引言

新疆自治区远离海洋，深居内陆，是明显的干旱半干旱地区，石油工业城市克拉玛依市位于准葛尔盆地西北边缘，西有加依尔山，中部、东部处于开阔平坦的戈壁滩。克拉玛依市辖区处于加依尔山山脉的背风坡沿，干燥少雨，近50年的年平均降水量仅为110 mm，在五十多年的气象历史记录上日降水量大于25 mm的日数只有4 d(周建荣等，2010)。2012年7月14日17—18时(北京时，下同)克拉玛依市区发生强对流天气过程，市区小时降雨量达38.3 mm，且伴有雷暴、大风及冰雹发生，造成了较为严重的经济损失，是克拉玛依市罕见的一次强对流天气。强对流天气由于空间尺度小、生命史短，天气变化剧烈，尽管对它的研究有了很大发展，但目前仍然是国内外天气预报中的一大难题。特别是在新疆干旱地区，强对流冰雹天气发生频次较少，主要发生在天山山脉，很少影响平原、盆地和河谷地区(马禹等，2004)，因此对此次克拉玛依强雷暴天气过程的发生发展机制及物理过程还缺乏有效的认识。除了卫星云图、天气雷达回波以及较稀疏的地面观测站能够提供不同尺度、不同特征的大气观测信息外，缺乏多源探测手段对本次过程的观测描述，难以分析捕获系统发生发展过程的关键细节。中尺度数值模式的快速发展，已经成为研究中尺度天气系统和中小尺度天气过程的重要工具(龚佃利等，2005；慕熙昱等，2007；毛冬艳等，2008；张德林等，2010；刘冀彦等，2013；肖递祥等，2013)，在充分分析现有观测资料基础上，本文通过以NCEP-FNL分析资料为初始场的WRF高分辨率数值模拟结果，进一步研究此次强对流天气的发生机制和空间结构特征，分析加依尔山山区地形在强对流天气中所起的作用和影响，为今后预报克拉玛依类似突发性强对流天气提供参考。

1 环流背景特征和影响系统

本次克拉玛依市强对流暴雨过程发生在中亚低涡的天气形势中，从2012年7月11日开始，克拉玛依市上游一直维持着深厚的中亚低涡，低涡在垂直方向延伸至100 hPa，且稳定少动。不断受到中亚低涡分裂的短波槽影响，克拉玛依市区持续出现阴有阵雨的天气，中低层湿度不断积累，潜在不稳定能量增大。7月14日，伊朗脊加强并略东移，同时中亚低涡开始减弱北收东移，进一步影响克拉玛依。7月14日08时美国NCEP-FNL分析资料(图 1)显示，在500 hPa等压面上，受伊朗脊的东移影响，中亚低涡在南北方向分裂成北槽南涡的形势，克拉玛依位于冷低涡东部，高空风场以西、西南风为主，处于正涡度区域；700 hPa等压面上槽脊及温度场也表现出明显冷平流结构，北疆大范围处于高湿区，相对湿度达80%以上，水汽条件丰富，同时在国境线外有一弱槽，该弱系统东移遇到加依尔山的地形阻挡，触发了对流天气系统的发展。由实况探空资料看，700~400 hPa为深厚的高湿区，700 hPa以下则是相对干层；从低层到高空逐渐由西风转为东南风，有风场的垂直切变；同时看到，从850~300 hPa存在不稳定能量。FNL分析资料在克拉玛依站点的探空曲线与实况观测一致。

卫星云图(图 2)显示，7月14日上午，克拉玛依及周边区域以晴空为主；下午16时，随着冷空气的东移，云团在山前开始生成，在山地地形的影响下快速加强，并发展成为强对流云团，造成克拉玛依市区的雷暴天气。该对流云团尺度较小，但发展迅速，与马禹等(2004)对新疆降雹云团的普查结果一致，即新疆降雹云团的尺度比较小, 形状不规则的较多。

