一次孟灣風暴影響我國低緯高原強降水的水汽特征分析

楊洪飛，袁俊鵬，李毅宸

1.云南大學大氣科學系；2.云南省紅河縣氣象局；3.云南省紅河州氣象局

孟加拉灣地區(qū)是全球熱帶氣旋活動頻繁的海域之一，同時它也是我國低緯高原強降水過程的重要水汽源地。李玉柱和周毅[1]對初夏孟加拉灣風暴的若干特征和能量輸送進行了分析并指出孟加拉灣風暴不僅給我國低緯高原地區(qū)輸送了水汽，同時還輸送了大量能量。陳于湘[2]等（1985）指出我國低緯高原雨季開始與孟加拉灣風暴首次出現(xiàn)有顯著關系。韋革寧[3]等（2000）研究了孟加拉灣風暴對廣西降水的影響，并且指出強大的孟加拉灣風暴云系，帶來充足的水汽及低層大量的不穩(wěn)定能量是造成廣西暴雨的主要原因。段旭[4]等（2004）分析6個影響我國低緯高原的孟灣風暴，認為孟灣風暴、副熱帶高壓和南支槽的位置和強度對低緯高原降水的影響很大。張騰飛等[5]（2006）、魯亞斌等[6]（2006）發(fā)現(xiàn)孟灣風暴多以分裂中尺度對流云團、外圍云系以及本身減弱云系沿孟灣槽前和副熱帶高壓外圍的西南氣流北上影響我國低緯高原。肖建全[7]（2011）等對比分析孟加拉灣風暴 Akash和 Nargis，認為它們是造成我國云南省首場全省性降水天氣過程的主要影響天氣系統(tǒng)，對我國低緯高原降水有直接的影響。呂愛民[8]（2012）研究Akash對我國西南地區(qū)強降水的影響分析，發(fā)現(xiàn)孟加拉灣風暴為降水區(qū)提供了充足的水汽輸送，同時低緯高原地形對孟加拉灣風暴偏南風的強迫抬升加劇了降水區(qū)的上升運動。

綜上所述，前人對孟灣風暴的研究多從大氣環(huán)流背景場角度，或選取典型個例進行定性分析孟灣風暴特征及其對我國降水的影響。大量的研究揭示出孟灣風暴與我國低緯高原地區(qū)強降水有著密切的關系，孟灣風暴可向我國低緯高原地區(qū)輸送大量的水汽和能量，是影響我國低緯高原區(qū)域強降水的重要天氣系統(tǒng)。但鑒于，孟灣風暴本身結構的特殊性及其低緯高原地區(qū)下墊面地形、地勢復雜（王曼等，2011），目前對孟灣風暴向我國低緯高原地區(qū)強降水過程輸送水汽的三維結構特征及其量化貢獻尚不清晰。本文以2007年孟加拉灣風暴Akash（0701）影響我國低緯高原強降水過程為例，通過用氣塊沉降軌跡模擬模式HYSPLIT_4.9模式對孟灣風暴及低緯高原降水區(qū)域氣塊進行軌跡模擬，分析此次降水過程我國低緯高原強降水區(qū)域的水汽輸送特征，并定量化分析各通道水汽輸送的貢獻比率。以期獲得孟灣風暴影響我國低緯高原降水的水汽輸送特征，為我國低緯高原地區(qū)降水預報、預測提供科學依據(jù)。

一、數(shù)據(jù)和方法

（一）數(shù)據(jù)

本文使用的降水資料是APHRO_MA（APHRODITE monsoon Asia Precipitation data） V1003R1提供的分辨率0.5°*0.5°的2007年的逐日的格點降水資料[降水區(qū)域為：（21°N- 30°N，97°E- 1 07°E）]及2007年5月12日至19日云南省126國家氣象觀測站的降水資料，以及2007年5月NCEP的時間間隔為6小時,水平分辨率為2.5°*2.5°的大氣環(huán)流資料，其中包括1000-10hpa共17層的上的位勢高度、溫度、緯向風和經向風，1000-300hpa各層的相對濕度及1000-100hpa的垂直速度；表面變量包括地表氣壓、距地表2米高度處的溫度、距地表面10米高度處的緯向風和經向風、6h的總降水量。此外，還用到JTWC（Joint Typhoon Warning Center）的熱帶風暴Akash的軌跡資料。

