水汽輸送對(duì)三江平原降雪資源的貢獻(xiàn)

國(guó)世友，趙 檸

（黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江哈爾濱150030）

引言

近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，冬季的雪資源逐步被人們廣泛重視和應(yīng)用，冰雪體育、冰雪旅游得到進(jìn)一步發(fā)展，帶動(dòng)了賓館業(yè)、餐飲業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、文化廣告業(yè)等配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而降雪資源的多少依賴(lài)于水汽輸送的強(qiáng)弱[1，2]，因此尋找降雪的水汽輸送敏感區(qū)及其水汽源是降雪資源預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)，亦是探討強(qiáng)降雪成因的重要因素。本文重點(diǎn)研究水汽遠(yuǎn)距離輸送路徑、水汽輸送流型、水汽垂直輸送，揭示降雪區(qū)的水汽源及其水汽輸送強(qiáng)度與降雪量關(guān)系。

使用三江平原16個(gè)觀測(cè)站逐小時(shí)降雪量資料、NCEP/CFSv2逐小時(shí)分析資料。NCEP/CFSv2資料水平格距 0.5°×0.5°，1000～200hPa垂直 22 層的位勢(shì)高度、溫度、緯向風(fēng)分量、經(jīng)向風(fēng)分量、比濕、垂直速度。計(jì)算三江平原2015年12月1～3日水汽含量、水汽通量、水汽相關(guān)矢量，研究三江平原水汽輸送特征對(duì)降雪資源的貢獻(xiàn)。

1 環(huán)流形勢(shì)及降雪概況

12月1日20時(shí)，500hPa亞洲至北太平洋地區(qū)呈兩槽一脊型，黑龍江省受高壓脊控制，內(nèi)蒙古中部、千島群島各有一個(gè)低渦。850hPa從內(nèi)蒙古中部的東北冷渦中心向南延伸至大別山為冷式切變線，切變線東側(cè)的西南風(fēng)將暖濕空氣向北輸送，切變線西側(cè)西北風(fēng)向東北冷渦輸送冷空氣，促使東北冷渦在向東移動(dòng)過(guò)程中發(fā)展、加強(qiáng)。同時(shí)，地面有蒙古氣旋入海加強(qiáng)、配合，為強(qiáng)降雪的發(fā)生提供了有利的大尺度背景場(chǎng)。2日20時(shí)冷渦中心移到吉林西部，850hPa冷式切變線位于東海—日本?！皆鞑浚▓D1），蒙古氣旋中心（位于日本海）延伸出的低壓倒槽到達(dá)三江平原西部，使得三江平原出現(xiàn)了十分有利的降雪形勢(shì)。850hPa冷式切變線、地面低壓倒槽為降雪的發(fā)生提供了有利的輻合上升條件和水汽、能量條件，在其影響時(shí)段，三江平原降雪達(dá)到最強(qiáng)。3日20時(shí)冷渦中心到達(dá)三江平原東部，蒙古氣旋移中心到錫霍特山脈東部，三江平原降雪減弱。

2015年12月1～3日三江平原大部分測(cè)站降雪量超過(guò)20mm，達(dá)到大暴雪量級(jí)，其中饒河31.1mm、蘿北31.0mm、集賢30.9mm。降雪過(guò)后，三江平原東部最大積雪深度達(dá)35cm以上，撫遠(yuǎn)為50cm。降雪強(qiáng)度超過(guò)1.0mm/h的時(shí)段主要在2日20時(shí)至3日20時(shí)，期間饒河降雪量26.2mm，降雪最強(qiáng)時(shí)超過(guò)2.0mm/h。

2 水汽來(lái)源及其流型特征

為了了解2015年12月初水汽源及水汽輸送特征，采用相關(guān)矢量方法[3-6]，追蹤水汽源，并揭示其水汽輸送路徑、相關(guān)流型。

單位寬度上整層大氣水汽輸送通量矢量為：

其中u、v、ω分別為東西風(fēng)和南北風(fēng)分量，q為比濕，ps、pt分別為地面氣壓和大氣頂氣壓。用 Qλ、Qφ、Qω分別得到緯向、經(jīng)向、垂直水汽輸送通量矢量，pt=200hPa。

