)南疆暴雨的研究中都給出了其三維結(jié)構(gòu)特征，南疆夏季典型暴雨配置為100 hPa南亞高壓雙體型，200 hPa副熱帶大槽的建立與維持，使中亞槽前西南急流進(jìn)人南疆西部，強(qiáng)西南急流的維持為暴雨產(chǎn)生提供了高空輻散抽吸作用;500 hPa西南氣流及前氣旋性輻合使暖濕空氣集中，同時(shí)與來(lái)自阿拉伯海-印度半島-青藏高原的西南氣流在盆地南緣匯合，中亞低值系統(tǒng)活躍與低緯暖濕氣流向北輸送，為南疆暴雨提供充足水汽;700／850 hPa偏東氣流或急流攜水汽西伸（黃艷等，2012;張?jiān)苹莸龋?013）。

對(duì)南疆西部?jī)纱伪┯赀^(guò)程中等熵面特征的對(duì)比分析中，得到暴雨過(guò)程中的動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu)模型，指出南疆西部暴雨過(guò)程是在中亞低值系統(tǒng)（如槽、渦等）影響下，高、中、低空急流耦合并疊加地形強(qiáng)迫的綜合作用下形成的，中亞低渦前部中高層向東輸送的冷空氣翻山后下沉，與低層南疆盆地東部向西輸送的冷空氣匯合抬升，與中層暖空氣交匯，同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)促使水汽輻合凝結(jié)（李如琦等，2018）。在分析南疆西部極端暴雨時(shí)，給出了暴雨三維結(jié)構(gòu)模型（圖7），100 hPa 南亞高壓雙體型、500 hPa 塔什干低渦與貝加爾湖附近低槽“東西夾攻”、低空強(qiáng)偏東急流西進(jìn)（楊霞等，2020a）。在對(duì)天山南坡暖季暴雨過(guò)程分析中得出暴雨發(fā)生在南亞高壓雙體型、天山南坡處于西南急流分流輻散區(qū)，500 hPa為“兩槽一脊”的經(jīng)向環(huán)流，700 hPa偏東急流的切變輻合為暴雨的發(fā)生提供動(dòng)力和水汽條件（莊曉翠等，2022）。在對(duì)昆侖山北坡極端暴雨過(guò)程分析中，對(duì)比兩次過(guò)程發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)均為中亞低渦，但在南亞高壓的形態(tài)上有所差別，水汽的來(lái)源和輸送路徑也各不相同（李海花等，2022）;還有學(xué)者指出，500 hPa上伊朗副高和西太平洋副熱帶高壓之間高原切變線和低渦維持的重要作用（張俊蘭等，2021）。由此可見(jiàn)，南疆不同區(qū)域暴雨發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在差異，在分析中，應(yīng)分別進(jìn)行研究，建立不同的暴雨預(yù)報(bào)模型。

4 2 南疆暴雨熱力特征

假相當(dāng)位溫（ θ ??se ）可以反映大氣的溫濕和不穩(wěn)定層結(jié)狀況，當(dāng) θ ??se 隨著高度的升高而增加，表示大氣層結(jié)穩(wěn)定，反之， θ ??se 隨著高度的升高而減小，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，大氣處于高溫高濕的狀態(tài)。南疆暴雨發(fā)生時(shí)，暴雨區(qū)位于 θ ??se 等值線密集區(qū)，中低層大氣表現(xiàn)出高溫、高濕的特性;在暴雨區(qū)附近存在高能鋒區(qū)，隨著干冷空氣侵入，能量鋒區(qū)加強(qiáng)，對(duì)流不穩(wěn)定被觸發(fā)，大氣處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，這種較好的溫濕條件、不穩(wěn)定層結(jié)為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利條件（努爾比亞·吐尼牙孜等，2017;曾勇和楊蓮梅，2017;馮瑤等，2021;熱孜瓦古·孜比布拉等，2021）。

鋒生作用與南疆暴雨有非常明顯的相關(guān)性，降水區(qū)北風(fēng)或偏北風(fēng)攜帶冷空氣翻山進(jìn)入塔里木盆地，與暖空氣匯合形成鋒生，低層鋒生觸發(fā)降水，中層鋒生維持降水，且鋒生強(qiáng)度越大，降水強(qiáng)度就越大。濕位渦對(duì)南疆暴雨也有很好的指示意義，可以抓住暴雨發(fā)生的熱力信息，揭示暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制，降水區(qū)低層為負(fù)濕位渦，對(duì)流層高層為正濕位渦，可以形成較好的熱力不穩(wěn)定條件，易產(chǎn)生暴雨（李如琦等，2017）;此外，二階濕位渦的高值區(qū)與暴雨的發(fā)展也有很好的一致性（胡素琴等，2022）。研究發(fā)現(xiàn)中低層等熵面上的位渦與南疆暴雨的關(guān)系也十分密切，降水發(fā)生時(shí)等熵位渦增大，降水結(jié)束時(shí)位渦減小（李如琦等，2018）。

