胡素琴 希热娜依·铁里瓦尔地 李娜 冉令坤 常友治
1 喀什地区气象局, 新疆喀什 844000
2 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029
3 南京信息工程大学, 南京 210044
南疆西部地处我国最西端，因远离海洋，水汽很难到达，导致气候干燥、降水稀少，平原年平均降水量在50～70 mm（张家宝和邓子风, 1987），属于典型干旱地区。由于三面环山和沙漠—绿洲并间的特殊地形，春夏季傍晚前后局地对流性突发暴雨频发，暴雨累计雨量往往能超过当地年平均降水量。此类极端降水在生态环境脆弱的南疆西部，更容易诱发严重的城市内涝、山洪等气象灾害，给工农业生产、人民生命财产等造成重大损失（林建和杨贵名, 2014）。由于突发性强、尺度小、生命史短，加之地形复杂、观测站点稀少等原因，如何准确监测预报干旱区极端暴雨落区和强度一直是业务工作中的一个重点和难点。
多年来国内气象专家对我国各地暴雨、短时强降水的时空分布特征、环流背景、影响系统、中尺度系统演变特征等方面进行了大量研究（杨康权等, 2013; 胡钰玲等, 2015; 牛淑贞等, 2016; 常煜等,2016; 符 娇 兰 等, 2017; 张 桂 莲 等, 2018; 胡 皓 等,2018; 孔祥伟等, 2021; 田付友等, 2021），对新疆暴雨、短时强降水也有深入的分析（张家宝, 1986; 张云惠等, 2020; 杨莲梅等, 2020），取得了诸多有价值的成果。研究发现，南疆西部暴雨大部分是在南亚高压双体型的大尺度环流背景下，受中亚低涡（低槽）有利的天气系统影响产生的（江远安等,2001; 张云惠等, 2013; 李如琦等, 2016），高低空急流的有利配置为暴雨提供动力条件，来自阿拉伯海、孟加拉湾的水汽以及低涡本身携带的水汽提供水汽条件（黄艳等, 2012; 张云惠等, 2015; 曾勇和杨莲梅, 2018; 杨霞等, 2020）。但这些研究多是针对南疆暴雨（24 h 雨量＞24.1 mm），对极端性降水的研究有限，南疆极端暴雨发生的天气背景、水汽来源，以及季节性差异等还未进行过深入研究。全球气候变暖背景下，南疆西部极端降水明显增加，其影响和造成的灾害损失不断扩大，加强对干旱区突发性暴雨发生发展机理的研究十分重要。
2020 年4 月17～24 日（简称“4.17”过程）和2021 年6 月15～17 日（简称“6.15”过程），南疆西部分别出现极端暴雨过程，两次过程发生的季节和极端降水出现位置存在明显差异，前者发生在春季，极端降水出现在南疆西部喇叭口地形区，而后者发生在夏季，极端降水出现在昆仑山沿线。本文利用常规气象观测资料、美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）再分析资料、欧洲中期天气预报中心（ European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）ERA5 分析场数据，对两次极端暴雨过程的环境条件、形成机理等进行对比分析，找出南疆西部不同季节极端暴雨大尺度环流背景、影响系统、水汽来源的异同点，进一步加深对南疆西部极端暴雨事件形成和发展机理的认识，以期提高业务短临预报能力。
“4.17”过程中喀什地区有2 个国家站、44 个区域站累计降水量超过24.1 mm，7 个站超过48 mm。最大累计降水量为67.3 mm，出现在叶城县台斯村（图1a）；
日最大雨量为48.3 mm，出现在22 日泽普县库台村。疏附县兰杆乡、泽普县库台村两站最大小时雨强分别达31.2 mm h-1、29.5 mm h-1（图1c）。暴雨过程强降水时段在17 日、19 日、21 日、22 日午后至夜间，其中17、21 日强降水主要集中在偏南的泽普和叶城浅山一带，19、22 日主要集中在偏北的喀什市和疏附县浅山一带。此次暴雨过程具有明显的极端性特征，2020 年4 月喀什国家基准站月降水量62.7 mm，居历史第一位；
泽普月降水量33.5 mm，居历史第三位。21、22 日喀什平原北部和东部出现冰雹，据历年冰雹统计，4 月喀什平原极少出现冰雹，此次冰雹出现时间较历年明显偏早。
“6.15”过程中国家站共有5 站、区域站共有100 站累计雨量超过24.1 mm，10 站超过48 mm。最大累计雨量为67.6 mm，出现在疏附县乌帕尔乡7 村（图1b），其中15 日17 时（协调世界时，下同）最大小时雨强29.4 mm h-1（图1d），日最大雨量为54.3 mm，突破此站建站以来的极值。此次过程也具有极端性特征，2021 年6 月喀什市、叶城月降水量分别为33.5 mm、44.8 mm，均居历史第一位。莎车、英吉沙、叶城最大日降水量分别为37.2 mm、28.2 mm、33.9 mm，均破6 月历史极值。泽普、伽师、喀什国家基准站最大日降水量均居6 月历史第二位，英吉沙、叶城居夏季历史第二位，莎车居夏季历史第三位。
图1 （a）2020 年4 月17 日00 时（协调世界时，下同）至24 日00 时暴雨过程累计降水量（单位：mm），（b）2021 年6 月15 日00 时至17 日00 时暴雨过程累计降水量（单位：mm）及其（c、d）暴雨中心逐小时降水量（单位：mm）Fig. 1 Accumulated precipitation (units: mm) (a) from 0000 UTC 17 April to 0000 UTC 24 April 2020, (b) from 0000 UTC 15 June to 0000 UTC 17 June 2021, (c, d) hourly precipitation (units: mm) at rainstorm centers
两次暴雨过程都具有降水持续时间长、范围广、短时强降水的局地性强、小时雨强大等特点，且具有极端性特征；
