萬(wàn)占鑫,肖萬(wàn)有,王窈英,馬寧,梁小剛
(1.嘉峪關(guān)市氣象局,甘肅 嘉峪關(guān) 735100;2.慶陽(yáng)市氣象局,甘肅 慶陽(yáng) 745000)
河西走廊西部深處內(nèi)陸,地表主要以戈壁、沙漠和荒漠為主,屬于典型的大陸性干旱氣候。由于受青藏高原、秦嶺和祁連山的阻擋,夏季季風(fēng)爆發(fā)后來(lái)自孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋的暖濕水汽很難到達(dá)河西走廊西部地區(qū),而來(lái)自青藏高原和西風(fēng)帶的水汽輸送對(duì)于河西走廊西部地區(qū)的降水具有重要作用[1-2]。蘭州中心氣象臺(tái)根據(jù)多年預(yù)報(bào)服務(wù)工作實(shí)踐和統(tǒng)計(jì)方法,將甘肅省河西地區(qū)暴雨標(biāo)準(zhǔn)定義為日降水量≥30.0 mm,雖然暴雨強(qiáng)度定義相對(duì)于全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)已明顯減弱,但暴雨過(guò)程在河西走廊西部仍屬于小概率事件,年平均出現(xiàn)頻次遠(yuǎn)小于1 次,且常由中小尺度對(duì)流系統(tǒng)引發(fā),有突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短、范圍小和破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。暴雨的產(chǎn)生離不開(kāi)充足的水汽供應(yīng),目前,針對(duì)水汽輸送的研究主要集中在我國(guó)中東部地區(qū)和新疆地區(qū)[4-8],對(duì)河西走廊地區(qū)的研究則相對(duì)較少[9]。而關(guān)于河西走廊暴雨的分析研究多集中在環(huán)流形勢(shì)、物理量診斷、中尺度特征和雷達(dá)回波特征等方面[10-12],對(duì)水汽輸送特征研究還不深入,定性定量的認(rèn)知還有待加強(qiáng)。
2019年5月5—7日河西走廊西部出現(xiàn)暴雨天氣,其中6日酒泉市單日降水量達(dá)36.7 mm,占該站年平均降水量(88.4 mm)近一半,突破了近50年來(lái)5月份單日最大降水量。利用前期數(shù)值預(yù)報(bào)資料和實(shí)況資料進(jìn)行預(yù)報(bào)分析,無(wú)論從系統(tǒng)強(qiáng)度、動(dòng)力條件還是降水量客觀定量預(yù)報(bào)都表明此次過(guò)程降水量級(jí)以小到中雨為主,預(yù)報(bào)員主觀訂正也僅僅將量級(jí)提高到中雨,很難作出大雨以上量級(jí)預(yù)報(bào),更難以與暴雨相聯(lián)系起來(lái)。而且降雨過(guò)程期間無(wú)明顯中小尺度對(duì)流天氣系統(tǒng)活動(dòng),主要由長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)性穩(wěn)定降水造成的,這與以往發(fā)生在該地區(qū)暴雨的特征明顯不同。本文著重分析該過(guò)程形成的環(huán)流背景、水汽來(lái)源、水汽輸送和水汽收支特征,以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和總結(jié)河西走廊西部此類(lèi)暴雨的形成原因和水汽特征,為提高暴雨預(yù)報(bào)能力提供參考依據(jù)。
