天山北坡短时强降水个例的多方向水汽输送及其动力-热力机制

《Atmospheric Research》：Multidirectional moisture transport and dynamic–thermodynamic mechanisms of a short-duration heavy precipitation case on the Northern Slope of the Tianshan Mountains

　　

• 对干旱天山山前地带创纪录强降水事件进行了研究。
• 西风暖湿水汽通道提供了总水汽输送量的88.7%。
• 冷池外流与干锋的碰撞触发了极端对流过程。
• 双层不稳定特征表现为低层对称性不稳定和上层对流性结构。
• 倾斜项和非绝热加热项对锋生过程的贡献超过78.9%。

**引言**

近几十年来，中国西北地区经历了明显的暖湿化趋势，伴随降水极端事件频率和强度的变化（Wan et al., 2015; Wang et al., 2021）。在天山山脉干旱的山前地带，短历时强降水（SHP）是一项重要的科学和社会关切问题，因为它同时影响着区域水资源以及山洪和泥石流的发生（Lu et al., 2021; Zhou et al., 2023）。在本研究中，SHP指小时降水量累积至少达到10 mm，遵循新疆常用的业务标准（Duolaite, 2005; Zhuang et al., 2021）。这类降水以突发性强、历时短、强度高和空间定位性强为特征，使其发生和演变过程特别难以预报。

天山北坡（NSTM）具有显著的盆地-山地配置，北为准噶尔盆地，南为天山山脉。这种地形配置改变了区域环流和水汽输送，可以增强低层辐合和地形抬升，从而为局地对流创造有利条件（Kadier et al., 2023; Li et al., 2023a）。以往研究表明，NSTM的降水具有显著的时空异质性，最大值一般位于从山前地带到山区的区域（Abulikemu et al., 2024）。气候学上，SHP主要发生在下午至夜间，且常与西西伯利亚低槽或涡旋以及中亚低槽相关（Wang et al., 2020）。这些发现表明，NSTM的SHP受大尺度环流和局地地形的共同影响。然而，这些因素相互作用以决定局地降雨的时间、地点和强度的过程仍认识不足，尤其是在中尺度上（Peng et al., 2025）。

其他复杂地形区域的研究表明，极端降水通常通过水汽输送、大气不稳定、低层环流和地形强迫之间的相互作用而发展（Moustakis et al., 2020; Yao et al., 2021）。地形抬升可以增强迎风坡的不稳定性和垂直运动，而谷地环流和地形诱导的压力梯度可能加强低空急流（LLJ）和辐合区（Zhou et al., 2024; Li et al., 2023b）。多尺度地形效应还可以影响对流系统的位置、组织和持续性（Hermawan et al., 2025）。此外，水汽输送相对于山脉屏障的方向可以显著影响降水强度和空间分布（Pan and Chen, 2019; Stuart et al., 2025）。这些研究为理解山区降水提供了有用的物理基础，但也表明水汽供应、地形强迫和中尺度环流的相对作用在不同气候和地形条件下存在差异。

中国不同区域的研究进一步证明了这种区域依赖性。在青藏高原及其周边地区，热力强迫和地形抬升对区域环流和降水发展具有强烈影响（Yang et al., 2025）。在四川盆地西部的山区，高原-盆地热力对比促进了对流与降水之间的耦合（Xu et al., 2025），而华南地区的SHP则常由丰富的海洋水汽、双急流配置和地形抬升所支持（Zhang et al., 2022a）。相比之下，NSTM位于中亚干旱内陆腹地，远离直接海洋水汽来源，观测网络相对稀疏，盆地-山地环流与湿润的东部和西南部中国存在显著差异。因此，在这些区域中确定的机制不能直接迁移到NSTM，需要针对干旱山地-盆地环境进行事件尺度的研究。

NSTM的以往研究已确定了若干潜在水汽输送通道，并记录了大尺度低槽、低层气流和地形效应的重要性。然而，仍存在若干过程层面的不确定性。某条输送通道的出现频率并不一定代表该通道所输送的水汽量。主要输送通道对降水区域水汽贡献的相对比较很少进行定量分析（Chen et al., 2017; Zhang et al., 2023a）。这一局限阻碍了对SHP发生前有利水汽输送条件如何发展的机理性认识。大多数数值研究关注静态地形强迫，而忽视了演变的大尺度环流与复杂地形之间瞬态动力反馈（Gao et al., 2006; Zhong, 2020）。这些耦合过程对于中尺度辐合线的形成以及SHP的触发和增强具有重要意义。此外，Weller等人提出的动力相互作用框架（Weller et al., 2019; Weller et al., 2017）尚未系统性地纳入NSTM的SHP研究中，使其多尺度耦合机制的认识尚不完整。综合而言，这些未解决的问题既限制了对SHP形成的物理理解，也制约了该地区极端降水可靠预报策略的发展（Ma et al., 2014）。

