東天山哈密地區(qū)典型暴雨事件對流觸發(fā)機(jī)制對比分析

劉晶 2, 劉兆旭 張晉茹 2, 劉凡 2, 李建剛 2, 曾勇 2, 仝澤鵬 2, 江雨霏 2, 楊蓮梅 2, 周玉淑 4, 5

1 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002

2 新疆云降水物理與云水資源開發(fā)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830002

3 西天山云降水物理野外科學(xué)觀測基地, 烏魯木齊 830002

4 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

5 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

1 引言

新疆哈密地區(qū)位于天山最東端，西起七角井，東至星星峽，與甘肅河西走廊相鄰，是新疆通向中國內(nèi)地的要道，也是“一帶一路戰(zhàn)略”的重要節(jié)點(diǎn)城市。受副熱帶高壓系統(tǒng)和西風(fēng)帶系統(tǒng)影響，哈密地區(qū)近年來暴雨頻發(fā)，作為國家“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”重要節(jié)點(diǎn)城市，哈密極端暴雨天氣逐漸引起各方關(guān)注，在西風(fēng)槽與副熱帶高壓相互作用過程中，在副熱帶高壓邊緣、河西走廊低空急流前方常有中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，造成局地強(qiáng)對流天氣，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)造成嚴(yán)重災(zāi)害。天山將哈密地區(qū)分為南北兩部分，受天山地形影響（道然·加帕依等, 2007），哈密地區(qū)暴雨主要集中在天山北部的巴里坤縣（年均降水量為230.5 mm），已有研究針對哈密暴雨大氣環(huán)流形勢（道然·加帕依等,2007; 屠月青和孔海江, 2014）、動(dòng)熱力條件（王榮梅等, 2010; 莊曉翠等, 2020）及空中水資源（卓世新等, 2016）等進(jìn)行分析，并利用中尺度數(shù)值模式對該地區(qū)暴雨天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬（朱偉軍等,2012），給出了最優(yōu)參數(shù)化組合方案。哈密南部大多為戈壁荒漠，是新疆暴雨出現(xiàn)最少的區(qū)域之一，至今沒有雷達(dá)探測能夠覆蓋，地面區(qū)域自動(dòng)站稀疏，對南部暴雨研究也相對匱乏，加之地面植被差，大雨以上降水天氣很容易引發(fā)局地山洪，對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成一定危害，因而對于該地區(qū)極端暴雨的分析和研究在防汛抗旱方面顯得尤為重要。

中尺度系統(tǒng)是中緯度地區(qū)夏季強(qiáng)降水的主要影響系統(tǒng)（陶詩言, 1980; Houze, 2004; Stevenson and Schumacher, 2014），常造成洪澇、冰雹、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣（Weisman and Trapp, 2003; 鄭永光等,2010）。國內(nèi)外氣象學(xué)者（陶祖鈺等, 1998; Sugimoto and Ueno, 2010; Ueno et al., 2011; 高守亭等, 2013;張家國等, 2013; 慕建利等, 2014; 徐珺等, 2018）通過對中尺度系統(tǒng)及其對暴雨的影響開展了一系列相關(guān)研究工作，給出了中尺度系統(tǒng)形成及其結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模式對中尺度系統(tǒng)動(dòng)、熱力結(jié)構(gòu)、演變特征及觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了分析和討論（王建捷和李澤椿, 2002; 陳力強(qiáng)等, 2005），指出中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)與強(qiáng)暖濕氣流強(qiáng)迫和弱冷空氣擴(kuò)散（蘇愛芳等, 2016）、地面輻合線（侯淑梅等,2017）、地面切變線和地面干線（努爾比亞·吐尼牙孜等, 2019）、鋒面抬升（趙宇等, 2017; Li et al.,2017）等密切相關(guān)，并給出了中尺度對流云團(tuán)模型（李玉蘭等, 1993）。還有很多研究（Houze et al.,1990; Smith et al., 2009; Zheng et al., 2013）基于雷達(dá)資料對中緯度地區(qū)夏季中尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析和探討，揭示了中尺度系統(tǒng)形成過程、強(qiáng)度變化以及對流系統(tǒng)傳播過程中的列車效應(yīng)（孫繼松等, 2013; 張家國等, 2015）的物理機(jī)制，為極端暴雨定時(shí)、定量預(yù)報(bào)提供了一定的參考依據(jù)。

中尺度對流系統(tǒng)移動(dòng)和演變往往受大尺度場的制約（陳良棟, 1987; Lavaysse et al., 2006; 全美蘭等, 2013; Besson and Lema?tre, 2014），其中低空急流對于中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和維持具有重要的作用（顧 清 源 等, 2009; 劉 鴻 波 等, 2014; 傅 佩 玲 等,2018），孫淑清和翟國慶（1980）發(fā)現(xiàn)低空急流強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性使得急流軸上的風(fēng)速出現(xiàn)中尺度脈動(dòng)傳播方向，能夠觸發(fā)中尺度系統(tǒng)形成，從而導(dǎo)致暴雨發(fā)生。陳忠明（2005）利用動(dòng)力學(xué)診斷分析揭示了低空急流附近新對流和強(qiáng)降水在云團(tuán)后部發(fā)生、發(fā)展的可能機(jī)制，黃小彥等（2020）分析發(fā)現(xiàn)低空急流下邊界不斷向下擴(kuò)展過程中觸發(fā)迎風(fēng)坡上的MCS（中尺度對流系統(tǒng)）初始雷暴生成，白慧等（2020）分析了貴州一次大范圍強(qiáng)對流天氣，發(fā)現(xiàn)低空急流的建立和爆發(fā)式增強(qiáng)利于對流不穩(wěn)定能量的積聚和對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。針對新疆地區(qū)MCS 的研究（王旭和馬禹, 2012; 曾勇和楊蓮梅, 2017a,2017b）指出，新疆暴雨中尺度系統(tǒng)生命史短，突發(fā)性強(qiáng)，多發(fā)生在山邊平原和淺山區(qū)（劉雯等,2017; 李建剛等, 2019），且多數(shù)MCS 形成于午后到午夜，具有明顯的夜發(fā)性。云團(tuán)的生成和發(fā)展與地面輻合線（曾勇等, 2019）、低空急流（曾勇和楊蓮梅, 2018; 曾勇等, 2020）、干侵入（曾勇等,2018; 劉國強(qiáng)等, 2018）和中尺度風(fēng)場輻合線（王清平等, 2016）等密切相關(guān)。中尺度對流云團(tuán)生成后沿高空引導(dǎo)氣流移動(dòng)，在移動(dòng)過程中合并增強(qiáng)，往往會(huì)造成測站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣（曾勇和楊蓮梅, 2020）。

2016年8月8日 和2018年7月31日，哈 密地區(qū)分別出現(xiàn)兩次暴雨天氣，其中2018年7月31日伊州區(qū)沁城鄉(xiāng)小堡12 h 累積最大降雨量達(dá)到110 mm，致洪水爆發(fā)。洪水災(zāi)害造成房屋及部分農(nóng)田、公路、鐵路、電力和通信設(shè)施受損，對當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)和生產(chǎn)建設(shè)造成重大影響。兩次強(qiáng)降水天氣均發(fā)生在副熱帶高壓（簡稱副高）異常偏西偏北，中尺度云團(tuán)在副高外圍生成并影響暴雨區(qū)，而暴雨落區(qū)、雨強(qiáng)各不相同，因而本文利用NCEP/NCAR 的FNL 再分析資料（0.25°×0.25°）和FY-2G衛(wèi)星等資料對兩次極端暴雨的中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行對比分析，探討干旱、半干旱地區(qū)極端暴雨中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和維持機(jī)制的差異，為更好理解該地區(qū)極端暴雨天氣提供一定參考依據(jù)。

2 資料與研究方法

2.1 資料說明

本研究選用自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)、再分析資料、風(fēng)云2G 衛(wèi)星產(chǎn)品、三源融合降水產(chǎn)品。自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)和三源融合降水產(chǎn)品用于降水天氣實(shí)況分析，其中自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)選用新疆地區(qū)共14 個(gè)探空站、105 個(gè)國家氣象觀測站和1830 個(gè)區(qū)域觀測站小時(shí)降水量數(shù)據(jù)。三源融合降水產(chǎn)品選用中國地面衛(wèi)星雷達(dá)三源融合逐小時(shí)降水產(chǎn)品，空間分辨率為0.1°×0.1°。

再分析資料用于大尺度環(huán)流形勢、對流觸發(fā)和維持機(jī)制等分析，選取美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的0.25°×0.25°FNL 再分析資料（網(wǎng)址：https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/#!access[2021-09-17]）和ECMWF 發(fā) 布 的第一代（網(wǎng)址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/[2021-09-17]）和第五代（網(wǎng)址：https://cds.climate,copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/rean alysis-era5-pressure-level?tab=overview/[2021-09-17]）全球分辨率0.25°×0.25°再分析資料，時(shí)間分辨率為6 h，F(xiàn)NL 再分析資料垂直高度共31 層，ERAInterim 垂直高度共37 層。衛(wèi)星圖像選用風(fēng)云2G逐小時(shí)云頂亮溫產(chǎn)品，主要用于對流云團(tuán)演變特征分析。

