河西走廊西部一次暴雨過程的水汽特征分析

萬占鑫，肖萬有，王窈英，馬寧，梁小剛

（1.嘉峪關市氣象局，甘肅 嘉峪關 735100；2.慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000）

引言

河西走廊西部深處內陸，地表主要以戈壁、沙漠和荒漠為主，屬于典型的大陸性干旱氣候。由于受青藏高原、秦嶺和祁連山的阻擋，夏季季風爆發后來自孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋的暖濕水汽很難到達河西走廊西部地區，而來自青藏高原和西風帶的水汽輸送對于河西走廊西部地區的降水具有重要作用[1-2]。蘭州中心氣象臺根據多年預報服務工作實踐和統計方法,將甘肅省河西地區暴雨標準定義為日降水量≥30.0 mm，雖然暴雨強度定義相對于全國標準已明顯減弱，但暴雨過程在河西走廊西部仍屬于小概率事件，年平均出現頻次遠小于1 次，且常由中小尺度對流系統引發，有突發性強、歷時短、范圍小和破壞性強的特點[3]。暴雨的產生離不開充足的水汽供應，目前，針對水汽輸送的研究主要集中在我國中東部地區和新疆地區[4-8]，對河西走廊地區的研究則相對較少[9]。而關于河西走廊暴雨的分析研究多集中在環流形勢、物理量診斷、中尺度特征和雷達回波特征等方面[10-12]，對水汽輸送特征研究還不深入，定性定量的認知還有待加強。

2019年5月5—7日河西走廊西部出現暴雨天氣，其中6日酒泉市單日降水量達36.7 mm，占該站年平均降水量（88.4 mm）近一半，突破了近50年來5月份單日最大降水量。利用前期數值預報資料和實況資料進行預報分析，無論從系統強度、動力條件還是降水量客觀定量預報都表明此次過程降水量級以小到中雨為主，預報員主觀訂正也僅僅將量級提高到中雨，很難作出大雨以上量級預報，更難以與暴雨相聯系起來。而且降雨過程期間無明顯中小尺度對流天氣系統活動，主要由長時間的系統性穩定降水造成的，這與以往發生在該地區暴雨的特征明顯不同。本文著重分析該過程形成的環流背景、水汽來源、水汽輸送和水汽收支特征，以進一步認識和總結河西走廊西部此類暴雨的形成原因和水汽特征，為提高暴雨預報能力提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料選取

應用常規高空觀測、地面觀測和河西走廊西部自動氣象站資料、GdAS和NCEP/NCAR再分析資料。NCEP1 °×1 ° 逐6 h再分析資料，垂直方向從1000—1 hPa共31 層。為了檢驗NCEP再分析資料在河西走廊西部的可用性，選取了2019年5月5日20:00（北京時，下同）、6日08:00和20:00河西走廊西部500、700 hPa風場、高度場和溫度場實況資料與相應的再分析資料進行對比檢驗，同時對酒泉、敦煌和馬鬃山探空資料與再分析資料對應位置上各物理量進行對比檢驗(圖略)，兩種資料結果基本一致，再分析資料可以用于該地區暴雨天氣的研究。

1.2 方法介紹

1.2.1 水汽收支計算

取對流層低層（地面—700 hPa）、對流層中層（700—500 hPa）、對流層高層（500—300 hPa）和整層（地面—300 hPa）計算水汽輸入、輸出和收支量，分析此次暴雨過程期間不同層次水汽輸送特征和水汽收支情況。選取暴雨區周邊2 個經緯度范圍作為水汽收支的邊界（圖1），1為西邊界，2為北邊界，3為東邊界，4為南邊界，對應4 個邊界水汽輸送量之和為大邊界的水汽輸送量。

圖1 水汽輸送邊界示意圖

水汽輸送的計算方法如下，大氣的水汽輸送通量Q（單位：g·m-1·hPa-1·s-1)的計算公式為：

式中：g為重力加速度，單位為m·s-2；ps為地面氣壓，可去除地形的影響；pt為300 hPa高空氣壓；為該單位氣柱內各層大氣的風速矢量，單位為m·s-1；q為各層大氣的比濕，單位為g·kg-1。先利用NCEP再分析資料計算得到各層各格點水汽通量，再進行邊長和垂直方向整層積分，最后進行時間積分得到水汽輸送量，并將單位換算成kg。正值為水汽輸入，負值為水汽輸出。

1.2.2 HYSPLIT軌跡模型簡介

HYSPLIT軌跡模型由美國海洋與大氣研究中心（NOAA）空氣資源實驗室ARL（Air Resources Laboratory）和澳大利亞氣象局聯合開發。該模型采用地形跟隨坐標，水平網格與輸入的氣象場相同，垂直方向為28 層。模型的計算方法采用拉格朗日方法，其假定質點的軌跡是隨風場而運動的，軌跡是質點在空間和時間上的積分。通常用來追蹤氣流所攜帶粒子或氣團移動方向，可以用于分析水汽的輸送軌跡。

