河西走廊西部一次暴雨过程的水汽特征分析

万占鑫，肖万有，王窈英，马宁，梁小刚

（1.嘉峪关市气象局，甘肃 嘉峪关 735100；2.庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）

引言

河西走廊西部深处内陆，地表主要以戈壁、沙漠和荒漠为主，属于典型的大陆性干旱气候。由于受青藏高原、秦岭和祁连山的阻挡，夏季季风爆发后来自孟加拉湾、南海和热带西太平洋的暖湿水汽很难到达河西走廊西部地区，而来自青藏高原和西风带的水汽输送对于河西走廊西部地区的降水具有重要作用[1-2]。兰州中心气象台根据多年预报服务工作实践和统计方法,将甘肃省河西地区暴雨标准定义为日降水量≥30.0 mm，虽然暴雨强度定义相对于全国标准已明显减弱，但暴雨过程在河西走廊西部仍属于小概率事件，年平均出现频次远小于1 次，且常由中小尺度对流系统引发，有突发性强、历时短、范围小和破坏性强的特点[3]。暴雨的产生离不开充足的水汽供应，目前，针对水汽输送的研究主要集中在我国中东部地区和新疆地区[4-8]，对河西走廊地区的研究则相对较少[9]。而关于河西走廊暴雨的分析研究多集中在环流形势、物理量诊断、中尺度特征和雷达回波特征等方面[10-12]，对水汽输送特征研究还不深入，定性定量的认知还有待加强。

2019年5月5—7日河西走廊西部出现暴雨天气，其中6日酒泉市单日降水量达36.7 mm，占该站年平均降水量（88.4 mm）近一半，突破了近50年来5月份单日最大降水量。利用前期数值预报资料和实况资料进行预报分析，无论从系统强度、动力条件还是降水量客观定量预报都表明此次过程降水量级以小到中雨为主，预报员主观订正也仅仅将量级提高到中雨，很难作出大雨以上量级预报，更难以与暴雨相联系起来。而且降雨过程期间无明显中小尺度对流天气系统活动，主要由长时间的系统性稳定降水造成的，这与以往发生在该地区暴雨的特征明显不同。本文着重分析该过程形成的环流背景、水汽来源、水汽输送和水汽收支特征，以进一步认识和总结河西走廊西部此类暴雨的形成原因和水汽特征，为提高暴雨预报能力提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

应用常规高空观测、地面观测和河西走廊西部自动气象站资料、GdAS和NCEP/NCAR再分析资料。NCEP1 °×1 ° 逐6 h再分析资料，垂直方向从1000—1 hPa共31 层。为了检验NCEP再分析资料在河西走廊西部的可用性，选取了2019年5月5日20:00（北京时，下同）、6日08:00和20:00河西走廊西部500、700 hPa风场、高度场和温度场实况资料与相应的再分析资料进行对比检验，同时对酒泉、敦煌和马鬃山探空资料与再分析资料对应位置上各物理量进行对比检验(图略)，两种资料结果基本一致，再分析资料可以用于该地区暴雨天气的研究。

1.2 方法介绍

1.2.1 水汽收支计算

取对流层低层（地面—700 hPa）、对流层中层（700—500 hPa）、对流层高层（500—300 hPa）和整层（地面—300 hPa）计算水汽输入、输出和收支量，分析此次暴雨过程期间不同层次水汽输送特征和水汽收支情况。选取暴雨区周边2 个经纬度范围作为水汽收支的边界（图1），1为西边界，2为北边界，3为东边界，4为南边界，对应4 个边界水汽输送量之和为大边界的水汽输送量。

图1 水汽输送边界示意图

水汽输送的计算方法如下，大气的水汽输送通量Q（单位：g·m-1·hPa-1·s-1)的计算公式为：

式中：g为重力加速度，单位为m·s-2；ps为地面气压，可去除地形的影响；pt为300 hPa高空气压；为该单位气柱内各层大气的风速矢量，单位为m·s-1；q为各层大气的比湿，单位为g·kg-1。先利用NCEP再分析资料计算得到各层各格点水汽通量，再进行边长和垂直方向整层积分，最后进行时间积分得到水汽输送量，并将单位换算成kg。正值为水汽输入，负值为水汽输出。

1.2.2 HYSPLIT轨迹模型简介

HYSPLIT轨迹模型由美国海洋与大气研究中心（NOAA）空气资源实验室ARL（Air Resources Laboratory）和澳大利亚气象局联合开发。该模型采用地形跟随坐标，水平网格与输入的气象场相同，垂直方向为28 层。模型的计算方法采用拉格朗日方法，其假定质点的轨迹是随风场而运动的，轨迹是质点在空间和时间上的积分。通常用来追踪气流所携带粒子或气团移动方向，可以用于分析水汽的输送轨迹。

