2017年梅雨期金华地区2次暴雨事件的水汽输送特征分析

孔 蒙， 王天阳， 李凤全， 叶 玮， 朱丽东

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)

暴雨造成的洪涝、滑坡、泥石流等灾害，给当地农业、工业及人们的生命安全造成较大的损失.暴雨的发生必须满足以下3个条件：充分的水汽供应、强烈的上升运动和较长的持续时间[1].其中，暴雨发生的首要条件就是充足的水汽供应，所以在分析暴雨过程中，对于水汽输送特征的定量分析至关重要.Draxler等[2-3]开发了HYSPLIT模型，为水汽运移轨迹的研究提供了有效手段；Stohl等[4]利用拉格朗日方法对欧洲中部一次强降水的水汽来源进行了诊断分析；Brimelow等[5]采用HYSPLIT模型分析了Mackenzie河3次极端降水的水汽输送变化，指出墨西哥湾是极端降水低层水汽的主要水汽源.此外，我国学者对暴雨和持续性降水的水汽输送研究也取得一定成果.陈明亚等[6]认为,华南、江南和江淮地区强持续性暴雨过程中水汽来源和输送特征存在差异；朱玮等[7]提出,来自孟加拉湾海域的气流对中国东部降水影响很大，但影响我国江淮地区的气流则主要源于南海；王婧羽等[8]认为,我国东部沿海海域为北京2017年7月21日的特大暴雨提供了充足的水汽.

金华(28°32′～29°41′ N,119°14′～120°46′ E)位于金衢盆地的中东部，地势中间低、南北高，南北两侧以500～1 000 m的低山为主，属亚热带季风气候，受东亚和南亚季风的共同影响.年总降雨量约1 424 mm，年均气温约16.7～18.2 ℃.目前对于金华地区暴雨的水汽输送研究较少，因此，本文利用HYSPLIT模型和再分析数据等，对比分析了金华地区2017年梅雨期间2次暴雨的水汽输送过程，以期从水汽输送角度找出暴雨产生的主要原因，加深对极端降水的认识，为日后研究区暴雨的预报提供参考.

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文采用由NCEP(national centers for environmental prediction)提供的GDAS(global data assimilation system)资料，空间分辨率为1°×1°，高度为24层，气象要素包括位势高度、经向风、纬向风、相对湿度等；降水资料来自浙江雨情信息中心的逐日实测降水数据.

1.2 研究方法

1.2.1 HYSPLIT模型简介

HYSPLIT 4.9(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory)模型是由美国国家海洋和大气管理局的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的用于计算与分析大气污染物输送、扩散轨迹的模型[9-10].若空气中的微粒随气流运动，则其移动轨迹是其在时空位置矢量的积分.最终位置P(t+Δt)由初始位置P(t)和第一猜测位置P′(t+Δt)插值的平均速率公式(1)和(2)计算得到.

P′(t+Δt)=P(t)+V(p,t)Δt;

(1)

P(t+Δt)=P(t)+0.5×

[V(p,t)+V(P,t+Δt)]Δt.

(2)

式(1)和式(2)中，Δt为时间步长.本文选取2017年金华地区2次暴雨过程中雨量大于50 mm的25个气象站，参考江志红等[1]、杨浩等[11]对我国江淮区域持续性暴雨的水汽输送分析时选取的模拟高度(500，1 500和3 000 m)，并结合金华地区的地形和不同高度层气流的比湿情况，选取各站点上空海拔700 m(约925 hPa)、1 500 m(约850 hPa)、3 000 m(约700 hPa)3个高度层为水汽初始高度(在大气科学中往往用大气压来描述水汽的运移高度)，以判断不同海拔高度降水的水汽来源是否存在差异.虽然模拟的起始高度是固定的，但每一条轨迹都在拉格朗日空间进行模拟，其高度随环流演变，即随地点和时间变化.后推时间为144 h(6 d)，利于覆盖连续性降水，提高追踪水汽来源的准确性[12]，后推步长为1 h，即每h输出1次计算结果.

1.2.2 轨迹聚类分析

由于模拟得到的轨迹数量较多，利用簇分析对轨迹进行聚类，聚类的基本原则是按轨迹的路径进行，将路径最接近的轨迹合并分组.为了定义数据空间点的相似度，本文主要采用欧氏距离度量，即对于2条轨迹，其空间距离[13]为：

(3)

式(3)中，i为轨迹上的相对时间点.