降水量與整層積分水汽通量的相關(guān)矢量：

其中 Rqu(λ,φ)、Rqv(λ,φ)分別為降水序列與整層積分水汽通量分量Qλ和Qφ之間的相關(guān)系數(shù)，(λ,φ)為

圖1 2015年12月2日20時(shí)500hPa位勢(shì)高度（藍(lán)線）及850hPa溫度場(chǎng)（紅線）、風(fēng)場(chǎng)

用三江平原16個(gè)站12月2日00時(shí)～4日12時(shí)整層大氣水汽含量、整層積分水平水汽通量時(shí)間序列分別與同期逐小時(shí)降雪量做相關(guān)分析（圖2）?？梢?jiàn)，三江平原總降雪量和整層大氣水汽含量，在九州帕勞海嶺北部—日本海—三江平原、朱格朱爾山脈、中西伯利亞高原為大范圍顯著正相關(guān)區(qū)域，超過(guò)99%信度。

圖2中的矢量為三江平原12月2日00時(shí)～4日12時(shí)南北向整層積分水汽通量、同期整層積分東西向水汽通量與同期逐小時(shí)降雪量求相關(guān)后的合成矢量?？梢?jiàn)，三江平原降雪期間的長(zhǎng)白山、西西伯利亞均為一個(gè)范圍很廣的氣旋式相關(guān)矢量場(chǎng)，三江平原位于長(zhǎng)白山氣旋的東北部；在庫(kù)頁(yè)島—千島群島南部、貝加爾湖東部均為一個(gè)范圍很廣的反氣旋式相關(guān)矢量場(chǎng)，三江平原位于庫(kù)頁(yè)島—千島群島南部反氣旋的西北部，這樣三江平原南邊界多為東南向相關(guān)矢量場(chǎng)，表明降雪與東南向水汽通量顯著正相關(guān)。由此發(fā)現(xiàn)，從長(zhǎng)白山到庫(kù)頁(yè)島—千島群島南部的降雪量和整層積分水平水汽通量具有氣旋式—反氣旋式相關(guān)矢量場(chǎng)分布形式，此兩個(gè)系統(tǒng)共同向暴雪區(qū)輸送水汽，水汽通量與降雪量的相關(guān)矢量值超過(guò)了99%信度的顯著性水平檢驗(yàn)。

將三江平原降雪量和同期水汽含量的顯著相關(guān)區(qū)域和與水平水汽通量的顯著相關(guān)區(qū)域進(jìn)行比較可見(jiàn)，相關(guān)矢量場(chǎng)與水汽含量相關(guān)場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系很好的揭示了三江平原降雪的水汽源及其水平輸送路徑。從兩類(lèi)顯著相關(guān)場(chǎng)綜合分析可知，三江平原的水汽源地主要位于九州帕勞海嶺北部—日本海的海洋區(qū)域，通過(guò)長(zhǎng)白山氣旋與庫(kù)頁(yè)島—千島群島南部反氣旋相互作用的西南轉(zhuǎn)東南向異常水汽輸送給暴雪區(qū)提供充足的水汽條件。

3 水汽輸送邊界收支特征

為了分析三江平原（129.5°～135.0°E，45.0°～48.5°N）水平水汽通量變化與降雪的關(guān)系，分別計(jì)算了經(jīng)向、緯向4個(gè)邊界整層的水汽輸送通量（圖3），用以比較各個(gè)邊界水汽輸送對(duì)降雪的貢獻(xiàn)。由圖3可見(jiàn)：東邊界在12月2日18：00之前輸出逐漸減少，2日19時(shí)以后轉(zhuǎn)為輸入水汽，3日17時(shí)以后輸出減少。與圖4比較可以看出，東向的水汽輸送增加與強(qiáng)降雪發(fā)生時(shí)間同步，說(shuō)明東向的水汽輸送對(duì)降雪有較好的貢獻(xiàn)；2日00時(shí)～4日12時(shí)西邊界基本上一直為輸入，但水汽量較??；南邊界在3日03時(shí)之前的輸入一直多于北邊界的輸出，強(qiáng)降雪時(shí)段處于南向水汽輸入，之后至3日14時(shí)南北向的凈輸入少于輸出，3日14時(shí)以后南北向輸入量與輸出量相差不多。

圖2 12月2日00時(shí)至4日12時(shí)三江平原逐小時(shí)降雪量和同期整層大氣水汽含量的相關(guān)性以及整層水平水汽通量的相關(guān)合成矢量場(chǎng)