2 天氣實況與環流背景

2.1 暴雨實況

2019年5月5—7日，河西走廊西部出現了罕見的連續性降雨天氣，降水主要集中在酒泉市東部的肅州區、玉門市、金塔縣和嘉峪關市，過程最大累計降水量出現在嘉峪關市區，為56.1 mm。5日20:00—6日20:00，酒泉市肅州區、玉門市和嘉峪關市的部分區域出現了暴雨（圖2a），其中最大降水量出現在酒泉觀測站，為36.7 mm，突破了該站近50年來5月份單日最大降水量。從5日20:00至6日20:00酒泉市、玉門市和嘉峪關市3 站逐3 h累計降水量分布來看（圖2b），此次暴雨過程呈現出歷時長、無間歇和雨勢平緩的特征，與以往該地區暴雨歷時短、雨強強度大的特征明顯不同。經后續核查，此次天氣過程由于雨勢平緩，造成了部分農業設施坍塌損毀，沒有出現明顯中小河流洪水和城市內澇等災害，而充沛的降水對促進戈壁沙漠荒草植被生長和改善生態環境非常有利。

圖2 2019年5月5日20 時—6日20 時累計降水量分布（a）和部分站點逐3 h降水量變化（b）

2.2 大尺度環流特征

天氣過程發生期間，河西走廊西部上空對流層高層200 hPa上維持40 m·s-1以上高空急流，高空的抽吸作用顯著。500 hPa亞洲中高緯地區穩定維持兩槽兩脊的環流形勢，高壓脊位于烏拉爾山東側和貝加爾湖南側，低渦（低槽）位于巴爾喀什湖和我國東北地區。6日08:00 500 hPa形勢場（圖略）烏拉爾山東側高壓脊不斷北伸發展，位于高壓脊東側的巴爾喀什湖低槽也隨之向南加深發展為低渦，低渦位于南疆西部，低渦底部分裂的低槽在青藏高原地形作用下分為南北兩支，南支槽位于印度半島東部，南支槽前西南氣流不斷向東北方向輸送暖濕水汽，到達川西高原后，在高原切變的作用下轉向偏北方向流向河西走廊西部。北支槽主要以短波槽的形式影響高原北部和河西走廊地區，短波槽受下游蒙古高壓阻擋作用移動緩慢。700 hPa上（圖略），蒙古高壓底部的偏東回流氣流把東海沿岸和南方地區的暖濕空氣不斷向西北方向輸送并在河西走廊西部輻合，偏東氣流在華中至河西走廊西部一帶增大到12 m·s-1以上達到低空急流標準，河西走廊西部處于低空急流左前側正切變渦度區。此外，位于暴雨區南側的祁連山脈走向與偏東低空急流風向有小幅度交角，地形作用使對流層低層容易形成空氣質量堆積利于上升運動發展。綜上過程最強時段內，河西走廊西部處于對流層高層200 hPa急流帶上、中層短波槽前、低層偏東低空急流左前側和氣流輻合區，加上祁連山北坡的地形抬升作用，冷暖空氣在此處交匯產生上升運動，共同造成了此次暴雨天氣過程。

3 水汽特征分析

3.1 暴雨區水汽變化

暴雨的發生離不開大氣中充足的水汽，分析暴雨過程中比濕、相對濕度、水汽通量和水汽通量散度的變化，可以對本次過程垂直方向上水汽的變化特征有更深入的認知。暴雨過程期間暴雨區上空水汽主要集中在400 hPa以下，暴雨區上空500 hPa以上比濕無明顯變化，600 hPa以下比濕和相對濕度在暴雨發生前有迅速增大的過程，降雨強盛時段（5日20:00至6日20:00）對流層低層比濕維持在6～7 g·kg-1，相對濕度在80%以上（圖3a）。從暴雨區上空水汽通量和水汽通量散度演變來看（圖3b），水汽輸送和水汽輻合主要集中在600 hPa以下，暴雨發生前（4日20:00）水汽輸送迅速增大，5日02:00在800—700 hPa高度層上有超過10 g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量大值中心，降雨強盛時段（5日20:00至6日20:00）水汽通量強度維持在6 g·cm-1·hPa-1·s-1左右；過程期間水汽輻合較弱，僅在對流層低層維持-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右的輻合強度。此外，5日08:00—20:00，中高層相對濕度和比濕明顯下降，表明有干冷空氣從高層侵入，高層干冷空氣侵入進一步加強冷暖空氣交匯利于降水的加強。綜上可知，主要降雨時段內，暴雨區對流層低層比濕維持在6 g·kg-1以上，相對濕度在80%以上，水汽通量在6～10 g·cm-1·hPa-1·s-1之間，水汽輻合強度維持在-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右。

