基于多源資料的一次暖區暴雨水汽特征分析

周 濤，李 娜，許 敏，王清川*，張湘涵

（1.河北省氣象與生態環境重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.廊坊市氣象局，河北 廊坊065000）

暖區暴雨的定義最早由黃土松等[1]針對華南前汛期暴雨提出，具體定義為：暴雨發生在鋒面的南側暖區，或是在北部沒有鋒面存在，且不受冷空氣或變性冷高脊控制，有時發生在西南氣流和東南氣流的匯合處，有鋒面時暴雨區位于地面鋒區以南200～300 km[1-2]。雖然此概念是針對華南地區提出，陳玥等[3]研究發現，在華南地區以外的其他地區也可產生暖區暴雨，多發生于距離地面冷鋒或850 hPa暖切變以南100～300 km的暖區范圍內，或是副熱帶高壓邊緣等。由于產生暖區暴雨的斜壓性強迫不明顯，邊界層的抬升機制復雜，數值模式對暴雨強度和落區的預報難度較大[4-6]，短時預報及臨近預警仍是目前的主要手段。

暖區暴雨的形成，同樣需要有充沛且持續穩定的水汽輸送[7-10]，因此分析暴雨過程中的水汽輸送特征對研究暖區暴雨的成因及預報都具有重要的意義。徐玥等[11-13]利用常規資料對暖區暴雨過程的水汽特征進行了分析研究。孫密娜等[7-8，14-15]在對暖區暴雨過程進行水汽特征分析時多結合了云圖和雷達等資料。此外，氣象工作者開始引入HYSPLIT模式對暴雨過程的水汽特征進行分析，孫建華等[16]、馬梁臣等[17]、許彬等[18]研究發現，利用HYSPLIT模式可得到暴雨區的水汽源地、輸送路徑，以及不同通道的水汽貢獻率。陶健紅等多位學者研究，發現，HYSPLIT模式在與水汽收支計算結果一樣的基礎上，具有更明顯的優勢[19-27]。

目前針對冀中平原暖區暴雨水汽輸送特征的研究較少，特別是基于多源資料的水汽來源與輸送的對比分析成果更少，需要對更多典型天氣過程開展多方位的相關研究。2021年7月5日暖區暴雨過程中，多家模式預報的暴雨落區、量級、降水大值中心等與實況都有明顯偏差，導致暴雨和大暴雨漏報，因此，對此次暖區暴雨過程中水汽來源及輸送的研究非常必要。本文在利用常規觀測資料、加密自動站資料、NCEP1°×1°再分析資料的基礎上，運用HYSPLIT模式結合廊坊大廠微波輻射計等新方法和新資料對此次過程的水汽輸送特征進行分析，以期為冀中平原地區的暖區暴雨預報提供更多參考。

1 資料和方法

本文主要使用的資料包括：常規氣象觀測資料、區域自動站資料、NCEP逐6 h再分析資料（1°×1°）以及廊坊大廠微波輻射計資料（數據經過質量控制）等，同時應用了HYSPLIT模式，模式數據來源于全球資料同化系統（GDAS）6 h一次的分析資料，水平分辨率1°×1°，向后的時間步長為1 h，逐小時輸出一次軌跡點的位置及相應位置上氣塊的物理屬性（氣壓、相對濕度、比濕等）。

HYSPLIT模式[28-29]，即拉格朗日混合單粒子軌道模式，通常用于跟蹤氣流所攜帶粒子的運動軌跡。最終的位置P（t+Δt）由初始位置P（t）和第一猜測位置P＇（t+Δt）插值的平均速率計算得出，公式如下：

，式中Δt為時間步長。利用軌跡上氣塊的比濕來表征水汽輸送情況，因為在不發生相變的情況下，氣塊內的比濕不隨環境溫度和氣壓的變化而變化[30]。模擬的起始高度固定，但每一條軌跡都是在拉格朗日空間進行模擬，其高度隨環流演變，即隨地點和時間變化。為更直觀地分析軌跡分布特征，文中引入簇分析方法，即先定義每個簇的空間方差為簇內每條軌跡與簇平均軌跡對應點的距離平方和，并將每條軌跡視為一簇，算出所有可能組合的兩個簇的空間方差，任選兩個簇合并為一個新簇，以使得合并后所有簇的空間方差之和（Total spatial variance，TSV）比合并前增加最小，一直進行到所有軌跡合并為一個簇。統計發現，剛開始時TSV迅速增加，之后增加緩慢，但分成一定數量的簇后，在進一步合并的過程中TSV又迅速增加，說明此時要合并的兩個簇相似性較差，因此把TSV即將再次迅速增大的點作為聚類運算的結束點，此時分出的各個簇即為聚類得到的最終簇[16，21]。文中給出的聚類結果，反映的是聚類后每一類軌跡的平均結果。

