姜曉飛，熊秋芬，周雅蔓，吐莉尼沙

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

引言

新疆地處中亞地區(qū)，遠離海洋，其降水的水汽來源一直廣受學(xué)者的關(guān)注。從氣候平均講，新疆水汽主要來自地中海、里海、黑海、大西洋和北冰洋[1-2]。由暴雨個例分析來看，水汽主源地主要分布在阿拉伯海、孟加拉灣和波斯灣[3-6]；來自河西走廊、貝加爾湖等地的低空偏東氣流也為暴雨提供了較好的水汽輸送條件[5,7]。而對暴雪個例的研究得到水汽源地主要分布在地中海、紅?；虿ㄋ篂掣浇鼉蓚€海域[7-9]；但暴雪期間河西走廊—新疆低空偏東氣流比暴雨期間更強[10-11]。由此可見不同的降水天氣過程，水汽的來源并不完全相同，反映了新疆水汽來源的復(fù)雜性[7]。

在上述關(guān)于降水過程水汽問題的研究中，主要是基于歐拉觀點，即在某一時刻、固定的空間上觀測流體的運動，如計算某一時刻和一定的范圍內(nèi)的比濕、水汽通量及其散度等[4-12]。然而大氣運動具有瞬時變化特征，因此近年來許多學(xué)者基于拉格朗日的觀點，結(jié)合HYSPLIT模式[13-19]來追蹤降水過程中水汽的來源及輸送特征。有些學(xué)者[20-21]用該模式對夏季新疆暴雨過程中的水汽進行了追蹤，結(jié)果表明中亞地區(qū)是水汽輸送通道的關(guān)鍵區(qū)域，水汽主要來自阿拉伯海以北、波羅的海、鄂霍次克海等地區(qū)。但目前少有文獻用HYSPLIT模式討論新疆冬季和春季強降水中水汽來源及輸送路徑等問題，鑒于該模式能追蹤不同高度氣塊軌跡和定量統(tǒng)計水汽等優(yōu)點，本文將HYSPLIT模式引入2次由鋒面氣旋引發(fā)的新疆強降水過程水汽的研究中。

本文利用常規(guī)地面觀測資料，按照新疆當(dāng)?shù)亟涤旰徒笛┻^程標(biāo)準(zhǔn)[22-24]，選取了新疆2015年2月12—14日北疆暴雪過程、2015年5月17—21日南疆暴雨過程，先分析了2次強降水過程的環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)，再基于HYSPLIT模式模擬了2次過程中大降水中心(分別為塔城和和碩)上空不同高度氣塊的后向軌跡，給出了氣塊運動過程中物理屬性(高度、氣壓、比濕、相對濕度等)，以揭示新疆強降水過程中不同高度氣塊的移動路徑及高低空垂直配置，定量分析氣塊中水汽變化特征，討論新疆冬季和春季強降水過程的水汽來源的異同等，以期提高對冬季和春季強降水天氣的認識和預(yù)報能力，為“絲綢之路”精細化的預(yù)報服務(wù)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料有常規(guī)高空、地面觀測資料和6 h一次的NCEP 1°×1°再分析場資料。

1.2 軌跡模擬方案

借鑒美國NOAA開發(fā)的氣流軌跡模式HYSPLIT[13]模擬分析氣流路徑的思路，假設(shè)空氣中的粒子隨風(fēng)飄動(以下簡稱氣塊)，那么它的移動軌跡就是其在時間和空間上位置矢量的積分。最終的位置由初始位置(P)和第一猜測位置(P′)的平均速率(V)計算得到氣塊的第一猜測位置：

P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt

(1)

氣塊的最終位置：

P(t+Δt)=P(t)+0.5×[V(P,t)+V(P′,t+Δt)]Δt

(2)

