基于HYSPLIT模式分析的塔克拉瑪干沙漠南緣暴雨水汽特征*

莊曉翠 李博淵 趙江偉 張?jiān)苹?張林梅

1 新疆阿勒泰地區(qū)氣象局，阿勒泰 836500 2 新疆氣象臺(tái),烏魯木齊 830002

提 要： 利用NCEP/NCAR再分析資料，分析了2001—2020年5—9月(暖季)塔克拉瑪干沙漠南緣(簡稱沙漠南緣)發(fā)生的5次暴雨天氣大尺度環(huán)流背景和水汽特征，再運(yùn)用HYSPLIT模式(拉格朗日)方法模擬計(jì)算了該區(qū)域暴雨天氣的水汽軌跡、主要路徑及不同源地的水汽貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：暴雨天氣的水汽源地主要來自西南亞、中亞、北疆；水汽自源地出發(fā)經(jīng)巴基斯坦北部、印度西北部、阿富汗東北部(簡稱IPA關(guān)鍵區(qū))和南疆關(guān)鍵區(qū)，分別從西南和偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)，途經(jīng)南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽來源對暴雨的貢獻(xiàn)較大。沙漠南緣暴雨過程中，大氣中層(500 hPa)的水汽主要源自西南亞，但沿途損失很大，而低層(700 hPa)的主要水汽貢獻(xiàn)來自北疆，且沿途損失較小。來自北疆和南疆盆地的水汽主要從近地層輸送至700 hPa；來自西南亞、大西洋及其沿岸等地的水汽主要輸送至700 hPa以上?；谏鲜鎏卣鳎⒘松衬暇壉┯赀^程水汽來源及路徑的三維結(jié)構(gòu)模型，并對各層水汽貢獻(xiàn)和來源做了更細(xì)致的描述。

引 言

水汽是影響降水，尤其是強(qiáng)降水的重要因素(Trenberth,1998)。關(guān)于導(dǎo)致暴雨的水汽問題研究有兩個(gè)關(guān)鍵的方面，一是水汽的來源和路徑；二是各路徑水汽輸送在暴雨中的貢獻(xiàn)大小(江志紅等，2011)。定量確定暴雨過程水汽輸送及路徑是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題(陳斌等，2011)，尤其是在極端干旱荒漠區(qū)。因此，研究塔克拉瑪干沙漠南緣(簡稱沙漠南緣)暴雨過程水汽特征(來源及輸送)，揭示沙漠南緣大氣水汽循環(huán)機(jī)理，是該區(qū)大氣水循環(huán)研究的一個(gè)重要課題。

