天山南坡暖季暴雨過程的水汽來源及輸送特征

莊曉翠，李博淵，趙江偉，李建剛，張林梅

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆 阿勒泰 836500；3.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002)

引 言

新疆地處中國西北部，深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，水汽匱乏，年均降水量約147 mm，屬于典型的內(nèi)陸干旱區(qū)。在全球氣候變暖背景下，新疆由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型[1]，局部暴雨發(fā)生頻次相應(yīng)增多，南疆沿天山一帶(天山南坡)的暴雨也呈現(xiàn)增多趨勢[2]，因特殊下墊面暴雨極易引發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害。充沛的水汽、不穩(wěn)定層結(jié)和觸發(fā)抬升機(jī)制是暴雨形成條件，分析天山南坡復(fù)雜地形下暴雨水汽源地及輸送特征對深入研究暴雨成因具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，中國東部季風(fēng)區(qū)與西北干旱、半干旱區(qū)夏季氣候平均水汽輸送特征有明顯差異，東部季風(fēng)區(qū)水汽輸送量經(jīng)向比緯向大，而西北干旱、半干旱區(qū)則相反，且相差1個(gè)量級[3]；東部季風(fēng)區(qū)水汽通道主要是印度洋、青藏高原南側(cè)、西太平洋、西風(fēng)帶、孟加拉灣、南海通道，但不同區(qū)域降水異常的水汽通道差異明顯，且同一水汽通道在夏季不同階段與降水的關(guān)系也不盡相同[4-9]，而西北干旱區(qū)新疆夏季降水的氣候平均水汽主要是西風(fēng)帶輸送，但大范圍強(qiáng)降水與來自低緯度的水汽密切相關(guān)[10-11]。低層水汽從源地(如中亞、阿拉伯海、孟加拉灣等)輸送至次源地(巴爾喀什湖、帕米爾高原、青藏高原、河西走廊等)聚集，在合適的條件下接力輸送至暴雨區(qū)，造成新疆較大范圍、持續(xù)性的暴雨天氣[12-24]。然而，新疆地域廣袤，地形復(fù)雜，水汽輸送不僅在南疆和北疆存在差異，南疆盆地的不同區(qū)域也差別明顯[17]。關(guān)于新疆暴雨水汽來源及輸送路徑的研究主要基于歐拉方法，由于大氣風(fēng)場具有瞬時(shí)性，歐拉方法給出的水汽通量隨時(shí)間變化具有瞬變特征，最終只能給出簡單的水汽輸送路徑，無法定量給出各水汽源地對暴雨的貢獻(xiàn)，而HYSPLIT模式彌補(bǔ)了這一缺陷，通過模擬氣團(tuán)在一定時(shí)間內(nèi)三維運(yùn)動(dòng)軌跡，確定水汽輸送通道及其對暴雨的貢獻(xiàn)[5]。因此，本文運(yùn)用HYSPLIT模式，模擬分析天山南坡暖季暴雨的水汽來源及輸送特征，以期進(jìn)一步提高該區(qū)域暴雨形成機(jī)理認(rèn)識(shí)及預(yù)報(bào)水平。

1 研究區(qū)概況

天山南坡(80°E—88°E、40°N—43°N)位于天山山脈南部，塔克拉瑪干沙漠北緣，地形地貌復(fù)雜多樣，有高山、盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠、平原綠洲等，海拔在930～1240 m之間(圖1)。由于地處歐亞大陸中緯度腹地，北有天山、西有帕米爾高原阻滯西風(fēng)帶來的水汽，南有昆侖山阻滯印度洋帶來的水汽，造成天山南坡獨(dú)特的大陸性干旱氣候，這里多晴少雨，日照充足，空氣干燥，光熱資源豐富，氣溫年、日較差大，無霜期長。

圖1 天山南坡(虛線矩形)及周邊地形高度(灰色陰影，單位：m)和氣象站點(diǎn)(黑點(diǎn))分布(黑色小方框包圍的點(diǎn)為暴雨中心)

