盧 姝，許東蓓，嚴(yán)小杰，麥哲寧，丁藝涵

(成都信息工程大學(xué)，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

現(xiàn)階段，暴雨天氣研究及預(yù)報(bào)取得了巨大進(jìn)展但仍然不失為一個(gè)難題。尤其對(duì)于我國(guó)西北地區(qū)，該區(qū)域地形復(fù)雜，由暴雨引發(fā)的災(zāi)害(山洪、滑坡和泥石流等)不容忽視，同時(shí)也對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成巨大影響[1]。甘肅省地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，干旱、半干旱區(qū)占總面積的75%。暴雨主要集中于夏季7、8月份，且發(fā)生頻次遠(yuǎn)小于我國(guó)東部地區(qū)。低層水汽輸入通常受到山脈阻隔，僅在7月達(dá)到峰值[2]。由此可見(jiàn)，水汽環(huán)境以及水汽輸送特征對(duì)于西北地區(qū)暴雨的發(fā)生和維持尤其重要。

針對(duì)暴雨的發(fā)生發(fā)展，一些學(xué)者對(duì)其環(huán)境條件[3]、動(dòng)力機(jī)制[4-6]、水汽特征[7-9]等方面進(jìn)行了剖析，或者應(yīng)用數(shù)值模式[10-12]、雷達(dá)回波分析[13]更加全面診斷了暴雨及其伴隨的中小尺度系統(tǒng)特征[14-16]。其中，王佳津[17]等認(rèn)為氣候尺度統(tǒng)計(jì)方法以及個(gè)例診斷研究均有利于暴雨過(guò)程中水汽問(wèn)題的分析。劉新偉[18]曾指出甘肅區(qū)域性暴雨主要可分為副高西北側(cè)西南氣流型、低渦型和西低東高型。魏娜[2]等通過(guò)計(jì)算1959-2005年氣候平均的水汽通量垂直積分，得出西北地區(qū)東部夏季水汽源地主要為孟加拉灣、南海、西太平洋。劉世祥[19]等利用甘肅各探空站歷年高空資料，計(jì)算得出隴東南7、8月份水汽向北輸送大于向南輸送，即偏南風(fēng)引導(dǎo)水汽從海洋輸送至甘肅河?xùn)|一帶。

近年來(lái)，一些學(xué)者應(yīng)用以拉格朗日法為基本思想而開(kāi)發(fā)的HYSPLIT模式，研究不同地區(qū)的大氣運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水汽源地的追蹤，從而使得水汽輸送特征的研究更加全面。李江萍[20]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)降水量越大時(shí)，不同等壓面上軌跡趨于一致，且水汽通量分布與HYSPLIT軌跡模型給出的水汽來(lái)源也大體重合。陶健紅[21]等通過(guò)對(duì)河西走廊兩次極端降水事件水汽輸送的對(duì)比研究，指出兩次過(guò)程均存在兩路異常水汽輸送，即隨西風(fēng)氣流的西路水汽輸送和繞高原的東路水汽輸送，且東路大于西路。HYSPLIT不僅可用于追蹤氣塊軌跡，也可以利用結(jié)果分析不同通道水汽貢獻(xiàn)率[22]。

目前，西北半干旱區(qū)暴雨天氣分析中較少應(yīng)用拉格朗日方法，大多基于歐拉方法[23-24]。而歐拉流場(chǎng)具有瞬變特征，與氣團(tuán)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡有差異，無(wú)法從時(shí)間維度衡量水汽來(lái)源。本文針對(duì)隴東南地區(qū)2019年7月21-22日所發(fā)生的暴雨過(guò)程，綜合應(yīng)用多種氣象資料，結(jié)合引發(fā)降水的相關(guān)物理機(jī)制、中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變特征等，分析研究盛夏隴東南暴雨過(guò)程的水汽環(huán)境，并追蹤水汽源地，以期為當(dāng)?shù)乇┯觐A(yù)報(bào)預(yù)警提供更多的技術(shù)參考。

1 資料及方法

1.1 資料

本文所用資料有：(1)Micaps系統(tǒng)常規(guī)觀測(cè)資料；(2)中國(guó)氣象局自動(dòng)站與CMORPH降水?dāng)?shù)據(jù)融合的逐時(shí)降水量0.1°網(wǎng)格數(shù)據(jù)集(1.0版)；(3)歐洲氣象中心ERA5再分析資料，時(shí)間分辨率1h，空間分辨率0.25°×0.25°；(4)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心逐小時(shí)FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)資料，時(shí)間分辨率1h，水平分辨率為0.1°×0.1°；(5)主要應(yīng)用于HYSPLIT4的NCEP/NCAR再分析資料，時(shí)間分辨率6 h，空間分辨率0.25°×0.25°。其為NOAA空氣資源實(shí)驗(yàn)室(Air Resources Laboratory)的存檔資料。

1.2 降水區(qū)域邊界水汽收支計(jì)算[25]：

(1)

(2)

東、西、南、北邊界水汽收支：

(3)

區(qū)域邊界總收支：

QT=QW-QE+QS-QN.

