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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (4): 960-970  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00078
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马梁臣, 孙力, 王宁. 2017. 东北地区典型暴雨个例的水汽输送特征分析[J]. 高原气象, 36(4): 960-970. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00078
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Ma Liangchen, Sun Li, Wang Ning. 2017. Analysis of Water Vapor Transport Characteristics of Typical Rainstorm Cases in Northeast China[J]. Plateau Meteorology, 36(4): 960-970. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00078.
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资助项目

国家自然科学基金项目(40633016,40575047);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201006006)

通讯作者

孙力. E-mail: sunl@cma.govcn

作者简介

马梁臣(1986-), 男, 辽宁建昌人, 工程师, 主要从事天气预报与大气物理与环境研究.E-mail:liangchenma@163.com

文章历史

收稿日期: 2015-11-16
定稿日期: 2016-09-12
东北地区典型暴雨个例的水汽输送特征分析
马梁臣1, 孙力2, 王宁3     
1. 长春市气象局, 长春 130051;
2. 吉林省气象科学研究所, 长春 130062;
3. 吉林省气象服务中心, 长春 130062
摘要: 利用NCEP 1°×1°的GDAS资料同时引入基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT v4.9),选取了东北地区2009年6月27日至7月1日的冷涡暴雨个例、2010年8月19-22日切变暴雨个例、2013年8月14-17日气旋暴雨个例和2012年8月27-30日的台风暴雨个例,模拟计算了四个个例的水汽输送通道以及不同源地的水汽贡献。结果表明:四个暴雨个例的水汽输送通道基本有两支:一支是南海或西太平洋的海上水汽输送,另一支是西北气流的水汽输送。不同天气系统造成的典型暴雨个例的水汽输送特征各有差异。冷涡暴雨个例中,42.1%的水汽贡献来自于西太平洋和南海附近,鄂霍次克海附近的水汽亦有一定的补充,西北气流和海上水汽各约占50%;切变暴雨个例和气旋暴雨个例水汽输送较相近,以西太平洋和南海的水汽输送为主体,西北气流水汽比重减少,另外切变暴雨有局地水汽的贡献;台风暴雨个例中,北太平洋和黄海、渤海水汽是本次台风暴雨水汽主要来源。降水量的大小和分布的密集程度与海上水汽的贡献率密切相关。
关键词: 东北地区    典型暴雨    水汽输送    HYSPLIT    
1 引言

东北为中国粮食主产区, 暴雨是东北夏季主要的灾害性天气, 其造成的洪涝给人民财产和安全带来巨大的损失。近十几年来, 对东北暴雨的研究越来越多, 有的学者从气候态角度对东北暴雨进行了系统分析(孙力等, 2010; 邹立尧和丁一汇, 2010), 也有的从典型暴雨大暴雨过程个例进行分析, 如1998年松嫩流域大暴雨成因(Zhao and Sun, 2007; 张庆云等, 2001; 孙力和安刚, 2001)。夏季东北地区强对流天气多发频发, 常造成暴雨天气, 许多研究针对强对流暴雨进行动力诊断等分析(寿亦萱和许建民, 2007; 许秀红等, 2000; 袁美英等, 2010), 东北冷涡是东北地区特有的天气系统, 针对东北冷涡暴雨的研究更是较为多见(乔枫雪等, 2007; 陈力强等, 2005; 刘英等, 2012; 王培等, 2012; 王东海等, 2009), 以上研究加深了人们对东北暴雨的认识。暴雨形成过程中源源不断的水汽输送是非常必要的, 位于中高纬度的东北地区, 远离海洋等水汽源地, 该地区降水的发生背景与我国南方地区的降水有所不同, 南方地区水汽供应比较充分, 有时动力辐合不是很强就可能出现暴雨, 而东北地区一般主要受大陆性气团影响, 在其控制下较为干冷一些, 水汽供应往往不足, 有时尽管动力辐合很强, 但也不一定发生暴雨, 因此探讨引发东北暴雨的水汽源和它们的输送通道显得更为重要(孙力等, 2016)。