研究區(qū)包括阿克蘇中東部(有阿克蘇、溫宿、拜城、庫車、新和、沙雅、阿拉爾、阿瓦提站)和巴音郭楞蒙古自治州北部(有庫爾勒、和靜、和碩、輪臺(tái)、尉犁、焉耆、鐵干里克、巴音布魯克站)地區(qū)。

2 資料和方法

2.1 資 料

使用了天山南坡1981—2020年暖季(5—9月，下同)16個(gè)國家級氣象站(圖1)20:00—20:00(北京時(shí)，下同)的逐日降水量數(shù)據(jù)以及NCEP/NCAR GDAS逐6 h再分析資料(水平分辨率2.5°×2.5°)。按照新疆暴雨標(biāo)準(zhǔn)[24.0 mm

2.2 方 法

利用HYSPLIT后向軌跡模式，模擬追蹤天山南坡暖季暴雨水汽源地及輸送特征。HYSPLIT是NOAA空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種可處理不同氣象要素輸入、不同排放源和不同物理過程的輸送、擴(kuò)散、沉降過程的模式系統(tǒng)，能夠追蹤氣塊的來源[25-27]。10次暴雨過程的暴雨中心(圖1，其中拜城和沙雅站各出現(xiàn)2次)測站海拔高度為933～1231 m，因此，暴雨中心初始高度設(shè)為測站海拔高度，模擬追蹤暴雨中心500 hPa(5000 m)、700 hPa(3000 m)、850 hPa(1500 m)至地面氣團(tuán)的水汽三維運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬開始時(shí)間為暴雨日20:00，向后追蹤168 h，每6 h重新向后追蹤一次。然后，分別將各高度層的后向軌跡路徑進(jìn)行聚類分析，遵循類與類間差異極大而同一類內(nèi)部差異極小的原則[25-27]，得到168 h后向追蹤的平均軌跡，以此分析10次暴雨過程在上述3個(gè)高度上水汽來源及輸送軌跡特征，并運(yùn)用相關(guān)分析方法探討水汽源地與暴雨區(qū)的相關(guān)性。

3 暴雨過程概況

由表1可知，近40 a天山南坡暖季共出現(xiàn)10次暴雨過程，過程持續(xù)1 d的有7次，最大日雨量為58.4 mm，發(fā)生在1987年6月11日阿克蘇地區(qū)沙雅站；過程持續(xù)4 d的有2次，分別是1992年7月2—5日和2013年6月16—19日，前一次過程發(fā)生在天山山區(qū)及其南北兩側(cè)，過程最大日雨量(61.3 mm)和累計(jì)雨量(94.7 mm)均出現(xiàn)在天池站，其中天山南坡有6站次出現(xiàn)暴雨，最大日雨量出現(xiàn)在和碩站(57.3 mm)，而后一次暴雨過程主要發(fā)生在天山南坡，最大日雨量出現(xiàn)在阿克蘇地區(qū)的溫宿站(67.8 mm)?？梢?，天山南坡暖季暴雨過程最大日雨量與暴雨持續(xù)時(shí)間無關(guān)。