(4)

其中，QE、QW、QS、QN各為東、西、南、北邊界水汽輸送總量，I表示1°經(jīng)度長(zhǎng)度，φ為緯度，λ為經(jīng)度。

1.3 HYSPLIT4軌跡模式介紹：

HYSPLIT是一種應(yīng)用拉格朗日方法的混合單粒子軌跡模型，可以用來(lái)分析質(zhì)點(diǎn)軌跡以及模擬氣團(tuán)內(nèi)的擴(kuò)散、沉積過(guò)程。模式假設(shè)氣塊隨風(fēng)場(chǎng)而運(yùn)動(dòng)，氣塊在時(shí)間、空間上位置矢量的積分可以確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。核心公式如下：

P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt.

(5)

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

(6)

其中，P′第一猜測(cè)位置，P為最終位置。對(duì)上一時(shí)刻的平均速度以及第一猜測(cè)位置的速度進(jìn)行平均，之后再乘以時(shí)間步長(zhǎng)，可以得到下一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置。HYSPLIT_4模式采用地形坐標(biāo)，氣象數(shù)據(jù)在輸入模式時(shí)需要內(nèi)插至地形追隨坐標(biāo)系統(tǒng)。詳細(xì)信息可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[26]。

1.4 水汽輸送貢獻(xiàn)率計(jì)算

為分析暴雨過(guò)程大尺度水汽輸送特征，本文采用NOAA空氣資源實(shí)驗(yàn)室所釋放的HYSPLIT4版本對(duì)氣塊運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。軌跡模擬、聚類(lèi)完成后，可將相似軌跡歸類(lèi)為同一通道。定義不同通道水汽輸送貢獻(xiàn)率[22]：

(7)

其中，qlast為軌跡終點(diǎn)比濕值(單位：g·kg-1)，m為某一通道軌跡總數(shù)，n為所有軌跡總數(shù)。

2 地形概況及暴雨實(shí)況

甘肅地處黃土高原、內(nèi)蒙古高原以及青藏高原三大高原交匯地帶，地勢(shì)自西北向東南傾斜。地形總體可分為6區(qū)，也即隴東黃土高原、隴西黃土高原、隴南山地、甘南高原、河西走廊、戈壁沙漠區(qū)。其中隴東黃土高原位于六盤(pán)山以東，包括慶陽(yáng)、平?jīng)龅鹊?，此處地?shì)由西北向東南緩慢下傾。

2019年7月21日08:00至22日08:00，甘肅省河?xùn)|地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性中到大雨天氣，局部地方出現(xiàn)暴雨、大暴雨(圖1(a))。全省共計(jì)1 908個(gè)測(cè)站(947個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn))出現(xiàn)降水，其中大暴雨12站,暴雨80站,大雨244站。21日19時(shí)至22日05時(shí)，慶陽(yáng)市、隴南市等地相繼出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。地面觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示(圖1(b))，21日23時(shí)，慶陽(yáng)市內(nèi)曹家塬、劉家莊站雨強(qiáng)分別達(dá)85.8 mm·h-1、91.0 mm·h-1，較前1 h降水量分別增加了70.9 mm、76.9 mm。此外，慶陽(yáng)市內(nèi)東關(guān)、柳溝小時(shí)降水量均超過(guò)75 mm。隴南境內(nèi)，廟坪、渭子溝林場(chǎng)分別于22日00時(shí)、03時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到當(dāng)日極值。總體而言，本次降水過(guò)程特點(diǎn)是降水發(fā)生時(shí)段集中，雨強(qiáng)大，具有明顯的單峰值特征，隴南地區(qū)強(qiáng)降水稍晚于慶陽(yáng)地區(qū)。

圖1 累積降水量分布與降水量演變(方框區(qū)域?yàn)橄挛难芯克罩x區(qū)域)Fig.1 The distribution of accumulated rainfall and hourly precipitation evolution(The box area is selected for the study of the water vapor budget)