2 降雨實況和環流背景分析

2.1 降雨實況

2021年7月5日下午至夜間，冀中平原（選取廊坊、保定中東部和滄州西北部共25個縣（市、區）作為研究對象）中北部出現區域性暴雨天氣（圖1），最大降雨量（152.7 mm）出現在廊坊市安次區仇莊鄉，最大雨強（48.7 mm/h）出現在保定市易縣。降水主要集中在5日18時—6日00時，期間共有5個國家站出現短時強降水，雨強在30 mm/h以上的區域氣象站達到47個。過程中6站出現8級以上大風，其中在易縣狼牙山鎮南管頭村國家氣象觀測站出現極大風速25.4 m/s（十級）。綜上，本次天氣過程具有明顯的強對流特征。

圖1 2021年7月5日14時—6日08時冀中平原降雨量分布（單位：mm）

2.2 環流背景分析

7月5日08時，500和700 hPa槽均位于蒙古到內蒙古中西部地區，850 hPa在105°～115°E、40°N附近有“人”字形切變線，冀中平原處于暖切變線東部的西南暖濕氣流控制中，925 hPa同樣受西南氣流控制。14時（圖2），500和700 hPa槽移到蒙古中東部到內蒙古中西部地區，500 hPa有干舌從渤海北部向西延伸至西北地區，冀中平原處于干侵入區，925和850 hPa處于顯著濕區范圍內，構成“上干下濕”的不穩定層結，同時850 hPa“人”字形切變線移到晉冀交界，冀中平原位于暖切變區，925 hPa局地風速超過14 m/s，地面冷鋒位于內蒙古中部到河套東部地區，冀中平原處于地面風速輻合區，20時冷鋒移到張家口與北京交界附近。冀中平原在低層暖濕氣流控制、中高層干冷空氣入侵的垂直不穩定層結下，出現了一次顯著的暖區降水。

圖2 2021年7月5日14時高低空系統

3 基于HYSPLIT模式的水汽輸送特征

3.1 水汽來源及輸送

大氣中的水汽主要有2個來源，一是本地大氣的絕對含水量，二是外地水汽輸送及在本地輻合[7-8]。本次過程中，降水開始（14時）前冀中平原地面露點溫度為23℃，大氣可降水量最大為40.1 mm，依據Tian等[31]研究指出，大氣可降水量達到60 mm是我國東部地區短時強降水發生的充分條件，顯然冀中平原地區的短時強降水需要依靠外地水汽輸送。綜合考慮冀中平原各站的地理位置、降水量大值區和降水時間，選取2021年7月5日14時廊坊北部的大廠（116.98°E，39.88°N）作為模擬起始時間和起點。由于大氣中大部分水汽集中在對流層中低層[32]，因此垂直方向上選取800、1 500、3 000和5 500 m（分別代表925、850、700和500 hPa）4個高度作為模擬的起始高度，進行96 h后向軌跡模擬，并對其水汽路徑及貢獻進行分析。

根據圖3的分布情況，925 hPa的氣塊96 h前來自山西南部800 hPa附近，比濕為9.4 g/kg，之后氣塊在北上過程中高度略有上升，在到達山西中部后轉向偏東方向移動，伴隨高度迅速下降，比濕迅速增大，在經過山東西北部時又折向東北方向，最后途經渤海由東南方向到達暴雨區，此時比濕為12.3 g/kg。850 hPa的氣塊來自黃海西部，初始攜帶大量水汽，比濕為16.5 g/kg，較其他源地明顯偏高，氣塊前期在1 000 hPa高度近似做水平運動，進入河北東南部后略有抬升，到達暴雨區時比濕雖較源地有所下降，但仍可達到12 g/kg。700 hPa的氣塊來自蒙古中北部，初始比濕為8.4 g/kg，氣塊高度一路波動上升，比濕在2日達到峰值后開始波動下降，到達暴雨區時為7.1 g/kg。500 hPa的氣塊來自亞歐大陸500 hPa高空附近，初始比濕低于4 g/kg，氣塊運動過程中比濕一直維持在4 g/kg以下。由此可見，此次過程中850和925 hPa為主要的水汽來源。

