中國雪都阿爾泰山暖區暴雪水汽特征分析

周雪英 莊曉翠 李博淵 儲鴻

(1 新疆巴音郭楞蒙古自治州氣象局,庫爾勒 841000; 2 新疆阿勒泰地區氣象局,阿勒泰 836500)

引言

中國雪都阿爾泰山(簡稱,阿爾泰山)位于新疆阿勒泰地區最北部,冬季受極鋒鋒區頻繁南下影響,該區多暖區暴雪天氣[1-5],暴雪災害對國民經濟和人民生活造成的危害有時比暴雨更大,往往對交通、牧業、電力等造成巨大的損失。同時,暴雪又是干旱區重要的水資源和冰雪旅游資源。由于暴雪天氣是在多尺度系統綜合作用下產生的,形成機理復雜,預報難度大,而山區暴雪預報更難。水汽條件是造成暴雪的重要條件之一,水汽來源、輸送的多少直接影響暴雪的形成和強度[6-8],因此,研究阿爾泰山特殊地形地貌下暴雪的水汽特征意義重大。

目前國內外關于暴雪水汽的研究已有不少成果,如遼寧省暴雪水汽源地主要有西太平洋、日本海、東海和黃海;主要為西邊界中緯度西風氣流的輸入,區域暴雪的發生是經向水汽異常輸送的結果,西風帶偏西氣流與日本海反氣旋性環流西南側偏南氣流在暴雪區交匯是發生暴雪的主要原因[9]。對西藏高原南部3次暴雪研究表明[10],水汽主要源于阿拉伯海,孟加拉灣水汽對東部降雪起到補充作用,南支槽前高空西南急流對水汽輸送起到關鍵作用,同時,喜馬拉雅山脈大地形抬升有利于水汽凝結成云。對陜西、川西、內蒙古以及山東等地區域性暴雪研究表明[11-14],500 hPa切斷低壓分裂低槽、700 hPa西南急流和850 hPa東風回流、西南暖濕氣流鋒生是暴雪發生的主要影響系統;低空西南急流、偏東氣流、超低空急流分別攜帶來自孟加拉灣、東海和南海的充沛水汽是產生區域性暴雪的重要原因之一。

針對新疆暴雪水汽的研究也取得了一些成果,如對新疆北部典型暴雪天氣研究表明[15-18],水汽源地主要分布在地中海附近、紅海或波斯灣附近,有西方、西南和西北3條路徑,以西南路徑最多,西北路徑最少;水汽輸送最高層接近300 hPa,最強位于650～750 hPa之間,暴雪出現前600～1000 hPa存在一定的水汽輻合。對新疆北部典型暖區暴雪研究表明[19-22],水汽主要源自大西洋,隨西風氣流輸送至暴雪區,沿途得到阿拉伯海、波斯灣等地水汽的補充。一直以來受降雪氣象觀測資料的限制,新疆暴雪水汽的研究主要集中在國家站。近兩年隨著觀測站網的不斷完善,阿爾泰山新增自動固態降水站,填補了雪都山區固態降水實況觀測,為研究阿爾泰山區暴雪天氣的水汽特征及冰雪資源提供了最新資料。同時,以往對暴雪水汽特征的研究主要是歐拉方法,基于水汽通量反映水汽輸送和主要通道,但無法定量給出各水汽源地對暴雪(雨)的貢獻,無法得出氣團在運動過程中的空間位置及其相應的物理屬性隨時間的變化[23]。而HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模式方法通過計算氣團的運動軌跡,定量統計出各水汽源地對暴雪(雨)的貢獻,彌補了歐拉方法的不足[24-28]。近年來運用HYSPLIT模式方法在暴雨過程水汽來源及輸送方面的研究較多[29-32],對中國雪都阿爾泰山暴雪天氣過程的水汽來源及輸送的研究較少。因此本文對阿爾泰山區2021年發生的3次暴雪過程水汽特征進行較詳細的分析,比較不同源地、軌跡的變化及其對暴雪的貢獻,以期認清阿爾泰山區暴雪過程水汽來源和輸送機理特征,為山區暴雪預報預警提供科技支撐,為防災減災救災、生態文明建設提供決策依據。

