西風(fēng)帶大陸高壓外圍新疆哈密地區(qū)典型暴雨事件水汽輸送特征對比分析*

劉 晶 劉兆旭 楊蓮梅 李建剛 曾 勇 仝澤鵬 江雨霏 周玉淑

1 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002 2 中亞大氣科學(xué)研究中心,烏魯木齊 830002 3 新疆云降水物理與云水資源開發(fā)實驗室,烏魯木齊 830002 4 西天山云降水物理野外科學(xué)觀測基地,烏魯木齊 830002 5 新疆維吾爾自治區(qū)防雷減災(zāi)中心,烏魯木齊 830002 6 中國科學(xué)院大氣物理研究所,云降水物理與強風(fēng)暴實驗室,北京 100029 7 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,北京 100049

提 要: 選取2018年7月31日和2016年8月8日兩次東天山哈密地區(qū)強降水天氣過程(分別簡稱“7·31”過程和“8·8”過程),利用NCEP/NCAR FNL 0.25°×0.25°和GDAS 1°×1°再分析資料、中國地面衛(wèi)星雷達三源融合逐小時降水產(chǎn)品、新疆地區(qū)常規(guī)觀測資料、FY-2G衛(wèi)星產(chǎn)品、基于地基GPS觀測的大氣可降水量(PWV)資料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT軌跡模式,通過對水汽輸送流函數(shù)、勢函數(shù)、水汽輸送軌跡、暴雨區(qū)水汽收支計算診斷,揭示兩次強降水期間的大尺度水汽輸送、輻合特征,得到如下主要結(jié)果:兩次強降水過程均發(fā)生在大陸高壓位置異常情況下,為水汽長距離輸送提供了有利的環(huán)流背景條件;兩次過程水汽輸送均由三個階段構(gòu)成,且河西走廊水汽輸送均對兩次暴雨天氣過程具有貢獻,“7·31”過程降水前和降水期間,河西走廊偏東水汽接力輸送通道建立,造成河西走廊—暴雨區(qū)自東南向西北先后增濕,較低緯度南海和高壓南側(cè)水汽輸送和補充為哈密東南部短時強降水天氣提供充沛的水汽供應(yīng)條件。“8·8”過程青藏高原北部—新疆巴州南部水汽接力輸送通道建立,高原北部水汽沿高壓外圍偏南氣流向北輸送,與中緯度低槽前西南氣流在暴雨區(qū)有所匯合,同時對流層低層河西走廊偏東水汽進一步補充,造成哈密北部測站PWV出現(xiàn)三次增濕過程。

引 言

新疆地處歐亞大陸中部干旱、半干旱地區(qū),遠離海洋,擁有獨特的“三山夾兩盆”復(fù)雜地形,不受季風(fēng)系統(tǒng)的直接影響(張家寶,1986),降水主要發(fā)生在夏季和山地(史玉光,2014),分布極不均勻。進入21世紀(jì)后,中國110°E以西的干旱、半干旱地區(qū)春夏季的極端降水事件的日數(shù)有所增多(施雅風(fēng)等,2003;黃建平等,2014),已有研究表明(戴新剛等,2007;楊蓮梅,2003;王少平等,2016),新疆雖然小雨日數(shù)顯著減少,但局地暴雨頻發(fā),強降水日數(shù)和強度均呈上升態(tài)勢。由于復(fù)雜地形應(yīng)對暴雨的形成和防御能力不同,當(dāng)局地出現(xiàn)極端暴雨(24 h降水量>48 mm),特別是短時強降水(雨強>20 mm·h-1)時,時間集中,強度大,容易引發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害,造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失,給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展造成嚴(yán)重災(zāi)害(黃艷等,2018;莊曉翠等,2021)。

哈密地區(qū)位于新疆最東端,與甘肅河西走廊相鄰,是新疆通向中國內(nèi)地的要道,也是“一帶一路”戰(zhàn)略的重要節(jié)點城市。近年來哈密地區(qū)暴雨頻發(fā),該地區(qū)的極端暴雨天氣逐漸引起各方關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計,哈密地區(qū)各站夏季平均氣溫在過去50多年內(nèi)均呈上升趨勢,達0.42℃·(10 a)-1,增溫率是IPCC第四次報告中全球近50年增溫率的三倍多(王文濤等,2014),且干濕年際變化與甘肅河西走廊干濕變化存在緊密聯(lián)系(陳峰等,2016)。哈密地區(qū)以農(nóng)牧業(yè)為主,農(nóng)牧業(yè)的豐欠在很大程度上決定于降水的多少。溫度升高、降水增多為當(dāng)?shù)氐貐^(qū)經(jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)提供了寶貴的水資源,但同時局地短時強降水的增加也給當(dāng)?shù)貧庀蠓罏?zāi)減災(zāi)帶來了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。已有研究表明,在西風(fēng)槽與副熱帶高壓相互作用過程中,高壓外圍暖濕輸送帶能夠?qū)⑺麖难竺娼?jīng)河西走廊地區(qū)接力輸送至新疆暴雨區(qū)(楊蓮梅等,2012),為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽供應(yīng),而還未有涉及到西風(fēng)帶與西風(fēng)帶大陸高壓相互作用下哈密地區(qū)水汽聚集機理等方面的研究成果。此外,季風(fēng)區(qū)與干旱、半干旱地區(qū)氣候背景、地形條件各不相同,造成短時強降水的水汽輸送特征也存在差異,因而研究該地區(qū)暴雨發(fā)生期間的水汽來源、水汽輸送特性對于增強對干旱、半干旱區(qū)暴雨形成的認(rèn)識和該地區(qū)防汛抗旱方面尤為重要。

