2018, Vol. 37
2. 中亚大气科学研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830002;
3. 新疆维吾尔自治区气候中心, 新疆 乌鲁木齐 830002
水汽输送及来源影响着区域水分平衡, 是影响降水、尤其是大降水过程的重要因子, 水汽输送变化直接关系着降水天气与气候状况(Trenberth, 1998; Starr et al, 1958)。强降水水汽输送有两个关键科学问题, 一是造成强降水的水汽从何而来, 即水汽的来源和路径; 二是各路径水汽输送在强降水中的贡献大小(江志红等, 2011)。定量确定强降水的水汽输送过程及路径是一个热点和难点问题(陈斌等, 2011)。因此, 研究水汽输送过程及路径, 揭示大气水循环的机理, 是大气水分循环研究的一个重要课题。
关于水汽输送路径问题, 定性研究居多, 定量研究偏少; 东部季风区居多, 西北干旱区偏少。目前主要是基于欧拉方法来分析水汽输送特征, 无法定量区分各水汽来源贡献, 而拉格朗日方法可以通过模拟气团在一定时间内的三维运动轨迹, 确定水汽源地, 定量统计出各源地和路径的水汽输送贡献(杨浩等, 2014)。常用的拉格朗日轨迹模式有Hysplit模式和Flexpart模式(Draxler et al, 1998; Stohl et al, 1998)。最初通过追踪气块在大气中输送的过程来确定水汽输送, 进一步发展了拉格朗日方法确定水汽输送路径及其源区的研究(Wernli, 1997; Nieto et al, 2006); Sodemann et al(2008)把该方法拓展到定量评估不同路径或源区对降水的相对贡献研究方面。江志红等(2011)研究发现2007年淮河暴雨期3个阶段的主要水汽来源各不相同, 并定量分析了各通道的水汽贡献。陈斌等(2011)诊断发现2007年7月中东部系列极端降水事件的水汽可追溯到阿拉伯海和西亚地区, 青藏高原(下称高原)和西太平洋副热带高压对水汽路径具有重要影响, 而陆地前期蒸发对水汽的贡献超过了40 %。杨浩等(2014)基于HYSPLIT_4.9模式, 从水汽来源和源地贡献方面讨论了江淮梅雨和淮北雨季水汽输送的差异。Huang et al(2015a)研究发现2009-2013年6-9月四川盆地不同区域的暴雨过程均具有两个主要的水汽源区(地), 相应地存在两条主要水汽路径。王佳津等(2015)基于HYSPLIT_v4模式定量分析了2013年7月7-11日四川盆地西部一次暴雨过程的水汽路径和源地。
干旱区暴雨的形成和发展需要有充沛的外来水汽补给, 因此暴雨过程中水汽来源及输送路径问题是暴雨形成机制及其预报的重要基础(蔡英等, 2015)。气候态上, 新疆夏季降水水汽主要依靠西风带水汽输送, 但大尺度大降水过程发生时, 低纬水汽显得尤为重要, 低纬热带海洋水汽通过偏南路径和偏东路径输送到新疆上空形成降水(张家宝等, 1987; Huang et al, 2015b)。热带印度洋是年代际增湿的重要水汽补充源地之一, 印度洋增暖通过影响水汽的向北输送, 促使中亚(新疆)夏季降水增加(杨莲梅等, 2007; Zhao et al, 2016)。新疆幅员辽阔, 受地形分隔的影响, 各地的水汽输送源地和路径差别颇大, 不仅新疆北部和南部有差异, 南疆盆地的西部和东部也有一些差别(杨莲梅等, 2011; Huang et al, 2015b; 杨霞等, 2015; 李如琦等, 2015)。在全球变化背景下, 新疆的水汽输送路径更加复杂(杨莲梅等, 2011; 张俊兰等, 2013; 张云惠等, 2016; 杨莲梅等, 2016)。在新疆暴雨中的水汽来源和输送研究方面, 新疆学者针对96·7特大暴雨灾害的环流背景、水汽条件、水汽输送、强度和落区、洪水特性和成灾原因等方面做了全面系统研究(张家宝等, 1987; 马禹等, 1998)。雨带位于天山山区的暴雨过程存在西风气流、河西走廊至新疆的低空偏东急流和高原向北气流3支水汽输送路径, 西方路径水汽输送量最大, 这3支水汽输送气流在天山山区及其北麓强辐合并引发暴雨(杨莲梅等, 2011, 2014; 杨柳等, 2013)。