强降水发生在午后至夜间，最大暴雨中心都在疏附县。不同之处在于，“4.17”过程强降水突发性更强并伴有冰雹、雷雨大风等强对流天气，是典型的对流性强降水。“6.15”过程暴雨站次更多、范围更广、累计降水量更大，降水极端性特征更明显，属于系统性强降水。
3.1 大尺度环流背景与影响系统
两次极端降水发生的天气背景如图2 所示。“4.17”过程发生在南亚高压东部型背景下。2020年4 月17 日，200 hPa 南亚高压偏南（图2a），高空西风急流位于15°～30°N，中高纬度地区为“两涡一脊”的形势，中亚位于低纬两支高空急流之间的弱槽脊区，等高线相对稀疏，易有短波槽活动（图2a 红色虚线框内），南疆上空存在小范围高风速中心，盛行西南气流，为该地区降水的发生提供了一定有利的高空辐散条件。300 hPa 新疆地区 附 近 的 低 槽 更 明 显（图2c），40°～50°N 及30°～35°N 分别存在两个短波槽。将相对湿度≥80%的地区视为有云系活动的地区，南疆上空存在高空云系活动，位于两短波槽槽前。两槽错位分布，南部低槽（30°～35°N，图2c 中黑色加粗短槽线）的槽前西南气流与北部低槽（40°～50°N，图2c中黑色加粗长槽线）的槽后西北气流相遇，冷暖空气对峙诱发高层不稳定和干冷侵入。500 hPa 形势与高空类似（图2e），高纬是“两涡一脊”形势，低纬30°N 以南气流相对平直，中亚一带短波槽活动特征显著，但相比于300 hPa，500 hPa 气流在南疆上空受青藏高原地形影响出现背风槽脊（图2e中东西走向的槽线和脊线）。对流层低层，800 hPa新疆塔里木盆地存在东风急流，昆仑山北坡一带是低压带，东风急流与地形之间的辐合特征显著。可见，在高层南亚高压和“两涡一脊”的稳定形势下，中层短波槽的频发活动，配合低层的急流和地形作用，是“4.17”过程降水的主要天气背景。
“6.15”过程发生在南亚高压双体型背景下，为南疆暴雨典型的大尺度环流形势。200 hPa（图2b）南亚高压中心位于30°N 附近，较“4.17”过程明显偏北。两个高压中心之间为低槽，南疆位于低槽前部，副热带西风急流入口区，具备有利的高空辐散条件。300 hPa（图2d）新疆上空同样存在两个低槽，其中北部低槽（40°N 附近）是一条东西走向的横槽，南部低槽对应200 hPa 两南亚高压中心之间的低槽，南疆位于横槽底部，低纬度低槽的槽前西南气流中，存在高空云系活动。对应高空的两个低槽，500 hPa（图2f）南疆上空是低压带，564 dagpm 等高线虽然没有闭合，但在南疆上空存在明显波动，西北和东南向各存在一个低涡中心，其中北涡的西北干冷气流与南涡的偏东暖湿气流在昆仑山北坡相遇，为极端降水提供了中层的不稳定形势。对流层低层800 hPa，“6.15”过程与“4.17”过程类似，昆仑山北坡是低压带，塔里木盆地有偏东急流将低层水汽输送至南疆西部，与地形相遇形成低层有利的辐合形势。
图2 2020 年4 月17 日12 时（左）、2021 年6 月15 日12 时（右）（a、b）200 hPa 位势高度（等值线，单位：dagpm）、风速（阴影，单位：m s-1），（c、d）300 hPa 位势高度（等值线，单位：dagpm）、相对湿度（阴影）、风矢量（箭头，单位：m s-1），（e、f）500 hPa位势高度（等值线，单位：dagpm）、相对湿度（阴影）、风矢量（箭头，单位：m s-1），（g、h）800 hPa 位势高度（等值线，单位：dagpm）、风速（阴影，单位：m s-1）Fig. 2 (a , b) Geopotential height (isolines, units: dagpm) and wind speed (shadings, units: m s-1) at 200 hPa, (c, d) geopotential height (isolines,units: dagpm), relative humidity (shadings), wind vector (arrows, units: m s-1) at 300 hPa, (e, f) geopotential height (isolines, units: dagpm), relative humidity (shadings), wind vector (arrows, units: m s-1) at 500 hPa, and (g, h) geopotential height (isolines, units: dagpm), wind speed (shadings, units:m s-1) at 800 hPa at 1200 UTC 17 April 2020 (left) and at 1200 UTC 15 June 2021 (right)
综上所述，两次暴雨发生期间虽然南亚高压和高空槽脊形势不同，但均存在中层中尺度的槽（涡）活动，配合低空急流和地形辐合，形成极端降水。
3.2 水汽条件
水汽对南疆干旱区的暴雨产生具有非常重要的作用。图3a、b 为两次过程地面至500 hPa 水汽通量和水汽通量散度垂直积分。水汽输送形势表明，新疆及附近地区整体处于水汽通量的低值区。对比来看，两次暴雨过程的主要水汽输送通道均是先进入北疆，水汽通量反气旋性旋转经塔里木盆地输送至南疆西部。除此之外，另一条比较显著的水汽输送来自青藏高原的背风槽气流（图3a、b 中35°N附近的红色弯曲箭头）。值得注意的是，两条水汽通道均存在“接力”输送特征，自北疆进入的水汽通量在40°N 附近存在一个弱辐合区（“S1”区和“T1”区），而自青藏高原进入的水汽通量在背风波处也存在辐合（“S2”区和“T2”区），之后由东风气流输送至暴雨区，南疆西部存在显著水汽通量辐合。在有利的水汽输送条件下，两次极端降水过程均远超气候平均的大气可降水量（图3c、d），“4.17”过程达到17～22 mm，而南疆西部春季平均值为6～10 mm，“6.15”过程甚至超过了25 mm。有利的水汽输送条件是极端降水产生的重要原因。