無論是季風(fēng)區(qū)還是干旱區(qū),大氣中充沛的水汽和持續(xù)的水汽輸送都是形成強降水的必要條件。已有研究揭示了東亞地區(qū)水汽輸送與東亞地區(qū)降水變化間的關(guān)系,指出東亞水汽輸送是東亞季風(fēng)的重要組成部分(Park and Schubert,1997;Zhou and Wang,2006;Zhao et al,2007),并發(fā)現(xiàn)來自中國南海水汽在東亞降水水汽供應(yīng)中起至關(guān)重要的“中轉(zhuǎn)”作用(Ding and Chan,2005;Jin et al,2007;孫力等,2016)。另外也有研究針對中國極端暴雨事件的水汽輸送特征開展相關(guān)分析(王婧羽等,2014;孔祥偉等,2021),發(fā)現(xiàn)水汽輸送通道分布主要受緯度、季節(jié)、地形以及季風(fēng)影響(徐洪雄等,2014;孫建華等,2016)。近年來針對季風(fēng)區(qū)暴雨天氣水汽輸送、聚集機制等方面,國內(nèi)外多位研究學(xué)者(Stohl and James,2004;江志紅等,2011;莊曉翠等,2022)利用基于拉格朗日方法的軌跡模式(HYSPLIT v4.9)模擬計算了暴雨區(qū)幾類暴雨的水汽輸送軌跡、主要通道,給出了不同源地的水汽貢獻,并分析了暴雨期間水汽輸送和收支特征(周玉淑等,2005;李超等,2022;楊柳等,2018;陳紅專等,2019),闡明了季風(fēng)區(qū)夏季暴雨期間水汽輸送和聚集機制。針對新疆極端降水天氣的水汽輸送和聚集特征有不少研究成果,提出了新疆區(qū)域產(chǎn)生降水的水汽在合適的環(huán)流條件下,在中亞地區(qū)集中,并通過接力輸送機制輸送至暴雨區(qū)的概念(張家寶和鄧子風(fēng),1987;劉晶和楊蓮梅,2017;楊蓮梅等,2012)。在此基礎(chǔ)上,也有研究分析發(fā)現(xiàn)新疆暴雨天氣與低緯度阿拉伯海偏南水汽輸送密切相關(guān)(Huang et al,2015;Akiyo and Tetsuzo,1998),偏南氣流與中緯度偏西氣流共同構(gòu)成強降水期間水汽輸送通道,為暴雨區(qū)提供充沛的水汽供應(yīng)(劉晶等,2019b)。

由于國家降水量級標(biāo)準(zhǔn)不適合干旱、半干旱氣候背景的新疆地區(qū),因而本文采用肖開提·多萊特(2005)提出的更適合新疆氣候特點的降水量級標(biāo)準(zhǔn):24 h降水量R,0.1 mm≤R<6.0 mm為小雨,6.1 mm≤R<12.0 mm為中雨,12.1 mm≤R≤24.0 mm 為大雨,>24.0 mm為暴雨,>48.0 mm為大暴雨。2016年8月8日和2018年7月31日,哈密地區(qū)出現(xiàn)兩次極端暴雨天氣事件(以下分別簡稱“8·8”過程和“7·31”過程),兩次暴雨均發(fā)生在大陸高壓位置異常背景下,中尺度云團在高壓外圍生成并影響暴雨區(qū),而暴雨落區(qū)、雨強各不相同,本文通過計算診斷水汽輸送流函數(shù)、勢函數(shù)、水汽輸送軌跡和暴雨區(qū)水汽收支情況,對兩次極端暴雨天氣水汽輸送和聚集特征進行對比分析,探討干旱、半干旱地區(qū)極端暴雨天氣水汽來源、水汽輸送特征的異同,弄清在大陸高壓位置異常環(huán)流背景下,水汽是如何輸送和快速聚集在東天山哈密地區(qū),為更好理解該地區(qū)極端暴雨天氣提供一定參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

本研究中使用觀測站數(shù)據(jù)、再分析資料、風(fēng)云2G衛(wèi)星產(chǎn)品、三源融合降水產(chǎn)品以及GPS大氣可降水量資料。觀測站數(shù)據(jù)選用新疆和甘肅地區(qū)8個地基GPS大氣可降水量數(shù)據(jù)、甘肅敦煌和新疆若羌探空站、新疆地區(qū)32個國家級氣象觀測站和81個區(qū)域觀測站小時降水量數(shù)據(jù)。降水量采用了中國地面、衛(wèi)星和雷達三源融合的逐小時降水產(chǎn)品,其空間分辨率為0.1°×0.1°。

再分析資料用于大尺度環(huán)流形勢、大尺度水汽輸送特征等分析,選取美國國家環(huán)境預(yù)報中心/美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)的0.25°×0.25° FNL再分析資料,時間分辨率為6 h,垂直共為31層。選用風(fēng)云2G逐小時云頂亮溫產(chǎn)品用于對流云團演變特征分析。采用新疆及甘肅地區(qū)共8個GPS觀測站的大氣可降水量(GPS-PWV)資料(圖1)分析局地水汽變化與大尺度水汽輸送間的關(guān)系。

注:?代表國家級氣象觀測站,★代表敦煌探空站,★代表若羌探空站,?代表地基GPS測站。圖1 研究區(qū)域地面氣象觀測站、探空站和水汽輸送通道地基GPS測站分布Fig.1 Location of ground meteorological observation stations, sounding stations and the ground-based GPS stations