式(1)和式(2)中，Δt(單位：h)為時間步長，本文Δt選取為1 h，V(單位：m·s-1)代表平均速率。

由于HYSPLIT模式采用的是地形追隨坐標(biāo)，因此輸入的氣象數(shù)據(jù)在垂直方向上需要內(nèi)插到地形追隨坐標(biāo)系統(tǒng)，而在水平方向則保持其原來格式。

(3)

式(3)中，Ztop(單位：m)為軌跡模式坐標(biāo)系統(tǒng)的頂部，Zgl(單位：m)為地形高度，Zmst(單位：m)為坐標(biāo)下邊界高度。地形追隨坐標(biāo)適合討論新疆及其附近地區(qū)復(fù)雜的下墊面情況，本文模擬的氣塊高度均是相對于地面以上的高度(above ground level，AGL)。模擬過程中輸入HYSPLIT模式的資料均為NCEP每6 h一次的1°×1°再分析場。

考慮到驅(qū)動軌跡模式的NCEP資料時空分辨率較低，為了分析模式分辨率誤差，采用類似于樣本誤差分析的方法，即通過初始點在水平和垂直方向上偏移所模擬出的軌跡進行估計[13]。分別選取上述2次天氣過程中強降水中心塔城站(46.44°N，83.00°E，海拔高度為1 500 m)、和碩站(42.15°N，86.48°E，海拔高度為1 500 m)作為代表，將這2個站點的初始位置分別在緯向(x)、經(jīng)向(y)偏移0.5°，垂直方向(z)偏向0.01σ，初始時間選取為2015年2月13日02:00和2015年5月19日02:00，用HYSPLIT模式分別進行240 h(10 d)的后向軌跡模擬。通過上述偏移后均可得到27條軌跡樣本，分別計算這27條樣本在各個時刻x、y和z的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通過標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值(即變差系數(shù))來評估模式的分辨率誤差。通過計算(圖略)表明2次強降水過程分別在7 d和8 d(168 h和192 h)以內(nèi)變差系數(shù)較小，因此確定對2次強降水過程進行后向168 d和192 d的軌跡模擬。

為了定量考察塔城站、和碩站上空水汽來源與水汽含量大小，以塔城、和碩站點的地理位置為基礎(chǔ)，用HYSPLIT模式分別模擬2015年2月13日02:00塔城站和2015年5月19日02:00和碩站不同層次(1 500、3 000、5 000、7 000和9 000 m)上空氣塊的168 h、192 h后向軌跡，并逐小時輸出一次軌跡點的位置，模擬結(jié)果見第3節(jié)。

2 過程概況

2.1 降水實況

2.1.1 2015年2月12—14日降雪實況

2015年2月12日14:00—14日14:00(北京時，下同)，北疆大部、天山山區(qū)和南疆西部山區(qū)，以及哈密的局部地區(qū)出現(xiàn)小雪。其中伊犁河谷、塔城、阿勒泰、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)等地中到大雪；塔城、北疆沿天山一帶等出現(xiàn)了暴雪(圖1a)，積雪深度超過20 cm(圖略)；而塔城12日14:00—13日14:00出現(xiàn)了持續(xù)性降雪，降雪量達16 mm，積雪深度為21 cm。

圖1 2015年2月12日14：00—14日14：00(a)和2015年5月17日08：00—21日05：00(b)降水量(單位：mm;分別為塔城、和碩站)分布圖

2.1.2 2015年5月17—21日降雨實況

2015年5月17日08:00—21日05:00，北疆各地、天山山區(qū)、阿克蘇、哈密和南疆西部、吐鄯托盆地、巴州等地的部分地區(qū)出現(xiàn)小到中雨，其中伊犁河谷、博州、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)、巴州北部等地的部分地區(qū)，以及塔城、哈密、阿克蘇、克州等地的局部出現(xiàn)大到暴雨(圖1b)；而位于南疆盆地北部的和碩站19日02:00—19日20:00產(chǎn)生了持續(xù)性強降雨，累計雨量為28 mm。