1 研究區概況、資料及方法

1.1 研究區概況

阿爾泰山脈呈西北—東南走向,斜跨中國、哈薩克斯坦、俄羅斯、蒙古國境,綿延2000 km余;中國境內的阿爾泰山屬中段南坡,位于中國雪都阿勒泰地區北部至東部,山體長達500 km余,海拔1000～3000 m。主要山脊高度在3000 m以上,北部的最高峰為友誼峰,海拔4374 m(圖1,該圖及文中所涉及的地圖是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載,審圖號為GS(2016)1552號的標準地圖制作,底圖無修改)。阿勒泰地區位于歐亞大陸腹地,遠離海洋,水汽潰泛,屬大陸性干旱半干旱氣候。受山脈地形影響,山區降雪量占年降水量的80%[33],冷季多暴雪天氣。

圖1 阿勒泰地區國家站(五角星)和新增區域固態降水站(黑點) 地理位置及海拔高度(填色)

目前為了維護和檢修方便阿爾泰山區區域固態降水站,主要建在海拔1500 m左右的前山(圖1),后山由于海拔較高,地形地貌復雜,人跡罕至等因素,至今為觀測站網的盲區。

1.2 資料及方法

采用經新疆氣象信息中心篩選、 整理、 檢測,并剔除不完整及錯誤資料,嚴格實現了數據質量控制的阿勒泰地區25個(17個區域站和8個國家站)固態降水站(圖1)資料,按新疆暴雪標準,日降雪量(20:00—20:00,北京時,下同)R滿足:12.0 mm

后向水汽軌跡追蹤(HYSPLIT)模式資料為GDAS 1°×1°逐6 h再分析資料,模擬追蹤阿爾泰山3次暴雪過程的水汽源地及輸送特征。HYSPLIT是NOAA空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯合研發的一種可處理不同氣象要素輸入、不同排放源和不同物理過程的輸送、擴散、沉降過程的模式系統,能夠追蹤氣塊的來源[34-36]。該模型的軌跡模擬方法通過質點移動路徑的空間和時間上的位置矢量進行積分,由質點的初始位置和第一猜測位置的平均速率計算得到氣塊的追蹤位置,對氣塊進行后向積分得到水汽來源、輸送路徑及其對暴雪的貢獻[31-34]。

阿爾泰山3次過程暴雪中心均出現在阿勒泰地區布爾津縣的禾木鄉:過程Ⅰ和Ⅲ為窩爾塔阿什克站(48.52°N,87.39°E),海拔高度為1422 m;過程Ⅱ為黑流灘中游站(48.30°N,86.92°E),海拔高度為1218 m。因此,暴雪中心初始高度定義為距離測站的高度,模擬追蹤其500 hPa(5000 m)、700 hPa(3000 m)、850 hPa(1500 m)至地面的水汽三維運動軌跡。模擬開始時間為暴雪過程中心當日20:00,向后追蹤168 h(7 d),每隔6 h所有軌跡初始點重新向后追蹤168 h,分別將各高度層的后向軌跡路徑進行聚類分析,遵循類與類間差異極大而同一類內部差異極小的原則[37-40],得到168 h后向追蹤的平均軌跡,以此分析阿爾泰山區暴雪過程在上述3個高度上水汽來源及輸送特征。

2 暴雪概況

過程Ⅰ降雪持續了2 d,阿勒泰地區河谷平原出現小到中雪,沿山及山區大到暴雪,暴雪主要分布在阿勒泰地區北部山區(圖2a);3月2—3日共有7站達暴雪;最大日降雪量(20.3 mm)和最大累計降雪量(35.2 mm),均出現在布爾津縣禾木鄉窩爾塔阿什克站;從該站逐小時降雪量來看,降雪主要時段為1日20:00至3日12:00(圖略)。過程Ⅱ降雪持續了5 d,阿勒泰地區大部累計降雪量為>12.0 mm的暴雪,沿山和山區為>24.0 mm的大暴雪和特大暴雪;10月31日至11月3日共有27站為暴雪以上量級,其中,5站為大暴雪;最大日降雪量(30.7 mm)和最大累計降雪量(77.8 mm),均出現在布爾津縣禾木鄉黑流灘中游站(圖2b);該站主要降雪時段為:10月31日08:00—16:00、10月31日22:00至11月1日02:00、11月1日22:00至3日09:00。過程Ⅲ降雪持續了2d,降雪量主要分布在阿勒泰地區的沿山和山區,北部山區為暴雪;11月24日有7站為暴雪以上量級,其中1站達大暴雪;最大日降雪量(24.9 mm)和最大累計降雪量(27.9 mm)(圖2c),出現站點與過程Ⅰ相同;該站逐小時降雪主要時段:23日18:00至24日13:00。可見,3次暴雪過程出現在初冬和冬末,過程Ⅰ和過程Ⅱ暴雪分布基本相似,過程Ⅲ為中期過程的持續性暴雪,山區為大暴雪和特大暴雪。

