基于HYSPLIT模式的济南机场一次暴雨过程的水汽输送特征分析

利用NCEP再分析资料,结合HYSPLIT轨迹模式对 2018年6月25日发生在济南遥墙国际机场的一次大暴雨过程的水汽条件及输送过程进行分析。结果表明：此次大暴雨的水汽输送通道主要有3支,一支是源自对流层中层的西北气流输送,另一支是西太平洋上副热带高压边缘东南气流输送,第三支是南海上空向北的气流输送,三支通道中,西太平洋通道和南海通道对暴雨的水汽贡献最大,分别为46%和42%,来自西北通道的水汽输送相对较少,它对暴雨的水汽贡献仅为12%;进一步的分析表明,在850 hPa以下的对流层底部,来自西太平洋通道的水汽输送占据主导地位,而在700 hPa以上的对流层中层,则是来自南海通道的水汽输送占据主导地位。     

2010年7~8月东北地区暴雨过程的水汽输送特征分析

本文根据影响天气系统和雨带位置的不同将2010年7~8月东北地区出现的22个暴雨日划分成了三类暴雨,在以欧拉方法分析了各类暴雨的水汽输送和收支的基础上,利用基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT v4.9),模拟计算了各类暴雨的水汽输送轨迹、主要通道以及不同源地的水汽贡献。结果表明,影响暴雨的水汽输送通道有三支,一支是沿西太平洋副高边缘东南气流的水汽输送,另一支是起源于南海北部向北偏东气流的水汽输送,第三支是西风带西北气流的水汽输送。第一类暴雨中,来自于西太平洋通道和南海通道的水汽输送大体相当,均很重要,两者可以占总水汽输送的87.4%。第二类暴雨中,水汽输送路径偏东,西太平洋通道的水汽输送贡献可达近70%。第三类暴雨中,虽然西太平洋通道水汽输送仍占主导地位,但北方通道的水汽输送也变得不可忽视。西太平洋通道的水汽沿途损失较小,并主要被输送到东北地区850 hPa及以下的大气之中,而南海通道的水汽沿途损失较多,与北方通道的水汽一样,主要被输送到东北地区850 hPa以上的大气之中。     

1998年长江流域特大洪涝期水汽输送过程的诊断分析

利用基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9）,结合轨迹聚类法和气块追踪法,探讨1998年6月12日—8月27日期间长江流域强降雨的水汽输送轨迹、主要水汽源地及其水汽贡献,发现此次强降水过程的水汽源地主要为印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋;不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地存在差异。降水第一阶段水汽主要来自孟加拉湾—南海,水汽输送贡献为35%。降水第二阶段水汽主要由印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋三个区域共同提供,水汽输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾—南海的水汽输送占主导地位,它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。降水第四阶段水汽主要来源于孟加拉湾—南海,贡献为40%。强降水过程中大气环流的调整,导致了不同阶段水汽源地的变化及各源地水汽贡献的差异。     

2017年盛夏湖南持续性暴雨过程的水汽输送和收支特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先分析了2017年6月下旬至7月初湖南持续性暴雨天气过程的环流背景和大尺度水汽输送特征,然后引入NOAA的轨迹模式HYSPLIT,分阶段定量分析了暴雨的水汽输送特征以及区域水汽收支情况。结果表明：天气系统的有效配置和稳定维持是强降雨持续的主要原因,持续性暴雨与全球范围的水汽输送和水汽辐合相联系,低空急流的演变和进退与暴雨落区和强度的演变关系密切。影响此次强降水过程的水汽通道主要有三支,第一支由索马里越赤道急流经孟加拉湾和我国西南地区输入暴雨区,第二支由印度洋中东部越赤道气流经孟加拉湾南部和南海北部输入暴雨区,第三支由来自南半球的越赤道气流自南海南部一路北上输入暴雨区,第三阶段还有一支水汽由赤道西太平洋穿越菲律宾进入南海后再北上输入暴雨区。过程第一、二阶段的水汽输送主要来自孟加拉湾,其次是南海,第三阶段来自孟加拉湾和南海（包括西太平洋）的水汽输送各占一半。受地形影响,孟加拉湾通道的水汽主要输送至暴雨区700 hPa,其他来自低纬洋面的通道水汽主要输送到850 hPa及以下各层。暴雨区水汽输入主要来自南边界和西边界,且主要由低层输入暴雨区,以水平水汽通量辐合的形式在暴雨区上空低层大量汇聚,经由强烈的垂直上升运动输送至对流层中高层积累和凝结,从而导致降水的产生,降水的强弱与边界水汽输入和区域水汽辐合的强弱变化一致。     