2.2 資料方法

2.2.1 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為確保NCEP/NCAR 再分析資料在西部干旱、半干旱地區(qū)可用性，對比哈密探空站、NCEP/NCAR的0.25°×0.25° FNL 再分析資料、ECMWF 發(fā)布的第一代全球分辨率ERA-Interim 0.25°×0.25°再分析資料和ECMWF 發(fā)布的第五代全球分辨率ERA-5 0.25°×0.25°再分析資料得到的溫度、濕度和風(fēng)場廓線（圖1）發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨過程哈密站對流層低層暖平流、中高層冷平流，“8.8”暴雨過程對流層中層—低層為一致冷平流，三種再分析資料計(jì)算得到的溫、濕度廓線形態(tài)在400 hPa 以下與探空站表現(xiàn)較為一致，其中FNL 再分析資料得到的風(fēng)廓線和冷暖平流與探空站更為接近，而ERAInterim 和ERA-5 再分析資料在“7.31”暴雨過程中對流層低層表現(xiàn)為冷平流，因而本文將利用FNL再分析資料對兩次降水天氣過程進(jìn)行對比分析。

圖1 （a–d）2018年7月31日08時(shí)（北京時(shí)，下同）和（e–h）2016年8月8日08時(shí)（a、e）哈密站探空、（b、f）FNL 資料、（c、g）ERA-interim 資料和（d、h）ERA-5 資料計(jì)算得到的溫度（紅色實(shí)線）、露點(diǎn)溫度（綠色實(shí)線）和風(fēng)（風(fēng)向桿）廓線Fig. 1 Profiles of the temperature (red solid line), dew point temperature (green solid line), and wind (barbs) calculated by (a, e) Hami sounding station data, (b, f) FNL data, (c, g) ERA-interim data, and (d, h) ERA-5 reanalysis data at (a–d) 0800 BJT (Beijing time) 31 July 2018, (e–h) 0800 BJT 8 August 2016

2.2.2 降水量標(biāo)準(zhǔn)

由于國家降水量級標(biāo)準(zhǔn)不適合干旱、半干旱氣候背景的新疆地區(qū)，因而本文采用新疆氣象學(xué)者肖開提·多萊特（2005）提出的適合新疆氣候特點(diǎn)的降水量級標(biāo)準(zhǔn)：0.1 mm≤R＜6.0 mm 為小雨，6.1 mm≤R＜12.0 mm 為中雨，12.1 mm≤R＜24.0 mm 為大雨，R＞24.0 mm 為暴雨，R＞48.0 mm 為大暴雨，R為24 h 降水量。

3 天氣過程概況及環(huán)流形勢分析

3.1 降水實(shí)況

2018年7月30～31日，西太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高）向北伸展，同時(shí)對流層低層偏東急流出口區(qū)左側(cè)有對流云團(tuán)生成，云團(tuán)在向東北方向移動(dòng)過程中不斷發(fā)展，造成哈密東南部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣（圖2a，簡稱“7.31”暴雨），哈密區(qū)域站共15站達(dá)到暴雨級別，其中4站12 h 累積降水量超過48 mm（達(dá)到大暴雨級別）。31日01～14時(shí)（北京時(shí)，下同）降水中心哈密沁城鄉(xiāng)小堡站14 h 累積降水量達(dá)到115.5 mm。2016年8月8～9日，西太副高位置異常偏西，高壓中心位于青海地區(qū)，受副高阻擋，中緯度地區(qū)低槽緩慢移動(dòng)，對流層中低層冷鋒鋒生東移造成哈密北部出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣（圖2b，簡稱“8.8”暴雨），8月8日08時(shí)至9日08時(shí)共有10站24 h 累積降水量超過48 mm，達(dá)到大暴雨級別，其中8日10～14時(shí)低槽與副高間有對流云團(tuán)生成，并向東北方向移動(dòng)發(fā)展，造成巴里坤縣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，降水中心巴里坤鎮(zhèn)大直溝站累積降水量為41.1 mm。下文將重點(diǎn)分析“7.31”暴雨和“8.8”暴雨期間大氣環(huán)流、對流觸發(fā)和維持機(jī)制等異同。

從“7.31”暴雨站逐時(shí)降水量演變圖（圖2c）上可以看出，哈密沁城鄉(xiāng)小堡站31日01時(shí)出現(xiàn)降水天氣，06～08時(shí)兩小時(shí)累積降水量達(dá)58.4 mm；位于沁城鄉(xiāng)小堡站東北方向的淖柳公路33 公里站（簡稱淖柳公路站）31日03時(shí)開始出現(xiàn)降水，最強(qiáng)降水集中在06～09時(shí)，3 h 累積降水量為58.8 mm。31日14時(shí)后，中尺度對流云團(tuán)逐漸移出暴雨區(qū)，哈密東南部強(qiáng)降水天氣逐漸結(jié)束?！?.8”暴雨短時(shí)強(qiáng)降水中心巴里坤鎮(zhèn)大直溝站10～14時(shí)累積降水量為41.1 mm（圖2d），最大小時(shí)降水量為12.8 mm，國家氣象觀測基本站巴里坤站8日10～14時(shí)累積降水量達(dá)28 mm，達(dá)到暴雨級別。14時(shí)后，隨著對流系統(tǒng)移出暴雨區(qū)，暴雨區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水趨于結(jié)束，受中緯度低槽緩慢東移影響，哈密地區(qū)仍出現(xiàn)持續(xù)小量降水，今后將另做研究分析。

圖2 （a）2018年7月31日02～14時(shí)、（b）2016年8月8日01時(shí)至8月9日08時(shí)累積降水量分布（單位：mm），紅色虛線矩形框區(qū)為哈密地區(qū)，圖a 中黑色點(diǎn)和紅色點(diǎn)分別代表沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站，圖b 中黑色點(diǎn)代表巴里坤鎮(zhèn)大直溝站。（c）“7.31”暴雨中心站和（d）“8.8”暴雨中心站逐小時(shí)降水量演變Fig. 2 Accumulated precipitation (units: mm) (a) from 0200 BJT to 1400 BJT 31 July 2018, and (b) from 0100 BJT 8 August to 0800 BJT 9 August 2016. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. 2a, the black and red dot represents the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively. In Fig. 2b, the black dot denotes the Dazhigou station in Balikun town. Hourly precipitation (units: mm) at the precipitation center in (c) the “7.31” heavy rainstorm (rainstorm occurred on 31 July 2018) and (d) “8.8” heavy rainstorm (rainstorm occurred on 8 August 2016)

3.2 環(huán)流形勢分析

“7.31”暴 雨 期 間，200 hPa 位 勢 高 度 場 上（31日02時(shí)，圖3a）南亞高壓呈帶狀分布，中心北移至35°N 以北地區(qū)，哈密東南部地區(qū)位于中亞地區(qū)長波槽槽前西南急流入口輻散區(qū)，高空輻散抽吸利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。500 hPa（圖3b）為“兩脊一槽”環(huán)流型，伊朗高壓和西太副高位置異常偏北，西太副高西伸至哈密地區(qū)，其外圍偏南氣流攜帶暖濕氣流向暴雨區(qū)輸送充沛的水汽，同時(shí)，受副高阻擋影響，中緯度低槽移動(dòng)緩慢，暴雨區(qū)主要受副高西側(cè)偏南氣流影響。從圖3c 可以看出，暴雨區(qū)位于200 hPa 急流入口區(qū)左側(cè)和700 hPa 低空東南急流左前方，低空急流出口區(qū)左側(cè)為正渦度平流大值區(qū)，暴雨區(qū)處于西北風(fēng)和東南風(fēng)輻合區(qū)。同時(shí)對流層低層增濕明顯，30日20時(shí)至31日08時(shí)，哈密探空站比濕增至11 g kg?1（圖略）。受低緯度地區(qū)暖濕氣流影響，哈密東南部地區(qū)上空形成不穩(wěn)定大氣層結(jié)。低層水汽強(qiáng)烈輻合，垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對流云團(tuán)在低空急流出口區(qū)左側(cè)不斷生成，在沿500 hPa 引導(dǎo)氣流向東北方向移動(dòng)過程中不斷合并、發(fā)展。此外，哈密位于地面倒槽前沿（圖3d），暖濕氣團(tuán)與哈密北部冷空氣交匯于倒槽附近，冷暖交綏劇烈，利于對流系統(tǒng)發(fā)展，綜合分析發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨過程從高層到低層大尺度天氣系統(tǒng)環(huán)流配置均有利于暴雨區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖3 2018年7月31日02時(shí)（a）200 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（陰影≥30 m s?1），（b）500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（陰影≥12 m s?1），（c）200 hPa 急流（等值線和矢量）、700 hPa 急流（陰影和風(fēng)向桿，陰影≥10 m s?1），（d）海平面氣壓場（單位：hPa）。紅色虛線矩形框區(qū)代表哈密地區(qū)，圖c 中藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線代表海拔1500 m 和3000 m 地形Fig. 3 (a) Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥30 m s?1) at 200 hPa, (b) geopotential height (contours,units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥12 m s?1) at 500 hPa, (c) 200-hPa jet stream (contours and vectors, units: m s?1), 700-hPa jet stream(shadings and barbs, shadings for wind speed≥10 m s?1), (d) sea level pressure (units: hPa) at 0200 BJT 31 July 2018. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. c, the blue and red solid lines represent terrain height of 1500 m and 3000 m, respectively