2 天气实况与环流背景

2.1 暴雨实况

2019年5月5—7日，河西走廊西部出现了罕见的连续性降雨天气，降水主要集中在酒泉市东部的肃州区、玉门市、金塔县和嘉峪关市，过程最大累计降水量出现在嘉峪关市区，为56.1 mm。5日20:00—6日20:00，酒泉市肃州区、玉门市和嘉峪关市的部分区域出现了暴雨（图2a），其中最大降水量出现在酒泉观测站，为36.7 mm，突破了该站近50年来5月份单日最大降水量。从5日20:00至6日20:00酒泉市、玉门市和嘉峪关市3 站逐3 h累计降水量分布来看（图2b），此次暴雨过程呈现出历时长、无间歇和雨势平缓的特征，与以往该地区暴雨历时短、雨强强度大的特征明显不同。经后续核查，此次天气过程由于雨势平缓，造成了部分农业设施坍塌损毁，没有出现明显中小河流洪水和城市内涝等灾害，而充沛的降水对促进戈壁沙漠荒草植被生长和改善生态环境非常有利。

图2 2019年5月5日20 时—6日20 时累计降水量分布（a）和部分站点逐3 h降水量变化（b）

2.2 大尺度环流特征

天气过程发生期间，河西走廊西部上空对流层高层200 hPa上维持40 m·s-1以上高空急流，高空的抽吸作用显著。500 hPa亚洲中高纬地区稳定维持两槽两脊的环流形势，高压脊位于乌拉尔山东侧和贝加尔湖南侧，低涡（低槽）位于巴尔喀什湖和我国东北地区。6日08:00 500 hPa形势场（图略）乌拉尔山东侧高压脊不断北伸发展，位于高压脊东侧的巴尔喀什湖低槽也随之向南加深发展为低涡，低涡位于南疆西部，低涡底部分裂的低槽在青藏高原地形作用下分为南北两支，南支槽位于印度半岛东部，南支槽前西南气流不断向东北方向输送暖湿水汽，到达川西高原后，在高原切变的作用下转向偏北方向流向河西走廊西部。北支槽主要以短波槽的形式影响高原北部和河西走廊地区，短波槽受下游蒙古高压阻挡作用移动缓慢。700 hPa上（图略），蒙古高压底部的偏东回流气流把东海沿岸和南方地区的暖湿空气不断向西北方向输送并在河西走廊西部辐合，偏东气流在华中至河西走廊西部一带增大到12 m·s-1以上达到低空急流标准，河西走廊西部处于低空急流左前侧正切变涡度区。此外，位于暴雨区南侧的祁连山脉走向与偏东低空急流风向有小幅度交角，地形作用使对流层低层容易形成空气质量堆积利于上升运动发展。综上过程最强时段内，河西走廊西部处于对流层高层200 hPa急流带上、中层短波槽前、低层偏东低空急流左前侧和气流辐合区，加上祁连山北坡的地形抬升作用，冷暖空气在此处交汇产生上升运动，共同造成了此次暴雨天气过程。

3 水汽特征分析

3.1 暴雨区水汽变化

暴雨的发生离不开大气中充足的水汽，分析暴雨过程中比湿、相对湿度、水汽通量和水汽通量散度的变化，可以对本次过程垂直方向上水汽的变化特征有更深入的认知。暴雨过程期间暴雨区上空水汽主要集中在400 hPa以下，暴雨区上空500 hPa以上比湿无明显变化，600 hPa以下比湿和相对湿度在暴雨发生前有迅速增大的过程，降雨强盛时段（5日20:00至6日20:00）对流层低层比湿维持在6～7 g·kg-1，相对湿度在80%以上（图3a）。从暴雨区上空水汽通量和水汽通量散度演变来看（图3b），水汽输送和水汽辐合主要集中在600 hPa以下，暴雨发生前（4日20:00）水汽输送迅速增大，5日02:00在800—700 hPa高度层上有超过10 g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量大值中心，降雨强盛时段（5日20:00至6日20:00）水汽通量强度维持在6 g·cm-1·hPa-1·s-1左右；过程期间水汽辐合较弱，仅在对流层低层维持-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右的辐合强度。此外，5日08:00—20:00，中高层相对湿度和比湿明显下降，表明有干冷空气从高层侵入，高层干冷空气侵入进一步加强冷暖空气交汇利于降水的加强。综上可知，主要降雨时段内，暴雨区对流层低层比湿维持在6 g·kg-1以上，相对湿度在80%以上，水汽通量在6～10 g·cm-1·hPa-1·s-1之间，水汽辐合强度维持在-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右。