（二）軌跡模式簡介

本文使用NOAA Draxler等開發(fā)的質點軌跡分析HYSPLIT_4模式。其模式軌跡分析，假設空氣中的粒子隨風飄動，其移動軌跡就是在時間和空間上位置矢量的積分。質點最終的位置由初始位置（P）和第一個猜測位置（P'）的平均速率計算得到。

式中：Δt為時間步長,文中Δt選為6h。

氣象數(shù)據(jù)在水平坐標保持其原來格式，而在垂直方向被內插到地形追隨坐標系統(tǒng)：

式中：Ztop為軌跡模式坐標系統(tǒng)的頂部；Zgl為下墊面高度；Zmst為坐標下邊界高度。

（三）水汽輸送貢獻率的計算方法

本文引用江志紅[9]（2010）等研究2007年淮河流域強降水過程的水汽輸送特征分析中的水汽輸送貢獻率的定義。

定義

式中：Qs為通道的水汽輸送貢獻率，qlast為通道的最終位置上的比濕；m為通道上的軌跡數(shù)；n為研究區(qū)域總的軌跡數(shù)。

（四）誤差分析

積分誤差主要是由氣象數(shù)據(jù)在模式中的截斷而產生的。積分誤差可通過用向前軌跡的終點計算相同時間長度的向前軌跡進行估計，分析軌跡的相關性。選取2007年5月13日00時（UTC，下同）發(fā)展為熱帶風暴Akash的熱帶低壓中心[（14.4°N，91.2°E），10 m 高度 ]，按照需要模擬的軌跡時間長度（240h）進行向后軌跡模擬，將模擬的最終位置的三維結果輸入模式，進行相同時間長度的向前模擬，將向前后軌跡的經度和緯度做相關性計算得到相關系數(shù)為0.9，而垂直方向其向前和向后軌跡的相關系數(shù)＜1。其表明在軌跡模式的積分誤差很小。

分辨率誤差，主要是由格點氣象數(shù)據(jù)有限的時空分辨率產生的。分辨率誤差可通過初始點的水平方向和垂直方向上偏移所模擬出的軌跡進行估計。取我國低緯高原區(qū)域的代表點[（24°N，100°E），距地面1500m高度]，將該點的氣象數(shù)據(jù)在經向、緯度向偏移0.5個格距，z方向偏移0.01（σ值），選取模擬的起始時間為2007年5月19日00時，進行240小時的向前模擬。相較于這些軌跡的一致性，無論是水平方向還是垂直方向，軌跡間的偏離隨模擬時間的延長而增大，分辨率誤差比積分誤差大得多，但是仍可以較為一致地表征氣流的來向和高度變化。

根據(jù)綜上所述可得知，模式的積分誤差和分辨率誤差均較小，模式穩(wěn)定性可靠。

二、研究結果

（一）Akash灣風暴過程

Akash是2007年第一號孟加拉灣風暴，于5月13日00時在孟加拉灣北部14.4°N，91.2°E附近的海域生成。近中心的最大風速25m/s，近中心海平面最低氣壓為1000hPa，并緩慢向偏北方向移動。于13日18時，北移到16.3°N附近，最大風速35m/s，最低氣壓減小至997hPa，加強為熱帶風暴。14日18時，最大風速加強為65m/s，最低氣壓減小為976hPa，進一步加強為強熱帶風暴。此后繼續(xù)偏北移動，強度減弱。于14日20時在孟加拉國南部的吉大港區(qū)科克巴斯扎爾附近登錄，最大風速30m/s。登錄后北移減弱，于16日并入青藏高原南側的西風槽。

