天山南坡暖季暴雨过程的水汽来源及输送特征

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-01-0030

摘要/Abstract

摘要：

利用1981—2020年5—9月天山南坡16个气象站逐日降水资料和NCEP/NCAR GDAS再分析资料,分析天山南坡暖季暴雨过程的环流形势,并采用HYSPLIT模式,模拟追踪水汽源地及输送特征。结果表明:天山南坡暖季暴雨主要发生在南亚高压双体型、500 hPa以上西南急流(气流)、700 hPa切变辐合以及天山地形辐合抬升的重叠区域。水汽主要源自中亚、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近,经TKAP(塔吉克斯坦、吉尔吉斯坦、阿富汗东北部、巴基斯坦北部和印度西北部)、南疆、北疆关键区,分别从偏西、偏南、偏北通道输入暴雨区,700 hPa以上偏西通道、以下偏北通道占主导地位,且贡献最大的是南疆关键区。源自中亚的水汽主要输送至暴雨区700 hPa及以下,对暴雨的贡献较大,且沿途损失较大;源自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近的水汽主要输送至暴雨区700 hPa以上,对暴雨的贡献较小。另外,中低层还存在源自北疆、南疆、北美洲东部、蒙古的水汽。基于上述特征,建立了天山南坡暖季暴雨过程水汽三维精细化结构模型。

关键词: 暴雨过程, 水汽来源及输送, HYSPLIT模式, 天山南坡

Abstract:

The abundant water vapor supply is a necessary condition for heavy rainfall, especially in arid area with complex terrain on southern slope of the Tianshan Mountains. Based on daily precipitation at sixteen weather stations of southern slope of the Tianshan Mountains and NCEP/NCAR GDAS reanalysis data from May to September during 1981-2020, the circulation situation of rainstorms in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains was analyzed, and the water vapor source and transport trajectory was simulated and clustered by using HYSPLIT model and cluster analysis. The results show that the rainstorms in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains mainly occurred over the overlap area of the South Asia high pressure with double pattern, southwesterly jet (airflow) above 500 hPa, 700 hPa shear convergence and topographic force lifting of the Tianshan Mountains. Water vapor mainly came from Central Asia, the Atlantic Ocean and its coasts, the Mediterranean Sea and the Black Sea and adjacent areas, through the key areas of TKAP (Tajikistan, Kyrgyzstan, northeastern Afghanistan, northern Pakistan and northwestern India), southern and northern Xinjiang, it mainly transported into rainstorm areas by the westerly, southerly, northerly channels, respectively. The water vapor above 700 hPa and below 700 hPa over rainstorm areas mainly came from the westerly and northerly channels, respectively, and the contribution of water vapor in the key area of southern Xinjiang to rainstorms was the maximum. The water vapor from central Asia mainly transported to 700 hPa and below, the contribution to rainstorms was greater, and the damage of water vapor was more along the transport way, while the water vapor from the Atlantic Ocean and its coastal areas, the Mediterranean Sea and the Black Sea mainly transported above 700 hPa, and the contribution to rainstorms was relatively smaller. In additional, the water vapor in middle and lower troposphere came from northern and southern Xinjiang, eastern North America and Mongolia. Based on the above characteristics, a three-dimensional fine structure model of water vapor for rainstorm processes in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains was established.

Key words: rainstorm process, vapor sources and transport, HYSPLIT model, on southern slope of the Tianshan Mountains

中图分类号:

P458

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图/表 10

图1 天山南坡(虚线矩形)及周边地形高度(灰色阴影,单位:m)和气象站点(黑点)分布(黑色小方框包围的点为暴雨中心)

Fig.1 The distribution of terrain height (grey shadows, Unit: m) on southern slope of the Tianshan Mountains (dashed rectangle) and its surroundings and weather stations (black dots) (the black dots enclosed by box for rainstorm centers)

表1 1981—2020年天山南坡暖季10次暴雨过程概况

Tab.1 Survey of 10 rainstorm processes in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains from 1981 to 2020