1.2.3 水汽贡献率

对于聚类后的轨迹簇，确定水汽通道并计算水汽贡献率[1]的公式如下:

(4)

式(4)中:Qs为不同水汽通道的贡献率;ql为气块在降水区的比湿值;m为通道中包含的轨迹数;n为轨迹总数.

1.2.4 水汽通量

利用马里兰大学研发的GrADS(grid analysis and display system)气象软件，并结合再分析数据，模拟分析2次暴雨事件的水汽通量和风矢量特征.有学者研究发现，地面到300 hPa之间的水汽通量最大值出现在850 hPa左右[14].因此，本文主要通过850 hPa高度层水汽通量和风场信息，探讨降水与水汽输送之间的关系.

2 降水过程分析

2017年，金华地区于6月9日入梅，7月1日出梅，梅雨期为21 d，平均梅雨量452.6 mm.梅雨期间，金华地区共出现2次强降水事件，分别是11—13日和21—26日.由于副热带高压加强，暖湿气流趋于活跃，于11日出现典型梅雨形势，12日2 h内金华站降水量达63.8 mm.21日全市大部分地区出现暴雨，日均降水量达49.0 mm，22—23日降水量减弱，但24—25日降水增多且影响范围广、持续时间长.根据梅雨期间2次强降水过程，本文选取金华地区降水过程中雨量大于50.0 mm的25个气象站，计算了区域平均降水量的逐日变化，并对比分析了各站点当日3个高度层的平均比湿变化,具体见图1.

图1 2017年6月11—13日，21—26日研究区日

平均降水量及不同高度层比湿随时间变化

11—13日降水较多，日降水量均高于55.0 mm，对应气流的比湿也较高.21—26日，气流的比湿变化与降水量变化较一致，在24日最大降水量发生时，3个高度层的比湿有一个增加的过程，之后随着降水量的减少，比湿值也迅速降低.因此，不同高度层气流的比湿变化与实际降水量有一定的对应关系，700 m和1 500 m高度层的比湿约占3个高度层比湿值的75%，对降水的水汽贡献较大；3 000 m高度层的气流比湿值偏低，约占3个高度层比湿值的25%，对降水的水汽贡献相对偏少.

3 暴雨过程中水汽轨迹特征分析

3.1 场降水的水汽输送源地和运移路径分析

利用HYSPLIT 4.9模型对2017年梅雨期日降水量最高的场降水(12和24日)的水汽来源和运移轨迹进行追溯,按照1.2.1的模拟方案，在12日和24日3个高度分别得到300条轨迹，为进行定量直观地分析，2次场降水在3个高度层的轨迹最终聚类为3条，具体见图2和图3.

由图2(a)可知，12日降水的水汽主要来自西太平洋和南海海域的低空暖湿水汽.其中，700 m和1 500 m高度层，分别有33.67%和39.00%的气流从西太平洋向西北方向经巴士海峡和我国沿海海域后，转向东北方向输送进入研究区.气流的平均比湿分别为18.90 g/kg和19.20 g/kg，整体水汽比湿较高，以低层水汽输送为主,见图2(c).3 000 m高度层，27.33%的气流来自南海南部低空海域，其运移路径与台风“苗柏”的移动路径相对较一致，且气流在源地的比湿较高，为17.80 g/kg，由于气流运移路径较长，水汽蒸发损耗多，到达源地的水汽比湿仅为9.30 g/kg.

由图3(a)知，24日降水的水汽主要源自阿拉伯海-孟加拉湾和南海海域.其中，700 m高度的气流主要从1 km以下的南海南部输送进入研究区，气流沿途运移高度变化小，受洋面水汽蒸发的影响，比湿较高，到达研究区后气团的比湿在16.00 g/kg左右.1 500 m高度的气流主要从安达曼海经中南半岛-南海海域后，向西北方向进入研究区，气流在源地的比湿偏低，输送过程中携带部分南海洋面蒸发的水汽，气团比湿增加.3 000 m高度的水汽主要从阿拉伯海-孟加拉湾海域向西北方向到达研究区，气团的比湿与高度呈反向变化，即气团随运移高度的升高比湿降低，特别是在后推96 h至后推48 h时间段内,见图3(c).