应用拉格朗日方法研究四川盆地暴雨的水汽来源

基于拉格朗日方法的轨迹追踪模式HYSPLIT v4.9可用来追踪水汽的来源以及运行轨迹。结合应用拉格朗日方法与欧拉方法,通过分析四川盆地2013年6月29日—7月2日、7月7—11日和7月15—19日三次暴雨过程来研究孟加拉湾地区的水汽通道对四川盆地暴雨的影响。分析结果表明：影响这三次暴雨过程的水汽通道均有多条,但其中最为主要的均为来自孟加拉湾的水汽通道。孟加拉湾水汽输送在低空环流系统的作用下,一部分是直接越过云贵高原输送向四川盆地,另一部分是绕过云贵高原在南海地区与南海水汽以及越赤道水汽在西太副高外围东南气流的作用下一并输送到四川盆地;其中在南亚季风强大的西南气流作用下,孟加拉湾大气河中的水汽主要越过云贵高原输送向四川盆地。同时分析对比了孟加拉湾水汽输送通道与大气河(Atmospheric River)之间的异同点,发现孟加拉湾水汽输送通道与大气河之间存在着一定的相似性。     

滇西北高原机场一次暴雨过程的水汽输送特征分析

利用丽江机场自动观测站资料、NCEP再分析资料,引入HYSPLIT轨迹模式,对丽江机场2019年8月8~9日出现的暴雨过程水汽输送特征进行分析。结果表明,丽江机场此次暴雨天气过程是由孟湾低压和南海台风提供充沛的暖湿水汽,与青藏高压引导南下的冷平流形成不稳定层结,低层辐合、高层辐散和强烈的垂直上升运动是暴雨发生的动力因素。此次暴雨过程水汽输送通道主要有三条,其中两条是由孟湾低压及南海台风带来洋面上的西南水汽输送和东北水汽输送,第三条是来自云南中部的云南本地水汽输送。三支通道中,来自洋面上的两支通道对暴雨的水汽贡献最大,分别为46%和30%,本地通道水汽贡献率最小;在500hPa高度层上,3条通道的水汽贡献率基本相当,600hPa高度层上西南通道和东北通道水汽贡献率均比较大,而700hPa高度层上西南通道水汽贡献率占主导地位。      

四川盆地东北部三次持续性暴雨过程水汽输送特征分析

采用欧拉方法分析盆地东北部夏季3例持续性暴雨过程的水汽输送及其异常特征,并利用拉格朗日轨迹模式模拟计算了影响川东北的主要水汽输送通道,结果表明:(1)不同纬度多系统相互作用对水汽输送的加强,是造成2007年和2010年两例持续性暴雨水汽强度异常大的重要原因。2012年持续性暴雨个例中异常水汽主要源于孟加拉湾和南海两支水汽的共同作用。(2)水汽源地可追溯至孟加拉湾、南海、西太平洋和阿拉伯海。边界层的水汽输送更多是自南海沿华南地区进入川东北;中低层水汽输送路径,或以孟加拉湾进入川东北,或以南海进入川东北,或两者共同作用。在垂直方向上,多条水汽输送通道的相互叠加,促使川东北产生强的水汽通量。(3)每条水汽输送通道在不同的个例中主次作用不一致。同一个例的水汽输送通道并非固定不变,不同降雨阶段可能与不同水汽输送通道对应。     