2.2 降水過程的環(huán)流形勢及主要影響系統(tǒng)

2.2.1 2015年2月12—14日強降雪過程

2015年2月12日08:00(圖略)，500 hPa巴爾喀什湖西部有低槽，槽前中低層有切變線。700 hPa和850 hPa分別有偏南急流和偏東暖濕氣流向北疆輸送水汽。地面冷鋒在巴爾喀什湖東部但未進入新疆。至12日下午位于冷鋒前暖區(qū)的北疆西部已有降雪發(fā)生(圖略)。13日08:00(圖2a)，500 hPa冷槽繼續(xù)加深東移。850 hPa上有低渦在北疆生成，低渦東側(cè)偏東風(fēng)維持，濕度增大。地面圖上北疆有氣旋生成，同時氣旋及冷、暖鋒附近的降雪加強。13日20:00(圖略)，500 hPa冷槽移到新疆中部，對應(yīng)850 hPa低渦快速移到新疆東部，地面氣旋已移過北疆，與其相伴的冷鋒已翻過天山，降雪區(qū)向東、向南擴展。過程期間，新疆大部分地區(qū)處于300 hPa偏南極鋒急流入口區(qū)右側(cè)的輻散區(qū)中(圖2a)，有利于低層輻合上升運動和降雪的加強。塔城站先是冷鋒前暖區(qū)降雪，后轉(zhuǎn)為氣旋及冷鋒降雪，因此降雪持續(xù)時間長。

圖2 2015年2月13日08:00(a)和 2015年5月18日20:00(b)500 hPa高度場(黑色實線，單位：dagpm)高、低空系統(tǒng)綜合配置圖(紫色箭頭為高空急流軸，棕色實線為500 hPa槽，紅色“D”為850 hPa低壓中心，“J”為高空急流中心，黑色“D”為地面氣旋，藍色粗實線和紅色粗實線為與其相伴的冷鋒和暖鋒)

2.2.2 2015年5月17—21日強降雨過程

18日08:00(圖略)，500 hPa從西西伯利亞地區(qū)低渦中分裂的短波槽已到達北疆。原位于巴爾喀什湖南部—伊朗的冷槽越過帕米爾高原已移到南疆西部—青藏高原西部，冷槽前中低層南疆盆地有低渦、切變線存在，850 hPa上有偏東暖濕氣流輸送水汽。南疆地面有氣旋生成并伴有降水。18日20:00(圖2b)，500 hPa北疆的槽加深東移，而南疆的冷槽也移到了南疆中部—高原中部，對應(yīng)中低層地區(qū)低渦及地面氣旋同時東移。19日20:00以后500 hPa冷槽在新疆東部發(fā)展成低渦，850 hPa低渦和地面氣旋已移過新疆，降水逐漸減弱(圖略)。過程期間，新疆大部分地區(qū)處于250 hPa西南極鋒急流入口區(qū)的右側(cè)輻散區(qū)中(圖2b)，有利于低層輻合上升運動和強降雨的產(chǎn)生。和碩站一直在氣旋東北側(cè)的暖鋒鋒區(qū)中，鋒區(qū)的存在也加強了降雨。

綜上所述，2次強降水過程均發(fā)生在500 hPa低槽東移，850 hPa有低渦，地面有鋒面氣旋的背景下，且伴有高空輻散，加強了低層輻合和降水。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 2015年2月13日02時塔城站上空氣塊軌跡及水汽演變特征

圖3a為塔城站上空不同層次氣塊168 h后向軌跡，圖中紅色軌跡代表6日02:00來自西亞4 000 m(圖3b)的干氣塊，比濕僅為1.1 g·kg-1，相對濕度為55.3 %(圖4)。氣塊在北上過程中先上升后下沉，其間比濕在0.5～3 g·kg-1之間波動，相對濕度起伏較大。12日20：00氣塊下沉到近地層時從下墊面獲得水汽，比濕達到4 g·kg-1，相對濕度在90%以上，13日02:00到達塔城1 500 m 上空時比濕減小到3.2 g·kg-1，相對濕度為96.5%，表明有水汽的凝結(jié)發(fā)生。