表1 1981—2020年天山南坡暖季10次暴雨過程概況

4 結(jié)果與分析

4.1 環(huán)流背景

天山南坡暖季暴雨過程，100 hPa南亞高壓多呈典型的雙體型，長波槽位于巴爾喀什湖及其以南的中亞地區(qū)，天山南坡處于200 hPa西南高空急流附近的分流輻散區(qū)[圖2(a)]。500 hPa高度[圖2(b)]上，歐亞范圍為兩脊一槽的經(jīng)向環(huán)流，其中伊朗副熱帶高壓向北發(fā)展，并與里、咸海高壓脊疊加，環(huán)流經(jīng)向度大；西西伯利亞至中亞地區(qū)為低槽活動(dòng)區(qū)，槽底南伸至30°N附近，天山南坡受低槽前西南氣流控制，有利于低緯度水汽向暴雨區(qū)輸送；新疆東部至貝加爾湖為經(jīng)向度較大的高壓脊。低槽前有短波東移北上，是天山南坡暖季暴雨的主要影響系統(tǒng)之一。700 hPa高度[圖2(c)]上，南疆盆地東部的東南風(fēng)與西部的偏西風(fēng)在天山南坡形成切變輻合，且東南風(fēng)與天山山脈近乎垂直，有利于地形輻合抬升，使得水汽在暴雨區(qū)輻合加強(qiáng)，為該區(qū)域暴雨的產(chǎn)生提供動(dòng)力和水汽條件。

圖2 天山南坡暖季暴雨過程的環(huán)流形勢(a)100 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和200 hPa高空急流(陰影，單位：m·s-1)，(b)500 hPa位勢高度場(黑色實(shí)等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)及溫度場(紅色虛等值線，單位：℃)，(c)700 hPa位勢高度場(黑色實(shí)等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)、溫度場(紅色虛等值線，單位：℃)及水汽通量散度(陰影，單位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1)(藍(lán)色區(qū)域?yàn)?000 m以上高度的青藏高原)

4.2 水汽來源及軌跡

4.2.1 500 hPa

500 hPa上，天山南坡暖季10次暴雨過程聚類得到的水汽軌跡有41條(圖3)，33條自源地經(jīng)塔吉克斯坦、吉爾吉斯坦、阿富汗東北部、巴基斯坦北部和印度西北部(簡稱“TKAP”)關(guān)鍵區(qū)，翻越西天山(帕米爾高原)，再從偏西(西南)路徑接力輸送至暴雨區(qū)；5條自源地翻越天山或東灌進(jìn)入南疆盆地(簡稱“南疆關(guān)鍵區(qū)”)后，再從偏南(西南、東南)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)；3條自源地經(jīng)巴爾喀什湖到伊犁(簡稱“北疆關(guān)鍵區(qū)”)，翻越天山后，從偏西(西南)路徑直接進(jìn)入暴雨區(qū)。

圖3 天山南坡暖季10次暴雨過程500 hPa水汽后向軌跡的空間分布及高度變化(1～5為水汽后向軌跡，其后面的百分?jǐn)?shù)表示水汽貢獻(xiàn)率)(a)1981-07-31，(b)1987-06-11，(c)1992-06-18，(d)1992-07-04，(e)1997-05-11，(f)1997-06-29，(g)2007-07-16，(h)2010-07-29，(i)2013-06-17，(j)2015-09-08

圖4對應(yīng)給出各暴雨過程不同水汽后向軌跡比濕隨時(shí)間的變化。另外，統(tǒng)計(jì)了天山南坡暖季10次暴雨500 hPa水汽源地、后向軌跡及水汽貢獻(xiàn)率、高度、比濕，結(jié)果見表2。

圖4 天山南坡暖季10次暴雨過程500 hPa不同水汽后向軌跡的比濕逐時(shí)變化(C1、C2、C3、C4、C5分別對應(yīng)圖3中1、2、3、4、5軌跡)(a)1981-07-31，(b)1987-06-11，(c)1992-06-18，(d)1992-07-04，(e)1997-05-11，(f)1997-06-29，(g)2007-07-16，(h)2010-07-29，(i)2013-06-17，(j)2015-09-08

(1)TKAP關(guān)鍵區(qū)

由表2可知，TKAP關(guān)鍵區(qū)的水汽主要來自于中亞(包括里海、咸海和烏拉爾山中南部、西西伯利亞南部60°N以南區(qū)域，簡稱“源地Ⅰ”)，有10條軌跡，其次是大西洋及其沿岸(簡稱“源地Ⅱ”)8條，地中海和黑海及其附近(簡稱“源地Ⅲ”)5條，西亞(伊朗)和南亞(印度、巴基斯坦)3條、北歐3條及北美洲、中歐、東歐、西西伯利亞西部各1條(簡稱“其他源地”)。