圖2 2021年阿勒泰3次暴雪過程累計降雪量分布:(a)過程Ⅰ,(b)過程Ⅱ,(c)過程Ⅲ

3 結果與分析

3.1 環流特征

500 hPa上,過程Ⅰ暴雪前(圖3a)歐亞范圍為兩脊一槽型,西歐為環流經向度較大的脊,貝加爾湖西部為淺脊,西西伯利亞—黑海為低槽區,槽前西南鋒區較強,其上不斷分裂短波槽東移造成阿爾泰山區暴雪天氣。過程Ⅱ暴雪前(圖3b)歐亞范圍為兩脊一槽型,歐洲為阻塞高壓,貝加爾湖為淺脊,西西伯利亞北部為極渦活動區,阿勒泰地區處于極渦底部強鋒區南部;歐洲阻高緩慢減弱東移,脊線順轉,極地冷空氣沿脊前偏北氣流南下到極渦中,增強了其斜壓性,極渦旋轉南壓,底部鋒區上不斷分裂短波東移造成阿爾泰山區持續性暴雪天氣。過程Ⅲ暴雪前(圖3c)環流與過程Ⅰ相似,不同的是:極渦底部鋒區成緯向,其上不斷分裂短波造成阿爾泰山暴雪天氣。過程Ⅰ有低緯低值系統同位相疊加,過程Ⅱ和Ⅲ為低緯槽前西南氣流與極鋒鋒區匯合。

圖3 2021年阿爾泰山3次暴雪過程前500 hPa高度場(實線,單位:dagpm)和300 hPa>30 m·s-1的高空急流(填色,單位:m·s-1)和海平面氣壓場(單位:hPa)(黑點為暴雪中心,下同)

300 hPa上3次過程暴雪位于>30 m·s-1高空西南(偏西)急流軸右側輻散區,700 hPa位于>20 m·s-1低空西南急流出口區前部輻合區。地面圖上,過程Ⅰ暴雪區位于鞍型場區(圖3d)、過程Ⅱ為鞍型場或氣旋西南部(圖3e)、過程Ⅲ為蒙古高壓后部極地氣旋東南部的減壓升溫區域(圖3f)。

由此可見,阿爾泰山區暴雪落區位于高空西南(偏西)急流軸右側輻散區,極渦底部西南(偏西)鋒區,低空西南急流出口區前部輻合區,地面減壓升溫的重疊區,是阿勒泰地區典型的暖區暴雪天氣的高低空配置[2、21-22]。

3.2 歐拉方法水汽特征

3.2.1 水汽源地及輸送

圖4是阿爾泰山區2021年3次暴雪過程暴雪中心地面至300hPa水汽通量積分,由此可知,過程Ⅰ暴雪前3月1日14:00來自大西洋及沿岸的水汽經北歐部分南下至黑海和地中海分成2支,一支沿西南氣流經里海、咸海得到補充增強,經巴爾喀什湖關鍵區,輸送至暴雪區;另一支南下至紅河與阿拉伯海西北上的水汽匯合,到達波斯灣后,部分水汽在里海與前1支匯合(圖4a)。過程Ⅱ暴雪前10月31日14:00來自大西洋及沿岸的水汽通道明顯的建立,經北歐東南下至巴爾喀什湖北部關鍵區,在接力輸送至暴雪區,沿途得到來自南海—孟加拉灣—阿拉伯海經紅海后部分北上的水汽,與地中海附近的水汽匯合后的補充(圖4b)。過程Ⅲ暴雪前11月23日14:00也是來自大西洋的水汽,從非洲北部—地中海—黑海—里海北部—咸海—巴爾喀什湖,接力輸送至暴雪區;沿途得到大西洋經北歐南下水汽的補充(圖4c)。可見,3次過程主要的水汽源地是大西洋及其沿岸,環流形勢細節不同,水汽在輸送的過程中路徑存在一些差異,以及沿途得到水汽補充的源地不同;過程Ⅱ和Ⅲ水汽輸送明顯強于過程Ⅰ,其中,過程Ⅱ水汽在輸送過程中沿途得到低緯海域水汽補充,是該次過程降雪量明顯、持續時間長的主要原因之一。