暴雨水汽來源及輸送路徑的研究主要有兩種方法，即歐拉方法和拉格朗日(HYSPLIT模式)方法(楊浩等，2014)。由于歐拉方法是基于水汽通量來研究暴雨的水汽來源及輸送，著眼于空間的某些確定點(diǎn)，在固定點(diǎn)上觀察流體的運(yùn)動(dòng)，因此無法定量區(qū)分各水汽來源的貢獻(xiàn)，最終只能給出簡單的水汽輸送路徑(James et al,2004；陳斌等，2011；孫力等，2016；孔祥偉等，2021)。HYSPLIT模式方法通過計(jì)算空氣塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，即拉格朗日軌跡，定量統(tǒng)計(jì)出各水汽源地的貢獻(xiàn)，彌補(bǔ)歐拉方法的不足(江志紅等，2011；楊浩等，2014；孫穎姝等，2019)。目前，對中國中東部季風(fēng)區(qū)基于HYSPLIT模式方法定量研究水汽來源及輸送路徑的相對較多，西北干旱區(qū)較少(姚俊強(qiáng)等，2018)。如江志紅等(2011)針對2007年淮河流域強(qiáng)降水水汽輸送研究表明，受三支水汽通道影響，在強(qiáng)降水的不同階段、不同通道對暴雨的貢獻(xiàn)不同，不同源地的水汽通道輸送至暴雨區(qū)的高度不同。在氣候態(tài)下，江淮梅雨的水汽主要來自印度洋、孟加拉灣—中國南海、太平洋和歐亞大陸，對江淮梅雨的貢獻(xiàn)分別是35%、19%、22%和19%；歐亞大陸的水汽輸送主要來自600 hPa左右的對流層中層，其他源地主要來自850 hPa以下的對流層低層；梅雨異常偏多年和偏少年各源地水汽輸送貢獻(xiàn)存在差異(江志紅等，2013)。孫建華等(2016)對江淮區(qū)域江南型和江北型持續(xù)性暴雨過程的水汽源地和輸送研究指出，兩類暴雨水汽主要源自印度半島以南的熱帶印度洋的西南路徑和來自印度尼西亞與中國南海的偏南路徑，此外，江北型還有來自西太平洋的東南路徑水汽輸送；來自南方的水汽輸送主要受索馬里越赤道急流、孟加拉灣南部和印度尼西亞群島附近越赤道氣流，以及受西太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)的影響。孫力等(2016)對東北地區(qū)2010年7—8月出現(xiàn)的三類暴雨研究表明，水汽主要來自西太平洋、南海、北方通道，占主導(dǎo)地位的是西太平洋通道；另外，第一類暴雨南海通道，第三類暴雨北方通道的水汽輸送也不可忽視；西太平洋通道的水汽沿途損失較小，主要被輸送到東北地區(qū)850 hPa及以下的大氣之中，而南海通道的水汽沿途損失較多，主要被輸送到東北地區(qū)850 hPa以上的大氣。曾鈺婷等(2020)對青藏高原那曲地區(qū)夏季水汽來源及輸送研究表明，小雨和中雨的水汽主要來自阿拉伯海、孟加拉灣、印度、新疆以及中亞地區(qū),另外，中雨還有來自印度洋的水汽；大雨主要來自阿拉伯海和孟加拉灣。陳紅專等(2019)對2017年盛夏湖南持續(xù)性暴雨過程的水汽輸送研究表明，強(qiáng)降水過程的水汽通道主要有三支，首先由索馬里越赤道急流經(jīng)孟加拉灣和中國西南地區(qū)輸入暴雨區(qū)，其次由印度洋中東部越赤道氣流經(jīng)孟加拉灣南部和南海北部輸入暴雨區(qū)，第三支來自南半球的越赤道氣流自南海南部一路北上輸入暴雨區(qū)；強(qiáng)降水時(shí)段不同，各通道對暴雨的貢獻(xiàn)不同。受地形影響，孟加拉灣通道的水汽主要輸送至暴雨區(qū)700 hPa，其他來自低緯洋面的水汽主要輸送到850 hPa及以下各層。李曉容等(2020)對四川東北部三次暴雨研究表明，水汽來自孟加拉灣、南海、西太平洋和阿拉伯海；水汽輸送通道在不同層次、不同個(gè)例中的主次作用等存在差異。許彬等(2019)對一次熱帶風(fēng)暴背景下南昌暴雨的水汽特征研究表明，水汽主要源自西北太平洋西部，位于1 500 m以上的層次；其次是從南海東部北上，位于3 000 m以下的層次；還有孟加拉灣東部、中南半島南部和云南南部等西南方向的通道。

充沛的水汽在干旱區(qū)暴雨形成和發(fā)展中，顯得尤為重要，因此水汽來源及輸送是該區(qū)暴雨形成機(jī)制及其預(yù)報(bào)的重要因素。新疆地域廣袤，地形復(fù)雜，各地水汽來源及輸送路徑差別較大，不僅在北疆和南疆存在差異，南疆盆地的各區(qū)域也存在一些差別(楊蓮梅等，2011；李如琦等，2015；張?jiān)苹莸龋?015；莊曉翠等，2014;2017;2020；劉國強(qiáng)等，2017)。南疆西部暴雨過程存在西風(fēng)氣流以及來自阿拉伯海、孟加拉灣、南海的偏南氣流及對流層低層偏東氣流輸送的水汽，南邊界水汽輸送是南疆西部暴雨的重要水汽來源，東邊界水汽輸送是該區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的重要補(bǔ)給(張?jiān)苹莸龋?015；曾勇和楊蓮梅，2017a；2017b；2018；努爾比亞·吐尼牙孜等，2019)，除上述水汽源地外，新疆東部暴雨還存在西太平洋及中亞低渦自帶的水汽，形成西、南、東邊界均具有較強(qiáng)的水汽輸入量，并迅速輻合聚集加強(qiáng)，為暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽(莊曉翠等，2020)。對巴音郭楞蒙古自治州(簡稱巴州)一次強(qiáng)降水研究表明(劉國強(qiáng)等，2017)，烏拉爾山脊前偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣南下與西風(fēng)氣流匯合于南疆西部地區(qū)的西路水汽輸送、青藏高原西南側(cè)低渦前部西南氣流引導(dǎo)的西南路水汽輸送及西太平洋副熱帶高壓引導(dǎo)的偏南水汽輸送，主要來源于偏西與偏南氣流。近年來，基于HYSPLIT模式方法，對南疆暴雨水汽來源及輸送路徑也開展了一些定量研究，如孫穎姝等(2019)對南疆西部一次暴雨過程研究表明，主要有兩條水汽通道，均源于新疆西部的歐亞大陸但輸送路徑有所差異，偏西路徑和轉(zhuǎn)向路徑分別主要輸送800 hPa以上和以下的水汽。牟歡等(2021)對南疆西部一次特大暴雨過程研究表明，水汽來自巴倫支海、喀拉海、挪威海和地中海；水汽軌跡在哈薩克丘陵匯聚后進(jìn)入北疆，再繞過天山東側(cè)到達(dá)羅布泊地區(qū)后隨低層偏東急流抵達(dá)暴雨區(qū)上空；雖然從巴倫支海、喀拉海、挪威海出發(fā)的水汽軌跡略多于地中海，但兩地的水汽貢獻(xiàn)率分別占62%和38%。由此可見，基于HYSPLIT模式方法對南疆暴雨水汽的定量研究僅為少數(shù)個(gè)例，而對極端干旱區(qū)塔克拉馬干沙漠南緣暴雨過程水汽來源及輸送的研究至今幾乎沒有。因此，開展對極端干旱區(qū)沙漠南緣暴雨過程的水汽研究，有利于更好地評估極端干旱區(qū)氣候特征，為中國沙漠區(qū)降水研究和新疆暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警提供科技支撐，為防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)和生態(tài)文明建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠南緣(36°～39°N、80°～86°E)(以下簡稱沙漠南緣)主要包括和田地區(qū)中東部(洛浦、策勒、于田、民豐站)和巴州南部(且末站)，位于歐亞大陸腹地，帕米爾高原西部和天山屏障北部，西伯利亞冷空氣不易侵入；昆侖山、喀喇昆侖山綿亙于南部(圖1)，幾乎阻隔了來自印度洋的暖濕氣流，形成了暖溫帶極端干旱荒漠氣候，四季分明，冬季冷而不寒，春季多沙塵暴、浮塵天氣，夏季炎熱干燥，秋季降溫快。全年降水稀少，光照充足，熱量豐富。歷年年均降水量為44 mm，年蒸發(fā)量為2 480 mm。