“8.8”暴雨期間，200 hPa 南亞高壓呈帶狀分布（圖4a），中心位于30°N 附近，高壓主體位于90°E 以西，同時(shí)，中緯度地區(qū)為一個(gè)長波槽，8日02～08時(shí)槽前西南急流明顯增強(qiáng)，暴雨區(qū)位于高空西南急流控制區(qū)。強(qiáng)降水前500 hPa 也為“兩脊一槽”環(huán)流型，伊朗高壓與烏拉爾山高壓脊同位相疊加，上游高壓脊較“7.31”暴雨過程發(fā)展更加強(qiáng)盛，而中緯度低槽經(jīng)向度發(fā)展也較“7.31”暴雨過程更強(qiáng)，西太副高移至內(nèi)陸地區(qū)后呈東北—西南向分布，較“7.31”暴雨過程副高位置略偏南（圖4b），隨著中緯度地區(qū)低槽東移，8日02時(shí)500 hPa 副高中心位于95°E 附近，副高西側(cè)偏南氣流將青藏高原北部水汽向北輸送，與中緯度低槽前西南氣流交匯于新疆巴州北部—吐鄯托盆地一線，對應(yīng)8日02時(shí)700 hPa 巴州北部—吐鄯托盆地—哈密北部一線有明顯的風(fēng)場切變線（圖4c），中尺度對流云團(tuán)在巴州北部生成，并沿500 hPa 西南氣流向東北方向移動(dòng)，在移動(dòng)過程中經(jīng)風(fēng)場切變輻合區(qū)后上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展，對流云團(tuán)合并發(fā)展，進(jìn)而造成哈密北部短時(shí)強(qiáng)降水天氣。從地面圖上（圖4d）可以看出，降水前巴州北部—吐鄯托—哈密北部受暖低壓控制，地面最高溫度在30°C～43°C，隨著地面冷高壓自西向東移動(dòng)，高壓前側(cè)弱冷空氣進(jìn)入巴州北部—哈密北部，暖氣團(tuán)與西側(cè)弱冷空氣交匯，利于對流運(yùn)動(dòng)發(fā)展。

圖4 2016年8月8日02時(shí)（a）200 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（陰影≥30 m s?1），（b）500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（陰影≥12 m s?1），（c）700 hPa 風(fēng)場（陰影和風(fēng)向桿，陰影≥10 m s?1），（d）海平面氣壓場（單位：hPa）。紅色虛線矩形框區(qū)代表哈密地區(qū)。圖c 中藍(lán)、紅色實(shí)線代表海拔1500 m、3000 m 地形線Fig. 4 (a) Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥30 m s?1) at 200 hPa, (b) geopotential height (contours,units: dagpm) and wind (shadings for wind speed≥12 m s?1) at 500 hPa, (c) 700-hPa wind (shadings and barbs, shadings for wind speed≥10 m s?1),(d) sea level pressure (contours, units: hPa) at 0200 BJT 8 August 2016. The red dashed rectangle denotes Hami area. In Fig. c, the blue and red solid lines represent terrain height of 1500 m and 3000 m, respectively

對兩次天氣過程降水實(shí)況和環(huán)流分析后發(fā)現(xiàn)，兩次短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)流形勢均為500 hPa 兩脊一槽環(huán)流形勢，且西太副高位置均偏西。其中“7.31”暴雨期間500 hPa 西太副高異常偏西偏北，受副高阻擋影響，中緯度低槽移動(dòng)緩慢，暴雨區(qū)主要受500 hPa副高西側(cè)、700 hPa 東南急流出口區(qū)和地面低壓倒槽控制，對流云團(tuán)在哈密南部生成、發(fā)展并向東北移動(dòng)，造成哈密東南部多站出現(xiàn)暴雨；“8.8”暴雨期間500 hPa 環(huán)流經(jīng)向度發(fā)展較“7.31”暴雨更加強(qiáng)盛，副高位置較“7.31”暴雨更加偏南，500 hPa副高西側(cè)偏南和中緯度低槽前西南氣流交匯共同影響哈密地區(qū)，同時(shí)受700 hPa 風(fēng)場切變線和地面弱冷空氣影響，巴州北部有對流云團(tuán)生成，沿低空切變線發(fā)展并向東北方向移動(dòng)，隨后造成哈密北部測站短時(shí)強(qiáng)降水天氣。兩次過程暴雨區(qū)均受中尺度云團(tuán)自西南向東北移動(dòng)影響，因而下文將重點(diǎn)討論兩次過程對流觸發(fā)和維持機(jī)制的差異，為哈密地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定的理論依據(jù)。

4 對流系統(tǒng)觸發(fā)和維持機(jī)制

4.1 中尺度云團(tuán)活動(dòng)特征

通過分析兩次強(qiáng)降雨過程的云圖資料并結(jié)合環(huán)流形勢場發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨期間多個(gè)中β 和中γ尺度云團(tuán)在低空東南急流左前方生成并向東北方向移動(dòng)，移動(dòng)過程中云團(tuán)合并增強(qiáng)，最低云頂亮溫TBB 達(dá)?56°C，造成哈密東南部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。而“8.8”暴雨期間，兩個(gè)TBB≤?44°C 的中γ 尺度云團(tuán)在低空西南急流前生成，沿500 hPa 西南氣流向東北方向移動(dòng)過程中合并加強(qiáng)至中β 尺度云團(tuán)，隨后造成哈密北部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣?！?.31”暴雨過程中尺度云團(tuán)31日02時(shí)在低空急流出口區(qū)生成，對流觸發(fā)，08時(shí)云團(tuán)發(fā)展至成熟階段，“8.8”暴雨過程中尺度對流8日02時(shí)在巴州北部淺山區(qū)觸發(fā)，08時(shí)對流云團(tuán)移至哈密地區(qū)，發(fā)展至成熟階段。

7月31日02時(shí)（圖5a），中γ 尺度云團(tuán)A、B、C、D 和E 在700 hPa 偏東急流出口區(qū)左前方生成，受云團(tuán)D 影響，沁城鄉(xiāng)小堡站出現(xiàn)少量降水；03時(shí)（圖5b）中尺度云團(tuán)在向東北方向移動(dòng)過程中迅速發(fā)展，云團(tuán)D 移至沁城鄉(xiāng)小堡站上空，最大TBB 由?16°C 降至?28°C，受中尺度云團(tuán)D控制和影響，沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣，其中沁城鄉(xiāng)小堡站03～04時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，降水量達(dá)11.4 mm。

7月31日04時(shí)（圖5c）云團(tuán)B 和E 合并為中γ 尺度云團(tuán)F，沿著高空引導(dǎo)氣流向東北方向移動(dòng)，最大TBB 降至?36°C，云團(tuán)A 和D 分別移至沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站，最大TBB 均降至?28°C，造成測站雨強(qiáng)增強(qiáng)。06時(shí)（圖5d），云團(tuán)A 快速移過淖柳公路站，云團(tuán)F 和C 向東北方向移動(dòng)、合并為中β 尺度云團(tuán)G，該云團(tuán)范圍增大，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，最大TBB 降至?52°C，受中β 尺度云團(tuán)G 影響，沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，其中沁城鄉(xiāng)小堡站小時(shí)降水量達(dá)29.2 mm。隨著700 hPa 偏東急流轉(zhuǎn)為偏南急流且位置明顯北抬（08時(shí)，圖5e），云團(tuán)G 范圍進(jìn)一步增大，最大TBB 為?56°C，受云團(tuán)G 影響，沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站06～09 三小時(shí)累積降水量分別為76.3 mm 和58.8 mm。10時(shí)后（圖5f），云團(tuán)G移出新疆，測站降水逐漸減弱。綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，多個(gè)中尺度γ 和β 對流云團(tuán)依次移過哈密東南部地區(qū)，“列車效應(yīng)”明顯，造成短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖5 2018年“7.31”暴雨期間7月31日（a）02時(shí)、（b）03時(shí)、（c）04時(shí)、（d）06時(shí)、（e）08時(shí)、（f）10時(shí)中尺度對流云團(tuán)云頂亮溫TBB（陰影，單位：°C）及（a）02時(shí)、（e）08時(shí)風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m s?1）。紅色圓點(diǎn)和黑色圓點(diǎn)分別代表沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站，字母A 到G 表示中尺度對流云團(tuán)Fig. 5 Black body temperature (TBB, shadings, units: °C) at (a) 0200 BJT, (b) 0300 BJT, (c) 0400 BJT, (d) 0600 BJT, (e) 0800 BJT, (f) 1000 BJT and wind (barbs, units: m s?1) at (a) 0200 BJT, (e) 0800 BJT July 31 2018. The red and black dots denote the Qinchengxiangxiaopu and Naoliugonglu stations, respectively. Letters A–G represent meso-scale convective clouds