4 3 南疆暴雨動(dòng)力機(jī)理研究

有關(guān)南疆暴雨動(dòng)力機(jī)理研究逐漸深入，在對(duì)南疆的一次強(qiáng)降水過(guò)程動(dòng)力診斷和水汽特征分析中指出，主要影響系統(tǒng)為中亞低值系統(tǒng)前西南氣流中發(fā)展的小槽，南北兩支高空急流輻散場(chǎng)疊加引發(fā)對(duì)流層高層加劇的抽吸作用和高低空急流的耦合作用共同導(dǎo)致了深厚強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)（孫穎姝等，2019）。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)塔里木盆地的降水異常與類(lèi)似“絲綢之路格局”的遙相關(guān)有關(guān)，遙相關(guān)導(dǎo)致中亞高度為負(fù)異常，阿拉伯海、印度和中國(guó)中北部為正高度異常，由這些高度異常引起的異常壓力梯度力導(dǎo)致塔里木盆地地區(qū)存在異常上升運(yùn)動(dòng)，并帶來(lái)青藏高原東緣低層和阿拉伯海的水汽經(jīng)過(guò)青藏高原進(jìn)入盆地（Huang et al.，2015）。西北地區(qū)降水的增加與東亞夏季風(fēng)減弱直接相關(guān)，這種減弱伴隨著西太平洋副熱帶高壓向西延伸和蒙古反氣旋活動(dòng)增加，副高西伸促進(jìn)了印度洋和太平洋的水汽向西輸送，蒙古反氣旋在華北地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)的東風(fēng)，沿高原北部的東風(fēng)穿透了塔里木盆地西部，有利于水汽從印度洋和太平洋進(jìn)一步向西輸送到中國(guó)西北部（Chen et al.，2021）。南亞夏季風(fēng)的減弱，印度半島低空會(huì)伴隨異常反氣旋環(huán)流，中亞上空高層對(duì)應(yīng)異常氣旋環(huán)流，異常氣旋的西部產(chǎn)生冷平流，導(dǎo)致中亞中高層變冷;同時(shí)印度半島上空的反氣旋環(huán)流將熱帶海洋水汽輸送至中緯度，配合中亞上空氣旋，將水汽輸送至塔里木盆地（Zhao et al.，2014）。在分析高原季風(fēng)和南亞季風(fēng)對(duì)塔里木盆地夏季降水協(xié)同影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高原季風(fēng)偏強(qiáng)，南亞季風(fēng)偏弱時(shí)，中亞及里海上空分別為氣旋和反氣旋控制，二者共同作用，導(dǎo)致中亞對(duì)流層中高層溫度降低，大尺度環(huán)流相應(yīng)調(diào)整，西亞急流位置偏南，塔里木盆地上空盛行異常偏南風(fēng)，形成有利于該區(qū)域降水的動(dòng)力條件，同時(shí)，印度半島上空底層為反氣旋環(huán)流，將熱帶海洋水汽向北輸送至中緯度，形成有利于塔里木盆地降水的水汽條件（Zhao et al.，2016）。西北地區(qū)氣候濕化的另一種可能機(jī)制是西風(fēng)環(huán)流與季風(fēng)環(huán)流年代際的協(xié)同影響，當(dāng)南亞夏季風(fēng)減弱，會(huì)導(dǎo)致高空西風(fēng)急流北移東擴(kuò)，南亞高壓范圍及強(qiáng)度增大，西太副高西伸北抬并增強(qiáng)，西北地區(qū)低層異常輻合，高層異常輻散，有異常的垂直上升運(yùn)動(dòng)，西北西部地區(qū)有氣旋性水汽通量異常場(chǎng)，暴雨頻發(fā)（圖8;Zhang et al.，2022）。

5 ?數(shù)值模式及多源資料在南疆暴雨研究及預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

5 1 數(shù)值預(yù)報(bào)模式在南疆暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