图3 （a、c）2020 年4 月17 日18 时、（b、d）2021 年6 月15 日18 时地面至500 hPa（a、b）水汽通量的垂直积分（黑色流线，单位：10-3 g cm-1 s-1）、水汽通量散度的垂直积分（阴影，单位：10-11 g cm-2 s-1），（c、d）大气可降水量（单位：mm）。红色箭头表示水汽输送方向Fig. 3 (a, b) Vertical integral of water vapor flux (black flow lines, units: 10-3 g cm-1 s-1) and its divergence (shadings, units: 10-11 g cm-2 s-1) from surface to 500 hPa, (c, d) atmospheric precipitable water (units: mm) at (a, c) 1800 UTC 17 April 2020 and (b, d) 1800 UTC 15 June 2021. The red arrows represent the water vapor transport direction
3.3 不稳定条件
图4 为两次过程中假相当位温θse沿39°N 的垂直剖面，可初步对比两次过程中的大气热力不稳定形势。两次过程在暴雨区的对流层低层均存在θse高值中心，且位置相当，均位于盆地与高地形交接的区域及高地形迎风坡位置。“4.17”过程中2020 年4 月17 日12 时（协调世界时，下同），θse在喀什（75°E）近地面层达到最大，为324 K，高值中心向上θse随高度减小，为对流不稳定区。“6.15”过程中2021 年6 月16 日06 时，喀什近地面θse达到332 K，明显高于“4.17”过程，相应地，具有更多不稳定能量积累，能够产生更强垂直运动。两次极端暴雨过程中喀什站的层结条件如表1 所示。“4.17”过程中，2020 年4 月17 日00时850～300 hPa 表现为“高层湿冷、低层干暖”特征，大气层结较为稳定（图略）。强降水发生前12 时，低层850～700 hPa 湿度有所加大，高层湿度明显减小，大气转为弱的不稳定层结。K指数由00 时的25°C 增大到28°C、SІ 指数由1.46°C 降到0.7°C、LІ 指数由0.77°C 降至-0.6°C、对流有效位能CAPE由0 J kg-1增到37.3 J kg-1。Wsr0～6km（0～6 km 的垂直风切变）由21.1 m s-1增强为22.6 m s-1，强垂直风切变为强对流发生提供动力条件（表1）。“6.15”过程中2021 年6 月15 日00 时，850～600 hPa 温、湿廓线呈倒喇叭口状，风向顺转有暖平流，500～300 hPa 风向逆转有冷平流，大气层结呈“低层干暖、高层湿冷”分布（图略）。20 时随着降水出现，850 hPa 温度露点差由08 时14°C 转 为4°C，湿 度 加 大、湿 层 加 厚 至250 hPa，200 hPa 以上温度露点差＞20°C，大气层结转为“高层干冷、中低层暖湿”分布，这种结构有利于热力不稳定层结的增强。6 月16 日00 时K指数由15 日12 时的32.8°C 增大到33.7°C、SІ 指数由1.49°C 降到0.94°C、LІ 指数由1.07°C 降至0.13°C、CAPE 由18 J kg-1增加到57.2 J kg-1，对流抑制能量CІN 由56 J kg-1减小为21.8 J kg-1。以上几种对流参数的变化加剧了热力不稳定，Wsr0～6km由4.4 m s-1增强为11.9 m s-1，使对流发生、发展的动力不稳定条件增长。
图4 （a）2020 年4 月17 日12 时、（b）2021 年6 月16 日06 时沿39°N 假相当位温θse 的垂直剖面（单位：K）。黑色三角形表示暴雨中心Fig. 4 Vertical sections (units: K) of pseudo-equivalent temperature θse along 39°N at (a) 1200 UTC 17 April 2020 and (b) 0600 UTC 16 June 2021.The black triangles represent the rainstorm centers
表1 两次过程短时强降水喀什站探空对流参数Table 1 The sounding convective parameters at Kashi station at different times of two short-time torrential rain processes
水汽、不稳定和抬升是暴雨形成的三个基本条件。高温高湿的不稳定区在大尺度上升运动作用下，不稳定能量释放，激发强烈上升运动，积云发展，从而产生暴雨，这也是暴雨形成的一般机制。动热力条件配置不同，水汽集中、不稳定能量累积、触发、上升运动维持的机制不同，造成不同降水系统落区和强度呈现明显差异。上升运动的产生和发展与大气非均匀性密切相关，包括动力非均匀性，如辐合、垂直切变、水平旋转等，及热力非均匀性，如冷暖气团交汇造成的大气斜压性、垂直不稳定等，这些非均匀性表现为风速和温度的水平和垂直梯度。降水系统的差异首先表现为大气各种非均匀特征的差异，进而造成降水机制的差异，可见，识别降水大气的非均匀特征对揭示降水发生发展机制十分必要。
考虑降水大气的梯度，Li et al.（2016）在广义湿位涡基础上提出了二阶湿位涡（S），定义为
广义位涡是在非均匀饱和湿大气动力框架下通过广义位温代替位涡中的位温而提出，将广义位涡进行分解，写为如下形式：
可见，广义位涡综合包含了大气中的垂直风切变、湿斜压性、垂直涡度和对流稳定度等动热力信息，
