刘 晶 刘兆旭 杨莲梅 李建刚 曾 勇 仝泽鹏 江雨霏 周玉淑

1 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,乌鲁木齐 830002 2 中亚大气科学研究中心,乌鲁木齐 830002 3 新疆云降水物理与云水资源开发实验室,乌鲁木齐 830002 4 西天山云降水物理野外科学观测基地,乌鲁木齐 830002 5 新疆维吾尔自治区防雷减灾中心,乌鲁木齐 830002 6 中国科学院大气物理研究所,云降水物理与强风暴实验室,北京 100029 7 中国科学院大学地球科学学院,北京 100049

提 要: 选取2018年7月31日和2016年8月8日两次东天山哈密地区强降水天气过程(分别简称“7·31”过程和“8·8”过程),利用NCEP/NCAR FNL 0.25°×0.25°和GDAS 1°×1°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星产品、基于地基GPS观测的大气可降水量(PWV)资料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式,通过对水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹、暴雨区水汽收支计算诊断,揭示两次强降水期间的大尺度水汽输送、辐合特征,得到如下主要结果:两次强降水过程均发生在大陆高压位置异常情况下,为水汽长距离输送提供了有利的环流背景条件;两次过程水汽输送均由三个阶段构成,且河西走廊水汽输送均对两次暴雨天气过程具有贡献,“7·31”过程降水前和降水期间,河西走廊偏东水汽接力输送通道建立,造成河西走廊—暴雨区自东南向西北先后增湿,较低纬度南海和高压南侧水汽输送和补充为哈密东南部短时强降水天气提供充沛的水汽供应条件。“8·8”过程青藏高原北部—新疆巴州南部水汽接力输送通道建立,高原北部水汽沿高压外围偏南气流向北输送,与中纬度低槽前西南气流在暴雨区有所汇合,同时对流层低层河西走廊偏东水汽进一步补充,造成哈密北部测站PWV出现三次增湿过程。

引 言

新疆地处欧亚大陆中部干旱、半干旱地区,远离海洋,拥有独特的“三山夹两盆”复杂地形,不受季风系统的直接影响(张家宝,1986),降水主要发生在夏季和山地(史玉光,2014),分布极不均匀。进入21世纪后,中国110°E以西的干旱、半干旱地区春夏季的极端降水事件的日数有所增多(施雅风等,2003;黄建平等,2014),已有研究表明(戴新刚等,2007;杨莲梅,2003;王少平等,2016),新疆虽然小雨日数显著减少,但局地暴雨频发,强降水日数和强度均呈上升态势。由于复杂地形应对暴雨的形成和防御能力不同,当局地出现极端暴雨(24 h降水量>48 mm),特别是短时强降水(雨强>20 mm·h-1)时,时间集中,强度大,容易引发山洪、泥石流、山体滑坡等次生灾害,造成重大人员伤亡和经济损失,给当地经济建设和社会发展造成严重灾害(黄艳等,2018;庄晓翠等,2021)。

哈密地区位于新疆最东端,与甘肃河西走廊相邻,是新疆通向中国内地的要道,也是“一带一路”战略的重要节点城市。近年来哈密地区暴雨频发,该地区的极端暴雨天气逐渐引起各方关注。据统计,哈密地区各站夏季平均气温在过去50多年内均呈上升趋势,达0.42℃·(10 a)-1,增温率是IPCC第四次报告中全球近50年增温率的三倍多(王文涛等,2014),且干湿年际变化与甘肃河西走廊干湿变化存在紧密联系(陈峰等,2016)。哈密地区以农牧业为主,农牧业的丰欠在很大程度上决定于降水的多少。温度升高、降水增多为当地地区经济发展和城市建设提供了宝贵的水资源,但同时局地短时强降水的增加也给当地气象防灾减灾带来了严重挑战。已有研究表明,在西风槽与副热带高压相互作用过程中,高压外围暖湿输送带能够将水汽从洋面经河西走廊地区接力输送至新疆暴雨区(杨莲梅等,2012),为暴雨的产生提供了充沛的水汽供应,而还未有涉及到西风带与西风带大陆高压相互作用下哈密地区水汽聚集机理等方面的研究成果。此外,季风区与干旱、半干旱地区气候背景、地形条件各不相同,造成短时强降水的水汽输送特征也存在差异,因而研究该地区暴雨发生期间的水汽来源、水汽输送特性对于增强对干旱、半干旱区暴雨形成的认识和该地区防汛抗旱方面尤为重要。