圖3 2015年2月13日02:00塔城站(★)不同高度氣塊的168 h后向軌跡(a)及每條軌跡氣塊所在高度(b；單位：m)

圖4 2015年2月13日02:00塔城站不同高度氣塊的168 h比濕(a；單位：g·kg-1)和相對濕度(b；單位：%)演變特征

藍色軌跡表明6日02:00來自中亞西南部地區(qū)(圖3a)1 000 m上空的濕氣塊(圖3b)，比濕為4.1 g·kg-1，相對濕度為96.2%(圖4)。氣塊在中亞地區(qū)回旋，先上升到2 000 m，比濕和相對濕度均呈下降趨勢，后下沉到近地層，比濕和相對濕度波動較大，11日08:00以后氣塊開始在近地層?xùn)|移，比濕和相對濕度分別增加到6 g·kg-1和90%以上。13日02:00到達塔城3 000 m上空時比濕減小到1.8 g·kg-1，相對濕度為97.1%。

綠色軌跡表示6日02:00源自非洲北部的對流層中層干氣塊(圖3a)，水汽含量極低(圖4)，氣塊在向東北方向移動到地中海后轉(zhuǎn)向西移，并伴有上升運動(圖3b)。7日20:00到達歐洲西南部后又轉(zhuǎn)向下沉東移到非洲北部，其間比濕略有增加，而相對濕度達90%以上。氣塊繼續(xù)緩慢東移經(jīng)過非洲大陸時先下沉后上升，其間比濕變化不大，但相對濕度起伏較大，13日02:00到達塔城5 000 m上空時比濕減小到0.7 g·kg-1，相對濕度為99.2%。

天藍色軌跡代表6日02:00來自地中海西部(圖3a)3 000 m上空的氣塊(圖3b)，比濕為1.8 g· kg-1，相對濕度為99.6%(圖4)。氣塊先下沉東移到地中海東部的近地層(圖3b)，比濕增加到6 g·kg-1，相對濕度先下降后上升。7日20:00以后向東南移到阿拉伯半島，其間比濕和相對濕度變化較大。10日08:00開始從阿拉伯半島上升并向東北方向移動，比濕逐漸減小，相對濕度達100%，表明有水汽的凝結(jié)發(fā)生。氣塊于13日02:00上升到塔城7 000 m上空，比濕繼續(xù)下降到0.2 g·kg-1，相對濕度達99.9%。

紫色軌跡代表6日02:00來自阿拉伯海近海面的濕氣塊(圖3a)，具有較高的水汽含量(10.9 g·kg-1)和57.9%的相對濕度(圖略)。氣塊先在近海面停留，比濕和相對濕度變化不大。8日08:00氣塊在近地層向西北方向移動，11日08:00到達西亞，比濕逐漸減小，相對濕度略有增加。此后氣塊轉(zhuǎn)向東北移動并快速上升(圖3b)，伴有水汽的凝結(jié)發(fā)生，比濕下降。氣塊于13日02:00達到塔城9 000 m上空時比濕減小到幾乎為0，相對濕度為84%。

由以上分析可知，塔城站上空氣塊的軌跡比較分散，分別有來自西亞和阿拉伯海北上的氣塊，源自中亞西南部、非洲北部及地中海東移的氣塊。而終點達到塔城上空1 500 m和3 000 m的氣塊移速相對較慢。由每條軌跡中比濕的演變特征可以得到源自西亞的干氣塊下沉到近地面時從下墊面獲得水汽，對強降雪的貢獻大。中亞南部地區(qū)近地層的濕氣塊，水汽含量高且一直在近地層移動，對強降雪的貢獻也大。源自非洲北部的對流層中層干氣塊對強降雪的貢獻小。而來自地中海西部的氣塊，在下沉東移經(jīng)過地中海后水汽含量增加，但到達塔城站上空之前由于水汽凝結(jié)而變干，對強降雪的貢獻小。同樣源自阿拉伯海近海面的濕氣塊到達塔城站上空之前由于水汽凝結(jié)而變干，對強降雪的貢獻很小。因此冬季北疆降雪過程中的水汽主要來源于西亞和中亞。