图 3显示强对流发生时多普勒雷达探测的组合反射率，16:30，雷达回波沿着山脉成带状分布并开始从山中移出，17:03，雷达回波由西南—东北带状演变成两个强中心，最强中心逐渐靠近克拉玛依市区，该雷达回波中心的加强与山区复杂地形密不可分；另一个回波中心仍滞留在山中。由反射率最强中心的剖面图看(图 3c)，强回波中心高度在4~8 km，宽度在20 km左右，最大反射率因子为55 dBz。相应地，克拉玛依气象站实况总降雨量达38.5 mm，降雨过程伴有雷电及冰雹的发生。从实况观测可以看到，此次过程的雷暴云团从新生到发生仅2 h，它的水平尺度仅为几十千米，具有显著的局地性和突发性，复杂的山区地形增加了该强对流的预报难度。

2 数值模拟和诊断分析

本次克拉玛依市区强对流天气水平尺度较小，稀疏的观测网难以捕获该过程的天气结构和发展变化。借助中尺度数值预报模式，模拟出与实况观测相接近的降雨结果，再利用数值模式高时空分辨率的三维模拟结果及实际观测资料对本次过程进行综合诊断分析。

本文使用美国新一代中尺度数值模式WRF(3.3.1版本)进行数值模拟，水平方向采用三层嵌套网格，分辨率分别为27、9和3 km，垂直方向分为38层，模式顶气压为50 hPa。模式初始场和侧边界条件由美国NCEP-FNL全球分析资料提供，起报时间为2012年7月14日08时，积分12 h。模式选取的参数化方案分别为WSM 6-class微物理方案、rrtmg长波辐射方案、rrtmg短波辐射方案、Monin-Obukhov近地面层方案、YSU边界层方案以及KF积云参数化方案(最里层嵌套网格不使用)。

2.1 降雨量模拟与实况对比分析

从图 4的实况降雨量观测和图 3的雷达回波可以看到，在山脉背风坡面，实况降雨带沿山脉走向呈现西南—东北带状分布，从14日17—19时克拉玛依市区站点及其东南观测站点降雨总量分别为38.5和21.1 mm，而其西南、东北的两个观测站点都没有发生降水，降雨量的分布具有很强的局地性。数值模式对于本次降水过程具有较好的模拟能力，降水的起始发生时间和结束时间与实况吻合，模拟降雨量的形状分布与实况接近，两大降水中心点也与雷达回波的两个强中心相对应。但WRF模拟的山脚处降水中心偏离克拉玛依市区32 km，最大降雨量仅为13.4 mm，与实况降雨量有一定的差距，模式的模拟能力还有局限性。总体而言，WRF数值模式的降雨过程模拟与实况较为吻合，能够反映出本次过程的基本特征，可以利用数值模式的模拟结果对本次过程进行细致的空间、时间上的结构分析。

2.2 地面辐合线和温度对降雨作用

地面气象观测要素是天气过程的综合表现，具有很好的指示意义。图 5和图 6显示了地面风场和温度场的变化情况。2012年7月14日14时，山区迎风坡以西，西北风为主，风速较大；山区背风坡则是以东南风为主，风速较小。17时，受到西来冷空气过山气流的影响，迎风坡西风风速显著增强，E、F点都已转为西风，D点转为北风；在背风坡，K点(克拉玛依气象站)和C点都已转成西北风，特别是K点，从14时的南风转成17时的西北风，2 min平均风速从2 m·s^-1变成8.2 m·s^-1，17：03的瞬时风速更是达到18.9 m·s^-1。而距离K点不远的A、B两点在17时仍维持东南风，因此，在K、C与A、B之间形成了很强的地面辐合线，利于对流的发生。