无论是季风区还是干旱区,大气中充沛的水汽和持续的水汽输送都是形成强降水的必要条件。已有研究揭示了东亚地区水汽输送与东亚地区降水变化间的关系,指出东亚水汽输送是东亚季风的重要组成部分(Park and Schubert,1997;Zhou and Wang,2006;Zhao et al,2007),并发现来自中国南海水汽在东亚降水水汽供应中起至关重要的“中转”作用(Ding and Chan,2005;Jin et al,2007;孙力等,2016)。另外也有研究针对中国极端暴雨事件的水汽输送特征开展相关分析(王婧羽等,2014;孔祥伟等,2021),发现水汽输送通道分布主要受纬度、季节、地形以及季风影响(徐洪雄等,2014;孙建华等,2016)。近年来针对季风区暴雨天气水汽输送、聚集机制等方面,国内外多位研究学者(Stohl and James,2004;江志红等,2011;庄晓翠等,2022)利用基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT v4.9)模拟计算了暴雨区几类暴雨的水汽输送轨迹、主要通道,给出了不同源地的水汽贡献,并分析了暴雨期间水汽输送和收支特征(周玉淑等,2005;李超等,2022;杨柳等,2018;陈红专等,2019),阐明了季风区夏季暴雨期间水汽输送和聚集机制。针对新疆极端降水天气的水汽输送和聚集特征有不少研究成果,提出了新疆区域产生降水的水汽在合适的环流条件下,在中亚地区集中,并通过接力输送机制输送至暴雨区的概念(张家宝和邓子风,1987;刘晶和杨莲梅,2017;杨莲梅等,2012)。在此基础上,也有研究分析发现新疆暴雨天气与低纬度阿拉伯海偏南水汽输送密切相关(Huang et al,2015;Akiyo and Tetsuzo,1998),偏南气流与中纬度偏西气流共同构成强降水期间水汽输送通道,为暴雨区提供充沛的水汽供应(刘晶等,2019b)。

由于国家降水量级标准不适合干旱、半干旱气候背景的新疆地区,因而本文采用肖开提·多莱特(2005)提出的更适合新疆气候特点的降水量级标准:24 h降水量R,0.1 mm≤R<6.0 mm为小雨,6.1 mm≤R<12.0 mm为中雨,12.1 mm≤R≤24.0 mm 为大雨,>24.0 mm为暴雨,>48.0 mm为大暴雨。2016年8月8日和2018年7月31日,哈密地区出现两次极端暴雨天气事件(以下分别简称“8·8”过程和“7·31”过程),两次暴雨均发生在大陆高压位置异常背景下,中尺度云团在高压外围生成并影响暴雨区,而暴雨落区、雨强各不相同,本文通过计算诊断水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹和暴雨区水汽收支情况,对两次极端暴雨天气水汽输送和聚集特征进行对比分析,探讨干旱、半干旱地区极端暴雨天气水汽来源、水汽输送特征的异同,弄清在大陆高压位置异常环流背景下,水汽是如何输送和快速聚集在东天山哈密地区,为更好理解该地区极端暴雨天气提供一定参考依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

本研究中使用观测站数据、再分析资料、风云2G卫星产品、三源融合降水产品以及GPS大气可降水量资料。观测站数据选用新疆和甘肃地区8个地基GPS大气可降水量数据、甘肃敦煌和新疆若羌探空站、新疆地区32个国家级气象观测站和81个区域观测站小时降水量数据。降水量采用了中国地面、卫星和雷达三源融合的逐小时降水产品,其空间分辨率为0.1°×0.1°。

再分析资料用于大尺度环流形势、大尺度水汽输送特征等分析,选取美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的0.25°×0.25° FNL再分析资料,时间分辨率为6 h,垂直共为31层。选用风云2G逐小时云顶亮温产品用于对流云团演变特征分析。采用新疆及甘肃地区共8个GPS观测站的大气可降水量(GPS-PWV)资料(图1)分析局地水汽变化与大尺度水汽输送间的关系。

注:∆代表国家级气象观测站,★代表敦煌探空站,★代表若羌探空站,•代表地基GPS测站。图1 研究区域地面气象观测站、探空站和水汽输送通道地基GPS测站分布Fig.1 Location of ground meteorological observation stations, sounding stations and the ground-based GPS stations

