河西走廊西部干旱區(qū)一次極端暴雨天氣的水汽特征分析*

孔祥偉 楊建才 李 紅 傅 朝

1 蘭州中心氣象臺，蘭州 730020 2 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/蘭州天氣氣候聯(lián)合研究與實(shí)訓(xùn)中心,蘭州 730000 3 中國氣象局蘭州干旱研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020

提 要： 利用高空、地面觀測資料、加密區(qū)域站雨量資料、FY-2D云圖、NCEP 1°×1°再分析資料，使用物理量診斷、后向軌跡模型等方法分析了2011年6月15—16日河西走廊西部干旱區(qū)一次極端暴雨天氣的環(huán)流形勢、中尺度系統(tǒng)、水汽輸送和收支特征。結(jié)果表明：河西走廊西部受內(nèi)蒙古西部到河套地區(qū)西北—東南向暖性高壓脊西部形成的高原低渦中心影響，200～400 km 的低渦中心穩(wěn)定維持在暴雨區(qū)上空超過12 h，形成了良好的動力條件；對流層低層濕度增大氣溫降低，中層冷空氣從低渦南部侵入，大氣處于弱不穩(wěn)定狀態(tài)，地面風(fēng)速輻合、地形抬升進(jìn)一步增強(qiáng)了低渦中心的上升運(yùn)動，觸發(fā)局地對流。主要存在隨西風(fēng)氣流的西路和繞高原的東路兩條水汽輸送通道，以繞高原的東路水汽輸送為主，其在暴雨期間的貢獻(xiàn)率高達(dá)84.6%，以對流層中層輸入最為顯著。甘肅中部500和700 hPa異常偏東氣流對東路水汽輸送通道的形成十分重要，其能將已到達(dá)西北地區(qū)東部的暖濕空氣繼續(xù)向西北方向輸送從而到達(dá)河西走廊西部。暴雨時段內(nèi)水汽平均凈輸入強(qiáng)度是前期的2.73 倍，對流層中層高原低渦中心、對流層低層風(fēng)速風(fēng)向輻合和地形輻合造成暴雨區(qū)550、700和800 hPa三層200～400 km的水汽輻合中心，大氣可降水量高達(dá)34 mm，是夏季平均值的2倍多。

引 言

由于氣候-水文過程的差異，地球上各地區(qū)的蒸發(fā)與降水不平衡。當(dāng)蒸發(fā)超過降水時，形成缺水的干旱地區(qū)，反之形成富水的濕潤地區(qū)。通常將年降水量在200 mm以下的地區(qū)稱為干旱區(qū)，年降水量在200～500 mm的地區(qū)稱為半干旱區(qū)。我國西北地區(qū)大部分地方的年降水量不足300 mm，蒸發(fā)能力卻在1 000 mm以上，屬于典型的干旱半干旱區(qū)，而位于西北地區(qū)中部的河西走廊則是西北地區(qū)降水量最少的地方之一(葛其方，1983；俞亞勛等，2000；黃玉霞等，2004)，屬極端干旱區(qū)，由于受水汽條件限制(黃小燕等，2018)，暴雨天氣很少，年平均發(fā)生次數(shù)不足一次(孔祥偉和陶健紅，2012)，對其的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警一直是個難題。以往學(xué)者針對該地區(qū)暴雨天氣主要從天氣個例形勢和物理量診斷(李文莉等，2013；王伏村等，2013；孔祥偉等，2015)、數(shù)值模擬(李江林等，2014；王田田等，2014)等方面進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

從氣候背景來說，由于青藏高原、秦嶺及祁連山的阻擋，夏季來自孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋的水汽很難到達(dá)我國西北地區(qū)，因而西風(fēng)帶對西北地區(qū)的水汽輸送有著重要意義(苗秋菊等，2004；劉世祥等，2005；王可麗等，2005；王秀榮等，2007；黃榮輝和陳際龍，2010)。水汽輸送又與降水量有著直接關(guān)系，西北地區(qū)夏季降水的分布與水汽輸送距平場基本一致(何金海等，2005)。但在特定的大氣環(huán)流背景下，西北地區(qū)中西部局地暴雨天氣過程的水汽輸送與氣候平均態(tài)還是存在顯著差異的(楊蓮梅等，2012)。因此，有必要研究河西走廊西部干旱區(qū)內(nèi)暴雨天氣的水汽特征。