8月8日02時(shí)（圖6a），700 hPa 低空西南氣流前有中γ 尺度云團(tuán)A 在巴州北部生成，同時(shí)受鋒面云系影響，哈密巴里坤站開始出現(xiàn)小量降水；06時(shí)（圖6b）云團(tuán)A 向東北移至巴州與吐鄯托盆地交界處，同時(shí)，吐鄯托盆地再次生成一個(gè)中γ 尺度云團(tuán)B，最大云頂亮溫為?40°C，對應(yīng)吐鄯托盆地出現(xiàn)少量降水；08時(shí)（圖6c），中γ 尺度云團(tuán)A 和B 沿低空切變線向東北方向移動(dòng)過程中合并為中β 尺度云團(tuán)C，云團(tuán)范圍明顯增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，最大云頂亮溫降至?44°C，同時(shí)，對流層低層和中層冷鋒鋒生區(qū)疊加，冷鋒鋒面云系明顯增強(qiáng)并向東南方向移動(dòng)，受對流層低層偏南氣流和測站降水影響，哈密北部近地面增濕明顯。10時(shí)（圖6d），中β 尺度云團(tuán)C 移至哈密北部與吐鄯托盆地交界，在對流層中低層冷鋒鋒生作用下，云團(tuán)范圍進(jìn)一步增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，最大云頂亮溫為?48°C，哈密北部巴里坤站處于云團(tuán)C 控制下，對應(yīng)測站10～14時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，其中10～12時(shí)累積降水量達(dá)20.8 mm。14時(shí)后，云團(tuán)C 逐漸移出哈密地區(qū)，受鋒面云系影響，測站維持小量降水。綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)中尺度γ 對流云團(tuán)合并增強(qiáng)移過暴雨區(qū)，最大云頂亮溫達(dá)?48°C，造成此次哈密北部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖6 2016年“8.8”暴雨期間8月8日（a）02時(shí)、（b）06時(shí)、（c）08時(shí)、（d）10時(shí)中尺度云團(tuán)云頂亮溫TBB（陰影，單位：°C）及（a）02時(shí)、（c）08時(shí)風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m s?1）。紅色圓點(diǎn)代表巴里坤鎮(zhèn)大直溝站Fig. 6 Black body temperature (TBB, shadings, units: °C) at (a) 0200 BJT, (b) 0600 BJT, (c) 0800 BJT, (d) 1000 BJT and wind field (barbs, units: m s?1)at (a) 0200 BJT, (c) 0800 BJT 8 August 2016. The red dot denotes the Dazhigou station in Balikun town

4.2 對流不穩(wěn)定

對兩次強(qiáng)降水天氣過程的對流不穩(wěn)定性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)“7.31”暴雨期間暴雨區(qū)處于強(qiáng)對流不穩(wěn)定區(qū)，在暖鋒鋒區(qū)觸發(fā)下，鋒面附近上升運(yùn)動(dòng)旺盛，造成中尺度對流云團(tuán)生成和發(fā)展?！?.8”暴雨期間冷鋒鋒生觸發(fā)不穩(wěn)定能量，對流云團(tuán)在天山南坡生成向東北方向移動(dòng)過程中產(chǎn)生暴雨。

由前文分析可知，“7.31”暴雨和“8.8”暴雨對流分別于7月31日02時(shí)和8月8日02時(shí)觸發(fā)，通過對暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨對流云團(tuán)發(fā)展初期（31日02時(shí)，圖7a），暴雨區(qū)上空850～700 hPa 由假相當(dāng)位溫等θse密集帶控制，θse隨高度升高（?θse/?p＜0），700～500 hPa 暴雨區(qū)θse隨高度降低（?θse/?p＞0），因而可以看出對流層底層大氣層結(jié)穩(wěn)定，對流層中低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定，同時(shí)700 hPa 暖鋒鋒區(qū)向北傾斜，鋒區(qū)前沿與不穩(wěn)定大氣層結(jié)交界處冷暖空氣交綏劇烈，鋒面附近垂直運(yùn)動(dòng)迅速發(fā)展，伴隨最大上升運(yùn)動(dòng)?0.8 Pa s?1。31日08時(shí)（圖7b，對流成熟階段），對流層低層暖鋒向北爬坡移至44°N 附近，鋒區(qū)高度有所降低。中低層大氣不穩(wěn)定層結(jié)進(jìn)一步增強(qiáng)，在暖鋒鋒面抬升作用下，哈密東南部地區(qū)對流層低層至高層為一致的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，對流發(fā)展至最強(qiáng)?！?.8”暴雨對流云團(tuán)初期（8日02時(shí)，圖7c），巴州北部（41.25°N，87.5°E）云團(tuán)初生地850～700 hPa 以下暴雨區(qū)假相當(dāng)位溫θse隨高度降低（?θse/?p＞0），對流層底層大氣層結(jié)不穩(wěn)定，同時(shí)巴州北部700～600 hPa 處于等θse密集區(qū)，鋒區(qū)向西傾斜，700 hPa 弱冷鋒鋒生區(qū)與不穩(wěn)定大氣層結(jié)交界處冷暖交綏，在對流層低層弱冷鋒鋒生作用下，對流云團(tuán)發(fā)展。8日08時(shí)（圖7d，對流成熟階段），對流云團(tuán)沿500 hPa 向東北方向移動(dòng)，同時(shí)，哈密北部—吐鄯托盆地—巴州北部一線對流層低層至中層冷鋒鋒生，鋒面附近垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展旺盛，對流云團(tuán)發(fā)展，哈密北部巴里坤站附近對流層低層至中高層為一致上升運(yùn)動(dòng)，最大上升運(yùn)動(dòng)達(dá)?2.4 Pa s?1，中尺度云團(tuán)在冷鋒鋒生作用下發(fā)展旺盛，進(jìn)而造成哈密北部短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖7 2018年7月31日（a）02時(shí)、（b）08時(shí)沿94.75°E 的假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）和垂直速度（彩色陰影，單位：Pa s?1）的緯度—高度剖面，哈密位于42°～44°N。2016年8月8日（c）02時(shí)沿41.25°E、（d）08時(shí)沿43.5°E 的假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）和垂直速度（彩色陰影，單位：Pa s?1）經(jīng)度—高度剖面，暴雨區(qū)位于93°E 附近。圖形下方灰色陰影為地形，圖c 中紅色三角形表示對流云團(tuán)初生地Fig. 7 Latitude–height cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature θse (contours, units: K) and vertical velocity (color shadings, units:Pa s?1) along 94.75°E at (a) 0200 BJT 31 July, (b) 0800 BJT 31 July 2018. Hami area is located at 42°–44°N. Longitude–height cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature (contours, units: K) and vertical velocity (color shadings, units: Pa s?1) (c) along 41.25°E at 0200 BJT 8 August, (d) along 43.5°N at 0800 BJT 8 August 2016. The heavy rainfall area is located near 93°E. The gray shadings represent the terrain. In Fig. c,the red triangle represents the origination area of the convective cloud

根據(jù)吳國雄等（1995）濕位渦方程計(jì)算暴雨中心濕位渦，假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，p坐標(biāo)系中的濕位渦（Mpv，單位：PVU，1 PVU=10?6K m2s?1kg?1）方程可表示為

其中，θse為假相當(dāng)位溫，f、ζ、ζa分別為氣塊地轉(zhuǎn)渦度、相對渦度和絕對渦度，u代表緯向風(fēng)速，v代表經(jīng)向風(fēng)速，g是重力加速度。Mpv1為濕位渦正壓分量，當(dāng)大氣處于對流不穩(wěn)定時(shí)，?θse/?p＜0，則Mpv1＜0。Mpv2為濕位渦斜壓分量，代表大氣的濕斜壓性。通過分析暴雨中心濕位渦發(fā)現(xiàn)，兩次強(qiáng)降水期間暴雨區(qū)低層Mpv1＜0（圖8a、c），Mpv2＞0（圖8b、圖8d），且|Mpv1|>|Mpv2|，說明對流層低層大氣以對流不穩(wěn)定為主，與西天山強(qiáng)降水期間大氣層結(jié)不同的是，西天山極端暴雨大氣存在對流不穩(wěn)定和對稱不穩(wěn)定交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，而東天山暴雨過程大氣以對流不穩(wěn)定為主，這為對流云團(tuán)的發(fā)生和發(fā)展提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件（劉晶等,2019）。

圖8 2018年“7.31”暴雨期間過哈密沁城鄉(xiāng)小堡站（a）濕位渦正壓分量Mpv1、（b）濕位渦斜壓分量Mpv2 隨時(shí)間變化，2016年“8.8”暴雨期間過巴里坤鎮(zhèn)大直溝站（c）Mpv1、（d）Mpv2 隨時(shí)間變化（單位：10?1 PVU）Fig. 8 Evolutions (units: 10?1 PVU) of (a) Mpv1 (barotropic component of the moist potential vorticity), (b) Mpv2 (baroclinic component of the moist potential vorticity) over Qinchengxiangxiaopu station in Hami during “7.31” heavy rainstorm in 2018 and evolutions (units: 10?1 PVU) of (c) Mpv1,(d) Mpv2 over Dazhigou station in Balikun town during “8.8” heavy rainstorm in 2016

