两次秋季北上台风引发东北地区暴雨的水汽特征

利用ERA5 0.25°×0.25°高分辨率再分析资料、实况融合降水资料、台风最佳路径数据集、HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model)后向轨迹追踪模型等资料,对2019年13号台风"玲玲"和2012年15号台风"布拉万"引发东北地区暴雨的水汽特征进行分析。研究表明:两次台风最大湿层厚度达200 hPa附近,700 hPa以下比湿大于10 g·kg^-1,高比湿主要集中在850 hPa以下的低层,台风的水汽分布具有明显的非对称结构特征。整层积分水汽通量散度与暴雨落区有一定的对应关系,尤其和降水强度对应。东北地区周边海域的水汽对东北暴雨的水汽供应很关键,源在日本群岛东部的西北太平洋的东南水汽通道是最重要的水汽通道。西南太平洋或阿拉伯海,包括欧拉方法研究发现的孟加拉湾较远距离的水汽输送存在,但是并非是东北台风暴雨的主要贡献者。     

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

基于混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(版本4)(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, HYSPLIT4),利用降水观测数据、ERA5和NCEP GDAS (National Centers for Environmental Prediction, Global Data Assimilation System)再分析数据,分析2014年7月13—16日铜仁持续性暴雨过程的水汽输送、收支和各水汽源地的定量贡献。结果表明：(1)东伸的南亚高压和高低空急流的耦合作用增强了低层辐合、高层辐散的动力机制,利于水汽在目标区域辐合上升、凝结,形成降水。(2)500 hPa稳定控制贵州南部以南地区的副热带高压、短波槽和低纬印度半岛的热带气旋协同作用,建立明显的水汽输送通道,使海上的水汽源源不断地输送到暴雨区。(3)后向追踪120 h发现,暴雨区空气块主要来自阿拉伯海、孟加拉湾和南海,所处高度较低;少量空气块来自铜仁以北至欧亚大陆、大西洋,所处高度较高。(4)影响铜仁暴雨的水汽源地为铜仁以南-南海及附近岛屿和海域、印度半岛东部-孟加拉湾、阿拉伯海-印度半岛西部,水汽贡献率分别为48.29%、32.17%和10.47%,铜仁以北至欧亚大陆、大西洋的贡献率为9.07%。(5)850 hPa和700 hPa为主要的水汽输送层,为暴雨区贡献了近3/4的水汽,其余1/4水汽由500 hPa输送。

     

芜湖市一次引发严重内涝暴雨过程的水汽输送特征

基于自动气象观测站降水数据、中国降水数据集、ERA5再分析资料及NCEP/NCAR再分析数据,使用水汽收支分析、HYSPLIT后向轨迹追踪和水汽输送贡献率等方法对2022年6月5日凌晨芜湖市一次引发严重内涝暴雨过程的水汽输送特征进行了分析。结果表明:此次暴雨过程出现在200 hPa分流区和850 hPa低空急流左前方,500 hPa冷空气在低空急流出口北侧不断激发对流云团,形成强降水。高层辐散和低层辐合增强了水汽的水平辐合和垂直输送,西南低空急流持续加强,将水汽不断输送至暴雨区,为暴雨的出现提供了必要的水汽条件,使芜湖市在强降水发生前水汽充沛,湿层深厚且持续增湿。暴雨出现时大气可降水量、850 hPa比湿、水汽通量和水汽通量散度分别达到71.0 kg·m^-2、16.0 g·kg^-1、15.0 g·hPa^-1·cm^-1·s^-1和-3.0×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。850 hPa水汽通量散度的变化与暴雨的出现和强度变化有较好的对应关系,雨强最强时段可达-8.0×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。水汽收支和追踪分析结果显示:水汽流入主要发生在对流层低层的西边界和南边界,暴雨发生前流入层深厚,有向上的水汽垂直输送。整层水汽流入量约为56.0×10⁷ t·h^-1,主要流入高度为850～700 hPa,单层流入量最大可达9.0×10⁷ t·h^-1,水汽主要源自孟加拉湾和南海,其水汽通道轨迹占比为32.0％,水汽输送贡献率达55.4％。暴雨出现时水汽流入层降低,流入量减少,水汽垂直输送减弱,总水汽净流入集中在850 hPa,净流入量为1.0×10⁷ t·h^-1左右,水汽主要源自南海,其水汽通道轨迹占比为46.0％,水汽输送贡献率达60.3％。     