圖3 暴雨區（98.2 °—98.6 °E,39.7 °—39.9 °N）平均比濕（等值線，單位：g·kg-1）和平均相對濕度（陰影，單位：%）高度-時間剖面（a）、 平均水汽通量（黑實線，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)和平均水汽通量散度（灰虛線，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1）高度-時間剖面（b）

3.2 水汽輸送路徑和收支特征

3.2.1 水汽輸送路徑

圖4為5—6日對流層中低層500 hPa和700 hPa水汽通量的發展演變。暴雨發生前（5日08:00）河西走廊西部上空對流層低層700 hPa上建立了一支強盛的遠距離偏東水汽輸送，將華北地區和西南地區的暖濕水汽向河西走廊西部輸送（圖4a），對流層中層500 hPa上有一支較弱的從柴達木盆地越祁連山的西南水汽輸送（圖4b）。降雨強盛時（6日08:00）對流層低層700 hPa上偏東水汽輸送通道隨著蒙古高壓東移南壓也向東南方向發展延伸，偏東回流氣流將東海沿岸的暖濕水汽沿偏東路徑向河西走廊西部輸送，同時隨著新疆冷空氣侵入，開始建立了一支新疆東部—河西走廊西部的偏西水汽輸送（圖4c），對流層中層500 hPa上隨著南支槽東移至高原中部，槽前強盛西南氣流在川西高原地區受高原低值系統影響折北翻越祁連山延伸到河西走廊西部，建立了一支遠距離偏南水汽輸送（圖4d）。暴雨趨于減弱時（6日20:00）對流層低層700 hPa上隨著冷空氣侵入，源自新疆東部的偏西水汽輸送進一步西伸基本控制河西走廊西部，偏東水汽輸送東退至內蒙古西部（圖4e），對流層中層500 hPa上偏南水汽輸送也被冷空氣斬斷不再影響河西走廊西部地區（圖4f）。綜上分析可知，過程期間共有3 支水汽輸送影響河西走廊西部地區，發生前主要以對流層低層偏東和中層西南水汽輸送為主，降雨強盛時段受對流層低層強盛偏東和弱偏西以及中層偏南3 支水汽輸送共同影響，降雨趨于減弱后則主要受低層偏西氣流輸送影響。

圖4 2019年5月5—6日700 hPa（a、c、e）和500 hPa（b、d、f）水汽通量與水汽通量矢量場疊加（單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)a、b為5日08:00；c、d為6日08:00；e、f為6日20:00

3.2.2 暴雨區水汽收支特征

由過程發生前后對流層高、中、低層和整層逐6 h暴雨區各邊界的水汽輸送量演變可知（圖5），各邊界水汽輸送的貢獻是明顯不同的。暴雨發生前（4日08:00—5日20:00），暴雨區的東邊界（圖5a）和北邊界（圖5b）為水汽輸入，東邊界的水汽輸入強度遠遠大于北邊界，西邊界（圖5c）和南邊界（圖5d）為水汽輸出；暴雨期間（5日20:00—6日20:00）東邊界仍維持高強度水汽輸入，南邊界隨著偏南水汽輸送通道的建立，由凈輸出轉為凈輸入，西邊界仍為水汽凈輸出但強度在逐漸減弱，北邊界轉為凈輸出；降雨趨于結束后（6日20:00—7日20:00），隨著冷空氣東移，偏西風侵入暴雨區，西邊界轉為水汽凈輸入，東邊界轉為水汽凈輸出，南邊界和北邊界仍維持較弱強度的水汽凈輸入和凈輸出。對比暴雨期間（5日20:00—6日20:00）各高度層的水汽輸送量，水汽輸送主要集中在500 hPa以下的對流層中低層，其中中低層東邊界水汽輸入貢獻占各邊界水汽輸入總和的81.2%，高層水汽輸送量明顯偏小。綜上分析，暴雨期間東邊界為主要水汽輸入邊界，西邊界為主要輸出邊界，水汽輸送主要在對流層中低層，中低層東邊界水汽輸入貢獻最大，占各邊界水汽輸入總和的81.2%。