GPS-PWV與降水過程關(guān)系密切,當(dāng)GPS-PWV超過一定閾值后,對應(yīng)地面會有降水發(fā)生(楊曉霞等,2012;劉晶等,2019a;程鵬等,2021)。趙玲等(2010)將探空觀測資料計算的大氣可降水量(sounding-PWV)和利用GAMIT軟件處理反演得到1 h間隔的GPS-PWV進行對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者間的誤差在2 mm內(nèi),說明GPS-PWV具有較高的準(zhǔn)確性。通過分析甘肅敦煌站(圖2)2018年6—8月GPS-PWV與探空站計算的可降水量時間變化,發(fā)現(xiàn)兩者間相關(guān)系數(shù)達0.94。這也證實了GPS-PWV數(shù)據(jù)的可靠性,說明該數(shù)據(jù)可作為描述水汽變化細節(jié)的有效手段,補充常規(guī)探空資料在時間和空間密度上的不足。

注:圖b中,黑線代表1∶1線,紅線代表線性回歸擬合線。圖2 2018年6—8月敦煌站GPS-PWV和探空計算可降水量(sounding-PWV)的(a)時間變化和(b)散點分布Fig.2 (a) Time series and (b) scatter plots of GPS-PWV and sounding-PWV at Dunhuang Station from 1 June to 31 August 2018

1.2 方 法

1.2.1 水汽收支計算

文中采用水汽收支方程計算暴雨區(qū)(面積約為1.64×1010m2)水汽收支情況,水汽收支方程為:

(1)

式中:P和Es分別為降水量和蒸發(fā)量,g是重力加速度,pt取100 hPa為頂層氣壓,ps為地面氣壓,水汽的局地變化?q/?t采用時間中央差求得,垂直運動對水汽的輸送?ωq/?p由直接差分可得,水汽通量輻合項·qv化為線積分計算:

(2)

式中:右邊四項分別表示水汽從不同邊界進入選定區(qū)域的值,其中vnq是邊界的法向分量,m和n是選取區(qū)域沿經(jīng)向和緯向的格點數(shù),Δls、Δle、Δln、Δlw分別是各邊界上的格距,“—”表示空間步長的平均值。

1.2.2 HYSPLIT軌跡追蹤方法

利用HYSPLIT_4模式系統(tǒng)追蹤氣團進一步證實兩次強降水過程水汽源地。HYSPLIT是NOAA等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的一種可處理不同氣象數(shù)據(jù)輸入和不同物理過程及不同排放源的包含輸送、擴散、沉降過程的模式系統(tǒng),能夠?qū)鈮K來源進行追溯(Makra et al,2011;Stohl and James,2004)。在本研究中,HYSPLIT 模式系統(tǒng)使用NCEP GDAS資料作為初始場數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)時間分辨率為6 h,水平分辨率為1°×1°。

針對“7·31”和“8·8”過程,分別選取哈密東南地區(qū)代表點(暴雨中心哈密沁城鄉(xiāng)小堡站,42.85°N、94.71° E,海拔高度為1903 m)和哈密北部地區(qū)代表點(暴雨中心巴里坤鎮(zhèn)大直溝站,43.57°N、93.01°E,海拔高度為1934 m)作為模擬初始點,具體模擬參數(shù)見表1。為了更直觀地看出各條軌跡路徑,采用簇分析法對兩次過程軌跡路徑進行聚類,具體方法見孫力等(2016)。

表1 “7·31”和“8·8”過程HYSPLIT水汽追蹤模式模擬參數(shù)表Table 1 The simulation parameters in HYSPLIT_4 model in the 31 July and the 8 August processes

2 天氣過程概況及環(huán)流形勢分析

2018年7月30—31日,西風(fēng)帶大陸高壓位置異常偏北(圖3a),同時暴雨區(qū)位于200 hPa急流入口區(qū)左側(cè)和700 hPa低空東南急流左前方(圖3b),暴雨區(qū)處于西北風(fēng)和東南風(fēng)輻合區(qū)。低層水汽強烈輻合,對流云團在低空急流出口區(qū)左側(cè)生成,在向東北方向移動過程中不斷發(fā)展,造成哈密東南部出現(xiàn)短時強降水天氣(“7·31”過程)。2016年8月8—9日,500 hPa 大陸高壓位置異常偏西(圖3c),中心位于95°E附近,高壓西側(cè)偏南氣流將青藏高原北部水汽向北輸送,與中緯度低槽前西南氣流交匯于新疆巴州北部—吐鄯托盆地一線,同時700 hPa 巴州北部—吐鄯托盆地—哈密北部一線有明顯的風(fēng)場切變線(圖3d),兩個中尺度對流云團在巴州北部生成,在沿低層風(fēng)場切變線向東北方向移動過程中合并發(fā)展,造成哈密北部出現(xiàn)短時強降水天氣(“8·8”過程)。

注:矩形代表哈密地區(qū),G代表大陸高壓,粗實線代表低層切變線。圖3 (a,b)2018年7月31日02時(a)500 hPa位勢高度場(等值線,單位:dagpm)和風(fēng)場(陰影),(b)200 hPa急流(等值線和風(fēng)矢,單位:m·s-1) 和700 hPa急流(陰影和風(fēng)羽)分布;(c,d)2016年8月8日02時(c)500 hPa位勢高度場(等值線,單位:dagpm)和風(fēng)場(陰影),(d)700 hPa風(fēng)場(陰影和風(fēng)羽)分布Fig.3 (a, b) Distribution of (a) the 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field (shaded), and (b) 200 hPa jet stream (contour and wind vector, unit: m·s-1) and 700 hPa jet stream (shaded and barb) at 02:00 BT 31 July 2018; (c, d) distribution of (c) the 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field (shaded), and (d) 700 hPa wind field (shaded and barb) at 02:00 BT 8 August 2016