而二阶湿位涡通过广义位涡梯度不仅包含了这些动热力信息本身，还包含了它们的梯度，既体现了大气的一阶不连续性还包含了物理信息的二阶梯度。二阶梯度（即梯度本身的非均匀性）也是二阶湿位涡区别于其他物理诊断参数（如广义湿位涡、Q矢量等）的典型特点。通过垂直运动方程与扰动气压诊断方程可发现，大气动热力要素的二阶梯度与垂直运动的发展存在物理联系，如浮力的垂直梯度是造成气压扰动的因素之一，而浮力垂直梯度的非均匀性（即二阶梯度）造成扰动气压在垂直方向的非均匀分布，从而通过扰动气压垂直梯度影响垂直运动发展。基于二阶湿位涡的这些特点，采用二阶湿位涡对两次南疆西部暴雨过程的关键动热力信息进行识别和诊断，在此基础上，对比分析两次过程的形成机制。
图5 是“4.17”过程中2020 年4 月17～18 日及“6.15”过程中2021 年6 月15～16 日二阶湿位涡分布及对应3 h 累积降水。昆仑山北坡和天山南坡以及二者交接的喇叭口区是南疆西部MCS（中尺度对流系统）及暴雨的多发区（图5a 的红色框区域）。根据图5，“4.17”过程与“6.15”过程降水均在昆仑山北坡处开始，雨区沿地形呈西北—东南走向不规则带状分布。“4.17”过程在昆仑山沿线降水较弱，3 h 累积降水在3 mm 以下，且4月17 日18 时之后降水基本结束，主要雨区维持在喀什喇叭口地形区（图5b），3 h 累积降水在10～20 mm。之后，雨区逐渐向天山南坡发展，2020年4 月18 日00 时（图5d），出现两个强降水中心，分别沿天山和昆仑山走向分布。4 月18 日03 时，降水减弱，雨区转为沿天山分布的东北—西南走向的带状结构。“6.15”过程的主要降水发生在昆仑山沿线，2021 年6 月15 日15 时（图5g），和田附近（37°N，80°E）强降水达40 mm (3 h)-1以上，且持续时间长，极端性显著。6 月16 日06 时，降水区沿昆仑山向西北扩展，东部雨带减弱，喀什喇叭口地区降水增强（图5i），喀什喇叭口地区出现强降水中心，3 h 累积降水10～20 mm，之后，昆仑山沿线降水基本结束，喇叭口地形区降水也逐渐减弱。
图5 （a–e）“4.17”过程、（f–j）“6.15”过程二阶湿位涡的水平分布（等值线，单位：10-9 K m4 s-2 kg-2）及对应的3 h 累积降水量（阴影，单位：mm）Fig. 5 Horizontal distributions of second-order moist potential vorticity (isolines, units: 10-9 K m4 s-2 kg-2) and 3-h accumulated precipitation(shadings, units: mm) during (a–e) “4.17” process (extreme rainstorm occurred on 17–24 April 2020) and (f–j) “6.15” process (extreme rainstorm occurred on 15–27 June 2021)
图5 （续）Fig. 5 (Continued)
对应上述降水区的发展演变，二阶湿位涡表现出显著异常。“4.17”过程中，二阶湿位涡异常高值区沿昆仑山呈带状结构，配合喇叭口地区的强降水中心（图5a），二阶湿位涡也表现出沿天山和昆仑山的两个高值中心（图5d），当降水区主要沿天山分布时，二阶湿位涡沿天山的高值中心随之增强（图5e）。“6.15”过程中，昆仑山沿线的强降水也具有带状的二阶湿位涡异常结构（图5f、g），并逐渐向喀什喇叭口地形区扩展（图5h、i），与降水的发展演变呈现出较高一致性。
如上所述，二阶湿位涡能够反映降水大气动热力学特点，尤其是大气的一阶及二阶非均匀特点。图5 中二阶湿位涡与降水区良好的相关性表明其反映了造成极端降水的关键动热力信息。Li et al.（2016）将二阶湿位涡（S）进行了分解和量级分析：
其中，
可以发现暴雨过程中，决定二阶湿位涡在降水区中显著异常的关键物理因子来自对流层中低层的绝对涡度（ ζ +f）和对流稳定度（∂ θ*/∂p）及它们的垂直梯度。图6、7 分别给出了昆仑山沿线降水及喀什喇叭口地区降水的二阶湿位涡及其主分量的垂直剖面。这里主要关注500 hPa 以下（图6、7 蓝色框）对流层中低层的动热力信息，这一层次对降水的发生发展有直接作用。
昆仑山沿线降水发生时（图6a、b），“6.15”过程降水达50 mm (3 h)-1，而“4.17”过程降水仅为3 mm (3 h)-1。图6a、b 蓝色框标注的降水大气关键区中，“4.17”过程二阶湿位涡自下而上为“- + -”的分布形态，高值区位于边界层之上700～500 hPa 之间，而700 hPa 以下的边界层内二阶湿位涡较弱；
“6.15”过程二阶湿位涡负中心叠加于正中心之上，高值区覆盖边界层，位于800～600 hPa 之间，高度较“4.17”过程明显偏低。对比图6a、b 和图6c–f 中的高值区分布，可以得到与Li et al.（2016）基本一致的结果，即方程（3）中所体现的大气动热力信息基本决定了降水大气关键区域（图6 的蓝色框）的二阶湿位涡分布。“4.17”过程中，绝对涡度与对流稳定度垂直梯度的耦合S1，更为突出（图6c、e）；
“6.15”过程中，除了S1，绝对涡度的垂直梯度与对流稳定度的耦合S2，也表现出较大贡献（图6d、f）。当降水区移至喀什喇叭口区时（图7a、b），两次过程中降水区上空的关键区中，二阶湿位涡自下而上均有“+ - + -”的分布形态，但“4.17”过程的二阶湿位涡明显强于“6.15”过程。另外，两次过程中二阶湿位涡的主要因子与昆仑山沿线降水基本类似。下面以二阶湿位涡中的主分量信息为出发点，对南疆西部的两次极端暴雨过程形成机制作进一步讨论。