为弥补这些空白，本研究对NSTM的一场极端SHP事件进行了过程导向的研究。该事件为考察在干旱山地-盆地环境中局地强降水如何快速发展提供了一个有价值的案例。在以往区域气候特征和统计关系研究的基础上，我们整合多源观测、拉格朗日水汽追踪、水汽收支计算和对流分辨WRF数值模拟，研究从水汽供应和环境预条件到中尺度触发和对流维持的过程链。研究特别关注主要水汽输送通道的相对贡献、降水前水汽的快速累积和低空急流的增强，以及对流发展过程中地形调制辐合与中尺度边界之间的相互作用。本研究整合已有的观测和诊断方法，为干旱山地-盆地环境中SHP过程提供事件尺度的解释。本分析旨在深化对该事件的观念性认识，而非建立该区域所有SHP事件的通用机制。

**研究片段**

**数据集与模式配置**

本研究采用中国气象局提供的多源观测数据集来研究降水事件的关键特征（https://data.cma.cn/）。自动气象站观测包括5分钟和1小时降水量，以及近地面温度、相对湿度、气压、风速和风向。5分钟降水数据用于刻画短期降雨演变，而逐小时数据则用于...

**SHP时空特征分析**

2015年6月9日，一场极端SHP事件影响了天山北坡沿线的乌鲁木齐和昌吉地区（图1c）。局部最大小时降水量超过20 mm。根据新疆使用的区域降雨等级划分，44个站点记录了至少24.1 mm的暴雨级降水量，其中9个站点达到了48.1 mm的大暴雨阈值。该事件伴有雷暴和强风，表现出强烈的对流特征。在乌鲁木齐...

**模拟环流和中尺度特征的分析与验证**

前述观测和ERA5诊断表明，事件前存在快速的水汽累积，其特征为增强的低层水汽流入和同时发生的上升运动。因此，我们利用对流分辨WRF模拟来检验与该演变相关的动力-热力过程。

**低空急流的演变与中尺度触发机制**

低空急流在强降水事件中起着关键作用，它通过输送水汽和能量以及增强低层辐合来发挥作用。其快速增强直接影响对流系统的触发和维持。

在00 UTC，风矢量图表现出短而相对无序的轨迹，不同高度层之间存在显著的方向变化（图9a）。这一特征直接表明低层风速较弱，垂直风的方向一致性有限...

**讨论**

该SHP事件在有利的中纬度环流形势、低层水汽输送、地形调制辐合和中尺度对流过程的共同影响下发展。本案例旨在说明多尺度动力-热力过程如何相互作用，在干旱山区环境中产生局地极端降水，而非建立NSTM所有SHP事件的通用机制。以下讨论聚焦于该...的过程特征。

**结论**

本研究通过整合多源观测、拉格朗日水汽追踪、ERA5再分析和对流分辨WRF数值模拟，对NSTM的一场极端SHP事件进行了研究。该事件以高度局地的降水和多次对流单体过境为特征。乌鲁木齐站的小时降水量达到14.7 mm，为该站1991年以来的最高小时降水量之一。GPS反演的可降水量增加了约6–9 mm...

**作者贡献声明**

李智怡：文稿审阅与编辑，初稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，调查研究，基金获取，正式分析，数据管理，概念构思。姚俊强：数据管理，概念构思。许长春：文稿审阅与编辑，验证，指导，软件，资源，项目管理，方法学，概念构思。罗宇：验证，软件。张婷：方法学，数据管理。

**未引用参考文献**

Hao et al., 2016
Li et al., 2024a
Zhang et al., 2022b
Zhang et al., 2023b
Zhao et al., 2025

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由中国沙漠气象科学研究基金会（基金号：Sqj2025020）、新疆大学优秀研究生创新研究项目（基金号：XJDX2025YJS072）和中国国家自然科学基金委员会（基金号：42067062）共同资助。

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