基于HYSPLIT模式的瀘州特大暴雨水汽輸送特征分析

李玉婷,譚貴蓉，何興潼，曾 娜

(四川省瀘州市氣象局，瀘州 646000)

引言

暴雨是四川盆地主要氣象災(zāi)害之一，夏季暴雨易造成洪澇、山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，給人民的生命財產(chǎn)帶來巨大威脅。近年來，在全球氣候變暖的大背景下，極端天氣發(fā)生的次數(shù)呈增長的趨勢。預(yù)報員對往年的暴雨過程原因都進行了總結(jié)[1-3]，暴雨的形成主要需要三大條件，其中充足的水汽是暴雨產(chǎn)生的先決條件，因此分析暴雨過程中的水汽特征對研究暴雨成因具有重大的意義。。

針對暴雨水汽輸送特征的分析一直備受氣象學(xué)者的關(guān)注[4-7]。廖曉農(nóng)等[8]指出在北京“2012.7.21”特大暴雨過程中，主要水汽輸送來源于孟加拉灣地區(qū)，這種長距離的水汽輸送是在不同尺度天氣系統(tǒng)的共同作用下完成的。徐祥德等[9]研究了南亞季風(fēng)水汽輸送對四川盆地的影響。戴竹君等[10]利用HYSPLIT軌跡追蹤發(fā)現(xiàn)孟加拉灣地區(qū)的水汽對熱帶風(fēng)暴Bilis暴雨過程有重要影響。Brimelow 等[11]利用 HYSPLIT_4 模式研究了馬更些河流域的 3 次極端降水概念。本文選取 2019 年9月7～8日盆地南部的特大暴雨過程，引入拉格朗日軌跡模型 HYSPLIT 對影響此次降水的水汽源地、輸送特征定性分析，在解決上述疑問的同時進一步加深對暴雨水汽輸送特征的認識，從而為本地的降水預(yù)報提供合理的參考依據(jù)。

1 特大暴雨過程概況及形勢分析

2019年9月7日15時～9月10日08時，受深厚低渦切變及低空急流共同影響，瀘州出現(xiàn)了一次大暴雨，局部特大暴雨的天氣過程(圖略)。此次過程累計雨量大，局地性強，具有明顯的對流性，特大暴雨主要出現(xiàn)在古藺境內(nèi)；古藺41個雨量監(jiān)測站(包括40個區(qū)域自動站中和1個國家氣象站)，累計降水量在250mm以上2站、100～249mm20站、50～99mm13站、35～49mm6站、15～34mm6站，累計最大降水量出現(xiàn)在古藺護家鳳田為285.6mm。整個過程國家站中最大日降雨量為古藺170.6mm，刷新了歷史極值；境內(nèi)與有氣象記錄以來同期相比，41個站點中39個突破歷史極值。古藺護家鳳田站(圖略)的小時降雨量呈現(xiàn)中間多，兩頭少的分布，強降水時段主要在7日22時～8日06時，特大暴雨過程集中，小時雨強非常大，最大小時雨強出現(xiàn)在7日23時，達57.6mm。

分析降水過程的天氣形勢(圖1)，中高緯是“兩槽一脊”的形勢，副熱帶高壓呈明顯的塊狀分布。暴雨是由500hPa高空槽、700hPa切變線和850hPa低渦及低空西南急流的共同影響造成的。7日20時，攀西地區(qū)500hPa高度層有低槽東移，地面有輻合線從重慶伸向盆地南部；在700hPa上盆地內(nèi)有偏北風(fēng)與西南風(fēng)的切變存在，盆地南部處于切變前部的西南氣流中。850hPa高度層上的低渦位于盆地南部，且盆地南部處在急流軸左前方；700hPa高度層上盆地大部處在一致的西南氣流中，有1支西南急流穿過貴州北部，急流中心值達14m/s。8日08時，500hPa高度層上有低槽東移，槽線徑向度明顯加大，地面仍受輻合線控制；700hPa高度層上西南風(fēng)明顯增強，最大風(fēng)速達16m/s，切變加強發(fā)展成低渦；850hPa高度層上的切變穩(wěn)定少動，但850hPa高度層上低渦維持，高低層配置，耦合作用明顯。因此，這次暴雨過程是在典型的四川暴雨形勢下產(chǎn)生的。

2 水汽條件分析

產(chǎn)生暴雨必須有源源不斷的水汽輸送，也就是充足的水汽條件。分析暴雨發(fā)生期間的水汽輸送特征是研究暴雨形成機制的一個重要方法。從水汽通量和水汽通量散度上可以更為直觀地分析出水汽的存在。由于大氣中的水汽大部分集中在對流層低層，因此主要分析暴雨期間700hPa、850hPa的水汽通量和水汽通量散度的分布。