通過分析沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站（位于沁城鄉(xiāng)小堡站東北側(cè)）θse隨時(shí)間變化圖（圖9a、b）發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨發(fā)生前（30日08～20時(shí)），暴雨區(qū)整層為穩(wěn)定層結(jié)，對流觸發(fā)初期（31日02時(shí)），700～500 hPa 逐漸由穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)，隨著對流層低層暖鋒鋒生觸發(fā)對流發(fā)展，不穩(wěn)定層結(jié)高度隨時(shí)間降低，空氣中飽和水汽凝結(jié)釋放大量潛熱，中尺度云團(tuán)生成和發(fā)展，造成測站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，強(qiáng)降水持續(xù)至31日14時(shí)?！?.8”暴雨發(fā)生前，受500 hPa 西太副高控制，巴州北部—哈密地區(qū)地面升溫明顯，暴雨區(qū)對流層低層增溫增濕，900～700 hPa 大氣層結(jié)不穩(wěn)定（圖9c），8日02時(shí)（對流觸發(fā)初期），巴州北部對流層低層不穩(wěn)定層結(jié)增厚，隨著對流層低層冷鋒鋒生，對流觸發(fā)，對流云團(tuán)生成并向東北方向移動(dòng)，8日08時(shí)（圖9d），哈密北部巴里坤鎮(zhèn)大直溝站對流層低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定，伴隨巴州北部—哈密北部對流層中低層冷鋒鋒生，空氣中飽和水汽凝結(jié)釋放大量潛熱釋放，中尺度云團(tuán)發(fā)展，隨后造成巴里坤縣10～14時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖9 （a）沁城鄉(xiāng)小堡站、（b）淖柳公路站、（c）阿克蘇普鄉(xiāng)大西溝站、（d）巴里坤鎮(zhèn)大直溝站假相當(dāng)位溫（單位：K）隨高度和時(shí)間的變化Fig. 9 Evolutions of θse (units: K) with height and time at the (a) Qinchengxiangxiaopu station, (b) Naoliugonglu station, (c) Daxigou station in Akesupu village, and (d) Dazhigou station in Balikun town

以上分析表明“7.31”暴雨發(fā)生初期哈密東南部地區(qū)中、低層大氣為較強(qiáng)對流不穩(wěn)定層結(jié)，在對流層低層暖鋒鋒生觸發(fā)下，中尺度對流云團(tuán)生成；暴雨最強(qiáng)時(shí)段，暖氣團(tuán)沿底層冷氣團(tuán)爬坡過程中被迫抬升，垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展，降水達(dá)到最強(qiáng)階段。而“8.8”暴雨對流發(fā)展初期，巴州北部對流層低層冷鋒鋒生觸發(fā)對流發(fā)展，隨著巴州北部—哈密北部對流層中低層進(jìn)一步冷鋒鋒生，垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，云團(tuán)在向東北方向移動(dòng)過程中發(fā)展至最強(qiáng)階段，進(jìn)而造成哈密北部短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

4.3 對流觸發(fā)和維持機(jī)制

鋒面系統(tǒng)對于中緯度地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展起重要作用（何齊強(qiáng)等, 1994; Capet et al.,2008）。鋒生函數(shù)包括水平輻散項(xiàng)、水平形變項(xiàng)和傾斜項(xiàng)，它不僅考慮了大氣的動(dòng)力特征，同時(shí)也考慮了大氣的熱力特征，是診斷鋒面強(qiáng)度和時(shí)空分布特征的一項(xiàng)重要指標(biāo)。針對季風(fēng)區(qū)暴雨過程鋒面演變及其對暴雨中尺度對流觸發(fā)機(jī)制相關(guān)研究（孫永剛等, 2014; 侯淑梅等, 2017; 任麗等, 2021）表明，鋒面抬升是觸發(fā)暴雨的動(dòng)力機(jī)制，低層強(qiáng)鋒生和次級環(huán)流圈與強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)間和位置有較好的對應(yīng)關(guān)系（邱貴強(qiáng)等, 2018），而對鋒面系統(tǒng)影響新疆地區(qū)對流觸發(fā)的相關(guān)研究相對較少。

下文采用Miller（1948）中的計(jì)算鋒生函數(shù)的方法，并用假相當(dāng)位溫代替位溫，得到兩次暴雨期間鋒生函數(shù)分布情況。通過分析暴雨區(qū)總鋒生函數(shù)分布圖（圖10）發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨期間700 hPa暖鋒鋒生是造成中尺度云團(tuán)生成發(fā)展的主要因子。降水期間鋒生區(qū)位于340～348 K 的強(qiáng)θse的高能區(qū)中。30日20時(shí)（10a），暴雨區(qū)上空600 hPa（42°N，95°E 附近）出現(xiàn)東北—西南走向的帶狀鋒生大值區(qū)，鋒生帶斷裂為東、西兩段，鋒生大值區(qū)中心強(qiáng)度為2.5×10?8K s?1m?1，同時(shí)700 hPa（圖10d）哈密東南部出現(xiàn)等θse大值中心，最大θse為336 K，在等θse大值中心北側(cè)也出現(xiàn)東北—西南走向的帶狀鋒生大值區(qū)，中心強(qiáng)度為1×10?8K s?1m?1，由此可見對流層低層—中層暖鋒鋒生，鋒面自下向上向西北方向傾斜；隨著暖氣團(tuán)推動(dòng)冷空氣向西北方向移動(dòng)，600 hPa 東段鋒生區(qū)移至哈密地區(qū)東北部（31日02時(shí)，圖10b），中心強(qiáng)度為2×10?8K s?1m?1，700 hPa 等θse密集帶進(jìn)一步向北延伸（圖10e），暴雨區(qū)附近最大θse增至352 K，低層增暖增濕，暖氣團(tuán)沿冷氣團(tuán)向北爬坡，暖鋒鋒區(qū)向北移動(dòng)，鋒生進(jìn)一步增強(qiáng)，鋒生大值區(qū)迅速增至3×10?8K s?1m?1。在700 hPa 暖鋒鋒生觸發(fā)下，對流不穩(wěn)定能量釋放，造成中尺度對流云團(tuán)發(fā)展。31日08時(shí)600 hPa 暖鋒逐漸移出哈密地區(qū)（圖10c），低空急流進(jìn)一步向東北方向伸展，低層強(qiáng)輻合區(qū)和濕舌移至哈密東部—蒙古西部，暴雨區(qū)最大θse增至355 K，在強(qiáng)暖鋒鋒生下（圖10f），鋒面次級環(huán)流加強(qiáng)，對流云團(tuán)發(fā)展至最強(qiáng)階段，造成哈密東南部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖10 2018年7月30～31日總鋒生函數(shù)（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）和假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K），紅色、藍(lán)色圓點(diǎn)分別代表沁城鄉(xiāng)小堡站和淖柳公路站Fig. 10 Total frontogenesis function (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) and θse (contours, units: K) during 30–31 July 2018. The red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively

“8.8”暴雨期間，對流層低層弱冷鋒鋒生是觸發(fā)巴州北部對流云團(tuán)生成的主要因子（圖11），鋒生區(qū)（水平輻散項(xiàng)、水平形變項(xiàng)、傾斜項(xiàng)之和）位于336～345 K 的強(qiáng)θse的高能區(qū)中，7日20時(shí)（圖11a）600 hPa 哈密北部—天山南麓一線上空（42°～44°N，85°～92°E）等假相當(dāng)位溫密集帶附近出現(xiàn)東北—西南走向的帶狀鋒生大值區(qū)，受天山大地形影響，鋒生帶斷裂為兩段，8日02時(shí)（圖11b），對流層中層冷鋒進(jìn)一步鋒生，東段冷鋒大值區(qū)1.5×10?8K s?1m?1，哈密北部受東段冷鋒鋒生影響，測站出現(xiàn)小量降水，同時(shí)700 hPa（圖11c）哈密北部—巴州北部冷鋒鋒生帶斷裂為兩段，東段鋒生大值區(qū)為1.5×10?8K s?1m?1，受東段鋒生區(qū)影響，阿克蘇普鄉(xiāng)大西溝附近（41.25°N，87.5°E）對流觸發(fā)，中尺度云團(tuán)生成，并沿500 hPa引導(dǎo)氣流向東北方向移動(dòng)，8日08時(shí)700 hPa 哈密北部—巴州北部風(fēng)場輻合增強(qiáng)，冷鋒鋒生明顯（圖11d），鋒生大值區(qū)迅速增至2.5×10?8K s?1m?1，對流層中低層鋒生區(qū)疊加，冷鋒鋒區(qū)向西北方向傾斜，鋒面附近垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對流云團(tuán)發(fā)展旺盛，隨后造成哈密北部地區(qū)10～14時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖11 2016年“8.8”暴雨（a）7日20時(shí)600 hPa、（b）8日02時(shí)600 hPa、（c）8日02時(shí)700 hPa、（d）8日08時(shí)700 hPa 的總鋒生函數(shù)（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）和假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K），紅色三角形代表云團(tuán)初生地，紅色實(shí)心矩形代表巴里坤鎮(zhèn)大直溝站Fig. 11 Total frontogenesis function (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) and θse (contours, units: K) at 600 hPa at (a) 2000 BJT 7 August, (b) 0200 BJT 8 August, at 700 hPa at (c) 0200 BJT 8 August, (d) 0800 BJT 8 August during “8.8” heavy rainstorm in 2016. The red triangle and red filled rectangle denote the origination area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town, respectively