圖4 2021年阿爾泰山區3次暴雪過程前地面至300 hPa水汽通量及流場:(a)過程Ⅰ:3月1日14:00,(b)過程Ⅱ:10月31日14:00,(c)過程Ⅲ: 11月23日14:00

3.2.2 水汽收支

計算中國雪都阿爾泰山區暴雪區(46°～50°N,85°～91°E)各邊界的水汽輸入(西和南邊界正值、東和北邊界負值為輸入)和輸出量(西和南邊界負值、東和北邊界正值為輸出),地面～700 hPa(對流層低層,簡稱低層)、700～500 hPa(對流層中層,簡稱中層)、500～300 hPa(對流層高層,簡稱高層),分析暴雪區水汽輸送和收支特征。由表1可知,3次過程西邊界均為輸入,北邊界中低層為輸出,高層有少量的輸入,東邊界和南邊界均為輸出。其主要原因是中國雪都位于阿爾泰山脈的中段南坡,北部至東南部為阿爾泰山脈和蒙古高原,海拔較高,該區又位于中緯度西風帶上,使得北邊界中低層和東邊界為水汽輸出;南邊界為準噶爾盆地和古爾班通古特沙漠及其南部的天山山脈,使該邊界基本無水汽輸入。西邊界中層水汽輸入最多(4.66×108t),高層最少(1.42×108t)。3次暴雪過程,過程Ⅲ西邊界中層和高層水汽輸入最多,低層相對最少;持續性暴雪過程Ⅱ低層水汽明顯多于其他2次過程,中層略低于過程Ⅲ;過程Ⅰ中層和高層均為最少,低層略多于過程Ⅲ。因此,中、低層的水汽輸入量與暴雪量有明顯的關系。與新疆降水過程水汽主要集中在700 hPa附近是一致的[33]。

表1 2021年阿爾泰山3次暴雪期間水汽收支情況

3.2.3 水汽輻合特征

分析3次暴雪過程中心水汽通量、水汽通量散度的時間-高度剖面圖可知,過程Ⅰ暴雪前3月1日08:00至過程中3日14:00,在對流層低層650～700 hPa水汽通量>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1;而水汽通量散度輻合較強時段出現在2日02:00至3日08:00左右(圖5a),與該次過程主要降雪時段一致。過程Ⅱ暴雪前10月30日水汽通量>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1區域位于800～600 hPa,水汽通量逐漸向近地層輸送;31日02:00—08:00和2日14:00至3日08:00,水汽輸送>4×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1主要位于500 hPa以下;2日20:00至3日02:00最大水汽輸送>6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1位于800 hPa附近與最大輻合中心時間一致;結合逐小時降雪量和水汽通量散度來看,<-2.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的輻合區與主要降雪時段一致,最強輻合中心與雪強2.2～3.6 mm·h-1一致(圖5b)。過程Ⅲ暴雪前水汽通量大值區>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1位于650 hPa以上,23日08:00后輸送至700附近,維持到24日14:00左右;較強水汽通量輻合<-0.3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1出現在23日20:00左右至24日20:00;水汽通量大值區與較強水汽通量散度輻合重疊的區域與此次暴雪主要降雪時段對應(圖5c)。可見, 過程Ⅰ和Ⅲ水汽通量及水汽通量散度較強輻合區位于700 hPa附近;持續性暴雪過程Ⅱ水汽通量及其散度較強輻合區位于800 hPa以下的近地層。

圖5 2021年阿爾泰山區3次暴雪過程暴雪中心水汽通量(等值線,單位:10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)及水汽通量散度(填色,單位:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)的時間-高度剖面圖:(a)過程Ⅰ(87.39°E,48.52°N),(b)過程Ⅱ(86.92°E,48.30°N),(c)過程Ⅲ(87.39°E,48.52°N)

3.3 HYSPLIT模式水汽軌跡分析

為了分析方便,參考世界劃分的13個地理區域,結合新疆預報業務實際,首先約定影響中國雪都阿爾泰山區暴雪過程水汽源地的簡稱(表2);巴爾喀什湖至哈薩克斯坦東北部邊界為水汽關鍵區,簡稱關鍵區。