2011年6月15—16日，河西走廊西部干旱區(qū)發(fā)生了一次極端暴雨天氣，敦煌、肅北、阿克塞等多個市縣出現(xiàn)暴雨，局地大暴雨(甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)DB62/T1732-2008規(guī)定，河西地區(qū)24 h暴雨標(biāo)準(zhǔn)為30.0～69.9 mm，大暴雨標(biāo)準(zhǔn)為70.0～140.0 mm)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過2.5億元。極端干旱區(qū)內(nèi)如此強(qiáng)度的暴雨天氣具有什么樣的環(huán)流形勢和中尺度特征？尤其是水汽條件如何形成？本文將在分析天氣成因的基礎(chǔ)上，著重分析此次極端暴雨天氣的水汽輸送、水汽收支、水汽輻合等，以加深對干旱區(qū)暴雨天氣的認(rèn)識，為此類暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

使用2011年6月13—17日河西走廊西部的高空和地面觀測資料、加密區(qū)域站雨量資料、FY-2D衛(wèi)星紅外云圖和水汽云圖、NCEP 1°×1°再分析資料。

1.2 水汽收支

將河西走廊西部分為八個小邊界(圖1a)討論水汽輸送和水汽收支情況，其中邊界5、7組成東邊界，1、3組成西邊界，8為南邊界，2、4、6組成北邊界，東、西、南、北4個邊界的水汽輸送量為其對應(yīng)的小邊界水汽輸送量之和。取地表至700 hPa、700～500 hPa、500～300 hPa和地表至300 hPa分別作為對流層低層、中層、高層和整層。暴雨區(qū)不同邊界、不同層次的水汽輸送量先由NCEP再分析資料計(jì)算各層各格點(diǎn)的水汽通量，再進(jìn)行水平邊界和垂直厚度積分，從而得到各邊界、各層次的水汽輸送量。通過邊界向暴雨區(qū)有水汽輸入時，水汽收支為正值，表示有凈輸入；通過邊界暴雨區(qū)向外有水汽輸出時，水汽收支為負(fù)值，表示有凈輸出。

1.3 HYSPLIT4軌跡模式

HYSPLIT4軌跡模式(Draxler and Hess,1998)是由Air Resources Laboratory，NOAA開發(fā)，分為前向軌跡模型和后向軌跡模型，通常用來追蹤氣流所攜帶粒子或氣體移動方向。其后向軌跡模型通過追蹤某地、某日的氣團(tuán)來向，可用于分析該地、該日大氣中水汽的主要來源方向。馬京津和高曉清(2006)、李江萍等(2012)、王佳津等(2015)、陳紅專等(2019)分別利用HYSPLIT4軌跡模式分析了華北地區(qū)、瑪曲地區(qū)、四川、湖南等地暴雨天氣或夏季的水汽輸送軌跡。本文采用水汽后向軌跡模型用于分析河西走廊西部暴雨天氣的水汽輸送軌跡和水汽來源。

2 天氣概況和環(huán)流形勢

2.1 降水概況

2011年6月15—16日河西走廊西部干旱區(qū)發(fā)生了一次極端暴雨天氣(圖1a)，其中暴雨中心肅北的降水量為77.2 mm，達(dá)到了年平均降水量的50.6%，是肅北有觀測記錄以來最強(qiáng)降水，也是河西走廊西部日降水量的次大值(最大值86.1 mm)。敦煌的南湖降水量(56.6 mm)、渥洼池(56.5 mm)及二墩(55.0 mm)均超過了敦煌年平均降水量(39.8 mm)。暴雨集中在酒泉南部，局地性明顯，119(12)個區(qū)域(本)站中有7(1)個站出現(xiàn)暴雨，具有“單點(diǎn)暴雨”(《西北暴雨》編寫組，1992；欒晨等，2012)特征。降水從15日14時(北京時，下同)開始至16日14時結(jié)束，主要集中在15日20時至16日06時(圖1b)，南湖最強(qiáng)小時降水量達(dá)17.8 mm，是敦煌6月平均降水量(6.6 mm)的2.7倍。