沿圖5d 中紅色線段做總鋒生函數(shù)、經(jīng)向風(fēng)、溫度平流和風(fēng)場剖面（圖12）發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨降水前（7月30日14～20時(shí)（圖12a、b），對流層中層600 hPa 附近鋒生函數(shù)大值區(qū)伴有強(qiáng)暖平流，鋒面次級環(huán)流上升運(yùn)動(dòng)支在600 hPa 附近，在對流層低層700 hPa 暴雨區(qū)上空存在南北風(fēng)對峙，700 hPa偏南風(fēng)最大風(fēng)速9 m s?1，750 hPa 以下為偏北氣流，700 hPa 暴雨區(qū)逐漸由冷平流轉(zhuǎn)為暖平流（圖12e、f），對流層低層暖鋒鋒生，范圍有所擴(kuò)大，700～600 hPa 暴雨區(qū)處于鋒面次級環(huán)流上升支。31日02時(shí)（圖12c）對流層低層偏南風(fēng)迅速增強(qiáng)，700 hPa偏南急流最大風(fēng)速12 m s?1，同時(shí)對流層低層暖平流迅速增強(qiáng)至30×10?5K s?1（圖12g），暖氣團(tuán)沿底層冷氣團(tuán)爬坡，冷暖氣團(tuán)交綏劇烈造成對流層低層暖鋒進(jìn)一步鋒生，對流層中低層上升運(yùn)動(dòng)疊加，垂直經(jīng)圈環(huán)流進(jìn)一步增強(qiáng)，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，利于中尺度對流云團(tuán)發(fā)展。對流層低層偏南風(fēng)輻合區(qū)對應(yīng)鋒生函數(shù)正值中心所在高度，說明低空環(huán)流大氣水平運(yùn)動(dòng)和暖平流增強(qiáng)能夠增大大氣的斜壓性，對暖鋒維持和進(jìn)一步鋒生具有重要作用。31日08時(shí)（圖12d）對流層低層暖鋒向東北爬坡過程中再次鋒生，哈密東部暖鋒鋒生函數(shù)中心達(dá)3.0×10?8K s?1m?1，對流層低層暖平流隨高度向東北方向傾斜，強(qiáng)度增強(qiáng)（圖12h），垂直上升運(yùn)動(dòng)傾斜發(fā)展，對流云團(tuán)發(fā)展至成熟階段。

圖12 2018年“7.31”暴雨沿圖5d 紅色線段的（a?d）總鋒生函數(shù)（彩色陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）、經(jīng)向風(fēng)（等值線，單位：m s?1）剖面，（e?h）溫度平流（彩色陰影，單位：K s?1）和流場（流線，單位：m s?1）的垂直剖面，圖下方灰色陰影表示地形Fig. 12 Vertical cross-sections of (a?d) total frontogenesis function (color shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) and meridional wind (contours, units: m s?1), (e?h) temperature advection (color shadings, units: K s?1) and stream field (stream, units: m s?1) along the red line in Fig. 5d during the “7.31”heavy rainstorm in 2018. The grey shadings below the figure depict the terrain

沿圖6c 中紅色線段做總鋒生函數(shù)和經(jīng)向風(fēng)、溫度平流和風(fēng)場剖面（圖13）發(fā)現(xiàn)，“8.8”暴雨前（7日14時(shí)），巴州北部的對流層低層—中層為弱西風(fēng)氣流和弱冷平流（圖13a、e），對流層低層無明顯鋒生區(qū)，20時(shí)天山南麓附近對流層中層（600 hPa 附近）出現(xiàn)冷鋒鋒生區(qū)（圖13b），鋒生區(qū)附近有強(qiáng)冷平流與暖平流交匯（圖13f），并伴有上升運(yùn)動(dòng)，對流層低層天山南麓—巴州北部存在斷裂弱冷鋒鋒生區(qū)，同時(shí)對流層低層冷平流明顯增強(qiáng)，巴州北部為弱偏東氣流，在低層弱冷鋒影響下出現(xiàn)少量降水。8日02時(shí)對流層中低層鋒區(qū)逐漸向東北方向移動(dòng)（圖13c），巴州北部對流層低層由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西氣流，巴州北部附近出現(xiàn)風(fēng)速輻合區(qū)，并伴有?40×10?5K s?1的冷平流大值中心和1.0×10?8K s?1m?1的冷鋒鋒生大值區(qū)（圖13g），相應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)范圍也有所增大，在低空700 hPa冷鋒鋒生和風(fēng)場輻合作用下，對流云團(tuán)在巴州北部初生。8日08時(shí)，對流層低層至中層冷鋒鋒生明顯（圖13d），鋒區(qū)自下向上向西傾斜并伴有強(qiáng)冷平流（圖13h），最大冷平流達(dá)?40×10?5K s?1，低層鋒生區(qū)逐漸向東北方向移至吐鄯托盆地—哈密北部，最大鋒生函數(shù)增至1.5×10?8K s?1m?1，鋒區(qū)附近垂直經(jīng)圈環(huán)流增強(qiáng)使得對流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展，隨后向東北方向移至哈密北部地區(qū)，造成短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖13 同圖12，但為2016年“8.8”暴雨沿圖6c 中紅色線段的垂直剖面。紅、藍(lán)色三角形分別表示云團(tuán)初生地、巴里坤鎮(zhèn)大直溝站Fig. 13 As in Fig. 12, but for vertical cross-sections along the red line in Fig. 6c in the “8.8” heavy rainstorm in 2016. The red and blue triangles represent the generation area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town, respectively

通過鋒生函數(shù)各項(xiàng)垂直剖面散度圖（圖14）可以發(fā)現(xiàn)，“7.31”暴雨對流云團(tuán)發(fā)展初期（31日02時(shí)，圖14a）鋒生水平散度項(xiàng)大值區(qū)集中在750～700 hPa，水平散度項(xiàng)和由垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展引起的傾斜項(xiàng)大值中心分別為2.5×10?8K s?1m?1和2.0×10?8K s?1m?1（圖14a、e），水平形變項(xiàng)為1.5×10?8K s?1m?1（圖14c）。低空急流攜帶較低緯度暖濕氣流造成暴雨區(qū)低層暖平流迅速增強(qiáng)，同時(shí)偏南氣流風(fēng)速輻合加強(qiáng)了水平暖鋒鋒生，暖空氣的傾斜上升導(dǎo)致垂直鋒生加強(qiáng)，增加了大氣層結(jié)不穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步促進(jìn)了中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展。由水平散度項(xiàng)和傾斜項(xiàng)引起的鋒生激發(fā)了鋒面次級環(huán)流的發(fā)生，是對流云團(tuán)初生的重要觸發(fā)因子。31日08時(shí)（圖14b、d、f），低空東南急流轉(zhuǎn)向，鋒面向東北方向推進(jìn)至哈密東部，散度項(xiàng)引起的鋒生收縮至600 hPa 以下（圖14b），受風(fēng)場形變引起的輻合、輻散影響，暖鋒前沿濕舌向東北方向伸展，鋒區(qū)附近θse維持較高梯度，形變項(xiàng)和傾斜項(xiàng)引起的鋒生分別增大至2.5×10?8K s?1m?1和3×10?8K s?1m?1（圖14d、1f），再次加強(qiáng)了鋒面次級環(huán)流，造成對流云團(tuán)發(fā)展至最強(qiáng)階段。

圖14 2018年7月31日02時(shí)（左）和08時(shí)（右）沿圖5d 中紅色線段的鋒生函數(shù)（a、b）散度項(xiàng)、（c、d）形變項(xiàng)和（e、f）傾斜項(xiàng)（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）及（a?f）假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）的垂直剖面Fig. 14 Vertical cross-sections of (a, b) the divergence term, (c, d) deformation term, (e, f) tilt term (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) for frontogenesis function, and (a?f) θse (contours, units: K) along the red line in Fig. 5d at 0200 BJT (left) and 0800 BJT (right) 31 July 2018