GPS-PWV与降水过程关系密切,当GPS-PWV超过一定阈值后,对应地面会有降水发生(杨晓霞等,2012;刘晶等,2019a;程鹏等,2021)。赵玲等(2010)将探空观测资料计算的大气可降水量(sounding-PWV)和利用GAMIT软件处理反演得到1 h间隔的GPS-PWV进行对比分析,发现两者间的误差在2 mm内,说明GPS-PWV具有较高的准确性。通过分析甘肃敦煌站(图2)2018年6—8月GPS-PWV与探空站计算的可降水量时间变化,发现两者间相关系数达0.94。这也证实了GPS-PWV数据的可靠性,说明该数据可作为描述水汽变化细节的有效手段,补充常规探空资料在时间和空间密度上的不足。

注:图b中,黑线代表1∶1线,红线代表线性回归拟合线。图2 2018年6—8月敦煌站GPS-PWV和探空计算可降水量(sounding-PWV)的(a)时间变化和(b)散点分布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 水汽收支计算

文中采用水汽收支方程计算暴雨区(面积约为1.64×1010m2)水汽收支情况,水汽收支方程为:

(1)

式中:P和Es分别为降水量和蒸发量,g是重力加速度,pt取100 hPa为顶层气压,ps为地面气压,水汽的局地变化∂q/∂t采用时间中央差求得,垂直运动对水汽的输送∂ωq/∂p由直接差分可得,水汽通量辐合项·qv化为线积分计算:

(2)

式中:右边四项分别表示水汽从不同边界进入选定区域的值,其中vnq是边界的法向分量,m和n是选取区域沿经向和纬向的格点数,Δls、Δle、Δln、Δlw分别是各边界上的格距,“—”表示空间步长的平均值。

1.2.2 HYSPLIT轨迹追踪方法

利用HYSPLIT_4模式系统追踪气团进一步证实两次强降水过程水汽源地。HYSPLIT是NOAA等机构联合开发的一种可处理不同气象数据输入和不同物理过程及不同排放源的包含输送、扩散、沉降过程的模式系统,能够对气块来源进行追溯(Makra et al,2011;Stohl and James,2004)。在本研究中,HYSPLIT 模式系统使用NCEP GDAS资料作为初始场数据,数据时间分辨率为6 h,水平分辨率为1°×1°。

针对“7·31”和“8·8”过程,分别选取哈密东南地区代表点(暴雨中心哈密沁城乡小堡站,42.85°N、94.71° E,海拔高度为1903 m)和哈密北部地区代表点(暴雨中心巴里坤镇大直沟站,43.57°N、93.01°E,海拔高度为1934 m)作为模拟初始点,具体模拟参数见表1。为了更直观地看出各条轨迹路径,采用簇分析法对两次过程轨迹路径进行聚类,具体方法见孙力等(2016)。

表1 “7·31”和“8·8”过程HYSPLIT水汽追踪模式模拟参数表Table 1 The simulation parameters in HYSPLIT_4 model in the 31 July and the 8 August processes

2 天气过程概况及环流形势分析

2018年7月30—31日,西风带大陆高压位置异常偏北(图3a),同时暴雨区位于200 hPa急流入口区左侧和700 hPa低空东南急流左前方(图3b),暴雨区处于西北风和东南风辐合区。低层水汽强烈辐合,对流云团在低空急流出口区左侧生成,在向东北方向移动过程中不断发展,造成哈密东南部出现短时强降水天气(“7·31”过程)。2016年8月8—9日,500 hPa 大陆高压位置异常偏西(图3c),中心位于95°E附近,高压西侧偏南气流将青藏高原北部水汽向北输送,与中纬度低槽前西南气流交汇于新疆巴州北部—吐鄯托盆地一线,同时700 hPa 巴州北部—吐鄯托盆地—哈密北部一线有明显的风场切变线(图3d),两个中尺度对流云团在巴州北部生成,在沿低层风场切变线向东北方向移动过程中合并发展,造成哈密北部出现短时强降水天气(“8·8”过程)。

注:矩形代表哈密地区,G代表大陆高压,粗实线代表低层切变线。图3 (a,b)2018年7月31日02时(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和风场(阴影),(b)200 hPa急流(等值线和风矢,单位:m·s-1) 和700 hPa急流(阴影和风羽)分布;(c,d)2016年8月8日02时(c)500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和风场(阴影),(d)700 hPa风场(阴影和风羽)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