兩次降水天氣過程中哈密地區(qū)多站均達到暴雨量級(圖4),其中“7·31”過程哈密區(qū)域氣象觀測站共15個站達到暴雨,4個站12 h累計降水量超過48 mm(量級達到大暴雨),降水中心哈密沁城鄉(xiāng)小堡站31日00—14時(北京時,下同)14 h累計降水量達到115.5 mm(圖4c)?！?·8”過程哈密區(qū)域氣象觀測站共10個站24 h累計降水量超過48 mm(大暴雨),降水中心巴里坤鎮(zhèn)大直溝站累計降水量達到41.1 mm(圖4d)。兩次天氣過程均發(fā)生在西風(fēng)帶大陸高壓位置異常環(huán)流背景下,且多站出現(xiàn)大暴雨天氣,因而下文將重點分析“7·31”和“8·8”暴雨過程水汽輸送和聚集特征等異同。

3 強降水期間水汽輸送特征分析

以往的研究表明(楊蓮梅,2003;劉晶和楊蓮梅,2017),在合適的環(huán)流條件下,水汽能夠在新疆中亞地區(qū)集中,并通過接力輸送機制輸送至暴雨區(qū)。下文通過對比分析暴雨區(qū)大氣可降水量分布特征、水汽輸送特征、水汽收支和HYSPLIT水汽追蹤結(jié)果,針對“7·31”和“8·8”兩次降水過程暴雨區(qū)水汽接力輸送、匯集及水汽源地等分布特征,探討兩次過程水汽輸送特征的異同。

3.1 GPS-PWV分布特征

利用2015—2018年7月和8月8個站GPS-PWV資料計算得出7月PWV平均值(敦煌站為23.31 mm,瓜州站為23.37 mm,古浪站為22.43 mm,高臺站為25.86 mm,哈密沁城鄉(xiāng)站為19.66 mm),8月PWV平均值(敦煌站為23.31 mm,若羌站為25.8 mm,塔中站為24.3 mm)。通過分析暴雨區(qū)與河西走廊測站PWV月距平變化特征發(fā)現(xiàn),兩次暴雨天氣均與水汽接力輸送密切相關(guān)。

“7·31”過程降水前(28日20時至30日14時),受高壓南側(cè)偏東氣流影響,河西走廊自東南向西北出現(xiàn)一次緩慢增濕過程,東南部(圖5a)古浪站和高臺站PWV月距平值(ΔPWV)為5～10 mm,西北部(圖5b)敦煌站和瓜州站ΔPWV增幅異常明顯,由5 mm增至20 mm,同時暴雨區(qū)受500 hPa中緯度低槽(28—29日)和高壓南部偏東氣流(30日)先后影響,沁城鄉(xiāng)站PWV也出現(xiàn)緩慢增長。30日14—20時河西走廊和暴雨區(qū)GPS測站出現(xiàn)一次快速增長過程,古浪站和高臺站先后在17時和20時達到峰值,其中古浪站14—17時ΔPWV 3 h增幅達7 mm,敦煌站和瓜州站ΔPWV分別在22時和23時達到峰值,哈密沁城鄉(xiāng)站14—20時ΔPWV由12 mm快速增長至17 mm,河西走廊至暴雨區(qū)自東南向西北先后增濕,可能與低空偏東水汽輸送通道有關(guān)。31日02時,河西走廊低空東南急流迅速增強,700 hPa最大風(fēng)速達20 m·s-1,低緯度地區(qū)暖濕氣流經(jīng)河西走廊后,進一步輸送聚集在哈密地區(qū),造成測站02—08時PWV 6 h增幅5.41 mm(圖5c),PWV峰值(08時,49.7 mm)是7月PWV平均值的2倍多,降水前暴雨測站PWV持續(xù)增長和一次急劇增加過程,為局地強降水提供了充沛的水汽。這也說明大尺度水汽輸送、局地PWV變化與測站降水有較好的對應(yīng)關(guān)系,同時也能反映出本次降水過程偏東水汽輸送的情況。

圖5 2018年7月28—31日(a,b)甘肅省4個站、新疆哈密沁城鄉(xiāng)站ΔPWV及(c)哈密沁城鄉(xiāng)站GPS-PWV和逐小時降水量演變Fig.5 Evolution of (a, b) GPS-PWV climatic anomaly at stations located in southeastern and northwestern Hexi Corridor and Hami Area, and (c) GPS-PWV and precipitation at Qinchengxiang Station in Hami from 28 to 31 July 2018