源地Ⅰ的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是14%～46%(平均28%)，水汽從源地54～2952 m(平均1315 m)高度向500 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為4.08～7.52 g·kg-1(平均6.12 g·kg-1)，水汽沿途損失較多(56%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為1.84～3.83 g·kg-1(平均2.68 g·kg-1)。源地Ⅱ的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是7%～39%(平均18%)，較源地Ⅰ偏少；水汽從源地2167～7310 m(平均5529 m)高度向500 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為0.57～5.10 g·kg-1(平均1.67 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)為1.00～2.42 g·kg-1(平均1.60 g·kg-1)，表明該源地水汽沿途幾乎無損失。源地Ⅲ的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是14%～43%(平均30%)，略高于源地Ⅰ；水汽從源地3432～5249 m(平均4448 m)高度向500 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為1.43～2.69 g·kg-1(平均1.87 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)略有減少，為0.54～1.87 g·kg-1(平均1.52 g·kg-1)，表明該源地水汽沿途損失較少。其他源地的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是4%～50%(平均24%)；水汽從源地62～7521 m(平均3755 m)高度向500 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為0.18～18.38 g·kg-1(平均5.13 g·kg-1)，水汽沿途損失較多(55%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為0.78～3.86 g·kg-1(平均2.29 g·kg-1)。

綜上可見，TKAP關(guān)鍵區(qū)水汽源地對天山南坡暖季暴雨區(qū)500 hPa水汽的貢獻(xiàn)由高至低依次為源地Ⅲ、源地Ⅰ、其他源地、源地Ⅱ，源地Ⅰ和其他源地的水汽在向天山南坡暴雨區(qū)沿途輸送過程中損失較大，而源地Ⅱ和源地Ⅲ的水汽輸送沿途損失較少，尤其是源地Ⅱ幾乎無損失。

(2)南疆關(guān)鍵區(qū)

南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽主要源自北疆(2條)，蒙古、烏克蘭、北歐各1條，水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是11%～46%(平均29%)，其從源地143～6316 m(平均3297 m)高度向500 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為0.66～8.81 g·kg-1(平均3.50 g·kg-1)，水汽沿途損失較少(23%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為1.78～3.94 g·kg-1(平均2.70 g·kg-1)(表2)。

(3)北疆關(guān)鍵區(qū)

北疆關(guān)鍵區(qū)的水汽源自北美洲、大西洋沿岸、巴爾喀什湖，水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是11%～14%(平均13%)，其從源地54～8510 m(平均4925 m)高度向500 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為0.60～9.25 g·kg-1(平均3.74 g·kg-1)，水汽沿途損失較多(55%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為1.55～1.83 g·kg-1(平均1.67 g·kg-1)(表2)。

表2 天山南坡暖季暴雨500 hPa水汽源地及水汽貢獻(xiàn)率、高度和比濕

綜上所述，天山南坡暖季暴雨500 hPa水汽自源地主要途經(jīng)TKAP、南疆、北疆3個(gè)關(guān)鍵區(qū)，其中南疆關(guān)鍵區(qū)水汽對暴雨貢獻(xiàn)最大，北疆關(guān)鍵區(qū)貢獻(xiàn)最小，且各源地的水汽主要從1000 m以上高度向暴雨區(qū)500 hPa高空輸送。

4.2.2 700 hPa

700 hPa上，天山南坡暖季10次暴雨過程聚類得到了37條水汽軌跡(圖略)，其中18條自源地經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)，主要從偏西(西南、西北)路徑輸入暴雨區(qū)；12條自源地翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，從偏南(偏東)路徑接力輸送至暴雨區(qū)；7條自源地經(jīng)北疆關(guān)鍵區(qū)，翻越天山后直接從偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。表3統(tǒng)計(jì)了天山南坡暖季10次暴雨700hPa水汽源地、后向軌跡和水汽貢獻(xiàn)率、高度及比濕。