日期	持续时间/d	暴雨站次		研究区最大日雨量及站点		日平均雨量/mm	最大过程雨量及站点
日期	持续时间/d	研究区	过程	雨量/mm	观测站	日平均雨量/mm	雨量/mm	观测站
1981年7月31日	1	3	4	30.0	巴仑台	27.3	30.0	巴仑台
1987年6月11日	1	4	4	58.4	沙雅	41.2	58.4	沙雅
1992年6月18日	1	3	4	40.2	沙雅	35.5	40.2	沙雅
1992年7月2—5日	4	6	17	57.3	和硕	35.3	94.7	天池
1997年5月11日	1	4	4	57.7	拜城	41.2	57.7	拜城
1997年6月29日	1	3	4	31.7	阿克苏	28.3	31.7	阿克苏
2007年7月16—17日	2	3	14	39.9	轮台	45.6	61.5	和丰
2010年7月29日	1	3	4	31.7	拜城	28.6	31.7	拜城
2013年6月16—19日	4	6	7	67.8	温宿	37.6	67.8	温宿
2015年9月8日	1	3	3	25.7	阿拉尔	25.2	25.7	阿拉尔

图2 天山南坡暖季暴雨过程的环流形势 (a)100 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和200 hPa高空急流(阴影,单位:m·s-1), (b)500 hPa位势高度场(黑色实等值线,单位:dagpm)、风场(风羽,单位:m·s-1)及温度场(红色虚等值线,单位:℃), (c)700 hPa位势高度场(黑色实等值线,单位:dagpm)、风场(风羽,单位:m·s-1)、温度场(红色虚等值线,单位:℃)及水汽通量散度(阴影,单位:10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1) (蓝色区域为3000 m以上高度的青藏高原)

Fig.2 Circulation situations of rainstorm process in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains (a) 100 hPa geopotential height field (isolines, Unit: dagpm) and 200 hPa upper-level jet stream (shadow, Unit: m·s-1), (b) 500 hPa geopotential height field (black solid isolines, Unit: dagpm), wind field (barbs, Unit: m·s-1) and temperature field (red dotted isolines, Unit: ℃), (c) 700 hPa geopotential height field (black solid isolines, Unit: dagpm), wind field (barbs, Unit: m·s-1), temperature field (red dotted isolines, Unit: ℃) and water vapor flux divergence (shadows, Unit: 10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1) (the blue area for the Tibet Plateau with elevation more than 3000 m)

图3 天山南坡暖季10次暴雨过程500 hPa水汽后向轨迹的空间分布及高度变化 (a) 31 July 1981, (b) 11 June 1987, (c) 18 June 1992, (d) 4 July 1992, (e) 11 May 1997, (f) 29 June 1997, (g) 16 July 2007, (h) 29 July 2010, (i) 17 June 2013, (j) 8 September 2015 (1~5为水汽后向轨迹,其后面的百分数表示水汽贡献率)

Fig.3 Spatial distribution and height variation of 500 hPa water vapor backward trajectory for 10 rainstorm processes in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains (a)1981-07-31,(b)1987-06-11,(c)1992-06-18,(d)1992-07-04,(e)1997-05-11,(f)1997-06-29,(g)2007-07-16,(h)2010-07-29,(i)2013-06-17,(j)2015-09-08 (Numbers from 1 to 5 represent water vapor backward trajectories, and the percentage followed by number is contribution rate of water vapor)

图4 天山南坡暖季10次暴雨过程500 hPa不同水汽后向轨迹的比湿逐时变化 (a) 31 July 1981, (b) 11 June 1987, (c) 18 June 1992, (d) 4 July 1992, (e) 11 May 1997, (f) 29 June 1997, (g) 16 July 2007, (h) 29 July 2010, (i) 17 June 2013, (j) 8 September 2015 (C1、C2、C3、C4、C5分别对应图3中1、2、3、4、5轨迹)

Fig.4 The hourly change of specific humidity under different water vapor backward trajectory on 500 hPa for 10 rainstorm processes in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains (a)1981-07-31,(b)1987-06-11,(c)1992-06-18,(d)1992-07-04,(e)1997-05-11,(f)1997-06-29,(g)2007-07-16,(h)2010-07-29,(i)2013-06-17,(j)2015-09-08 (C1, C2, C3, C4, C5 correspond to trajectory 1, 2, 3, 4, 5 in Fig.3, respectively)

表2 天山南坡暖季暴雨500 hPa水汽源地及水汽贡献率、高度和比湿

Tab.2 The 500 hPa water vapor source of rainstorm in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains and the contribution rate, height and specific humidity of water vapor

