西藏昌都強(qiáng)降水的環(huán)流分型及其水汽軌跡分析

邊 瓊 ,黃 鵬 ,卓 永 ,孫曉光 ,普布次仁

（1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，拉薩 850000；2.西藏昌都市氣象局，昌都 854000）

引言

昌都地處西藏自治區(qū)東部，青藏高原東南部，處于金沙江以西、伯舒拉嶺以東，橫斷山脈的三江流域，境內(nèi)山川并列，從西到東依次為伯舒拉嶺、怒江、他念他翁山、瀾滄江、寧靜山、金沙江，地勢(shì)西北高，東南低，自西北向東南傾斜。作為藏東三江流域的典型代表城市，夏季受伊朗高壓和西太平洋副熱帶高壓影響，氣流輻合上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，多突發(fā)的局地強(qiáng)對(duì)流性天氣，加之海洋氣流影響增強(qiáng)，使得該地區(qū)雨日較多，降水集中，占全年降水總量的85%[1?3]。

水汽是降水的最重要條件，水汽輸送問題也是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)[4?8]。對(duì)于青藏高原及周邊地區(qū)，已有學(xué)者[4，9?13]分析發(fā)現(xiàn)該地區(qū)降水量存在明顯季節(jié)和地區(qū)性變化，并且不同季節(jié)的水汽來源存在很大的差異，冬、春季的水汽主要來自中緯度的偏西風(fēng)水汽輸送，夏季主要來源于孟加拉灣和南海，秋季水汽主要是西風(fēng)帶水汽通道、孟加拉灣水汽通道、印度洋?孟加拉灣水汽通道。如王霄等[14]的研究表明，水汽進(jìn)入高原主要通過三條水汽通道，即西風(fēng)帶水汽輸送通道、印度洋?孟加拉灣水汽通道和南海?孟加拉灣水汽通道，水汽主要在高原西南 側(cè)、喜馬拉雅山中段和高原東南側(cè)進(jìn)入高原?？偟恼f來，已有研究大多著眼于青藏高原水汽輸送對(duì)中下游的影響，加之缺乏觀測(cè)資料等問題，對(duì)青藏高原及周邊地區(qū)強(qiáng)降水天氣的環(huán)流分型和水汽軌跡研究相對(duì)較少，亟需加強(qiáng)。

為了進(jìn)一步提高昌都地區(qū)強(qiáng)降水的有效預(yù)報(bào)，本文從天氣學(xué)原理角度出發(fā)，在強(qiáng)降水環(huán)流分型的基礎(chǔ)上，利用HYSPLIT后向軌跡模式追蹤不同等級(jí)強(qiáng)度降水的水汽輸送軌跡，以期為提升天氣預(yù)報(bào)服務(wù)水平和加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對(duì)能力提供科技支撐。

1 資料選取和模式簡(jiǎn)介

本文選取18個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)，其中以昌都站（31.15°N、97.17°E）為中心，昌都境內(nèi)（28.43°～32.53°N、93.59°～99.12°E）有7個(gè)國家氣象觀測(cè)站點(diǎn)；接壤昌都的林芝、那曲、青海、甘孜等地為昌都周邊地區(qū)，有11個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)。選用了1989～2018年上述18個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日降水資料、NCEP/NCAR再分析資料以及NCEP（美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）提供的全球資料同化系統(tǒng)GDAS數(shù)據(jù)（UTC，世界時(shí)）。

鑒于昌都地區(qū)山谷相間排列，呈南北走向，峽谷深切，高差懸殊，山嶺河谷錯(cuò)綜綿恒，琥珀溪流星羅棋布，地形地貌十分復(fù)雜。本文在已有研究[15]的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家氣象局標(biāo)準(zhǔn)以及本地降水情況，確定昌都及周邊地區(qū)大雨、暴雨標(biāo)準(zhǔn)分別是：24h降雨量為17～38mm、38～75mm。

HYSPLIY軌跡模式是最初是由NOAA和澳大利亞氣象局研發(fā)的，能夠支持多種格式的氣象輸入場(chǎng)，除了可以計(jì)算氣團(tuán)的軌跡，還用于模擬復(fù)雜的擴(kuò)散和沉降。早期主要用于研究污染物的傳輸和擴(kuò)散，隨著模式的發(fā)展，如今應(yīng)用越來越廣泛，該軌跡模式可以進(jìn)行前向模擬和后向模擬，追蹤氣塊運(yùn)動(dòng)，分析氣塊去向和來向，分析某日某地水汽來源。