目前国内有关水汽输送和来源的研究已有不少, 但对东北暴雨过程的水汽输送的分析工作仍不多见, 而且大多数研究使用的是欧拉的方法, 由瞬时变化的大气风场计算得来的水汽通量同样具有瞬时特点, 因此最终得出的水汽输送通道只能是简单的, 而定量确定各水汽源地对降水贡献率也就不可能(James et al, 2004; 陈斌等, 2011; 江志红等, 2013)。拉格朗日观点的水汽分析也是东北地区暴雨成因研究中不可缺少的重要方面。

近年来, 一种轨迹分析的新技术方法得到了迅速发展, 该方法是在拉格朗日的观点下建立的, 初期用该方法做沙尘暴或污染轨迹输送的居多, 后来被一些学者应用到了水汽输送及其源汇分析(李江萍等, 2012; 杨小银等, 2013; 田红瑛等, 2014)等方面的研究, 其中利用拉格朗日方法对区域降水的水汽输送过程的研究亦取得了较为丰硕的科学研究成果, Brimelow and Reuter(2005)利用拉格朗日轨迹模式HYSPLIT研究了加拿大河麦肯齐河又名马更些流域的三次异常降水, 结果指出墨西哥湾是三次异常降水低层水汽的主要来源。Gimeno et al(2010)利用FLEXPART轨迹模型对印度半岛的水汽输送进行了分析并指出来自副热带大西洋北部的水汽对印度半岛的贡献最大。陈斌等(2011)同样利用FLEXPART模式对2007年7月一次极端降水过程的水汽源汇特征进行了较为系统的研究, 指出此次发生在中国中东部的极端降水事件的水汽源地可以追踪到低纬度的热带和副热带的海上。江志红等(2011)利用HYSPLIT模式发现淮河流域2007年强降水期间的三个阶段的主要水汽来源各异。江志红等(2013)再次利用HYSPLIT模式分析了江淮梅雨期的气候态下和梅雨异常年的水汽输送特点, 给出了气候平均下的不同水汽源地对梅雨水汽输送的相对贡献情况。魏铁鑫等(2015)用该模式对东北地区仅一种冷涡天气背景下产生的暴雨过程中水汽输送特征进行了研究, 发现一半以上东北冷涡暴雨的水汽来源于西太平洋和其相邻的附近海域。

东北地区出现暴雨的典型天气形势有冷涡、切变、气旋和台风, 本文主要选取典型的冷涡暴雨、切变暴雨、气旋暴雨、台风暴雨过程个例各一个。首先采用国家气象中心提供的站点降水资料, 分析了东北地区四个个例的降水情况, 然后利用NOAA的ARL(Air Resources Laboratory)研发的HYSPLIT v4.9轨迹模型模拟追踪了暴雨期间气团的后向8天的运动轨迹, 模型所用资料为NCEP 1°×1°的GDAS再分析格点资料。通过聚类分析得出了四个典型暴雨个例的主要水汽输送通道和不同水汽通道对暴雨的贡献情况, 希望能加深对东北地区暴雨水汽输送的认知, 为分析和预报东北地区的暴雨天气过程提供另外一种思路。

2 资料选取和方法介绍 2.1 资料选取

所用的资料为2009年6月27日至7月1日(冷涡暴雨个例)、2010年8月19-22日(切变暴雨个例)、2013年8月14-17日(气旋暴雨个例)和2012年8月27-30日(台风暴雨个例)NCEP的GDAS(global data assimilation system, 全球资料同化系统)资料, 时间分辨率为每6 h一次, 插值到正形投影的地图上, 1°×1°的水平分辨率, 高度24层数据资料, GDAS资料按周进行保存, 每月重新记录, 每月第五周为剩余天资料。变量包括地面层的地面气压、海平面气压、10 m纬向风和经向风、2 m相对湿度和地面气温等29个要素, 1000~20 hPa共23层上的位势高度、温度、纬向风、经向风, 1000~100 hPa共21层气压垂直速度和相对湿度。降水实况资料为国家气象中心提供的站点累计降水资料。