综上，2次场降水的水汽主要来自海上(西太平洋、南海、阿拉伯海-孟加拉湾).其中，12日场降水的水汽来自西太平洋和南海海域，说明台风“苗柏”对研究区降水有较大影响；24日场降水的水汽来自南海和阿拉伯海-孟加拉湾.此外，对流层低层的海洋暖湿气流的比湿较高，为研究区降水提供充沛水汽.

图2 金华地区6月12日水汽输送特征

图3 金华地区6月24日水汽输送特征

3.2 水汽输送通道和贡献率分析

为进一步定量区分不同高度、时间和源地的水汽输送情况，参照杨浩等[11]在分析我国江淮和淮北水汽输送的区域划分方法，以及金华地区大气降水的水汽输送特征，将暴雨的水汽输送通道分为西太平洋(A)、南海-孟加拉湾(B)和局地(C)等3个通道.并对6月11—13日和21—26日暴雨(以下简称“6·12”暴雨与“6·24”暴雨)的水汽输送进行详细分析.

3.2.1 “6.12”暴雨水汽输送通道和贡献率分析

“6.12”暴雨事件的水汽输送通道主要有2条(见表1)，即西太平洋和南海-孟加拉湾通道.此外，不同高度降水的水汽主要源于低层洋面，其水汽输送通道和贡献率存在差异.700 m高度的水汽主要来自西太平洋海域(见图4(a)).其中，8.33%的轨迹来自我国沿海和西北太平洋，水汽贡献率为8.11%；58.34%的轨迹(通道A2,A3)从西太平洋海域低层洋面向东北方向经台湾岛进入研究区，水汽贡献率为57.10%；33.33%的轨迹(通道A4)来自南海海域，其贡献率为34.79%.1 500 m高度(图4(b))的水汽主要源于西太平洋和南海海域.其中，33.33%的轨迹(通道A1)从西太平洋向西北方向到达广东北部，进而向东北方向输送进入研究区，沿途经过低层海域和我国湿润地区，气流比湿较高，水汽贡献率为34.51%；33.33%的轨迹(通道A2)从西太平洋向西北绕菲律宾群岛北部后，向北进入研究区，水汽贡献率为32.90%；33.33%的轨迹(通道A3)源于低层南海海域，并经我国广东、福建等地向东北方向进入研究区，贡献率为32.59%.3 000 m高度(图4(c))的水汽来自南海和西太平洋.其中，25.00%的轨迹(通道A1)来自菲律宾群岛西部，其贡献率为 25.11%；另外，25.00%的轨迹来自安达曼海经中南半岛-南海西北部的水汽，气流运移路径较长，水汽贡献率为24.14%；50.00%的轨迹源于低层南海海域，大致向东北方向经广东和江西等地进入研究区，水汽贡献率为50.75%.

表1 “6·12”暴雨时期不同高度水汽的轨迹比和贡献率 %

图4 “6·12”暴雨时期水汽通道的空间分布图

3.2.2 “6·24”暴雨水汽输送通道和贡献率分析

“6·24”暴雨的水汽通道主要有2条(见表2)，即南海-孟加拉湾和局地通道.700 m高度的水汽通道主要是南海-孟加拉湾(见图5(a)).其中，12.00%的轨迹(通道B1)来自安达曼海低层海面，并经中南半岛和南海北部到达研究区，气流沿途随地形的起伏，运移高度变化较大，损失部分水汽，其贡献率为11.89%；64.00%的轨迹(通道B2)来自低层南海西南部海域向东北方向输送进入研究区，是此阶段降水的主要输送通道，贡献率达66.94%；另外，24.00%的轨迹从南海绕过广东、湖南和江西等省之后进入研究区，贡献率为21.17%.1 500 m高度的水汽通道分别是南海-孟加拉湾和局地通道(见图5(b)).其中，52.00%的轨迹(通道B1)来自安达曼海附近，其贡献率为54.67%；32.00%的轨迹(通道B2)来自南海西南部，水汽贡献率为31.98%；16.00%的轨迹(通道C1)从我国晋陕交界处汇合南下到达研究区，沿途气流运移高度偏高，水汽蒸发流失，贡献率为13.35%.3 000 m高度层(见图5(c))的水汽通道与1 500 m较一致.其中，32.00%和36.00%的轨迹(通道B1，B2)来自阿拉伯海-孟加拉湾海域低层洋面，经中南半岛向东北方向输送进入研究区，水汽贡献率达71.19%；受局地水汽蒸发的影响，20.00%的轨迹(通道C1)从山东地区向北绕内蒙古后，在晋陕交界处向南输送，受地形起伏的影响，气流运移过程中水汽蒸发损耗，贡献率为17.36%；12.00%的轨迹(通道C2)从湖南与广西省向东输送进入研究区，气流运移路径较短，速度较慢，贡献率为11.44%.