圖3 2021年7月5日14時大廠（圖中★位置）4個高度層96 h后向軌跡水平分布（a）、垂直分布（b）和比濕分布（c）

3.2 聚類分析

3.2.1各通道水汽貢獻

分別計算925、850、700和500 hPa 4個高度層的通道水汽貢獻率，925 hPa高度上（圖4a）共有4條水汽輸送通道，其中西南路徑（通道1和3）水汽貢獻率最大，為57.57%，來源于韓國與日本之間海域的東南路徑（通道4）也占有18.19%，而通道1和4的水汽來源于黃海或途經黃海、渤海等海面，在東南氣流的引導下向西北方向移動，通道1的氣塊在到達河北中部時受西南氣流影響，最終由西南路徑到達暴雨區上空。850 hPa高度上（圖4c）共有3條水汽輸送通道，同樣是西南路徑（通道1和2）水汽貢獻率最大，為63.64%，其中通道2水汽來源于黃海附近海面，與925 hPa的通道1類似，引導氣流由東南轉向西南，最終由西南路徑到達暴雨區上空。700 hPa高度上（圖4e）以西北（通道3）和偏西路徑（通道1和2）占主導。500 hPa高度上（圖4g）只有西北（通道1、3和4）和偏西（通道2）兩條路徑。結合軌跡高度分布情況，925 hPa（圖4b）和850 hPa（圖4d）的主要水汽通道源地氣塊高度均位于850 hPa以下，氣塊在到達暴雨區前近似做水平運動，700 hPa（圖4f）的主要水汽通道源地氣塊高度位于700 hPa附近，之后一直維持在600～700 hPa。500 hPa（圖4h）的主要水汽通道源地氣塊高度位于500 hPa附近，隨后在向東移動過程中均呈上升趨勢，最高達到350 hPa以上，直至降水開始前24 h左右開始下降。

圖4 后向模擬96 h通過不同高度水汽傳輸通道在7月5日14時到達暴雨區水汽軌跡的水平分布和垂直分布以及通道水汽貢獻率

整體來看，源自低層的氣塊首先在東南氣流的引導下向西北方向移動，隨后轉為西南氣流的引導，通過西南路徑為暴雨區上空850和925 hPa帶來豐富的水汽，同時源自中高層的氣塊，隨著西風帶長波槽脊的運動，在西北或偏西氣流的引導下為暴雨區上空500 hPa帶來干空氣，使層結不穩定度加大，進而有利于強對流天氣的發生。

3.2.2整層水汽貢獻

為了更直觀地看到整層的水汽貢獻，對925～500 hPa整層高度的后向96 h（1日14時—5日14時）氣塊再分別進行后向24、48、72和96 h聚類（圖5a～5d），聚類結果以3或4條為主，其中后向24 h的聚類結果以西南路徑占主導，隨著后向時間的延長，聚類結果均以西北路徑占主導。

圖5 925～500 hPa分別后向24 h（a）、48 h（b）、72 h（c）、96 h（d）聚類

通過對4個高度層氣塊水汽含量定量分析，發現源自低層的氣塊，在東南或西南氣流的引導下，到達暴雨區上空925和850 hPa時，比濕均在12 g/kg，為暴雨區上空帶來豐富的水汽，作為其主要水汽通道的西南路徑水汽貢獻分別占57.57%和63.64%。源自亞歐大陸中高層的氣塊，整個過程中比濕都相對較小，隨著西風帶長波槽脊的運動，在西北或偏西氣流的引導下為暴雨區上空500 hPa帶來干空氣，使層結不穩定度加大，進而有利于強對流天氣的發生。通過上述分析表明，925和850 hPa西南路徑上的水汽是暴雨區最為主要的水汽通道和來源，500 hPa干空氣的入侵加大了層結不穩定度，有利于強對流天氣的發生。