3 環(huán)流背景及云團(tuán)特征

3.1 環(huán)流背景

7月20日20:00暴雨發(fā)生前，200 hPa高空?qǐng)D上(圖2(a))40°N附近出現(xiàn)高空急流。500 hPa(圖2(c))亞歐環(huán)流為兩槽一弱脊型，貝加爾湖西北部為一冷渦控制，我國(guó)東北地區(qū)為一冷槽。低渦南部前側(cè)存在一高空鋒區(qū)，且不斷有小槽攜帶冷空氣分裂南下。副高強(qiáng)盛，588 dagpm西脊點(diǎn)位于105°E附近，甘肅河?xùn)|地區(qū)位于588 dagpm西北部，西南氣流繞副高邊緣流經(jīng)隴東南一帶。

注：藍(lán)色實(shí)線代表位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：dagpm)；紅色虛線代表溫度場(chǎng)(單位：℃)；箭頭代表風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)；陰影代表風(fēng)速(單位：m·s-1)圖2 高空天氣形勢(shì)圖Fig.2 Synoptic situation at high levels

暴雨發(fā)生期間，高空急流仍然維持(圖2(b))，甘肅隴東地區(qū)位于高空急流南側(cè)以及南亞高壓東北側(cè)。南亞高壓東北側(cè)一般為強(qiáng)輻散區(qū)，存在兩支明顯輻散氣流，分別為西風(fēng)氣流與偏北氣流。丁治英[27]等研究指出西北風(fēng)高空急流與南亞高壓環(huán)流形成的輻散輻合場(chǎng)是暴雨得以維持與加強(qiáng)的原因。鋒區(qū)南壓至青海南部以及隴東一帶(圖2(d))，冷槽移至寧夏附近，慶陽(yáng)處于槽前以及副高邊緣西南氣流控制之中，槽前高空輻散作用利于降水的發(fā)生發(fā)展。700 hPa高空?qǐng)D(圖2(e)、(f))顯示，暴雨發(fā)生過(guò)程中由孟加拉灣輸送至我國(guó)的偏南氣流較前期明顯加強(qiáng)，7月21日20:00隴東南一帶出現(xiàn)一條低空急流。伴隨西風(fēng)槽的偏西氣流繞高原南下，與南來(lái)氣流輻合，在隴東南附近形成一條明顯的南北向切變線(西北風(fēng)、偏南風(fēng)切變)，其位置處于高空急流南側(cè)輻散區(qū)下方，因而高低層急流存在明顯的耦合過(guò)程。

3.2 中尺度云團(tuán)特征

TBB(云頂黑體輻射溫度)能很好指示對(duì)流云團(tuán)的位置和強(qiáng)度，TBB值越小，說(shuō)明云頂高度越高，對(duì)流活動(dòng)越旺盛[28]。MCS(中尺度對(duì)流系統(tǒng))常劃分為α、β、γ三種，水平尺度各對(duì)應(yīng)200～2 000 km、20～200 km、2～20 km。對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展往往與降水中心(落區(qū)、強(qiáng)度)相對(duì)應(yīng)。本次暴雨過(guò)程中，四川阿壩、甘孜州境內(nèi)生成的對(duì)流云帶逐漸分裂，且朝東北方向移動(dòng)，從而影響隴南一帶降水；此外，慶陽(yáng)市存在新生孤立對(duì)流云團(tuán)，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)暴雨發(fā)生。從逐小時(shí)TBB與對(duì)應(yīng)降水量分布情況看，21日17時(shí)(圖略)，四川西北部有一東北-西南方向的對(duì)流云帶生成，TBB<-52 ℃的冷云蓋面積超過(guò)了4.5×104km2，擴(kuò)展至甘肅南邊界附近。隨后，對(duì)流云帶分裂并向東偏北方向移動(dòng)。21日20時(shí)，慶陽(yáng)市慶城縣附近生成一孤立的β中尺度對(duì)流云團(tuán)(圖3(a))，TBB<-52 ℃，對(duì)應(yīng)地區(qū)降水量普遍達(dá)10 mm·h-1以上(圖3(e))，其中，太白梁站小時(shí)雨強(qiáng)為48.5 mm·h-1。23時(shí)，該對(duì)流云團(tuán)擴(kuò)展至α中尺度(圖3(b))，中心移至陜甘交界， 且中心強(qiáng)度可達(dá)-72℃以上。降水中心位置隨之東移加強(qiáng)(圖3(f))，主要位于TBB梯度大值區(qū)，劉家莊、曹家塬、東關(guān)站降水量均超過(guò)80 mm。22日02、04時(shí)，對(duì)流云團(tuán)(圖3(c)、(d))及雨區(qū)(圖3(g)、(h))均東移減弱。隴南地區(qū)受γ中尺度對(duì)流云團(tuán)影響，并未產(chǎn)生較大范圍小時(shí)強(qiáng)降水,但據(jù)逐小時(shí)降水資料(圖1(b))，在個(gè)別站點(diǎn)仍出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。