應(yīng)用常規(guī)高空觀測(cè)、地面觀測(cè)和河西走廊西部自動(dòng)氣象站資料、GdAS和NCEP/NCAR再分析資料。NCEP1 °×1 ° 逐6 h再分析資料,垂直方向從1000—1 hPa共31 層。為了檢驗(yàn)NCEP再分析資料在河西走廊西部的可用性,選取了2019年5月5日20:00(北京時(shí),下同)、6日08:00和20:00河西走廊西部500、700 hPa風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)實(shí)況資料與相應(yīng)的再分析資料進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn),同時(shí)對(duì)酒泉、敦煌和馬鬃山探空資料與再分析資料對(duì)應(yīng)位置上各物理量進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)(圖略),兩種資料結(jié)果基本一致,再分析資料可以用于該地區(qū)暴雨天氣的研究。
1.2.1 水汽收支計(jì)算
取對(duì)流層低層(地面—700 hPa)、對(duì)流層中層(700—500 hPa)、對(duì)流層高層(500—300 hPa)和整層(地面—300 hPa)計(jì)算水汽輸入、輸出和收支量,分析此次暴雨過(guò)程期間不同層次水汽輸送特征和水汽收支情況。選取暴雨區(qū)周邊2 個(gè)經(jīng)緯度范圍作為水汽收支的邊界(圖1),1為西邊界,2為北邊界,3為東邊界,4為南邊界,對(duì)應(yīng)4 個(gè)邊界水汽輸送量之和為大邊界的水汽輸送量。
圖1 水汽輸送邊界示意圖
水汽輸送的計(jì)算方法如下,大氣的水汽輸送通量Q(單位:g·m-1·hPa-1·s-1)的計(jì)算公式為:
式中:g為重力加速度,單位為m·s-2;ps為地面氣壓,可去除地形的影響;pt為300 hPa高空氣壓;為該單位氣柱內(nèi)各層大氣的風(fēng)速矢量,單位為m·s-1;q為各層大氣的比濕,單位為g·kg-1。先利用NCEP再分析資料計(jì)算得到各層各格點(diǎn)水汽通量,再進(jìn)行邊長(zhǎng)和垂直方向整層積分,最后進(jìn)行時(shí)間積分得到水汽輸送量,并將單位換算成kg。正值為水汽輸入,負(fù)值為水汽輸出。
1.2.2 HYSPLIT軌跡模型簡(jiǎn)介
HYSPLIT軌跡模型由美國(guó)海洋與大氣研究中心(NOAA)空氣資源實(shí)驗(yàn)室ARL(Air Resources Laboratory)和澳大利亞氣象局聯(lián)合開(kāi)發(fā)。該模型采用地形跟隨坐標(biāo),水平網(wǎng)格與輸入的氣象場(chǎng)相同,垂直方向?yàn)?8 層。模型的計(jì)算方法采用拉格朗日方法,其假定質(zhì)點(diǎn)的軌跡是隨風(fēng)場(chǎng)而運(yùn)動(dòng)的,軌跡是質(zhì)點(diǎn)在空間和時(shí)間上的積分。通常用來(lái)追蹤氣流所攜帶粒子或氣團(tuán)移動(dòng)方向,可以用于分析水汽的輸送軌跡。
2019年5月5—7日,河西走廊西部出現(xiàn)了罕見(jiàn)的連續(xù)性降雨天氣,降水主要集中在酒泉市東部的肅州區(qū)、玉門(mén)市、金塔縣和嘉峪關(guān)市,過(guò)程最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在嘉峪關(guān)市區(qū),為56.1 mm。5日20:00—6日20:00,酒泉市肅州區(qū)、玉門(mén)市和嘉峪關(guān)市的部分區(qū)域出現(xiàn)了暴雨(圖2a),其中最大降水量出現(xiàn)在酒泉觀測(cè)站,為36.7 mm,突破了該站近50年來(lái)5月份單日最大降水量。從5日20:00至6日20:00酒泉市、玉門(mén)市和嘉峪關(guān)市3 站逐3 h累計(jì)降水量分布來(lái)看(圖2b),此次暴雨過(guò)程呈現(xiàn)出歷時(shí)長(zhǎng)、無(wú)間歇和雨勢(shì)平緩的特征,與以往該地區(qū)暴雨歷時(shí)短、雨強(qiáng)強(qiáng)度大的特征明顯不同。經(jīng)后續(xù)核查,此次天氣過(guò)程由于雨勢(shì)平緩,造成了部分農(nóng)業(yè)設(shè)施坍塌損毀,沒(méi)有出現(xiàn)明顯中小河流洪水和城市內(nèi)澇等災(zāi)害,而充沛的降水對(duì)促進(jìn)戈壁沙漠荒草植被生長(zhǎng)和改善生態(tài)環(huán)境非常有利。
