Plateau Meteorology

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2024 , Vol. 43 >Issue 1: 141 - 155

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00041

Analysis of Water Vapor Characteristics During Heavy Snow in Different Warm Regions of Northern Xinjiang

  • Xiaocui ZHUANG ,
  • Lijuan CHEN ,
  • Boyuan LI ,
  • Yunlin MIAO
Expand
  • 1. Altai Regional Meteorological Bureau of Xinjiang，Altai 836500，Xinjiang，China
    2. Urumqi Meteorological Bureau of Xinjiang Province，Urumqi 830002，Xinjiang，China

Received date: 2022-01-04

  Revised date: 2023-05-06

  Online published: 2024-01-11

Fold

Abstract

This thesis analyzed the data with NCEP/NCAR method， took HYSPLIT （Lagrangian forward trajectory） method to simulate water vapor characteristics of 27 winter snowstorms in northern Xinjiang from 1980 to 2020， and also analyzed the source-sink relationship of water vapor in different regions and its contribution to blizzard.The results show that the main 500 hPa water vapor source is from Greenland， the Atlantic Ocean and its coast， the Mediterranean Sea， as well as the Black Sea and its vicinity.The water vapor source contributing the most to the blizzard in Altay region is from the Atlantic Ocean and its coastal area， the water vapor source contributing the most to the blizzard in Ta'e Basin is from the Mediterranean Sea， the Black Sea and its vicinity， and the losses along the way are great.700 hPa water vapor source is mainly from northern Europe， the Atlantic Ocean and its vicinity， the Mediterranean Sea， as wll as the Black Sea and its vicinity.The water vapor source contributing the most to the blizzard in Altay is from the Mediterranean Sea， the Black Sea and its vicinity， and the greatest losses are in and around the Mediterranean Sea and the Black Sea； the water vapor source contributing the most to the Ta'e basin is from northern Europe， and the greatest losses are in the Atlantic Ocean and its coasts.850 hPa water vapor source is mainly from Central Asia the Mediterranean Sea， the Black Sea and its vicinity， the former contributed the most to blizzard.After reaching the blizzard area， the water vapor increases.The water vapor in each source reaches the key lizzard areas with the westerly air flow， mainly from the west （southwest） and northwest， and the former path is dominant； The source and path of water vapor in Altay area of lower troposphere are more complicated than that in Ta'e Basin.Based on the above analysis， the contribution model of water vapor source and path of snowstorm in warm area was constructed， and the water vapor contribution of each layer in Altay area and Ta'e Basin was described in detail.

Key words： Northern Xinjiang; blizzard in warm area; water vapor characteristics; HYSPLIT mode

Cite this article

Xiaocui ZHUANG , Lijuan CHEN , Boyuan LI , Yunlin MIAO . Analysis of Water Vapor Characteristics During Heavy Snow in Different Warm Regions of Northern Xinjiang[J]. Plateau Meteorology, 2024 , 43(1) : 141 -155 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00041

1 引言

新疆位于欧亚大陆腹地， 远离海洋， 水汽匮乏， 属典型的大陆性干旱半干旱气候区， 但新疆北部是中国积雪最丰富区域， 是三大雪灾高频中心之一（李培基， 1998； 郝璐等， 2002）。近年来该区暴雪频发（庄晓翠等， 2013， 2018）， 就其造成灾害影响程度而言， 暖区暴雪具有发生频次高、 影响范围广、 降雪量大、 积雪深度厚、 造成的灾情重等特点， 是预报工作的难点和重点。水汽是影响强降水的重要因素之一， 水汽来源及输送直接影响降水的形成和强度（Trenberth， 1998）。新疆水汽输送自西向东， 冬季水汽源地在里海和地中海， 更多的水汽来源于较高纬度（戴新刚等， 2006）， 高纬和低纬水汽向中亚输送汇合后沿西风气流进入新疆（刘蕊和杨青， 2010）。新疆北部持续性暴雪的水汽来自高纬北大西洋、 巴伦支海， 中纬地中海、 里海和咸海， 低纬红海， 环流配置不同水汽输送路径有所差异， 但主要以中低纬水汽输送为主， 其中北疆西部北部型水汽输送为北大西洋、 巴伦支海随西北气流东南下， 地中海、 里海和咸海水汽随西风气流与红海水汽随西南气流汇合（杨莲梅和刘雯， 2016； 杨莲梅和刘晶， 2018； 庄晓翠等， 2019， 2016a， 2016b）。北疆北部和东部暴雪以西方路径为主， 暴雪水汽主源地位于地中海和红海海域， 地中海占75%（张俊兰等， 2013）。冬季新疆北部对流层水汽各层西边界都为主要流入界， 东边界为主要流出界， 西风气流输送水汽的多少决定降水异常（杨莲梅等， 2010）。新疆北部典型暖区暴雪过程水汽主要源自大西洋， 随西风气流输送至暴雪区， 沿途得到阿拉伯海、 波斯湾等地水汽的补充（张林梅等， 2021； 美丽巴奴·艾则孜， 2021； 庄晓翠等， 2016c， 2016d， 2018）。暖区暴雪对流层西边界为整层输入， 在暴雪前有明显的增大， 南边界有少量输入， 同时对流层中低层水汽输送量最多（张林梅等， 2021）。
上述关于暴雪过程的水汽问题研究， 是基于欧拉方法通过计算水汽通量和水汽通量矢量随时间的瞬变特征得出的水汽输送路径， 无法定量给出各个水汽源地对暴雪的贡献， 也无法得到气块在运动过程中的空间位置和相应的物理属性随时间的变化（James et al， 2004； 陈斌等， 2011； 王美月等， 2022）。HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integradet Trajectory Model）模式方法通过计算气团的三维运动轨迹， 定量统计出各水汽源地对暴雪（雨）的贡献， 弥补了欧拉方法的不足（孙力等， 2016； 江志红等， 2011， 2013）。近年来HYSPLIT（拉格朗日）轨迹模式被广泛用于追踪水汽（刘煜等， 2022； 王美月等， 2022； 王卫国等， 2022）， 国内研究多集中在暴雨天气（孙建华等， 2016； 孙力等， 2016； 孔祥伟等， 2021； 庄晓翠等， 2022a， 2022b， 2022c）。但目前运用此方法来追踪新疆暴雪的研究尚不多见， 那么影响暖区暴雪的水汽来源及输送如何？其对暴雪的贡献怎样？是目前亟待解决的关键问题。因此本文主要基于HYSPLIT轨迹模式对近40年新疆北部发生的27次暖区暴雪过程的水汽特征开展较详细的研究， 以期更好地认识新疆冬季暖区暴雪形成机理， 为西北干旱区降水研究和新疆暴雪预报预警提供科技支撑， 为防灾减灾救灾和生态文明建设提供决策依据。