西风携带的水汽和当地蒸发的水汽在空中混合, 一部分在天山地区形成降水, 另一部分从东边界和南边界输出, 当地水汽对降水的贡献为8 % ~9.32 % (孔彦龙, 2013; 姚俊强等, 2016)。综上可知, 天山山区暴雨的水汽来源既有来自印度洋和孟加拉湾, 也有来自里海地区、大西洋和北冰洋沿岸地区。但是, 不同源地和路径的水汽输送对天山山区强降水的贡献还不清楚, 缺乏定量化的研究。2004年7月17-21日新疆北部及天山出现了一次罕见的特大暴雨过程, 影响范围广、降水强度大且持续时间长, 造成严重的灾害损失(蒋军等, 2005)。2004年7月如此大强度、持续时间如此长的特大暴雨灾害所需的水汽究竟来源于哪里, 不同水汽源地和输送路径所占比例如何, 这些问题都有必要做进一步深入研究。利用新疆气象观测台站和NCEP/NCAR再分析资料, 首先分析2004年7月17-21日特大暴雨灾害过程中降水量的变化特征, 使用HYSPLIT_v4模拟得到此次暴雨过程水汽输送路径及来源, 然后定量分析不同水汽路径的贡献率, 进一步加深对新疆天山山区暴雨灾害中水汽输送路径的科学认识, 研究结果对灾害预报和社会防灾减灾服务具有重要的现实意义。
2 资料与方法 2.1 资料及轨迹模式介绍所用的资料包括新疆2004年7月105个站点逐日降水量资料; 同期驱动轨迹模式的NCEP/NCAR逐日6 h一次再分析资料, 水平分辨率为2.5°×2.5°, 包括1 000~10 hPa共17层上的位势高度(h)、温度(t)、纬向风(u)、经向风(v)、垂直速度(ω)和1 000~300 hPa各层比湿(q)等要素。
使用NOAA开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统HYSPLIT_v4(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model), 是采用拉格朗日方法计算的混合单粒子轨道模型。HYSPLIT_v4模式中气流的移动轨迹是其在时间和空间上位置矢量的积分。假设气块随风飘动, 以气块一个时间步长的运动为例, 气块的最终位置由其初始位置和第一猜测位置之间的平均速度计算得到。HYSPLIT_4.9模式采用的是地形坐标, 故在输入气象数据时, 垂直方向上要内插到地形追随坐标系统。更详细的模式请参考相关文献(Draxler et al, 1998)信息。
2.2 轨迹模拟方案根据2004年7月17-21日新疆降水量分布(图 1), 选择发生暴雨的区域, 即选择的模拟区域为40°N-45°N, 80°E-90°E, 大致在天山山区范围。初始场水平分辨率为1°×1°, 模拟空间的轨迹初始点为66个, 模拟时间选取为2004年7月17-21日。天山山区平均海拔在3 500 m以上, 因此模拟初始高度选择对流层中下层的700 hPa。模拟空气块后向追踪11天的三维运动轨迹, 并插值得到相应位置上空气块的物理属性(如相对湿度、温度等), 每隔6 h所有轨迹初始点重新后向追踪模拟11天。
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图 1 2004年7月17-21日新疆特大暴雨灾害过程累积雨量分布(单位: mm) Figure 1 Spatial distribution of rainfall in Xinjiang from17 to 21 July 2004.Unit: mm |
根据空间起始点和时间起始点, 模式将给出大量轨迹, 无法进行直观分析, 而常用聚类分析。本文使用模式自带的簇分析方法, 通过分析合并后所有簇的空间方差之和(total spatial variance, TSV)的变化对轨迹进行聚类。
2.3 气块追踪分析法江志红等(2013)提出一种客观定量的轨迹分析方法, 即气块追踪分析法, 在水汽路径及贡献率分析方面得到较为广泛的应用。某一路径或源地水汽输送贡献率为:
| $ {Q_s} = \frac{{\sum\limits_1^m {{q_{{\rm{last}}}}} }}{{\sum\limits_1^n {{q_{{\rm{last}}}}} }} \times 100{\rm{ }}\% {\rm{ }}, $ | (1) |
式中: Qs表示通道水汽贡献率; qlast表示通道上最终位置的比湿; m表示通道所包含轨迹条数; n表示轨迹总数。
3 结果与分析 3.1 2004年7月特大暴雨实况分析2004年7月17-21日新疆维吾尔自治区出现了一次罕见的特大暴雨过程, 从过程雨量分布(图 1)上可以看出, 天山山区过程雨量达到暴雨量级, 伊犁河谷地区出现特大暴雨, 而在沿天山北坡一带、塔城等部分地区也出现中到大雨。根据新疆的暴雨标准, 有20个站点的日降水量达到暴雨, 其中伊宁、伊犁、霍城、炮台和莫索湾等5个站点的日降水量打破历史极值, 伊宁19日的降水量达到62.9 mm。暴雨主要集中在19日02 : 00(北京时, 下同)到20日02 : 00, 有12个站的过程降水量超过48 mm, 大部分在天山山区, 最大过程降水量为103.1 mm(伊宁)。因此, 此次影响范围广、降水强度大, 持续时间长的暴雨降水主要以天山山区为主, 即为天山山区型暴雨。
选取过程降雨量大于25 mm的35个气象站, 降雨落区主要位于天山山区及其北坡, 计算了区域平均降水的日变化。7月17日开始出现较弱降水, 19-20日降水量迅速增多, 随后降水量逐渐减少(图 2)。
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图 2 2004年7月17-21日天山山区降水量变化 Figure 2 The precipitation change in Tianshan Mountainsfrom 17 to 21 July 2004 |
在500 hPa环流图上[图 3(a)], 由欧洲脊东移至乌拉尔山附近形成的乌拉尔脊是暴雨过程的主导系统, 经向度大, 脊顶伸向极区。受其东移带来的北方冷空气在中亚地区维持, 形成中亚低涡, 低涡向东南移动造成新疆的降水。在贝加尔湖南侧附近有高压脊维持。在北半球中高纬地区形成的两脊一槽的环流形势为新疆大范围强降水提供有利条件。同时, 南亚高压呈双体型, 其中青藏高压位置偏西, 而伊朗高压位置北移与乌拉尔山高压叠加; 在对流层高层上空脊向北发展, 而两脊之间的中亚低值系统南伸, 形成了有利于暴雨的大尺度环流背景。而在对流层高层[图 3(b)], 副热带西风急流自中亚向新疆呈西南-东北向发展, 在急流北侧有气旋性切变。此外, 在对流层中低层有来自蒙古附近地区的偏东低空急流, 在新疆北部及天山上空与西来气流辐合[图 3(c)]。
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图 3 2004年7月17-21日暴雨过程500 hPa高度场(a, 单位: gpm)和200 hPa(b)、700 hPa(c)风场(单位: m·s-1)分布 Figure 3 The distribution of geopotetial height (unit: gpm) at 500 hPa (a) and the wind fields (unit: m·s-1) at 200 hPa (b) and 700 hPa (c) from 17 to 21 July 2004 |