圖2 2019年5月5日20 時(shí)—6日20 時(shí)累計(jì)降水量分布(a)和部分站點(diǎn)逐3 h降水量變化(b)
天氣過(guò)程發(fā)生期間,河西走廊西部上空對(duì)流層高層200 hPa上維持40 m·s-1以上高空急流,高空的抽吸作用顯著。500 hPa亞洲中高緯地區(qū)穩(wěn)定維持兩槽兩脊的環(huán)流形勢(shì),高壓脊位于烏拉爾山東側(cè)和貝加爾湖南側(cè),低渦(低槽)位于巴爾喀什湖和我國(guó)東北地區(qū)。6日08:00 500 hPa形勢(shì)場(chǎng)(圖略)烏拉爾山東側(cè)高壓脊不斷北伸發(fā)展,位于高壓脊東側(cè)的巴爾喀什湖低槽也隨之向南加深發(fā)展為低渦,低渦位于南疆西部,低渦底部分裂的低槽在青藏高原地形作用下分為南北兩支,南支槽位于印度半島東部,南支槽前西南氣流不斷向東北方向輸送暖濕水汽,到達(dá)川西高原后,在高原切變的作用下轉(zhuǎn)向偏北方向流向河西走廊西部。北支槽主要以短波槽的形式影響高原北部和河西走廊地區(qū),短波槽受下游蒙古高壓阻擋作用移動(dòng)緩慢。700 hPa上(圖略),蒙古高壓底部的偏東回流氣流把東海沿岸和南方地區(qū)的暖濕空氣不斷向西北方向輸送并在河西走廊西部輻合,偏東氣流在華中至河西走廊西部一帶增大到12 m·s-1以上達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn),河西走廊西部處于低空急流左前側(cè)正切變渦度區(qū)。此外,位于暴雨區(qū)南側(cè)的祁連山脈走向與偏東低空急流風(fēng)向有小幅度交角,地形作用使對(duì)流層低層容易形成空氣質(zhì)量堆積利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。綜上過(guò)程最強(qiáng)時(shí)段內(nèi),河西走廊西部處于對(duì)流層高層200 hPa急流帶上、中層短波槽前、低層偏東低空急流左前側(cè)和氣流輻合區(qū),加上祁連山北坡的地形抬升作用,冷暖空氣在此處交匯產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),共同造成了此次暴雨天氣過(guò)程。
暴雨的發(fā)生離不開(kāi)大氣中充足的水汽,分析暴雨過(guò)程中比濕、相對(duì)濕度、水汽通量和水汽通量散度的變化,可以對(duì)本次過(guò)程垂直方向上水汽的變化特征有更深入的認(rèn)知。暴雨過(guò)程期間暴雨區(qū)上空水汽主要集中在400 hPa以下,暴雨區(qū)上空500 hPa以上比濕無(wú)明顯變化,600 hPa以下比濕和相對(duì)濕度在暴雨發(fā)生前有迅速增大的過(guò)程,降雨強(qiáng)盛時(shí)段(5日20:00至6日20:00)對(duì)流層低層比濕維持在6~7 g·kg-1,相對(duì)濕度在80%以上(圖3a)。從暴雨區(qū)上空水汽通量和水汽通量散度演變來(lái)看(圖3b),水汽輸送和水汽輻合主要集中在600 hPa以下,暴雨發(fā)生前(4日20:00)水汽輸送迅速增大,5日02:00在800—700 hPa高度層上有超過(guò)10 g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量大值中心,降雨強(qiáng)盛時(shí)段(5日20:00至6日20:00)水汽通量強(qiáng)度維持在6 g·cm-1·hPa-1·s-1左右;過(guò)程期間水汽輻合較弱,僅在對(duì)流層低層維持-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右的輻合強(qiáng)度。