“8·8”過程降水期間,受500 hPa大陸高壓外圍水汽輸送影響,8月4日08時至5日20時(圖6a),新疆巴州南部塔中站和若羌站出現(xiàn)一次持續(xù)增濕過程,塔中站ΔPWV增幅異常明顯(由1 mm 波動增長至15 mm),若羌站ΔPWV由6.8 mm波動增長至15.1 mm。來自高原北部的水汽沿高壓外圍偏南氣流向北輸送,經(jīng)巴州南部接力輸送至哈密北部地區(qū),5日02—21時巴里坤站PWV由17.3 mm持續(xù)增至32.3 mm(圖6c)。6日02時受高壓外圍水汽輸送持續(xù)影響,巴州南部塔中站和若羌站ΔPWV持續(xù)增長,同時700 hPa哈密東北側(cè)高壓底部偏東氣流將河西走廊一線水汽向西輸送至甘肅西北部—哈密北部地區(qū),在對流層中層高壓外圍西南氣流和對流層低層偏東氣流共同影響下,甘肅西北部敦煌站和巴里坤站PWV均出現(xiàn)波動增長過程,其中巴里坤站PWV 6日04—14時期間10 h增幅達10.9 mm,對應(yīng)測站出現(xiàn)少量降水,此后巴里坤站PWV穩(wěn)定維持在一高值附近(34.3～38.0 mm)。隨著中緯度低槽緩慢東移,7日20時槽前西南氣流與高壓外圍西南氣流匯集于哈密北部地區(qū),來自高原北部的水汽與中緯度低槽攜帶的水汽快速聚集在哈密北部上空,巴里坤站PWV從7日20時至8日02時出現(xiàn)緩慢波動增長過程(圖6c),并達到峰值40 mm,是8月PWV平均值的2倍多,對應(yīng)測站8日 00時開始出現(xiàn)強降水天氣。降水前巴里坤站PWV出現(xiàn)三次增濕過程,持續(xù)的水汽補充使得巴里坤站GPS-PWV穩(wěn)定在高值附近。

圖6 2016年8月(a)4—7日新疆巴州南部2個站,(b)6—8日甘肅敦煌站ΔPWV演變,(c)5—9日新疆哈密巴里坤站GPS-PWV和逐小時降水量演變Fig.6 Evolution of GPS-PWV at (a) two stations located in the southern Bazhou Area and (b) Dunhuang Station from 4 to 8 August, and (c) evolution of GPS-PWV and precipitation in Balikun Station from 5 to 9 August 2016

3.2 兩次暴雨過程的水汽輸送特征

通過地基GPS-PWV演變特征分析發(fā)現(xiàn),兩次過程均存在水汽接力輸送過程,暴雨區(qū)水汽均存在2～3次波動增濕過程,為證實充沛的水汽是如何輸送至暴雨區(qū),下文通過對比分析兩次過程水汽輸送通道和水汽源地的差異,闡明水汽是通過哪些通道完成水汽接力輸送過程。

“7·31”強降水前(7月28日20時,圖略),中緯度低槽位于巴爾喀什湖東側(cè),移動緩慢,下游大陸高壓穩(wěn)定少動,在槽前偏南暖濕氣流影響下,哈密沁城鄉(xiāng)出現(xiàn)一次緩慢增濕過程。30日02時(圖7a),500 hPa大陸高壓位置異常偏北,中心位于40°N附近,700 hPa南海水汽沿南支槽前偏南氣流向北輸送(圖略),與高壓外圍水汽在河北南部交匯增強,繼續(xù)向河西走廊一線輸送,河西走廊中部最大水汽通量達12 g·cm-1·hPa-1·s-1,探空站比濕迅速由6～9 g·kg-1增至10～11 g·kg-1。30日14時至31日02時(圖7b),受高壓南側(cè)對流層低層偏東水汽接力輸送影響,河西走廊南、北部水汽通量大值中心由14 g·cm-1·hPa-1·s-1增至22 g·cm-1·hPa-1·s-1,河西走廊和暴雨區(qū)自東南向西北先后出現(xiàn)一次快速增濕過程;隨著700 hPa河西走廊東南急流增強,來自低緯度暖濕氣流沿急流向西北方向輸送,在偏東水汽接力輸送影響下,31日08時哈密探空站700 hPa比濕增至11 g·kg-1,暴雨區(qū)充沛的水汽在合適的動力、熱力條件下快速聚集,水汽通量大值區(qū)附近多個對流云團生成、合并和發(fā)展,造成哈密東南部極端強降水天氣。

“8·8”過程強降水前(8月4日08時至5日20時,圖略),大陸高壓位置異常偏西,并由帶狀斷裂成塊狀分布,受高壓外圍偏南氣流影響,高原北部水汽經(jīng)巴州南部向哈密北部輸送,造成塔中站、若羌站和哈密巴里坤GPS-PWV先后出現(xiàn)增濕過程,若羌探空站700 hPa比濕達7 g·kg-1(圖略)。6日02時(圖7c),700 hPa哈密東北側(cè)高壓中心強度增至316 dagpm,甘肅西北部—哈密北部均受高壓底部偏東氣流控制,內(nèi)蒙古中部地區(qū)水汽經(jīng)偏東氣流輸送至甘肅西北部—哈密北部地區(qū),造成甘肅西北部最大水汽通量達10 g·cm-1·hPa-1·s-1。隨著700 hPa高壓中心向南移動,高壓西側(cè)東南氣流與500 hPa高壓外圍西南氣流交匯于哈密北部地區(qū),造成暴雨區(qū)再次出現(xiàn)快速增濕過程。7日08時(圖7d),500 hPa低槽移速緩慢,槽前西南氣流與高壓外圍西南氣流交匯,兩支氣流合并為暴雨區(qū)帶來充沛的水汽,巴州北部—哈密北部最大水汽通量達10 g·cm-1·hPa-1·s-1。同時700 hPa高壓西側(cè)偏南氣流經(jīng)河西走廊向暴雨區(qū)接力輸送(圖略),充沛水汽進一步向暴雨區(qū)補充,哈密北部巴里坤站GPS-PWV 穩(wěn)定維持較高值附近。