2 研究区概况及暴雪过程定义

2.1　研究区概况

研究区域（图1）主要包括塔城地区北部： 塔城、 额敏、 裕民、 托里、 布克赛尔站， 塔额盆地为前4个站； 阿勒泰地区： 阿勒泰、 吉木乃、 哈巴河、 布尔津、 福海、 阿克达拉、 富蕴、 青河站， 该区域地处欧亚大陆腹地， 中国西北部， 天山山脉北侧， 地形地貌极其复杂。塔城地区北为东西走向塔尔巴哈台山、 东和南为东北-西南向的吾尔喀什尔山和巴尔鲁克山， 使塔额盆地形成向西开口的“喇叭口”地形， 低空西风气流有利于塔额盆地水汽辐合抬升。阿勒泰地区位于新疆最北部， 东与蒙古国、 西与哈萨克斯坦、 北与俄罗斯接壤， 西南与塔城地区相邻， 位于西北-东南走向的阿尔泰山西南麓， 地势东北高、 中部河谷平原低、 西南高， 呈向南开口的喇叭口地形， 西南气流有利于地形的辐合抬升， 特殊的地形地貌及较高的纬度使得塔额盆地和阿勒泰地区冬季多暖区暴雪（崔彩霞等， 2017）。
图1 新疆北部地形高度（阴影； 单位： m）、 研究区域（虚线框）及其站点（黑点）分布

站名后的数值为暴雪中心出现的次数

Fig.1 Terrain of Nouthern Xinjiang （shade， unit： m）， the study area （dotted box） and the distribution of the blizzard in warm area center （black dot）.The number after the station name is the times the blizzard center appears

2.2　暖区暴雪标准及过程定义

按照新疆暴雪标准： 12.0 mm<R（日降雪量）≤24.0 mm为暴雪， R≥24.1 mm为大暴雪， 并伴有3 h减压和24 h升温的降雪天气现象， 为暖区暴雪（庄晓翠等， 2016c）。满足： ①2个以上相邻地区， 1天有5个以上测站出现暴雪； ②1天1个地区有2站或以上出现暴雪， 或相邻两个地区的2个测站， 直线距离在200 km以内； ③相邻2个地区1天有3~4站出现暴雪， 或连续2天有4站及以上出现暴雪。雨夹雪天气过程， 还需满足≥1个站积雪深度≥10 cm。符合上述条件之一的为一次暖区暴雪过程。

3 资料来源及方法介绍

3.1　资料来源

使用了1980 -2020年的11月到次年3月13个国家级气象观测站（图1）逐日［20:00（北京时， 下同）至次日20:00］降水量、 天气现象、 积雪深度、 气压、 气温等资料； NCEP/NCAR再分析资料， 水平分辨率为2.5°×2.5°， 垂直层次为1000~100 hPa共21层。另外， GDAS 全球再分析资料， 已有NOAA的ARL（Air Resources Laboratory）打包成HYSPLIT模式可用的数据格式， 垂直分层： 1000~10 hPa共17层。