2.2 轨迹模式简介

HYSPLIT-4.9模型(Draxler and Hess, 1998)是由NOAA的ARL(Air Resources Laboratory)和澳大利亚气象局一起努力合作研发的, 既能够计算简单的空气块的轨迹又能计算复杂的扩散和沉降模拟的较为完整的系统。模式采用地形追随坐标(σ), 假设空气块的移动受风的影响,那么其轨迹位置为时间和空间矢量的积分。三维速度矢量是在空间和时间上线性插值得到的。具体计算公式如下:

$P\prime \left({t + \Delta t} \right) = P\left(t \right) + V\left({P, {\rm{ }}t} \right)\Delta t, $ (1)
$\begin{array}{l} P\left({t + \Delta t} \right) = P\left(t \right) + 0.5 \times [V\left({P, t} \right)\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; + V\left({P\prime, t + \Delta t} \right)]\Delta t, \end{array}$ (2)

式中: P(t)为气块初始位置; P′(tt)为气块初始假想位置; P(tt)为气块的最终位置; V(P, t)为初始位置时三维速度矢量; V(P′, tt)为初始假想位置的三维速度矢量; Δt为时间步长, 文中取1 h。

当计算出的轨迹数巨大时, 就不能够直观地显示其路径, 另外为了排除个别异常轨迹的影响, 可采用簇分析的方法对轨迹进行聚类分析。轨迹合并和分类的方法是按照轨迹路径最近的原则进行的。定义每类的空间方差为该类每条轨迹与该类所有平均轨迹对应点的距离平方和, 合并后所有类的空间方差之和增加量(TSV)最小时对应的聚类分析就是最后结果。

2.3 轨迹模拟方案

模拟区域选择了冷涡、切变、气旋和台风天气系统造成的4个暴雨个例中降水最集中区域, 其中冷涡暴雨个例为(122°E-128°E, 43°N-49°N)7°×7°的方形区域、切变暴雨个例为(121°E-127°E, 40°N-44°N)7°×5°的方形区域、气旋暴雨个例为(122°E-129°E, 40°N-44°N)8°×5°的方形区域、台风暴雨个例为((121°E, 39°N), (126°E, 39°N), (126°E, 48°N), (131°E, 48°N))四点围成的平行四边形区域。水平分辨率均为1°×1°, 模拟的初始高度选取为500、1500和3000 m。整个模拟空间的轨迹初始点分别为147、105、120和156个, 模拟其后向追踪8天的三维运动轨迹, 轨迹点的位置每小时输出一次, 该位置上的高度和比湿等物理参数通过插值得到, 暴雨时间段内的每6 h重新后向模拟追踪8天。

2.4 不同通道水汽输送贡献率

定义某一通道水汽输送的贡献率(江志红等, 2011)为:

${Q_s} = \frac{{\sum\limits_1^m {{q_{{\rm{last}}}}} }}{{\sum\limits_1^n {{q_{{\rm{last}}}}} }} \times 100\%, $ (3)

式中: Qs为通道水汽输送贡献率; qlast为通道上最终位置的比湿; m为该通道所包含轨迹的条数; n为所有轨迹的总条数。

3 东北地区典型暴雨个例天气特点 3.1 冷涡暴雨个例天气特点

2009年6月27日08:00至7月1日08:00受东北冷涡影响, 黑龙江中西部、内蒙古东部和吉林省中东部出现了分布不均的暴雨天气(图 1a)。降水以50~100 mm的暴雨为主, 自动站没有出现100 mm以上降水。冷涡天气持续时间较长, 降水分布不均匀。6月下旬, 极涡分裂, 东北冷涡中心强度达5360 gpm。由于冷空气补充南下, 东北冷涡加强, 另外受阻塞高压影响, 使其在东北地区停留时间较长, 导致该地区出现少见的连续气温低降水多的天气, 成为我国2009年6月主要天气气候事件之一(崔绚, 2009)。

