1. 引言
伊犁河谷位于新疆的北疆最西部,属温带大陆性气候,三面环山,为东高西低向西开口的喇叭口地形,东西长达250千米,伊犁河由东向西横贯其中。降水时空分布极不均匀,伊犁年均降水量241~523毫米,山区600~800毫米。疆内外的气象科技工作者就新疆暴雨的气候特征、多尺度环流背景、动力机制、水汽特征、热力条件等各个方面开展了很多研究工作,取得了丰硕成果 [1] - [17] 。李海花等利用多源资料,采用水汽通量诊断、后向轨迹模型等方法分析了2022年3月18~22日阿克苏地区西部早春极端暴雨的环流形势、高低空配置、水汽输送、水汽收支及水汽追踪等 [12] 。热孜瓦古·孜比布拉等分析了2020年4月17~24日南疆西部喀什地区极端暴雨过程 [13] 。但针对伊犁河谷这一特殊地形下的初春暴雨的研究却很少。
2023年3月13日至14日,受中亚低槽东移影响,伊犁河谷出现一场初春暴雨天气(中高山区为雨转雪),其中14个测站暴雨、6个测站暴雪,降水中心位于伊宁县。
2. 资料与方法
选取2023年3月13日至14日伊犁河谷常规气象观测、自动气象站逐时降水量、NCEP 0.25˚ × 0.25˚逐6小时全球再分析、FY-2G卫星0.1˚ × 0.1˚相当黑体温度和伊宁新一代天气雷达回波等资料。降水量按照新疆降水等级标准,24 h降雨量(R) ≥ 24.1 mm为暴雨,24 h降雪量(R) ≥ 12.1 mm为暴雪。
3. 结果与分析
3.1. 强降水概况
受中亚低槽东移影响,2023年3月13日至14日伊犁河谷出现一场暴雨雪过程(图1),21个测站累计降水量超过20毫米,4个国家站累计降水量超过30毫米,暴雨中心位于伊宁县(39.9毫米)。伊宁县、伊宁市、察布查尔县、巩留县、新源县、霍尔果斯市、尼勒克县共14站出现暴雨,昭苏县、尼勒克县共6站出现暴雪。国家气象观测站中,12日20时至13日20时,伊宁县(29.9 mm)、察布查尔县(27 mm)、巩留县(26.6 mm)、昭苏县(19.4 mm)打破本站3月最大日降水量极值,霍尔果斯市(18.3 mm)居同期历史第二,伊宁市(24.1 mm)、霍城县(20.2 mm)居同期历史第三。降水主要时段在13日早晨至夜间。
在降水前两天3月11~12日伊犁河谷升温明显,平原地区最高气温升至20℃~23℃,为强降水发生提供较好的热力条件。
(a)(b)
Figure 1. (a) The precipitation distribution map of Yili from 06:00 on 13 March to 14:00 on 14 March, 2023 (unit: mm); (b) The hourly precipitation map of Yining County from 06:00 on 13 March to 07:00 on 14 March, 2023 (unit: mm)
图1. (a) 2023年3月13日06时至14日14时伊犁降水量实况图(单位:mm),(b) 2023年3月13日06时至14日07时伊宁县逐小时雨量图(单位:mm)
3.2. 高空环流形势
500 hPa天气图上(图2),3月12日08 h,欧亚范围中高纬地区环流经向度较大,呈三槽二脊型,二脊位于里海以北、贝加尔湖至新疆地区,三槽分别位于黑海及其以北地区、西伯利亚至中亚地区、东亚地区,伊犁为新疆脊区西风气流;12日20 h,咸海至巴尔喀什湖为中亚低槽活动区,新疆脊有些东移,伊犁转为脊后西南气流;13日08 h,中亚低槽移入新疆偏西地区,温度槽落后于高度槽,利于低槽发展维持,伊犁为槽区西风气流;13日20 h,新疆西部为低槽区,巴尔喀什湖以北高压脊前的偏北风引导冷空气入侵新疆西部,伊犁为偏西气流;14日08 h,巴尔喀什湖以北形成阻塞高压,北疆北部转为偏东风,新疆低槽减弱填塞,伊犁转为槽后西北气流,降水趋于停止。
(a)(b)
Figure 2. 500 hPa synoptic chart at 08:00 (a) and 20:00 (b) on 13 March, 2023
图2. 2023年3月13日08时(a)、20时(b) 500 hPa天气图
3.3. 物理量诊断分析
3.3.1. 水汽通量、水汽通量散度