3.2　方法

（1） HYSPLIT轨迹追踪方法： 运用HYSPLIT模式模拟后向追踪暖区暴雪过程的水汽源地及输送特征。HYSPLIT是NOAA空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种可处理不同气象要素输入、 不同排放源和不同物理过程的输送、 扩散、 沉降过程的模式系统， 能够追踪气块的来源（Draxler and Hess， 1998； Makra et al， 2011； Stohl and Janes， 2004）。该模型的轨迹模拟方法通过质点移动路径的空间和时间上的位置矢量进行积分， 由质点的初始位置和第一猜测位置的平均速率计算得到气块的追踪位置， 对气块进行后向积分得到水汽来源、 输送路径及其对暴雪的贡献（Perry et al， 2007； Gustafsson et al， 2010； 江志红等， 2011； 周玉淑等， 2019）。
研究区域测站海拔为522~1218 m， 因此， 模拟追踪初始高度选取500 hPa（5000 m）、 700 hPa（3000 m）、 850 hPa（1500 m）距离测站的高度， 开始时间为暴雪日20:00， 向后追踪168 h（7天）， 每隔6 h所有轨迹初始点向后追踪模拟168 h， 输出轨迹点的位置和各气象要素值； 分别将各高度层的后向轨迹路径进行聚类分析， 遵循类与类间差异极大而同一类内部差异极小的原则（Draxler and Hess， 1998； Makra et al， 2011； Stohl and Janes， 2004）， 得到168 h后向追踪的平均轨迹， 以此分析新疆北部暖区暴雪过程在上述3个高度上水汽来源及输送特征。
（2） 水汽贡献率计算方法： 根据江志红等（2011）提出一种定量计算水汽贡献率的方法， 即通过计算不同路径到达暴雪区的轨迹水汽比湿与暴雪区全部轨迹比湿之和的比值得出不同路径的水汽贡献率。
Q S = ∑ 1 m q l a s t ∑ 1 n q l a s t × 100 %
式中： QS 表示某一源地的水汽贡献率； q last表示空气块到达目标区域的比湿； m表示在某一源地所包含的气块个数； n表示所有源地气块到达目标区域的总个数。

4 暴雪过程概况及环流特征

4.1　暴雪过程概况

由表1可知， 近40年新疆北部出现的27次暖区暴雪过程， 持续1天的最多有15次， 最大日降雪量为30.1 mm， 发生在2010年12月21日裕民站。持续2天的次之， 有7次， 其中， 2010年12月3 -4日的过程日降雪量最大， 中心为39.8 mm， 出现在额敏站； 2010年1月6 -7日的过程累计降雪量最大， 中心为54.4 mm， 出现在富蕴站。过程持续3天的有3次， 均发生在20世纪90年代， 其中， 日最大降雪量和过程最大累计降雪量均发生在1996年12月28 -30日， 出现在新源站和阿勒泰站， 降雪量分别为34.6 mm和39.7 mm。持续时间最长的为4天， 仅出现了2次， 分别出现在2010年11月17 -20日和2016年11月10 -13日， 前1次过程日最大和累计暴雪中心分别出现在裕民站和富蕴站， 降雪量分别为21.8 mm、 29.3 mm， 后一次过程则集中出现在裕民站， 为41.4 mm。可见， 新疆北部暖区暴雪过程持续1~2天的最多， 占总个例的81.5%， 持续3天和4天的较少， 主要发生在20世纪90年代至21世纪初， 与新疆暖湿气候变背景一致。
表1 1980 -2020年新疆北部暖区暴雪天气过程概况

Table 1 Overview of the snowstorm weather process in the warm zone of Northern Xinjiang from 1980 to 2020

序号 暴雪过程 持续时间 /天 出现暴雪站次/次 研究区最大日雪量及站点 最大过程雪量及站点 影响系统
研究区域 暴雪过程 雪量/mm 观测站 雪量/mm 观测站
1 1980年11月19日 1 2 2 16.5 阿勒泰 16.5 阿勒泰 短波槽
2 1986年12月28日 1 2 2 16.7 富蕴 16.7 富蕴 西西伯利亚极涡
3 1990年11月26日 1 2 2 16.5 青河 16.5 青河 西西伯利亚极涡
4 1991年11月30日 1 4 5 14.6 富蕴 14.6 富蕴 西西伯利亚极涡
5 1993年3月29 -31日 3 4 8 15.2 克拉玛依 27.4 塔城 西西伯利亚极涡
6 1993年11月12 -14日 3 6 9 19.8 额敏 32.0 裕民 西西伯利亚极涡
7 1996年10月27 -28日 2 3 4 21.6 天池 30.5 青河 西西伯利亚极涡
8 1996年12月28 -30日 3 6 11 34.6 新源 39.7 阿勒泰 西西伯利亚低涡
9 1997年11月23日 1 2 2 17.3 青河 17.3 青河 西西伯利亚槽
10 1997年12月17日 1 3 3 25.3 塔城 25.3 塔城 西西伯利亚低涡
11 2000年11月23日 1 3 3 20.1 富蕴 20.1 富蕴 西西伯利亚低涡
12 2002年11月20 -21日 2 4 4 30.1 塔城 51.1 塔城 短波槽
13 2004年3月8 -9日 2 3 4 16.9 裕民 16.9 裕民 西西伯利亚极涡
14 2005年11月3 -4日 2 4 11 20.9 富蕴 20.9 富蕴 西西伯利亚极涡
15 2007年11月23日 1 6 7 23.3 塔城 23.3 塔城 西西伯利亚槽
16 2009年1月16日 1 4 4 19.4 塔城 19.4 塔城 西西伯利亚低涡
17 2009年12月23日 1 2 4 19.1 富蕴 19.1 富蕴 西西伯利亚极涡
18 2010年1月2日 1 2 2 20.9 裕民 20.9 裕民 短波槽
19 2010年1月6 -7日 2 10 10 37.3 富蕴 54.4 富蕴 中亚低涡
20 2010年3月10日 1 3 3 19.6 裕民 19.6 裕民 中亚低涡
21 2010年3月17日 1 3 3 15.5 哈巴河 15.5 哈巴河 短波槽
22 2010年11月17 -20日 4 10 12 21.8 裕民 29.3 富蕴 西西伯利亚槽
23 2010年12月3 -4日 2 6 7 39.8 额敏 39.8 额敏 西西伯利亚槽
24 2010年12月21日 1 3 5 30.1 裕民 30.1 裕民 西西伯利亚槽
25 2016年11月10 -13日 4 10 12 41.4 裕民 41.4 裕民 西西伯利亚极涡
26 2016年11月16 -17日 2 3 10 28.0 青河 36.6 霍尔果斯 西西伯利亚极涡
27 2018年3月1日 1 3 3 18.5 富蕴 18.5 富蕴 西西伯利亚低涡