2.2 高空環(huán)流形勢

從500 hPa天氣圖形勢演變看，內(nèi)蒙古西部至河套地區(qū)西北—東南向的暖性高壓脊(簡稱異常高壓，下同)西部形成的高原低渦是此次天氣過程的主要影響系統(tǒng)，河西走廊西部暴雨區(qū)受高原低渦中心直接影響，尺度為200～400 km。

圖1 (a)河西走廊西部水汽輸送邊界(多邊形) 和2011年6月15日14時至16日14時 累積降水量(陰影),(b)肅北、敦煌南湖雨量站 逐小時降水量演變Fig.1 (a) The boundary (polygon) of water vapor transport and accumulated precipitation (shaded) in western Hexi Corridor and (b) variations of hourly precipitation at Subei and Dunhuang Nanhu meteorological stations from 14:00 BT 15 to 14:00 BT 16 June 2011

15日08時，異常高壓形成，其低層有暖中心配合，將不斷增強(qiáng)并穩(wěn)定維持。15日20時，巴爾喀什湖北部深厚冷槽分裂的冷空氣東移南下經(jīng)南疆地區(qū)進(jìn)入異常高壓西南部，在青藏高原西部形成高原槽，芒崖和敦煌一帶存在尺度為200～400 km的閉合氣旋性環(huán)流(圖2a)。高原槽受異常高壓阻擋、低緯印度氣旋性環(huán)流東移及高層西南引導(dǎo)氣流共同影響，槽線逆時針旋轉(zhuǎn)，由南北向轉(zhuǎn)為與異常高壓一致的西北—東南向，甘肅中部偏東氣流顯著增強(qiáng)，同時閉合氣旋性環(huán)流發(fā)展成低渦中心，高原槽增強(qiáng)為高原低渦，高原低渦中心直接影響河西走廊西部暴雨區(qū)(圖2b)。低渦中心受異常高壓的阻擋穩(wěn)定維持在河西走廊西部超過12 h，與700 hPa切變線(圖2c)配合,為暴雨區(qū)提供了良好的動力條件。

圖2 2011年6月(a)15日20時，(b)16日08時500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(風(fēng)羽)； (c)16日08時700 hPa風(fēng)場,(d)15日20時地面風(fēng)場和比濕(單位：g·kg-1)； (e)14日20時,(f)16日08時敦煌T-lnp圖 (圖2c、2d中，陰影為地形，黑色三角形為暴雨中心位置，圖2c中粗黑實(shí)線為切變線)Fig.2 The height (contour, unit: dagpm) and wind (barb, unit: m·s-1) fields at 500 hPa at (a) 20:00 BT 15, (b) 08:00 BT 16, and (c) 700 hPa wind (barb) at 08:00 BT 16， (d) surface wind and specific humidity (unit: g·kg-1) fields at 20:00 BT 15， (e, f) T-lnp for the Dunhuang Station at (e) 20:00 BT 14 and (f) 08:00 BT 16 June 2011 (In Figs.2c, 2d, shadow is terrain, and triangle is the center of rainstorm; bold black solid line is shear line inFig.2c)

2.3 異常偏東氣流

西北地區(qū)產(chǎn)生暴雨的大尺度環(huán)流形勢與西風(fēng)帶、副熱帶和熱帶環(huán)流系統(tǒng)有關(guān)，西風(fēng)帶系統(tǒng)主要為暴雨區(qū)提供干冷空氣，西太平洋副熱帶高壓和低緯熱帶系統(tǒng)主要為暴雨區(qū)直接或間接地提供暖濕空氣，暖濕空氣的供應(yīng)對于該地區(qū)暴雨的形成尤其重要(白肇?zé)畹龋?991；《西北暴雨》編寫組，1992；王榮喆等，2015)。然而暖濕空氣的供應(yīng)往往止步于西北地區(qū)東部，很少能到達(dá)西北地區(qū)腹地的河西走廊西部干旱區(qū)，只有當(dāng)甘肅中部為強(qiáng)偏東氣流時才有可能將已到達(dá)西北地區(qū)東部的暖濕空氣繼續(xù)向西北方向輸送從而到達(dá)河西走廊西部。