表2 影響阿爾泰山區暴雪水汽源地及其簡稱

3.3.1 500 hPa水汽特征

用HYSPLIT模式模擬阿爾泰山區3次暴雪過程,追蹤暴雪中心500 hPa高度168 h的后向軌跡,共有11條軌跡,其中來自大西洋、加拿大各有3條,來自地黑和北冰洋各有2條,來自東西伯利亞北部沿岸(東西伯利亞)有1條;在環流合適時,隨西風氣流到達關鍵區后主要從偏西路徑輸入暴雪區(91%),只有少數軌跡從西北路徑輸入(9%)(圖6 a～c)。分析圖6阿爾泰山區3次暴雪過程暴雪中心500 hPa高度168 h水汽后向軌跡的空間分布和高度變化(圖6a～c)及其對應比濕的時間變化(圖6d～f)得到表3。

表3 阿爾泰山2021年3次暴雪500 hPa高度水汽源地及其對暴雪的貢獻

圖6 2021年阿爾泰山3次暴雪過程降雪中心500 hPa高度水汽軌跡的空間分布和高度變化(a～c)及其對應的比濕變化(d～f)(圖中數值代表軌跡數,括號中的值為該條水汽軌跡對暴雪的貢獻)

由表3 可知,源自大西洋的水汽對暴雪的貢獻最多,其次是地黑,分別為32%～79%、25%～29%,主要從2251～3615 m、1852～2232 m的高度向暴雪區輸送; 由于沿途地形復雜到達暴雪后損失為最多和次多,為78%、72%。源自加拿大和北冰洋的水汽對暴雪的貢獻相對較少,沿途損失也較小,尤其是后者為最小;源自東西伯利亞的水汽對暴雪的貢獻最小,但沿途得到補充,到達暴雪后有明顯的增加(60%)。

來自加拿大的水汽主要影響過程Ⅱ(圖6b),而此次暴雪過程持續了4 d,是一次中期過程。冬季極鋒鋒區是造成新疆北部暴雪天氣的主要影響系統,而極鋒鋒區位于極渦底部,其演變與極渦有密切的關系。張家寶等[27]研究指出冬半年極渦中心主要有2個高頻區域:亞洲北部(新地島以東的喀拉海、泰米爾半島、中西伯利亞)和北美洲北部(維多利亞島、哈德遜灣北部、巴芬灣和格陵蘭西北部),為中期過程。因此,來自北美洲的水汽與該洲北部為極渦高頻區有密切的關系。另外,加拿大濕地位于世界首位,因此來自該國的水汽主要是濕地蒸發的。

500 hPa上影響阿爾泰山區暴雪的水汽主要來自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近、加拿大及北冰洋,水汽自源地隨西風氣流東移,到達關鍵區后主要從偏西路徑輸入暴雪區;對暴雪區貢獻最大和損失最大的排序均為:大西洋>地黑>加拿大>北冰洋。水汽主要從>2000 m高度向暴雪區輸送。持續性中期暴雪過程有來自北美洲的水汽,與該洲北部為極渦高頻區有密切的關系。

3.3.2 700 hPa水汽特征

用同樣方法模擬阿爾泰山區3次暴雪過程,追蹤暴雪中心700 hPa高度168 h的后向軌跡,共有12條軌跡,其中來自大西洋、北冰洋各有3條,加拿大2條,歐洲4條;在環流合適時,隨西風氣流到達關鍵區后主要從偏西(西南)路徑輸入暴雪區(圖7a～c)。分析圖7阿爾泰山區3次暴雪過程降雪中心700 hPa高度168 h水汽后向軌跡的空間分布和高度變化(圖7a～c)及其對應比濕的時間變化(圖7d～f)得到表4。

表4 中國雪都阿爾泰山2021年3次暴雪700 hPa高度水汽源地及其對暴雪的貢獻

圖7 同圖6,但為700 hPa

由表4可知,700 hPa影響阿爾泰山區暴雪的水汽源地與500 hPa存在差異,源自歐洲的水汽對暴雪的貢獻最大,為18%～86%,沿途損失最小(35%);源自大西洋、加拿大及北冰洋的水汽,對暴雪的貢獻相對較小,為7%～21%,其中,來自大西洋的水汽沿途損失最大,達74%,其次是北冰洋;來自加拿大的水汽對暴雪的貢獻最小,但沿途得到里咸海和巴爾喀什湖的水汽補充,到達暴雪后有所增加(11%)。

