新疆地处内陆，远离海洋，年平均降水量不足150 mm，该地区地貌复杂，高山、沙漠、绿洲、戈壁交错，气候差异显著。其中伊犁河谷三面环山，具有向西开口的“喇叭口”地形，不仅是新疆的暴雨频发区之一，也是洪水和泥石流高发区（王妮等，2020；陈颖和马禹，2021；吕新生等，2021）。在全球气候变暖的背景下，极端天气气候事件显著增加，伊犁河谷特殊的气候和地理特征使得由极端暴雨引发的各种灾害严重影响了当地人民生活和经济发展，因此，研究该地区的极端暴雨对于提升气象防灾减灾能力具有重要意义。

关于新疆暴雨的时空分布特征和形成机理已作了大量研究。例如，暴雨在新疆总体呈北多南少分布，由山脉向四周递减（姚秀萍等，2023）；7月是暴雨高发期，暴雨多由局地对流性天气引发（杨霞等，2021）。影响新疆西部暴雨的主要天气系统包括巴尔喀什湖低槽、高空偏西急流和低空切变线（曾勇和杨莲梅，2018；曾勇等，2019），中尺度云团沿地面辐合线东移，“列车效应”造成暴雨持续和发展（曾勇和杨莲梅，2020）；东疆极端暴雨发生在500 hPa中亚低涡前西南气流与西太平洋副热带高压西侧偏南气流汇合区，由高架对流造成（庄晓翠等，2020），且高低空急流在暴雨区上空形成耦合，加强上升运动的维持和水汽的垂直输送（冯瑶等，2021），中尺度对流云团发展和维持对暴雨至关重要，低层暖锋锋生是对流云团的触发因子（刘晶等，2022）；天山山区暴雨多受中亚低槽（涡）影响，暴雨的强度、落区与影响系统和高低纬低值系统配置有关（李海燕，2014；庄晓翠等，2022）；南疆暴雨发生在500 hPa“东西夹攻”的环流背景下，低空急流、切变线和中尺度辐合线是暴雨重要的触发系统（胡素琴等，2022）。近年来对伊犁河谷暴雨的研究表明，强降水发生于500 hPa伊朗副热带高压-中亚低值系统-贝加尔湖阻滞脊稳定维持的环流背景下，200 hPa强辐散气流和500 hPa槽前正涡度平流有利于垂直运动发展，低层偏西、偏东和偏北气流为暴雨区提供水汽和不稳定能量（张云惠等，2018；刘晶等，2019；黄昕等，2021）。以上研究丰富了对伊犁河谷暴雨的认识，但其研究成果主要聚焦于500 hPa伊朗副热带高压-中亚低值系统-贝加尔湖阻滞脊稳定维持环流背景下的典型暴雨成因，对高空弱天气系统强迫、动力条件偏弱背景下的极端暴雨研究较少，导致暴雨漏报现象，影响预报准确率。因此，还需加强对此类极端暴雨的研究。

2022年5月4—6日，伊犁河谷的极端暴雨突破历史记录，最大累计雨量达103.3 mm，但全球和中尺度模式均漏报此次暴雨。充足的水汽、强烈的上升运动和大气层结的不稳定是产生暴雨的关键因素，而此次天气过程发生于高空弱天气系统强迫和相对较弱的垂直运动背景下，为认识此类暴雨的发生发展机制，本文深入分析此次事件的水汽特征和不稳定机制，探讨此类极端暴雨的形成机理，以增进对伊犁河谷暴雨事件的理解，并为提高暴雨精细化预报预警提供理论支持。

使用资料：1）2022年5月3—7日美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）再分析资料，时间分辨率为6 h，空间分辨率为1°×1°，垂直方向1 000~100 hPa共21层；2）由新疆维吾尔自治区气象信息中心和天擎气象数据平台（http://10.185.64.50:8088/cmadaas/）提供的2022年5月3—7日伊犁河谷国家及区域自动气象站逐小时降水资料。降水量分级采用新疆降水等级标准（肖开提·多莱特，2005）：24.0<R≤48.0 mm为暴雨，48.0<R≤96.0 mm为大暴雨，R>96.0 mm为特大暴雨（R为24 h降水量）。将国家站小时降水量大于等于10.0 mm、区域站大于等于20.0 mm定义为短时强降水。文中所用时间均为北京时。

将暴雨区（80°E—82°E，43°N—45°N）分为东、西、南、北4个边界，研究水汽输送及收支情况。先计算各层各格点的水汽通量，再进行水平边界和垂直厚度积分，得出不同边界、不同层次的水汽通量，再由该水汽通量计算某时次暴雨区不同边界、不同层次的水汽输送量，正值表示水汽净输入，负值表示水汽净输出。大气水汽通量计算公式（朱乾根等，2000）如下：