两次降水天气过程中哈密地区多站均达到暴雨量级(图4),其中“7·31”过程哈密区域气象观测站共15个站达到暴雨,4个站12 h累计降水量超过48 mm(量级达到大暴雨),降水中心哈密沁城乡小堡站31日00—14时(北京时,下同)14 h累计降水量达到115.5 mm(图4c)。“8·8”过程哈密区域气象观测站共10个站24 h累计降水量超过48 mm(大暴雨),降水中心巴里坤镇大直沟站累计降水量达到41.1 mm(图4d)。两次天气过程均发生在西风带大陆高压位置异常环流背景下,且多站出现大暴雨天气,因而下文将重点分析“7·31”和“8·8”暴雨过程水汽输送和聚集特征等异同。

3 强降水期间水汽输送特征分析

以往的研究表明(杨莲梅,2003;刘晶和杨莲梅,2017),在合适的环流条件下,水汽能够在新疆中亚地区集中,并通过接力输送机制输送至暴雨区。下文通过对比分析暴雨区大气可降水量分布特征、水汽输送特征、水汽收支和HYSPLIT水汽追踪结果,针对“7·31”和“8·8”两次降水过程暴雨区水汽接力输送、汇集及水汽源地等分布特征,探讨两次过程水汽输送特征的异同。

3.1 GPS-PWV分布特征

利用2015—2018年7月和8月8个站GPS-PWV资料计算得出7月PWV平均值(敦煌站为23.31 mm,瓜州站为23.37 mm,古浪站为22.43 mm,高台站为25.86 mm,哈密沁城乡站为19.66 mm),8月PWV平均值(敦煌站为23.31 mm,若羌站为25.8 mm,塔中站为24.3 mm)。通过分析暴雨区与河西走廊测站PWV月距平变化特征发现,两次暴雨天气均与水汽接力输送密切相关。

“7·31”过程降水前(28日20时至30日14时),受高压南侧偏东气流影响,河西走廊自东南向西北出现一次缓慢增湿过程,东南部(图5a)古浪站和高台站PWV月距平值(ΔPWV)为5～10 mm,西北部(图5b)敦煌站和瓜州站ΔPWV增幅异常明显,由5 mm增至20 mm,同时暴雨区受500 hPa中纬度低槽(28—29日)和高压南部偏东气流(30日)先后影响,沁城乡站PWV也出现缓慢增长。30日14—20时河西走廊和暴雨区GPS测站出现一次快速增长过程,古浪站和高台站先后在17时和20时达到峰值,其中古浪站14—17时ΔPWV 3 h增幅达7 mm,敦煌站和瓜州站ΔPWV分别在22时和23时达到峰值,哈密沁城乡站14—20时ΔPWV由12 mm快速增长至17 mm,河西走廊至暴雨区自东南向西北先后增湿,可能与低空偏东水汽输送通道有关。31日02时,河西走廊低空东南急流迅速增强,700 hPa最大风速达20 m·s-1,低纬度地区暖湿气流经河西走廊后,进一步输送聚集在哈密地区,造成测站02—08时PWV 6 h增幅5.41 mm(图5c),PWV峰值(08时,49.7 mm)是7月PWV平均值的2倍多,降水前暴雨测站PWV持续增长和一次急剧增加过程,为局地强降水提供了充沛的水汽。这也说明大尺度水汽输送、局地PWV变化与测站降水有较好的对应关系,同时也能反映出本次降水过程偏东水汽输送的情况。