從低層水汽通量圖上(圖2)可以看到，暴雨期間進入四川盆地的水汽流主要是熱帶西南季風(fēng)氣流經(jīng)孟加拉灣和中南半島向北輸送進入四川盆地。850hPa來自南海的氣流在盆地南部匯聚加強形成一個水汽通量的顯著大值帶。圖3 是特大暴雨期間的水汽通量散度，由圖中可以看到，7日20時和8日02時700hPa上盆地南部都沒有明顯的水汽輻合中心，而隨著高度層的降低，水汽輻合的大值中心明顯向盆地南部擴展，尤其在7日20時，盆地南部有一個顯著的水汽輻合大值區(qū)。

3 水汽輸送過程模擬

為進一步定量分析水汽的輸送條件，引入拉格朗日軌跡模式，根據(jù)9月7～8日暴雨過程降水量，選取古藺護家鳳田(27.95°N，105.87°E)為模擬氣團后向軌跡的起始點。模擬的起始時間選取為9月7日21時(BT)暴雨開始的時刻，由于水汽的輻合主要位于對流層低層，因此模擬的高度分別選取1000m、1500m、3000m。追蹤時長為120h，每間隔6h輸出一次空氣團的地理位置，并將相應(yīng)的位置插值到軌跡點上，最后再對每個高度上產(chǎn)生的軌跡進行聚類分析。

基于GDAS資料，運用能真實反映流場三維變化的拉格朗日軌跡模型HYSPLIT對暴雨區(qū)不同高度的氣團進行模擬，追蹤水汽來源，并通過聚類分析的方法計算不同水汽通道的貢獻率，結(jié)果見圖4。

近地面 1000m 高度上(圖4a)，通過對氣團軌跡進行聚類，得到 4 條水汽傳輸通道。氣團的第一路徑為偏東路徑，在偏東氣流的引導(dǎo)下，將貴州本地的水汽向瀘州輸送，水汽貢獻率達 56%，是主要的水汽通道源地。西南水汽通道由源自孟加拉灣附近的 2 號、4 號水汽通道組成，水汽貢獻率分別占 19%和6%。而第3條路徑總體水汽貢獻率達 19%，源自南海，在偏南氣流的引導(dǎo)下到達瀘州境內(nèi)。

1500m高度上(圖4b)，聚類得到的水汽傳輸通道也是4條，與1000m高度相似，主要分為西南路徑、偏東路徑和偏南路徑，但水汽通道的源地略有不同，不同通道的水汽貢獻率也有較明顯的差別。西南路徑由 2 號、4 號通道組成，水汽貢獻率分別占 14%和17%，分別來源于孟加拉灣和印度洋，約占總水汽貢獻的三分之一。水汽通道3在偏南氣流的作用下將南海附近水汽向北輸送，同時相比近地層，水汽貢獻率有明顯的增大，達25%。1號通道是周邊省份貢獻的水汽，達44%，比近地層貢獻率偏小。

3000m高度上(圖4c)，聚類得到的水汽傳輸通道也是 4 條，但與1000m 、1500m高度的水汽通道相差較大，主要分為偏南路徑、偏西路徑。偏南路徑是 4 號通道，水汽貢獻率為 14%，占比較小，主要來源于南海。偏西路徑由1、2、3通道組成。水汽通道1在偏西氣流的作用下將云南本地的水汽向東輸送，水汽貢獻率達42%，2、3號通道水汽貢獻率都為 22%，主要源自孟加拉灣及其周邊國家。

另外，通過分析軌跡的三維空間分布可以發(fā)現(xiàn)，三個高度的不同路徑的氣團主要來自于對流層低層。由此說明瀘州特大暴雨過程發(fā)生時，來自不同路徑的強盛的暖濕空氣不斷向上抬升，最終在暴雨區(qū)交匯，從而形成特大暴雨。

4 結(jié)論與討論

本文主要利用HYSPLIT后向追蹤方法對瀘州2019年9月7～8日的一次特大暴雨過程的水汽輸送進行研究，結(jié)論如下：

(1) 此次特大暴雨是由深厚的高空低槽、低渦切變以及顯著增強的低空急流共同影響導(dǎo)致的，具有很強的對流性質(zhì)，強降水時段主要出現(xiàn)在夜間，強降水發(fā)生區(qū)域與850hPa低渦位置具有很好的對應(yīng)關(guān)系。

(2) 通過暴雨區(qū)水汽通量和水汽通量散度計算表明，850hPa偏南氣流在引發(fā)這場特大暴雨的水汽輸送和水汽輻合中起著至關(guān)重要的作用。強降水形成階段(7日20時)850hPa的水汽通量散度是8日02時的2倍，而700hPa變化不大。

(3) 運用HYSPLIT模式發(fā)現(xiàn)，影響此次強降水的水汽主要來源于南海、孟加拉灣和貴州、湖南等周邊省份，其中周邊省份的本地水汽貢獻最大，850hPa(1500m)上水汽貢獻率達44%，孟加拉灣和南海兩者的水汽貢獻率也占了非常大的比例，達39%。

(4) 通過軌跡的三維空間發(fā)現(xiàn)，特大暴雨的水汽主要匯集在對流層低層，絕大部分是來源于850hPa高度附近或以下區(qū)域。