5月12日至19日，風暴生產和發(fā)展期間，降水主要發(fā)生在低緯高原的西北部。降水主要發(fā)生在15日00時以后，對應風暴登陸后減弱階段。15日00時到16日00時，低緯高原大部分區(qū)域及周圍的西藏東南部、四川南部為一強降水區(qū)，站點最大的日降水量達70mm。16日00時到17日，風暴并入西風槽，強降水中心在位于低緯高原南部，站點日最大降水量達到110mm。18日00時，風暴消失，降水帶南壓斷裂，范圍和強度明顯減小。此后低緯高原地區(qū)的降水消失。由此可見，Akash登陸之后及并入西風槽期間，從15日00時到18日00時，我國低緯高原區(qū)域自北向南出現(xiàn)一次強降水過程。

（二）HYSPLIT模式模擬氣塊軌跡實驗設計

模擬區(qū)域選取低緯高原地區(qū)（21°N-30°N，97°E-107°E）9°*10°的區(qū)域，水平分辨率經向間隔2.5°、緯向間隔2.5°，垂直方向上選取距地面1500m高度層作為模擬的初始高度。根據(jù)分別率在模擬區(qū)域內選取了16個初始點，以5月12日0時至19日18時間隔每6小時為一個初始點，以每個初始點為起點向前追蹤10天的三維運動的軌跡模擬。

由于模擬出的軌跡數(shù)目較大，為了更直觀的得看出軌跡的來向，本文引入簇分析的方法對軌跡進行聚類。其基本思路是按照軌跡的路徑最近原則進行多條軌跡合并分組，依據(jù)軌跡的平均圖分析軌跡的來向。

（三）低緯高原區(qū)域的水汽來源的聚類分析

此次Akash活動過程，給我國低緯高原區(qū)域帶來了一次強降水的過程，要想找出與Akash相關的水汽輸送通道比較困難，可通過選取研究區(qū)域的氣團進行向前追蹤，可以排除其他區(qū)域信息的干擾；可以追蹤水汽來源，準確確定水汽通道。

研究區(qū)域的16個代表性點，從2007年5月12日0時至19日18時共8天每間隔6小時為初始點向前推10天，得到512條軌跡，然后對每個選取的研究點采用聚類分析，得到平均軌跡確定各來向水汽通道，利用公式（4）計算各水汽輸送通道的水汽輸送貢獻率。

通過對區(qū)域內選取的每個研究的點的進行簇分析,由此可得影響我國低緯高原區(qū)域的水汽來向可以粗略的分為四個來向，即西北、東南、西南、東北四個來向的水汽輸送通道。

根據(jù)簇分析后各來向的平均軌跡，得出研究時段內到達低緯高原區(qū)域的西北、東南、西南、東北來向的所有軌跡。

定義水汽平均軌跡經過孟加拉灣的水汽通道為孟加拉灣，對我國低緯高原地區(qū)的直接的水汽輸送，其輸送貢獻率定義為孟加拉灣直接的水汽貢獻率。利用綜上定義，得知來自孟加拉灣水的所有平均軌跡。

由綜上分析得知，這次天氣過程影響我國低緯高原區(qū)域的水汽輸送通道和來自孟加拉灣的水汽輸送通道。向前推的相同的時間間隔各來向上及孟加拉灣來向所有軌跡上的比濕求和得如圖1所示，反映在這過程中主要的水汽輸送通道、各通道上水汽的變化，顯示來自孟加拉灣的水汽在這次輸送的重要性。水汽輸送通道重要性由重至輕，依次是東南、西南、東北、西北。從圖1中可得知東南、西南、東北來向在到達研究區(qū)域時有水汽含量明顯的下降過程，反映其與研究的區(qū)域的降水有著密切的關系。孟加拉灣通道與西南通道比濕變化一致，表明在Akash活動過程孟加拉灣的水汽是通過西南氣流來影響我國低緯高原區(qū)域的。