此次暴雨過程中異常高壓和高原低渦相互作用而形成的甘肅中部強(qiáng)偏東氣流(簡稱異常偏東氣流，下同)在500和700 hPa等壓面上的風(fēng)向和風(fēng)速具有顯著異常特征。甘肅中部500、700 hPa的6月平均風(fēng)為偏西風(fēng)，即使是河西走廊西部發(fā)生局地暴雨(最大值30～40 mm)，500 hPa仍以偏西風(fēng)或偏北風(fēng)為主，700 hPa為偏西風(fēng)或者弱偏東風(fēng)(風(fēng)速2～4 m·s-1)。此次甘肅中部500 hPa氣流風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，且最大風(fēng)速達(dá)16～20 m·s-1(圖2b)，700 hPa偏東風(fēng)風(fēng)速為8～10 m·s-1。異常偏東氣流的形成，其不僅有利于暖濕空氣源源不斷地向河西走廊西部輸送，而且也能與新疆東部的偏西氣流形成水汽輻合，促成干旱區(qū)發(fā)生極端暴雨天氣最為重要的水汽條件。

2.4 中尺度特征

2.4.1 不穩(wěn)定能量

河西走廊西部海拔較高且下墊面多為荒漠、戈壁，氣溫日較差大。天氣晴朗時，清晨邊界層一般存在逆溫層，傍晚層結(jié)溫度遞減率卻接近干絕熱遞減率，但對流層低層的濕度條件很差，溫度露點(diǎn)差常超過20℃(圖2e)，近地面比濕常為5～7 g·kg-1。因此，該地區(qū)要形成有效的對流性降水，對流層低層增濕降溫使大氣趨于飽和，中層強(qiáng)降溫彌補(bǔ)低層降溫對形成不穩(wěn)定層結(jié)的不利影響。15日14時，暴雨中心肅北的24 h地面氣溫下降14.8℃，露點(diǎn)溫度升高10.6℃，溫度露點(diǎn)差為2.5℃，大氣接近飽和狀態(tài)，降水開始。15日20時，敦煌的地面比濕升至11.5 g·kg-1(圖2d)，700 hPa氣溫日變化達(dá)-8℃，CAPE值為24.3 J·kg-1，隨著濕度進(jìn)一步增大，整層均接近飽和，16日08時，CAPE值增大至62.3 J·kg-1，大氣處于弱對流不穩(wěn)定狀態(tài)，0～3 km的垂直風(fēng)切變較大(圖2f)。王伏村等(2013)還分析了此次暴雨區(qū)附近濕等熵面傾斜度，指出此次暴雨過程大氣處于弱不穩(wěn)定，且濕等熵面陡立，會導(dǎo)致垂直渦度和輻合顯著增長，非常有利于中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。

2.4.2 地形影響

河西走廊西部位于阿爾金山東段、祁連山西段與馬鬃山之間，地勢北低南高，北部馬鬃山海拔高度多在1 400～2 400 m，南部是3 000～5 000 m的高山群，兩山之間為谷地。近地面冷空氣經(jīng)南疆盆地沿谷地自西向東侵入河西走廊西部，冷空氣先侵入處近地面風(fēng)速較大，15日20時在敦煌附近形成風(fēng)速輻合(圖2d)，觸發(fā)敦煌附近局地對流性降水，小時降水量不斷增強(qiáng)(圖1b)。此外，地面和對流層低層偏西風(fēng)在肅北處于迎風(fēng)坡(圖8c)，700 hPa切變線西側(cè)的偏北氣流越過馬鬃山后也處于南部山區(qū)的迎風(fēng)坡(圖2c、8d)，地形能增強(qiáng)迎風(fēng)坡的上升運(yùn)動(朱素行等，2010；陳豫英等，2018)，有利于觸發(fā)肅北附近對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。因此，在高原低渦中心有較強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(圖8a、8b)的背景下，地面風(fēng)速輻合和地形抬升進(jìn)一步增強(qiáng)了上升運(yùn)動，觸發(fā)局地的對流系統(tǒng)。