随着冷空气的东移，山区迎风坡开始降温，降温幅度在4~6℃。K点从16—18时，降温幅度达7.9℃，比山前迎风坡的降温幅度更大。冷空气经过附近A、B两点的时间则慢1~2 h。在17时，由于冷空气的前后入侵，K与A、B点之间的水平温度梯度很大，为了方便对比，将温度按照0.65℃·(100 m)^-1的气温垂直递减率消除测站海拔高度的差异，K和A之间的温度梯度大约为4℃·(10 km)^-1，K和B之间为2.5℃·(10 km)^-1。如此强烈的低层水平温度梯度以及地面风的辐合切变，造成剧烈的上升，有利于强对流的快速发展。通过对地面要素的详细分析可以看到，克拉玛依本次强对流过程与低层冷空气的入侵密切相关，导致冷暖空气剧烈交汇，水平风场切变显著，从而引发强对流天气，强降水发生在温度梯度密集的位置，与孙继松等(2008)和吴庆梅等(2009)对研究地形与城市环流对暴雨影响的结果一致。

对比WRF数值模式对各个站点的模拟结果，模式对冷空气的入侵路径有较好的模拟结果，但冷空气进入时间比实况滞后1 h，且冷空气引起的降温幅度比实况偏弱，这与数值模式的地面温度总体比实况偏高有关系。对比模式模拟的最大降雨中心M点与实际最大降雨中心K点的温度、风场的变化，可以看到，模式结果中M点的降温时间与降温幅度，风速增大的时间点都与实况中的K点相一致。可以说，WRF对本次过程地面各气象要素的模拟能力较好。

2.3 地形对热力和动力场的影响

克拉玛依市区位于加依尔山脉东部山脚戈壁滩边缘，山脉为西南—东北走向，地势北低南高，山区北部海拔高度在1500 m左右，南部则高达2400 m，山脉北端、南端分别有铁厂沟风口和阿拉山风口。此外，加依尔山脉迎风坡坡度较为陡峭，而背风坡坡度较平缓，克拉玛依市区位于山脉背风坡山脚中部，西边复杂的山区地形对克拉玛依市的天气过程产生重要影响。地形对大气运动产生了各种不同的动力、热力效应, 导致了地形影响降水的动力、热力、微物理效应十分复杂。许多研究(陈潜等，2006；廖菲等，2007)都表明，迎风坡由于地形抬升容易发生降水，而背风坡侧往往是雨影区，但同时也指出(陈明等，1996；郭金兰等，2004；陈双等，2011；赵玉春等，2012；阎丽凤等，2013)，气流过山时容易产生非线性扰动，在一定条件下也会诱发暴雨、雷暴的发生。

从7月14日17时的高空图分析此次强雷暴天气的发展过程。从850 hPa的风场(图 7)可以看到，低层西风气流过山时在背风坡风速增强，同时由于狭管效应的影响，在克拉玛依市区的西北部，存在风速大值区，特别是在克拉玛依市区西部，西北风风速达到12 m·s^-1，低层大风利于不稳定能量的释放和雷暴的传播发展，在500 hPa等压面上，以西南风为主，大风中心位于克拉玛依南部地区。低空西北风风速大值区向东南方向挺进，高空西南风的风速大值区向西北方向延伸，高低空大风区的这种耦合配置使得在克拉玛依市低空形成水平辐合、高空形成水平辐散以及对流层中层的正涡度平流输送, 有利于上升运动的发展。同时也看到，环境风场在垂直方向有较强的切变，从低层的西北风随高度顺转为西南风，也利于对流的发展。

从湿度场看，水汽主要来源于西北山区，低层的风场配置利于水汽通量的辐合输送，同时低层冷空气的入侵，迫使暖湿空气抬升，使水汽在中层达到饱和，为降水提供基础，从而具备形成降雨、雹暴的动力和热力条件。条件不稳定湿大气过山时，受地形影响，在背风山侧形成成对的位涡带，并向下游传播，位涡是一个既包含热力因子又包含动力因子的综合物理量(寿绍文，2010)，在图中位涡异常明显的地方，都是与强烈的水平散度和垂直运动相对应，可以看到，地形激发了垂直运动的发生，从而触发对流系统的发展。