此外,5日08:00—20:00,中高層相對(duì)濕度和比濕明顯下降,表明有干冷空氣從高層侵入,高層干冷空氣侵入進(jìn)一步加強(qiáng)冷暖空氣交匯利于降水的加強(qiáng)。綜上可知,主要降雨時(shí)段內(nèi),暴雨區(qū)對(duì)流層低層比濕維持在6 g·kg-1以上,相對(duì)濕度在80%以上,水汽通量在6~10 g·cm-1·hPa-1·s-1之間,水汽輻合強(qiáng)度維持在-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右。
圖3 暴雨區(qū)(98.2 °—98.6 °E,39.7 °—39.9 °N)平均比濕(等值線,單位:g·kg-1)和平均相對(duì)濕度(陰影,單位:%)高度-時(shí)間剖面(a)、 平均水汽通量(黑實(shí)線,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和平均水汽通量散度(灰虛線,單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)高度-時(shí)間剖面(b)
3.2.1 水汽輸送路徑
圖4為5—6日對(duì)流層中低層500 hPa和700 hPa水汽通量的發(fā)展演變。暴雨發(fā)生前(5日08:00)河西走廊西部上空對(duì)流層低層700 hPa上建立了一支強(qiáng)盛的遠(yuǎn)距離偏東水汽輸送,將華北地區(qū)和西南地區(qū)的暖濕水汽向河西走廊西部輸送(圖4a),對(duì)流層中層500 hPa上有一支較弱的從柴達(dá)木盆地越祁連山的西南水汽輸送(圖4b)。降雨強(qiáng)盛時(shí)(6日08:00)對(duì)流層低層700 hPa上偏東水汽輸送通道隨著蒙古高壓東移南壓也向東南方向發(fā)展延伸,偏東回流氣流將東海沿岸的暖濕水汽沿偏東路徑向河西走廊西部輸送,同時(shí)隨著新疆冷空氣侵入,開(kāi)始建立了一支新疆東部—河西走廊西部的偏西水汽輸送(圖4c),對(duì)流層中層500 hPa上隨著南支槽東移至高原中部,槽前強(qiáng)盛西南氣流在川西高原地區(qū)受高原低值系統(tǒng)影響折北翻越祁連山延伸到河西走廊西部,建立了一支遠(yuǎn)距離偏南水汽輸送(圖4d)。暴雨趨于減弱時(shí)(6日20:00)對(duì)流層低層700 hPa上隨著冷空氣侵入,源自新疆東部的偏西水汽輸送進(jìn)一步西伸基本控制河西走廊西部,偏東水汽輸送東退至內(nèi)蒙古西部(圖4e),對(duì)流層中層500 hPa上偏南水汽輸送也被冷空氣斬?cái)嗖辉儆绊懞游髯呃任鞑康貐^(qū)(圖4f)。綜上分析可知,過(guò)程期間共有3 支水汽輸送影響河西走廊西部地區(qū),發(fā)生前主要以對(duì)流層低層偏東和中層西南水汽輸送為主,降雨強(qiáng)盛時(shí)段受對(duì)流層低層強(qiáng)盛偏東和弱偏西以及中層偏南3 支水汽輸送共同影響,降雨趨于減弱后則主要受低層偏西氣流輸送影響。
圖4 2019年5月5—6日700 hPa(a、c、e)和500 hPa(b、d、f)水汽通量與水汽通量矢量場(chǎng)疊加(單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)a、b為5日08:00;c、d為6日08:00;e、f為6日20:00
3.2.2 暴雨區(qū)水汽收支特征