图5 2018年7月28—31日(a,b)甘肃省4个站、新疆哈密沁城乡站ΔPWV及(c)哈密沁城乡站GPS-PWV和逐小时降水量演变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”过程降水期间,受500 hPa大陆高压外围水汽输送影响,8月4日08时至5日20时(图6a),新疆巴州南部塔中站和若羌站出现一次持续增湿过程,塔中站ΔPWV增幅异常明显(由1 mm 波动增长至15 mm),若羌站ΔPWV由6.8 mm波动增长至15.1 mm。来自高原北部的水汽沿高压外围偏南气流向北输送,经巴州南部接力输送至哈密北部地区,5日02—21时巴里坤站PWV由17.3 mm持续增至32.3 mm(图6c)。6日02时受高压外围水汽输送持续影响,巴州南部塔中站和若羌站ΔPWV持续增长,同时700 hPa哈密东北侧高压底部偏东气流将河西走廊一线水汽向西输送至甘肃西北部—哈密北部地区,在对流层中层高压外围西南气流和对流层低层偏东气流共同影响下,甘肃西北部敦煌站和巴里坤站PWV均出现波动增长过程,其中巴里坤站PWV 6日04—14时期间10 h增幅达10.9 mm,对应测站出现少量降水,此后巴里坤站PWV稳定维持在一高值附近(34.3～38.0 mm)。随着中纬度低槽缓慢东移,7日20时槽前西南气流与高压外围西南气流汇集于哈密北部地区,来自高原北部的水汽与中纬度低槽携带的水汽快速聚集在哈密北部上空,巴里坤站PWV从7日20时至8日02时出现缓慢波动增长过程(图6c),并达到峰值40 mm,是8月PWV平均值的2倍多,对应测站8日 00时开始出现强降水天气。降水前巴里坤站PWV出现三次增湿过程,持续的水汽补充使得巴里坤站GPS-PWV稳定在高值附近。

图6 2016年8月(a)4—7日新疆巴州南部2个站,(b)6—8日甘肃敦煌站ΔPWV演变,(c)5—9日新疆哈密巴里坤站GPS-PWV和逐小时降水量演变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 两次暴雨过程的水汽输送特征

通过地基GPS-PWV演变特征分析发现,两次过程均存在水汽接力输送过程,暴雨区水汽均存在2～3次波动增湿过程,为证实充沛的水汽是如何输送至暴雨区,下文通过对比分析两次过程水汽输送通道和水汽源地的差异,阐明水汽是通过哪些通道完成水汽接力输送过程。

“7·31”强降水前(7月28日20时,图略),中纬度低槽位于巴尔喀什湖东侧,移动缓慢,下游大陆高压稳定少动,在槽前偏南暖湿气流影响下,哈密沁城乡出现一次缓慢增湿过程。30日02时(图7a),500 hPa大陆高压位置异常偏北,中心位于40°N附近,700 hPa南海水汽沿南支槽前偏南气流向北输送(图略),与高压外围水汽在河北南部交汇增强,继续向河西走廊一线输送,河西走廊中部最大水汽通量达12 g·cm-1·hPa-1·s-1,探空站比湿迅速由6～9 g·kg-1增至10～11 g·kg-1。30日14时至31日02时(图7b),受高压南侧对流层低层偏东水汽接力输送影响,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,河西走廊和暴雨区自东南向西北先后出现一次快速增湿过程;随着700 hPa河西走廊东南急流增强,来自低纬度暖湿气流沿急流向西北方向输送,在偏东水汽接力输送影响下,31日08时哈密探空站700 hPa比湿增至11 g·kg-1,暴雨区充沛的水汽在合适的动力、热力条件下快速聚集,水汽通量大值区附近多个对流云团生成、合并和发展,造成哈密东南部极端强降水天气。

“8·8”过程强降水前(8月4日08时至5日20时,图略),大陆高压位置异常偏西,并由带状断裂成块状分布,受高压外围偏南气流影响,高原北部水汽经巴州南部向哈密北部输送,造成塔中站、若羌站和哈密巴里坤GPS-PWV先后出现增湿过程,若羌探空站700 hPa比湿达7 g·kg-1(图略)。6日02时(图7c),700 hPa哈密东北侧高压中心强度增至316 dagpm,甘肃西北部—哈密北部均受高压底部偏东气流控制,内蒙古中部地区水汽经偏东气流输送至甘肃西北部—哈密北部地区,造成甘肃西北部最大水汽通量达10 g·cm-1·hPa-1·s-1。随着700 hPa高压中心向南移动,高压西侧东南气流与500 hPa高压外围西南气流交汇于哈密北部地区,造成暴雨区再次出现快速增湿过程。7日08时(图7d),500 hPa低槽移速缓慢,槽前西南气流与高压外围西南气流交汇,两支气流合并为暴雨区带来充沛的水汽,巴州北部—哈密北部最大水汽通量达10 g·cm-1·hPa-1·s-1。同时700 hPa高压西侧偏南气流经河西走廊向暴雨区接力输送(图略),充沛水汽进一步向暴雨区补充,哈密北部巴里坤站GPS-PWV 稳定维持较高值附近。