由圖7a可知,過程Ⅰ水汽軌跡1和2均來自歐洲,對暴雪的貢獻分別是25%和61%,主要從大于1500 m的高度暴雪區輸送,沿途損失較小(圖7d)。過程Ⅱ水汽軌跡1來自歐洲,對暴雪的貢獻是達86%,主要從2317 m的高度向暴雪區輸送,到達暴雪區后增加了19%(圖7 b 、e)。過程Ⅲ來自歐洲的水汽對暴雪的貢獻最小,沿途損失最大(圖7c、f)。可見,700 hPa上來自歐洲的水汽對阿爾泰山暴雪有重要的影響。

700 hPa上影響阿爾泰山區暴雪的水汽主要源自歐洲、大西洋、加拿大,其中,源自歐洲的水汽對暴雪的貢獻最大,損失最小,源自加拿大的水汽對暴雪的貢獻相對最小,但沿途得到補充,到達暴雪區后增加11%。源自歐洲和大西洋的水汽主要從<2000 m的高度向暴雪區輸送,其他2個源地的水汽主要從>2000 m的高度向暴雪輸送。

3.3.3 850 hPa水汽特征

追蹤阿爾泰山區3次暴雪過程降雪中心850 hPa高度168 h的后向軌跡,共有17條軌跡,其中,來自中亞7條,北冰洋5條,歐洲2條,本地、冰島及東西伯利亞的水汽各1條;在環流合適時,隨西風氣流到達關鍵區后,有35%的軌跡從西南(偏西)路徑輸入暴雪區(圖8a～c),12%的從西北路徑輸入暴雪區,53%的軌跡自關鍵區到達阿勒泰地區東部,然后沿東南(偏東)氣流輸入暴雪區;與500 hPa和700 hPa明顯不同,該路徑與暖區暴雪在850 hPa存在自塔城、克拉瑪依的西南風與阿爾泰沿山的東南風形成的暖性切變輻合有關[11]。

圖8 同圖6,但為850 hPa

分析圖8阿爾泰山區3次暴雪過程降雪中心850 hPa高度168 h水汽后向軌跡的空間分布和高度變化(圖8a～c)及其對應比濕的時間變化(圖8d～f)得到表5。

表5 中國雪都阿爾泰山2021年3次暴雪850 hPa高度水汽源地及其對暴雪的貢獻

由表5可知,來自歐洲的水汽對暴雪的貢獻最大,為18%～25%,從698～2573 m的高度向暴雪區輸送,沿途損失最多,為21%,但明顯小于700 hPa。源自中亞和北冰洋的水汽對暴雪的貢獻均為次大,沿途幾乎無損失,尤其是中亞的水汽到達暴雪區后增加了15%。來自本地、冰島及東西伯利亞等其他源地水汽對暴雪的貢獻最小,但到達暴雪后增加了31%,說明沿途水汽補充起主要作用。

850 hPa影響阿爾泰山區暴雪的水汽源地主要為中亞、北冰洋和歐洲,與500 hPa和700 hPa有些差異;對暴雪貢獻最大得是源自歐洲的水汽,損失也最大,但明顯小于700 hPa,其次,是中亞和北冰洋得水汽;其他源地的水汽對暴雪得貢獻較小,但到達暴雪區后水汽增加。來自中亞和歐洲的水汽主要從<2000m的高度向暴雪區輸送,源自北冰洋和其他源地的水汽則相反。

3.4 阿爾泰山暴雪過程各水汽源地的貢獻

統計各層水汽源地對暴雪的貢獻得表6,由表6可知,來自歐洲、大西洋以及北冰洋的水汽對阿爾泰山暖區暴雪的總體貢獻率較大,在50%～70%,中亞和其他源地的水汽貢獻較小,為18%～20%,中亞最小。從各層水汽占總體貢獻的比例來看,700 hPa以上的對流層中層(中層),來自大西洋、地黑的水汽貢獻率較高,地黑最高達100%;700 hPa及以下的對流層低層(低層)來自歐洲、中亞的水汽貢獻較大,中亞最高達100%;而來自加拿大的水汽對中層和低層的貢獻基本相當,來自北冰洋和其他源地的水汽在低層貢獻相對較大,高層也不容忽視(表6)。統計分析表3、表4、表5中各層水汽源地到達暴雪區的平均比濕可知,500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽對暴雪的貢獻分別占15%、35%、50%(表略);因此,對流層低層的水汽對阿爾泰山區暴雪的貢獻最大,占85%,高層最小,占15%。綜合上述分析可知,對阿爾泰山區暖區暴雪貢獻較大的水汽源地主要來自北冰洋、歐洲,其次是中亞和加拿大。