式中：Q（kg·m^-1·s^-1）为单位边长整层大气水汽通量；q（g·kg^-1）为比湿；V（m·s^-1）为水平风速；g（m·s^-2）为重力加速度；Pb、P_t（hPa）分别为地面气压、顶层气压。

湿位涡（Moist Potential Vorticity，MPV）可用于诊断对流不稳定及条件性对称不稳定状态，计算公式（吴国雄等，1995）如下：

式中：u、v（m·s^-1）为水平风速；θe（K）为相当位温；ξp（s^-1）为相对涡度；f（s^-1）为地转涡度；g（m·s^-2）为重力加速度；MPV 可分为垂直分量MPV1和水平分量MPV2，其中MPV1为湿位涡正压项，MPV2为湿位涡斜压项。

2022年5月4日夜间—6日夜间，伊犁河谷大部出现暴雨或大暴雨，强降水时段集中在5日08：00—6日08：00，共88站24 h 降水量超过24.0 mm，达暴雨级别，其中19站大暴雨，1站特大暴雨；50站日降水量突破有气象记录以来5月日降水量极值，区域站最大日降水量出现在伊犁州霍城县果子沟龙口站，为103.3 mm，最大雨强为24.4 mm·h^-1；国家站最大日降水量出现在伊宁县，为51.7 mm，最大雨强为17.6 mm·h^-1（图1）。5站出现短时强降水，最大雨强出现在霍城县清水河镇，为31.5 mm·h^-1（5日17：00—18：00）。此次暴雨天气具有累积雨量大、暴雨站数多、降雨强度大、多站破极值等特点，暴雨引发的局地洪涝灾害对农牧业生产、交通出行等造成不利影响。

降水前，500 hPa高纬度呈“两槽一脊”环流形势，北欧和贝加尔湖以北地区为低槽，西西伯利亚地区受高压脊控制，中纬度里咸海附近存在两支短波，伊犁河谷大部受偏西气流控制。咸海以东地区短波东移北上，导致4日夜间伊犁河谷出现弱降水。5日14：00，原位于里咸海以北的短波槽东移至咸海至巴尔喀什湖以北地区，环流经向度小；欧洲低槽东移过程中分裂的冷空气补充至中纬度短波槽中，伊犁河谷受槽前西南气流影响，中纬度短波东移北上过程中造成河谷大部暴雨天气[图2（a）]。

受短波东移影响，低层偏西风增强，850~700 hPa伊犁河谷附近风场存在气旋性辐合中心，并伴有明显的风向切变线和风速辐合线，为强降水提供了一定的动力抬升条件。加之低层较强偏西气流与向西开口的“喇叭口”地形形成地形辐合和强迫抬升（5日14：00暴雨中心附近最大地形抬升速度达-1.5 Pa·s^-1），增强了此次局地暴雨的动力抬升条件[图2（b）]。地面冷高压以偏西路径东移并加强至1 032.5 hPa，高压前部等压线密集，冷锋影响伊犁河谷，锋面抬升也有利于降水产生与发展。

进一步分析44°N强降水中心的散度、涡度平流及垂直速度空间分布，探讨此次极端暴雨的动力配置。4日20：00，受第一支短波东移影响，伊犁河谷近地面至300 hPa均为辐合气流，且在短波槽前存在弱正涡度平流，为4日夜间的弱降水提供上升运动，垂直速度为-0.4 Pa·s^-1。5日08：00后，第二支短波东移影响伊犁河谷，槽前中高空正涡度平流较前期强，最大值为3×10^-9 s^-2，辐合层高度逐渐降至500 hPa以下，负散度中心值达-5×10^-5 s^-1，高层转为正散度，提供辐散抽吸作用，近地面至300 hPa均为上升运动，垂直速度最大值达-2.0 Pa·s^-1，为暴雨提供动力抬升和触发条件[图2（c）、（d）]。对比前期对伊犁河谷典型极端暴雨的研究成果（张云惠等，2018），此次500 hPa中纬度偏西气流上短波东移北上的环流背景明显不同于伊犁河谷典型暴雨的环流背景（500 hPa伊朗副热带高压-中亚低值系统-贝加尔湖阻滞脊稳定维持）。此次环流经向度较小，槽前偏南风及正涡度平流均偏小。在高空天气尺度强迫偏弱的环流背景下，此次暴雨的低层辐合、高层辐散的动力配置及垂直速度也均较弱。