通過求解泊松方程(丁一匯,1989)計算和分析哈密地區(qū)兩次暴雨過程水汽流函數(shù)、勢函數(shù)分布發(fā)現(xiàn),兩次暴雨天氣過程水汽輸送通道各有不同?！?·31”過程中,700 hPa與500 hPa來自低緯度中國南海的水汽補充到大陸高壓南側(cè)偏東氣流中,兩支水汽在河西走廊南側(cè)交匯繼續(xù)向西北方向輸送(圖8a,8b),暴雨區(qū)附近對流層低層出現(xiàn)強的水汽輻合中心(圖8e,8f),其中對流層低層水汽通量的非輻散分量是中層的2倍。南海水汽與大陸高壓外側(cè)水汽在河西走廊交匯加強,共同構(gòu)成對流層中低層偏東水汽接力輸送通道。強降水發(fā)生期間水汽源自中國南海和河西走廊一線(即西風(fēng)帶大陸高壓南側(cè)),水汽在暴雨區(qū)快速聚集匯合造成強降水天氣,一定程度上說明副熱帶地區(qū)暖濕氣流能夠影響到干旱、半干旱內(nèi)陸地區(qū)。

“8·8”過程降水期間,500 hPa來自青?！嗖馗咴辈康乃卮箨懜邏和鈬蠚饬飨驏|北方向輸送,與中緯度低槽前偏南氣流交匯于巴州北部—哈密北部(圖8c),水汽經(jīng)河西走廊向暴雨區(qū)輸送,同時700 hPa河西走廊的水汽進一步向哈密地區(qū)補充(圖8d),造成巴州北部—哈密北部均處于水汽的輻合區(qū)(圖8g,8h),并伴有中心強度為-3×106kg·s-1的強水汽輻合中心(圖8h)。對流層中層高原北部水汽經(jīng)大陸高壓外側(cè)向北輸送,與中緯度低槽前偏南氣流交匯,同時對流層低層存在偏東水汽輸送,共同構(gòu)成“8·8”過程對流層中低層偏東水汽接力輸送通道。

綜合上述分析發(fā)現(xiàn),“7·31”過程降水前河西走廊和暴雨區(qū)出現(xiàn)持續(xù)異常增濕過程,河西走廊受大陸高壓南側(cè)偏東氣流影響早,測站自東南向西北ΔPWV先后達到峰值。PWV持續(xù)增濕過程與700 hPa高壓南側(cè)偏東氣流和南支槽前偏南氣流的匯合有較好對應(yīng)關(guān)系,進一步說明本次強降水過程存在強盛的偏東水汽接力輸送,也反映出副熱帶洋面水汽在一定環(huán)流形勢下能夠影響到干旱、半干旱的新疆東部地區(qū)。而“8·8”過程強降水發(fā)生前和降水期間暴雨區(qū)先后受對流層中層大陸高壓外圍偏南氣流、對流層低層偏東氣流和對流層中層低槽前西南氣流影響,使得暴雨區(qū)PWV出現(xiàn)三次增濕過程,相較“7·31”降水過程,“8·8”過程降水前2～3 d PWV增濕明顯,降水前1 d PWV穩(wěn)定在一較高值附近并緩慢波動增長,而“7·31”過程哈密東南部強降水前2～3 d測站PWV增長緩慢,降水前1 d PWV出現(xiàn)迅速增長過程,兩次降水過程水汽輸送特征差異明顯。

3.3 水汽收支分析

除了充沛的水汽供應(yīng)和輸送外,暴雨的產(chǎn)生離不開水汽的局地聚集。為進一步對水汽局地聚集和變化特征進行分析,下文計算了兩次降水過程期間哈密地區(qū)(40.5°～45°N、94°～97°E)的水汽收支情況。通過分析發(fā)現(xiàn),“7·31”過程降水前和降水期間(7月28—31日,圖9a～9d),暴雨區(qū)緯向水汽主要由對流層低層?xùn)|邊界流入,經(jīng)向水汽主要由對流層低層南邊界流入。隨著低空東南急流建立,來自河西走廊的充沛水汽被輸送至暴雨區(qū)上空,31日02時—08時水汽流入集中在800～600 hPa,其中700 hPa東邊界和南邊界最強水汽流入分別達5×10-4kg·m-2·s-1和 6×10-4kg·m-2·s-1?！?·8”過程降水前和降水期間(圖9e～9h),低槽前西南氣流與高壓外圍偏西氣流交匯,造成暴雨區(qū)對流層中層西邊界水汽流入迅速增大(圖9e),受對流層低層哈密東北側(cè)高壓底部東南氣流影響,8月6日20時至8日08時700 hPa東邊界和南邊界水汽流入逐漸增大,隨著高壓逐漸向南移動,8日02時暴雨區(qū)上空偏南氣流迅速增大,南邊界水汽流入達 4.5×10-4kg·m-2·s-1(圖9g)。

圖9 (a～d)“7·31”和(e～h)“8·8”過程暴雨區(qū)(a,e)西,(b,f)東,(c,g)南,(d,h)北邊界水汽流入(等值線和填色,單位:10-4 kg·m-2·s-1)的時間變化Fig.9 Water vapor inflows (contour and colored, unit: 10-4 kg·m-2·s-1) from (a, e) west, (b, f) east, (c, g) south and (d, h) north into the Hami Area through horizontal advection during (a-d) the 31 July and (e-h) the 8 August processes