图6 2020 年4 月17 日15 时（左）沿着78.5°E（图5a 中的虚线）、2021 年6 月15 日15 时（右）沿着80°E（图5g 中的虚线）（a、b）二阶湿位涡（单位：10-9 K m4 s-2 kg-2）及其主分量（c、d）S1 和（e、f）S2（单位：10-13 K m4 s-2 kg-2）的垂直剖面。矩形框表示本文所关注的暴雨区，右侧纵坐标为3 h 累计降水量，下同Fig. 6 Vertical cross sections of (a, b) second-order moist potential vorticity (isolines, units: 10-9 K m4 s-2 kg-2) and its principal components (c, d) S1 and (e, f) S2 (units: 10-13 K m4 s-2 kg-2) along 78.5°E (dashed line in Fig. 5a) at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and along 80°E (dashed line in Fig. 5g)at 1500 UTC 16 June 2021 (right). The rectangles represent rainstorm area, the y-axis represent 3-h accumulated precipitation, the same below
图7 2020 年4 月17 日21 时（左）沿着76.5°E（图5c 中的虚线）、2021 年6 月16 日06 时（右）沿着39.5°N（图5i 中的虚线）（a、b）二阶湿位涡（单位：10-9 K m4 s-2 kg-2）及其主分量（c、d）S1 和（e、f）S2 的垂直剖面（单位：10-13 K m4 s-2 kg-2）Fig. 7 Vertical cross sections of (a, b) second-order moist potential vorticity (isoline, units: 10-9 K m4 s-2 kg-2) and its principal components (c, d) S1 and (e, f) S2 (units: 10-13 K m4 s-2 kg-2) along 76.5°E (dashed line in Fig. 5c) at 2100 UTC 17 April 2020 (left) and along 39.5°N (dashed line in Fig.5i) at 0600 UTC 16 June 2021 (right)
4.1 昆仑山沿线降水
两次过程昆仑山沿线降水垂直涡度及相应环流结构如图8 所示，该地区也是“6.15”过程的主要降水区，“4.17”过程可作为参考，以发现有利于昆仑山沿线降水的关键信号。如图8a、b 所示，500 hPa 以下，两次暴雨过程迎风坡均存在垂直涡度柱，强度相当。“4.17”过程在800 hPa 以下边界层及700～500 hPa 之间存在两个涡度中心（图8a），从两个涡度中心激发出两支比较强的上升运动，下层涡度柱为垂直上升流，中层涡度柱在高层西风作用下为倾斜上升流。“6.15”过程降水区上空仅在700 hPa 以下昆仑山山脚下存在一个涡度柱（图8b），自涡度柱中激发的垂直运动上下贯通，首先沿着地形爬升，后垂直上升，并在500 hPa 以上的对流层中高层发生翻转，随副热带西风气流倾斜上升，500 hPa 附近的气流翻转位置对应一个负绝对涡度区。图9a、b 给出了800 hPa 垂直涡度与风速的水平分布。800 hPa 对应昆仑山沿线降水区附近，两次过程均存在明显的正涡度带，正涡度带的形成与塔里木盆地中的低空偏东急流（图9c、d）及低值系统（图9e、f）有关。塔里木盆地靠近昆仑山北坡处，两次过程中800 hPa 高度均存在一个低值中心（图9e、f），造成塔里木盆地等高线密集，强气压梯度力使得灌入盆地的偏东气流加速，并在盆地西部发生气旋性旋转，使塔里木盆地偏东急流与昆仑山北坡地形相遇，形成强烈辐合。可见，昆仑山沿线降水发生时，两次过程在对流层低层基本环流结构相似，但绝对涡度细致结构却有明显差异。
“4.17”过程强涡度带位于降水区略偏北侧（图9a），虽然强涡度带激发了上升流，但气流垂直上升后随中高层气流向高纬度地区偏转，而未经过降水区（图8a），可见，低层气流未对“4.17”过程中的昆仑山沿线降水起明显促进作用，可能原因是700 hPa 高度上沿昆仑山出现一股下坡气流（图8a），在低层辐散，越过降水区，与东北急流相遇（图9c 的红色弧线）。地面辐散出流与低空急流的辐合是促使降水系统发展和增强的有利形势，然而，在该地区辐散出流在一定程度上阻止了低空急流与陡峭地形相遇造成的强烈抬升。“4.17”过程昆仑山沿线降水主要是中层涡度柱内的倾斜上升流造成。如图10a 所示，中层650 hPa 高度上，塔里木盆地存在一个高压中心，整个地区基本为反气旋性环流控制，而昆仑山北坡附近仍然是一条气压低值带，促使高压南侧的偏东气流在38°N 附近辐散，向南的辐散流与地形相遇，形成一条沿着地形分布的高涡度带（图10c），对应中层高比湿区（图10e）。因高度较高，水汽不需要强烈抬升即可凝结致雨，但产生的降水也相对较小。