分析此次暴雨过程1 000~300 hPa整层垂直积分水汽通量[图3（a）]发现，主要水汽源地位于地中海、红海和里咸海地区。存在两条水汽输送通道，一条水汽自地中海、红海北上，经里海后沿偏西气流输送至咸海地区，经里咸海后水汽输送增强，整层水汽通量达150 kg·m^-1·s^-1，然后沿偏西气流经东欧、巴尔喀什湖输送至伊犁河谷，在巴尔喀什湖以南至伊犁河谷一带出现大值中心，整层水汽通量达200 kg·m^-1·s^-1；另一条水汽自地中海、红海沿西南气流向东北方向输送至伊犁河谷，但水汽输送较弱。

分析降水前和降水期间水汽通量和水汽通量散度时间垂直剖面[图3（b）]发现，存在两次水汽输送和辐合。降水前，对流层中低层均有较强的水汽输送，水汽通量大值中心（7 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1）位于850~600 hPa之间，且近地面存在弱水汽辐合，水汽输送及辐合有利于水汽积聚；降水期间，地面至300 hPa均存在水汽输送，850~700 hPa之间水汽输送最强，大值中心水汽通量为8 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1（5日20：00至6日08：00），且地面至700 hPa之间伴有明显的水汽辐合，强辐合中心位于850 hPa附近，水汽通量散度为-4×10^-5 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1（5日08：00），水汽输送和辐合持续时间长达60 h，长时间的水汽输送和低层强水汽辐合有利于暴雨区上空水汽积累，对此次暴雨至关重要。

综上，来自地中海、红海和里咸海的水汽沿偏西和西南两条输送路径输送至伊犁河谷，中低层的水汽贡献较大。地面至700 hPa的强水汽辐合以及偏西气流引导的水汽受向西开口的“喇叭口”地形影响，导致水汽辐合积聚，更易形成强降水。

为进一步了解水汽特征和对降水的影响，分析暴雨区上空水汽收支情况。通过分析整层水汽收支和小时面雨量的时间演变[图4（a）]发现，自3日08：00起，整层水汽总流入大于0，即存在水汽输送至伊犁河谷。然而，3日08：00—4日20：00，由于水汽输出，水汽净收支接近于0，小时面雨量亦为0，无降水出现。4日20：00—6日08：00降水期间，水汽总流入增加，总流出减少，整层水汽为净流入，净流入最高达5.187×10⁸ t。且5日08：00—6日02：00，暴雨区上空水汽总流入呈增加趋势，水汽净流入均较强，小时面雨量亦呈增加趋势，地面总降水量逐渐增加，水汽净流入为降水提供了充足的水汽条件。随着水汽净流入减少至小于0，地面降水停止。

进一步分析不同边界整层水汽输送情况[图4（b）]，发现降水前和降水期间，西边界是主要水汽输入边界，降水前水汽输送量达10.0×10⁸ t，降水期间为9.0×10⁸ t，水汽输入贡献比约占85%；东边界为水汽输出边界，且降水前水汽输出量较降水期间更大，导致降水前暴雨区上空水汽含量较少；南边界降水前水汽输送量约为0，降水开始后受西南气流影响存在水汽输入，但水汽输入量较西边界小，最大值为2.5×10⁸ t；北边界总体为水汽输出边界，但输出量较东边界小。这说明自地中海、阿拉伯海北上，经里咸海增强，沿偏西气流输送至伊犁河谷的水汽是主要的水汽输送带，随着中纬度短波东移，槽前西南气流向东北方向输送的水汽是此次暴雨天气的另一条水汽输送带。由于槽前偏南风分量较小，且水汽主要集中于对流层低层，因此中高层西南气流引导的水汽较偏西路径输送的水汽少。

地面至700 hPa表示对流层低层，700~500 hPa表示对流层中层，由于实际大气中300 hPa以上水汽含量非常少，故以500~300 hPa表示对流层高层，进一步分析不同层次水汽输送特征及收支情况。西边界降水前地面至300 hPa整层水汽输送量均大于0，对流层低、中、高层的水汽输送量相当，均为（2.0~4.0）×10⁸ t，表明降水前伊犁河谷整层受偏西气流控制，导致西边界对流层低、中、高层均存在水汽输入。降水期间，对流层中高层水汽输送量变化不大，而低层水汽输送量迅速增大，最大值达6.5×10⁸ t，说明低层偏西风增强，沿偏西气流输送的水汽增多[图5（a）]。东边界降水前和降水期间整层均为水汽输出，这是由于对流层内降水区上空均为偏西风，将暴雨区上空的水汽向东输出[图5（b）]。南边界降水开始后（4日20：00），700~300 hPa水汽输入，且700~500 hPa的水汽输送量大于500~300 hPa，表明受槽前西南气流影响，对流层中高层水汽输入，中层水汽输送强于高层[图5（c）]。北边界水汽主要来自于地面至700 hPa，随低层西北偏西风进入，其携带的低层水汽向暴雨区汇合；而高层为水汽输出[图5（d）]。