2012年6月巴州一次暴雨水汽输送特征

利用常规观测、自动站逐小时降水资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料及全球同化系统（GDAS）资料,引入基于拉格朗日方法的轨迹模型（HYSPLIT_4.9）并结合欧拉方法定性、定量地分析了2012年6月4日新疆巴州罕见暴雨的水汽输送特征。结果表明,水汽传输的西北路径逐渐建立,将前期聚集在巴尔喀什湖附近的大量水汽输送至巴州境内,为罕见暴雨的发生提供了充足的水汽条件;此次暴雨水汽传输的路径主要有两条,分别为西风气流引导下的偏西路径和经巴尔喀什湖、伊犁河谷和中天山传输到巴州北部的西北路径,两者的水汽贡献率达到了96.20%,其中偏西路径的水汽贡献率要高于西北路径;后向追踪气团轨迹显示罕见暴雨是西北路径通道的干冷气团在传输过程中不断下沉,偏西路径的暖湿气团在传输过程中不断被抬升,最后冷暖气团在暴雨区上空3000m—4000m之间交汇造成的;强降水的水汽主要来自新疆以西的湖泊或海洋,其中以巴尔喀什湖附近的水汽贡献率最大,达到了58%,黑海附近的水汽次之,为25%,而大西洋和挪威海附近的水汽贡献率相对较低,分别为7%和10%;对于新疆巴州而言,3000m(700hPa)高空水汽的分布特征基本可代表整层水汽的分布特征,且暴雨发生前水汽主要汇集在3000m(700hPa)附近。     

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。     

一次“大气河”背景下东北冷涡暴雨的诊断分析

利用FNL再分析资料、NCEP GDAS资料和观测降水资料,应用HYSPLIT轨迹追踪模式,对2016年7月25日一次东北冷涡暴雨过程的天气形势背景、大气河在暴雨过程中的作用及其在暴雨前后的演变特征以及暴雨水汽来源进行了诊断分析。结果表明,此次暴雨发生在有利的天气形势背景下,东北冷涡、鄂海阻高、日本以东的低压、高低空急流是这次过程的主要影响系统。暴雨过程中有两条源于西太平洋的大气河,一条经我国南海区域向北继而向东北延伸,核心水汽通量极强,另一条经东海、黄海向北输送,两条大气河的湿层均十分深厚。通过大气河的输送作用,热带地区的暖湿水汽直接输送到中纬度地区,为此次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。南来的暖湿气流与东北冷涡环流的偏北干冷气流汇合,在暴雨区附近产生了强烈上升运动,是此次暴雨的主要动力抬升机制。水汽轨迹追踪表明此次暴雨的水汽源地主要有西太平洋、南海、孟加拉湾和欧亚大陆,低层水汽主要由偏南大气河输送,中层水汽主要来自于西南大气河。     

拉格朗日方法诊断2007年7月中国东部系列极端降水的水汽输送路径及其可能蒸发源区

利用HYSPLIT模式和GDAS资料,对南疆西部1981—2020年暖季(4—9月)16例暴雨(平原、山区)后向水汽轨迹追踪、主要通道及不同源地的水汽贡献进行了分析。结果表明：水汽主要源自西南亚、中亚、地中海和黑海及其附近、大西洋及其沿岸;平原区850 hPa还有源自南疆和北疆的水汽。500 hPa水汽主要从偏西通道输入暴雨区;源自西南亚和中亚的水汽对暴雨的贡献较大,损失也较大。对流层低层水汽主要从偏西和偏东2个通道输入暴雨区;700 hPa各通道及各水汽源地对暴雨的贡献,不同区域存在差异;平原区暴雨850 hPa偏东通道对暴雨的贡献最大,各源地水汽沿途损失较小,北疆源地对暴雨的贡献最大。平原区源自西南亚、中亚、南疆和北疆的水汽主要输送至700 hPa及以下,源自地中海和黑海附近、大西洋及其沿岸的水汽主要输送至700 hPa以上的高度;500 hPa上,平原区暴雨从＞2 000 m的高度输送的水汽占主导地位,山区则相反。在南疆西部暴雨中存在南疆和北疆的水汽源,在特定条件下,有北美洲、北非的水汽源,与以往的研究成果不同。

     