圖3 TBB分布(單位：℃，a、b、c、d)以及對(duì)應(yīng)小時(shí)降水量分布(單位：mm·h-1，e、f、g、h)Fig.3 The TBB distribution (Unit: ℃, a、b、c、d) and distribution of hourly precipitation (Unit: mm·h-1, e、f、g、h )

4 動(dòng)力條件

分析暴雨期間36.0°N、108.0°E處(該位置位于劉家莊附近)垂直時(shí)間剖面圖(圖4(a))，21日20時(shí)起，對(duì)流層正渦度柱逐漸由700 hPa抬高至500 hPa，而高層負(fù)渦度中心出現(xiàn)在23時(shí)，與此對(duì)應(yīng)，整個(gè)層次有深厚的垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生。

圖4 (a)劉家莊站渦度(陰影，單位：10-5s-1)、垂直速度(等值線，單位：10-1Pa·s-1)時(shí)間垂直剖面；(b)沿108°E風(fēng)場(chǎng)(箭頭代表風(fēng)場(chǎng)，紅色實(shí)線代表> 30m·s-1風(fēng)速)、散度場(chǎng)(陰影，單位：10-5s-1)經(jīng)向垂直剖面；(c)、(d)降水區(qū)域內(nèi)平均渦度、散度、垂直速度垂直變化Fig.4 (a)The time-vertical profile of the vorticity (shadow, Unit: 10-5m·s-1) and vertical velocity (contour,Unit:10-1Pa·s-1)in Liujiazhuang (b)vertical sections of wind field (the arrow represents the wind field, and the red solid line represents the wind speed exceeding 30 m·s-1. ) and divergence (shadow, Unit:10-5s-1) along 108°E. (c)、(d) Vertical changes of average vorticity, divergence and vertical velocity within the precipitation center area

為了進(jìn)一步分析暴雨區(qū)上空的垂直環(huán)流特征，過(guò)降水中心(沿108.0°E)作速度經(jīng)向垂直剖面(圖4(b))。由于垂直速度w絕對(duì)值大小遠(yuǎn)小于經(jīng)向速度v，對(duì)w適當(dāng)放大后(放大比例因子等于沿108°E，25°—50°N垂直剖面內(nèi)平均v/平均w)，再對(duì)v、w進(jìn)行合成。從圖4中可以看出，300 hPa—200 hPa、40°N附近存在一高空急流核，核區(qū)速度超過(guò)了38 m·s-1。在高空急流入口區(qū)右側(cè)形成一次級(jí)環(huán)流。且在其右側(cè)高空存在強(qiáng)輻散場(chǎng)，強(qiáng)度可達(dá)10×10-5s-1，輻散出的氣流向南北流動(dòng)，向南的一支又于30°N附近下沉后北上，在低層疊加強(qiáng)輻合場(chǎng)引發(fā)的上升氣流，從而形成深厚強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。這在一定程度上可以說(shuō)明，高空急流的存在利于次級(jí)環(huán)流的形成和發(fā)展。

考查降水中心區(qū)域(35.5°N—36.5°N、107.5°N—108.5°N)渦度、散度和垂直速度。暴雨發(fā)生前(圖4(c))，該區(qū)域內(nèi)平均渦度在對(duì)流層中低層為正值，大值中心位于700 hPa，強(qiáng)度值為4×10-5s-1，而平均散度為負(fù)值。600 hPa—200 hPa間平均渦度、散度均較弱，在400 hPa以下垂直運(yùn)動(dòng)以下沉運(yùn)動(dòng)為主。暴雨發(fā)生時(shí)期(圖4(d))，對(duì)流層從高層到低層三個(gè)要素強(qiáng)度均有所增大，正渦度中心高度下降到800 hPa附近，強(qiáng)度增大為12×10-5s-1。散度中心在200 hPa達(dá)到10×10-5s-1，說(shuō)明由于高空急流的抽吸作用，高層輻散加強(qiáng)，與之對(duì)應(yīng)，整個(gè)層結(jié)存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)暴雨發(fā)生時(shí)期，低層散度、渦度耦合以及強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)有利于水汽在暴雨區(qū)的聚集和向上輸送，致使強(qiáng)降水的發(fā)生。