2.4.3 渦旋云系演變

暴雨區(qū)受高原低渦形成的渦旋云系頭部的持續(xù)影響，形成了較長時間的層積混合云降水。15日14時水汽云圖上青海西北部有暗區(qū)，說明有冷空氣侵入，冷湖和茫崖附近出現(xiàn)對流性降水。15日20時(圖3a)，冷空氣侵入缺口向北至肅北，異常偏東氣流引導(dǎo)的暖濕空氣也達(dá)到河西走廊西部，冷暖空氣交匯，大氣斜壓性增強(qiáng)，渦旋云系初步形成，云頭覆蓋在肅北附近，云頂亮溫<-60℃，肅北降水強(qiáng)度達(dá)7 mm·h-1。16日02—08時，冷空氣侵入形成的弧狀暗區(qū)邊界更加清晰(圖3d)，冷空氣侵入的加強(qiáng)有利于低渦的發(fā)展(陳春艷等，2012)。渦旋云系增強(qiáng)并穩(wěn)定維持，云頭仍位于暴雨區(qū)上空，敦煌附近云頂亮溫<-70℃，有約200 km尺度的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展(圖3b、3c)，南湖雨量站6 h內(nèi)降水量達(dá)42.6 mm，最大小時雨強(qiáng)達(dá)17.8 mm·h-1。16日14時，渦旋云系結(jié)構(gòu)松散，東移減弱。

圖3 2011年6月15—16日FY-2D(a，b，c)紅外云圖,(d)水汽云圖 和對應(yīng)云圖時間的過去1 h降水量(≥2 mm) (a)15日20時，(b)16日02時，(c,d)16日08時Fig.3 FY-2D (a， b， c) infrared images, (d) water vapor images and hourly precipitation (≥2 mm) at (a) 20:00 BT 15, (b) 02:00 BT 16, (c, d) 08:00 BT 16 June 2011

3 天氣尺度水汽輸送

3.1 水汽輸送

充足的水汽供應(yīng)是暴雨產(chǎn)生的必要條件。從整層水汽通量積分和整層水汽通量散度積分分布(圖4)，可知暴雨期間主要存在兩條水汽通量大值帶，一條是隨西風(fēng)氣流的西路水汽輸送帶，另一條是繞高原的東路水汽輸送帶。水汽云圖上河西走廊西部附近也沒有近乎黑色灰度的動力干帶/點(diǎn)(許健民和方宗義，2008)存在(圖3d)，即暴雨區(qū)沒有明顯的干侵入，說明偏東風(fēng)和偏西風(fēng)均攜帶水汽向暴雨區(qū)輸送，且繞高原的東路水汽帶明顯強(qiáng)于西路水汽帶。進(jìn)一步詳細(xì)分析水汽輸送的演變情況，15日08時，對流層中高層的偏南氣流將孟加拉灣的水汽通過青藏高原中東部輸送到河西走廊西部，輸送強(qiáng)度較弱，不足6 g·cm-1·s-1。15日20時(圖4a)，青藏高原東側(cè)的偏南氣流將對流層中、低層來自孟加拉灣的暖濕空氣向北輸送到西北地區(qū)東部后，在異常偏東氣流的繼續(xù)引導(dǎo)下，沿高原東北側(cè)分兩支向河西走廊西部輸送，完整的東路水汽輸送通道建立，暴雨區(qū)東邊界水汽通量為10 g·cm-1·s-1。同時，西路水汽通量也增強(qiáng)至12 g·cm-1·s-1，在肅北上空形成較強(qiáng)的水汽輻合區(qū)，水汽通量散度值為-8×10-5g·cm-2·s-1，暴雨區(qū)降水強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。16日02時(圖4b)，水汽輻合中心位于敦煌至肅北，水汽通量散度為-11×10-5g·cm-2·s-1。隨著異常偏東氣流風(fēng)速的增大，東路水汽通量增強(qiáng)至20 g·cm-1·s-1，是西路水汽通量的1.5倍(圖4c),這種強(qiáng)度的東路水汽輸送帶十分罕見。上述分析可知，暴雨前期以西路水汽輸送為主，中后期東路水汽輸送明顯強(qiáng)于西路，東西兩路輸送的水汽在河西走廊西部輻合。

圖4 2011年6月(a)15日20時、(b)16日02時、 (c)16日08時地面至300 hPa的水汽通量垂直積分 (箭頭，單位：g·cm-1·s-1)和水汽通量散度 垂直積分(填色，單位：10-5 g·cm-2·s-1) (方框表示河西走廊西部，圓圈表示異常偏東 氣流區(qū)，粗長箭頭為水汽輸送示意路徑)Fig.4 Vertical integral of water vapor flux (arrow, unit: g·cm-1·s-1) and water vapor flux divergence (colored， unit: 10-5 g·cm-2·s-1) from surface to 300 hPa at (a) 20:00 BT 15, (b) 02:00 BT 16, and (c) 08:00 BT 16 June 2011 (The framed area is western Hexi Corridor, the circle area is abnormal easterlies area, and the thick and long arrows indicate water vapor transport path)

