新疆地处中国西北部,深居内陆,远离海洋,水汽匮乏,年均降水量约147 mm,属于典型的内陆干旱区。在全球气候变暖背景下,新疆由暖干向暖湿转型^[1],局部暴雨发生频次相应增多,南疆沿天山一带(天山南坡)的暴雨也呈现增多趋势^[2],因特殊下垫面暴雨极易引发山洪、泥石流等次生灾害。充沛的水汽、不稳定层结和触发抬升机制是暴雨形成条件,分析天山南坡复杂地形下暴雨水汽源地及输送特征对深入研究暴雨成因具有重要意义。

研究发现,中国东部季风区与西北干旱、半干旱区夏季气候平均水汽输送特征有明显差异,东部季风区水汽输送量经向比纬向大,而西北干旱、半干旱区则相反,且相差1个量级^[3];东部季风区水汽通道主要是印度洋、青藏高原南侧、西太平洋、西风带、孟加拉湾、南海通道,但不同区域降水异常的水汽通道差异明显,且同一水汽通道在夏季不同阶段与降水的关系也不尽相同^{[4,5,6,7,8,9]},而西北干旱区新疆夏季降水的气候平均水汽主要是西风带输送,但大范围强降水与来自低纬度的水汽密切相关^[10,11]。低层水汽从源地(如中亚、阿拉伯海、孟加拉湾等)输送至次源地(巴尔喀什湖、帕米尔高原、青藏高原、河西走廊等)聚集,在合适的条件下接力输送至暴雨区,造成新疆较大范围、持续性的暴雨天气^{[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]}。然而,新疆地域广袤,地形复杂,水汽输送不仅在南疆和北疆存在差异,南疆盆地的不同区域也差别明显^[17]。关于新疆暴雨水汽来源及输送路径的研究主要基于欧拉方法,由于大气风场具有瞬时性,欧拉方法给出的水汽通量随时间变化具有瞬变特征,最终只能给出简单的水汽输送路径,无法定量给出各水汽源地对暴雨的贡献,而HYSPLIT模式弥补了这一缺陷,通过模拟气团在一定时间内三维运动轨迹,确定水汽输送通道及其对暴雨的贡献^[5]。因此,本文运用HYSPLIT模式,模拟分析天山南坡暖季暴雨的水汽来源及输送特征,以期进一步提高该区域暴雨形成机理认识及预报水平。

天山南坡(80°E—88°E、40°N—43°N)位于天山山脉南部,塔克拉玛干沙漠北缘,地形地貌复杂多样,有高山、盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠、平原绿洲等,海拔在930~1240 m之间(图1)。由于地处欧亚大陆中纬度腹地,北有天山、西有帕米尔高原阻滞西风带来的水汽,南有昆仑山阻滞印度洋带来的水汽,造成天山南坡独特的大陆性干旱气候,这里多晴少雨,日照充足,空气干燥,光热资源丰富,气温年、日较差大,无霜期长。

研究区包括阿克苏中东部(有阿克苏、温宿、拜城、库车、新和、沙雅、阿拉尔、阿瓦提站)和巴音郭楞蒙古自治州北部(有库尔勒、和静、和硕、轮台、尉犁、焉耆、铁干里克、巴音布鲁克站)地区。

使用了天山南坡1981—2020年暖季(5—9月,下同)16个国家级气象站(图1)20:00—20:00(北京时,下同)的逐日降水量数据以及NCEP/NCAR GDAS逐6 h再分析资料(水平分辨率2.5°×2.5°)。按照新疆暴雨标准[24.0 mm<R(日降水量)≤48.0 mm为暴雨,R≥48.1 mm为大暴雨],筛选出10次暴雨过程。

利用HYSPLIT后向轨迹模式,模拟追踪天山南坡暖季暴雨水汽源地及输送特征。HYSPLIT是NOAA空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种可处理不同气象要素输入、不同排放源和不同物理过程的输送、扩散、沉降过程的模式系统,能够追踪气块的来源^[25,26,27]。10次暴雨过程的暴雨中心(图1,其中拜城和沙雅站各出现2次)测站海拔高度为933~1231 m,因此,暴雨中心初始高度设为测站海拔高度,模拟追踪暴雨中心500 hPa(5000 m)、700 hPa(3000 m)、850 hPa(1500 m)至地面气团的水汽三维运动轨迹,模拟开始时间为暴雨日20:00,向后追踪168 h,每6 h重新向后追踪一次。然后,分别将各高度层的后向轨迹路径进行聚类分析,遵循类与类间差异极大而同一类内部差异极小的原则^[25,26,27],得到168 h后向追踪的平均轨迹,以此分析10次暴雨过程在上述3个高度上水汽来源及输送轨迹特征,并运用相关分析方法探讨水汽源地与暴雨区的相关性。