图 1 东北地区典型暴雨个例降水量 (a)冷涡, (b)切变, (c)气旋, (d)台风.框区为后向轨迹模拟区域 Figure 1 The precipitation of typical rainstorm cases in Northeast China. (a) the cold vortex, (b) shear, (c) cyclone, (d) typhoons. The box is the airflow trajectory model simulating area
3.2 切变暴雨个例天气特点

2010年8月19日08:00至22日08:00受切变线影响, 辽宁大部、吉林东南部出现暴雨天气(图 1b), 降水主要集中在辽宁南部, 多站次出现100 mm以上的降水。造成严重洪涝灾害, 降水具有过程降水量大、落区和前期降水重复的特点。日本附近的副热带高压(简称副高)异常偏强且稳定, 东移冷空气在东北一带受副热带高压后部切变线阻挡, 加之副高西侧的西南风异常偏强, 不断有冷空气与偏南暖湿气流在吉林中东部和辽宁中东部交汇, 从而在该地区形成强降雨过程(孙军等, 2011)。

3.3 气旋暴雨个例天气特点

2013年8月14日08:00至17日20:00受地面气旋影响, 辽宁东部、吉林大部和黑龙江南部部分地方出现了暴雨天气(图 1c), 降水主要集中在辽宁中东部和吉林的中南部, 出现100 mm以上的降水。地面形势为气旋强烈发展, 辽宁和吉林出现了一次较强的区域性暴雨、大暴雨天气。15日夜间至16日辽宁省多站出现大暴雨, 其中最大降水出现在清原县大苏河乡达345 mm, 该县很多房屋被洪水移平, 生命财产损失较为严重, 另外日降水量较大的黑山县(262 mm)和清原县(245 mm)均突破历史极值(杨舒楠和何立富, 2013), 并造成了严重的洪涝灾害。

3.4 台风暴雨个例天气特点

2012年8月27日20:00至30日20:00受北上台风“布拉万”影响, 辽宁省和吉林省的中东部以及黑龙江省中部出现了暴雨天气(图 1d)。台风在朝鲜半岛登陆时中心最低气压为970 hPa, 中心附近最大风力12级, 随后进入吉林、黑龙江。受其影响黑龙江和吉林中部、辽宁中东部出现大到暴雨, 局部地方大暴雨, 降水量普遍有50 mm以上, 9站次出现100 mm以上的降水, 其中辽宁本溪个别站点出现了207 mm降水, 黑龙江绥化个别地方出现了183 mm降水, 吉林省吉林市个别站点出现了160 mm降水(陶亦为, 2012)。

4 水汽输送特征分析 4.1 冷涡暴雨个例水汽输送

对2009年6月27日08:00至7月1日08:00期间影响东北地区的典型冷涡天气过程个例, 每隔6 h输出一次后向轨迹, 共计17个时次, 起始点147个, 得到模拟轨迹2499条。根据簇分析方法对所有轨迹进行聚类, 通过分析空间方差增长率(图略), 轨迹在聚类过程中的方差增长率(TSV)在5类时增加最小, 所以最终聚类为5类。其中参与聚类的轨迹为2495条, 有4条轨迹由于超出10 km的模型高度顶或是轨迹异常没有参与聚类。图 2给出了本次冷涡暴雨的5条水汽输送通道, 分别是源自南海和西太平洋附近的通道(通道5), 经过东海向北输送到东北地区, 其水汽贡献率比重较大达到42.1%;源自鄂霍次克海附近的俄罗斯地区水汽通道(通道4) 也占有一定比例, 水汽贡献率为13.8%;源自西伯利亚和蒙古附近的水汽通道(通道2和通道3) 贡献率达36.4%, 其中通道2自西北向南传输到华北北部地区后再次向东北地区输送水汽; 另外一支源自欧洲附近7.5%的水汽通道经过长距离输送到东北地区。没有参与聚类的水汽占总水汽输送的0.2%。

图 2 东北地区典型冷涡暴雨个例 (a)水汽输送通道及贡献率空间分布, (b)水汽输送通道的高度变化, (c)水汽输送通道的比湿变化 Figure 2 The typical cold vortex rainstorm cases in Northeast China. (a) the spatial distribution of water vapor passages, (b) changes of the height of water vapor passages, (c) changes of the specific humidity of water vapor passages

