阿克蘇地區(qū)早春一次極端降水水汽特征分析

李?；ǎ罴?，劉大鋒，方 雯，張云恵*

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.輝縣市氣象局，河南 輝縣 453600；3.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊 830002；4.昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100）

南疆遠離海洋，氣候不受季風(fēng)系統(tǒng)的直接影響，降水稀少，大部分地區(qū)的年均降水量不足100 mm[1-2]。近年來，隨著全球氣候變暖，南疆降水量增多，特別是進入21世紀以來，南疆暴雨發(fā)生幾率明顯增大，極端暴雨頻次顯著增加[3-4]。一次暴雨過程甚至能改變其氣候閾值，造成嚴重災(zāi)害，使得農(nóng)田受災(zāi)面積增大，發(fā)生次數(shù)增多，直接經(jīng)濟損失明顯上升[5-8]。南疆強降水事件是小概率事件，暴雨落區(qū)和強度預(yù)報一直是難點，提高南疆暴雨預(yù)報能力一直是新疆天氣預(yù)報員的重要工作之一。許多學(xué)者在南疆強降水方面開展了大量研究，中亞低槽（渦）型是南疆強降水的典型環(huán)境背景場[9-11]，高、中及低空3支氣流的有利配置，中小尺度輻合與對流是產(chǎn)生暴雨或極端暴雨的直接原因[12-15]；水汽的遠距離輸送并在南疆上空匯集是南疆西部暴雨形成的重要原因[14]，除影響系統(tǒng)自身攜帶水汽外，孟加拉灣、阿拉伯海和南海的水汽輸送為南疆西部強降水區(qū)提供了更充足的水汽[17-18]，其路徑主要為西方、南方和東方[19]。中低層切變與輻合影響暴雨落區(qū)與強度，中高層偏南氣流向暴雨區(qū)輸送，低層偏東氣流迅速增強導(dǎo)致的偏東路徑水汽輸送是南疆西部暴雨的關(guān)鍵因子[20-23]。上述的研究成果對于研究南疆強降水提供了一定的思路和方法。

南疆暴雨過程的水汽輸送路徑有明顯的差異，水汽來源復(fù)雜，不同地區(qū)不同時間的水汽輸送路徑和影響系統(tǒng)有較大差別。南疆暴雨的局地性和突發(fā)性強，預(yù)報預(yù)警難度大。阿克蘇地區(qū)地處中國西北地區(qū)、新疆中部，天山山脈中段南麓，塔里木盆地北部。阿克蘇地區(qū)地勢北高南低，由西北向東南傾斜，由于遠離海洋，為暖溫帶干旱型氣候，具有大陸性氣候的顯著特征：氣候干燥，蒸發(fā)量大，降水稀少，且年、季變化大。近年來，南疆地區(qū)極端強降水事件頻發(fā)，其發(fā)生時間也在提前，一方面有利于綠洲區(qū)農(nóng)田及山區(qū)牧草水分的補給，增加河流徑流量，緩解干旱；另一方面極端暴雨致災(zāi)性強，容易造成洪澇及其次生災(zāi)害，給人們生產(chǎn)生活帶來不利影響。已有研究在阿克蘇地區(qū)早春強降水方面較少涉及。本文通過分析2022年3月18—22日（簡稱“03·20”過程）早春阿克蘇地區(qū)極端暴雨過程的高低空配置、水汽源地、輸送路徑、水汽收支等，為此類暴雨預(yù)報預(yù)警提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 資料與方法

選取2022年3月18—22日阿克蘇地區(qū)常規(guī)氣象觀測、自動氣象站逐時雨量、阿克蘇和庫車站GPS觀測大氣可降水量（GPS-PWV）和NCEP1°×1°的全球再分析等資料，降水量按照新疆降水等級標準[1]，即24 h降水量（R）≥24.1 mm為暴雨，R≥48.1 mm為大暴雨，R≥96.1 mm為特大暴雨。

水汽追蹤采用HYSPLIT模式。該模式是由NOAA的Draxler等開發(fā)的供質(zhì)點軌跡、擴散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)，是一種歐拉—拉格朗日混合計算模式，其平流和擴散計算采用拉格朗日方法。這個模式通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動方向。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、某日的氣團來向，可用于分析該地、該日大氣中水汽的主要來源。本文選取追蹤點和追蹤區(qū)域的初始高度即地面以上高度（AGL）1 500、3 000、5 000 m高度層作為模擬初始高度，選定時間向后追蹤5 d，模式使用1°×1°GDAS資料。