5 水汽環(huán)境和源地追蹤

5.1 水汽環(huán)境分析

除了動(dòng)力條件外，暴雨的產(chǎn)生離不開(kāi)良好的水汽條件。為了全面展現(xiàn)本次暴雨過(guò)程的水汽環(huán)境，文中從水汽通量、水汽通量散度、比濕、整層大氣可降水量這幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5為從地面至300 hPa整層水汽通量積分。20日20時(shí)暴雨發(fā)生前(圖5(a))，慶陽(yáng)一帶水汽輸送不明顯。21日08時(shí)(圖5(b))，來(lái)自孟加拉灣與南海水汽繞青藏高原北上，一支進(jìn)入甘肅，逐步建立南路水汽通道，而另一支在廣西與原氣流分流，轉(zhuǎn)為向東輸送。21日23時(shí)暴雨發(fā)生過(guò)程中(圖5(c))，南路水汽通道明顯加強(qiáng)，且東海也有水汽向西北方向輸入中國(guó)境內(nèi)，再并入南路氣流中。另外，由于西風(fēng)槽東移，槽底部偏西氣流南下，觀察到紅色矩形框西邊界有西來(lái)水汽輸入，但強(qiáng)度明顯小于南路。此時(shí)，紅色矩形框內(nèi)水汽通量中心值加強(qiáng)至750 kg·m-1·s-1。與之對(duì)應(yīng)，存在明顯水汽通量輻合，強(qiáng)度可達(dá)-16×10-4kg·m-2·s-1以上(圖略)。22日08時(shí)暴雨結(jié)束后(圖5(d))，從孟加拉灣、南海輸送至我國(guó)的水汽通量減弱，在慶陽(yáng)以南地區(qū)水汽通量大值區(qū)轉(zhuǎn)向東移。雖然此時(shí)仍有水汽通量輸送，但慶陽(yáng)境內(nèi)水汽通量散度(圖略)為正值，水汽缺乏輻合抬升作用的支持，無(wú)法產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。從整個(gè)暴雨過(guò)程來(lái)看，南路水汽通道建立時(shí)間早，且在后期有東海輸送來(lái)的水汽加入，進(jìn)一步加強(qiáng)了暴雨地區(qū)的水汽來(lái)源。

注：箭頭表示水汽通量積分矢，陰影表示水汽通量大小。圖中矩形方框代表慶陽(yáng)地區(qū)，紅色簡(jiǎn)頭表示水汽輸送大致方向。圖5 地面至300hPa整層水汽通量積分(單位：102kg·m-1·s-1)Fig.5 Vertical integral of water vapor flux from ground to 300 hPa( Unit: 102kg·m-1·s-1 )

比濕是衡量大氣絕對(duì)水汽含量的直觀物理量，為了探尋降水區(qū)比濕以及水汽通量散度的垂直分布情況，圖6展現(xiàn)了兩物理量沿108°E經(jīng)向垂直剖面。21日08時(shí)(暴雨發(fā)生前，圖6(a))，40°N以南850 hPa比濕達(dá)14 g·kg-1，與圖5(b)相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明沿108°E南來(lái)氣流攜帶水汽充沛，大氣近地層上空絕對(duì)水汽含量高，而在對(duì)流層中低層并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的水汽通量輻合。直至23時(shí)(圖6(b))，36°N附近上空存在明顯的水汽通量輻合輻散對(duì)，低層輻合強(qiáng)度最高可達(dá)-7×10-5kg·s-1·m-2·hPa-1，700 hPa以下比濕分布未出現(xiàn)大的改變，說(shuō)明不斷有水汽補(bǔ)充受輻合抬升作用向上而消耗的水汽。與之對(duì)應(yīng)，劉家莊站觀測(cè)到極強(qiáng)降水，小時(shí)降水量達(dá)91.0 mm。