图8 2020 年4 月17 日15 时（左）沿着78.5°E、2021 年6 月15 日15 时（右）沿着80°E（a、b）绝对垂直涡度（单位：10-4 s-1）、（c、d）广义位温（单位：K）、（e、f）广义位温垂直梯度（单位：10-3 K m-1）、（g、h）相对湿度及（i、j）比湿（单位：g kg-1）的垂直剖面。黑色箭头为剖面上的风矢量（单位：m s-1）Fig. 8 Vertical cross sections of (a, b) absolute vertical vorticity (units: 10-4 s-1), (c, d) generalized potential temperature (units: K), (e, f) vertical gradient of generalized potential temperature (units: 10-3 K m-1), (g, h) relative humidity, and (i, j) specific humidity (units: g kg-1) along 78.5°E at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and along 80°E at 1500 UTC 15 June 2021 (right). The black arrows represent wind vectors on cross sections
图8 （续）Fig. 8 (Continued)
相比之下，“6.15”过程低层800 hPa 则无沿地形的辐散出流（图9b），（37.5°N，80.5°E）附近气旋性切变最强烈地区形成了涡度中心，水平范围约200 km 左右，从该中心上升的气流对应降水极值中心，可见，其是造成“6.15”过程极端降水的关键动力结构，而该区域还存在8 g kg-1以上的比湿（图9h），中β 尺度的气旋性旋转引发水汽迅速集中，造成了“6.15”过程极端暴雨。对流层中层，650 hPa 高度上（图10b、d、f），气流结构与800 hPa 相似，气旋性旋转中心对应着高比湿中心，表明“6.15”过程的水汽集中层次深厚，这也是极端降水形成的重要原因。
图9 2020 年4 月17 日15 时（左）、2021 年6 月15 日15 时（右）3 h 累积降水量（阴影，单位：mm）以及800 hPa（a、b）绝对垂直涡度（等值线，单位：10-4 s-1）、（c、d）水平风速（等值线，单位：m s-1）、（e、f）位势高度（等值线，单位：dagpm）、（g、h）比湿（等值线，单位：g kg-1）叠加风矢量（箭头，单位：m s-1）的水平分布Fig. 9 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm) and (a, b) absolute vertical vorticity (isolines, units: 10-4 s-1), (c, d) wind speed (isolines,units: m s-1), (e, f) geopotential height (isolines, units: dagpm), (g, h) specific humidity (isolines, units: g kg-1) superimposed wind vector (arrows,units: m s-1) at 800 hPa at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and at 1500 UTC 15 June 2021 (right)
图10 2020 年4 月17 日15 时（左）、2021 年6 月15 日15 时（右）3 h 累积降水量（阴影，单位：mm）以及650 hPa（a、b）位势高度（等值线，单位：dagpm）、（c、d）绝对垂直涡度（等值线，单位：10-4 s-1）、（e、f）比湿（等值线，单位：g kg-1）叠加风矢量（箭头，单位：m s-1）的水平分布Fig. 10 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm) and (a, b) geopotential height (isolines, units: dagpm), (c, d) absolute vertical vorticity(isolines, units: 10-4 s-1), (e, f) specific humidity (isolines, units: g kg-1) superimposed wind vector (arrows, units: m s-1) at 650 hPa at 1500 UTC 17 April 2020 (left) and at 1500 UTC 15 June 2021 (right)
二阶湿位涡中另一动力要素是涡度的垂直梯度，即绝对涡度在垂直方向上的非均匀性，其包含在S2中。昆仑山沿线降水垂直涡度的垂直结构也可从图9a、b 中清晰看出。两次过程的显著区别是“6.15”过程在正绝对垂直涡度柱上方500 hPa 高度上存在一个负绝对涡度中心，而“4.17”过程则无负绝对涡度区。绝对涡度是相对涡度和地转涡度之和，地转涡度为正值，负绝对涡度表明该地区反气旋性旋转明显较强。然而，对比图2 中500 hPa大尺度环流结构，新疆上空整体位于大型槽脊之间的低值系统中，低值系统外围盛行气旋性环流，可见，500 hPa 的负绝对涡度与新疆上空的细致环流结构有关（图11）。如图11 所示，尽管500 hPa新疆上空整体受来自低纬的西南气流影响，但存在明显气流扰动，气流在经过青藏高原时形成背风槽脊，南疆为横脊反气旋性环流控制，槽脊之间强气压梯度力造成一股偏东气流沿昆仑山北坡深入南疆西部，不仅为昆仑山沿线降水提供了中层水汽供应，还形成了强反气旋性切变。中层负涡度叠加于低层正涡度之上，加强低层辐合，中层辐散，垂直运动增强；
另外，负绝对涡度也是惯性不稳定的体现，而惯性不稳定能量释放也是倾斜上升流产生的机制之一。值得关注的是，“4.17”过程和“6.15”过程虽然均出现背风槽脊，但强度和位置不同，形成的垂直涡度结构也明显不同。