通过2004年7月17-21日新疆特大暴雨发展过程中700 hPa和500 hPa水汽通量演变(图 4)可以看出, 在暴雨发生前, 新疆上空为较弱的西风水汽输送, 而暴雨的水汽输送主要在中低层。在700 hPa上, 水汽源区主要在阿拉伯海东北部和孟加拉湾附近地区, 该水汽团在中亚低值系统的影响下, 通过接力输送方式, 与来自北方及东北方的冷空气团在巴尔喀什湖及以北地区汇合, 由巴尔喀什湖地区进入新疆, 说明巴尔喀什湖地区为此次暴雨水汽的次源地, 即前人提到的“中转站”作用(杨莲梅等, 2007)。西来水汽在新疆天山上空与由来自贝加尔湖地区西伸的偏东低空急流汇合, 形成强辐合区, 水汽通量散度达到最强。随着偏东低空急流的东移, 水汽辐合区也随之移动, 暴雨逐渐消弱。而在500 hPa上, 来自高原西部的偏南水汽输送增强; 在中亚低值系统的推动下, 水汽输送向东移动进入新疆, 该水汽输送伴随着整个暴雨过程, 说明在一定环流条件下, 来自高原西侧的水汽输送通道对新疆强降水有重要的作用。Huang et al(2015b)也证实该水汽输送通道是塔里木盆地的强降水的主要水汽输送路径之一。
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图 4 2004年7月17-21日700 hPa(左)和500 hPa(右)水汽输送通量水汽通量大于4 g·s-1·cm-1·hPa-1的区域 (阴影区, 单位: g·s-1·cm-1·hPa-1)及风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 Figure 4 The water vapor transport flux of more than 4 g·s-1·cm-1·hPa-1 (the shaded, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1) and the wind fields (vector, unit: m·s-1) at 700 hPa (left) and 500 hPa (right) from 17 to 21 July 2004 |
水汽路径和源地只能代表水汽输送量的多少, 即水汽条件; 而降水还取决于水汽的辐合, 即动力条件。蒋军等(2005)诊断了此次特大暴雨过程的天气动力学机制, 认为北方气流、西南气流以及偏东气流形成低层切变辐合区, 高空强西南急流形成高层强辐散区, 为特大暴雨上升运动的持续和发展提供了充足的动力条件。涡度平流随高度增加而形成的上升运动和高层强暖平流使高层辐散产生的上升运动, 为特大降水提供了更为有利的动力条件。
3.3 暴雨过程水汽路径与特征分析 3.3.1 水汽输送轨迹聚类分析根据2.2中的轨迹模拟方案, 在700 hPa得到了1 584条轨迹, 通过对聚类分子中的TSV变化(图 5)分析发现, 700 hPa的TSV聚类到3条轨迹后出现了第二次迅速增加, 得到700 hPa的水汽轨迹最终聚类为3条, 即700 hPa上的水汽路径主要有3条。北方路径有2条, 其中31 %的偏东轨迹[路径1, 图 6(a)]来自鄂霍次克海和东西伯利亚地区, 经东北路径越过蒙古上空进入新疆境内; 22 %的偏北轨迹[路径3, 图 6(c)]是从波罗的海沿岸的北冰洋而来, 经过东西伯利亚和中亚巴尔喀什湖地区, 从伊犁河谷和塔城等地区进入新疆; 另一条是西方路径, 占到47 % [路径2, 图 6(b)], 水汽轨迹从阿拉伯海东岸、地中海、里海等地区向东, 经过中亚到达巴尔喀什湖以北地区, 与来自北冰洋的北方路径相汇合后进入新疆。
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图 5 700 hPa水汽输送轨迹聚类空间方差增长率 Figure 5 Increase rate in the total spatial variance (TSV) as cluster combined at 700 hPa |
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图 6 2004年7月17-21日暴雨过程700 hPa水汽输送轨迹 Figure 6 Water vapor transportation paths at 700 hPa from 17 to 21 July 2004 |