2 資料和方法

2.1 資 料

選取2001—2020年暖季5—9月5個(gè)國家級(jí)氣象觀測站(圖1)逐日降水量(20時(shí)至次日20時(shí),北京時(shí))，按新疆暴雨標(biāo)準(zhǔn)(24 h日降水量R，24.0 mm

圖1 南疆地形(填色)、研究區(qū)域(方框) 及其暴雨中心站點(diǎn)(黑點(diǎn))分布Fig.1 Terrain (colored) of southern Xinjiang, study area (box) and station distribution (black dot) of the rainstorm centers

2.2 方 法

利用HYSPLIT(Draxler and Hess,1998)模式后向模擬追蹤沙漠南緣暴雨水汽源地和輸送特征。HYSPLIT是NOAA等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的一種可處理不同氣象要素輸入，不同排放源，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(Stohl and James,2004；Makra et al,2011)。沙漠南緣國家站海拔高度多在1 300 m以上，因此，選取站點(diǎn)(暴雨中心)初始高度時(shí)考慮測站海拔高度，模擬追蹤暴雨中心500 hPa(5 000 m)、700 hPa(3 000 m)距地面的初始高度。取GDAS資料運(yùn)用HYSPLIT模式模擬每次暴雨過程初始點(diǎn)向后追蹤7 d的水汽三維運(yùn)動(dòng)軌跡，每隔6 h重新向后追蹤7 d，得到無數(shù)條軌跡。因HYSPLIT模式輸出的軌跡條數(shù)較多，為了更加直觀清晰地分辨出初始點(diǎn)(暴雨中心)的水汽來向、源地及其對暴雨的貢獻(xiàn)，采用聚類分析法對大量軌跡按照最近的原則進(jìn)行合并分組。根據(jù)總空間方差(TSV)的變化和總空間變化率確定軌跡聚類的條數(shù)，隨著聚類條數(shù)的減少，TSV的變化迅速上升，將TSV大幅度增加的幾個(gè)點(diǎn)之前的數(shù)暫定為聚類條數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算TSV的變化率，最終將軌跡數(shù)小，變化率小的數(shù)作為軌跡聚類數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 平均環(huán)流背景

分析沙漠南緣5次暴雨過程的平均場(對5次暴雨過程前一日4次要素場進(jìn)行平均)可知，100 hPa 南亞高壓呈帶狀或單體型較多(4例)，高壓主體位于20°N以南，不同于南疆西部和天山兩側(cè)暴雨(張家寶和鄧子風(fēng)，1987)；200 hPa高空西南急流位于南疆盆地(圖2a)。500 hPa為兩脊兩槽的經(jīng)