HYSPLIT計(jì)算方法[16?18]是假定質(zhì)點(diǎn)軌跡隨著風(fēng)場(chǎng)而運(yùn)動(dòng)的，軌跡則是質(zhì)點(diǎn)在空間和時(shí)間上的積分，質(zhì)點(diǎn)所在位置的矢量速度在時(shí)間和空間上均由線性插值得出，其具體計(jì)算公式如下：

其中Δt為時(shí)間步長，P(t)為氣塊初始位置，V(P,t)為初始位置的三維速度矢量， P′(t+Δt)為氣塊初始假想位置，V(P′,t+Δt)為初始假想位置的三維速度矢量，P(t+Δt)為氣塊最終位置。下一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置是由上一時(shí)刻的平均速度和第一猜值所在點(diǎn)的速度平均后與時(shí)間步長的乘積而得到的。

2 強(qiáng)降雨環(huán)流形勢(shì)分類

從天氣預(yù)報(bào)角度來講，降水的前期大氣環(huán)流形勢(shì)更值得關(guān)注。青藏高原降水主要集中在盛夏季節(jié)，盛夏500hPa環(huán)流場(chǎng)上，高原周圍一般呈南北低、東西高的鞍型場(chǎng)。因此，天氣預(yù)報(bào)必須考慮四個(gè)天氣系統(tǒng)（西太平洋副熱帶高壓、伊朗高壓、副熱帶西風(fēng)波動(dòng)和印度低壓）之間的相互聯(lián)系和相互制約。

根據(jù)1989～2018年氣象觀測(cè)站的降水資料，篩選出對(duì)當(dāng)?shù)赜绊戄^大的暴雨和大雨個(gè)例，再利用NCEP/NCAR再分析資料分析500hPa等壓面的環(huán)流形勢(shì)，從短期天氣預(yù)報(bào)角度出發(fā)，注重高原上空及其南側(cè)、東側(cè)的天氣系統(tǒng)，特別是影響暖濕氣流輸送的中低緯天氣系統(tǒng)，對(duì)造成昌都地區(qū)夏季強(qiáng)降水的大氣環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分類。

綜合昌都地區(qū)夏季強(qiáng)降水的實(shí)際情況，制定了2種個(gè)例篩選標(biāo)準(zhǔn)：一是昌都境內(nèi)至少有1站出現(xiàn)暴雨，且境內(nèi)或周邊地區(qū)出現(xiàn)大雨；二是昌都境內(nèi)有3站以上出現(xiàn)大雨，且周邊地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)篩選出19次強(qiáng)降水過程（表1），根據(jù)這19次強(qiáng)降水過程的500hPa環(huán)流形勢(shì)可分為高原低渦、高原槽及高原切變線3類（表2）。從表2看出，產(chǎn)生強(qiáng)降水的大氣環(huán)流形勢(shì)以高原切變線型為主（9次），產(chǎn)生最大降水強(qiáng)度的是高原槽型（3次，分別是波密75.9mm、卡若區(qū)44.6mm，類烏齊50.2mm）。

表1 1989～2018年昌都強(qiáng)降水個(gè)例統(tǒng)計(jì)

表2 1980～2018年昌都強(qiáng)降水過程500hPa環(huán)流形勢(shì)分型結(jié)果

2.1 高原低渦型

高原低渦是生成于青藏高原主體上的一種次天氣尺度低壓渦旋，垂直伸展高度一般在400hPa以下，水平尺度為400～500km，多數(shù)為暖性結(jié)構(gòu)。高原低渦是高原地區(qū)特有的天氣系統(tǒng)，不僅直接影響高原降水，而且高原低渦東移還會(huì)影響到長江中下游、黃河流域等地。高原低渦的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為：高原上空500hPa等壓面上有3站以上的風(fēng)向呈氣旋性閉合低壓環(huán)流。高原低渦一般集中出現(xiàn)在30°～50°N，其初生低渦存在2個(gè)渦源區(qū)，分別是在那曲以北和改則附近。