“21·7”河南暴雨水汽源地追踪和定量贡献分析

2021年7月19～22日,河南省部分地区出现极端暴雨（简称“21·7”河南暴雨）,造成严重城市内涝和人员伤亡。本文借助降水观测资料和再分析数据,分析了此次暴雨过程的大尺度环流形势,并利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART及水汽源区定量贡献分析方法,考察了暴雨过程的水汽源地、输送路径和源区水汽定量贡献。结果表明:此次暴雨期间以及暴雨发生前数天,东亚地区500 hPa环流形势极为稳定,西太平洋副热带高压（简称副高）异常偏北,与北侧高压脊连通、位置少动,欧亚大陆高空槽偏西,东亚中高纬环流显著平直,暴雨过程期间,热带气旋“烟花”和“查帕卡”与副高等持续协同影响,建立明显水汽输送通道,提供充足水汽,河南暴雨区维持显著近地面湿区和高可降水量;向前追踪数天发现,暴雨区目标气块主要来自西北太平洋和中国南海等地,且所处大气高度较低,此外,还有少量气块来自日本海附近和欧亚大陆中部（所处高度相对较高）;定量贡献分析显示,水汽主要来自河南南侧中国中东部大陆（D）和西北太平洋（F）,前者水汽贡献率（52.59%）达后者（25.51%）2倍以上,此外,河南暴雨区（T,3.68%）、中南半岛—中国南海（E,3.32%）和暴雨区北侧亚洲大陆（B,2.28%）也有一定贡献;目标气块在D区域水汽摄取量最大,略高于F区域,但前者沿途损耗率明显低于后者,造成D区域水汽贡献显著高于后者;B区域水汽摄取量略高于E区域,但其沿途损耗和未释放部分占比之和高于后者,导致后者水汽贡献相比略高;此外,T区域也有不可忽视的降水再循环率;延长向前追踪天数后,目标气块轨迹和各源区水汽摄取与贡献率相对变化不大,但所有源区水汽总贡献明显提升,可见,对于类似此次河南极端特大暴雨的强降水过程的水汽来源追踪而言,适当延长追踪天数十分必要。     

2012年7月21日北京特大暴雨过程的水汽输送特征

利用NCEP再分析资料,根据水汽收支方程计算2012年7月21日北京特大暴雨时期华北东北部暴雨区域的水汽收支情况并分析水汽输送特征。得到以下结论:经向水汽输送在此次暴雨过程中起主要作用,暴雨区内水汽主要来源于中、低层(500 hPa以下)的南边界。暴雨区内水汽的辐合与暴雨发生的时间和空间具有较好一致性,在低层水汽的辐合起主要作用,中高层水汽垂直输送作用更为显著。HYSPLIT后向轨迹模拟得到的结果显示根据水汽源地划分影响此次暴雨过程水汽输送路径主要有:从孟加拉湾、南海地区处于中低层直接北上的西南路径,以及中层以下从我国东部海域(黄海、东海为主)进入内陆之后北折向东北偏北方向运动的L形高湿路径;同时高层沿着西风带西北路径的干空气输送也对此次强降水有重要影响。三者中从东部海域到达暴雨区的水汽贡献率最大,而孟加拉湾、南海的水汽输送对于此次强降水起到了明显的增强作用。     

东北地区典型暴雨个例的水汽输送特征分析

利用NCEP 1°×1°的GDAS资料同时引入基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT v4.9),选取了东北地区2009年6月27日至7月1日的冷涡暴雨个例、2010年8月19-22日切变暴雨个例、2013年8月14-17日气旋暴雨个例和2012年8月27-30日的台风暴雨个例,模拟计算了四个个例的水汽输送通道以及不同源地的水汽贡献。结果表明:四个暴雨个例的水汽输送通道基本有两支:一支是南海或西太平洋的海上水汽输送,另一支是西北气流的水汽输送。不同天气系统造成的典型暴雨个例的水汽输送特征各有差异。冷涡暴雨个例中,42.1%的水汽贡献来自于西太平洋和南海附近,鄂霍次克海附近的水汽亦有一定的补充,西北气流和海上水汽各约占50%;切变暴雨个例和气旋暴雨个例水汽输送较相近,以西太平洋和南海的水汽输送为主体,西北气流水汽比重减少,另外切变暴雨有局地水汽的贡献;台风暴雨个例中,北太平洋和黄海、渤海水汽是本次台风暴雨水汽主要来源。降水量的大小和分布的密集程度与海上水汽的贡献率密切相关。     

滇中喀斯特地区大气降水水汽来源和输送特征

本文利用2010—2019年滇中石林县的全球再分析资料，通过HYSPLIT模型的后向轨迹对不同季节和不同高度的水汽来源进行追踪和分析。结果表明：石林县四季的水汽源地和水汽运移路径存在差异。春季水汽主要来源于受高空西风影响的欧亚大陆和非洲北部，夏季水汽主要来源于孟加拉湾，南海和西太平洋海域，秋季水汽主要来源于孟加拉湾—南海和西太平洋，冬季主要来源于欧亚大陆和非洲北部的高空西风、孟加拉湾海域。石林县的水汽通道有阿拉伯海和孟加拉湾—南海、西太平洋、欧亚非大陆、局地五条水汽通道，且春夏秋冬四季的不同高度层的水汽输送通道和水汽贡献率存在较大差异。     