2017年湖南一次特大致洪暴雨过程的水汽特征

利用湖南省区域自动站和常规观测站降水资料、NCEP/NCAR和JRA-55再分析资料及湖南省气象台大气河预报业务产品,分析了2017年6月22日至7月2日湖南一次特大致洪暴雨过程的雨洪和水汽输送异常特征,以及大气河水汽输送对强降雨的影响,在此基础上定量分析了强降雨区各边界的水汽收支状况及各水汽轨迹的贡献。结果表明:此次强降水过程分为三个阶段,第一、第三阶段降雨的范围、强度均明显大于第二阶段。欧亚中高纬稳定的"1槽1脊"环流形势、低纬较稳定的西太副高及其外围强劲的水汽输送是此次暴雨发生的环流背景。水汽通量、水汽通量散度、比湿等物理量的水平及垂直分布对降水的阶段性特征和位置、强度变化有很好的指示作用。三个强降雨时段,来自孟加拉湾、南海和西太副高西南侧的水汽输送表现出不同的强度和位置,造成到达湖南境内的偏南水汽输送空间异常程度不同。大气河的强弱及其水汽输送通道、辐合区位置以及强降雨区各边界水汽净收入对强降水发生、发展起关键作用。水汽后向轨迹分析表明,低层偏南的水汽输送是此次极端强降雨较长时间维持的重要因素,而来自北方的干冷空气侵入利于大气斜压性增强和对流不稳定维持,是第二阶段降水强度弱于第一、第三阶段的另一原因。     

热带风暴“Bilis”(0604)暴雨增幅前后的水汽输送轨迹路径模拟

采用水平分辨率1°×1°的NCEP 再分析资料、1°×1°的NCEP GDAS资料和2.5°×2.5°的NOAA大气环流资料, 结合NOAA HYSPLIT v4.8轨迹模式对0604号热带风暴“Bilis”整个生命史的水汽输送特征进行模拟分析, 并分析了“Bilis”暴雨增幅前和增幅后的水汽输送轨迹及不同来源的水汽贡献。结果表明, “Bilis”整个活动过程中主要有四支水汽输送通道, 分别是源自索马里、孟加拉湾、120°E 越赤道气流和东太平洋的水汽, 其中源自索马里和孟加拉湾的西南水汽输送(偏南水汽通道)占主导地位, 120°E 越赤道气流和东太平洋的水汽是西南水汽随着“Bilis”环流逆时针旋转, 自环流中心东北侧进入雨区(东北水汽通道), 是低压环流与偏南风相互作用的结果。其中, 偏南通道水汽大部分输送到850 hPa以下的低层, 自环流北侧输入的水汽则主要输送到暴雨区上空850 hPa以上。对比暴雨增幅前后各通道的水汽贡献率发现, 孟加拉湾西南气流输送的低纬水汽对此次暴雨增幅的形成、发展起重要作用。     

伊犁河谷一次极端强降水事件水汽特征分析

2016年7月31日至8月1日,新疆伊犁河谷发生了一次极端强降水事件,多站突破降水极值。利用NCEP/NCAR 1°×1°和2.5°×2.5°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、基于地基GPS观测的大气可降水量资料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式结果,通过对水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹和暴雨区水汽收支计算,结合伊犁河谷GPS观测分析,揭示了此次强降水期间的大尺度水汽输送、辐合特征及伊犁河谷局地水汽变化特点。结果表明:（1）强降水期间大西洋及红海均对伊犁河谷的水汽供应具有贡献,河谷处于水汽通量辐合区,向西开口的地形辐合和抬升为局地暴雨的发生提供有利的动力辐合条件。低纬度印度夏季风环流和中纬度大西洋向东输送的气流共同构成伊犁河谷极端降水天气的水汽输送通道,其中印度夏季风西南水汽输送主要集中在对流层低层,对流层中层水汽的输送以大西洋向东气流和低槽自身水汽输送为主。（2）HYSPLIT模拟结果表明暴雨区3000 m中纬度偏西路径的水汽输送最为强盛,偏南路径水汽源于阿拉伯海,对流层底层偏西、偏东路径和中层偏北路径水汽通过垂直运动补充对流层低层的水汽;5000 m水汽输送轨迹以偏西路径和低槽自身携带的水汽为主。（3）降水期间水汽集中在对流层低层,通过垂直输送项向高层输送;强降水时段暴雨区对流层低层南边界水汽流入量迅速增强,中高层水汽流入主要集中在西边界。（4）降水前槽前西南气流造成伊犁河谷测站GPS-PWV明显跃升,强降水时段受印度西南季风影响,测站PWV快速增高并维持,局地GPS-PWV的增加与大尺度水汽输送辐合增强有关。     