4.2　环流特征

分析造成新疆北部27次暖区暴雪过程500 hPa影响系统可知， 西西伯利亚极涡11例， 占40.7%， 西西伯利亚低涡5例， 占18.5%， 西西伯利亚低槽5例， 占18.5%， 短波槽4例， 占14.8%， 中亚低涡2例， 占7.4%（表1）。可见造成新疆北部暖区暴雪过程的主要影响系统为西西伯利亚极涡、 低涡、 低槽型最多， 共21例， 占77.7%， 短波槽和中亚低涡型较少。因此， 造成新疆北部暖区暴雪的典型环流形势为500 hPa上中高纬欧亚范围为两脊一槽型， 欧洲、 贝加尔湖为脊区， 西西伯利亚为极涡（低涡、 低槽）， 新疆北部位于其底部偏西或西南强锋区上； 中低纬地中海东部至里海南部槽前西南气流与强锋区在咸海至巴尔喀什湖到新疆北部汇合， 锋区上短波槽东移造成新疆北部暖区暴雪天气（图略）。暴雪区位于300 hPa上高空西南（偏西）急流轴右侧辐散区， 500 hPa槽前强西南（偏西）锋区， 700 hPa上低空西南（偏西）急流前部辐合和水汽通量散度辐合区及地面图上减压升温的重叠区域（图略）。

5 基于HYSPLIT的水汽轨迹分析

首先， 约定来自格陵兰岛及其沿岸、 加拿大东北部的埃尔斯米尔岛及东南部海域的水汽源简称格陵兰； 来自大西洋及其沿岸的水汽简称大西洋； 来自地中海和黑海及其附近的水汽简称地黑； 来自北欧的水汽简称北欧； 来自亚洲西南部各国包括阿拉伯海、 红海、 波斯湾等地的水汽简称西南亚； 来自中亚5国， 包括里海、 咸海及西西伯利亚60°N以南的区域的水汽简称中亚； 来自新地岛东西两侧的水汽简称新地岛。巴尔喀什湖附近为水汽关键区， 简称关键区。
分析新疆北部27次暖区暴雪过程可知（表1）， 暴雪中心出现在阿勒泰地区富蕴站8次、 青河站4次、 阿勒泰站2次， 哈巴河站1次， 共15次过程； 暴雪中心出现在塔额盆地裕民站6次、 塔城站5次、 额敏站1次， 共12次（图1）。因此， 首先对每次暴雪过程中心的3个高度： 500 hPa、 700 hPa、 850 hPa， 运用HYSPLIT模式分别做后向水汽轨迹模拟追踪， 再对相同暴雪中心过程同一层次的轨迹进行聚类， 得到该层该暴雪中心的后向水汽轨迹， 然后对聚类后的每个暴雪中心各层的后向轨迹， 按不同区域进行统计分析。

5.1　 500 hPa 水汽特征

分析新疆北部13条/11条（阿勒泰地区/塔额盆地）暖区暴雪中心500 hPa高度上168 h水汽后向轨迹（图2）可知， 2个区域均有来自格陵兰4条/2条、 大西洋4条/5条、 地黑2条/3条的水汽， 阿勒泰地区还有来自红海、 里海南部和非洲马里北部各1条的水汽， 塔额盆地有来自东西伯利亚半岛1条的水汽， 随西风气流到达关键区后， 主要从偏西（西南）路径输送至暴雪区的占92%/73%， 从西北路径输入的占8%/27%（图2）。
图2 新疆北部暖区暴雪过程中心500 hPa上水汽轨迹的空间分布及高度变化