图 2b, c可知, 南海和西太平洋附近通道的南方水汽主要从1 km以下的近地层向东北地区输送水汽, 受海洋面水汽蒸发的影响水汽含量较大, 最大比湿在14 g·kg-1左右, 在输送过程中水汽有所流失, 达到东北地区时比湿在8~9 g·kg-1。鄂霍次克海附近的俄罗斯地区水汽通道同样是从低层向东北地区输送水汽, 但是水汽含量明显不如南方水汽, 比湿在6~8 g·kg-1并且在输送过程中呈缓慢增加的趋势。通道2自西北向南经由华北北部终到东北地区过程中, 水汽从3 km高空向低层输送, 比湿逐渐增大, 由于华北地区水汽的补充增加了空气块的比湿, 达到东北时接近6 g·kg-1。另外两支北方水汽通道相对较干, 其中通道1来自于5 km左右的对流层中层, 沿途下降至2.4 km左右的东北地区上空, 而通道2沿途高度变化不大, 在2.5 km左右的对流层中低层, 水汽较小, 主要以冷空气输送为主。

从以上分析得知, 东北本次冷涡暴雨个例共有5条水汽输送通道, 分别是源自南海、西太平洋和鄂霍次克海附近的海上水汽通道, 且其水汽贡献率较大, 主要从近地层向东北地区输送水汽; 源自西伯利亚和蒙古等的西北水汽通道贡献率略少于海上, 输送高度较高, 水汽含量小, 以干冷空气为主。冷涡水汽输送通道是多方向的, 有东风回流的鄂霍次克海附近水汽输送。

4.2 切变暴雨个例水汽输送

对2010年8月19日08:00至22日08:00影响东北地区的切变暴雨天气过程个例, 每隔6 h输出一次后向轨迹, 共计13个时次, 起始点105个, 得到模拟轨迹1365条。聚类方法同冷涡暴雨个例, 根据方差增长率(图略)可分为6类。其中参与聚类的轨迹为1356条, 有9条轨迹没有参与聚类。图 3给出了本次东北切变暴雨个例的6条水汽输送通道, 其中南海通道(通道1) 从1 km以下的近地层向北输送, 到达东北地区的前一天(-24 h)开始抬升到2 km左右的高度, 初始阶段水汽含量较高接近16 g·kg-1, 向东北地区输送过程中略有损失, 最终到达东北地区时比湿为12 g·kg-1, 该通道水汽贡献率为22.3%, 是切变暴雨的重要水汽通道之一。另外一支非常重要水汽通道源自西太平洋(通道3), 其水汽贡献率接近40%, 同样是从1 km高度的边界层顶向北输送, 水汽含量在15 g·kg-1左右, 并且在输送到东北地区的前一天达到最大, 最终输送到东北地区1.5 km高度时比湿为12 g·kg-1。南海和西太平洋水汽贡献率共计达60%以上, 明显高于冷涡暴雨个例的南海水汽的比湿值, 因此切变暴雨个例的降水量大于冷涡暴雨个例, 有100~250 mm的大暴雨量级降水。西北气流水汽通道(通道4、5、6) 占22.8%, 其中通道5和通道6从5~7 km附近的对流层中层向东北地区输送, 在输送过程中高度逐步下降, 比湿基本在8 g·kg-1以下。另外有局地水汽贡献占14.6%(通道2), 这支通道8天前(-192 h)起源于内蒙古中北部2 km左右高度, 向南输送过程中逐渐抬升, 在输送到终点的前4天(-96 h)开始降低高度, 同时比湿开始增大, 并且在输送到东北地区的前一天(-24 h)达到12 g·kg-1的最大值, 水汽输送距离较近, 主要集中在东北地区附近, 因此称为局地水汽通道。而没有参与聚类的水汽占总水汽输送的0.5%。