关键区	水汽源地	轨迹/ 条	贡献率/%		源地水汽高度/m		源地比湿/(g·kg^-1)		暴雨区比湿/(g·kg^-1)		损失率/%
关键区	水汽源地	轨迹/ 条	范围	平均	范围	平均	范围	平均	范围	平均	损失率/%
TKAP	源地Ⅰ	10	14~46	28	54~2952	1315	4.08~7.52	6.12	1.84~3.83	2.68	56
	源地Ⅱ	8	7~39	18	2167~7310	5529	0.57~5.10	1.67	1.00~2.42	1.60	4
	源地Ⅲ	5	14~43	30	3432~5249	4448	1.43~2.69	1.87	0.54~1.87	1.52	19
	其他源地	10	4~50	24	62~7521	3755	0.18~18.38	5.13	0.78~3.86	2.29	55
南疆	北疆、蒙古、乌克兰、北欧	5	11~46	29	143~6316	3297	0.66~8.81	3.50	1.78~3.94	2.70	23
北疆	北美洲、大西洋沿岸、巴尔喀什湖	3	11~14	13	54~8510	4925	0.60~9.25	3.74	1.55~1.83	1.67	55

表3 天山南坡暖季暴雨700 hPa水汽源地及水汽贡献率、高度和比湿

Tab.3 The 700 hPa water vapor source of rainstorm in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains and the contribution rate, height and specific humidity of water vapor

关键区	水汽源地	轨迹/ 条	贡献率/%		源地水汽高度/m		源地比湿/(g·kg^-1)		暴雨区比湿/(g·kg^-1)		损失率/%
关键区	水汽源地	轨迹/ 条	范围	平均	范围	平均	范围	平均	范围	平均	损失率/%
TKAP	源地Ⅰ	12	11~54	30	81~2931	705	1.88~8.16	5.61	3.20~5.80	4.70	16
	其他Ⅰ源地	6	4~29	14	34~4973	3262	0.90~4.40	2.62	2.92~5.39	4.32	-65
南疆	源地Ⅰ	8	18~57	35	2~4406	1262	2.61~8.57	5.98	3.23~7.24	4.91	18
	其他Ⅱ源地	4	14~43	25	0~28	15	6.60~9.50	8.42	4.63~5.80	5.23	38
北疆	源地Ⅰ、北欧、乌克兰和新地岛	7	11~46	25	324~4180	2215	1.17~7.80	4.11	2.46~5.22	3.92	5

表4 天山南坡暖季暴雨850 hPa水汽源地及水汽贡献率、高度和比湿

Tab.4 The 850 hPa water vapor source of rainstorm in warm season on southern slope of the Tianshan Mountains and the contribution rate, height and specific humidity of water vapor

关键区	水汽源地	轨迹/ 条	贡献率/%		源地水汽高度/m		源地比湿/(g·kg^-1)		暴雨区比湿/(g·kg^-1)		损失率/%
关键区	水汽源地	轨迹/ 条	范围	平均	范围	平均	范围	平均	范围	平均	损失率/%
北疆	源地Ⅰ	15	18~89	42	1~596	71	3.77~12.58	7.91	4.63~7.57	5.86	26
	其他Ⅲ源地	6	7~21	14	4~2287	751	1.70~10.40	5.78	5.48~7.78	6.40	-11
TKAP	源地Ⅰ 和北疆	6	11~50	29	13~505	139	3.73~7.28	5.90	4.73~6.65	5.69	4
南疆	巴尔喀什湖和北疆	4	18~50	29	27~40	35	5.04~9.82	7.63	5.10~7.60	6.41	16

图5 天山南坡暖季暴雨过程的水汽三维精细化结构模型

Fig.5 Three-dimensional fine structure model of water vapor of rainstorm processes on southern slope of the Tianshan Mountains

表5 天山南坡暖季暴雨区不同高度比湿与源地水汽高度、比湿和贡献率之间的相关关系

Tab.5 The correlation between specific humidity on different heights of rainstorm area on southern slope of the Tianshan Mountains in warm season and water vapor height, specific humidity, contribution rate over water vapor source area

源地气象要素	暴雨区比湿
源地气象要素	500 hPa	700 hPa	850 hPa	500 hPa	700 hPa	850 hPa	500 hPa	700 hPa	850 hPa
水汽高度	-0.536^**	0.072	-0.145	-	-	-	-0.065	0.227	0.260
气团比湿	0.627^**	0.302	0.397^*	0.393^**	0.399^*	0.457^*	-	-	-
水汽贡献率	-	-	-	0.094	0.183	-0.432^*	-0.081	0.065	-0.409^*

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