3.2 2015年5月19日02時和碩站上空氣塊軌跡及水汽演變特征

圖5顯示了和碩站上空不同層次氣塊192 h后向軌跡，圖中紅色軌跡(圖5a)代表11日02:00來自中亞哈薩克斯坦南部地區(qū)6 000 m上空的干空氣(圖6)，氣塊逐漸下沉于13日08：00左右到達近地層(圖5b)，氣塊在近地層緩慢東移，下墊面水汽蒸發(fā)使氣塊變濕，比濕和相對濕度先分別增加到10 g·kg-1和60%以上。至16日20:00氣塊又開始上升，17日20:00到達4 000 m上空后下沉，其間比濕緩慢下降而相對濕度呈現(xiàn)上升的趨勢。氣塊于19日02:00下沉到1 500 m上空，比濕為6.1 g·kg-1，相對濕度為92.6%。

圖5 2015年5月19日02:00和碩站(★)不同高度氣塊的192 h后向軌跡(a)及每條軌跡氣塊所在高度(b；單位：m)

藍色軌跡(圖5a)顯示11日02:00來自中亞哈薩克斯坦東部地區(qū)2 000 m氣塊(圖5b)，比濕為1.9 g·kg-1，相對濕度為15.2%(圖6)，氣塊先略有上升然后下沉到近地層，并在哈薩克斯坦東部徘徊，17日20:00比濕和相對濕度分別增加到12 g·kg-1和76%以上。18日20時以后氣塊東移并從近地層開始上升，于19日02:00到達3 000 m上空，比濕降為1.9 g·kg-1，相對濕度接近100%，表明有水汽的凝結(jié)發(fā)生。

綠色軌跡(圖5a)表示11日02:00源自中亞哈薩克斯坦東南部地區(qū)1 500 m上空的氣塊(圖5b)，比濕為5.4 g·kg-1，相對濕度為36.4%(圖6)，氣塊在哈薩克斯坦東南部停留并逐漸下沉，于12日08：00到達近地層，隨后氣塊在近地層緩慢向東移動，其間比濕增加到12 g·kg-1以上，相對濕度在20%～55%之間波動；14日20:00氣塊開始上升，于15日20：00到達2 000 m以上高度時(圖5b)比濕下降而相對濕度上升。此后又開始下沉到近地層，比濕和相對濕度均呈增加的趨勢。18日20:00—19日02:00氣塊繼續(xù)東移并從近地層快速上升到了5 000 m，比濕下降到1.9 g·kg-1，相對濕度也接近100%。

天藍色軌跡(圖5a)代表11日02:00起源于西亞北部地區(qū)近地層氣塊(圖5b)，比濕大(8.8 g·kg-1)、相對濕度為41. 6%(圖6)，氣塊在原地停留時間長，其間比濕表現(xiàn)出明顯的日變化，而相對濕度先升后降。15日夜間氣塊向東北方向移動并從近地層開始上升，于16日白天到達4 000 m左右(圖5b)，比濕下降而相對濕度升高。此后又下沉到近地層，至17日20:00氣塊又開始上升，比濕快速下降而相對濕度在60%上下波動，氣塊于19日02：00到達和碩7 000 m上空，比濕下降到0.6 g·kg-1，相對濕度達100%。