“8.8”暴雨過程對流云團(tuán)發(fā)展初期（8日02時(shí)，圖15a）巴州北部鋒生水平散度項(xiàng)大值中心集中在850～600 hPa，大值中心為0.5×10?8K s?1m?1，而水平形變項(xiàng)和傾斜項(xiàng)作用比散度項(xiàng)小，為0.25×10?8K s?1m?1（圖15c、e），說明對流云團(tuán)初生階段對流觸發(fā)主要是水平散度項(xiàng)決定。8日08時(shí)，吐鄯托盆地—哈密北部對流層中低層冷鋒鋒生，700 hPa 散度項(xiàng)引起的鋒生增至1.0×10?8K s?1m?1（圖15b），并向上伸展至500 hPa 以上，形變項(xiàng)引起的鋒生迅速增大至1.0×10?8K s?1m?1（圖15d），同時(shí)由于鋒區(qū)附近垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對流云團(tuán)發(fā)展旺盛，使得傾斜項(xiàng)引起的鋒生迅速增至3×10?8K s?1m?1（圖15f）。以上分析說明“8.8”暴雨過程對流云團(tuán)發(fā)展初始階段，對流層低層冷鋒鋒生主要由水平輻散項(xiàng)決定，低空西南氣流在巴州北部山前風(fēng)速輻合導(dǎo)致水平冷鋒鋒生，產(chǎn)生鋒面次級環(huán)流，造成對流云團(tuán)在巴州北部山前發(fā)展。水平散度項(xiàng)引起的對流層低層冷鋒鋒生激發(fā)了鋒面次級環(huán)流的發(fā)生，是對流云團(tuán)初生的重要觸發(fā)因子；對流云團(tuán)成熟階段，對流層低層冷鋒鋒生主要由傾斜項(xiàng)決定，對流云團(tuán)沿低空切變線向東北方向移至吐鄯托盆地附近，低空風(fēng)場輻合和風(fēng)場的形變引起的輻合、輻散使得吐鄯托—哈密北部冷鋒鋒區(qū)附近θse維持在較高的梯度，同時(shí)風(fēng)速輻合導(dǎo)致水平冷鋒鋒生，產(chǎn)生鋒面次級環(huán)流，暖空氣被迫抬升產(chǎn)生垂直鋒生，增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定性，進(jìn)一步促進(jìn)了中尺度云團(tuán)發(fā)展。

造成兩次強(qiáng)降水過程的中尺度對流云團(tuán)生命時(shí)間長，發(fā)展旺盛，“7.31”暴雨過程對流云團(tuán)在對流層低層暖鋒觸發(fā)下生成和發(fā)展，并依次移過暴雨區(qū)，“8.8”暴雨巴州北部對流云團(tuán)在對流層低層冷鋒觸發(fā)下生成，在向東北方向移動(dòng)過程中，對流層中低層冷鋒鋒生進(jìn)一步加強(qiáng)了鋒面次級環(huán)流，對流運(yùn)動(dòng)發(fā)展旺盛。兩次強(qiáng)降水過程中尺度對流云團(tuán)觸發(fā)因子不同，但中尺度對流系統(tǒng)維持和發(fā)展時(shí)間長，分析發(fā)現(xiàn)“7.31”暴雨和“8.8”暴雨期間，對流層低層700 hPa 東南急流的維持加強(qiáng)和低空切變線穩(wěn)定維持是兩次強(qiáng)降水過程中尺度對流系統(tǒng)長時(shí)間持續(xù)的主要原因。

低空急流不僅為“7.31”暴雨哈密東南部地區(qū)輸送充沛的水汽，同時(shí)也為中尺度對流云團(tuán)發(fā)生、發(fā)展提供不穩(wěn)定環(huán)境場。31日02時(shí)（“7.31”暴雨初期，圖16a），700 hPa 低空東南急流前出現(xiàn)等θse大值區(qū)，哈密東南部最大偏東風(fēng)風(fēng)速達(dá)18 m s?1，低層暖舌沿急流伸入暴雨區(qū)，造成哈密東南部低層增暖增濕，不穩(wěn)定能量在暴雨區(qū)積聚，利于暖鋒鋒生，鋒面次級環(huán)流的增強(qiáng)再次增大低層風(fēng)速輻合，加劇水汽輻合抬升，利于對流系統(tǒng)發(fā)展。31日08時(shí)（圖16b）低空偏東急流轉(zhuǎn)為偏南氣流，暖舌沿急流向東北方向伸展，暖濕氣流進(jìn)一步向哈密地區(qū)輸送，哈密探空站700 hPa 比濕達(dá)11 g kg?1，中β 尺度云團(tuán)G（圖5e）附近出現(xiàn)等θse梯度大值區(qū)，低層暖平流加強(qiáng)造成暖鋒再次鋒生，對流云團(tuán)發(fā)展至最強(qiáng)階段，造成哈密東南部地區(qū)出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水天氣。結(jié)合前文分析發(fā)現(xiàn)，低空急流攜帶暖濕氣團(tuán)造成暴雨區(qū)低層增溫增濕，加大了暴雨區(qū)上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定性，同時(shí)低空急流前氣流風(fēng)速輻合也加強(qiáng)了水平暖鋒鋒生，鋒面次級環(huán)流的增強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。由此可見，低空急流在“7.31”暴雨過程中，一方面為暴雨區(qū)提供了有利于對流發(fā)展的不穩(wěn)定環(huán)境場，另一方面，急流前的風(fēng)速輻合加強(qiáng)了低層鋒生，為對流觸發(fā)提供了有利的動(dòng)力條件，這與任麗等（2021）研究結(jié)果較為相似，低空急流前輻合抬升及次級環(huán)流上升氣流共同作用觸發(fā)對流發(fā)展。

圖16 2018年7月31日（a）02時(shí)、（b）08時(shí)，2016年8月8日（c）02時(shí)、（d）08時(shí)700 hPa 風(fēng)場（箭頭，單位：m s?1）和假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）分布。圖a 和b 中紅色、藍(lán)色圓點(diǎn)分別代表沁城鄉(xiāng)小堡站、淖柳公路站，紅色虛線矩形框區(qū)為哈密地區(qū)。圖c 和d中紅色、藍(lán)色圓點(diǎn)分別代表巴里坤鎮(zhèn)大直溝站和云團(tuán)初生地Fig. 16 Wind (arrows, units: m s?1) and θse (contours, units: K) at 700 hPa at (a) 0200 BJT, (b) 0800 BJT 31 July 2018, (a) 0200 BJT, (b) 0800 BJT 8 August 2016. In Figs. a, b, the red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively, the red dashed rectangle denotes Hami area. In Figs. c, d, the red and blue dots denote the Dazhigou station in Balikun town and generation area of convective cloud,respectively

“8.8”暴雨降水初期（8日02時(shí)，圖16c），對流層低層吐鄯托盆地—哈密北部和巴州北部均存在低空切變線，切變線附近對應(yīng)等假相當(dāng)位溫密集帶，在西南氣流與淺山區(qū)地形輻合抬升下，低空水汽輻合聚集，巴州北部附近對流云團(tuán)生成，并沿低空切變線向東北方向移動(dòng)。8日08時(shí)（圖16d）低空切變線附近西北氣流明顯增強(qiáng)，吐鄯托盆地—哈密北部附近對流層低層至高層冷鋒鋒生，等假相當(dāng)位溫梯度明顯增大，鋒面次級環(huán)流加強(qiáng)，充沛的水汽和不穩(wěn)定能量聚集在鋒區(qū)附近，哈密探空站700 hPa 比濕由5 g kg?1增至8 g kg?1，對流云團(tuán)發(fā)展并繼續(xù)向哈密北部移動(dòng)，進(jìn)而影響哈密北部地區(qū)。低空切變線的維持不僅加強(qiáng)了冷鋒鋒生，垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，同時(shí)也將前期暴雨區(qū)附近水汽迅速匯集于切變線一線，使得中尺度云團(tuán)在沿切變線東北移動(dòng)過程中發(fā)展，造成哈密北部短時(shí)強(qiáng)降水。

“7.31”暴雨對流云團(tuán)發(fā)展初期（31日02時(shí)，圖17a），哈密東南側(cè)地區(qū)高層輻散，低層強(qiáng)烈水平輻合，300 hPa 最大輻散和700 hPa 最大輻合中心分別為4×10?5s?1和?13×10?5s?1，暴雨區(qū)附近700 hPa 以上深厚氣旋性渦柱向東北傾斜并伸展至300 hPa（圖17c），700 hPa 和450 hPa 正渦度中心分別為14×10?5s?1和16×10?5s?1，渦度中心對應(yīng)垂直運(yùn)動(dòng)大值區(qū)，深厚氣旋性渦柱和低層強(qiáng)水平輻合造成暖鋒鋒區(qū)表現(xiàn)為隨高度向東北方向伸展的一條正渦度柱，高低空急流耦合形成的次級環(huán)流加強(qiáng)了對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，為暴雨的發(fā)生起重要的動(dòng)力作 用。31日08時(shí)，300 hPa 輻 散 進(jìn) 一 步 增 強(qiáng) 至8×10?5s?1（圖17b），700 hPa 輻合區(qū)向東北方向伸展，上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)逐漸移至哈密東部，渦度柱也由前期的傾斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為與地面垂直結(jié)構(gòu)（圖17d），垂直運(yùn)動(dòng)由傾斜上升轉(zhuǎn)為垂直上升。高空抽吸和強(qiáng)低層輻合，利于鋒面次級環(huán)流的維持和發(fā)展，低空急流的迅速增強(qiáng)是對流發(fā)展旺盛的增強(qiáng)機(jī)制，這與季風(fēng)區(qū)相關(guān)研究結(jié)論較為一致（劉鴻波等, 2014; 侯淑梅等, 2017; 張芹等, 2018）。