圖2 沙漠南緣5次暴雨過程平均環(huán)流場 (a)100 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)和200 hPa高空急流 (填色)，(b)500 hPa高度場(黑色實(shí)線，單位：dagpm)、 風(fēng)場(風(fēng)羽,單位：m·s-1)、溫度場(紅色虛線，單位：℃)， (c)700 hPa高度場(實(shí)線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)羽,單位： m·s-1)、溫度場(紅色虛線，單位：℃)、水汽通量散度 (填色，單位：10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1) (淺灰色為大于3 000 m地形)Fig.2 Average circulation field of 5 rainstorm processes in the southern margin of the desert (a) 100 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) and 200 hPa upper-level jet stream (colored), (b) 500 hPa geopotential height (black solid line, unit: dagpm), wind field (barb, unit: m·s-1), temperature field (red dashed line, unit: ℃), (c) 700 hPa geopotential height (black solid line, unit: dagpm), wind field (barb, unit: m·s-1), temperature field (red dashed line, unit: ℃), and water rapor flux divergence (colored, unit: 10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1) (light gray shaded for above 3 000 m terrain)

向環(huán)流，西歐和西伯利亞至中亞的高、中、低緯度為低壓活動(dòng)區(qū)，槽底南伸至30°N附近，槽前西南氣流分裂短波槽東移北上，是造成沙漠南緣暴雨的主要影響系統(tǒng)。伊朗副熱帶高壓與里海、咸海高脊同位相疊加，環(huán)流經(jīng)向度加大，東亞為高壓脊區(qū)(圖2b)。700 hPa新疆為脊前偏北氣流，偏北氣流與高原大地形垂直，在沙漠南緣形成明顯的輻合(圖2c)，有利于水汽輻合抬升，為暴雨的產(chǎn)生提供充足的水汽和動(dòng)力條件。

3.2 歐拉方法的水汽輸送和收支

3.2.1 水汽源地及輸送

圖3是沙漠南緣5個(gè)暴雨過程從地面到300 hPa積分的平均水汽通量分布。由此可見，暴雨前期(暴雨發(fā)生前48 h，每日4次的平均)、初期(暴雨發(fā)生時(shí)，最近時(shí)次的平均)、期間(暴雨期間每日4次的平均)輸送至暴雨區(qū)的水汽均較少。來自挪威海的水汽北上至北歐北部，然后東南下，沿途得到黑海、里海的水汽補(bǔ)充，三支水汽在東歐匯合，強(qiáng)度增強(qiáng)，在西西伯利亞部分水汽南下，經(jīng)巴爾喀什湖和咸海，強(qiáng)度略有增強(qiáng)；在中亞中緯度分為兩支，一支在阿富汗東北部沿槽底偏西氣流，翻越帕米爾高原大地形，只有很少的水汽輸送至暴雨區(qū)(圖3a)。另一支繼續(xù)南下至伊朗東南部得到阿拉伯海北上水汽補(bǔ)充，再沿槽前西南氣流從巴基斯坦北部，翻越昆侖山大地形損失很多，少量的水汽輸送至暴雨區(qū)(圖3b)。另外一支是從阿拉伯海—印度半島—孟加拉灣，沿青藏高原東部北上至河西走廊—哈密(簡稱東路)，東灌進(jìn)入南疆盆地，部分水汽從西北、偏北、東北路徑輸入暴雨區(qū)(圖3c)。總之，來自北歐、黑海及中亞的水汽，由于沿途地形復(fù)雜,損失很多，只有很少的一部分水汽到達(dá)暴雨區(qū)，相對而言，阿拉伯海、孟加拉灣的東路水汽在環(huán)流合適的條件下，對沙漠南緣暴雨貢獻(xiàn)較大?？梢?，該結(jié)論無法定量說明各路徑水汽對暴雨的貢獻(xiàn)大小。

3.2.2 水汽收支

計(jì)算沙漠南緣暴雨區(qū)(圖1方框)5個(gè)暴雨過程期間逐6 h各邊界的水汽輸入(西邊界和南邊界正值、東邊界和北邊界負(fù)值為輸入)和輸出量(西邊界和南邊界負(fù)值、東邊界和北邊界正值為輸出)，地面～700 hPa(對流層低層，簡稱低層)、700～500 hPa(對流層中層，簡稱中層)、500～300 hPa(對流層高層，簡稱高層)，分析暴雨區(qū)水汽輸送和收支特征。由表1可知，總體上，暴雨期間對流層低層西、北、東邊界均為水汽輸入，其中，東邊界最大，西邊界最?。荒线吔鐭o水汽輸入，主要是南邊界昆侖山海拔多在3 000 m以上,阻滯了水汽北上，西邊界海拔高度相對較低。中層西、東邊界為輸入，后者較多；其他邊界為輸出。高層西、南邊界為輸入(可能是影響系統(tǒng)自帶的水汽)；其他邊界為輸出?？梢?，沙漠南緣暴雨整層水汽西邊界輸入最多(3.85×108t)，北邊界最少(0.43×108t)。與上節(jié)的結(jié)論一致，但無法區(qū)分各水汽源地對暴雨的貢獻(xiàn)大小。在不同的暴雨個(gè)例中各邊界水汽收支存在一些差異，尤其是第1例(表1)。分析表明，該次過程只有于田站達(dá)暴雨，且100 hPa南亞高壓為雙體型(圖略)與該區(qū)域100 hPa 平均場(圖2a)明顯不同，而南亞高壓在新疆暴雨中具有重要的作用(張家寶和鄧子風(fēng)，1987)。