由表1可知,近40 a天山南坡暖季共出现10次暴雨过程,过程持续1 d的有7次,最大日雨量为58.4 mm,发生在1987年6月11日阿克苏地区沙雅站;过程持续4 d的有2次,分别是1992年7月2—5日和2013年6月16—19日,前一次过程发生在天山山区及其南北两侧,过程最大日雨量(61.3 mm)和累计雨量(94.7 mm)均出现在天池站,其中天山南坡有6站次出现暴雨,最大日雨量出现在和硕站(57.3 mm),而后一次暴雨过程主要发生在天山南坡,最大日雨量出现在阿克苏地区的温宿站(67.8 mm)。可见,天山南坡暖季暴雨过程最大日雨量与暴雨持续时间无关。

天山南坡暖季暴雨过程,100 hPa南亚高压多呈典型的双体型,长波槽位于巴尔喀什湖及其以南的中亚地区,天山南坡处于200 hPa西南高空急流附近的分流辐散区[图2(a)]。500 hPa高度[图2(b)]上,欧亚范围为两脊一槽的经向环流,其中伊朗副热带高压向北发展,并与里、咸海高压脊叠加,环流经向度大;西西伯利亚至中亚地区为低槽活动区,槽底南伸至30°N附近,天山南坡受低槽前西南气流控制,有利于低纬度水汽向暴雨区输送;新疆东部至贝加尔湖为经向度较大的高压脊。低槽前有短波东移北上,是天山南坡暖季暴雨的主要影响系统之一。700 hPa高度[图2(c)]上,南疆盆地东部的东南风与西部的偏西风在天山南坡形成切变辐合,且东南风与天山山脉近乎垂直,有利于地形辐合抬升,使得水汽在暴雨区辐合加强,为该区域暴雨的产生提供动力和水汽条件。

4.2.1 500 hPa

500 hPa上,天山南坡暖季10次暴雨过程聚类得到的水汽轨迹有41条(图3),33条自源地经塔吉克斯坦、吉尔吉斯坦、阿富汗东北部、巴基斯坦北部和印度西北部(简称“TKAP”)关键区,翻越西天山(帕米尔高原),再从偏西(西南)路径接力输送至暴雨区;5条自源地翻越天山或东灌进入南疆盆地(简称“南疆关键区”)后,再从偏南(西南、东南)路径进入暴雨区;3条自源地经巴尔喀什湖到伊犁(简称“北疆关键区”),翻越天山后,从偏西(西南)路径直接进入暴雨区。

图4对应给出各暴雨过程不同水汽后向轨迹比湿随时间的变化。另外,统计了天山南坡暖季10次暴雨500 hPa水汽源地、后向轨迹及水汽贡献率、高度、比湿,结果见表2。

(1)TKAP关键区

由表2可知,TKAP关键区的水汽主要来自于中亚(包括里海、咸海和乌拉尔山中南部、西西伯利亚南部60°N以南区域,简称“源地Ⅰ”),有10条轨迹,其次是大西洋及其沿岸(简称“源地Ⅱ”)8条,地中海和黑海及其附近(简称“源地Ⅲ”)5条,西亚(伊朗)和南亚(印度、巴基斯坦)3条、北欧3条及北美洲、中欧、东欧、西西伯利亚西部各1条(简称“其他源地”)。