图11 （a）2020 年4 月17 日15 时、（b）2021 年6 月15 日15 时3 h 累积降水量（阴影，单位：mm）以及500 hPa 风场（箭头，单位：m s-1）、位势高度（等值线，单位：dagpm）Fig. 11 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm) and wind field (arrows, units: m s-1) and geopotential height (isolines, units: dagpm) at 500 hPa at (a) 1500 UTC 17 April 2020 and (b) 1500 UTC 15 June 2021
垂直绝对涡度及其梯度反映了大气的动力结构，除了动力结构，二阶湿位涡体现的热力要素主要是对流稳定度及对流稳定度的梯度。图8c–j 为两次暴雨过程中广义位温、广义位温垂直梯度、相对湿度及比湿的垂直分布。由图8c–f 所示，广义位温及其垂直梯度在降水区上空表现出显著异常。与动力场分析结果一致，“4.17”过程中，广义位温异常在700 hPa 以上的对流层中高层更为显著，进一步表明“4.17”过程的昆仑山沿线降水主要和中高层大气有关。“6.15”过程广义位温呈深漏斗状分布，自800 hPa 延伸至300 hPa。根据广义位温的定义，其在饱和大气中具有与相当位温相似的物理意义，即水汽上升后全部凝结，所释放的凝结潜热全部用来加热大气，而使大气具有的位温。因此，广义位温在降水区的异常高值及漏斗状分布与大气水汽含量及饱和程度密切相关。图8g–j 中，“6.15”过程降水区呈现深厚饱和层，且降水区附近存在深厚水汽堆积。降水区上空的垂直上升运动将低层水汽向上输送，达到饱和并释放凝结潜热加热周围大气。这种加热改变了大气的热力结构，等广义位温线下压，降水中心附近650～450 hPa 高度表现为中性区甚至对流不稳定区（该对流不稳定指饱和大气的不稳定），而800～650 hPa 则为稳定区，广义位温垂直梯度明显较强（图8d），进一步，导致广义位温垂直梯度在垂直方向的非均匀特征（图8h）。对流稳定度在垂直方向的非均匀性有助于垂直运动增强，其物理意义在于上层的不稳定造成负扰动气压，而下层稳定层结造成正扰动气压，向上的扰动气压垂直梯度力促使垂直运动增强，更多水汽被向上输送，降水增强（Parker and Johnson，2004）。“4.17”过程，700 hPa 以下的对流层中低层，虽然在地形气旋性切变辐合与抬升作用下存在较强抬升，但低层水汽比湿较“6.15”过程小近一倍，相对湿度在50%以下（图8e–h），即使遇强抬升，产生的降水也非常有限，而600 hPa 以上虽然存在饱和区及一定强度的抬升，但中层水汽供应有限，降水亦不大。
4.2 喀什喇叭口区降水
图12 给出了两次过程沿喀什喇叭口降水区的垂直涡度、广义位温及其垂直梯度、相对湿度及比湿等二阶湿位涡所反映的关键物理要素垂直分布。
图12 （续）Fig. 12 (Continued)
图12 2020 年4 月17 日21 时沿着76.5°E（左）、2021 年6 月16 日06 时沿着39.5°N（右）（a、b）相对湿度、（c、d）绝对垂直涡度（单位：10-4 s-1）、（e、f）广义位温（单位：K）、（g、h）广义位温垂直梯度（单位：10-3 K m-1）及（i、j）比湿（单位：g kg-1）的垂直剖面。图c 中І、ІІ、ІІІ 为三个涡度高值区Fig. 12 Vertical cross sections of (a, b) relative humidity, (c, d) absolute vertical vorticity (units: 10-4 s-1), (e, f) generalized potential temperature(units: K), (g , h) vertical gradient of generalized potential temperature (units: 10-3 K m-1), (i, j) specific humidity (units: g kg-1) along 76.5°E at 2100 UTC 17 April 2020 (left) and along 39.5°N bell mouth topographic area at 0600 UTC 16 June 2021 (right). Іn Fig. c, І, ІІ, ІІІ represent three high values of vorticities
在相似的环流背景下，喇叭口地形区降水与昆仑山沿线降水的动热力结构也表现出相似性。“4.17”过程中，上升运动仍然始于700 hPa 昆仑山北坡（图12a 中的深蓝色箭头），随高度向北倾斜。倾斜上升流下方，有明显来自高纬度非饱和区的干冷空气侵入（图12a 中的浅蓝色箭头），在其作用下，降水区上空800 hPa 以下的边界层中表现为下沉运动。如上一节所述，中尺度对流系统中的下沉运动对其单体新生系统发展具有重要作用，但从“4.17”过程喇叭口区降水的上升运动起始高度可以看出，下沉运动对其发展仍然无明显促进作用。对应该环流结构，降水大气中共存在三个绝对涡度正高值区（图12c），І 区绝对涡度高值区沿昆仑山北坡分布，与昆仑山沿线降水类似，是塔里木盆地反气旋性偏东气流向西深入喇叭口区，与地形相遇的结果（图13a）；
ІІ 区绝对涡度高值区位于喇叭口区内700～500 hPa 的中层，其形成与“4.17”过程的中层“阶梯槽”形势有关（图2e、图11a），即北部槽偏东，南部槽偏西，北部槽东移过程中引导槽后冷空气南下，越过天山，而南部槽的槽前气流北上遇地形在盆地上空形成横向槽脊，二者之间的偏东气流深入喇叭口地形区，与冷空气相遇，形成了ІІ 区涡度柱，该区也是垂直上升运动最强烈的地区，可见其对喇叭口区降水的重要性；
ІІІ 区绝对涡度形成则与昆仑山沿线降水类似，是南部槽前的西南气流越过山后盆地南侧形成的背风槽。