(1)TKAP關(guān)鍵區(qū)

從表3可知，TKAP關(guān)鍵區(qū)的水汽主要來自源地Ⅰ(12條)，其次是源地Ⅲ(4條)，還有北歐和北疆各1條(簡稱“其他Ⅰ源地”)，其中源地Ⅰ的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是11%～54%(平均30%)，其從源地81～2931 m(平均705 m)高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為1.88～8.16 g·kg-1(平均5.61 g·kg-1)，水汽沿途有部分損失(16%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為3.20～5.80 g·kg-1(平均4.70 g·kg-1)；其他Ⅰ源地的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是4%～29%(平均14%)，其從源地34～4973 m(平均3262 m)高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為0.90～4.40 g·kg-1(平均2.62 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)增為2.92～5.39 g·kg-1(平均4.32 g·kg-1)，表明該源地水汽沿途顯著增加(65%)，其原因主要是其他Ⅰ源地的6條軌跡中有4條水汽從源地3386～4973 m高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送，通常對流層中的水汽隨高度降低而增加。

(2)南疆關(guān)鍵區(qū)

南疆關(guān)鍵區(qū)水汽主要來自源地Ⅰ(8條)，其次是南疆和北疆各2條(簡稱“其他Ⅱ源地”)，源地Ⅰ的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是18%～57%(平均35%)，其從源地2～4406 m(平均1262 m)高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為2.61～8.57 g·kg-1(平均5.98 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為3.23～7.24 g·kg-1(平均4.91 g·kg-1)，水汽沿途損失較少(18%)；其他Ⅱ源地的水汽對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是14%～43%(平均25%)，其從源地近地層(平均15 m)向700 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為6.60～9.50 g·kg-1(平均8.42 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)降為4.63～5.80 g·kg-1(平均5.23 g·kg-1)，水汽沿途損失較多(38%)(表3)。

(3)北疆關(guān)鍵區(qū)

北疆關(guān)鍵區(qū)的水汽主要來自源地Ⅰ(3條)、北歐(2條)、烏克蘭和新地島(各1條)，對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是11%～46%(平均25%)。水汽從源地324～4180 m(平均2215 m)高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為1.17～7.80 g·kg-1(平均4.11 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為2.46～5.22 g·kg-1(平均3.92 g·kg-1)，水汽沿途損失較少(表3)。

表3 天山南坡暖季暴雨700 hPa水汽源地及水汽貢獻(xiàn)率、高度和比濕

綜上所述，天山南坡暖季暴雨700 hPa水汽主要來自源地Ⅰ，其中南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽對暴雨貢獻(xiàn)最大，且沿途水汽損失也最大，而TKAP關(guān)鍵區(qū)的水汽貢獻(xiàn)最??；北疆和南疆盆地的水汽以及源地Ⅰ大部水汽(88.5%)自源地1000 m以下高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送，而其他源地的水汽自源地1000 m以上高度向700 hPa暴雨區(qū)輸送。

4.2.3 850 hPa

850 hPa上，天山南坡暖季10次暴雨過程聚類得到31條水汽軌跡(圖略)，其中21條自源地進(jìn)入北疆關(guān)鍵區(qū)后翻越天山，直接從偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)，這與500、700 hPa一致，但在850 hPa上表現(xiàn)得更為突出；6條自源地經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)，從西北(偏西)路徑再接力輸送至暴雨區(qū)；4條自源地經(jīng)北疆翻越天山后進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，從偏東(東北、東南)路徑再接力輸送至暴雨區(qū)。表4統(tǒng)計(jì)了天山南坡暖季10次暴雨850 hPa水汽源地、后向軌跡和水汽貢獻(xiàn)率、高度及比濕。

(1)北疆關(guān)鍵區(qū)