分布图中数值代表轨迹数， 括号中的值为该条水汽轨迹对暴雪的贡献

Fig.2 Spatial distribution and height variation of 500 hPa water vapor transport channels during snowstorms in the northern of Xinjiang.The values in the figures represent the number of tracks， and the values in parentheses are the contributions of this vapor track to the snowstroms

分析阿勒泰地区［图2（a）~（d）］、 塔额盆地［图2（e）~（g）］暴雪中心500 hPa上水汽轨迹的空间分布及高度变化及其对应的比湿的变化（图3）得到表2和表3。
图3 新疆北部暖区暴雪过程中心500 hPa上水汽轨迹逐时比湿变化

图中C1、 C2、 C3、 C4、 C5曲线分别对应图2中1、 2、 3、 4、 5轨迹的比湿

Fig.3 The specific humidity of water vapor track at 500 hPa during snowstorms in the northern of Xinjiang.C1， C2， C3， C4 and C5 curves in the figure correspond to the specific humidity of tracks 1， 2， 3， 4 and 5 in Fig.2 respectively

表2 阿勒泰地区暖区暴雪过程500 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

Table 2 Water vapor source at 500 hPa height and its contribution to snowstorm process in the warm region of Altay region

水汽 源地 轨迹数 R/% h/m q1/（g·kg-1） q2/（g·kg-1） 损失率 /%
范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均
格陵兰 4 17~36 23 3180~5475 4154 0.88~2.52 1.83 0.16~0.57 0.39 79
大西洋 4 7~80 46 2164~6842 4102 0.45~3.86 2.10 0.36~0.73 0.55 74
地黑 2 14~64 39 2669~3429 3049 1.25~3.67 2.46 0.63~1.18 0.91 63
其他 3 11~18 16 1592~2038 1795 3.1~3.5 3.35 0.68~0.78 0.74 78

R、 h、 q1分别表示水汽源地对暴雪的贡献率、 源地高度和比湿， q2表示暴雪区的比湿； 损失率为（q1平均-q2平均）/q1平均×100%； 其他表示红海、 里海南部及非洲马里北部的水汽

表3 塔额盆地暖区暴雪过程500 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

Table 3 Water vapor source at 500 hPa height and its contribution to snowstorm process in the warm region of Taer basin

水汽源地 轨迹数 R/% h/m q1/（g·kg-1） q2/（g·kg-1） 损失率 /%
范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均
格陵兰 2 13~18 16 3829~5744 4787 0.51~1.82 1.17 0.52~0.57 0.55 53
大西洋 5 14~48 29 3306~4187 3781 1.90~2.98 2.28 0.40~1.08 0.66 71
地黑 3 32~49 40 2567~3425 3082 1.55~3.26 2.34 0.70~1.05 0.87 63
东西伯利亚 1 2 6647 1.13 0.30 73

R、 h、 q1分别表示水汽源地对暴雪的贡献率、 源地高度和比湿， q2表示暴雪区的比湿； 损率失为（q1平均-q2平均）/q1平均×100%

由表2可知， 来自大西洋的水汽对阿勒泰地区暖区暴雪的贡献最大， 其次是地黑， 分别为7%~80%、 14%~64%； 主要从2164~6842 m和2669~3429 m的高度向暴雪区输送； 沿途损失较多， 分别为74%、 63%。来自格陵兰的水汽对暴雪的贡献也较大， 沿途损失最大， 为79%。来自其他源地的水汽对暴雪的贡献最小， 沿途损失为次小（78%）。
由表3可知， 影响塔额盆地暖区暴雪的水汽源地对暴雪的贡献与阿勒泰地区略有不同： 来自地黑的水汽对暴雪的贡献最大， 其次是大西洋， 分别为32%~49%、 14%~48%， 主要从2567~3425 m和3306~4187 m的高度向暴雪区输送， 沿途损失相对较多， 分别为63%、 71%。来自格陵兰的水汽对暴雪的贡献相对较多， 为17%~36%， 主要从3829~5744 m的高度向暴雪区输送， 沿途损失最小， 为53%； 来自东西伯利亚的水汽对暴雪的贡献仅为2%， 沿途损失最大， 为73%。
500 hPa上影响新疆北部暖区暴雪的水汽源地主要为格陵兰、 大西洋、 地黑， 在环流合适时， 随西风气流达到关键区后主要从偏西（西南）和西北路径输入暴雪区， 暴雪落区不同各水汽源地的输送路径和贡献略有差异； 对阿勒泰地区暴雪贡献最大的水汽源地是大西洋， 塔额盆地是地黑， 沿途损失均较大； 各源地水汽主要从>2500 m的高度向暴雪区输送（图2）。
冬季极锋锋区频繁南下， 使得新疆北部暴雪频发， 而极锋锋区位于极涡底部， 其演变与极涡有密切的关系。张家宝和邓子风（1987）研究指出新疆冬半年极涡中心主要有2个高频区域： 亚洲北部（新地岛以东的喀拉海、 泰米尔半岛、 中西伯利亚）和北美洲北部（加拿大的维多利亚岛、 哈德逊湾北部、 巴芬湾和格陵兰西北部）。可见， 来自格陵兰岛的水汽与冬季极涡活动有密切的关系。