觀察整層大氣可降水量隨時(shí)間演變(圖略)，21日16時(shí)，慶陽(yáng)地區(qū)分布了>10 mm小范圍可降水量，隨時(shí)間發(fā)展，其以環(huán)縣為中心向外逐步擴(kuò)散、增強(qiáng)，并始終呈東北-西南分布。23時(shí)整個(gè)慶陽(yáng)市上空整層大氣可降水量均超過(guò)20 mm，而中心最大值可達(dá)37 mm。對(duì)比可見(jiàn)，整層大氣可降水量分布變化與實(shí)際降水發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。

圖6 比濕(藍(lán)色實(shí)線，單位：g·kg-1)、水汽通量散度(陰影，單位：10-5 kg·s-1·m-2·hPa-1)沿108°E經(jīng)向垂直剖面Fig.6 Vertical sections of specific humidity ( Solid blue line, Unit: g·kg-1) and vapor flux divergence( shadow, Unit: 10-5 kg·s-1·m-2·hPa-1 ) along 108°E

5.2 降水區(qū)邊界水汽收支

選取降水區(qū)范圍35.0°-36.5°N，106.5°-108.5°E為水汽收支研究區(qū)域(圖1(a))，計(jì)算該區(qū)域水汽收支情況。由各邊界整層水汽收支在7月21日08:00-22日08:00時(shí)間段內(nèi)的演變情況可知(圖7(a))，24時(shí)前，南邊界水汽收入大致維持在6×107kg·s-1的水平，與水汽通量圖(圖5)相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明南路水汽通量在此時(shí)間內(nèi)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖5(b)顯示21日08時(shí)慶陽(yáng)地區(qū)并無(wú)西來(lái)水汽通量，結(jié)合此圖可知，16時(shí)起，西邊界水汽輸入才開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，至20時(shí)可達(dá)4×107kg·s-1。此后直至22日08時(shí)，其值沒(méi)有大的波動(dòng)變化，而南邊界水汽收入于22日00時(shí)開(kāi)始下降。東、北邊界水汽收支變化相較于西、南邊界而言，大致呈相反趨勢(shì)。在后期，由于南邊界水汽開(kāi)始輸出，北邊界支出相應(yīng)減少，且逐漸轉(zhuǎn)為收入。東邊界水汽支出隨西邊界水汽收入的增大也發(fā)生相應(yīng)變化。總水汽收支在降水時(shí)段始終處于凈流入狀態(tài)，22日04時(shí)后則轉(zhuǎn)變?yōu)閮糨敵觥?/p>

低層：地面～700 hPa；中層：700～500 hPa；高層：500～300 hPa，單位：105kg·s-1圖7 降水區(qū)域各邊界整層水汽收支逐時(shí)演變(a)與各邊界不同層次水汽收支(b、c、d)Fig.7 Hourly evolution of import and export quantities of water vapor for different boundaries and whole layer(a) and water vapor budget for different boundaries and levels(b、c、d)

圖7(b)～(d)為對(duì)流層低、中、高層各邊界水汽收支。暴雨發(fā)生前一天(圖7(b))，僅南邊界各層收支為正，且主要以低層為主，水汽輸送量在1×108kg·s-1以下。21日(圖7(c))，西邊界各層均有水汽輸入，但低層水汽輸送量?jī)H占西邊界3.1%。相較前一日，南、西邊界的水汽收入大大增加，南邊界整層水汽輸送量占南、西邊界總量的64.3%。暴雨結(jié)束后(圖7(d))，對(duì)流層低、中層水汽轉(zhuǎn)為從南邊界輸出，此時(shí)，水汽主要由西北方向進(jìn)入降水邊界。分析可知，南、西邊界水汽輸入對(duì)于此次暴雨過(guò)程的發(fā)生、發(fā)展至關(guān)重要，其中，又以南邊界水汽輸入為主，西邊界水汽輸入又以對(duì)流層中、高層為主。在暴雨發(fā)生時(shí)期，針對(duì)存在水汽輸入的邊界而言，對(duì)流層中層水汽輸入相較其他層次而言有一個(gè)明顯加強(qiáng)過(guò)程。

5.3 水汽源地追蹤

文中基于NOAA開(kāi)發(fā)的氣流軌跡模式(HYSPLIT4)以追蹤攜帶水汽的氣塊運(yùn)動(dòng)軌跡，以更深入了解氣塊隨時(shí)間變化。主要設(shè)計(jì)2個(gè)模擬方案，方案一：由于水汽主要集中于對(duì)流層中低層，因此將海拔高度分別設(shè)置為1 500、3 000、5 000 m，模擬時(shí)間取21日23:00，模擬地點(diǎn)設(shè)定為36°N 、108°E，以模擬空氣塊240 h后向輸出軌跡，每1 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置。方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，每隔6 h所有軌跡點(diǎn)重新向后追蹤10 d，由于輸出軌跡數(shù)量較多，采用簇分析法[29]對(duì)所有軌跡進(jìn)行聚類(lèi)，比較每次合并過(guò)程中空間方差和(TSV)的增長(zhǎng)變化，將TSV在后期迅速增大前的點(diǎn)作為分簇過(guò)程結(jié)束點(diǎn)，計(jì)算可得所選取簇的平均軌跡。