圖3 沙漠南緣暴雨過程地面至300 hPa積分 的平均水汽通量(矢量，填色，單位：kg·m-1·s-1) (a)暴雨前期，(b)暴雨初期，(c)暴雨期間Fig.3 Average water vapor flux from surface to 300 hPa integral during rainstorm in the southern margin of desert (vector, colored, unit： kg·m-1·s-1) (a) early stage of the rainstorm， (b) beginning of the rainstorm， (c) during the rainstorm

表1 沙漠南緣5次暴雨期間暴雨區(qū)水汽收支情況(單位：108 t)Table 1 Water vapor budget (unit: 108 t) in the rainstorm area during 5 rainstorm processes in the southern margin of desert

3.3 HYSPLIT模式水汽軌跡分析

3.3.1 500 hPa水汽特征

用HYSPLIT模式模擬沙漠南緣5次暴雨個(gè)例，追蹤其500 hPa高度7 d的后向水汽軌跡，對每次暴雨的軌跡聚類后水汽軌跡為4～6條，共24條(圖4)。其中20條軌跡經(jīng)IPA關(guān)鍵區(qū)(即水汽自源地出發(fā)主要經(jīng)巴基斯坦北部、印度西北部、阿富汗東北部，簡稱IPA關(guān)鍵區(qū))(圖4f)，翻越昆侖山(或帕米爾高原)從偏西(西南、西北)路徑(18條)進(jìn)入沙漠南緣暴雨區(qū)。有4條軌跡自源地經(jīng)北疆，翻越天山后進(jìn)入南疆盆地(簡稱南疆關(guān)鍵區(qū)；圖4f)，主要從東北(1條)、偏西(3條)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(圖4b、4d)。

圖5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，即圖5中C1、C2、C3、C4、C5、C6分別對應(yīng)圖4中水汽軌跡1、2、3、4、5、6的比濕。另外，統(tǒng)計(jì)分析圖4a～4e沙漠南緣5例暴雨500 hPa水汽軌跡的空間分布和高度變化，以及水汽軌跡的比濕變化(圖5)，其結(jié)果見表2。

3.3.1.1 IPA關(guān)鍵區(qū)500 hPa對暴雨的貢獻(xiàn)

由圖4a～4e可知，沙漠南緣暴雨的水汽源地主要來自西南亞(亞洲西南部8個(gè)國家及其海域，包括紅海和非洲東海岸的索馬里及其沿岸)共12條軌跡，稱水汽源地Ⅰ(簡稱源地Ⅰ)；地中海和黑海及其附近3條(簡稱源地Ⅱ)、大西洋及其沿岸2條(簡稱源地Ⅲ)、中亞(2條)和中歐(1條)共8條軌跡稱其他源地，簡稱其他。從表2可知，源地Ⅰ對沙漠南緣暴雨的貢獻(xiàn)是4%～50%，平均為19%；水汽從2～3 478 m的高度(平均為768 m)向500 hPa暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為2.15～18.70 g·kg-1，平均為11.08 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)的比濕為1.10～4.43 g·kg-1，平均為2.69 g·kg-1；水汽從源地Ⅰ到達(dá)暴雨區(qū)的過程中減少了8.39 g·kg-1，損失達(dá)76%。其他源地的水汽對暴雨的貢獻(xiàn)是4%～39%，平均為23%；水汽在源地的比濕為0.25～4.36 g·kg-1，平均為1.68 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)的比濕為0.55～3.30 g·kg-1，平均為1.60 g·kg-1；水汽從源地到達(dá)暴雨區(qū)的過程中減少了0.08 g·kg-1，損失較小(5%)。

表2 沙漠南緣暖季暴雨500 hPa高度水汽源地及其對暴雨的貢獻(xiàn)Table 2 Water vapor source at 500 hPa height and its contribution to rainstorm in the warm season in the southern margin of desert