從圖10可以看出兩次降水過程暴雨區(qū)水汽收支主要由垂直輸送和散度項決定,水汽的局地變化很小,可以忽略。降水期間水汽散度項存在明顯變化,“7·31”過程降水水汽主要集中在900～600 hPa(圖10a,10b),其中700 hPa東邊界和南邊界最大水汽流入分別達5.5×10-4kg·m-2·s-1和6.0×10-4kg·m-2·s-1(圖10c,10d),對流層低層充沛的水汽輸送至600 hPa以上,對應(yīng)850～650 hPa存在明顯的水汽垂直輸送。而“8·8”過程降水前和降水期間整層大氣均存在水汽流入,其中水汽最大流入集中在850～700 hPa(圖10e,10f),降水前500 hPa西邊界和降水期間700 hPa南邊界最大水汽流入分別為3.0×10-4kg·m-2·s-1和4.5×10-4kg·m-2·s-1(圖10g,10h)。

注:圖a,b,e,f中點線為散度項,實線為水汽局地變化,虛線為水汽垂直輸送項;圖c,d,g,h中紫色點線、綠色實線、藍色虛線和紅色虛線分別代表西、東、南和北邊界水汽流入流出項,黑色實線代表水汽散度項。圖10 (a～d)“7·31”和(e～h)“8·8”過程暴雨區(qū)降水期間(a,b,e,f)水汽收支和(c,d,g,h)散度項分布Fig.10 Distribution of (a, b, e, f) water vapor budget and (c, d, g, h) divergent term in Hami Area during (a-d) the 31 July and (e-h) the 8 August processes

3.4 HYSPLIT水汽追蹤

通過分析兩次東天山暴雨天氣水汽源地發(fā)現(xiàn),河西走廊水汽輸送均對兩次暴雨天氣過程具有貢獻,而其他水汽源地略有不同。

“7·31”過程降水期間暴雨區(qū)上空3000 m高度水汽主要源自哈薩克斯坦南部(軌跡1)、南疆西部山區(qū)(軌跡2)、西西伯利亞平原(軌跡3)、塔里木盆地(軌跡4)和中國南海(軌跡5),分別占3000 m高度水汽輸送總量的28%、32%、12%、16%和12%。軌跡1和軌跡2,來自哈薩克斯坦南部和南疆西部山區(qū)的水汽沿中緯度低槽前偏南氣流向北輸送,翻越天山大地形后進入暴雨區(qū)上空,最大比濕由3 g·kg-1增至6 g·kg-1(圖11c)。此外低空南海水汽(軌跡5 占3000 m水汽輸送總量12%)向北輸送,經(jīng)河西走廊地區(qū)后進入暴雨區(qū),氣團最大比濕達9 g·kg-1(圖11e)?！?·31”過程降水期間,暴雨區(qū)上空5000 m高度水汽主要源自塔吉克斯坦(軌跡1)和廣東沿海地區(qū)(軌跡2)(圖11b),分別占5000 m高度水汽輸送總量的72%和28%。軌跡1,氣團自塔吉克斯坦2500 m高度沿中緯度低槽前偏南氣流翻越昆侖山和天山后,氣團高度增至5000 m附近(圖11d),比濕維持在3 g·kg-1。軌跡2,氣團自副熱帶地區(qū)向北經(jīng)河西走廊進入暴雨區(qū),氣團比濕增至6 g·kg-1(圖12f)。

注:★代表暴雨中心哈密沁城鄉(xiāng)小堡站。圖11 “7·31”過程暴雨區(qū)上空(a,c,e)3000 m和(b,d,f)5000 m水汽輸送通道的(a,b)空間分布,(c,d)高度和(e,f)比濕變化Fig.11 (a, b) Spatial distribution, and changes in (c, d) height and (e, f) specific humidity of the water vapor transport channel at (a, c, e) 3000 m and (b, d, f) 5000 m in the Hami Area during the 31 July process

來自副熱帶地區(qū)暖濕氣團匯集于河西走廊接力輸送區(qū),在低空偏東急流輸送下再次向西輸送至暴雨區(qū),對流層中低層偏東水汽接力輸送通道的建立為暴雨區(qū)輸送充沛的洋面水汽,暖濕不穩(wěn)定能量在暴雨區(qū)有效釋放對暴雨的發(fā)生具有不可忽視的作用(Akiyo and Yasunari,1998),造成暴雨區(qū)出現(xiàn)強降水,這與前文分析結(jié)果較為一致。

“8·8”過程暴雨期間3000 m高度水汽源自青藏高原東部(軌跡1)、河西走廊(軌跡2)、新疆巴州東部(軌跡3)和內(nèi)蒙古中部(軌跡4),分別占3000 m高度水汽輸送總量的14%、52%、24%和10%(圖12a,12c),其中:軌跡1和軌跡2,來自高原東部和河西走廊的氣塊沿河西走廊偏東氣流進入暴雨區(qū),最大氣塊比濕達8 g·kg-1(圖12e);軌跡3,氣塊自新疆巴州南部沿大陸高壓西側(cè)偏南氣流向暴雨區(qū)輸送,最大比濕由4 g·kg-1增至8 g·kg-1?！?·8”降水期間暴雨區(qū)上空5000 m高度水汽源自偏西、偏東和偏南路徑(圖12b),其中:軌跡1,來自蒙古、河西走廊的水汽沿高壓底部偏東氣流進入哈密地區(qū);軌跡2和軌跡5,源自昆侖山北坡4500 m高度的氣塊向北輸送至暴雨區(qū),在翻越天山過程中比濕由2 g·kg-1增至6 g·kg-1,氣團高度爬升至5000 m附近(圖12d);軌跡3和軌跡4,來自中亞地區(qū)5000 m高度氣團經(jīng)帕米爾高原、天山山脈爬升后進入暴雨區(qū),比濕增至4 g·kg-1(圖12f)。上述結(jié)果進一步證實了對流層中層中緯度低槽西南氣流、大陸高壓西側(cè)偏南氣流和對流層低層偏東氣流對暴雨區(qū)水汽輸送的影響。來自青藏高原東側(cè)和北側(cè)水汽沿高壓外圍偏南氣流向北輸送至暴雨區(qū),與中緯度西南氣流匯集于哈密北部,同時對流層低層水汽沿低層偏東氣流進一步補充,造成哈密北部暴雨天氣,這與前文分析結(jié)果較為一致。