成对出现的正负位势涡度带(图 8a和8b)随着气流过山引起的扰动的增强而沿着背风坡向下游传播，由于低层冷空气的入侵迫使中层暖湿气流抬升，使位涡带向下游传播的同时也往高层传播，激发垂直环流的形成，为强对流的发展提供动力条件。在17时，背风坡侧最大上升速度达6.5 m·s^-1，上升运动高度达9 km，同时上升区前方的中低层有明显的下沉运动，垂直环流的存在和明显垂直风切变有利于强对流的爆发。相应地，温度场(图 9f)在中高层有弱波动，即在垂直运动上升区形成暖中心，促使低层能量快速向高层传送。在热动力场的配合下，暖湿空气抬升在中层达到饱和形成降水。

对流的发展也与层结稳定度密切相关。16时，在K点以西背风坡4 km以下，θ_se随高度减小，即$ \partial {\theta _{{\rm{se}}}}/\partial z < 0$，低层湿性不稳定层结较浅；中层4~6 km为湿中性层结，θ_se=324 K；高层(6 km以上)是稳定层结。许焕斌等(2007)和李俊等(2012)的研究都说明了湿中性层结在对流天气中的重要性。在垂直剖面θ_se鞍形分布的情况下，一旦低层有扰动，上升运动就会发展，低层扰动产生的上升速度在低层不稳定层结中得到加速发展，到了中层的中性层结中，垂直运动也不会受到阻尼运动的阻挡，到了高层的稳定层结，则开始减弱，与图 8d中上升运动最大值在5 km附近相吻合。17时，对流系统处于新生快速发展时期，强烈的上升运动把湿中性层结打破，等θ_se线在背风侧产生明显断裂而与地形相交，相应地气流沿着垂直的等θ_se线上升并在鞍形湿层结中得到快速发展，但也由于中层的中性层结厚度不够深厚，水平能量不能长时间供应，不利于上升运动的长时间维持。上升运动区深厚但窄小，与实际观测的雷达回波结构一致，具有很强的局地性。

2.4 云物理分析

在WRF模式中，本次模拟采用的微物理过程为WSM 6方案，它含有水汽以及云水、云冰、雨、雪、霰五类水凝物粒子，把冰雹粒子归到霰的物理过程中。图 9所示的垂直剖面图中，零度层大概位于3.5 km处，零度层以下主要为雨水水物质，最高层为云冰，霰类水物质主要位于4~7 km，最大值位于6 km处，洪延超等(2002)研究表明，雹的极大产生率都位于6 km附近，是雹胚及冰雹形成的源区，强烈的垂直上升运动是冰雹循环增长的条件。在图中看到，各类水物质的分布与温度相对应，同时各类水物质含量较大，但分布宽度都很窄，雨水水物质略宽，与图 8中垂直上升运动区域相对应，说明了此次降水过程雨强大而降水范围小，卫星云图中的云块面积及实况降水也说明了这一点。

3 结论

本文通过卫星云图、雷达回波、自动站资料以及WRF数值模拟结果对2012年7月14日新疆克拉玛依市发生的一次罕见局地强雷暴天气诊断分析，结论如下：

(1) 低层冷空气的入侵是本次强对流天气发生的基础。冷空气午后到达克拉玛依市，导致冷暖空气剧烈交汇，地面温度梯度达到4℃·(10 km)^-1，地面辐合线显著，在高空湿性不稳定层结的配合下，利于对流的发展。

(2) 高低空大风区的配置利于低空形成水平辐合、高空形成水平辐散和低层水汽的辐合输送，环境风场较强的垂直切变利于上升运动的发展。气流过山在背风山侧形成成对的位涡带，并向下游和高层传播，加强垂直环流的发展，为强对流的发展提供动力条件。同时，环境场中低层为湿性不稳定层结、中层为湿性中性层结、高层为稳定层结的鞍形配置为对流的发展提供热力条件。在地形非线性扰动下，垂直上升速度迅速发展，最大上升速度达6.5 m·s^-1，有利于对流的发生。

(3) 山区地形对强对流的触发和发展起到了关键的作用。低层气流翻山在背风坡侧风速增强形成风速大值区，低层大风区的存在利于水汽的辐合输送和不稳定能量的触发。气流过山同时引发正负位势涡度带的生成和传播，激发垂直环流的形成，是强对流发展的动力基础。