水汽邊界計算取地面至700 hPa（對流層低層）、700～500 hPa（對流層中層）、500～300 hPa（對流層高層）以及整層（地面至300 hPa），分析阿克蘇地區(qū)降水區(qū)（40°～42°N，78°～84°E）水汽輸入、輸出和收支量（正值為流入，負值為流出）。

2 結(jié)果與分析

2.1 強降水過程概況

2022年3月18日14：00—22日20時（北京時，下同），南疆西部出現(xiàn)降水，強降水主要集中在阿克蘇地區(qū)北部、克州山區(qū)（降水時段為20—22日）。阿克蘇地區(qū)過程累計降水量14站24.1～48.0 mm（圖1a），4站達48.1～96.0 mm，最大累計降水中心在拜城縣康其鄉(xiāng)黃山羊溝（61.7mm），最大雨強為7.0 mm·h-1，出現(xiàn)在3月20日12—13時（圖1b）。國家站最大降水出現(xiàn)在拜城站，3月20日降水量為17.7 mm（3月氣候平均值為4.8 mm），居歷史同期第一位，3月21日降水量為15.3 mm（圖1c）。庫車站3月20、21日降水量分別為16.6和15.3 mm，均破歷史同期極值。

圖1 3月18日14時—22日20時阿克蘇地區(qū)過程累計降水量（a）、強降水站（拜城康其鄉(xiāng)黃山羊溝）逐日逐時降水量（b）和日降水極值站氣溫、降水（c）

在降水前2 d阿克蘇地區(qū)升溫明顯，拜城站和庫車站的最高氣溫升至18℃左右，為強降水提供了熱力不穩(wěn)定條件。

2.2 環(huán)流配置及主要影響系統(tǒng)

“03·20”過程降水前，18日08時—21日08時，200 hPa中亞偏南地區(qū)一直維持西南急流，急流軸位于40°N，80°E附近，高空輻散抽吸作用明顯。500 hPa歐亞范圍中高緯為“兩脊一槽”環(huán)流形勢，烏拉爾山以東為脊，烏拉爾山以西至勘察加半島為廣闊的低槽，環(huán)流經(jīng)向度較大。19日20時（圖2a）低槽發(fā)展成2個低渦，一個在黑海附近，一個在里海與咸海之間，-36℃冷中心與低渦配合，新疆北部、東部受北支鋒區(qū)引導(dǎo)的西西伯利亞地區(qū)冷空氣南下影響，出現(xiàn)降溫和大風(fēng)天氣。阿克蘇地區(qū)受中亞地區(qū)較平直西風(fēng)帶不斷分裂的短波影響，西風(fēng)鋒區(qū)較強，風(fēng)速達26 m/s；700 hPa為6～12 m/s的偏西氣流。850 hPa 18日08時南疆偏東氣流開始建立，19日08時偏東氣流強度明顯加大（圖2b），若羌站偏東風(fēng)風(fēng)速為26 m·s-1，阿克蘇站偏東風(fēng)風(fēng)速為8 m/s，南疆最西部的喀什站出現(xiàn)3 m/s偏東風(fēng)，20日08時后偏東氣流強度有所減弱，西部喀什到阿克蘇之間偏西風(fēng)與偏東風(fēng)輻合，并維持到21日08時。地面圖顯示，21日08時—22日08時地面冷高壓（中心強度最強達1 042.5 hPa）偏西路徑進入北疆，然后東南移，氣壓場呈“北高南低”，在南疆盆地東部維持偏東風(fēng)，喀什克州維持偏西風(fēng)，降水區(qū)處于偏西風(fēng)與偏東風(fēng)輻合區(qū)域。

圖2 3月19日20時500 hPa形勢場（a）和20日08時850風(fēng)場（b）

2.3 水汽輸送及輻合特征

2.3.1 水汽源地及水汽輸送強度

充沛的水汽輸送是形成大降水的必要條件。由于阿克蘇地區(qū)山脈較多，此次暴雨過程的強降水區(qū)的平均海拔在2 000 m左右，為分析水汽源地與水汽輸送情況，計算強降水站出現(xiàn)降水時地面至300 hPa的垂直積分和500、700和850 hPa的水汽通量（圖3a～3d），沿暴雨中心做水汽通量散度和比濕的時間剖面（圖3e）。