3.2 水汽追蹤

從敦煌的水汽質(zhì)點(diǎn)后向240 h的追蹤軌跡(圖5)可知，暴雨區(qū)的水汽主要來自東、西兩路。東路水汽質(zhì)點(diǎn)從青藏高原東側(cè)的對流層低層繞高原向河西走廊西部輸送時，受天氣系統(tǒng)和地形升高的影響，水汽質(zhì)點(diǎn)高度不斷上升，最后以對流層中層的高度輸送到暴雨區(qū)。西路水汽以對流層低層的高度輸入到暴雨區(qū)。后向軌跡追蹤水汽來源方向的結(jié)果與水汽輸送路徑分析結(jié)論一致。

4 中尺度水汽收支和水汽輻合

4.1 水汽收支

從暴雨區(qū)各邊界對流層整層的水汽收支演變(圖6)可知，從14日08:00開始有弱的水汽凈輸入，到降水開始時水汽凈輸入已維持了30 h，平均強(qiáng)度為16.03×106kg·s-1，使得該地區(qū)的水汽積累已經(jīng)比較充沛。15日14:00水汽凈輸入強(qiáng)度增強(qiáng)至28.80×106kg·s-1，達(dá)到了前期平均凈輸入強(qiáng)度的1.80倍，16日凌晨暴雨強(qiáng)盛時段(53.43×106kg·s-1)增加至3.33倍。15日14：00至16日14:00整個暴雨期間的平均水汽凈輸入強(qiáng)度為43.75×106kg·s-1，是前期平均凈輸入強(qiáng)度的2.73倍，河西走廊西部較強(qiáng)的水汽凈輸入為暴雨的發(fā)生提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，水汽強(qiáng)凈輸入時段與暴雨發(fā)生時段相一致。

圖5 2011年6月15日20時敦煌 后向240 h的水汽質(zhì)點(diǎn)軌跡Fig.5 The 240 h backward vapor track of Dunhuang Meteorological Station at 20:00 BT 15 June 2011

圖6 2011年6月13日08時至17日20時 河西走廊西部的東(星號)、西(圓點(diǎn))、南(三角形)、 北(正方形)邊界的對流層整層及四個邊界之和 (虛線)逐6 h間隔水汽收支演變Fig.6 Variation of water vapor budget quantities for the whole troposphere on the east (asterisk), west (circular point), south (triangle), and north (square) borders and sum of the four borders (dashed line) with time intervals of 6 h from 08:00 BT 13 to 20:00 BT 17 June 2011

將東、西、南、北四個邊界的水汽收支量分別除以四個邊界水汽收支量代數(shù)和可得各個邊界向暴雨區(qū)的水汽輸送貢獻(xiàn)率，正貢獻(xiàn)率表示有水汽凈輸入，負(fù)貢獻(xiàn)率表示有水汽凈輸出。整個暴雨期間，東、西、南、北四個邊界的水汽輸送貢獻(xiàn)率分別為111.61%、15.40%、40.00%、-67.01%。根據(jù)水汽輸送通道(圖4)可知，東路水汽輸送主要從東、南兩個邊界輸入，從北邊界輸出；而西路水汽輸送主要是從西邊界進(jìn)入暴雨區(qū)。因而，東路水汽輸送的貢獻(xiàn)率為東、南、北三個邊界的代數(shù)和，達(dá)84.60%，遠(yuǎn)高于西路水汽輸送的貢獻(xiàn)率(15.40%)。東路水汽輸入主要位于500 hPa以下，以中層水汽輸入最強(qiáng)，且在暴雨時段呈不斷增強(qiáng)的趨勢(圖7a)。700 hPa以下以西、北兩邊界的水汽輸入為主(圖7b、7d)。南邊界弱的水汽輸入主要發(fā)生在對流層高層(圖7c)，因受青藏高原地形阻擋,低層無水汽輸入。