图 3 东北地区典型切变暴雨个例 (a)水汽输送通道及贡献率空间分布, (b)水汽输送通道的高度变化, (c)水汽输送通道的比湿变化 Figure 3 The typical shear rainstorm cases in Northeast China. (a) the spatial distribution of water vapor passages, (b) changes of the height of water vapor passages, (c) changes of the specific humidity of water vapor passages

以上分析发现, 切变暴雨个例聚类后为6类水汽输送通道, 其中南海通道和西太平洋水汽是重要水汽来源, 水汽贡献率共计达60%以上, 加之局地水汽输送经由渤海湾, 水汽得到补充, 海上水汽贡献率高达76.7%, 明显高于冷涡暴雨个例的海上水汽贡献, 切变暴雨个例的最大降水量和降水分布密集度亦大于冷涡个例。海上水汽从低层向暴雨区输送水汽。西北气流水汽通道占22.8%, 以中高层输送水汽为主。

4.3 气旋暴雨个例水汽输送

对2013年8月14日08:00至17日20:00期间影响东北地区的气旋暴雨天气个例, 每隔6 h输出一次后向轨迹, 共计15个时次, 起始点120个, 得到模拟轨迹1800条。聚类方法同冷涡暴雨个例, 根据方差增长率(图略)可分为5类。其中参与聚类的轨迹为1782条, 有8条轨迹没有参与聚类(所占水汽贡献率为0.6%)。图 4给出了气旋暴雨个例的5条水汽输送通道, 其中南海通道(通道1) 从1.5~2 km高度向北输送, 水汽含量变化不大基本维持在9~10 g·kg-1, 该通道水汽贡献率为23.1%, 是气旋暴雨的较为重要水汽通道之一。最重要水汽通道是源自西太平洋(通道2), 从1 km以下高度的边界层顶向北输送, 水汽含量在15~16 g·kg-1, 并且在输送到东北地区的前一天(-24 h)达到最大, 最终输送到东北地区1 km高度时比湿为12 g·kg-1左右, 其水汽贡献率达55.7%。南方水汽通道(通道1和通道2) 水汽贡献率接近80%。从本次暴雨过程实况(见图 1c)可以看出, 有两站次出现250 mm以上的特大暴雨, 大暴雨站次较多, 南方水汽异常充沛配合气旋的动力抬升, 是造成气旋强暴雨的重要原因。源自西伯利亚地区的水汽(通道4) 向东北地区输送过程中高度主要集中在1.5~2 km, 并且比湿在8 g·kg-1以下。另外西路通道(通道3和通道5) 水汽输送所占比重较少(水汽贡献率合计为16.3%), 水汽含量较小, 从高空向低层输送。

图 4 东北地区典型气旋暴雨个例 (a)水汽输送通道及贡献率空间分布, (b)水汽输送通道的高度变化, (c)水汽输送通道的比湿变化 Figure 4 The typical cyclone rainstorm cases in Northeast China. (a) the spatial distribution of water vapor passages, (b) changes of the height of water vapor passages, (c) changes of the specific humidity of water vapor passages

综合以上分析可知, 本次气旋暴雨个例共有5条水汽输送通道, 和切变暴雨个例比较类似, 其中南方海上水汽通道水汽贡献率接近80%。高于切变和冷涡暴雨个例的海上水汽贡献, 气旋暴雨个例的最大降水量也是最大的, 海上输送通道也是从低层向暴雨区输送水汽。源自西伯利亚地区的水汽向东北地区输送过程中高度主要集中在中高层, 并且比湿在8 g·kg-1以下。西路通道水汽输送所占比重较少, 水汽含量较小, 从高空向低层输送。