通过求解泊松方程(丁一汇,1989)计算和分析哈密地区两次暴雨过程水汽流函数、势函数分布发现,两次暴雨天气过程水汽输送通道各有不同。“7·31”过程中,700 hPa与500 hPa来自低纬度中国南海的水汽补充到大陆高压南侧偏东气流中,两支水汽在河西走廊南侧交汇继续向西北方向输送(图8a,8b),暴雨区附近对流层低层出现强的水汽辐合中心(图8e,8f),其中对流层低层水汽通量的非辐散分量是中层的2倍。南海水汽与大陆高压外侧水汽在河西走廊交汇加强,共同构成对流层中低层偏东水汽接力输送通道。强降水发生期间水汽源自中国南海和河西走廊一线(即西风带大陆高压南侧),水汽在暴雨区快速聚集汇合造成强降水天气,一定程度上说明副热带地区暖湿气流能够影响到干旱、半干旱内陆地区。

“8·8”过程降水期间,500 hPa来自青海—青藏高原北部的水汽沿大陆高压外围偏南气流向东北方向输送,与中纬度低槽前偏南气流交汇于巴州北部—哈密北部(图8c),水汽经河西走廊向暴雨区输送,同时700 hPa河西走廊的水汽进一步向哈密地区补充(图8d),造成巴州北部—哈密北部均处于水汽的辐合区(图8g,8h),并伴有中心强度为-3×106kg·s-1的强水汽辐合中心(图8h)。对流层中层高原北部水汽经大陆高压外侧向北输送,与中纬度低槽前偏南气流交汇,同时对流层低层存在偏东水汽输送,共同构成“8·8”过程对流层中低层偏东水汽接力输送通道。

综合上述分析发现,“7·31”过程降水前河西走廊和暴雨区出现持续异常增湿过程,河西走廊受大陆高压南侧偏东气流影响早,测站自东南向西北ΔPWV先后达到峰值。PWV持续增湿过程与700 hPa高压南侧偏东气流和南支槽前偏南气流的汇合有较好对应关系,进一步说明本次强降水过程存在强盛的偏东水汽接力输送,也反映出副热带洋面水汽在一定环流形势下能够影响到干旱、半干旱的新疆东部地区。而“8·8”过程强降水发生前和降水期间暴雨区先后受对流层中层大陆高压外围偏南气流、对流层低层偏东气流和对流层中层低槽前西南气流影响,使得暴雨区PWV出现三次增湿过程,相较“7·31”降水过程,“8·8”过程降水前2～3 d PWV增湿明显,降水前1 d PWV稳定在一较高值附近并缓慢波动增长,而“7·31”过程哈密东南部强降水前2～3 d测站PWV增长缓慢,降水前1 d PWV出现迅速增长过程,两次降水过程水汽输送特征差异明显。

3.3 水汽收支分析

除了充沛的水汽供应和输送外,暴雨的产生离不开水汽的局地聚集。为进一步对水汽局地聚集和变化特征进行分析,下文计算了两次降水过程期间哈密地区(40.5°～45°N、94°～97°E)的水汽收支情况。通过分析发现,“7·31”过程降水前和降水期间(7月28—31日,图9a～9d),暴雨区纬向水汽主要由对流层低层东边界流入,经向水汽主要由对流层低层南边界流入。随着低空东南急流建立,来自河西走廊的充沛水汽被输送至暴雨区上空,31日02时—08时水汽流入集中在800～600 hPa,其中700 hPa东边界和南边界最强水汽流入分别达5×10-4kg·m-2·s-1和 6×10-4kg·m-2·s-1。“8·8”过程降水前和降水期间(图9e～9h),低槽前西南气流与高压外围偏西气流交汇,造成暴雨区对流层中层西边界水汽流入迅速增大(图9e),受对流层低层哈密东北侧高压底部东南气流影响,8月6日20时至8日08时700 hPa东边界和南边界水汽流入逐渐增大,随着高压逐渐向南移动,8日02时暴雨区上空偏南气流迅速增大,南边界水汽流入达 4.5×10-4kg·m-2·s-1(图9g)。

图9 (a～d)“7·31”和(e～h)“8·8”过程暴雨区(a,e)西,(b,f)东,(c,g)南,(d,h)北边界水汽流入(等值线和填色,单位:10-4 kg·m-2·s-1)的时间变化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