淮河洪涝年7月上旬环流特征与近10年平均环流特征差异分析

利用NCEP 1998-2007年分析资料,分析了2007年、2005年和2003年3个淮河大洪水年7月上旬逐日各层的位势高度、温度、水汽和风场等资料.分析结果表明:这3个洪水年和近10年平均场的大尺度环流背景、高低空急流、水汽输送特征等存在显著差异.东亚夏季风异常是这3年淮河流域洪涝出现的主要原因.同时,这3年西北太平洋副热带高压均较历史同期偏强,西伸脊点偏西;华北南部到黄淮距平风场上有较常年明显的偏北气流,副热带高压西北侧850hPa低空急流较常年平均偏强6m·s-1以上,南北两支气流交汇区正好位于淮河流域;在200hPa上淮河流域处于异常的高空急流入口南侧或受较常年偏强的反气旋环流控制之下;从整层水汽通量距平分析,南海是这3个淮河洪涝年的主要水汽源地.     

江淮流域2003年强梅雨期的水汽输送特征分析

在分析2003年6月21日到7月11日江淮流域强梅雨期间降水概况和大气环流基本特征的基础上,通过对水汽输送流函数及非辐散分量、势函数及辐散分量及江淮地区水汽收支的分析,表明江淮流域是该时期全球范围内水汽汇的一个高值中心,且水汽通量大值区和水汽辐合区与降水大值区基本一致.从水汽的输送来看,夏季印度风环流和南海夏季风是向江淮流域输送水汽的主要通道.梅雨期内,中层大气中的水汽主要是垂直上升运动对低层水汽的抬升作用,同时,低纬大洋上的水汽也可途经青藏高原后再从西边界向东输入到江淮地区,它的输送有可能增大江淮流域上空对流层中层大气中的水汽含量,从而有利于强梅雨在江淮流域的发生.计算分析还表明2003年强降水从前期的长江流域移到后期的淮河流域,是与大范围的水汽输送和辐合中心北移相联系的,较小空间范围的强暴雨洪涝的发生在有利的大尺度环境下,还与其他条件有关.     

索马里越赤道气流与淮河流域夏季降水关系的年代际增强

基于1961~2016年淮河流域172个测站逐日降水资料,分析了淮河夏季降水的多时间尺度变率,发现其具有显著的准两年周期,1990年代以来亦呈现出明显的年代际变化。EOF分析结果显示,淮河夏季降水的异常主要表现为全流域一致偏多或偏少型（第一模态）,其方差贡献高达37%。相比于长江中下游地区,淮河夏季降水与东亚500 hPa位势高度场上的EAP遥相关型关系很弱,但和对流层低层西南水汽输送有更好的对应关系,表现为从索马里半岛至淮河流域的多个正负交替的相关波列。这一波列表明当索马里越赤道气流加强时,通过热带印度洋西风的纽带作用加强了进入淮河流域的西南暖湿气流,并在淮河上空低层形成水汽辐合,造成淮河多雨,反之当索马里越赤道气流强度弱时,淮河夏季降水偏少。索马里越赤道气流和中国台站降水的空间相关同样显示出最显著的相关区位于淮河流域。进一步的分析发现,研究时段内二者关系并非稳定维持,而是表现出显著的年代际变化,近二十年来索马里越赤道气流对淮河流域夏季降水的影响明显增强,且在季节预测上的指示意义也在增强。这一增强的可能原因是索马里越赤道气流与流域南侧的经向水汽输送和西侧的纬向水汽输送的关系均发生了年代际反转,并且这两条水汽输送带对流域夏季降水的影响发生了年代际增强。     