從高原低渦500hPa環(huán)流形勢(shì)（圖1a）上可看到，中低緯度的伊朗高壓和副熱帶高壓主體分別偏西、偏東，兩高之間在高原上有明顯的低渦，低渦控制高原中東部，低渦輻合線呈東西向，在南部印度半島至孟加拉灣一帶低值系統(tǒng)的配合和共同作用下造成了強(qiáng)降水天氣。

高校內(nèi)部控制建設(shè)在外部政策要求和自身使命驅(qū)動(dòng)下日趨緊迫和必要，因此在標(biāo)準(zhǔn)框架下探討內(nèi)部控制建設(shè)問題與對(duì)策具有非常重要的意義。

2.2 高原槽型

高原槽型指高原上空有低壓槽，西太平洋副熱帶高壓較強(qiáng)，副熱帶高壓的西脊點(diǎn)位于110°E附近。在這種環(huán)流背景下，不僅有利于副熱帶高壓外圍和高原槽之間有較強(qiáng)的偏南暖濕氣流，還可以在低壓槽附近形成偏西風(fēng)與偏南風(fēng)之間的切變，造成冷暖空氣的交匯。

從高原槽型的500hPa環(huán)流形勢(shì)（圖1b）上可看出，伊朗高壓和西太副熱帶高壓均較強(qiáng)盛，尤其副熱帶高壓外圍的588線西伸至105°E附近，高原至印度半島上空有明顯的低壓槽，這種環(huán)流形勢(shì)下在低壓槽和西太副高之間有較強(qiáng)的偏南暖濕氣流，滿足了強(qiáng)降水產(chǎn)生的水汽條件；同時(shí)，高原槽的存在，一方面可以加強(qiáng)偏南暖濕氣流，另一方面也可在低壓槽和 高壓之間形成偏西風(fēng)與偏南風(fēng)的切變，造成冷、暖空氣的交匯，導(dǎo)致強(qiáng)降水天氣的發(fā)生。

2.3 高原切變線型

高原切變線是在青藏高原地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的500hPa切變線，是高原地區(qū)最重要的降水系統(tǒng)之一。高原切變線一般呈現(xiàn)為橫切變線和豎切變線兩種形式，出現(xiàn)最多的是橫切變線。從高原切變線型的環(huán)流形勢(shì)（圖1c）上可看出，高原中東部存在東西向切變線，切變型的主要特征是高原南側(cè)有低值系統(tǒng)，西北氣流與西南氣流構(gòu)成風(fēng)切變，這種冷、暖空氣的交匯往往能夠形成強(qiáng)烈輻合，迫使暖濕空氣抬升，產(chǎn)生強(qiáng)降水。

圖1 昌都不同環(huán)流類型強(qiáng)降水的500hPa環(huán)流形勢(shì)（a.高原低渦型，b.高原槽型，c.高原切變線型）

豎切變線以2013年7月26～28日為例，從500hPa環(huán)流形勢(shì)（圖略）上看，伊朗高壓和副熱帶高壓均強(qiáng)盛，副熱帶高壓穩(wěn)定維持在105°E、30°N附近，伊朗高壓東伸至高原中東部，高原南部印度半島至孟加拉灣一帶有低值系統(tǒng)，在高原中東部?jī)筛咧g形成了豎切變線，沿伊朗高壓外圍的偏北氣流向高原南下輸送的冷空氣與低值系統(tǒng)配合副高外圍暖濕氣流北上，在高原上形成了很好的交匯，造成了此次強(qiáng)降水。

橫切變線以2011年7月13～15日為例，從500hPa環(huán)流形勢(shì)（圖略）上看，高緯度為兩槽一脊型，中低緯度為兩高偏弱，西北地區(qū)有高壓?jiǎn)误w倒灌冷空氣至高原北部，高原中東部存在切變線，有利于冷暖空氣在高原上空交匯，導(dǎo)致了此次強(qiáng)降水。

3 不同環(huán)流類型強(qiáng)降水的水汽輸送軌跡

長期以來，我國氣象工作者有一個(gè)共同的概念，即我國的水汽來源主要來自孟加拉灣和南海，而我國夏季降水的水汽主要來源于熱帶季風(fēng)，印度西南季風(fēng)在高原南坡被強(qiáng)迫分為二支，成為我國夏季降水的主要水汽輸送帶。