表6 中國雪都阿爾泰山2021年3次暴雪各源地水汽的總體貢獻率及各層占比百分率

3.5 阿爾泰山區暴雪過程水汽貢獻模型

基于上述研究概括出阿爾泰山區暴雪水汽貢獻模型(圖9)。該模型清晰的反映了影響阿爾泰山區暴雪過程水汽特征:500 hPa來自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近、北冰洋、加拿大的水汽隨西風氣流到達關鍵區后,主要從偏西路徑輸入暴雪區,占91%,少數情況從西北路徑輸入,水汽源地主要在大西洋和地黑。700 hPa來自歐洲、大西洋、加拿大、北冰洋的水汽,到達關鍵區后,主要從西南(偏西)路徑輸入暴雪區,水汽源地主要在歐洲和加拿大。850 hPa的水汽源地主要為中亞、北冰洋、歐洲,輸送至關鍵區后53%的水汽軌跡,經塔城、克拉瑪依到達阿勒泰地區東南部,隨近地層東南(偏東)氣流,沿阿爾泰山西南坡西北上,輸入暴雪區;35%的軌跡與500和700 hPa一致從西南路徑輸入暴雪,12%的軌跡則從西北路徑輸入暴雪區;水汽源地主要在中亞、歐洲、北冰洋。500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽對暴雪的貢獻分別占對流層水汽的15%、35%、50%。水汽輻合區主要位于700 hPa附近至近地層。

圖9 阿爾泰山區暖區暴雪水汽貢獻模型

4 結論

本文首先對2021年阿爾泰山區3次暴雪過程的環流背景進行了分析,然后運用歐拉方法分析了暴雪天氣的水汽輸送、收支和垂直結構,再運用HYSPLIT方法模擬計算分析了該區暴雪天氣的水汽來源及輸送特征。主要結論如下:

(1)阿爾泰山暴雪主要發生在高空西南(偏西)急流軸右側輻散區,極渦底部西南(偏西)鋒區,低空西南急流出口區前部輻合區及地面減壓升溫的重疊區,為典型的暖區暴雪的高低空配置。歐拉方法分析表明,水汽源地主要在大西洋及其沿岸,沿途得到不同源地水汽補充。西邊界中層水汽輸入最多,其中持續性暴雪過程低層水汽輸入明顯偏多,且水汽通量及水汽通量散度輻合區位于較低層次。

(2)HYSPLIT方法分析表明,對阿爾泰山區暖區暴雪貢獻較大的水汽源地主要來自北冰洋、歐洲,其次是中亞和加拿大,與歐拉方法得到結論明顯不同;對暴雪區貢獻較大的是對流層低層的水汽,占85%,與文獻[33]中新疆大降水水汽主要位于對流層低層一致。

(3)建立了阿爾泰山區暴雪過程水汽貢獻模型,700 hPa及以上水汽自源地到達關鍵區后主要從偏西(西南)路徑輸入暴雪區,700 hPa以下水汽到達關鍵區后,在環流合適時,經塔城、克拉瑪依到達阿勒泰地區東南部,隨近地層東南(偏東)氣流,沿阿爾泰山脈西南坡西北上輸入暴雪區的水汽占主導地位,但從偏西(西南)路徑、西北路徑輸入暴雪區的水汽也不容忽視;水汽主要在對流層低層聚集,并輻合抬升。

由于阿爾泰山區近兩年才逐步新增自動固態降水站,本文主要對2021年3次暴雪過程追蹤7 d后向水汽軌跡進行了討論,后期有待于更多的暴雪個例進行驗證。另外,由于阿勒泰地區地形復雜,低層水汽輸送路徑多樣化,與偏南氣流和北疆大地形相互作用密切相關,但水汽是怎樣迅速輻合集中將是今后工作中需要進一步探討的。