源地Ⅰ的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是14%~46%(平均28%),水汽从源地54~2952 m(平均1315 m)高度向500 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为4.08~7.52 g·kg^-1(平均6.12 g·kg^-1),水汽沿途损失较多(56%),到达暴雨区时减为1.84~3.83 g·kg^-1(平均2.68 g·kg^-1)。源地Ⅱ的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是7%~39%(平均18%),较源地Ⅰ偏少;水汽从源地2167~7310 m(平均5529 m)高度向500 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为0.57~5.10 g·kg^-1(平均1.67 g·kg^-1),到达暴雨区时为1.00~2.42 g·kg^-1(平均1.60 g·kg^-1),表明该源地水汽沿途几乎无损失。源地Ⅲ的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是14%~43%(平均30%),略高于源地Ⅰ;水汽从源地3432~5249 m(平均4448 m)高度向500 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为1.43~2.69 g·kg^-1(平均1.87 g·kg^-1),到达暴雨区时略有减少,为0.54~1.87 g·kg^-1(平均1.52 g·kg^-1),表明该源地水汽沿途损失较少。其他源地的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是4%~50%(平均24%);水汽从源地62~7521 m(平均3755 m)高度向500 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为0.18~18.38 g·kg^-1(平均5.13 g·kg^-1),水汽沿途损失较多(55%),到达暴雨区时减为0.78~3.86 g·kg^-1(平均2.29 g·kg^-1)。

综上可见,TKAP关键区水汽源地对天山南坡暖季暴雨区500 hPa水汽的贡献由高至低依次为源地Ⅲ、源地Ⅰ、其他源地、源地Ⅱ,源地Ⅰ和其他源地的水汽在向天山南坡暴雨区沿途输送过程中损失较大,而源地Ⅱ和源地Ⅲ的水汽输送沿途损失较少,尤其是源地Ⅱ几乎无损失。

(2)南疆关键区

南疆关键区的水汽主要源自北疆(2条),蒙古、乌克兰、北欧各1条,水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是11%~46%(平均29%),其从源地143~6316 m(平均3297 m)高度向500 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为0.66~8.81 g·kg^-1(平均3.50 g·kg^-1),水汽沿途损失较少(23%),到达暴雨区时减为1.78~3.94 g·kg^-1(平均2.70 g·kg^-1)(表2)。

(3)北疆关键区

北疆关键区的水汽源自北美洲、大西洋沿岸、巴尔喀什湖,水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是11%~14%(平均13%),其从源地54~8510 m(平均4925 m)高度向500 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为0.60~9.25 g·kg^-1(平均3.74 g·kg^-1),水汽沿途损失较多(55%),到达暴雨区时减为1.55~1.83 g·kg^-1(平均1.67 g·kg^-1)(表2)。

综上所述,天山南坡暖季暴雨500 hPa水汽自源地主要途经TKAP、南疆、北疆3个关键区,其中南疆关键区水汽对暴雨贡献最大,北疆关键区贡献最小,且各源地的水汽主要从1000 m以上高度向暴雨区500 hPa高空输送。

4.2.2 700 hPa

700 hPa上,天山南坡暖季10次暴雨过程聚类得到了37条水汽轨迹(图略),其中18条自源地经TKAP关键区,主要从偏西(西南、西北)路径输入暴雨区;12条自源地翻越天山进入南疆关键区,从偏南(偏东)路径接力输送至暴雨区;7条自源地经北疆关键区,翻越天山后直接从偏北路径进入暴雨区。表3统计了天山南坡暖季10次暴雨700hPa水汽源地、后向轨迹和水汽贡献率、高度及比湿。

(1)TKAP关键区

从表3可知,TKAP关键区的水汽主要来自源地Ⅰ(12条),其次是源地Ⅲ(4条),还有北欧和北疆各1条(简称“其他Ⅰ源地”),其中源地Ⅰ的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是11%~54%(平均30%),其从源地81~2931 m(平均705 m)高度向700 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为1.88~8.16 g·kg^-1(平均5.61 g·kg^-1),水汽沿途有部分损失(16%),到达暴雨区时减为3.20~5.80 g·kg^-1(平均4.70 g·kg^-1);其他Ⅰ源地的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是4%~29%(平均14%),其从源地34~4973 m(平均3262 m)高度向700 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为0.90~4.40 g·kg^-1(平均2.62 g·kg^-1),到达暴雨区时增为2.92~5.39 g·kg^-1(平均4.32 g·kg^-1),表明该源地水汽沿途显著增加(65%),其原因主要是其他Ⅰ源地的6条轨迹中有4条水汽从源地3386~4973 m高度向700 hPa暴雨区输送,通常对流层中的水汽随高度降低而增加。