垂直涡度形成的旋转是水汽聚集的一个重要机制，伴随着上升运动的发展。由图12c 也可以发现，“4.17”过程喇叭口地形区的上升运动也基本始于三个正垂直涡度区，但与降水中心最近的是ІІ 区，垂直运动发展也最为强烈。对比相对湿度和广义位温的垂直分布，І 区和ІІІ 区垂直运动分别从低层和中层为降水系统提供了水汽输送和集中条件，而ІІ 区是垂直运动发展强盛、饱和度高、凝结潜热释放强烈的区域，广义位温线下压，对流稳定度及其梯度显著。此外，还可发现，中高层500～400 hPa 倾斜上升流下游还存在一个负绝对涡度区，负涡度区与正涡度区的叠加更加有利于上升运动的增强。可见，“4.17”过程的喇叭口区降水与其在昆仑山沿线的降水机制相似，但水汽更充足、中层凝结潜热区加热更强且中层阶梯槽引起的干冷侵入为垂直运动发展提供了更有利条件，导致降水明显较强。
“6.15”过程和“4.17”过程在南疆盆地西部的地形喇叭口区降水强度相当（图7、图9）。如图12b 所示，“6.15”过程在700～800 hPa 以下，降水区东部存在深厚的向东输送层，遇喇叭口地形强烈抬升（图13b、d），相应的垂直涡度柱出现在山前，使水汽高度集中，并沿山坡向上输送。650 hPa 与700 hPa 均表现为强偏东气流（图13b、d），涌向喇叭口区，进一步说明“6.15”过程深厚的水汽输送和集中（图13h、图13j）。广义位温异常发生在800～300 hPa 的广阔范围内，对应了相对湿度近饱和区，其中心主要出现在600～700 hPa，也是凝结潜热释放最强烈的地区，上部对应对流不稳定，下部为对流稳定区，与该过程中的昆仑山沿线降水形成机制类似，不稳定区叠加于稳定区之上，有助于垂直运动的增强。
图13 2020 年4 月17 日21 时（左）、2021 年6 月16 日06 时（右）（a、b）3 h 累积降水量（等值线，单位：mm）以及700 hPa 风矢量（箭头，单位：m s-1）、垂直速度（阴影，单位：10 Pa s-1），（c、d）3 h 累积降水量（阴影，单位：mm）、650 hPa 位势高度（等值线，单位：dagpm）Fig. 13 (a, b) 3-h accumulated precipitation (isolines, units: mm), 700-hPa wind vector (arrows, units: m s-1), 700-hPa vertical velocity (shadings,units: 10 Pa s-1), (c, d) 3-h accumulated precipitation (shadings, units: mm), 650-hPa geopotential height (isolines, units: dagpm) at 2100 UTC 17 April 2020 (left) and 1500 UTC 16 June 2021 (right)
通过上述南疆西部两次极端暴雨过程的大尺度环流背景、水汽、热动力条件及演变特征的分析，得出以下几点对南疆极端暴雨产生有关键作用的因子，并总结出概念模型（图14）。
图14 南疆西部极端暴雨概念模型：（a）“4.17”过程；
（b）“6.15”过程Fig. 14 Conceptual models of extreme rainstorm in west of southern Xinjiang: (a) “4.17” process; (b) “6.15” process
（1）大尺度有利的环流背景对南疆极端降水的发生十分关键。2020 年4 月17～24 日降水（“4.17”过程）发生在春季，高层环流与2021年6 月15～17 日（“6.15”过程）存在显著不同，表现在南亚高压的位置和中高纬度的槽脊形势上。“4.17”过程南疆上空虽然缺少大尺度的高空急流，但短波槽活动频繁。“6.15”过程南亚高压为双体型，是典型的夏季南疆暴雨形势。
（2）对流层中层，两次过程均有“阶梯槽”，“阶梯槽”是造成南疆极端降水的重要天气形势，其关键作用表现在：北部槽与南部槽错位分布，南部槽前西南气流是影响南疆的主要气流，槽前气流位于青藏高原上空，受地形作用，在昆仑山沿线产生背风横槽和横脊，横槽和横脊之前的偏东气流可将越山气流携带的水汽向南疆西部输送，为暴雨提供中层水汽输送；
“阶梯槽”在昆仑山沿线形成气压低值带，塔里木盆地则为高压区，二者之间气压梯度力增强，有利于低层偏东急流的发展。
（3）两次过程在低层均存在偏东急流，该偏东急流不但是主要的水汽通道，还与高地形相遇形成有利的辐合和气旋性环流，造成的水汽聚集和抬升对极端降水的发生发展有关键作用。
（4）昆仑山北坡沿线地区及昆仑山、天山交接处的喇叭口地形区是两次暴雨过程的主要降水地区。二阶湿位涡对南疆不同区域的暴雨有比较好地反映能力，并且能够抓住南疆极端暴雨产生的关键动热力信息。研究发现，两次暴雨过程虽然有比较相似的低层东风急流和中层“阶梯槽”形势，造成其降水的发生区域和演变趋势也具有相似特征，但垂直热力和动力结构差异显著。“4.17”过程在昆仑山沿线降水较弱，主要降水发生在喀什喇叭口区，虽然存在多个涡度高值带，但对极端降水产生贡献的对流始于对流层中低层的涡度带，而边界层内的涡度带对应下沉流，未对降水产生直接影响，其中对流层中低层的涡度带与北部槽槽后越山干冷气流和塔里木盆地的偏东暖湿气流辐合有关，是“4.17”过程强降水形成的重要原因；
“6.15”过程极端降水主要是塔里木盆地偏东急流与地形相互作用产生具有强气旋性切变的涡度中心，引起水汽强烈集中造成。两次过程的强降水阶段，配合低层的正涡度，在对流层中高层均有负涡度中心出现，表现为显著的涡度垂直梯度，可加强低层辐合、高层辐散形势，促使垂直运动增强。
（5）热力结构上，两次过程均有广义位温的漏斗结构，是大气高温、高湿的体现。强降水区内对流层中层存在中性区和对流不稳定区，对流层低层等广义位温线下压，是稳定区，这种广义位温垂直梯度本身的非均匀性与强烈的凝结潜热释放有关，是强降水大气的重要热力学特征。
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