分析地面至300 hPa垂直積分水汽通量（圖3a），降水主要受鋒區(qū)上波動影響，水汽源地主要在大西洋—地中海南部—里海、咸海南部，水汽大部分沿低渦前的西南路徑一部分隨中亞低槽前偏西氣流與沿脊前的偏北路徑在里咸海南部匯合，然后隨鋒區(qū)上的偏西氣流再進入暴雨區(qū)。強降水時段，500 hPa（圖3b）水汽路徑均為大西洋—地中海南部—里海、咸海南部沿槽前的偏西路徑進入降水區(qū)；700 hPa（圖3c）水汽路徑與500 hPa相似；850 hPa（圖3d）水汽輸送路徑有一部分為大西洋—地中海南部—里海、咸海南部的偏西路徑，還有一部分水汽進入新疆北部，然后沿850 hPa偏東氣流進入暴雨區(qū)。

300 hPa西南方和偏北方的水汽在里、咸海南部匯合，最大水汽通量值達30×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1以上（強度最強）進入暴雨區(qū)的水汽通量值在降水期間均維持在（5～10）×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，20日02時達最大（圖3a）。降水期間500 hPa的水汽通量值維持在（2～6）×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，700 hPa和850 hPa（圖3c-d）的水汽通量值為2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1。此次強降水期間500 hPa的水汽輸送表現(xiàn)較為明顯。

結(jié)合3月18日20時—22日20時（圖3e）在暴雨中心拜城縣康其鄉(xiāng)黃山羊溝站（42.07°N、81.84°E）上空的水汽通量散度和比濕隨時間變化圖可知，大的水汽通量散度和比濕值均維持在700～850 hPa，水汽通量散度最大值為-16×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1和比濕≥5 g·kg-1的大值均集中在19日20時—21日20時，最強時段為19日20時—20日20時，強的水汽輻合與強降水時段吻合。大的水汽通量散度值和高比濕值在南疆西部早春出現(xiàn)還是比較少見的。阿克蘇地區(qū)中高層水汽輸送的意義重大，是此次暴雨區(qū)降水強度較大的重要原因。

圖3 2022年3月20日02時地面至300 hPa（a）、500 hPa（b）、700 hPa（c）、850 hPa（d）水汽通量及暴雨中心3月18—22日水汽通量散度—比濕（e）

2.3.2 水汽收支

通過計算降水期間（19日20時—22日20時）間隔6 h的各層水汽收支發(fā)現(xiàn)，水汽西邊界（圖4a）對流層低層和高層水汽均為輸入，水汽輸入總量分別為22×108和23×108t，中、高層的水汽在西邊界中均較為明顯；東邊界（圖4b）對流層低層以輸入為主，水汽輸入總量為3×108t；南邊界（圖4c）對流層中、高層水汽以輸入為主，輸入總量分別為1×108和3×108t；北邊界（圖4d）低層水汽以輸入為主，輸入總量為1×108t。降水時段中，西邊界的水汽輸入貢獻占85%，起了重要作用，也說明偏西的水汽接力輸送是非常充沛的，且進入到暴雨區(qū)的水汽輸入量遠遠大于輸出量，說明水汽大部分在暴雨區(qū)進行輻合，這與高低層急流配置和水汽通量分布一致。其次是南邊界的水汽輸入貢獻占8%，暴雨期間中亞偏南氣流的水汽接力輸送也起到一定作用。