(2)南疆关键区

南疆关键区水汽主要来自源地Ⅰ(8条),其次是南疆和北疆各2条(简称“其他Ⅱ源地”),源地Ⅰ的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是18%~57%(平均35%),其从源地2~4406 m(平均1262 m)高度向700 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为2.61~8.57 g·kg^-1(平均5.98 g·kg^-1),到达暴雨区时减为3.23~7.24 g·kg^-1(平均4.91 g·kg^-1),水汽沿途损失较少(18%);其他Ⅱ源地的水汽对天山南坡暖季暴雨的贡献是14%~43%(平均25%),其从源地近地层(平均15 m)向700 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为6.60~9.50 g·kg^-1(平均8.42 g·kg^-1),到达暴雨区时降为4.63~5.80 g·kg^-1(平均5.23 g·kg^-1),水汽沿途损失较多(38%)(表3)。

(3)北疆关键区

北疆关键区的水汽主要来自源地Ⅰ(3条)、北欧(2条)、乌克兰和新地岛(各1条),对天山南坡暖季暴雨的贡献是11%~46%(平均25%)。水汽从源地324~4180 m(平均2215 m)高度向700 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为1.17~7.80 g·kg^-1(平均4.11 g·kg^-1),到达暴雨区时减为2.46~5.22 g·kg^-1(平均3.92 g·kg^-1),水汽沿途损失较少(表3)。

综上所述,天山南坡暖季暴雨700 hPa水汽主要来自源地Ⅰ,其中南疆关键区的水汽对暴雨贡献最大,且沿途水汽损失也最大,而TKAP关键区的水汽贡献最小;北疆和南疆盆地的水汽以及源地Ⅰ大部水汽(88.5%)自源地1000 m以下高度向700 hPa暴雨区输送,而其他源地的水汽自源地1000 m以上高度向700 hPa暴雨区输送。

4.2.3 850 hPa

850 hPa上,天山南坡暖季10次暴雨过程聚类得到31条水汽轨迹(图略),其中21条自源地进入北疆关键区后翻越天山,直接从偏北路径进入暴雨区,这与500、700 hPa一致,但在850 hPa上表现得更为突出;6条自源地经TKAP关键区,从西北(偏西)路径再接力输送至暴雨区;4条自源地经北疆翻越天山后进入南疆关键区,从偏东(东北、东南)路径再接力输送至暴雨区。表4统计了天山南坡暖季10次暴雨850 hPa水汽源地、后向轨迹和水汽贡献率、高度及比湿。

(1)北疆关键区

由表4看出,北疆关键区的水汽主要来自源地Ⅰ(15条),其对天山南坡暖季暴雨的贡献是18%~89%(平均42%),水汽从源地近地层(平均71 m)向850 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为3.77~12.58 g·kg^-1(平均7.91 g·kg^-1),水汽沿途损失较多(26%),到达暴雨区时减为4.63~7.57 g·kg^-1(平均5.86 g·kg^-1)。来自北疆(3条)、新地岛和泰米尔半岛(2条)、南疆(1条)的水汽(简称“其他Ⅲ源地”)对天山南坡暖季暴雨的贡献是7%~21%(平均14%),水汽从源地4~2287 m(平均751 m)高度向850 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为1.70~10.40 g·kg^-1(平均5.78 g·kg^-1),到达暴雨区时变为5.48~7.78 g·kg^-1(平均6.40 g·kg^-1),表明水汽沿途略有增加(11%)。

(2)TKAP关键区

TKAP关键区的水汽主要来自源地Ⅰ(5条)和北疆(1条),其对暴雨的贡献是11%~50%(平均29%),水汽从源地近地层(平均139 m)向850 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为3.73~7.28 g·kg^-1(平均5.9 g·kg^-1),到达暴雨区时为4.73~6.65 g·kg^-1(平均5.69 g·kg^-1),水汽沿途损失较少(表4)。

(3)南疆关键区

南疆关键区的水汽源自巴尔喀什湖和北疆(各2条),其对天山南坡暖季暴雨的贡献是18%~50%(平均29%),水汽从源地近地层(平均35 m)向850 hPa暴雨区输送,在源地的比湿为5.04~9.82 g·kg^-1(平均7.63 g·kg^-1),水汽沿途有损失(16%),到达暴雨区时减为5.1~7.6 g·kg^-1(平均6.41 g·kg^-1)(表4)。