由表4看出，北疆關(guān)鍵區(qū)的水汽主要來自源地Ⅰ(15條)，其對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是18%～89%(平均42%)，水汽從源地近地層(平均71 m)向850 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為3.77～12.58 g·kg-1(平均7.91 g·kg-1)，水汽沿途損失較多(26%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為4.63～7.57 g·kg-1(平均5.86 g·kg-1)。來自北疆(3條)、新地島和泰米爾半島(2條)、南疆(1條)的水汽(簡稱“其他Ⅲ源地”)對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是7%～21%(平均14%)，水汽從源地4～2287 m(平均751 m)高度向850 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為1.70～10.40 g·kg-1(平均5.78 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)變?yōu)?.48～7.78 g·kg-1(平均6.40 g·kg-1)，表明水汽沿途略有增加(11%)。

(2)TKAP關(guān)鍵區(qū)

TKAP關(guān)鍵區(qū)的水汽主要來自源地Ⅰ(5條)和北疆(1條)，其對暴雨的貢獻(xiàn)是11%～50%(平均29%)，水汽從源地近地層(平均139 m)向850 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為3.73～7.28 g·kg-1(平均5.9 g·kg-1)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)為4.73～6.65 g·kg-1(平均5.69 g·kg-1)，水汽沿途損失較少(表4)。

(3)南疆關(guān)鍵區(qū)

南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽源自巴爾喀什湖和北疆(各2條)，其對天山南坡暖季暴雨的貢獻(xiàn)是18%～50%(平均29%)，水汽從源地近地層(平均35 m)向850 hPa暴雨區(qū)輸送，在源地的比濕為5.04～9.82 g·kg-1(平均7.63 g·kg-1)，水汽沿途有損失(16%)，到達(dá)暴雨區(qū)時(shí)減為5.1～7.6 g·kg-1(平均6.41 g·kg-1)(表4)。

表4 天山南坡暖季暴雨850 hPa水汽源地及水汽貢獻(xiàn)率、高度和比濕

綜上所述，天山南坡暖季暴雨850 hPa水汽主要來自源地Ⅰ，水汽主要從源地近地層向850 hPa暴雨區(qū)輸送，且3個(gè)關(guān)鍵區(qū)的水汽對暴雨貢獻(xiàn)大體相當(dāng)，水汽沿途損失最大的是南疆關(guān)鍵區(qū)，最小的是TKAP關(guān)鍵區(qū)。

4.3 水汽三維精細(xì)化結(jié)構(gòu)

通過上述分析，概括出天山南坡暖季暴雨過程水汽三維精細(xì)化結(jié)構(gòu)模型(圖5)。500 hPa上，水汽自源地隨西風(fēng)氣流到達(dá)TKAP關(guān)鍵區(qū)后翻越西天山(帕米爾高原)，主要從偏西路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(占80.5%)；水汽從源地經(jīng)北疆翻越天山(東灌)進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，主要從偏南路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(占12.2%)，而水汽從北疆關(guān)鍵區(qū)翻越天山進(jìn)入暴雨區(qū)的較少。700 hPa上，水汽自源地到達(dá)TKAP關(guān)鍵區(qū)的軌跡占比明顯小于500 hPa，但仍占主導(dǎo)地位，而自源地到達(dá)南疆和北疆關(guān)鍵區(qū)的軌跡占比較500 hPa明顯提升，分別為32.4%、18.9%。850 hPa上，水汽自源地到達(dá)北疆關(guān)鍵區(qū)的軌跡占主導(dǎo)地位(67.7%)，而自源地進(jìn)入南疆和TKAP關(guān)鍵區(qū)的水汽軌跡占比明顯降低。