圖17 2018年7月31日（a）02時(shí)和（b）08時(shí)300 hPa（等值線，單位：10?5 s?1）和700 hPa（彩色陰影＜?3×10?5 s?1）散度場，紅色虛線矩形框區(qū)為哈密地區(qū)，紅色、藍(lán)色圓點(diǎn)分別代表沁城鄉(xiāng)小堡站、淖柳公路站。2018年7月31日（c）02時(shí)和（d）08時(shí)沿圖5d 中紅色線段的渦度（彩色陰影，單位：10?5 s?1）和垂直速度（等值線，單位：Pa s?1）垂直剖面，灰色陰影代表地形Fig. 17 300-hPa (contours, units: 10?5 s?1) and 700-hPa (color shadings＜?3×10?5 s?1) divergence at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 31 July 2018.The red dashed rectangle denotes Hami area. The red and blue dots denote the Qinchengxiangxiaopu station and Naoliugonglu station, respectively.Vertical cross-sections of vorticity (color shadings, units: 10?5 s?1) and vertical velocity (contours, units: Pa s?1) along the red line in Fig. 5d at (c) 0200 BJT and (d) 0800 BJT 31 July 2018. The grey shadings represent the topography

“8.8”暴雨過程中尺度云團(tuán)發(fā)展初期（8日02時(shí)，圖18a），巴州北部300 hPa 最大輻散中心4×10?5s?1，配合低層700 hPa 強(qiáng)輻合區(qū)（最大輻合中心?7×10?5s?1），在低層強(qiáng)烈水平風(fēng)和地形輻合作用下，垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，同時(shí)暴雨區(qū)附近700～600 hPa 氣 旋 性 渦 柱 向 西 傾 斜（圖18c），700 hPa 正渦度中心為8×10?5s?1，對流層低層弱冷鋒觸發(fā)下，巴州北部上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，最大上升運(yùn)動(dòng)為?0.9 Pa s?1，渦度中心對應(yīng)垂直運(yùn)動(dòng)大值區(qū)；8日08時(shí)（圖18b）對流層高層300 hPa 輻散進(jìn)一步增強(qiáng)，最大輻散中心增強(qiáng)至12×10?5s?1，且范圍明顯增大，同時(shí)700 hPa 吐鄯托盆地—哈密北部均處于輻合區(qū)，最大輻合中心為?15×10?5s?1，對應(yīng)吐鄯托盆地—哈密北部出現(xiàn)近乎與地面垂直的渦度柱（圖18d），最大渦度中心達(dá)24×10?5s?1，強(qiáng)烈的高空抽吸和低層輻合加強(qiáng)了冷鋒鋒面次級環(huán)流，使垂直運(yùn)動(dòng)迅速發(fā)展，對流運(yùn)動(dòng)發(fā)展至最強(qiáng)，對流云團(tuán)在吐鄯托盆地發(fā)展旺盛，隨后進(jìn)入哈密北部造成短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖18 2016年8月8日（a）02時(shí)、（b）08時(shí)300 hPa（等值線，單位：10?5 s?1）和700 hPa（彩色陰影＜?3×10?5 s?1）散度場。2016年8月8日（c）02時(shí)、（d）08時(shí)沿圖6c 中紅色線段的渦度（彩色陰影，單位：10?5 s?1）和垂直速度（等值線，單位：Pa s?1）垂直剖面，紅色、藍(lán)色三角形分別代表云團(tuán)出生地、巴里坤站Fig. 18 300-hPa (contours, units: 10?5 s?1) and 700-hPa (color shadings＜?3×10?5 s?1) divergence at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 8 August 2016.Vertical cross-sections of vorticity (color shadings, units: 10?5 s?1) and vertical velocity (contours, units: Pa s?1) along the red line in Fig. 6c at (a) 0200 BJT and (b) 0800 BJT 8 August 2016. The red and blue triangles denote the generation area of convective cloud and Dazhigou station in Balikun town,respectively

5 結(jié)論與展望

通過對“7.31”暴雨和“8.8”暴雨兩次哈密暴雨天氣過程中尺度對流系統(tǒng)演變和觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行分析，結(jié)合對強(qiáng)降水期間大氣的不穩(wěn)定性及鋒面鋒生函數(shù)的討論，給出了兩次強(qiáng)降水過程對流觸發(fā)機(jī)制的異同點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

（1）“7.31”暴雨期間，500 hPa 西太副高位置異常偏北（圖19），哈密東南部由西太副高外圍偏南氣流控制，700 hPa 副高南側(cè)偏東急流穩(wěn)定維持，暖舌沿急流向西北伸展，低層增暖增濕，造成暴雨區(qū)上空形成不穩(wěn)定大氣層結(jié)?！?.8”暴雨期間，500 hPa 西太副高位置異常偏西，中緯度低槽前西南氣流和西太副高外圍西南氣流匯集于哈密北部，700 hPa 巴州北部—哈密北部風(fēng)切變線長時(shí)間維持，為暴雨的產(chǎn)生和中尺度云團(tuán)發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件。

圖19 2018年“7.31”暴雨（左）和2016年“8.8”暴雨（右）概念模型。字母L、D 表示地面高壓和低壓系統(tǒng)Fig. 19 Conceptual models of the “7.31” heavy rainstorm in 2018 (left) and the “8.8” heavy rainstorm in 2016 (right). Letters L, D represent surface high pressure and low pressure systems

（2）兩次暴雨天氣均與長生命史的中尺度對流云團(tuán)密切相關(guān)（圖19）。對流層低層暴雨區(qū)暖鋒鋒生是“7.31”暴雨過程中尺度對流云團(tuán)的主要觸發(fā)因子，鋒面次級環(huán)流上升運(yùn)動(dòng)與對流運(yùn)動(dòng)發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，高空西南急流和低空東南急流的維持加強(qiáng)利于鋒面次級環(huán)流發(fā)展，配合地形輻合抬升，是造成中尺度對流系統(tǒng)長時(shí)間維持的主要原因。

“8.8”暴雨期間對流云團(tuán)為對流層低層弱冷鋒觸發(fā)，低空切變線長時(shí)間維持和加強(qiáng)利于低層冷鋒進(jìn)一步鋒生，是造成中尺度對流系統(tǒng)長時(shí)間持續(xù)的主要原因。

（3）“7.31”暴雨降水初期中尺度云團(tuán)對流觸發(fā)主要是由鋒生水平散度項(xiàng)和傾斜項(xiàng)決定，低層暖平流增強(qiáng)和偏南氣流風(fēng)速輻合，導(dǎo)致水平暖鋒鋒生并產(chǎn)生鋒面次級環(huán)流，暖空氣傾斜上升產(chǎn)生垂直鋒生，進(jìn)一步增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定性，促進(jìn)中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展。對流云團(tuán)成熟階段，變形項(xiàng)和傾斜項(xiàng)引起的鋒生再次加強(qiáng)了鋒面次級環(huán)流，使得對流云團(tuán)得以發(fā)展。“8.8”暴雨對流云團(tuán)發(fā)展初始階段，對流層低層冷鋒鋒生主要由水平輻散項(xiàng)決定，低空西南氣流在巴州北部山前風(fēng)速輻合導(dǎo)致水平冷鋒鋒生，產(chǎn)生鋒面次級環(huán)流，造成對流云團(tuán)在巴州北部山前發(fā)展。對流云團(tuán)成熟階段對流層低層冷鋒鋒生主要由傾斜項(xiàng)決定，對流云團(tuán)沿低空切變線向東北方向移動(dòng)，低空風(fēng)場輻合導(dǎo)致水平冷鋒鋒生，產(chǎn)生鋒面次級環(huán)流，暖空氣被迫抬升產(chǎn)生垂直鋒生，增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定性，進(jìn)一步促進(jìn)了中尺度云團(tuán)發(fā)展。

隨著全球變暖和水循環(huán)加快，近年來東天山哈密地區(qū)暴雨頻發(fā)，作為國家“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”重要節(jié)點(diǎn)城市，東天山哈密地區(qū)暴雨天氣逐漸引起各方關(guān)注，且季風(fēng)區(qū)與干旱、半干旱地區(qū)氣候背景、地形條件各不相同，造成短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展機(jī)理差異較大。針對我國東部季風(fēng)區(qū)極端暴雨和強(qiáng)對流天氣事件的機(jī)理研究開展了一系列工作，為季風(fēng)區(qū)強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供了理論支撐和技術(shù)保障，而針對干旱、半干旱的新疆地區(qū)，尤其是地表植被稀疏，對暴雨抵抗能力弱的東天山地區(qū)開展的強(qiáng)對流天氣相關(guān)研究匱乏，本文通過計(jì)算暴雨期間鋒生函數(shù)，結(jié)合中尺度對流系統(tǒng)活動(dòng)特征分析，找出了兩次暴雨過程中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)因子差異，但研究工作僅針對了兩次天氣過程，研究樣本量少，使用的再分析資料為NCEP/NCAR的FNL 再分析數(shù)據(jù)分辨率較低，因而今后將針對干旱、半干旱區(qū)暴雨事件，加大研究樣本，利用ECMWF 發(fā)布的第一代全球ERA-Interim（0.125°×0.125°）再分析資料開展對比研究，同時(shí)，應(yīng)用WRF 數(shù)值模式、多源氣象探測數(shù)據(jù)深入探討干旱區(qū)中尺度對流觸發(fā)機(jī)理研究工作，增強(qiáng)對干旱、半干旱區(qū)暴雨形成的認(rèn)識，從而為提高東天山哈密地區(qū)降水預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供一定的參考依據(jù)。