综上所述，此次暴雨前和暴雨期间，对流层中高层水汽由西边界和南边界输入、东边界和北边界输出；对流层低层水汽由西边界和北边界输入、东边界和南边界输出，即西边界整层均为水汽输入，是水汽主要输入边界。受西南气流影响，降水开始后对流层中高层南边界存在水汽输入。这些水汽在伊犁河谷辐合，表明了偏西与西南两条水汽输送带的重要性，这与高低层的气流配置、水汽通量及水汽通量散度的分析一致。

对比伊犁河谷典型极端暴雨水汽输送及收支的研究成果（张云惠等，2018），暴雨的水汽源地及输送路径基本一致，但此次暴雨低层水汽辐合强，水汽通量散度较前期研究偏大约一个量级，充沛的水汽输送及强水汽辐合是产生此次暴雨的主要原因之一。此外，此次暴雨受偏西气流上的短波东移影响，西边界水汽输入的贡献比大，为主要水汽输入边界，以往极端暴雨主要受中亚低涡影响，高空偏南风较强，导致南边界的水汽输入贡献也较大，使得西边界和南边界均为主要水汽输入边界。

伊犁河谷位于80°E—85°E之间，研究沿44°N的温度平流与假相当位温剖面，对本次暴雨的对流不稳定进行分析。

暴雨前伊犁河谷西北部600 hPa以下形成假相当位温（θ_se）密集带，对流层中高层存在冷平流，中心值为-4×10^-5 K·s^-1，位于600~500 hPa之间，低层存在暖平流，中心值为4×10^-5 K·s^-1，位于700 hPa附近。冷暖空气在伊犁河谷西北部交汇，冷锋自西北向东南移动，锋前河谷地区成为暖湿气团不稳定能量聚集区；且600 hPa以下假相当位温随高度降低，表明降水前暴雨区低层为较强的对流不稳定层结，积聚大量不稳定能量[图6（a）]。随着低层偏西风的加强，冷空气不断进入河谷地带，冷平流范围扩大且逐渐增强，中心值可达-8×10^-5 K·s^-1。河谷西北部700 hPa以下假相当位温随高度降低，低层仍存在对流不稳定，为强降水的发生发展提供了不稳定能量。此时，河谷低层假相当位温密集带维持，地面冷锋受地形阻挡，移动缓慢。在锋面抬升与地形强迫抬升的共同作用下，不稳定能量逐渐释放，降水增强[图6（b）]。6日14：00，假相当位温随高度增加，整层大气转为稳定层结，河谷低层受暖平流控制，降水结束。

进一步分析伊宁站温度平流与假相当位温随时间的变化[图6（c）]。暴雨前低层受暖平流控制，中层冷平流进入，温度平流随高度降低，温度垂直递减率增大，且近地面至700 hPa假相当位温随高度升高而降低，存在对流不稳定层结。4日20：00，600 hPa以下假相当位温随高度升高而降低，对流不稳定层结向上发展，不稳定能量进一步积聚；5日08：00后，低层偏西风加强，引导冷空气进入，低层转为冷平流，中心位于850 hPa附近，形成冷垫促使暖湿气流爬升，冷暖空气交汇增强，不稳定能量逐渐释放，对流不稳定层结高度降至700 hPa以下，故对流不稳定对降水的产生和维持起到重要作用。随着降水结束，对流不稳定层结转为稳定状态。

条件对称不稳定是指空气块在垂直上升或水平运动时是对流稳定和惯性稳定，但在倾斜上升运动时发生不稳定的现象（朱乾根等，2000）。利用湿位涡研究此次暴雨的不稳定条件及其对降水的影响。研究发现，MPV为负值表明大气中有不稳定发生。用MPV1表示惯性稳定和对流稳定，一般北半球绝对涡度为正值，当MPV1为负值时，大气为对流不稳定；用MPV2表示条件对称不稳定，由风的垂直切变和相当位温的水平梯度决定，当其为负值时，大气为条件对称不稳定（黄昕等，2021）。