综上所述, 使用HYSPLIT_v4模拟得到了此次暴雨过程水汽输送路径, 进一步证明了新疆天山地区暴雨水汽主要来自西方路径, 其中巴尔喀什湖地区作为北来水汽和西来水汽输送的“中转站”, 具有特殊的地位。马禹等(1998)对新疆96·7特大暴雨的研究发现水汽主要来自阿拉伯海东岸和孟加拉湾北岸, 然后按“接力”的方式由源地输送到巴尔喀什湖地区, 并称为“次源地”; 杨莲梅等(2007)从气候学角度分析了接力式水汽输送, 证实了降水偏多年偏西和偏北路径水汽输送增强。此外, 前人研究(张家宝等, 1987; 杨莲梅等, 2001)认为偏东路径是由低空偏东急流输送导致的。
3.3.2 水汽输送路径追踪分析水汽路径及其对应路径上的轨迹数量百分比, 并不等于相关路径水汽输送的贡献率, 这还与轨迹上空气的比湿密切相关(王佳津等, 2015)。因此, 结合气块追踪分析法, 分别分析了2004年17-21日1天、6天和11天前的水汽输送过程中相应的物理量(温度和相对湿度)属性(图 7)。
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图 7 水汽输送过程中水汽路径的高度(a)、温度(b)及相对湿度(c)的变化 Figure 7 Changes of the water vapor paths of the height (a), temperature (b) and relative humidity (c) |
1天前, 研究区域的大部分水汽主要位于目标地区及其周围一带, 高度均在800~700 hPa, 向北可以追踪到阿拉湖、塔城及以北地区, 温度在5~13 ℃之间, 相对湿度在60 %以上; 向东追踪到东天山以北地区, 温度在16 ℃以上, 相对湿度在30 %左右。6天前主要水汽来源出现在中亚巴尔喀什湖及以北的西西伯利亚地区一带的低层, 高度在900 hPa左右, 温度在12~18 ℃, 相对湿度在65 %左右; 向东追踪到我国东北及东西伯利亚东部地区, 高于在700 hPa, 温度在10 ℃以下, 且相对湿度在50 %左右。11天前向北水汽来源主要出现在波罗的海和北冰洋周边海区, 在900 hPa高度左右, 温度在7 ℃左右, 相对湿度在70 %以上; 向西水汽来源主要出现在里海和黑海附近地区, 高度也在900 hPa左右, 温度在10 ℃以上, 相对湿度在65 %左右; 另一个水汽源地在鄂霍次克海以东地区, 在700 hPa高度左右, 温度较低。
由不同路径和源地的水汽输送过程中高度、温度和相对湿度的演变情况(图 7)可以看出, 源自欧亚大陆东北部的气块主要来自700 hPa左右的对流层中层, 气块的初始温度和湿度均较低, 在向西输送过程中温度逐渐升高, 而湿度在输送过程中下降明显, 因此, 气块在到达新疆上空时携带的水汽有限。源自波罗的海、北冰洋沿岸及里海、黑海等的气块主要来自900 hPa的贴近海平面的高度, 由于水面的蒸发作用, 因此, 气块携带的水汽较多, 在输送过程中温度逐渐升高, 而依然保持原有的湿度不变; 在翻越阿尔泰山、天山的过程中由于地形的影响使得气块的高度升高, 气块的温度明显下降, 湿度略有降低。因此, 携带较为丰富的水汽, 在地形和环流配置条件下可形成暴雨乃至特大暴雨。
通过气块轨迹后向追踪分析, 发现这次新疆天山暴雨过程的水汽源地主要有3个, 分别是鄂霍次克海以东的东西伯利亚地区、波罗的海—北冰洋沿岸、阿拉伯海以北—里海地区。结合由聚类分析得出的水汽路径可知, 偏东路径的水汽主要来自鄂霍次克海以东地区的冷空气, 水汽贡献率较低; 偏西路径的水汽是来自阿拉伯海以北—里海—巴尔喀什湖地区一线的低层暖空气, 是暴雨水汽的主要来源; 而偏北路径的水汽来自波罗的海—北冰洋沿岸的冷空气, 在巴尔喀什湖附近地区与偏西路径的水汽汇合, 对暴雨的水汽有较大的贡献。
3.3.3 水汽输送路径贡献率分析上节大致分析了此次暴雨过程中水汽输送的情况, 分别找到了水汽路径及其对应的水汽源地。为进一步定量的区分不同源地的水汽输送贡献, 将其划分为鄂霍次克海以东地区、阿拉伯海以北—里海—巴尔喀什湖地区、波罗的海—北冰洋沿岸地区等3个源地[图 8(a)]。