分析暴雨中心伊宁县的水汽通量、水汽通量散度时间–高度剖面图可见(图3),水汽通量大值区主要在700 hPa以下,高值中心在800 hPa,暴雨最强时段3月13日08~14 h中心值达7 g·cm−1·hPa−1·s−1,13日20 h后,水汽通量明显减小,降水强度亦骤减。水汽通量散度辐合区主要在750 hPa以下,大值区在800 hPa以下,辐合中心在850 hPa以下的边界层,中心值高达−12 × 10−5g·cm−2·hPa−1·s−1,利于水汽快速集中、辐合上升,为暴雨发生发展提供良好的水汽条件。
Figure 3. The time-height profile of water vapor flux (isoline, unit: g∙cm−1∙hPa−1∙s−1), water vapor flux divergence (stain, unit: 10−5 g∙cm−2∙hPa−1∙s−1 ) and wind field (unit: m∙s−1) from 20:00 on 12 March to 08:00 on 14 March, 2023
图3. 伊宁县2023年3月12日20时至14日08时水汽通量(等值线,单位:g∙cm−1∙hPa−1∙s−1)、水汽通量散度(色斑,单位:10−5 g∙cm−2∙hPa−1∙s−1)、风场(单位:m∙s−1)时间–高度剖面图
3.3.2. 比湿、假相当位温
从暴雨中心伊宁县的比湿时间–高度剖面图上可见(图4),暴雨期间湿层较厚,暴雨最强时段13日08~14 h,边界层比湿大于6 g∙kg−1,850 hPa比湿大于5 g∙kg−1,3 g∙kg−1的比湿线升至650 hPa,假相当位温线密集而陡峭,说明大气斜压性大、锋区强,利于强降水的发生。
Figure 4. The time-height profile of specific humidity (dotted line, unit: g∙kg−1) and pseudo-equivalent potential temperature (solid line, unit: K) from 02:00 on 13 March to 08:00 on 14 March, 2023 in Yining County
图4. 伊宁县2023年3月13日02时至14日08时比湿(虚线,单位:g∙kg−1)、假相当位温(实线,单位:K)时间–高度剖面图
3.3.3. 水平散度、垂直涡度
从伊宁县的水平散度、垂直涡度时间–高度剖面图上可见(图5),暴雨期间800 hPa以下为强辐合区,辐合中心位于850 hPa及以下的边界层,辐合中心值高达−21 × 10−5s−1,800~500 hPa基本为辐散区,750 hPa的辐散强中心达12 × 10−5s−1。涡度场上,650 hPa以下基本为正涡度区,13日08时800 hPa的正涡度中心达30 × 10−5s−1,13日14时后正涡度减小,上升运动由盛而衰,降水强度随之有些减弱。散度场、涡度场结构为暴雨提供有利的动力条件。
Figure 5. The time-height profile of horizontal divergence (isoline, unit: 10−5 s−1) and vertical vorticity (stain, unit: 10−5 s−1) from 02:00 on 13 March to 08:00 on 14 March, 2023 in Yining County
图5. 伊宁县2023年3月13日02时至14日08时水平散度(等值线,单位:10−5 s−1)、垂直涡度(色斑,单位:10−5 s−1)时间–高度剖面图
3.3.4. 850 hPa低空急流、温度平流
3月13日02 h后,偏西低空急流进入伊犁西部。13日08 h低空急流(图6)加大且风速辐合,急流核风速高达24 m∙s−1,为暴雨区输送充沛的水汽,伊犁大部为冷平流,伊宁县冷平流为−1 × 10−4 K∙s−1。13日14 h,伊犁西部低空急流略有减弱,降水强度随之有些减弱,伊犁北部山区、东部、南部冷平流增大,中高山区降水相态逐渐由雨转为雪。13日20 h,伊犁西部低空急流继续有些减弱,伊犁北部山区、东部的冷平流也略有减弱,降水强度亦略有减弱。14日02时,伊犁西部低空急流消退,东部冷平流明显减弱,降水强度随之骤减。14日08时,伊犁大部地区转为偏东风和暖平流,降水基本结束。低空急流及温度平流的发展演变对应于降水强度的强弱变化。
3.4. FY-2G卫星相当黑体温度TBB演变特征