圖5 天山南坡暖季暴雨過程的水汽三維精細(xì)化結(jié)構(gòu)模型

4.4 水汽源地與暴雨區(qū)的相關(guān)分析

經(jīng)相關(guān)分析(表5)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)源地水汽對天山南坡暴雨的貢獻(xiàn)不變時(shí)，暴雨區(qū)比濕與源地的水汽高度呈負(fù)相關(guān)，而與源地比濕呈正相關(guān)，尤其是暴雨區(qū)500 hPa相關(guān)性更顯著；當(dāng)源地水汽高度不變時(shí)，暴雨區(qū)各高度層比濕與源地比濕呈顯著正相關(guān)，且500 hPa相關(guān)性更顯著，而源地水汽對暴雨區(qū)850 hPa貢獻(xiàn)顯著；當(dāng)源地比濕不變時(shí)，源地水汽對暴雨區(qū)850 hPa貢獻(xiàn)顯著，兩者表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表5 天山南坡暖季暴雨區(qū)不同高度比濕與源地水汽高度、比濕和貢獻(xiàn)率之間的相關(guān)關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)天山南坡暖季暴雨主要發(fā)生在南亞高壓雙體型結(jié)構(gòu)、高空西南急流附近的分流輻散區(qū)，500 hPa西西伯利亞至中亞地區(qū)有低槽活動(dòng)，暴雨區(qū)處于槽前西南氣流控制，同時(shí)700 hPa南疆盆地東部的東南風(fēng)與西部的偏西風(fēng)在天山南坡暴雨區(qū)形成切變輻合，且東南風(fēng)遇天山山脈地形阻擋輻合抬升，為暴雨的產(chǎn)生提供有利動(dòng)力和水汽條件。

(2)天山南坡暖季暴雨的水汽源地主要有3個(gè)，分別是中亞地區(qū)、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近。水汽主要從3個(gè)通道輸入暴雨區(qū)：水汽自源地經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)翻越西天山(帕米爾高原)，主要從偏西通道輸入暴雨區(qū)；水汽自源地經(jīng)北疆關(guān)鍵區(qū)翻越天山山脈，主要從偏北通道直接輸入暴雨區(qū)；水汽自源地經(jīng)北疆翻越天山山脈(東灌)到達(dá)南疆關(guān)鍵區(qū)，主要從偏南通道輸入暴雨區(qū)。

(3)在對流層中低層貢獻(xiàn)最大的均為偏南的水汽通道，損失最大的低層為偏南通道，高層為偏北通道；源自中亞地區(qū)的水汽主要從1000 m以下高度輸送至700 hPa及以下暴雨區(qū)，對暴雨貢獻(xiàn)較大，而源自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近的水汽主要從1000 m以上高度輸送至700 hPa以上暴雨區(qū)，對暴雨貢獻(xiàn)較小。另外，500、700 hPa偏西通道的水汽輸入占主導(dǎo)地位(分別占80.5%、48.6%)，但700 hPa偏南(32.4%)和偏北(18.9%)通道的水汽輸入也不容忽視；850 hPa偏北通道的水汽輸入占主導(dǎo)地位(67.7%)，而偏西(19.4%)和偏南(12.9%)通道的水汽輸入也應(yīng)引起重視。

(4)當(dāng)源地水汽對暴雨的貢獻(xiàn)不變時(shí)，各高度層暴雨區(qū)比濕與源地比濕呈正相關(guān)，而與源地水汽高度呈負(fù)相關(guān)，尤其是500 hPa相關(guān)性更顯著；當(dāng)源地水汽高度不變時(shí)，暴雨區(qū)各層比濕與源地比濕均呈顯著正相關(guān)，且500 hPa相關(guān)性更顯著，但源地水汽僅對暴雨區(qū)850 hPa貢獻(xiàn)顯著；當(dāng)水汽源地比濕不變時(shí)，源地水汽對暴雨區(qū)850 hPa貢獻(xiàn)顯著，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)。

(5)天山南坡暖季暴雨，對流層中低層有來自北疆、南疆盆地自身蒸發(fā)的水汽以及北美洲和蒙古源地的水汽，這與以往研究成果[10-24]不同。