综上，梅雨期2次暴雨水汽通道分为3条，即低层海上西太平洋、南海-孟加拉湾通道和局地通道.此外，2次暴雨的水汽通道和贡献率均存在差异.“6·12”暴雨的水汽主要源于西太平洋和南海-孟加拉湾海域.其中，700 m和1 500 m高度的水汽主要源于西太平洋通道，受台风“苗柏”的影响较大；3 000 m高度层，南海-孟加拉湾是主要通道，来自西太平洋海域的水汽较少.“6·24”暴雨的水汽通道是南海-孟加拉湾和局地通道.其中，南海-孟加拉湾是低层700 m的全部水汽通道，也是1 500 m的主要水汽通道，该通道的“6·24”水汽贡献率远高于同高度的“6·12”；而局地通道的水汽只占一小部分，且主要集中于1 500 m和 3 000 m高度.

表2 “6·24”暴雨时期不同高度水汽的轨迹比和贡献率 %

图5 “6·24”暴雨时期水汽通道的空间分布图

3.3 水汽输送通量与风矢量

维持长时间高强度的持续性降水需要周边不断的水汽输送和积聚[6].通过模拟850 hPa水汽输送通量发现，2次暴雨的水汽输送过程存在差异，具体由图6所示.图6中，水汽通量单位由2g·cm-1·hPa-1·s-1表示，箭头表示风场方向.

图6 “6·12”和“6·24”暴雨850 hPa水汽通量图

“6·12”暴雨发生时(见图6(a))，研究区处于水汽输送带的边缘，主要水汽通量中心在浙东南地区，水汽主要有2支，分别是来自副热带高压南侧的偏东气流和来自南海北部的水汽.其中，南海北部水汽的富集，一部分是来自越过赤道气流的加强，使南印度洋的水汽向北输送，同时把阿拉伯海-孟加拉湾的低空急流输送到南海海域；另一部分水汽是来自西太平洋副热带高压的东风输送带.其中，副热带高压南侧的偏东气流的加强，为此次强降水提供丰沛的水汽.

“6·24”暴雨发生时(见图6(b))，研究区处于一条显著的水汽输送带上，水汽通量中心在浙南地区，暴雨过程的水汽同样是由西南急流提供，但是这支强西南急流主要来自孟加拉湾和南海海域，即来自阿拉伯海-孟加拉湾的低空西南急流越过中南半岛汇入南海海域，并与南海的水汽一起向东北方向输送，为研究区提供海洋暖湿水汽.

4 结 论

对金华地区2017年梅雨期2次暴雨事件的分析发现，2次暴雨的水汽输送通道主要有3条，包括西太平洋、南海-孟加拉湾和局地水汽通道.具体结论如下：

1)梅雨期间，12日和24日场降水的水汽源地以海洋水汽为主.其中，12日场降水的水汽主要源于西太平洋和南海海域，24日场降水的水汽主要源于南海-孟加拉湾海域.

2)研究区2次暴雨的水汽通道及其贡献率存在差异.受台风“苗柏”的影响，“6·12”暴雨的水汽主要来自西太平洋和南海-孟加拉湾.其中，对流层低层700 m和1 500 m高度的水汽主要源于西太平洋；3 000 m高度的水汽来自南海-孟加拉湾通道.“6·24”暴雨时期，低层700 m的水汽全部来自南海-孟加拉湾，1 500 m与3 000 m高度的水汽也大部分来自南海-孟加拉湾;来自局地通道的水汽集中在1 500 m和3 000 m高度层中，且只占一小部分.

3)梅雨期2次暴雨的水汽输送过程不同.“6·12”暴雨期间，受台风“苗柏”和副热带高压的影响，来自热带西太平洋-南海的偏东水汽输送距平气流，将充足的水汽输送进入研究区，表明东亚季风水汽输送异常偏强；“6·24”暴雨期间，来自阿拉伯海-孟加拉湾强劲的西南气流与副热带高压西侧的气流在南海北部汇合并输送进入研究区，说明受南亚季风影响的西南气流为此次强降水提供充足的水汽，而东亚季风的影响相对偏弱.