4.4 台风暴雨个例水汽输送

对2012年8月27日20:00至30日20:00期间影响东北地区的典型台风“布拉万”天气过程, 每隔6 h输出一次后向轨迹, 共计13个时次, 起始点156个, 得到模拟轨迹2028条。聚类方法同冷涡暴雨个例, 根据方差增长率(图略)可分为7类。其中参与聚类的轨迹为2026条, 有2条轨迹没有参与聚类(水汽贡献率为0.2%)。图 4给出了台风“布拉万”暴雨的7条水汽输送通道, 水汽来源不同于其他三个个例, 南方水汽不是最主要的, 而是北太平洋和日本海水汽输送占重要比重。其中太平洋北部的千岛群岛附近的水汽(通道1) 和日本东部(通道2) 水汽贡献率合计占50%以上, 另外距离东北地区较近的黄海、渤海水汽也是台风暴雨的重要水汽输送通道之一, 水汽贡献率为21.3%。而南海南部的马来西亚地区的水汽经过西太平洋输送到东北地区, 与台风的自身水汽相关, 其水汽贡献率仅为2.1%, 在前一天(-24 h)比湿在14 g·kg-1, 最终到东北地区时仍为9 g·kg-1, 水汽贡献率小主要是因为到达东北地区的轨迹数量较少。北太平洋和黄海、渤海是本次台风暴雨的主要水汽来源。西北气流水汽输送(通道4、5、6) 的水汽贡献率合计为25.4%。

图 5b5c可知, 通道2水汽主要来源于1 km左右的低层, 在向东北输送过程中比湿一直维持在11 g·kg-1, 而通道1从源地3 km高度旋转下降到终点2 km, 比湿从7 g·kg-1增加到9 g·kg-1。比较特殊的通道7在前一天(-24 h)开始, 气块开始抬升高度, 比湿明显下降。总体而言, 到达东北地区最终水汽的最大比湿小于11 g·kg-1, 小于气旋和切变暴雨个例, 大于冷涡暴雨个例, 主要因为出现暴雨的天气系统不同, 另外一个重要原因是台风暴雨的最大降水量在100~250 mm, 小于气旋暴雨个例最大雨量, 而且大暴雨的站点分布密集度小于切变暴雨个例, 但是冷涡暴雨个例的降水量没有大于100 mm的站点。

图 5 东北地区典型台风暴雨个例 (a)水汽输送通道及贡献率空间分布, (b)水汽输送通道的高度变化, (c)水汽输送通道的比湿变化 Figure 5 The typical typhoon rainstorm cases in Northeast China. (a) the spatial distribution of water vapor passages, (b) changes of the height of water vapor passages, (c) changes of the specific humidity of water vapor passages

从以上分析可以总结出, 东北典型台风暴雨个例水汽输送通道有7条, 水汽来源不同于其他三类, 南方水汽不是最主要的, 北太平洋和日本海附近是最重要的水汽源地, 水汽贡献率占50%以上, 黄海、渤海水汽也是台风“布拉万”暴雨的重要水汽输送通道之一。

4.5 暴雨个例水汽贡献对比

以上分析的不同天气系统下的四个暴雨个例水汽输送通道基本有两支:一支是海上的水汽输送, 比湿较大, 主要集中在近地层; 另一支是西北气流的水汽输送, 比湿较小, 一般集中在对流层中层或以上。海上通道的水汽贡献均在50%以上(表 1), 西北水汽贡献在20%~45%, 异常贡献所占比重非常小。其中海上通道是指水汽源地位于南海、西太平洋、北太平洋、鄂霍次克海、日本海、东海、黄海、渤海等海域; 西北通道指位于东北地区以西或西北位置的欧亚大陆, 包括源地在欧洲附近、欧亚边界附近、西伯利亚和蒙古附近; 异常贡献是指未参与聚类的水汽通道, 当轨迹超出10 km的模型高度顶或是轨迹异常没有成为聚类的成员时的水汽贡献率。冷涡暴雨个例中, 太平洋水汽所占比重最大, 另外不同于其他暴雨水汽输送的是存在鄂霍茨克海(通道4) 东风回流水汽的补充, 水汽的来源是多方向的。切变暴雨个例和气旋暴雨个例水汽输送通道和水汽贡献率比较相近, 海上输送水汽贡献率接近80%。切变暴雨个例中通道2通过渤海湾, 有水汽的补充, 一并定义为海上水汽输送。台风暴雨个例的海上水汽输送也高于70%, 但大部分源自东北附近海域, 通道1和通道2为北太平洋和日本海附近水汽输送, 通道3为黄海、渤海水汽。由四个个例的海上水汽贡献率对比看出, 气旋>切变>台风>冷涡, 其中降水量的大小和分布的密集程度与海上水汽的贡献率密切相关。海上水汽贡献率越大, 则实际降水量越大。此外, 北方水汽输送也是不可或缺的。