综上所述,天山南坡暖季暴雨850 hPa水汽主要来自源地Ⅰ,水汽主要从源地近地层向850 hPa暴雨区输送,且3个关键区的水汽对暴雨贡献大体相当,水汽沿途损失最大的是南疆关键区,最小的是TKAP关键区。

通过上述分析,概括出天山南坡暖季暴雨过程水汽三维精细化结构模型(图5)。500 hPa上,水汽自源地随西风气流到达TKAP关键区后翻越西天山(帕米尔高原),主要从偏西路径进入暴雨区(占80.5%);水汽从源地经北疆翻越天山(东灌)进入南疆关键区,主要从偏南路径进入暴雨区(占12.2%),而水汽从北疆关键区翻越天山进入暴雨区的较少。700 hPa上,水汽自源地到达TKAP关键区的轨迹占比明显小于500 hPa,但仍占主导地位,而自源地到达南疆和北疆关键区的轨迹占比较500 hPa明显提升,分别为32.4%、18.9%。850 hPa上,水汽自源地到达北疆关键区的轨迹占主导地位(67.7%),而自源地进入南疆和TKAP关键区的水汽轨迹占比明显降低。

经相关分析(表5)发现,当源地水汽对天山南坡暴雨的贡献不变时,暴雨区比湿与源地的水汽高度呈负相关,而与源地比湿呈正相关,尤其是暴雨区500 hPa相关性更显著;当源地水汽高度不变时,暴雨区各高度层比湿与源地比湿呈显著正相关,且500 hPa相关性更显著,而源地水汽对暴雨区850 hPa贡献显著;当源地比湿不变时,源地水汽对暴雨区850 hPa贡献显著,两者表现为负相关关系。

(1)天山南坡暖季暴雨主要发生在南亚高压双体型结构、高空西南急流附近的分流辐散区,500 hPa西西伯利亚至中亚地区有低槽活动,暴雨区处于槽前西南气流控制,同时700 hPa南疆盆地东部的东南风与西部的偏西风在天山南坡暴雨区形成切变辐合,且东南风遇天山山脉地形阻挡辐合抬升,为暴雨的产生提供有利动力和水汽条件。

(2)天山南坡暖季暴雨的水汽源地主要有3个,分别是中亚地区、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近。水汽主要从3个通道输入暴雨区:水汽自源地经TKAP关键区翻越西天山(帕米尔高原),主要从偏西通道输入暴雨区;水汽自源地经北疆关键区翻越天山山脉,主要从偏北通道直接输入暴雨区;水汽自源地经北疆翻越天山山脉(东灌)到达南疆关键区,主要从偏南通道输入暴雨区。

(3)在对流层中低层贡献最大的均为偏南的水汽通道,损失最大的低层为偏南通道,高层为偏北通道;源自中亚地区的水汽主要从1000 m以下高度输送至700 hPa及以下暴雨区,对暴雨贡献较大,而源自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近的水汽主要从1000 m以上高度输送至700 hPa以上暴雨区,对暴雨贡献较小。另外,500、700 hPa偏西通道的水汽输入占主导地位(分别占80.5%、48.6%),但700 hPa偏南(32.4%)和偏北(18.9%)通道的水汽输入也不容忽视;850 hPa偏北通道的水汽输入占主导地位(67.7%),而偏西(19.4%)和偏南(12.9%)通道的水汽输入也应引起重视。

(4)当源地水汽对暴雨的贡献不变时,各高度层暴雨区比湿与源地比湿呈正相关,而与源地水汽高度呈负相关,尤其是500 hPa相关性更显著;当源地水汽高度不变时,暴雨区各层比湿与源地比湿均呈显著正相关,且500 hPa相关性更显著,但源地水汽仅对暴雨区850 hPa贡献显著;当水汽源地比湿不变时,源地水汽对暴雨区850 hPa贡献显著,两者呈显著负相关。

(5)天山南坡暖季暴雨,对流层中低层有来自北疆、南疆盆地自身蒸发的水汽以及北美洲和蒙古源地的水汽,这与以往研究成果^{[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]}不同。