淮河流域夏季极端降水频次空间分布的客观分类及其形成机理

本文基于1961～2016年淮河流域四省（江苏、安徽、河南、山东）逐日降水观测资料及全球大气再分析资料,利用K均值聚类、旋转经验正交函数分解对淮河流域夏季极端降水频次分布进行了客观分类,利用统计诊断和数值模拟的手段讨论了其相关环流异常和形成机理。结果表明:（1）淮河流域夏季极端降水频次的空间分布可客观分为以极端降水主要发生在淮河流域33°N以南地区的南部型,主要发生在32°～36°N之间的中部型,和主要发生在34°N以北的北部型这三种分布类型;（2）南部型极端降水频次分布与西北太平洋副热带高压异常偏西偏南有关,西北太平洋异常反气旋北侧的异常气旋性环流使得水汽输送停留在淮河流域南部,导致南部极端降水频次偏多。中部型对应淮河流域受鞍型场环流结构控制,导致中部极端降水频次偏多。北部型极端降水频次分布时,淮河流域处于反气旋性环流异常西南侧,偏南风将水汽输送至淮河流域北部,导致北部极端降水频次偏多;（3）南部型和北部型的极端降水频次分布相关环流异常分别受厄尔尼诺和拉尼娜相关海表温度异常所影响,而中部型极端降水频次分布的相关环流异常是巴伦支海/喀拉海海冰异常在欧亚大陆上空激发的自西北向东南传播的准定常罗斯贝波所导致的。     

海河流域水汽输送及其变化特征分析

根据海河流域测站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和日本气象厅JRA-25资料,分析了1951—2008年夏季海河流域大气水汽含量的变化以及不同环流形势下的水汽输送特征,结果表明：海河流域大气水汽含量存在显著的年代际变化特征,与降水量存在显著统计相关;海河流域上空纬向水汽输送主要发生在850~700 hPa之间,经向水汽输送在850 hPa以下存在强的水汽输送带,它是海河流域水汽的主要贡献者,也是影响海河流域降水的最主要因素之一。气旋型环流和南风型环流对海河流域水汽输送有较大影响。     

黄河流域冬、夏季水汽输送及收支特征

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国实测雨量资料,对黄河流域1月和7月多年平均及旱、涝年整层积分的水汽通量、辐合(辐散)及各分区水汽收支进行了研究。结果表明,1月黄河流域无明显的水汽输送,而7月水汽沿西南、东南及西北3条路径输送,前两支气流在多年平均时主要影响黄河下游区。涝年时影响到黄河中、下游区,而上游区水汽流入较小;旱年,黄河中、上游区均无明显的水汽输送,只有下游的小范围地区受西南气流影响。各区净水汽通量分别与其地面降水的时空演变相对应,而经向净水汽通量是影响水汽收支变化及供给流域降水的主要水汽来源;涝年的水汽净收支与各边界水汽流入明显大于旱年。1月,西边界和北边界微弱的水汽输入远小于东边界和南边界的输出,各区均为水汽净辐散,不利于降水;7月,大量的水汽主要来自西边界和南边界,涝年各区均为水汽盈余,多年平均也以净辐合为主,而旱年则以水汽亏损为主。     