圖5 2019年5月4日08 時至7日20 時對流層東邊界（a）、北邊界（b）、西邊界（c）、南邊界（d）水汽輸送量（正值表示輸入，負值表示輸出）

3.2.3 水汽后向軌跡追蹤

為了進一步了解此次暴雨過程的水汽輸送路徑，使用基于拉格朗日方法的HYSPLIT軌跡模型后向追蹤水汽質點的軌跡（圖6）。根據姚俊強等[13]、李江萍等[14]和dRAXLER等[15]的研究，該模型對于一定區域內不同質點的軌跡運算具有較好的一致性，因此可用一個點的軌跡代表一定區域的整體空氣的軌跡。選取酒泉站（98.5 °E，39.78 °N）進行模擬追蹤，在垂直方向上選出離地1000、3000、5000 m作為初始高度，模擬起始時間為5月6日08:00后向模擬追蹤72 h。結果顯示：不同高度上的氣塊軌跡和來源有所不同，1000、3000 m氣塊軌跡是偏東路徑，其源地位于蒙古國東南部，與蒙古高壓相聯系的對流層低層偏東回流氣流輸送水汽有關；5000 m氣塊軌跡則是回旋的偏南路徑，其源地位于新疆東部，與北支短波槽相聯系的中層越祁連山偏南氣流輸送水汽有關。此外，對7000 m氣塊軌跡進行模擬追蹤發現其軌跡與高空急流走向基本一致，源地位于里海（圖略）。此外，從各層氣塊軌跡的高度演變來看，對流層中低層水汽主要來自于近地層，在臨近暴雨發生時，有一個明顯抬升的過程，是由暴雨發生時垂直上升運動造成的，對流層高層水汽軌跡的高度則沒有明顯變化。綜上可知，暴雨區上空的氣塊后向軌跡主要有3 條路徑，對流層低層軌跡為偏東路徑，對流層中層軌跡為偏南路徑，而對流層高層軌跡為偏西路徑，其源地分別位于蒙古國東南部、新疆東部和里海。

圖6 2019年5月6日08:00暴雨區（98.5 °E、39.78 °N）后向72 h水汽軌跡模擬

4 干空氣侵入

在氣旋的爆發性發展、暴雨的增強、位勢不穩定的增強等方面干侵入起著重要的促進作用[16]，下面利用相對濕度、假相當位溫（θse）和流場的垂直剖面對此次降雨過程期間高層干冷空氣侵入特征進行分析。5日08:00（圖7），暴雨區西側96 °E以西700—300 hPa有明顯的下沉運動，400 hPa出現相對濕度低于50%的干中心，干中心東側324 K等假相當位溫線出現傾斜，表明有干冷空氣從高層向低層侵入，同時等θse線陡峭分布利于渦度的傾斜發展，為低層垂直渦度的發展提供了良好的環境條件[17]。5日14:00（圖略），下沉運動向東推進至99 °E附近，暴雨區上空400 hPa附近為下沉的干冷空氣，對流層中低層為強烈的上升運動，在550 hPa附近上升下沉兩股氣流交匯，對降水有一定的加強作用。

圖7 2019年5月5日08:00沿39.78 °N的相對濕度（陰影，單位：%）、假相當位溫（虛線，單位：K）和流線的垂直剖面（三角為暴雨點）

5 結論

本文利用常規資料和NCEP再分析資料，分析討論了2019年5月5—7日河西走廊西部暴雨天氣過程的水汽特征，主要結論如下：

(1)此次暴雨發生期間，歐亞中高緯呈兩槽兩脊形勢，烏拉爾山東側高壓脊穩定維持并向東北方向發展，巴爾喀什湖低渦分裂的北支短波槽受下游蒙古高壓阻擋長時間穩定在河西走廊西部地區，大尺度環流的穩定維持為此次暴雨過程發生發展提供了有利的大背景條件。高層200 hPa高空急流、中層500 hPa短波槽前正渦度平流和低層700 hPa偏東低空急流的配置以及祁連山北坡地形抬升作用有利于暴雨區垂直上升運動的發展和維持。

(2)主要降雨時段內，暴雨區對流層低層比濕在6 g·kg-1以上，水汽通量在6～10 g·cm-1·hPa-1·s-1之間，水汽輻合強度維持在-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右。

(3)分析降雨過程期間的流場和水汽通量矢量場發現，有3條通向河西走廊西部地區的水汽輸送，分別為偏東路徑、偏南路徑和偏西路徑。其中兩支為異常遠距離路徑，分別是蒙古高壓低層偏東回流氣流引導的偏東路徑和南支槽槽前西南氣流在川西高原受高原切變影響折北越祁連山傳輸到河西走廊西部地區的偏南路經。

（4）暴雨期間，東邊界為最主要輸入邊界，西邊界為最主要輸出邊界，水汽輸送主要在對流層中低層，中低層東邊界水汽輸入貢獻最大，占各邊界水汽輸入總和的81.2%。

（5）利用HYSPLIT軌跡模型對過程期間暴雨區水汽軌跡作后向72 h追蹤發現，暴雨區水汽來源主要有3 條路徑，低層偏東路徑、中層偏南路徑和高層偏西路徑，對應的水汽源地為蒙古國東南部、新疆東部和里海。

（6）高層300 hPa干冷空氣侵入中層，與中低層上升氣流在暴雨區上空輻合交匯，對降水有一定的加強作用。