為了揭示昌都地區(qū)水汽垂直分布狀況，利用國家氣象數(shù)據(jù)中心提供的近30年昌都站定時(shí)探空數(shù)據(jù)，分析昌都地區(qū)的整層水汽變化特征（圖略）發(fā)現(xiàn)：昌都上空水汽主要集中在300hPa層以下，近90%集中在600～400hPa。由于昌都地區(qū)的平均海拔較高，水汽垂直分布從600hPa高度開始計(jì)算，因此，在考慮降水的水汽來源時(shí)主要分析600hPa、500hPa、400hPa三個(gè)等壓面。為了研究昌都夏季強(qiáng)降水水汽軌跡特征，選取昌都本站為模擬初始站點(diǎn)。一般研究認(rèn)為，最大水汽輸送量出現(xiàn)在距離地面2km高度附近[19]，由于文中研究區(qū)域地形海拔多在3500m以上，模擬起始高度至少高于地形表面300m，600hPa在昌都地區(qū)距離地面約1000m，為此選取1000m作為模擬初始高度（模擬層次分別為1000m、2000m、4000m），利用NCEP中心的GDAS資料，取不同標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)降雨個(gè)例進(jìn)行HYSPLIT后向軌跡研究，探討每一條水汽軌跡之間的差異。

圖2是利用后向軌跡模式得到的昌都地區(qū)強(qiáng)降水過程向前推導(dǎo)72h的水汽軌跡。從2017年7月7～9日暴雨天氣過程（圖2a）可知，500hPa上的水汽主要來自孟加拉灣的暖濕氣流，600hPa上的水汽主要來自印度的暖濕氣流（東部阿薩姆邦），高層400hPa上的水汽輸送來自西方伊朗高原的較冷空氣；這種“上冷下暖”的不穩(wěn)定層結(jié)加上中低層偏南暖濕氣流提供的充沛水汽，有利于對(duì)流性強(qiáng)降水的發(fā)生。從2010年7月16日大雨天氣過程（圖2b）可知，400hPa、500hPa的中上層均為偏西氣流，而低層600hPa為偏南氣流且水汽源地并非在海洋上。

圖2 利用后向軌跡模式得到的昌都強(qiáng)降水過程向前72h的水汽軌跡（a.2017年7月7～9日暴雨天氣過程，b.2010年7月16日大雨天氣過程，綠線、藍(lán)線、紅線分別代表400hPa、500hPa、600hPa水汽軌跡，五角星代表模擬初始站點(diǎn)昌都）

需要特別指出的是，2011年7月13日（圖3a）和2015年7月13日（圖3b）的大雨過程具有較為特殊的“下冷上暖”結(jié)構(gòu)。從降水過程向前96h水汽軌跡（圖3）可以看出，中低層水汽主要來自偏北或偏西方向的較冷氣流，對(duì)流上層400hPa水汽輸送來自偏南方向的暖濕氣流，形成“下冷上暖”結(jié)構(gòu)。一般這種“下冷上暖”結(jié)構(gòu)的強(qiáng)降水出現(xiàn)在過渡季節(jié)（6月和10月），但是這兩次過程均發(fā)生在7月。研究發(fā)現(xiàn)，這兩次大雨過程之所以表現(xiàn)出“下冷上暖”的結(jié)構(gòu)特征，其主要原因是向南侵入的冷空氣占據(jù)主導(dǎo)地位，迫使偏南暖濕氣流的被動(dòng)抬升。由此可見，就強(qiáng)降水天氣現(xiàn)象而言，判斷水汽來源，必須結(jié)合大氣環(huán)流形勢(shì)具體分析。

圖3 利用后向軌跡模式得到的昌都大雨過程向前96h的水汽軌跡（a.2011年7月13日大雨天氣過程，b.2015年7月13日大雨天氣過程，綠線、藍(lán)線、紅線分別代表400hPa、500hPa、600hPa水汽軌跡，五角星代表模擬初始站點(diǎn)昌都）