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。     

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。     

2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征

本文采用观测和NCEP分析场资料对2012年7月21日发生在北京地区的特大暴雨过程的天气形势、水汽来源和中尺度对流系统的特征进行了研究。结果如下:“7.21”北京暴雨过程是高低空与中低纬系统共同配合的结果,暴雨发生在“东高西低”的环流形势下,低涡、切变线、低槽冷锋和低空急流为此次过程的主要影响天气系统;孟加拉湾至西太平洋地区热带辐合带(ITCZ)活跃,其中热带气旋的活动有利于水汽向东亚大陆输送,此次暴雨过程中华北地区的水汽源地包括孟加拉湾和我国东部的渤海、黄海等,低层的水汽主要来自东部,中层的水汽主要来自孟加拉湾;北京的强降雨有两段,第1段降雨虽然发生在冷锋前,但有明显冷空气的侵入,并与地形和东风的作用有关,第2段降雨对流的组织和增强与冷锋强迫相关。在有利环境下,中尺度对流系统频繁发生发展,持续时间长,且稳定少动是此次特大暴雨形成的重要原因。     

2020年6～7月西南地区东部降水异常偏多的水汽输送特征

利用1961～2020年西南地区东部118个气象站逐日降水量资料和1979～2020年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5逐月再分析资料以及美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的逐6 h全球再分析资料,采用相关、回归、聚类、混合单粒子拉格朗日综合轨迹（HYSPLITv5.0）模型模拟等方法对2020年6～7月西南地区东部降水异常偏多特征、大尺度水汽输送特征及水汽收支状况和主要水汽源地及贡献等进行了分析,定义了关键区水汽强度指标,分析了关键区水汽强度与海温的联系。结果表明,2020年6～7月西南地区东部平均降水量异常偏多5成,为1961年以来最多,除贵州中部和四川东北部的局部地区降水较常年略偏少外,其余地区降水均较常年明显偏多。2020年6～7月200 hPa上高空急流位置偏南,西南地区东部正好位于急流轴以南地区,高层强辐散流出,低层强辐合流入,配合从低层到高层的深厚的强烈的垂直运动,为降水提供了良好的动力条件,而西太平洋副热带高压（副高）明显西伸,有利于其西南侧的暖湿气流向西南地区东部输送,使得该区域降水偏多。采用拉格朗日方法计算的定量的水汽轨迹...     

前期印度洋海温异常对夏季高原“湿池”水汽含量的影响及其可能原因

利用Hadley中心提供的逐月海温资料、ERA-Interim再分析资料以及NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的逐月向外长波辐射（OLR）资料探讨了1979~2011年夏季青藏高原“湿池”的水汽含量与前期印度洋海温异常的关系,并对可能的原因进行了分析。结果表明,夏季青藏高原水汽（去趋势）EOF第二模态与前期印度洋海温存在密切的正相关,前期3~4月关键区（5°S~20°N,45°E~75°E）的海温异常可以作为夏季高原水汽的预测信号。在暖水年,赤道附近显著的东风异常对夏季高原水汽输送起到了至关重要的作用。500 hPa上副热带高压显著增强并西移,600 hPa上赤道附近为显著的异常东风,将水汽从西太平洋、南海、孟加拉湾向西输送到印度半岛,并在异常反气旋环流西侧的南风作用下,将水汽带向青藏高原。高层风场上,西太平洋地区辐合,青藏高原上空辐散。以上环流形势表明暖水年夏季青藏高原水汽偏多;冷水年则相反。就影响机制而言,前期春季印度洋海温显著偏暖,引起其上空异常的对流上升运动,驱动异常沃克环流从春到夏显著维持,副热带高压的季节性北跳和异常增强西移,有利于赤道东风异常的增强和西移,并经过水汽输送通道将水汽带向青藏高原上空。     

滇西北高原一次突发性特大暴雨过程水汽输送特征分析

针对滇西北高原华坪县一次突发性特大暴雨天气过程,采用常规计算及数值模拟方法,分析其水汽输送特征。结果表明:中南半岛热带低压及孟加拉湾低压稳定维持为暴雨区水汽输送通道建立提供较好的大尺度环境场;暴雨区存在两条水汽输送通道,孟加拉湾低压东侧偏南气流转向后形成的西南水汽输送与副热带高压南侧偏东气流转向后形成的西南水汽输送,其源地可追溯至南海、西太平洋、孟加拉湾、阿拉伯海等地;水汽输送及水汽辐合主要来自700hPa以下层,其中700hPa与850hPa水汽输送特征与整层水汽输送特征表现一致;数值模拟结果可较好再现暴雨区水汽输送特征,同时发现后向追踪时段内,暴雨区中低层水汽输送起始于该高度层之上,随暴雨发生时间临近水汽输送高度逐渐降低。