分析此次降水过程MPV、MPV1、MPV2沿44°N的垂直分布情况，降水前伊犁河谷600 hPa以下MPV<0、MPV1<0，且大值中心位于700 hPa附近，说明对流层低层大气以对流不稳定为主[图7（a）]，与假相当位温随高度升高而降低、存在对流不稳定层结的结论一致。降水开始后，MPV<0、MPV1<0的高度自600 hPa降至700 hPa以下，大值中心东移且高度降至近地面，说明伊犁河谷近地面对流不稳定维持，且对流不稳定中心略有东移，此时700 hPa以上MPV2<0，说明对流层中高层大气存在条件对称不稳定，且在暴雨期间维持[图7（b）]，即对流不稳定和条件对称不稳定共同作用导致此次伊犁河谷极端暴雨。

进一步分析伊宁站MPV、MPV1、MPV2随时间的变化[图7（c）]，降水前700 hPa以下MPV<0、MPV1<0，对流层低层存在对流不稳定，此时整层大气MPV2≥0，大气为条件对称稳定状态。受第一支短波东移影响，4日20：00—5日08：00，MPV<0、MPV1<0的范围向上伸展至600 hPa，对流不稳定向上发展，且600 hPa以上MPV2<0，中心值位于600~500 hPa，说明600 hPa以上存在条件对称不稳定，且在对流层中层最强。受第二支短波东移影响，5日08：00后，对流不稳定能量逐渐释放，对流不稳定层高度降低至700 hPa，而700 hPa以上仍受条件对称不稳定影响，MPV2<0。因此，降水期间对流层低层的对流不稳定和对流层中高层的条件对称不稳定共同为降水提供不稳定条件。

综上，降水前对流层低层存在对流不稳定，为暴雨积聚不稳定能量，对强降水的产生起重要作用。降水期间，对流层低层受对流不稳定影响，对流层中高层受条件对称不稳定影响，两种不稳定机制共同为降水提供不稳定条件。伊犁河谷典型极端暴雨不稳定机制的研究（刘晶等，2019；黄昕等，2021）表明，该地区典型极端暴雨前存在对流不稳定，降水期间条件对称不稳定导致降水维持与增强，而此次暴雨期间对流层低层的对流不稳定和对流层中高层的条件对称不稳定共同作用，为暴雨天气提供不稳定能量，造成伊犁河谷降水持续且增强。

本文使用地面自动站逐时降水资料、NCEP/NCAR1°×1°再分析资料，对2022年5月4—6日伊犁河谷极端暴雨的水汽特征及不稳定机制进行分析，揭示高空弱天气系统强迫下伊犁河谷极端暴雨的形成机制，得到以下主要结论。

1）此次极端暴雨天气发生在500 hPa中纬度偏西气流上短波东移北上、低层配合辐合切变的环流背景下，向西开口的“喇叭口”地形造成地形辐合和强迫抬升，为局地暴雨的发生提供了有利的动力条件。

2）来自地中海、红海及里咸海的水汽沿偏西和西南两条输送路径输送至伊犁河谷。低层偏西路径的水汽输送强于中高层西南路径的水汽输送，且地面至700 hPa强水汽辐合有利于水汽快速积聚，是此次极端暴雨发生的重要原因。对流层中高层的水汽由西边界和南边界输入、东边界和北边界输出；对流层低层水汽由西边界和北边界输入、东边界和南边界输出，整层水汽输入量远大于输出量。低层偏西气流加强，叠加槽前西南气流，造成西边界水汽输入量迅速增加，成为主要水汽输入边界，水汽输入贡献约占85%。

3）降水前，对流层低层存在对流不稳定，为暴雨积聚不稳定能量，对强降水的产生起重要作用。降水期间，对流层低层受对流不稳定影响，对流层中高层受条件对称不稳定影响，两种不稳定机制共同作用，导致此次极端暴雨。

近年来，伊犁河谷极端暴雨频发且致灾严重。目前研究主要集中于500 hPa伊朗副热带高压-中亚低值系统-贝加尔湖阻滞脊稳定维持的环流背景下的典型暴雨成因，而对高空弱天气系统强迫下的极端暴雨研究较少。本文通过对2022年5月4—6日极端暴雨的水汽特征及不稳定机制进行详细分析，发现充沛的水汽输送、强水汽辐合及对流不稳定、条件对称不稳定共存的不稳定机制是此次暴雨发生的重要原因。高空弱天气系统强迫配合低层异常的水汽辐合及不稳定条件，也可能导致极端暴雨的发生。后期需要对这类暴雨的中小尺度特征进行深入系统研究，进一步总结暴雨预报指标，提高预报提前量、减少暴雨漏报率。