由圖8(a)可知，三個(gè)高度層上氣塊在7月18日00時(shí)(UTC)運(yùn)動(dòng)軌跡均低于1 000 m，隨時(shí)間的推進(jìn)，氣塊高度被不斷抬升。對(duì)流層低層主要軌跡有2條，一條(1 500 m)發(fā)源于東海，一路西行抵達(dá)降水區(qū)。一條(3 000 m)來(lái)自中南半島、南海，進(jìn)入中國(guó)后直接北上而輸入甘肅。中層(5 000 m)的源地為孟加拉灣，其軌跡方向相對(duì)于初始點(diǎn)表現(xiàn)為西南路。

以上分析僅直觀給出了不同高度層次上氣塊運(yùn)動(dòng)路徑，為了解氣塊在上升或者下沉過(guò)程中水汽環(huán)境變化，圖8(b)、(c)展現(xiàn)了圖8(a)中不同水汽輸送通道上比濕、相對(duì)濕度隨時(shí)間演變特點(diǎn)。由于3個(gè)高度層次上水汽源地均為海洋，故具有較高比濕，三者比濕值達(dá)到15.0 g·kg-1以上。在開(kāi)始運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣塊貼著海面移動(dòng)，抬升高度較低，比濕雖有波動(dòng)但仍然維持在穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)入大陸受山脈抬升作用，各層次氣塊均抬高，在此過(guò)程中，比濕值也逐漸減小。17日以后，5 000 m氣塊比濕急劇減小，至21日23時(shí)，比濕達(dá)5.0 g·kg-1。3 000 m氣塊的比濕15日開(kāi)始緩慢減小，至21日23時(shí)達(dá)9.0 g·kg-1，1500 m的氣塊則約為12.0 g·kg-1。在氣塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)高度層次上相對(duì)濕度的變化表現(xiàn)為明顯振蕩趨勢(shì)。然而至強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻，其值均達(dá)到85%以上。

為了展現(xiàn)降水區(qū)域內(nèi)多條后向軌跡變化情況，取覆蓋慶陽(yáng)市的初始矩陣點(diǎn)，左上角經(jīng)緯度為37.0°N、106.5°E，右下角經(jīng)緯度為35.0°N、108.5°E，間隔0.5°。對(duì)每個(gè)矩陣點(diǎn)設(shè)定初始模擬時(shí)刻21日23時(shí)，追蹤240 h氣塊運(yùn)動(dòng)后向軌跡。由圖8(d)、(e)可知，在上述區(qū)域內(nèi)，3 000 m高度層上氣塊主要由孟加拉灣經(jīng)中南半島、南海進(jìn)入中國(guó)。且觀察到一部分軌跡，氣塊由東海西行，最后并入南來(lái)氣流中，這與圖5(c)出現(xiàn)的東路水汽通量可以相對(duì)應(yīng)。5 000 m高度層上，主要可歸納出兩支軌跡，一支源于阿拉伯海，一支源于孟加拉灣。綜合分析，對(duì)于降水區(qū)域內(nèi)的各矩陣點(diǎn)，模擬出的軌跡大體是趨于一致的。

圖8 7月21日23:00不同高度層氣塊240 h后向軌跡(a)；水汽輸送通道比濕相對(duì)濕度(b、c)隨時(shí)間演變；不同矩陣點(diǎn)氣塊240 h后向軌跡(d、e)Fig.8 240h backward trajectory of air mass at 23:00 on 21 July at different altitude levels(a);the changes of specific humidity and relative humidity with the time(b、c);240h backward trajectory of air mass from different matrix points(d、e)