圖4給出了昌都地區(qū)不同環(huán)流型暴雨過程向前推導(dǎo)360h的平均水汽軌跡。如圖所示，三個(gè)等壓面上的水汽軌跡基本一致，均以偏南方向?yàn)橹?；其中高原低渦型（圖4a）和高原切変線型（圖4c）的水汽軌跡在三個(gè)等壓面均以西南方向?yàn)橹?；而高原槽型（圖4b）在600hPa存在東南方向的水汽軌跡。分析可知，上述三個(gè)等壓面上的水汽軌跡來源分別與有利于產(chǎn)生降水的天氣系統(tǒng)相聯(lián)系。如高原槽型的暴雨天氣過程中，高原槽大多有印緬槽和西太平洋副熱帶高壓西伸的配合，在高原南側(cè)形成“西低東高”的態(tài)勢(shì)，強(qiáng)的偏南氣流可以將來自南海和西太平洋的水汽向北輸送到高原東部。

圖4 昌都不同環(huán)流型暴雨過程向前360h的平均水汽軌跡（a.高原低渦型，b.高原槽型，c.高原切變線型，綠線、藍(lán)線、紅線分別代表400hPa、500hPa、600hPa水汽軌跡，五角星代表模擬初始站點(diǎn)昌都）

圖5給出了昌都地區(qū)不同環(huán)流型大雨過程向前推導(dǎo)360h的平均水汽軌跡。如圖所示，不同環(huán)流型大雨過程在600hPa、500hPa的水汽軌跡均以偏南方向?yàn)橹鳎辉?00hPa，高原低渦型和高原切変線型的水汽軌跡以偏西方向?yàn)橹?，高原槽型的水汽軌跡以偏南方向?yàn)橹?；相?duì)于暴雨而言，不同環(huán)流型大雨過程在3個(gè)等壓面的水汽來源較分散且水汽條件較差。

圖5 同圖4，但為大雨過程

就暴雨而言，三個(gè)等壓面的水汽軌跡方向基本一致，600hPa水汽主要來源于偏南方向，500hPa、400hPa水汽主要來源于西南或南方，即暴雨發(fā)生時(shí)水汽路徑主要為南方路徑。就大雨而言，400hPa水汽主要來源于偏西方向，500hPa水汽主要來源于西南方向，其次是偏西方向，而600hPa水汽主要來自偏南方向；與暴雨相比，不同環(huán)流型大雨過程的水汽來源均較分散且水汽條件較差。夏季昌都地區(qū)的水汽以來自印度洋、孟加拉灣、阿拉伯海、南海的偏南氣流為主，最遠(yuǎn)可以追溯到大西洋，來自青藏高原南部海洋上的水汽輸送對(duì)昌都地區(qū)降水等級(jí)有著決定性影響。

4 結(jié)論

利用昌都及周邊地區(qū)18個(gè)氣象觀測(cè)站的1989～2018年逐日降水資料和NCEP/NCAR再分析資料，在環(huán)流分型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用HYSPLIT后向軌跡模型分析了兩種等級(jí)降水的不同環(huán)流形勢(shì)的水汽輸送軌跡，主要結(jié)論如下：

（1）昌都地區(qū)強(qiáng)降水的產(chǎn)生與夏季高原上的天氣系統(tǒng)、高原南側(cè)的偏南氣流、西太平洋副熱帶高壓以及西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)共同作用有關(guān)。強(qiáng)降水過程的500hPa環(huán)流形勢(shì)可分為3種類型，即：高原低渦型、高原槽型、高原切變線型。產(chǎn)生強(qiáng)降水的大氣環(huán)流形勢(shì)以高原切變線型為主，對(duì)應(yīng)最大降水強(qiáng)度的是高原槽型。

（2）昌都地區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)水汽來源主要是南方路徑，三個(gè)等壓面的水汽軌跡方向基本一致；與暴雨相比，昌都地區(qū)大雨發(fā)生時(shí)的水汽來源均較分散且水汽條件較差。

（3）夏季昌都地區(qū)的水汽以來自印度洋、孟加拉灣、阿拉伯海、南海的偏南氣流為主，最遠(yuǎn)可以追溯到大西洋，來自青藏高原南部海洋上的水汽輸送對(duì)昌都地區(qū)降水等級(jí)有著決定性影響。