5.2　 700 hPa水汽特征

分析新疆北部19条（阿勒泰地区）/11条（塔额盆地）暖区暴雪中心700 hPa高度上168 h水汽后向轨迹（图4）可知， 2个区域均有来自北欧3条/2条、 大西洋4条/3条、 地黑4条/2条的水汽， 阿勒泰地区还有来自西南亚2条、 新地岛3条及咸海南岸、 东西伯利亚及格陵兰岛南部海域各1条的水汽， 塔额盆地有来自中亚2条， 喀拉海东北部及格陵兰岛西南部各1条的水汽， 随西风气流到达关键区后， 主要从偏西（西南）路径输送至暴雪区的占79%/82%， 从西北路径输入的占21%/18%（图4）。
图4 新疆北部暖区暴雪过程中心700 hPa上水汽轨迹的空间分布及高度变化

图中数值代表轨迹数， 括号中的值为该条水汽轨迹对暴雪的贡献

Fig.4 Spatial distribution and height variation of 700 hPa water vapor transport channels during snowstorms in the northern of Xinjiang.The values in the figures represent the number of tracks， and the values in parentheses are the contributions of this vapor track to the snowstroms

分析阿勒泰地区［图4（a）~（d）］、塔额盆地［图4（e）~（g）］暴雪中心700 hPa上水汽轨迹的空间分布及高度变化及其对应的比湿的变化［图5（a）~（d）、 （e）~（g）］得到表4和表5。
图5 新疆北部暖区暴雪过程中心700 hPa上水汽轨迹逐时比湿变化

图中C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6曲线分别对应图4中1、 2、 3、 4、 5、 6轨迹的比湿

Fig.5 The specific humidity of water vapor track at 700 hPa during snowstorms in the northern of Xinjiang.C1， C2， C3、 C4、 C5 and C6 curves in the figure correspond to the specific humidity of tracks 1， 2， 3、 4、 5 and 6 in Fig.4， respectively

表4 阿勒泰地区暖区暴雪过程700 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

Table 4 Water vapor source at 700 hPa height and its contribution to snowstorm process in the warm region of Altay region

水汽源地 轨迹数 R/% h/m q1/（g·kg-1） q2/（g·kg-1） 损失率 /%
范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均
北欧 3 18~29 22 3335~4122 3698 1.14~1.23 1.17 0.65~1.62 1.02 13
大西洋 4 21~26 24 2246~4776 3274 1.40~2.86 2.28 0.92~1.86 1.42 38
地黑 4 17~64 35 1006~2490 1909 2.42~4.43 3.38 1.08~1.69 1.41 58
西南亚 2 11~11 11 2129~2151 2140 1.77~4-10 2.94 1.90~3.57 2.74 7
新地岛 3 5~16 11 2604~5930 4126 0.23~0.93 0.65 0.57~0.90 0.72 -11
其他Ⅰ 3 3~24 14 1968~4646 3663 0.33~2.16 1.02 0.38~1.47 0.81 21

R、 h、 q1分别表示水汽源地对暴雪的贡献率、 源地高度和比湿， q2表示暴雪区的比湿； 损失率为（q1平均-q2平均）/q1平均×100%； 其他Ⅰ为咸海南岸、 东西伯利亚及格陵兰岛南部海域的水汽

表5 塔额盆地暖区暴雪过程700 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

Table 5 Water vapor source at 700 hPa height and its contribution to snowstorm process in the warm region of Taer basin

水汽源地 轨迹数 R/% h/m q1/（g·kg-1） q2/（g·kg-1） 损失率 /%
范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均
北欧 2 29~79 54 3253~3933 3593 1.33~1.88 1.61 0.85~1.74 1.3 19
大西洋 3 11~31 19 2040~3246 2573 1.95~4.12 2.77 1.07~1.28 1.18 57
地黑 2 22~49 36 2528~2868 2698 2.28~2.72 2.5 1.66~2.12 1.89 24
中亚 2 8~33 21 2455~4163 3309 0.95~2.19 1.57 1.08~1.73 1.41 10
其他II 2 11~12 12 3550~7860 5705 0.00~1.41 0.71 1.19~1.67 1.43 -101

R、 h、 q1分别表示水汽源地对暴雪的贡献率、 源地高度和比湿， q2表示暴雪区的比湿； 损失率为（q1平均-q2平均）/q1平均×100%； 其他II为喀拉海东北部及格陵兰岛西南部的水汽