从图10可以看出两次降水过程暴雨区水汽收支主要由垂直输送和散度项决定,水汽的局地变化很小,可以忽略。降水期间水汽散度项存在明显变化,“7·31”过程降水水汽主要集中在900～600 hPa(图10a,10b),其中700 hPa东边界和南边界最大水汽流入分别达5.5×10-4kg·m-2·s-1和6.0×10-4kg·m-2·s-1(图10c,10d),对流层低层充沛的水汽输送至600 hPa以上,对应850～650 hPa存在明显的水汽垂直输送。而“8·8”过程降水前和降水期间整层大气均存在水汽流入,其中水汽最大流入集中在850～700 hPa(图10e,10f),降水前500 hPa西边界和降水期间700 hPa南边界最大水汽流入分别为3.0×10-4kg·m-2·s-1和4.5×10-4kg·m-2·s-1(图10g,10h)。

注:图a,b,e,f中点线为散度项,实线为水汽局地变化,虚线为水汽垂直输送项;图c,d,g,h中紫色点线、绿色实线、蓝色虚线和红色虚线分别代表西、东、南和北边界水汽流入流出项,黑色实线代表水汽散度项。图10 (a～d)“7·31”和(e～h)“8·8”过程暴雨区降水期间(a,b,e,f)水汽收支和(c,d,g,h)散度项分布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水汽追踪

通过分析两次东天山暴雨天气水汽源地发现,河西走廊水汽输送均对两次暴雨天气过程具有贡献,而其他水汽源地略有不同。

“7·31”过程降水期间暴雨区上空3000 m高度水汽主要源自哈萨克斯坦南部(轨迹1)、南疆西部山区(轨迹2)、西西伯利亚平原(轨迹3)、塔里木盆地(轨迹4)和中国南海(轨迹5),分别占3000 m高度水汽输送总量的28%、32%、12%、16%和12%。轨迹1和轨迹2,来自哈萨克斯坦南部和南疆西部山区的水汽沿中纬度低槽前偏南气流向北输送,翻越天山大地形后进入暴雨区上空,最大比湿由3 g·kg-1增至6 g·kg-1(图11c)。此外低空南海水汽(轨迹5 占3000 m水汽输送总量12%)向北输送,经河西走廊地区后进入暴雨区,气团最大比湿达9 g·kg-1(图11e)。“7·31”过程降水期间,暴雨区上空5000 m高度水汽主要源自塔吉克斯坦(轨迹1)和广东沿海地区(轨迹2)(图11b),分别占5000 m高度水汽输送总量的72%和28%。轨迹1,气团自塔吉克斯坦2500 m高度沿中纬度低槽前偏南气流翻越昆仑山和天山后,气团高度增至5000 m附近(图11d),比湿维持在3 g·kg-1。轨迹2,气团自副热带地区向北经河西走廊进入暴雨区,气团比湿增至6 g·kg-1(图12f)。

注:★代表暴雨中心哈密沁城乡小堡站。图11 “7·31”过程暴雨区上空(a,c,e)3000 m和(b,d,f)5000 m水汽输送通道的(a,b)空间分布,(c,d)高度和(e,f)比湿变化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

来自副热带地区暖湿气团汇集于河西走廊接力输送区,在低空偏东急流输送下再次向西输送至暴雨区,对流层中低层偏东水汽接力输送通道的建立为暴雨区输送充沛的洋面水汽,暖湿不稳定能量在暴雨区有效释放对暴雨的发生具有不可忽视的作用(Akiyo and Yasunari,1998),造成暴雨区出现强降水,这与前文分析结果较为一致。

“8·8”过程暴雨期间3000 m高度水汽源自青藏高原东部(轨迹1)、河西走廊(轨迹2)、新疆巴州东部(轨迹3)和内蒙古中部(轨迹4),分别占3000 m高度水汽输送总量的14%、52%、24%和10%(图12a,12c),其中:轨迹1和轨迹2,来自高原东部和河西走廊的气块沿河西走廊偏东气流进入暴雨区,最大气块比湿达8 g·kg-1(图12e);轨迹3,气块自新疆巴州南部沿大陆高压西侧偏南气流向暴雨区输送,最大比湿由4 g·kg-1增至8 g·kg-1。“8·8”降水期间暴雨区上空5000 m高度水汽源自偏西、偏东和偏南路径(图12b),其中:轨迹1,来自蒙古、河西走廊的水汽沿高压底部偏东气流进入哈密地区;轨迹2和轨迹5,源自昆仑山北坡4500 m高度的气块向北输送至暴雨区,在翻越天山过程中比湿由2 g·kg-1增至6 g·kg-1,气团高度爬升至5000 m附近(图12d);轨迹3和轨迹4,来自中亚地区5000 m高度气团经帕米尔高原、天山山脉爬升后进入暴雨区,比湿增至4 g·kg-1(图12f)。上述结果进一步证实了对流层中层中纬度低槽西南气流、大陆高压西侧偏南气流和对流层低层偏东气流对暴雨区水汽输送的影响。来自青藏高原东侧和北侧水汽沿高压外围偏南气流向北输送至暴雨区,与中纬度西南气流汇集于哈密北部,同时对流层低层水汽沿低层偏东气流进一步补充,造成哈密北部暴雨天气,这与前文分析结果较为一致。