對(duì)于方案二而言，由于每隔6 h所有軌跡點(diǎn)重新向后追蹤10 d，則每個(gè)高度層上的輸出軌跡數(shù)有40條，相當(dāng)于將10 d內(nèi)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)(00、06、12、18)各自的240 d后向軌跡作聚類(lèi)分析，能得到在該時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)間初始點(diǎn)的相似軌跡分布，因而能研究一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)氣塊運(yùn)動(dòng)的相似路徑。由圖9結(jié)果可知，3 000 m(圖9(a))以及5 000 m(圖9(b))高度上平均軌跡分別為5、4條，均有從孟加拉灣輸入降水區(qū)的軌跡路線，其各自占軌跡總數(shù)的21%，38%。由于軌跡占比總數(shù)不能代表該路徑的水汽貢獻(xiàn)，通過(guò)將孟加拉灣源地路徑與其它通道的水汽貢獻(xiàn)率作對(duì)比，在3 000 m、5 000 m高度層上，均是最高的，各占30.01%、49.03%。與圖8(a)對(duì)比，兩個(gè)高度層上均出現(xiàn)偏西路徑，說(shuō)明由暴雨發(fā)生時(shí)刻模擬的240 h后向軌跡明顯源地是孟加拉灣、南海，而暴雨前期不同時(shí)刻的后向軌跡聚類(lèi)結(jié)果中存在明顯的西北路徑。

圖9 氣塊240 h后向軌跡聚類(lèi)結(jié)果Fig.9 Clustering results of 240h backward trajectory of air mass

6 結(jié)論

本文針對(duì)2019年7月21日隴東南地區(qū)暴雨過(guò)程，研究其環(huán)流背景場(chǎng)、中尺度云團(tuán)特征、動(dòng)力成因以及暴雨過(guò)程水汽環(huán)境和水汽輸送特征，并應(yīng)用HYSPLIT4追蹤水汽源地，研究結(jié)果如下：

(1)暴雨過(guò)程中，慶陽(yáng)北部200 hPa建立起一條完整的高空急流帶，且甘肅隴東處于南亞高壓東北側(cè)，高空強(qiáng)輻散場(chǎng)加強(qiáng)了高空急流的抽吸作用。700 hPa存在一條南北向切變線，由于低層輻合抬升作用，以及高空急流右側(cè)次級(jí)環(huán)流的影響，進(jìn)一步加強(qiáng)了暴雨區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)。TBB顯示，暴雨主要受新生β中尺度對(duì)流云團(tuán)影響，TBB中心值<-72℃。

(2)暴雨發(fā)生前期，孟加拉灣、南海一帶南路水汽通道首先建立。隨著副熱帶高壓加強(qiáng)，來(lái)自東海的水汽向西北輸入中國(guó)后并入南路水汽通道之中。此外隨著西風(fēng)槽東移，西路水汽繞高原南下，從暴雨區(qū)西邊界輸入。慶陽(yáng)上空水汽充沛，比濕維持在14 g·kg-1左右，21日23時(shí)整層大氣可降水量均超過(guò)20 mm，且存在強(qiáng)水汽通量輻合。當(dāng)暴雨結(jié)束，水汽通量大值區(qū)東移，水汽通量散度轉(zhuǎn)為正值，西路水汽通量在慶陽(yáng)占據(jù)主導(dǎo)地位。從水汽邊界收支來(lái)看，暴雨前期以及暴雨過(guò)程中，南邊界水汽收入相對(duì)最高。結(jié)束之后，南邊界對(duì)流層中、低層水汽轉(zhuǎn)為支出，北、西邊界為收入。

(3)利用HYSPLIT4對(duì)氣塊源地進(jìn)行追蹤，不同初始時(shí)刻點(diǎn)240 h后向軌跡聚類(lèi)結(jié)果表明：暴雨發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)，3 000 m、5 000 m高度均存在偏西路徑、偏南路徑。而暴雨發(fā)生時(shí)刻240 h氣塊軌跡顯示，1 500 m源地為東海、3 000 m為南海、5 000 m為孟加拉灣，其中3 000 m、5 000 m高度上主要為偏南路徑。氣塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不同高度層比濕到達(dá)降水區(qū)時(shí)較前期均減小，1 500 m、3 000 m約達(dá)10 g·kg-1，但3個(gè)層次相對(duì)濕度均在85%以上。綜合來(lái)看，將水汽通量、區(qū)域邊界水汽收支以及氣塊運(yùn)動(dòng)后向軌跡三者相結(jié)合來(lái)分析水汽輸送和水汽源地，結(jié)論是緊密聯(lián)系的，并且HYSPLIT4模型結(jié)果展現(xiàn)了四維(高度、平面、時(shí)間)信息，進(jìn)一步拓寬了暴雨災(zāi)害分析中所獲取的信息量。