圖1 各水汽通道和孟加拉灣通道上比濕總量

表1中可知，在這次Akash過程中東南通道、西南通道、東北通道、西北通道的水汽輸送貢獻率分別為50.4%、30.9%、14.5%、4.2%。來自孟加拉灣直接的水汽輸送貢獻率為25.3%。

表1 各來向和孟灣的水汽輸送貢獻率

10個緯距×10個經距的區(qū)域內分析，孟加拉來向的水汽的平均軌跡與Akash運動軌跡的距離在10個經距的范圍內，且位于其東側。在北半球氣旋是逆時針旋轉的，氣旋東側的空氣是由低緯向高緯運動，孟加拉灣水汽軌跡位于Akash運動外圍的東側，即孟加拉灣水汽軌跡就是Akash的外圍由低緯向中高緯的水汽輸送通道，而孟加拉灣來向的水汽輸送貢獻率也就是Akash活動對低緯高原地區(qū)的水汽輸送貢獻率，即Akash對于我國低緯高原區(qū)域直接的水汽輸送貢獻率25.3%。

孟加拉灣通道上的比濕與距地面高度的關系（如圖2所示），軌跡向前推的第十天到第四天的過程中距地面高度沒有明顯變化。在此過程中軌跡上的比濕也是基本不變的，且其比濕值很高。由于這段時間空氣塊都基本是在海面上運動，下墊面高度沒有明顯的變化，海面同時也是為氣塊的水汽源，因此氣塊的濕度很高。軌跡向前到第四天到第一天過程中，軌跡的距地面高度由平直變?yōu)閮A斜急劇升高，到我國低緯高原區(qū)域到達1500m附近。而與之相反，軌跡上的比濕由平直變?yōu)閮A斜急劇減小，反映孟加拉灣水汽在向低緯高原區(qū)域輸送的過程，由于下墊面的高度變高，使得來自孟加拉灣的氣流抬升，濕度降低，下降的濕度貢獻為我國低緯高原地區(qū)的降水，影響研究區(qū)域。來自孟加拉灣通道的氣塊，離開洋面后四天內達到并影響了我國低緯高原區(qū)域。

圖2 孟加拉灣輸送通道的上的比濕隨著高度的變化

圖3反映了孟加拉灣通道的比濕與氣壓的變化關系?？梢钥吹皆诳拷覈途暩咴瓍^(qū)域，比濕和氣壓的變化關系相一致，都是同一個下降的趨勢。在到達低緯高原區(qū)域時，氣壓已經降低到接近700hPa，而比濕雖然也下降，但到達研究區(qū)域仍然大于8(單位：g/kg)。

圖3 孟加拉灣輸送通道的上的比濕隨著氣壓的變化

三、結語

本文基于2007年，孟加拉灣第一號風暴Akash活動過程的造成低緯高原區(qū)域的一次強降水過程，利用美國NOAA軌跡模式（HYSPLIT_4）模擬我國低緯高原區(qū)域強降水過程的氣團軌跡，對該階段影響低緯高原區(qū)域降水的水汽輸送特征做定量分析，同時對孟加拉灣對低緯高原區(qū)域的水汽輸送做定量分析，加深我們對孟加拉灣風暴Akash對低緯高原區(qū)域水汽輸送特征的認識。其主要結論如下：

（1）通過使用模式模擬低緯高原區(qū)域降水水汽前向軌跡，獲得了孟灣風暴“Akash”發(fā)生期間低緯高原區(qū)域降水的四條主要水汽通道，并定量評估了各通道水汽輸送貢獻比率。（2）此次低緯高原降水過程中，與孟灣風暴“Akash”相關的水汽輸送貢獻比率約為25%。（3）其個例分析表明，孟灣風暴水汽垂直輸送可達到較高的高度，這與西太平洋臺風水汽輸送主要集中在對流層低層截然不同。