3月13日凌晨在中亚低槽前的偏西气流引导下,降水云系逐渐进入伊犁。13日08 h (图7),云系−52℃~−48℃的TBB低值中心区移入伊犁西部,TBB中心区呈东北−西南向的近似椭圆形,伊宁县处于TBB中心区的前端,TBB为−48℃,小时降水量2.8 mm。13日09 h,伊犁西部的TBB中心区升至−48℃,中心区面积略有缩小,伊宁县TBB为−48℃~−44℃,小时降水量3.4 mm。13日10 h,伊犁西部的TBB升高,−44℃的中心区移至伊犁北部东部,伊宁县TBB为−40℃,小时降水量3.9 mm。13日11 h,伊犁西南部出现一个−48℃的TBB低值中心区,伊犁西北部的TBB降至−48℃~−44℃,伊犁东北部出现两个−44℃的TBB低值区,伊宁县TBB为−40℃,小时降水量3.6 mm。13日12 h,伊犁南部TBB降低,−48℃的TBB低值中心区面积增大,伊犁东北部的TBB中心区降至−48℃,伊宁县TBB升至−36℃,小时降水量减小为1.9 mm。13日13~15 h,伊宁县TBB ≤ −44℃,小时降水量为2.4 mm、2.7 mm、1.8 mm。13日16~20 h,伊宁县TBB为−40℃~−36℃,小时降水量减为1.0~1.6 mm。之后,伊犁TBB明显升高,云系东移,降水逐渐减弱,13日07 h后伊犁大部降水基本结束。由以上分析可见云系TBB的演变与暴雨发生、发展有密切关系。
3.5. 多普勒雷达回波特征
暴雨期间以层状云降水为主(图8),组合反射率因子大多在15~35 dBZ,最大值41.2 dBZ;回波顶高度大多在2~5 km,最大高度7 km。暴雨较强时段,高仰角反射率因子图上有清晰的0℃层亮带。径向速度场上,暴雨区偏西低空急流强盛,出现速度模糊,低层辐合、高层辐散,利于水汽辐合上升。
风廓线图上,暴雨较强时段雷达站上空2.4 km处有低空急流;低层西风随高度逆转为西南风,为冷平流,利于降水的发生发展。
4. 结论
1) 此次强降水过程是在中高纬地区环流经向度较大的背景下,中亚低槽东移进入伊犁造成的。
(a) (b) (c)(d)
Figure 8. (a) Combined reflectivity factor at 09:45 on 13 March, 2023 (unit: dBZ), (b) Elevation angle 6.0˚ reflectivity factor at 10:42 on 13 March (unit: dBZ), (c) Elevation angle 1.5˚ radial velocity field at 09:45 on 13 March (unit: m∙s−1), (d) Wind profile map from 11:04 to 12:01 on 13 March
图8. (a) 2023年3月13日09:45组合反射率因子(单位:dBZ),(b) 3月13日10:42仰角6.0˚反射率因子(单位:dBZ),(c) 3月13日09:45仰角1.5˚径向速度场(单位:m∙s−1),(d) 3月13日11:04~12:01风廓线图(单位:m∙s−1)
2) 暴雨中心区的水汽通量大值区主要在700 hPa以下,800 hPa高值中心达7 g·cm−1·hPa−1·s−1,水汽通量散度辐合大值区在800 hPa以下,850 hPa以下边界层的辐合中心值高达−12 × 10−5 g·cm−2·hPa−1·s−1,为暴雨提供良好的水汽条件。暴雨期间湿层较厚,3 g·kg−1的比湿线升至650 hPa,边界层比湿大于6 g·kg−1。
3) 暴雨中心区散度场、涡度场结构为暴雨提供有利的动力条件。800 hPa以下为强辐合区,850 hPa及以下的边界层辐合中心值高达−21 × 10−5 s−1,800~500 hPa为辐散区。涡度场上,650 hPa以下为正涡度区,800 hPa的正涡度中心达30 × 10−5 s−1。
4) 暴雨期间低空急流强盛,低空急流的演变对应于降水的强弱变化;冷平流利于中高山区雨转雪。
5) FY-2G卫星TBB分析显示,暴雨中心区降水最强时段TBB ≤ −40℃。
6) 多普勒雷达回波分析表明,暴雨期间组合反射率因子最大值41.2 dBZ,回波顶最大高度7 km;低空急流强盛,利于强降水的发生发展。
基金项目
新疆气象局引导性计划项目(三维WebGis在地质灾害气象监测预警服务中的应用)资助。
NOTES
*通讯作者。