淮河流域2003年梅雨时期降水与水汽输送的关系

本文利用2003年6～7月逐日NCEP／NCAR再分析资料分别计算了淮河流域梅雨期的水汽输送和该区域的水汽收支，分析了大尺度水汽输送和梅雨期降水之间的关系。结果表明：2003年梅雨期间(6月20日～7月23日)淮河流域水汽输送的来源主要有2个，一是孟加拉湾的西南气流经中南半岛北部进入华南再向淮河流域输送，二是来自西太平洋副热带高压南侧的偏东气流在南海转向形成的偏南气流进入华南再向北输送，以上两条输送带以定常方式向淮河流域输送水汽。通过计算梅雨期的整层涡动水汽输送，发现经向水汽输送非常稳定，纬向水汽输送具有较大幅度变化。研究还表明：2003年梅雨期间淮河流域的水汽收支主要来自经向水汽输送，特别是南部边界的水汽流入，而纬向水汽输送多表现为水汽的流出。梅雨期间淮河流域经向水汽收支的突然增强和维持稳定往往对应一次强降水过程的开始。梅雨期间淮河流域净水汽收入主要来源于经向从地面到600hPa高度的深厚水汽输送，另外在纬向近地面层还有一支弱的净水汽流入，而中低层为明显的纬向净水汽流出。在经向水汽净输入相当情况下，纬向水汽净输出的减弱有利于增强强降水过程的强度。淮河流域2003年夏季经向水汽收支的爆发性增长和突然减弱和该区域的入、出梅日期对应，它的演变反映了东亚夏季风由南向北推进的进程。     

黄河流域水汽的区域分布及演变特征

利用1948-2009年NCEP/NCAR再分析资料,研究了黄河流域年平均、1、4、7、10月整层水汽含量的时空分布特征。结果表明：年平均水汽含量为5～27mm,时间上,冬季（1月）和夏季（7月）分别为最低和最高,空间上,青藏高原和黄河下游上空分别为最低和最高,西风带水汽大小居于两者之间;利用旋转经验正交函数（rotated empirical orthogonal function,REOF）展开方法,将黄河流域年平均水汽含量划分为2个区,1、4、7、10月均划分为4个区;年平均及各月全流域和黄河中下游区水汽含量均趋于减少,其余各分区演变趋势各异。     

我国江淮地区平均场水汽输送与扰动场水汽输送的不同特征

利用NCEP／NCAR1957-2001年45a逐日的再分析资料，从地面开始积分计算整层的水汽输送通量，减去平均场的水汽的输送量，从而得到扰动水汽输送量，初步讨论了我国江淮地区水汽输送场的季节变化特征，并分析了我国江淮梅雨期旱、涝年平均场水汽输送与扰动场水汽输送的差异。分析发现：扰动场水汽输送与平均场水汽输送差别较大，源自孟加拉湾的平均水汽输送对我国东部地区的降水影响较大，但该地区的扰动水汽输送却主要是影响印度北部地区。而影响我国江淮地区的扰动场水汽输送主要来自于南海地区。源自西太平洋和我国北方的偏强的水汽输送是造成江淮梅雨期降水偏多的主要因子，扰动场水汽输送在我国江淮地区梅雨期降水异常时期与平均场水汽输送基本呈反方向输送，其差值散度场与平均场水汽输送差值散度则为反位相分布，因此说扰动场的水汽输送对平均场的水汽输送起削弱作用。     

2003年淮河暴雨期大气水汽输送特征及成因分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了2003年淮河流域发生持续性暴雨期间的水汽输送情况,发现暴雨区的异常水汽并不是来自通常输送量最大的水汽输送通道2(来自印度洋孟加拉湾的西南气流经中南半岛到我国东部地区)和水汽通道3(来自孟加拉湾的水汽经中南半岛到达南海与南海的偏南气流汇合再向北输送),而主要来自位置异常西移的水汽输送通道4(来自副高南侧的偏东气流沿着副高边缘转向向东输送到我国东部雨区)。暴雨区内有大量的异常纬向水汽通量距平,但并没有对异常降水辐合产生贡献,而相对小量的经向水汽通量距平在暴雨区产生强烈的辐合,为持续性暴雨提供绝大部分水源。输送至暴雨区的大量经向异常水汽通量距平主要来源于暴雨区南侧紧邻的中国南部沿海地区,而不是主要的水汽源区——南海。造成大气中水汽输送及辐合异常状况的最主要原因是西北太平洋副热带高压的异常西伸,强度偏强,且长期稳定少动。此外,欧亚两槽一脊的环流形势和副高北侧异常加强的低层西风急流及其稳定性也是形成此次淮河流域持续性暴雨必不可少的条件。