表 1 东北地区典型暴雨个例水汽输送通道的水汽贡献 Table 1 The contribution of water vapor passages of the typical rainstorm cases in Northeast China
5 结论

选取东北地区典型的冷涡暴雨、切变暴雨、气旋暴雨、台风暴雨天气个例各一个, 首先分析了东北地区四个个例的降水特点, 然后利用NOAA的ARL研发的HYSPLIT v4.9轨迹模型模拟追踪了暴雨期间气团的后向运动轨迹。对中国东北地区而言, 虽地处于中高纬度, 暴雨的水汽仍主要来自南海和西太平洋等海上, 经过长距离输送到东北, 中高纬度的西风带上的水汽输送并非东北暴雨的主要水汽来源, 从而得出以下主要结论:

(1) 不同天气系统下的四个暴雨个例水汽输送通道基本有两支:一支是海上的水汽输送, 比湿较大, 主要集中在近地层, 对降水起主要作用; 另一支是西北气流的水汽输送, 比湿较小, 一般集中在对流层中层或以上。海上通道的水汽贡献均在50%以上。

(2) 冷涡暴雨个例不同于其他暴雨个例水汽输送, 其存在鄂霍茨克海东风回流水汽的补充, 冷涡暴雨个例水汽的来源是多方向的。切变和气旋暴雨个例中水汽输送通道和水汽贡献率比较相近, 海上输送水汽贡献率接近80%。切变暴雨个例中有渤海水汽补充。台风暴雨个例的海上水汽输送高于70%, 大部分源自东北附近海域(北太平洋、日本海、黄海、渤海等)。

(3) 降水量的大小和分布的密集程度与海上水汽的贡献率密切相关。海上水汽贡献率越大, 则实际降水量越大。北方水汽输送也是不可或缺的。

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Analysis of Water Vapor Transport Characteristics of Typical Rainstorm Cases in Northeast China
MA Liangchen1 , SUN Li2 , WANG Ning3     
1. Changchun Meteorological Bureau, Changchun 130051, China;
2. Institute of Meteorological Sciences of Jilin Province, Changchun 130062, China;
3. Jilin Meteorological Service Center, Changchun 130062, China
Abstract: Using the NCEP GDAS (1°×1°) data and the airflow trajectory model based on the Lagrangian method (HYSPLIT_4.9), the cold vortex rainstorm case from June 27 to July 1 in 2009, the shear rainstorm case from August 19 to 22 in 2010, the cyclone rainstorm case from August 14 to 17 in 2013 and the typhoon rainstorm case from August 27 to 30 in 2012 were selected in Northeast China. The variation features of the water vapor transport passages and the contribution rate of water vapor from different sources of these four rainstorms were simulating calculated. Results show that there are basically two water vapor transport channels in the four rainstorm cases, one comes from South China Sea or the western Pacific, the other is the northwest flow. The characteristics of typical rainstorms in different weather systems are different. In the case of cold vortex, 42.1% of the water vapor contribution comes from the western Pacific and the South China Sea, and the water vapor near the Okhotsk Sea is also supplemented. The northwest airflow and the sea water vapor account for about 50%. The heavy rain of shear is similar with cyclone. The West Pacific and South China Sea passages of water vapor transportation account for the main part and the decreasing proportion of water vapor is from northwest. In the case of shear rainstorm, a small percentage comes from local areas. In the typhoon rainstorm, the main source of water vapor is from North Pacific, Yellow Sea and Bohai Sea. The magnitude and distribution of precipitation are closely related to the contribution rate of sea water vapor.
Key Words: Northeast China    Typical rainstorm    Water vapor transport    HYSPLIT