4 水汽通量及比濕特征

5日14時，925 hPa（圖6a）和850 hPa（圖6b）在40°N以南有兩個水汽通量大值中心，最大值達到11 g/（cm·hPa·s），在西南或偏南氣流的引導下，高水汽通量不斷向暴雨區輸送，使得暴雨區比濕分別達到15和10 g/kg；700 hPa（圖6c）和500 hPa（圖6d）在105°E以西雖有水汽通量相對大值區和西南或偏西氣流的輸送，但因其絕對數值較小，為冀中平原帶來的水汽有限，暴雨區的比濕僅為1～5 g/kg。由此可見，925和850 hPa在相應引導氣流的作用下，水汽不斷向冀中平原輸送，為暴雨的形成提供了充足的水汽條件。

圖6 2021年7月5日14時925 hPa（a）、850 hPa（b）、700 hPa（c）和500 hPa（d）水汽通量（填色，單位：g/（cm·hPa·s））、比濕（等值線，單位：g/kg）與風場疊加

5 微波輻射計反演水汽特征

從圖7a中可以看到，5日06時，水汽總含量開始迅速上升，在09—10時達到最大，為38 mm，隨后略有下降，到14時為33 mm，此后由于降水的開始，水汽總含量迅速下降。圖7b顯示，從06時開始，925和700 hPa高度附近的相對濕度明顯增加，到09時達到70%～80%，同時500 hPa以下廓線從低到高逐漸呈現出干—濕交替分布的層結，與此同時，低層水汽密度（圖7c）也迅速增大，14時925、850和700 hPa的水汽密度分別達到14、12和8 g/m3，上述過程都反映出云中水汽在不斷積累。14時后隨著降雨的開始，干、濕交替分層現象趨于結束，整個過程中500 hPa的水汽密度一直維持在4 g/m3以下。可見，在降雨開始前，低層濕度在2～3 h內迅速增加，暴雨區上空925和850 hPa水汽總量大，結合大的水汽密度，有利于強降水的形成。

圖7 2021年7月5日大廠站微波輻射計反演的水汽總含量曲線（a，單位：mm）、相對濕度廓線（b，單位：%）和水汽密度廓線（c，單位：g/m3）

6 結論與討論

通過引入HYSPLIT模式和微波輻射計等新方法和新資料，對2021年7月5日冀中平原一次暖區暴雨過程的水汽輸送特征進行對比分析，得到如下結論：

（1）利用HYSPLIT模式對大廠進行4個高度層的96 h后向軌跡模擬，結果表明：降水開始前，500 hPa水汽含量較少，925和850 hPa的比濕在12 g/kg以上，是本次過程的主要水汽貢獻者。對925～500 hPa整層高度的后向96 h氣塊再分別進行后向聚類分析，后向24 h的聚類結果以偏南路徑占主導，隨著后向時間的延長，聚類結果均以西北路徑占主導。

（2）分別計算不同高度層的通道水汽貢獻率，得到925和850 hPa高度的主要水汽通道，是源自黃海或途經黃海、渤海等地的西南路徑，水汽貢獻率分別占57.57%和63.64%，為暴雨區低層帶來豐富的水汽，而500 hPa高度的水汽源地氣塊高度相對較高，在西北或偏西氣流的引導下為暴雨區上空帶來干空氣，使層結不穩定性加強。

（3）降雨開始前，925和850 hPa在相應引導氣流的作用下，水汽不斷向冀中平原輸送，使得豐富的水汽條件主要集中于低層大氣，而500 hPa上沒有明顯有利的水汽輸送條件，與HYSPLIT模式模擬的結果一致。

（4）應用微波輻射計對降雨過程的水汽特征進行分析，在降雨開始前，700 hPa以下濕度增加顯著，水汽總量和水汽密度大，有利于強降水的形成。

3種資料分析結果都表明，降雨開始前，暴雨區上空925和850 hPa的濕度條件都較好，而500 hPa為干空氣，HYSPLIT模式和微波輻射計兩種高時空分辨率資料的應用，可以及時且多方位分析水汽特征，為暖區暴雨落區、強度等精細化準確預報預警提供一定參考。此外，上述結論僅為一次暖區暴雨分析所得，仍需對更多相似個例進行研究和分析驗證。