由表4可知， 来自地黑的水汽对阿勒泰地区暖区暴雪的贡献最大， 其次为大西洋， 分别为17%~64%、 21%~26%， 主要从1006~2490 m和2246~4776 m的高度向暴雪区输送， 沿途损失最大， 为58%、 38%。来自北欧的水汽对暴雪的贡献仅次于大西洋， 为18%~29%， 主要从3335~4122 m的高度向暴雪区输送， 沿途损失较小， 为13%。来自西南亚和新地岛的水汽对暴雪的贡献最小， 为11%， 但沿途几乎无损失。来自其他I源地的水汽对暴雪的贡献较小， 损失也较小。
由表5可知， 来自北欧的水汽对塔额盆地的暴雪贡献最大， 其次为地黑， 分别为29%~79%、 22%~49%， 主要从3253~3933 m和2528~2868 m的高度向暴雪区输送， 沿途损失较小， 分别为19%、 24%。来自大西洋和中亚的水汽对暴雪的贡献相对也较小， 沿途损失前者最大， 后者最小。来自其他II的水汽对暴雪的贡献最小仅为12%， 但到达暴雪区后增加了101%， 说明沿途水汽的补充很重要。
700 hPa上影响新疆北部暖区暴雪的水汽源地主要有北欧、 大西洋、 地黑， 对阿勒泰地区暴雪贡献最大的是地黑， 塔额盆地为北欧， 沿途损失最大前者是地黑， 后者为大西洋。暴雪落区不同水汽原地也存在差异： 阿勒泰地区还有来自西南亚和新地岛的水汽， 塔额盆地还有来自中亚的水汽， 其对暴雪的贡献与大西洋的水汽基本相当。阿勒泰地区来自北欧、 大西洋、 新地岛的水汽主要从>2500 m的高度向暴雪区输送， 来自地黑、 西南亚、 中亚的水汽主要从<2500 m的高度向暴雪区输送［图4（a）~（d）］； 塔额盆地各水汽源地主要从>2500 m的高度向暴雪区输送［图4（e）~（g）］

5.3　 850 hPa水汽特征

分析新疆北部19条/16条（阿勒泰地区/塔额盆地）暖区暴雪中心850 hPa高度上168 h水汽后向轨迹（图6）可知， 2个区域均有来自地黑3条/4条、 中亚3条/6条的水汽， 阿勒泰地区还有来自北欧5条、 西南亚5条、 新地岛2条及格陵兰岛1条的水汽， 塔额盆地有来自大西洋2条及东西伯利亚沿岸、 阿富汗西南、 西西伯利亚北部、 白俄罗斯北部各1条的水汽， 随西风气流到达关键区后， 主要从偏西（西南）路径输送至暴雪区的占68%/81%， 从西北路径输入的占26%/19%， 此外， 阿勒泰地区还有6%的水汽从偏东路径输入（图6）。
图6 新疆北部暖区暴雪过程中心850 hPa上水汽轨迹的空间分布及高度变化（单位： m）

图中数值代表轨迹数， 括号中的值为该条水汽轨迹对暴雪的贡献

Fig.6 Spatial distribution and height variation of 850 hPa water vapor transport channels during snowstorms in the northern of Xinjiang.The values in the figures represent the number of tracks， and the values in parentheses are the contributions of this vapor track to the snowstroms

分析阿勒泰地区［图6（a）~（d）］、塔额盆地［图6（e）~（g）］暴雪中心850 hPa上水汽轨迹的空间分布及高度变化及其对应的比湿变化［图7（a）~（d）、 （e）~（g）］得到表6和表7。
图7 新疆北部暖区暴雪过程中心850 hPa上水汽轨迹逐时比湿变化

图中C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6曲线分别对应图6中1、 2、 3、 4、 5、 6轨迹的比湿

Fig.7 The specific humidity of water vapor track at 850 hPa during snowstorms in the northern of Xinjiang.C1， C2， C3、 C4、 C5 and C6 curves in the figure correspond to the specific humidity of tracks 1， 2， 3， 4， 5， and 6 in Fig.6， respectively

表6 阿勒泰地区暖区暴雪过程850 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

Table 6 Water vapor source at 850 hPa height and its contribution to snowstorm process in the warm region of Altay region

水汽源地 轨迹数 R/% h/m q1/（g·kg-1） q2/（g·kg-1） 损失率/%
范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均
北欧 5 5~36 19 1078~1981 1596 0.87~1.94 1.51 0.90~1.55 1.24 18
地黑 3 11~36 22 837~2642 2005 1.30~3.47 2.29 2.45~3.90 3.16 -38
西南亚 5 7~36 18 408~2336 1339 1.05~2.85 2.06 2.33~5.15 3.09 -50
新地岛 2 9~17 13 3129~3870 3500 0.64~0.73 0.69 1.31~1.32 1.32 -91
中亚 3 24~61 38 485~1601 948 1.91~2.37 2.09 1.83~2.62 2.13 -2
格陵兰 1 11 2541 0.7 1.3 -86

R、 h、 q1分别表示水汽源地对暴雪的贡献率、 源地高度和比湿， q2表示暴雪区的比湿； 损失率为（q1平均-q2平均）/q1平均×100%

表7 塔额盆地暖区暴雪过程850 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

Table 7 Water vapor source at 850 hPa height and its contribution to snowstorm process in the warm region of Taer basin