南疆暴雨預(yù)報(bào)方法的重要進(jìn)展是不斷更新?lián)Q代的高時(shí)空分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式在業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用。早在2005年，新疆氣象局就實(shí)現(xiàn)了MM5和GRAPES區(qū)域中尺度數(shù)值模式的業(yè)務(wù)運(yùn)行，在進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)MM5降水預(yù)報(bào)能力要優(yōu)于GRAPES，但在南疆地區(qū)都存在較高的空?qǐng)?bào)率（湯浩等，2012）。2010年，新疆快速更新循環(huán)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)試運(yùn)行，通過(guò)對(duì)典型暴雨個(gè)例的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)有較好的參考價(jià)值，但大降水中心位置的預(yù)報(bào)能力不是很穩(wěn)定，南疆南部的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象依舊突出，隨后該系統(tǒng)更名為沙漠綠洲戈壁區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（DOGRAFS），并于2015年業(yè)務(wù)運(yùn)行（湯浩和辛渝，2012;杜娟等，2016）。為提升新疆區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)的精細(xì)化能力，3 km高分辨率的DOGRAFS_3KM系統(tǒng)于2017年搭建運(yùn)行，在降水檢驗(yàn)上看，3 km分辨率系統(tǒng)相較于9 km系統(tǒng)在降水時(shí)段、落區(qū)和量級(jí)等方面能力都更優(yōu)，但中到大量級(jí)降水的預(yù)報(bào)能力均有限（琚陳相等，2017）。2017年搭建的高分辨率睿圖-中亞系統(tǒng)（RMAPS-CAV1 0）提升了強(qiáng)降水過(guò)程降水落區(qū)、量級(jí)的預(yù)報(bào)能力，降水預(yù)報(bào)效果優(yōu)于DOGRAFS（琚陳相等，2020）;使用RMAPS-CAV1 0模式模擬分析新疆西部地形對(duì)短時(shí)暴雨的影響研究中，通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)際降水的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，RMAPS-CAV1 0模式能夠準(zhǔn)確反映短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)的降水量級(jí)、起始時(shí)間等（Gao et al.，2021）。RMAPS-CAV2 0作為前一代的優(yōu)化系統(tǒng)，預(yù)報(bào)能力整體上都要優(yōu)于RMAPS-CAV1 0，從降水個(gè)例的檢驗(yàn)看，24 h累計(jì)降水為中到大量的站點(diǎn)預(yù)報(bào)能力有所提升（琚陳相等，2022）。此外，集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品在暴雨預(yù)報(bào)中也得到了廣泛應(yīng)用，比如降水EFI預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)降水落區(qū)及出現(xiàn)暴雨的概率都有一定的指示意義（周雅蔓，2022）。

5 2 數(shù)值模式在南疆暴雨研究中的應(yīng)用

近年來(lái)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)新疆暴雨的研究逐漸增多，為了驗(yàn)證中尺度數(shù)值模式WRF在新疆地區(qū)的模擬性能，學(xué)者們做了許多工作，分析發(fā)現(xiàn)WRF模式對(duì)氣溫的模擬效果較好，而對(duì)降水的模擬效果則一般（陳淑瑩等，2019）。在WRF模式模擬南疆強(qiáng)降雨天氣過(guò)程的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)各種參數(shù)化方案對(duì)降水都有較好的模擬能力，但或多或少與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果存在一定差異，模擬結(jié)果的偏差并不能隨著方案的更換而大幅降低，說(shuō)明模擬結(jié)果精度的提高相比于不同模擬方案設(shè)置更加依賴(lài)于實(shí)測(cè)資料的同化（劉洋等，2016）?；贑loudSat衛(wèi)星資料，利用WRF模式對(duì)新疆地區(qū)中亞低渦暴雨個(gè)例進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)4種云微物理參數(shù)化方案模擬云頂亮溫的分布與衛(wèi)星觀測(cè)十分相似，Thompson方案在模擬冰水含量垂直分布上模擬效果最好（丁明月等，2020）。通過(guò)對(duì)WRF模式中地形參數(shù)的修改，發(fā)現(xiàn)山脈對(duì)降水有顯著影響，降低山脈高度會(huì)使降雨量及降水范圍都變大（張建彬等，2022），同時(shí)還揭示出高大地形對(duì)水汽的阻擋作用（張茜和段克勤，2021）。在對(duì)新疆天山附近一次暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬中，發(fā)現(xiàn)其觸發(fā)機(jī)制是來(lái)自天山的冷空氣與來(lái)自阿克蘇的暖空氣匯合，來(lái)自西南、東南的水汽為暴雨系統(tǒng)提供了良好的水汽條件，同時(shí)，傾斜向上的空氣將云水和冰相顆粒輸送到高空，將兩者混合，產(chǎn)生大量的過(guò)冷云水，造成南疆暴雨（Zeng and Yang，2020）。WRF模擬結(jié)果還表明，重力波可作為新疆未來(lái)降水預(yù)報(bào)的前兆信號(hào)（Yang et al.，2018）;同時(shí)在模擬上空水平風(fēng)速和風(fēng)向剖面中，分析各診斷項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，平流項(xiàng)是影響緯向風(fēng)速的主導(dǎo)因素（Yang et al.，2019）。