圖4 “03·20”過程對流層高、中、低層各邊界水汽輸送量

2.3.3 拉格朗日方法的水汽追蹤分析

由2022年3月22日08時的水汽粒子追蹤強降水點（42.07°N，81.84°E）（圖5a）和強降水區(qū)軌跡圖（圖5b～5d），強降水中心1 500、3 000和5 000 m的水汽路徑一致為偏西路徑，其中1 500 m水汽路徑最短，3月17日08時在地中海東部附近，18日08時到里海附近，3月19日08時—22日08時，沿西南方進入降水區(qū)。3 000 m的水汽路徑次之，17日08時在地中海西部附近，3月18日08時—19日20時進入里海，20日08時—22日08時，沿鋒區(qū)偏西路徑進入降水區(qū)。5 000 m的水汽路徑最長，3月17日08時在大西洋附近，18日08時—22日08時，沿西方進入降水區(qū)：（1）來自1 500 m高度的水汽質(zhì)點（圖5b）大部分成員的路徑在沿大西洋—地中海，在地中海附近匯集，然后以西南路徑向暴雨區(qū)輸送。這與前述水汽輸送路徑一致。有少數(shù)成員在里海附近匯集，隨北支槽進入新疆，然后隨偏東氣流進入強降水區(qū)。均在3月19日20時左右以2 500 m高度輸送到強降水區(qū)；（2）來自3 000 m高度上的水汽質(zhì)點（圖5c）在地中海聚集，由地中?！诤！⒗锖Ｒ晕鞣铰窂降竭_咸海南部，在降水時段以西南方進入新疆西部，在3月20日08時左右以3 000 m左右高度輸送到強降水區(qū)；（3）來自5 000 m高度上的水汽質(zhì)點（圖5d）所有成員的路徑經(jīng)大西洋—地中海，在地中海附近匯集，由地中海南部—黑海南部—里海南部—咸海南部，以偏西路徑到達新疆西部，在3月20日08時左右以5 000 m左右的高度輸送到強降水區(qū)。

圖5 不同高度向后120 h氣體軌跡分布

2.3.4 大氣可降水量

強降水發(fā)生前，南疆的大氣可降水量均有增加趨勢，選取阿克蘇、庫車站大氣可降水量（PWV）數(shù)據(jù)分析（圖6），強降水站從3月20日01時—21日19時（主要降水時段）出現(xiàn)了52.7 mm的降水，此次暴雨過程是由中緯度鋒區(qū)波動造成的，降水持續(xù)了2 d。降水發(fā)生前2 d，阿克蘇和庫車兩站大氣可降水量呈增加狀態(tài)，剛開始大氣可降水量值在平均值（2017—2019年的平均值，以下簡稱平均值）附近變化，隨后逐漸增加，持續(xù)時間約30 h，在19日20時達到第一個峰值14～16 mm，19日21時—23時開始略有減弱，20日00時—01時，出現(xiàn)降水，20日02—05時，PWV繼續(xù)增加，出現(xiàn)第二個峰值17.0 mm，為平均值的2倍多，最大小時雨強出現(xiàn)在PWV峰值后的4 h，說明水汽有一個急劇增加的過程。20日08時—21日19時，整個降水過程PWV值呈減少趨勢，但均高于平均值，隨著PWV值減弱，降水也開始減小直至結(jié)束。阿克蘇地區(qū)PWV值突然增大至平均值以上時，對未來出現(xiàn)強降水有指示意義，特別是當PWV≥17 mm時，可能會出現(xiàn)暴雨或極端暴雨天氣。

圖6 “03·20”過程大氣可降水量（PWV）和降水量逐時變化

3 結(jié)論

本次強降水天氣發(fā)生在早春，主要是降水前期氣溫異常偏高，提供了一定的熱力條件，其次是中緯度鋒區(qū)較強，動力條件較好，再配合有利的水汽條件造成了阿克蘇地區(qū)此次極端降水天氣。

（1）暴雨過程環(huán)流配置上，高、低空主要有兩支急流，一支是200 hPa中亞及中亞南部的西南急流，另一支是850 hPa南疆盆地的偏東急流，西南急流起著輸送水汽的作用，偏東急流起輻合抬升的作用。500 hPa中緯度強鋒區(qū)波動和700（850）hPa喀什與阿克蘇之間的切變線是主要影響系統(tǒng)。

（2）水汽源地主要為大西洋—地中海南部—里海、咸海南部且大的水汽通量散度值與高的比濕值均與強降水時段吻合。暴雨過程前后對流層中低層始終維持一定量的比濕，且越貼近近地層比濕越大，暴雨發(fā)生的集中時段中低層都有水汽輻合，中低層強的水汽輸送是此次暴雨區(qū)降水強度較大的重要原因。降水期間西、南邊界水汽以輸入為主，西方路徑的水汽輸送強度大，貢獻率達85%；東邊界低層水汽以輸入為主。水汽追蹤進一步驗證，3 000 m和5 000 m水汽均來自西方路徑。1 500 m水汽輸送路徑有西方路徑和偏東路徑。

（3）極端暴雨前，阿克蘇地區(qū)測站的大氣可降水量呈增加趨勢，強降水時段PWV值一直處于較高值，水汽快速聚集造成強降水，特別是PWV增大至峰值開始下降時，對本地未來出現(xiàn)強降水有一定參考意義。