圖4 沙漠南緣5次暴雨過程 (a)2001年7月30日,(b)2010年6月6日,(c)2016年9月3日,(d)2019年6月27日, (e)2020年5月7日的500 hPa水汽軌跡的空間分布及高度變化和(f)水汽主要關(guān)鍵區(qū) (數(shù)字1，2，3，4，5，6表示水汽的軌跡序數(shù)，括號(hào)中的百分率是水汽源地對暴雨的貢獻(xiàn)率)Fig.4 Spatial distribution and height variation of 500 hPa water vapor transport channels in the southern margin of deseat during five rainstorm processes respectively (a) 30 July 2001, (b) 6 June 2010, (c) 3 September 2016, (d) 27 June 2019 and (e) 7 May 2020， as well as (f) water vapor main key area (Numbers 1, 2, 3, 4, 5, 6 indicate the ordinal number of water vapor tracks, and the percentages in brackets represent the contribution rate of water vapor source to rainstorm)

圖5 同圖4a～4e，但為500 hPa水汽軌跡的比濕變化 (圖中C1,C2,…,C6對應(yīng)圖4中1,2,…,6軌跡的比濕)Fig.5 Same as Figs.4a-4e, but for variation of the specific humidity of water vapor track at 500 hPa (C1, C2， …， C6 correspond to the specific humidity of trajectory 1, 2, …, 6 inFig.4)

3.3.1.2 南疆關(guān)鍵區(qū)500 hPa對暴雨的貢獻(xiàn)

如表2所示，水汽來自中亞(3條)和北疆(1條)共4條軌跡，對暴雨的貢獻(xiàn)是18%～29%，平均為22%。水汽從5～128 m的近地層(平均為41 m)向500 hPa的暴雨區(qū)輸送。水汽在源地的比濕為5.24～7.51 g·kg-1，平均為6.52 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.58～3.54 g·kg-1，平均為2.84 g·kg-1；水汽從源地到達(dá)暴雨區(qū)的過程減少了3.68 g·kg-1，損失較多，達(dá)56%。

500 hPa上影響沙漠南緣暴雨的水汽自源地主要經(jīng)IPA和南疆關(guān)鍵區(qū)，后者對暴雨的貢獻(xiàn)較大，損失較小。來自源地Ⅰ的水汽，由于沿途地形復(fù)雜損失很大，對暴雨的貢獻(xiàn)較小，其他源地水汽損失較小。分析圖4a～4e可知，影響沙漠南緣的源地Ⅰ(91.7%)、中亞(80.0%)及北疆的水汽主要從≤2 000 m 的高度向500 hPa暴雨區(qū)上空輸送，來自地中海附近、大西洋及其沿岸、中歐的水汽主要從>2 000 m 的高度向500 hPa暴雨區(qū)上空輸送。

3.3.2 700 hPa水汽特征

用HYSPLIT模式模擬沙漠南緣5個(gè)暴雨過程，追蹤其700 hPa 7 d的后向水汽軌跡，對每次暴雨的軌跡聚類后得出水汽軌跡為2～5條，共16條(圖6)。其中9條軌跡自源地出發(fā)經(jīng)北疆，翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)(圖4f)，在環(huán)流合適的條件下，主要從偏北(東北)路徑(8條)、西南(偏西)(1條)路徑接力輸送至暴雨區(qū)。7條軌跡自源地出發(fā)，經(jīng)IPA關(guān)鍵區(qū)(圖4f)翻越昆侖山或西天山，從西南(偏西)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(圖6)。

圖7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)分析圖6沙漠南緣5例暴雨700 hPa水汽軌跡的空間分布和高度變化以及水汽軌跡的比濕變化(圖7)，其結(jié)果見表3。

圖6 同圖4a～4e， 但為700 hPaFig.6 Same as Figs.4a-4e, but at 700 hPa

下文分析700 hPa上，IPA關(guān)鍵區(qū)和南疆關(guān)鍵區(qū)對暴雨的貢獻(xiàn)。

3.3.2.1 IPA關(guān)鍵區(qū)700 hPa對暴雨的貢獻(xiàn)

如表3所示，IPA關(guān)鍵區(qū)，水汽源地Ⅰ(4條)、中亞(1條)和源地Ⅱ(2條)共7條軌跡(圖6a、6b、6c、6e)，對暴雨的貢獻(xiàn)是7%～93%，平均為30%。水汽從0～7 136 m 的高度(平均為3 106 m)向700 hPa 的暴雨區(qū)輸送。水汽在源地的比濕為0.15～17.33 g·kg-1，平均為5.73 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.85～6.47 g·kg-1，平均為3.81 g·kg-1。水汽從源地到達(dá)暴雨區(qū)的過程損失較多(34%)。