4 結(jié)論與展望

通過分析“7·31”和“8·8”兩次哈密地區(qū)暴雨天氣過程的水汽輸送特征,給出了兩次強降水過程水汽輸送、源地的異同點,得出以下結(jié)論:

(1)兩次暴雨天氣過程均發(fā)生在西風(fēng)帶大陸性高壓位置異常情況下,“7·31”過程強降水期間,500 hPa 大陸高壓位置異常偏北,700 hPa高壓南側(cè)偏東急流穩(wěn)定維持,較低緯度充沛水汽經(jīng)河西走廊后繼續(xù)向暴雨區(qū)輸送?！?·8”過程強降水期間,500 hPa 大陸高壓位置異常偏西,高原北部水汽沿高壓外圍西南氣流向北輸送,與中緯度低槽前西南氣流交匯,為暴雨區(qū)提供充沛的水汽條件。

(2)兩次暴雨天氣過程降水前和降水期間均存在三個階段水汽輸送過程(圖13),其中“7·31”過程降水前分別受500 hPa中緯度低槽前偏南氣流、700 hPa南支槽前偏南氣流與大陸高壓南側(cè)偏東氣流影響,甘肅地區(qū)及哈密東南部暴雨區(qū)自東南向西北出現(xiàn)先后增濕,強降水期間河西走廊低空偏東急流迅速增強,低緯度水汽經(jīng)河西走廊再次補充到暴雨區(qū)上空?！?·8”過程降水前先后受高壓外圍偏南氣流、河西走廊低空急流影響,高原北部水汽輸送造成巴州南部—哈密北部出現(xiàn)增濕過程;對流層低層水汽補充造成哈密北部再次劇烈增濕;強降水期間,中緯度低槽前西南氣流與大陸高壓頂部偏西氣流匯集,同時受對流層低層高壓西側(cè)東南氣流影響,哈密北部測站PWV再次出現(xiàn)波動增濕過程。

圖13 (a)“7·31”和(b)“8·8”過程暴雨水汽輸送概念模型Fig.13 Conceptual model of water vapor transport and aggregation during (a) the 31 July and (b) the 8 August processes

(3)河西走廊水汽輸送均對兩次暴雨天氣過程有貢獻,除此之外,兩次暴雨天氣過程其他水汽源地略有不同,“7·31”暴雨天氣過程水汽源地主要在南海、大陸高壓南側(cè)及河西走廊地區(qū),低緯度洋面水汽經(jīng)河西走廊向暴雨區(qū)輸送,造成對流層低層哈密地區(qū)東邊界和南邊界出現(xiàn)水汽流入大值區(qū),水汽在暴雨區(qū)快速聚集從而產(chǎn)生強降水天氣。而“8·8”暴雨天氣過程水汽主要源自對流層低層高原東部和河西走廊、對流層中層青藏高原北部和中緯度低槽自身攜帶的水汽,來自青藏高原北側(cè)水汽沿大陸高壓外圍偏南氣流向北輸送至暴雨區(qū),與中緯度西南氣流匯集于哈密北部,造成哈密地區(qū)對流層低層?xùn)|邊界和南邊界、對流層中層西邊界出現(xiàn)水汽流入大值區(qū),為哈密北部短時強降水天氣提供充沛的水汽供應(yīng)。

作為國家“絲綢之路經(jīng)濟帶”重要節(jié)點城市,近年來哈密地區(qū)暴雨天氣逐漸引起各方關(guān)注。同樣在西風(fēng)帶大陸高壓位置異常情況下,暴雨區(qū)落區(qū)、強度卻有所不同,造成強降水的水汽源地、水汽輸送特征差異較大,因而本文通過計算分析水汽輸送流函數(shù)、勢函數(shù)、暴雨區(qū)水汽收支、GPS-PWV演變特征等,結(jié)合HYSPLIT軌跡模式,給出了大陸高壓位置異常情況下哈密地區(qū)兩次極端強降水天氣水汽輸送特征、水汽源地的異同特征,研究結(jié)果有助于增強對干旱、半干旱區(qū)暴雨形成的認(rèn)識、提高哈密地區(qū)降水預(yù)報準(zhǔn)確率。但研究工作僅針對了兩次天氣過程,樣本量少,且水汽追蹤利用HYSPLIT軌跡模式,其結(jié)果易受數(shù)據(jù)分辨率影響。今后,將針對干旱、半干旱區(qū)暴雨事件,加大研究樣本,應(yīng)用WRF數(shù)值模式深入探討干旱區(qū)短時強降水水汽輸送和聚集機理研究。此外,預(yù)報員在業(yè)務(wù)實踐中也可重點關(guān)注河西走廊水汽輸送和大陸高壓異常對于局地降水的影響,同時結(jié)合多源氣象探測數(shù)據(jù),使哈密地區(qū)夏季暴雨定時、定量預(yù)報能夠得到實質(zhì)性的進展。