图 8(b)给出了此次暴雨中各源地及对应路径的空气块携带的水汽输送贡献率。此次暴雨超过50 %的水汽来自阿拉伯海以北—里海—巴尔喀什湖地区的偏西路径的水汽输送贡献, 其次是来自波罗的海—北冰洋沿岸地区的偏北水汽路径, 占到26 %; 来自鄂霍次克海以东地区的偏东路径为21 %。可见, 此次大暴雨的水汽输送主要来自新疆以西的里海和巴尔喀什湖地区, 而西南的暖湿气流对上述源地有重要的水汽贡献。可以推测, 来自印度洋、阿拉伯海的暖湿水汽输送可以间接的输送到新疆地区, 这在杨莲梅等(2007)和Zhao et al(2014)从欧拉观点的角度出发的研究中得到证实。
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图 8 水汽源地分布的区域划分(a, 阴影区表示暴雨区, A、B、C源区分别对应路径3、路径2和路径1)和不同水汽路径对暴雨降水的贡献率(b) Figure 8 Water vapor source distribution division (a, the shaded denote the heavy rain area, water vapor source A, B, and C shows vapor transmission path 3, 2 and 1, respectively) and the contribution percentage of different water vapor transport from sources (b) |
利用新疆维吾尔自治区105个观测站气象资料和NCEP/NCAR再分析资料, 引入基于拉格朗日方法的HYSPLIT_v4模型, 研究了2004年7月17-21日新疆天山山区特大暴雨的水汽输送特征, 得出以下结论:
(1) 2004年7月17-21日暴雨降水主要以天山山区为主, 暴雨过程的水汽主要来自700 hPa, 水汽输送路径有3条, 其中偏北路径有2条, 一条来自鄂霍次克海和东西伯利亚地区, 经蒙古进入新疆; 另一条来自北冰洋沿岸, 经巴尔喀什湖地区进入伊犁河谷; 偏西方路径的水汽从阿拉伯海东岸、地中海、里海等地区向东, 经巴尔喀什湖地区后进入新疆。
(2) 在700 hPa上, 1天前研究区域的大部分水汽主要位于目标地区及其周围一带; 6天前主要水汽来源出现在中亚巴尔喀什湖及以北地区的低层; 11天前向北水汽来源主要出现在波罗的海和北冰洋周边海区, 向西水汽来源主要出现在阿拉伯海以北、里海等地区, 另一个水汽源地在鄂霍次克海以东地区。
(3) 700 hPa上水汽源地主要有3个, 其中超过50 %的水汽来自阿拉伯海以北—里海—巴尔喀什湖地区的水汽输送贡献, 其次是波罗的海—北冰洋沿岸地区, 占到26 %, 而鄂霍次克海以东地区为21 %。
(4) 伊朗高压北抬与欧洲脊东移形成的乌拉尔脊叠加形成暴雨过程的主导系统, 中亚低涡东南移动造成强降水。在对流层高层的副热带西风急流和低层的偏东低空急流对强降水的水汽输送和辐合有重要影响。
新疆降水复杂, 由于缺乏观测资料, 天山山区强降水的复杂性更加明显。以往针对新疆水汽输送的研究, 对干湿年或干湿季合成分析较多, 但这会平滑掉原本就弱的环流及水汽场等“湿信号”, 无法定量辨别水汽输送路径的贡献。筛选和研究强降水过程的水汽输送特征, 可以完整的保留水汽及环流等“湿信号”, 得出合理的水汽输送和环流结构。需要积累研究更多的暴雨个例, 深入开展数值试验工作, 确定暴雨过程中持续性好的关键路径和源地, 总结一些对预报有指示意义的路径指标, 是下一步需要开展的工作。
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2. Central Asia Research Center of Atmosphere Science, Urumqi 830002, Xinjiang, China;
3. Xinjiang Climate Central, Urumqi 830002, Xinjiang, China