4.2 水汽輻合

從水汽通量和水汽通量散度(圖8a、8b)可以看出，強(qiáng)水汽輻合區(qū)位于高原低渦中心附近的暴雨區(qū)，輻合中心與暴雨區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系，水汽在200～400 km的β中尺度范圍內(nèi)強(qiáng)烈聚集形成了暴雨區(qū)比周邊區(qū)域更好的水汽條件。

圖7 2011年6月13日08時至17日20時河西走廊西部的(a)東、(b)西、 (c)南、(d)北邊界的對流層高層(三角形)、中層(實(shí)線)、 低層(正方形)逐6 h間隔水汽收支演變Fig.7 Variation of water vapor budget quantities on the (a) east, (b) west, (c) south, and (d) north borders of western Hexi Corridor at the upper (triangle), middle (solid line) and lower (square) of troposphere with time intervals of 6 h from 08:00 BT 13 to 20:00 BT 17 June 2011

從水汽輻合垂直分布來看，在550、700、800 hPa附近有三層輻合中心(圖8c)，水汽通量散度分別是-3×10-7、-4×10-7和-6×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1，水汽輻合主要位于500 hPa以下，越到對流層低層水汽輻合越強(qiáng)。進(jìn)一步分析各層的水汽通量和水汽通量散度，800 hPa以下的水汽輻合主要是由對流層低層的偏西氣流的風(fēng)速輻合和地形迎風(fēng)坡(圖8c、9c)共同作用而形成；風(fēng)向輻合(圖8c、8d)和南高北低的地形迎風(fēng)坡(圖8b)形成了700 hPa的水汽輻合中心；550 hPa的水汽輻合中心是由高原低渦中心形成的(圖8a)。

4.3 大氣可降水量

暴雨發(fā)生前上游新疆東部因前期普遍出現(xiàn)降水，大氣可降水量(PW)超過24 mm，局地超過40 mm(圖9a)，對流層低層的比濕超過10 g·kg-1，偏西風(fēng)速為8～15 m·s-1(圖9c)，有利于新疆東部偏西氣流向暴雨區(qū)輸送水汽，從而暴雨區(qū)的PW和對流層低層比濕在暴雨發(fā)生前有明顯陡升趨勢(圖9d)，之后大值時段與強(qiáng)降水發(fā)生時段吻合。

圖8 2011年6月16日02時(a)600 hPa、(b)700 hPa水汽通量(箭頭，單位：g·s-1·cm-1·hPa-1)、水汽通量散度 (實(shí)線，單位：10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)和垂直速度(虛線，單位：Pa·s-1)， (c)沿39.5°N和(d)沿96°E水汽通量散度 (虛線，單位：10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)、比濕(實(shí)線，單位：g·kg-1)、水平風(fēng)場的垂直剖面 (⊕為暴雨中心，暴雨區(qū)位于38°～41°N、93°～96°E，圖8c，8d中陰影為地形)Fig.8 The water vapor flux (arrow, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1) and its divergence (solid contour, unit: 10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1) and vertical velocity (dashed contour, unit: Pa·s-1) at (a) 600 hPa and (b) 700 hPa, vertical sections of water vapor flux divergence (dashed contour, unit: 10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1), specific humidity (solid contour, unit: g·kg-1) and horizontal wind field along (c) 39.5°N and (d) 96°E at 02:00 BT 16 June 2011 (⊕ is the center of rainstorm, the rainstorm area lies in 38°-41°N, 93.5°-96°E in Figs.8a, 8b, and shadow is terrain in Figs.8c, 8d)

圖9 2011年6月(a)15日08時、(b)16日02時大氣可降水量(單位：mm), (c)15日08時850 hPa比濕(等值線，單位：g·kg-1)和風(fēng)場(單位：m·s-1)， (d)13日08時至17日08時肅北的大氣可降水量和700 hPa比濕逐6 h間隔演變 (圖9c中陰影為地形，圖9a，9b，9c中⊕為暴雨中心)Fig.9 Distribution of atmospeheric precipitable water (unit: mm) at 08:00 BT 15 (a) and 02:00 BT 16 (b), (c) specific humidity (contour, unit: g·kg-1) and wind field (unit: m·s-1) at 850 hPa at 08:00 BT 15， (d) variation of specific humidity at 700 hPa and precipitable water at Subei Meteorological Station with time intervals of 6 h from 08:00 BT 13 to 08:00 BT 17 June 2011 (Shadow is terrain inFig.9c, and ⊕ is the center of rainstorm in Figs.9a, 9b, 9c)