由過(guò)程發(fā)生前后對(duì)流層高、中、低層和整層逐6 h暴雨區(qū)各邊界的水汽輸送量演變可知(圖5),各邊界水汽輸送的貢獻(xiàn)是明顯不同的。暴雨發(fā)生前(4日08:00—5日20:00),暴雨區(qū)的東邊界(圖5a)和北邊界(圖5b)為水汽輸入,東邊界的水汽輸入強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北邊界,西邊界(圖5c)和南邊界(圖5d)為水汽輸出;暴雨期間(5日20:00—6日20:00)東邊界仍維持高強(qiáng)度水汽輸入,南邊界隨著偏南水汽輸送通道的建立,由凈輸出轉(zhuǎn)為凈輸入,西邊界仍為水汽凈輸出但強(qiáng)度在逐漸減弱,北邊界轉(zhuǎn)為凈輸出;降雨趨于結(jié)束后(6日20:00—7日20:00),隨著冷空氣東移,偏西風(fēng)侵入暴雨區(qū),西邊界轉(zhuǎn)為水汽凈輸入,東邊界轉(zhuǎn)為水汽凈輸出,南邊界和北邊界仍維持較弱強(qiáng)度的水汽凈輸入和凈輸出。對(duì)比暴雨期間(5日20:00—6日20:00)各高度層的水汽輸送量,水汽輸送主要集中在500 hPa以下的對(duì)流層中低層,其中中低層?xùn)|邊界水汽輸入貢獻(xiàn)占各邊界水汽輸入總和的81.2%,高層水汽輸送量明顯偏小。綜上分析,暴雨期間東邊界為主要水汽輸入邊界,西邊界為主要輸出邊界,水汽輸送主要在對(duì)流層中低層,中低層?xùn)|邊界水汽輸入貢獻(xiàn)最大,占各邊界水汽輸入總和的81.2%。
圖5 2019年5月4日08 時(shí)至7日20 時(shí)對(duì)流層?xùn)|邊界(a)、北邊界(b)、西邊界(c)、南邊界(d)水汽輸送量(正值表示輸入,負(fù)值表示輸出)
3.2.3 水汽后向軌跡追蹤
為了進(jìn)一步了解此次暴雨過(guò)程的水汽輸送路徑,使用基于拉格朗日方法的HYSPLIT軌跡模型后向追蹤水汽質(zhì)點(diǎn)的軌跡(圖6)。根據(jù)姚俊強(qiáng)等[13]、李江萍等[14]和dRAXLER等[15]的研究,該模型對(duì)于一定區(qū)域內(nèi)不同質(zhì)點(diǎn)的軌跡運(yùn)算具有較好的一致性,因此可用一個(gè)點(diǎn)的軌跡代表一定區(qū)域的整體空氣的軌跡。選取酒泉站(98.5 °E,39.78 °N)進(jìn)行模擬追蹤,在垂直方向上選出離地1000、3000、5000 m作為初始高度,模擬起始時(shí)間為5月6日08:00后向模擬追蹤72 h。結(jié)果顯示:不同高度上的氣塊軌跡和來(lái)源有所不同,1000、3000 m氣塊軌跡是偏東路徑,其源地位于蒙古國(guó)東南部,與蒙古高壓相聯(lián)系的對(duì)流層低層偏東回流氣流輸送水汽有關(guān);5000 m氣塊軌跡則是回旋的偏南路徑,其源地位于新疆東部,與北支短波槽相聯(lián)系的中層越祁連山偏南氣流輸送水汽有關(guān)。此外,對(duì)7000 m氣塊軌跡進(jìn)行模擬追蹤發(fā)現(xiàn)其軌跡與高空急流走向基本一致,源地位于里海(圖略)。此外,從各層氣塊軌跡的高度演變來(lái)看,對(duì)流層中低層水汽主要來(lái)自于近地層,在臨近暴雨發(fā)生時(shí),有一個(gè)明顯抬升的過(guò)程,是由暴雨發(fā)生時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)造成的,對(duì)流層高層水汽軌跡的高度則沒(méi)有明顯變化。綜上可知,暴雨區(qū)上空的氣塊后向軌跡主要有3 條路徑,對(duì)流層低層軌跡為偏東路徑,對(duì)流層中層軌跡為偏南路徑,而對(duì)流層高層軌跡為偏西路徑,其源地分別位于蒙古國(guó)東南部、新疆東部和里海。
圖6 2019年5月6日08:00暴雨區(qū)(98.5 °E、39.78 °N)后向72 h水汽軌跡模擬