3.3.2.2 南疆關(guān)鍵區(qū)700 hPa對暴雨的貢獻(xiàn)

由表3可知，水汽源地主要來自北疆—塔額盆地(5條)，對暴雨的貢獻(xiàn)是18%～39%，平均為26%。水汽從3～135 m的近地層(平均為75 m)向700 hPa的暴雨區(qū)輸送(圖6a、6c、6d)。水汽在源地的比濕為6.18～9.20 g·kg-1，平均為7.15 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為5.56～7.98 g·kg-1，平均為6.35 g·kg-1。水汽從源地到達(dá)暴雨區(qū)的過程減少了0.80 g·kg-1，損失較少(11%)。

圖7 同圖5，但為700 hPaFig.7 Same as Fig.5, but at 700 hPa

表3 同表2，但為700 hPaTable 3 Same as Table 2, but for 700 hPa height

水汽源自中亞(2條)、南疆盆地(2條)(稱其他源地Ⅰ，簡稱其他Ⅰ)共4條軌跡，經(jīng)南疆關(guān)鍵區(qū)，主要從偏北(東北)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(圖6b、6c、6d)。對暴雨的貢獻(xiàn)是25%～79%，平均為46%。水汽從9～82 m的近地層(平均為52 m)向700 hPa的暴雨區(qū)輸送。水汽在源地的比濕為5.53～8.48 g·kg-1，平均為7.06 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.75～7.75 g·kg-1，平均為5.39 g·kg-1。水汽從源地到達(dá)暴雨區(qū)的過程中損失較多,達(dá)24%(表3)。

700 hPa上影響沙漠南緣暴雨的水汽自源地出發(fā)主要經(jīng)南疆和IPA關(guān)鍵區(qū)，前者貢獻(xiàn)較大。經(jīng)IPA關(guān)鍵區(qū)的水汽自源地到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后由于翻越昆侖山脈，因此沿途損失較大。水汽主要源地是北疆，對暴雨的貢獻(xiàn)最大，沿途損失較小。分析圖6可知，來自北疆和南疆盆地的水汽主要從近地層向700 hPa的暴雨區(qū)輸送；地中海和黑海附近的水汽主要從≥2 000 m 的高度向暴雨區(qū)輸送；來自中亞和西南亞的水汽50%從近地層向700 hPa，另50%從≥2 000 m的高度向暴雨區(qū)輸送。

在研究時(shí)段內(nèi)沙漠南緣發(fā)生暴雨過程，只有1例暴雨落區(qū)位于850 hPa高度以下，后向追蹤得5條水汽軌跡，個(gè)例較少本文未做統(tǒng)計(jì)。

3.4 沙漠南緣暴雨過程水汽三維結(jié)構(gòu)

通過上述研究概括出沙漠南緣暴雨過程水汽三維結(jié)構(gòu)模型(圖8)。該模型清晰地反映了沙漠南緣暴雨過程水汽的結(jié)構(gòu)：500 hPa來自西南亞及大西洋和地中海及其附近等隨西風(fēng)氣流東移的水汽匯聚在IPA關(guān)鍵區(qū)，在環(huán)流合適的情況下翻越昆侖山(或帕米爾高原)大地形，主要從西南(偏西)路徑輸送至沙漠南緣暴雨區(qū)上空(86.2%)；來自巴爾喀什湖及阿勒泰西南部的水汽經(jīng)北疆，翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，在環(huán)流合適的條件下，從偏北路徑接力輸送至沙漠南緣暴雨區(qū)上空，該部分相對較少(16.7%)。700 hPa來自北疆、中亞、地中海和黑海附近的水汽自源地出發(fā)經(jīng)北疆，翻越天山進(jìn)入南疆盆地，以及盆地自身的水汽，在環(huán)流合適時(shí)從偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(56.3%)；來自西南亞、中亞等地的水汽自源地出發(fā)到達(dá)IPA關(guān)鍵區(qū)，再翻越昆侖山(或帕米爾高原)從西南路徑輸入暴雨區(qū)(43.8%)，可見700 hPa經(jīng)南疆盆地、IPA關(guān)鍵區(qū)的水汽均不容忽視。楊蓮梅等(2011)研究指出，新疆境內(nèi)的暴雨所需水汽主要在500 hPa以下，水汽自源地至巴爾喀什湖和四川盆地(關(guān)鍵區(qū))聚集，在環(huán)流合適條件下，接力輸送至暴雨區(qū)；而沙漠南緣暴雨過程在對流層中低層，水汽自源地出發(fā)經(jīng)IPA和南疆關(guān)鍵區(qū)，在環(huán)流合適時(shí)，再接力輸送至暴雨區(qū)，且2個(gè)關(guān)鍵區(qū)在中層(500 hPa)和低層(700 hPa)對暴雨的貢獻(xiàn)明顯不同(圖8)。由此可見，沙漠南緣暴雨過程水汽輸送與已有研究成果存在明顯的差異(楊蓮梅等，2011；牟歡等，2021)，這與該區(qū)域下墊面特殊的地形及地理位置有密切關(guān)系。