5 3 衛(wèi)星及雷達(dá)資料在南疆暴雨研究中的應(yīng)用

目前，利用雷達(dá)和衛(wèi)星觀測(cè)進(jìn)行新疆暴雨中尺度系統(tǒng)分析的工作也已開(kāi)展，低層大氣中出現(xiàn)水平風(fēng)切變是暴雨到來(lái)的前兆信號(hào)，當(dāng)3 000 m層出現(xiàn)西南風(fēng)時(shí)，高、中、低層大氣有3種不同方向的氣流，低層存在中尺度風(fēng)切變線，增加了大氣的不穩(wěn)定性和上升氣流輻合，風(fēng)廓線數(shù)據(jù)得出的溫度平流可以代表暴雨過(guò)程中低層大氣熱力學(xué)演化的主要特征，可以用來(lái)判斷大氣不穩(wěn)定性的變化（Wang et al.，2013）;研究還發(fā)現(xiàn)，在暴雨過(guò)程中，低層大氣受到暖平流的影響，積累了足夠的能量來(lái)造成大氣不穩(wěn)定，這是形成上升氣流和降雨的有利條件。利用Ka波段云雷達(dá)數(shù)據(jù)研究了云和降水的日變化、雨滴粒徑分布（DSD）、和雨滴的物理參數(shù)，發(fā)現(xiàn)云的日變化主要受與研究區(qū)地形密切相關(guān)的風(fēng)和溫度驅(qū)動(dòng)，還建立了適合新疆的 Z-R （雷達(dá)反射率-降雨率）和 Z／D m-R （質(zhì)量加權(quán)平均直徑-降雨率）之間的關(guān)系（Zeng et al.，2020）。利用C波段多普勒雷達(dá)資料，對(duì)昆侖山北坡強(qiáng)降水天氣回波強(qiáng)度、頂高、垂直液態(tài)含水量等特征量以及持續(xù)時(shí)間的差異進(jìn)行了分析，得出塊狀多單體回波最多，無(wú)超級(jí)單體回波（張俊蘭等，2022）?？梢钥闯?，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，有利于提高暴雨事件的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警水平，雖然許多研究只是在暴雨的云圖特征、雷達(dá)回波特征等方面進(jìn)行圖像分析（馬禹等，1998;楊蓮梅和張廣興，2004;馬玉芬等，2012;于曉晶等，2014;Wang et al.，2017），但也為進(jìn)一步揭示新疆暴雨中尺度結(jié)構(gòu)特征及機(jī)理研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

從相關(guān)研究進(jìn)展可以看出，由于地形的特殊，目前中尺度數(shù)值模擬研究與我國(guó)東部地區(qū)還有很大差距，通過(guò)衛(wèi)星、雷達(dá)、風(fēng)廓線以及GPS 水汽觀測(cè)等多源資料來(lái)提高數(shù)值模擬水平是進(jìn)一步努力的方向。

6 問(wèn)題與討論

本文對(duì)南疆暴雨開(kāi)展了一些研究，但主要圍繞南疆強(qiáng)降水形成的大尺度、天氣尺度的天氣學(xué)分析，受觀測(cè)資料和數(shù)值模式條件的限制，很難對(duì)中小尺度分析做稍微細(xì)致的分析，利用衛(wèi)星和雷達(dá)資料的分析也限于少量的個(gè)例分析，對(duì)強(qiáng)降水天氣過(guò)程的各種尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展 、演變的物理過(guò)程及相互作用研究很少，對(duì)水汽特征認(rèn)識(shí)也有限，還有許多問(wèn)題有待深入研究：