水汽源地 轨迹数 R/% h/m q1/（g·kg-1） q2/（g·kg-1） 损失率 /%
范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围 平均
大西洋 2 5~23 14 2385~3220 2803 0.45~2.53 1.49 2.10~2.91 2.51 -68
地黑 4 11~21 18 1561~2223 2000 1.36~2.19 1.77 1.66~3.56 2.52 -42
中亚 6 12~49 25 138~2421 1416 1.26~5.10 2.95 1.96~2.75 2.45 17
其他III 4 7~19 13 1772~4349 3100 0.23~1.84 1.03 1.35~2.06 1.84 -79

R、 h、 q1分别表示水汽源地对暴雪的贡献率、 源地高度和比湿， q2表示暴雪区的比湿； 损失率为（q1平均-q2平均）/q1平均×100%； 其他III为来自东西伯利亚沿岸、 阿富汗西南、 西西伯利亚北部及白俄罗斯北部的水汽

由表6可知， 来自中亚的水汽对阿勒泰地区暖区暴雪的贡献最大， 其次为地黑， 分别为24%~61%， 为11%~36%， 主要从485~1601 m、 837~2642 m的高度向暴雪区输送， 沿途前者无损失， 后者增加了38%。来自北欧和西南亚的水汽对暴雪的贡献相对较多， 到达暴雪区后， 前者沿途损失了18%， 后者增加了50%。来自新地岛和格陵兰的水汽对暴雪的贡献相对最小， 到达暴雪区后增加为最多和次多， 说明沿途水汽补充较多。
由表7可知， 来自中亚的水汽对塔额盆地暴雪的贡献最大， 地黑的水汽次之， 分别为12%~49%、 11%~21%， 主要从138~2421 m和1561~2223 m的高度向暴雪输送， 到达暴雪区后， 前者沿途损失最小为17%， 后者增加了42%。来自大西洋和其他源地的水汽对暴雪的贡献相对较小， 但到达暴雪区后， 前者水汽增加为次多（68%）， 后者增加最多（79%）。
850 hPa上影响新疆北部暖区暴雪的水汽主要来自中亚和地黑， 前者对暴雪的贡献最大， 后者次之， 且到达暴雪区后增加较多。阿勒泰地区还有来自北欧、 西南亚、 新地岛等地的水汽， 除北欧的水汽沿途损失最大外（17%）， 其他源地增加了50%~91%； 塔额盆地还有来自大西洋的水汽， 到达暴雪区后增加了68%。可见， 该层的水汽到达暴雪区后以增加为主， 主要原因是水汽主要从>1000 m的高度向暴雪输送， 在对流层水汽随高度降低是增加的。

5.4　新疆北部暖区暴雪天气水汽贡献模型

通过上述分析概括出新疆北部暖区暴雪过程水汽贡献模型（图8）： 阿勒泰地区暖区暴雪过程： 500 hPa上水汽由源地随西风气流到达关键区后主要从2条路径输入暴雪区， 其中， 偏西（西南）路径占主导地位， 占92%， 西北路径仅占8%； 700 hPa与500 hPa类似也为2条路径， 分别占79%和21%， 西北路径也很重要； 850 hPa上占主导地位的仍为偏西（西南）， 占68%， 西北路径也不容忽视， 占26%， 偏东路径占6%， 与500 hPa 和700 hPa明显不同［图8（a）］。塔额盆地暖区暴雪过程水汽到达关键区后500~850 hPa均以偏西（西南）路径输入的占主导地位， 分别占73%、 82%、 81%， 西北路径别占27%、 18%、 19%， 均不容忽视［图8（b）］。可见塔额盆地暴雪过程低层与阿勒泰地区差别较大， 对流层西北路径输入的水汽均不容忽视。
图8 新疆北部暖区暴雪过程水汽贡献模型图

Fig.8 Three-dimensional fine structure of water vapor during snowstorm in the northern Xinjiang of warm area

6 结论

本文利用NCEP再分析资料， 主要运用HYSPLIT模式模拟追踪暖区暴雪过程的水汽源地及输送特征。主要结论如下：
（1） 影响新疆北部暖区暴雪的水汽源地： 500 hPa主要为格陵兰岛及其沿岸附近、 大西洋及其沿岸附近、 地中海和黑海及其附近， 沿途损失均较大； 700 hPa主要为北欧、 大西洋及其沿岸附近、 地中海和黑海及其附近； 暴雪落区不同各源地水汽的贡献存在差异。850 hPa上主要为中亚、 地中海和黑海及其附近， 前者对暴雪的贡献最大， 后者次之， 且到达暴雪区后增加较多。
（2） 建立了新疆北部暖区暴雪天气水汽贡献模型。对流层中低层水汽由源地随西风气流到达关键区后主要从2条路径输入暴雪区， 偏西（西南）路和西北路径， 前者占主导地位； 700 hPa和850 hPa上西北路径输入的水汽也不容忽视。此外， 850 hPa阿勒泰地区还有少部分偏东路径输入的水汽。
（3） 影响新疆北部暖区暴雪的有来自格陵兰岛岛及其沿岸附近的水汽， 与极涡活动有密切的关系。

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