圖8 塔克拉瑪干沙漠南緣暴雨過程 水汽三維精細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.8 Three-dimensional refined structure of water vapor during rainstorm processes in the southern margin of the Taklimakan Desert

4 結(jié)論與討論

本文首先對沙漠南緣暴雨的環(huán)流背景進(jìn)行了分析，然后運(yùn)用歐拉方法分析了沙漠南緣暴雨天氣的水汽，再運(yùn)用HYSPLIT模式方法模擬計(jì)算分析了該區(qū)暴雨天氣的水汽來源及輸送特征。主要結(jié)論如下：

(1)沙漠南緣暴雨主要發(fā)生在100 hPa南亞高壓單體型，200 hPa高空西南急流輻散區(qū)；500 hPa西伯利亞至中亞的高、中、低緯度為低壓活動(dòng)區(qū)，南疆處于槽前西南氣流控制；700 hPa為脊前偏北氣流的高低空配置，為“后傾槽”結(jié)構(gòu)。歐拉方法分析表明，來自北歐、黑海及中亞的水汽，沿途由于地形復(fù)雜損失很多，只有很少的一部分水汽到達(dá)暴雨區(qū)；而阿拉伯海、孟加拉灣的東路水汽在環(huán)流合適的條件下，對沙漠南緣暴雨貢獻(xiàn)較大。水汽東邊界輸入最多，其次為西邊界，再次是北邊界，南邊界最少。該結(jié)論無法定量說明水汽源地及其路徑對暴雨的貢獻(xiàn)大小。

(2)HYSPLIT模式方法分析表明：影響沙漠南緣暴雨天氣的水汽源地主要是西南亞、中亞、北疆，其他源地的較少；水汽自源地出發(fā)經(jīng)IPA和南疆關(guān)鍵區(qū)，在環(huán)流合適的條件下，分別從西南和偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。南疆關(guān)鍵區(qū)對暴雨的貢獻(xiàn)較大；500 hPa 南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽損失較小，700 hPa兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的貢獻(xiàn)基本一致。500 hPa源自西南亞的水汽對暴雨的貢獻(xiàn)較大，由于沿途地形復(fù)雜損失很大；700 hPa 水汽主要源地是北疆，對暴雨的貢獻(xiàn)最大，沿途損失較小。來自北疆和南疆盆地的水汽主要從近地層向700 hPa的暴雨區(qū)輸送；來自西南亞、地中海和黑海及其附近、大西洋及其沿岸等地的水汽主要向700 hPa以上的高度輸送。

(3)建立了沙漠南緣暴雨過程水汽的三維結(jié)構(gòu)模型：沙漠南緣暴雨過程在對流層中低層，水汽自源地出發(fā)經(jīng)IPA和南疆關(guān)鍵區(qū)，再接力輸送至暴雨區(qū)，且兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)在中層(500 hPa)和低層(700 hPa)對暴雨的貢獻(xiàn)明顯不同。500 hPa水汽自源地出發(fā)，主要隨西風(fēng)氣流東移至IPA關(guān)鍵區(qū)，在環(huán)流合適的情況下翻越昆侖山大地形，從西南(偏西)路徑輸入暴雨區(qū)(86.2%)，少部分(16.7%)水汽自源地出發(fā)翻越天山經(jīng)南疆關(guān)鍵區(qū)，從偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。700 hPa水汽輸送相對較復(fù)雜，56.3%的水汽自源地出發(fā)，進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，在環(huán)流合適時(shí)從偏北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)；43.8%的水汽自源地出發(fā)到達(dá)IPA關(guān)鍵區(qū)，再翻越昆侖山從西南路徑到達(dá)暴雨區(qū)。即中層IPA關(guān)鍵區(qū)占主導(dǎo)地位，低層兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的作用均不容忽視，這與以往的研究成果不同(楊蓮梅等，2011；牟歡等，2021)。

由于塔克拉瑪干沙漠南緣暴雨天氣為小概率事件，近20年只發(fā)生了5次。本文主要對5次過程的暴雨中心追蹤7 d的后向水汽軌跡進(jìn)行了討論，后期有待于更多的暴雨個(gè)例進(jìn)行驗(yàn)證。另外，由于沙漠南緣地形復(fù)雜，偏北氣流有利于地形的輻合抬升，但水汽是如何迅速輻合集中的有待在今后的工作中探討。