在氣旋的爆發(fā)性發(fā)展、暴雨的增強(qiáng)、位勢(shì)不穩(wěn)定的增強(qiáng)等方面干侵入起著重要的促進(jìn)作用[16],下面利用相對(duì)濕度、假相當(dāng)位溫(θse)和流場(chǎng)的垂直剖面對(duì)此次降雨過(guò)程期間高層干冷空氣侵入特征進(jìn)行分析。5日08:00(圖7),暴雨區(qū)西側(cè)96 °E以西700—300 hPa有明顯的下沉運(yùn)動(dòng),400 hPa出現(xiàn)相對(duì)濕度低于50%的干中心,干中心東側(cè)324 K等假相當(dāng)位溫線出現(xiàn)傾斜,表明有干冷空氣從高層向低層侵入,同時(shí)等θse線陡峭分布利于渦度的傾斜發(fā)展,為低層垂直渦度的發(fā)展提供了良好的環(huán)境條件[17]。5日14:00(圖略),下沉運(yùn)動(dòng)向東推進(jìn)至99 °E附近,暴雨區(qū)上空400 hPa附近為下沉的干冷空氣,對(duì)流層中低層為強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),在550 hPa附近上升下沉兩股氣流交匯,對(duì)降水有一定的加強(qiáng)作用。
圖7 2019年5月5日08:00沿39.78 °N的相對(duì)濕度(陰影,單位:%)、假相當(dāng)位溫(虛線,單位:K)和流線的垂直剖面(三角為暴雨點(diǎn))
本文利用常規(guī)資料和NCEP再分析資料,分析討論了2019年5月5—7日河西走廊西部暴雨天氣過(guò)程的水汽特征,主要結(jié)論如下:
(1)此次暴雨發(fā)生期間,歐亞中高緯呈兩槽兩脊形勢(shì),烏拉爾山東側(cè)高壓脊穩(wěn)定維持并向東北方向發(fā)展,巴爾喀什湖低渦分裂的北支短波槽受下游蒙古高壓阻擋長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在河西走廊西部地區(qū),大尺度環(huán)流的穩(wěn)定維持為此次暴雨過(guò)程發(fā)生發(fā)展提供了有利的大背景條件。高層200 hPa高空急流、中層500 hPa短波槽前正渦度平流和低層700 hPa偏東低空急流的配置以及祁連山北坡地形抬升作用有利于暴雨區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持。
(2)主要降雨時(shí)段內(nèi),暴雨區(qū)對(duì)流層低層比濕在6 g·kg-1以上,水汽通量在6~10 g·cm-1·hPa-1·s-1之間,水汽輻合強(qiáng)度維持在-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右。
(3)分析降雨過(guò)程期間的流場(chǎng)和水汽通量矢量場(chǎng)發(fā)現(xiàn),有3條通向河西走廊西部地區(qū)的水汽輸送,分別為偏東路徑、偏南路徑和偏西路徑。其中兩支為異常遠(yuǎn)距離路徑,分別是蒙古高壓低層偏東回流氣流引導(dǎo)的偏東路徑和南支槽槽前西南氣流在川西高原受高原切變影響折北越祁連山傳輸?shù)胶游髯呃任鞑康貐^(qū)的偏南路經(jīng)。
(4)暴雨期間,東邊界為最主要輸入邊界,西邊界為最主要輸出邊界,水汽輸送主要在對(duì)流層中低層,中低層?xùn)|邊界水汽輸入貢獻(xiàn)最大,占各邊界水汽輸入總和的81.2%。
(5)利用HYSPLIT軌跡模型對(duì)過(guò)程期間暴雨區(qū)水汽軌跡作后向72 h追蹤發(fā)現(xiàn),暴雨區(qū)水汽來(lái)源主要有3 條路徑,低層偏東路徑、中層偏南路徑和高層偏西路徑,對(duì)應(yīng)的水汽源地為蒙古國(guó)東南部、新疆東部和里海。
(6)高層300 hPa干冷空氣侵入中層,與中低層上升氣流在暴雨區(qū)上空輻合交匯,對(duì)降水有一定的加強(qiáng)作用。