圖6 2015年5月19日02:00和碩站不同高度氣塊的192 h比濕(a；單位：g·kg-1)和相對濕度(b；單位：%)變化特征

紫色軌跡(圖5a)代表11日02:00源自大西洋7 000 m上空的氣塊(圖5b)，其水汽含量少，僅為0.8 g·kg-1，但飽和程度高，相對濕度達100%(圖略)，氣塊在東移過程中下沉(圖5b)，13日08時到達6 000 m以下后又開始上升，其間比濕仍不足1 g·kg-1。14日20:00已上升到9 000 m，比濕繼續(xù)下降而相對濕度先升后降。氣塊于18日08:00再下沉到2 000 m左右，比濕和相對濕度分別上升到2.5 g·kg-1和80%。19日02:00快速上升到和碩9 000 m上空，比濕僅為0.2 g·kg-1，相對濕度為85.2%。

由此可見，和碩站上空的氣塊軌跡有3條來自中亞的哈薩克斯坦，1條來自西亞北部地區(qū)，1條來自大西洋。氣塊均沿偏西路徑到達和碩，但源自中低層中亞和西亞的氣塊移速緩慢，而來自大西洋高層的氣塊移速快。其中來自哈薩克斯坦南部上空的對流層中層干空氣，下沉到近地層時從下墊面獲得水汽，對強降水的貢獻大；源自哈薩克斯坦東部和東南部對流層低層的氣塊，在近地層停留時間長，水汽含量高，對強降水的貢獻也大；而來自西亞北部近地層的氣塊在移向和碩的過程中由濕變干，對強降水的貢獻小；起源于大西洋上空對流層高層的干氣塊對強降水的貢獻極小。因此南疆春季暴雨過程中的水汽主要來自中亞的哈薩克斯坦。

4 結(jié)論與討論

通過對新疆2015年2月12—14日暴雪過程和2015年5月17—21日暴雨過程的水汽來源及其輸送特征進行分析，得到如下結(jié)論：

1)2次強降水過程均發(fā)生在500 hPa低槽東移，850 hPa有低渦，地面有鋒面氣旋的天氣背景下，高空輻散有利于低層輻合和降水的加強。

2)冬季的暴雪過程中，北疆的水汽主要源自西亞，其次是中亞。其中西亞的干氣塊下沉到近地面時從下墊面獲得水汽，對強降雪的貢獻最大；中亞南部地區(qū)近地層的濕氣塊，對強降雪也有較大貢獻。

3)春季暴雨過程中，南疆的水汽主要來自中亞的哈薩克斯坦南部，其次是哈薩克斯坦東部和東南部。其中來自哈薩克斯坦南部上空的干空氣下沉到近地層時從下墊面獲得水汽，對強降雨的貢獻最大；源自哈薩克斯坦東部和東南部對流層低層的濕氣塊，對強降雨的貢獻較大；而來自西亞北部近地層的濕氣塊在移向和碩的過程中已經(jīng)變干，對強降水的貢獻小。

4)2次過程中水汽主要來自陸地而不是海洋，盡管氣塊來自不同的層次和不同的源地，但其在近地層移動或下沉到近地層，下墊面水汽蒸發(fā)使氣塊變濕，是強降水的水汽主要貢獻者。

上述結(jié)論從一定程度反映了南疆與北疆、冬季與春季水汽來源差異，有待于今后用更多的實例進行驗證。塔城和和碩站周圍地形比較復(fù)雜，地形對強降水的增幅的定量計算也值得進一步研究。本文的模擬結(jié)果也證實了中亞地區(qū)是水汽輸送通道的關(guān)鍵區(qū)域[20]，但氣塊的軌跡有所不同。與文獻[1]中夏季強降水的水汽通道相比，新疆冬、春季來自低緯阿拉伯海的水汽通道貢獻很小。不同季節(jié)水汽來源的差異可能與大氣環(huán)流的季節(jié)變化有關(guān)，如冬、春季由西風(fēng)帶環(huán)流主導(dǎo)，而夏季西風(fēng)帶環(huán)流北移，熱帶、副熱帶季風(fēng)向陸地上推進。