1）當(dāng)前大多使用站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)南疆暴雨特征進(jìn)行分析研究，但氣象站點(diǎn)在南疆地區(qū)分布十分不均勻，所以衛(wèi)星資料在無(wú)站點(diǎn)地區(qū)的反演及應(yīng)用十分重要，需提高衛(wèi)星資料的反演精度，利用更先進(jìn)的手段獲取多源資料，進(jìn)一步揭示南疆暴雨中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2）造成南疆夏季極端降水的大尺度、中尺度、天氣尺度系統(tǒng)和環(huán)流在不同時(shí)間尺度上有何異常及變化規(guī)律？以往對(duì)中亞低值系統(tǒng)造成南疆暴雨研究有很多，但很少關(guān)注高原天氣系統(tǒng)以及多種天氣系統(tǒng)相互作用對(duì)南疆暴雨的影響，未來(lái)應(yīng)更多聚焦高原天氣系統(tǒng)的演變對(duì)南疆暴雨的影響，以及西風(fēng)環(huán)流與高原季風(fēng)相互作用的影響。

3）目前對(duì)南疆暴雨水汽輸送路徑及源匯結(jié)構(gòu)的研究還多集中于對(duì)單個(gè)天氣過(guò)程的分析，缺少對(duì)多個(gè)例的合成分析，且大多是通過(guò)歐拉方法及拉格朗日軌跡模型進(jìn)行辨識(shí)，但是模型是通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)大氣物理過(guò)程的模擬，人們對(duì)大氣中各種微物理的認(rèn)知也有限，模擬結(jié)果與真實(shí)情況難免存在誤差。所以，未來(lái)應(yīng)更多地利用衛(wèi)星資料來(lái)反演水汽輸送情況，辨識(shí)南疆暴雨過(guò)程中水汽輸送路徑及源匯結(jié)構(gòu)，此外還需加強(qiáng)高、中、低緯水汽輸送異常的研究，厘清水汽從低緯海洋進(jìn)入盆地的輸送接力機(jī)制，探究塔里木盆地內(nèi)大氣水循環(huán)對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)和物理過(guò)程的定量研究。

4）在分析動(dòng)力熱力作用對(duì)南疆暴雨系統(tǒng)發(fā)展演變的研究中，目前對(duì)特殊地形的影響作用有了一定認(rèn)識(shí)，但是對(duì)其影響過(guò)程的機(jī)理研究還有所欠缺;此外，有關(guān)于南疆及附近區(qū)域熱力作用對(duì)暴雨的影響機(jī)理研究還不夠深入，在今后的研究中，需加強(qiáng)數(shù)值模擬的研究，通過(guò)敏感性試驗(yàn)分析，探究動(dòng)力熱力作用對(duì)南疆暴雨的影響機(jī)理。

近些年，隨著在塔里木盆地大型外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的展開(kāi)（何清和金莉莉，2021），整理了許多寶貴資料，未來(lái)需要利用好這些資料，加強(qiáng)衛(wèi)星資料可信度的驗(yàn)證，改進(jìn)數(shù)值模式的模擬能力，這對(duì)提高南疆暴雨過(guò)程的認(rèn)識(shí)及進(jìn)一步加強(qiáng)影響機(jī)理研究都有很大幫助。

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A review on rainstorm research in southern Xinjiang

JIN Chen ?1，2，3 ，HE Qing ?1，2 ，HUANG Qian 4

1College of Geography and Remote Sensing Science，Xinjiang University，Urumqi 830002，China;

2Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China;

3Jinzhou Meteorological Bureau，Jinzhou 121000，China;

4School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

South Xinjiang，located in the Eurasian hinterland，has a typical temperate continental arid climate，which is affected by complex topography，weather system paths，and special atmospheric circulation and water vapor conditions，resulting in sudden and significant regional characteristics of heavy rainfall.At present，global numerical prediction models and mesoscale numerical models have a very limited ability to forecast heavy rainfall in South Xinjiang.In recent years，many research teams have conducted large-scale outfield observation experiments in the Tarim Basin and gained more insight into the convective triggering mechanism，the configuration and evolution characteristics of high and low altitude systems，and the physical processes of rainfall clouds that cause heavy rainfall in South Xinjiang.They have also shed more light on the mechanisms and causes of heavy rainfall.This paper summarizes and reviews the climatic characteristics，large-scale circulation background，mesoscale system development，water vapor transport，and precipitation dynamics mechanisms of heavy rainfall in southern Xinjiang，and proposes scientific questions that need further study，with a goal of providing references for further research on heavy rainfall in southern Xinjiang and improving the accuracy of heavy rainfall forecasting，as well as disaster prevention and mitigation.

rainstorm in southern Xinjiang;water vapor transport;dynamical mechanism;research progress;disaster prevention and mitigation

doi：10 13878／j.cnki.dqkxxb.20221114001

（責(zé)任編輯：劉菲）