15日14時降水開始時，河西走廊西部PW為16～32 mm。隨著東、西兩路水汽輸送強(qiáng)度和水汽輻合強(qiáng)度的增加，16日02時，暴雨區(qū)PW均超過20 mm(圖9b)，暴雨中心肅北最大值達(dá)到了34 mm(圖9d)，是該地區(qū)夏季平均值 10～15 mm(李江林等，2012)的2倍多。河西走廊西部地區(qū)700 hPa比濕夏季均值為3～4 g·kg-1，而此次暴雨該地區(qū)比濕超過8 g·kg-1(圖8c)，達(dá)到了西北地區(qū)東部暴雨乃至我國東部地區(qū)暴雨所要求的700 hPa比濕閾值。

5 結(jié)論與討論

(1)內(nèi)蒙古西部到河套地區(qū)西北—東南向異常高壓西部形成的高原低渦是此次天氣過程主要的影響系統(tǒng)。高原低渦中心直接影響暴雨區(qū)，尺度為200～400 km，其受異常高壓的阻擋穩(wěn)定維持在暴雨區(qū)上空超過12 h。對流層低層增濕降溫使大氣趨于飽和，從高原低渦南部侵入的冷空氣引起中層降溫彌補(bǔ)低層降溫對形成不穩(wěn)定層結(jié)的不利影響，大氣處于弱不穩(wěn)定狀態(tài)。地面風(fēng)速輻合和地形抬升進(jìn)一步增強(qiáng)了高原低渦中心輻合上升運(yùn)動，觸發(fā)局地的對流系統(tǒng)，形成暴雨區(qū)較長時間的層積混合云降水，造成極端的小時降水量和累積降水量。

(2)異常高壓和高原低渦相互作用形成的甘肅中部異常偏東氣流在500和700 hPa等壓面上的風(fēng)向和風(fēng)速具有顯著異常特征，500 hPa風(fēng)向與6月平均風(fēng)向相反，700 hPa風(fēng)速偏強(qiáng)。異常偏東氣流能將已到達(dá)西北地區(qū)東部的暖濕空氣繼續(xù)向西北方向輸送從而到達(dá)河西走廊西部，對東路水汽輸送通道的形成十分重要。

(3)主要存在兩條水汽輸送帶：隨西風(fēng)氣流的西路水汽輸送帶和繞高原的東路水汽輸送帶。暴雨前期以西路水汽輸送為主，中后期東路水汽輸送明顯強(qiáng)于西路。整個暴雨時段，東路水汽輸送的貢獻(xiàn)率高達(dá)84.6%，西路水汽輸送貢獻(xiàn)率僅為15.4%。東路的水汽輸送以對流層中層輸入最為顯著，西路的水汽輸送以對流層低層輸入最為顯著。

(4)暴雨期間河西走廊西部水汽平均凈輸入強(qiáng)度是前期的2.73倍，顯著增強(qiáng)的水汽輸送受對流層中層高原低渦中心、對流層低層風(fēng)速風(fēng)向輻合和地形輻合等作用，造成暴雨區(qū)的水汽輻合明顯強(qiáng)于周邊區(qū)域，在550、700、800 hPa有三層200～400 km尺度的強(qiáng)水汽輻合中心。暴雨期間PW和700 hPa比濕明顯陡升，分別高達(dá)34 mm和超過8 g·kg-1，是該地區(qū)夏季平均值的2倍多。

本文只是對河西走廊西部干旱區(qū)的一次極端暴雨天氣進(jìn)行了成因診斷和水汽特征分析，使預(yù)報(bào)員初步認(rèn)識與氣候背景存在顯著差異的東路水汽輸送的重要性以及相關(guān)水汽收支特征、指標(biāo)。進(jìn)一步深入研究干旱區(qū)暴雨的天氣形勢特征和水汽特征還需要利用近幾年的高時空分辨率觀測資料進(jìn)行大量的天氣個例診斷分析、數(shù)值模擬以及與非干旱區(qū)暴雨對比分析等工作。