饒河較密山降雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算饒河2日00時(shí)～4日12時(shí)降雪量與同期三江平原東邊界、西邊界、南邊界、北邊界整層水汽收支的相關(guān)系數(shù)分別為-0.7796、-0.4074、0.7594、0.2611，說(shuō)明 12月 2日 00時(shí) ～4日 12時(shí)的東向、南向整層水汽輸入對(duì)降雪有顯著的貢獻(xiàn)。

4 水汽垂直輸送特征

水汽進(jìn)行水平輸送的同時(shí)還有垂直輸送，大氣中的垂直輸送在水汽循環(huán)中起著重要作用。由圖4a可知，饒河降雪強(qiáng)度大于1.0mm/h的時(shí)段為12月2日20時(shí)～3日10時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的水汽輸送圖4b可見(jiàn)，降雪之前有一個(gè)水平水汽輸送增大過(guò)程，2日11時(shí)950～850hPa水平輸送水汽通量已達(dá)4g·s/kg，19時(shí)垂直向上輸送水汽通量增大到0.2g/(s·hPa·cm)，降雪強(qiáng)度也隨之增大至1.0mm/h以上，此后水平和垂直向上輸送水汽通量繼續(xù)增大，4g·s/kg最高伸展到600hPa，垂直向上輸送水汽通量 2日23時(shí)、3日3時(shí) 700～800hPa垂直輸送達(dá) 1.0g/(s·hPa·cm)，最大 2.0mm/h。在 3 日 4 時(shí)以后水汽水平輸送、垂直向上輸送均逐漸減弱，但3日05時(shí)水汽垂直向下輸送開(kāi)始增強(qiáng)，08時(shí)～11時(shí)850hPa附近有0.05 g/(s·hPa·cm)向下輸送中心，05 時(shí) ～09 時(shí)的 700～800hPa水平水汽通量高于4g·s/kg，此期間雪強(qiáng)超過(guò)1.5mm/h。強(qiáng)降雪過(guò)后，水汽輸送迅速減弱，3日11時(shí)以后水平水汽通量達(dá)到1g·s/kg處于800hPa以下，降雪強(qiáng)度也迅速減弱。密山的降雪強(qiáng)度與水汽輸送特征相似（圖4a、c），在雪強(qiáng)達(dá)到1.5mm/h之前有一個(gè)水平水汽輸送增大過(guò)程，當(dāng)有垂直向下水汽輸送時(shí)，水平水汽輸送減弱，降雪也迅速增強(qiáng)，垂直向下水汽通量最大達(dá)到0.05g/(s·hPa·cm)以上。

圖3 三江平原12月東、西、南、北邊界整層水汽收支隨時(shí)間的變化

圖4 水汽輸送時(shí)間演變

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三江平原2015年12月1～3日降雪天氣的水汽輸送分析，得到以下主要結(jié)論。

5.1 三江平原降雪的水汽源地主要是九州帕勞海嶺北部—日本海區(qū)域。水汽通過(guò)長(zhǎng)白山、西西伯利亞的氣旋式氣流及庫(kù)頁(yè)島—千島群島南部、貝加爾湖東部的反氣旋式氣流在九州帕勞海嶺北部匯聚，并輸送到日本群島北部，轉(zhuǎn)為東南氣流到達(dá)三江平原。所以，強(qiáng)降雪期間三江平原區(qū)域東邊界、南邊界水平水汽輸送對(duì)強(qiáng)降雪有正的貢獻(xiàn)，西邊界、北邊界貢獻(xiàn)較弱。

5.2 日本群島—日本海、西伯利亞高原地區(qū)的水汽垂直向上輸送對(duì)三江平原降雪貢獻(xiàn)顯著，呈顯著正相關(guān)；庫(kù)頁(yè)島—千島群島區(qū)域水汽垂直向下輸送與此次降雪呈顯著負(fù)相關(guān)。

5.3 水汽輸送與降雪強(qiáng)度的時(shí)間演變表明，強(qiáng)的水平水汽輸送（達(dá)4g·s/kg）配合強(qiáng)的水汽垂直向上輸送（大于 0.2g/(s·hPa·cm)）、弱的水平水汽輸送（低于 2g·s/kg）配合水汽垂直向下輸送（大于 0.05g/(s·hPa·cm)）均可有利于降雪資源增多。