4 结论与展望

通过分析“7·31”和“8·8”两次哈密地区暴雨天气过程的水汽输送特征,给出了两次强降水过程水汽输送、源地的异同点,得出以下结论:

(1)两次暴雨天气过程均发生在西风带大陆性高压位置异常情况下,“7·31”过程强降水期间,500 hPa 大陆高压位置异常偏北,700 hPa高压南侧偏东急流稳定维持,较低纬度充沛水汽经河西走廊后继续向暴雨区输送。“8·8”过程强降水期间,500 hPa 大陆高压位置异常偏西,高原北部水汽沿高压外围西南气流向北输送,与中纬度低槽前西南气流交汇,为暴雨区提供充沛的水汽条件。

(2)两次暴雨天气过程降水前和降水期间均存在三个阶段水汽输送过程(图13),其中“7·31”过程降水前分别受500 hPa中纬度低槽前偏南气流、700 hPa南支槽前偏南气流与大陆高压南侧偏东气流影响,甘肃地区及哈密东南部暴雨区自东南向西北出现先后增湿,强降水期间河西走廊低空偏东急流迅速增强,低纬度水汽经河西走廊再次补充到暴雨区上空。“8·8”过程降水前先后受高压外围偏南气流、河西走廊低空急流影响,高原北部水汽输送造成巴州南部—哈密北部出现增湿过程;对流层低层水汽补充造成哈密北部再次剧烈增湿;强降水期间,中纬度低槽前西南气流与大陆高压顶部偏西气流汇集,同时受对流层低层高压西侧东南气流影响,哈密北部测站PWV再次出现波动增湿过程。

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

(3)河西走廊水汽输送均对两次暴雨天气过程有贡献,除此之外,两次暴雨天气过程其他水汽源地略有不同,“7·31”暴雨天气过程水汽源地主要在南海、大陆高压南侧及河西走廊地区,低纬度洋面水汽经河西走廊向暴雨区输送,造成对流层低层哈密地区东边界和南边界出现水汽流入大值区,水汽在暴雨区快速聚集从而产生强降水天气。而“8·8”暴雨天气过程水汽主要源自对流层低层高原东部和河西走廊、对流层中层青藏高原北部和中纬度低槽自身携带的水汽,来自青藏高原北侧水汽沿大陆高压外围偏南气流向北输送至暴雨区,与中纬度西南气流汇集于哈密北部,造成哈密地区对流层低层东边界和南边界、对流层中层西边界出现水汽流入大值区,为哈密北部短时强降水天气提供充沛的水汽供应。

作为国家“丝绸之路经济带”重要节点城市,近年来哈密地区暴雨天气逐渐引起各方关注。同样在西风带大陆高压位置异常情况下,暴雨区落区、强度却有所不同,造成强降水的水汽源地、水汽输送特征差异较大,因而本文通过计算分析水汽输送流函数、势函数、暴雨区水汽收支、GPS-PWV演变特征等,结合HYSPLIT轨迹模式,给出了大陆高压位置异常情况下哈密地区两次极端强降水天气水汽输送特征、水汽源地的异同特征,研究结果有助于增强对干旱、半干旱区暴雨形成的认识、提高哈密地区降水预报准确率。但研究工作仅针对了两次天气过程,样本量少,且水汽追踪利用HYSPLIT轨迹模式,其结果易受数据分辨率影响。今后,将针对干旱、半干旱区暴雨事件,加大研究样本,应用WRF数值模式深入探讨干旱区短时强降水水汽输送和聚集机理研究。此外,预报员在业务实践中也可重点关注河西走廊水汽输送和大陆高压异常对于局地降水的影响,同时结合多源气象探测数据,使哈密地区夏季暴雨定时、定量预报能够得到实质性的进展。