图3 暴雨区（98.2 °—98.6 °E,39.7 °—39.9 °N）平均比湿（等值线，单位：g·kg-1）和平均相对湿度（阴影，单位：%）高度-时间剖面（a）、 平均水汽通量（黑实线，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1)和平均水汽通量散度（灰虚线，单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1）高度-时间剖面（b）

3.2 水汽输送路径和收支特征

3.2.1 水汽输送路径

图4为5—6日对流层中低层500 hPa和700 hPa水汽通量的发展演变。暴雨发生前（5日08:00）河西走廊西部上空对流层低层700 hPa上建立了一支强盛的远距离偏东水汽输送，将华北地区和西南地区的暖湿水汽向河西走廊西部输送（图4a），对流层中层500 hPa上有一支较弱的从柴达木盆地越祁连山的西南水汽输送（图4b）。降雨强盛时（6日08:00）对流层低层700 hPa上偏东水汽输送通道随着蒙古高压东移南压也向东南方向发展延伸，偏东回流气流将东海沿岸的暖湿水汽沿偏东路径向河西走廊西部输送，同时随着新疆冷空气侵入，开始建立了一支新疆东部—河西走廊西部的偏西水汽输送（图4c），对流层中层500 hPa上随着南支槽东移至高原中部，槽前强盛西南气流在川西高原地区受高原低值系统影响折北翻越祁连山延伸到河西走廊西部，建立了一支远距离偏南水汽输送（图4d）。暴雨趋于减弱时（6日20:00）对流层低层700 hPa上随着冷空气侵入，源自新疆东部的偏西水汽输送进一步西伸基本控制河西走廊西部，偏东水汽输送东退至内蒙古西部（图4e），对流层中层500 hPa上偏南水汽输送也被冷空气斩断不再影响河西走廊西部地区（图4f）。综上分析可知，过程期间共有3 支水汽输送影响河西走廊西部地区，发生前主要以对流层低层偏东和中层西南水汽输送为主，降雨强盛时段受对流层低层强盛偏东和弱偏西以及中层偏南3 支水汽输送共同影响，降雨趋于减弱后则主要受低层偏西气流输送影响。

图4 2019年5月5—6日700 hPa（a、c、e）和500 hPa（b、d、f）水汽通量与水汽通量矢量场叠加（单位：g·cm-1·hPa-1·s-1)a、b为5日08:00；c、d为6日08:00；e、f为6日20:00

3.2.2 暴雨区水汽收支特征

由过程发生前后对流层高、中、低层和整层逐6 h暴雨区各边界的水汽输送量演变可知（图5），各边界水汽输送的贡献是明显不同的。暴雨发生前（4日08:00—5日20:00），暴雨区的东边界（图5a）和北边界（图5b）为水汽输入，东边界的水汽输入强度远远大于北边界，西边界（图5c）和南边界（图5d）为水汽输出；暴雨期间（5日20:00—6日20:00）东边界仍维持高强度水汽输入，南边界随着偏南水汽输送通道的建立，由净输出转为净输入，西边界仍为水汽净输出但强度在逐渐减弱，北边界转为净输出；降雨趋于结束后（6日20:00—7日20:00），随着冷空气东移，偏西风侵入暴雨区，西边界转为水汽净输入，东边界转为水汽净输出，南边界和北边界仍维持较弱强度的水汽净输入和净输出。对比暴雨期间（5日20:00—6日20:00）各高度层的水汽输送量，水汽输送主要集中在500 hPa以下的对流层中低层，其中中低层东边界水汽输入贡献占各边界水汽输入总和的81.2%，高层水汽输送量明显偏小。综上分析，暴雨期间东边界为主要水汽输入边界，西边界为主要输出边界，水汽输送主要在对流层中低层，中低层东边界水汽输入贡献最大，占各边界水汽输入总和的81.2%。

图5 2019年5月4日08 时至7日20 时对流层东边界（a）、北边界（b）、西边界（c）、南边界（d）水汽输送量（正值表示输入，负值表示输出）

3.2.3 水汽后向轨迹追踪

为了进一步了解此次暴雨过程的水汽输送路径，使用基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模型后向追踪水汽质点的轨迹（图6）。根据姚俊强等[13]、李江萍等[14]和dRAXLER等[15]的研究，该模型对于一定区域内不同质点的轨迹运算具有较好的一致性，因此可用一个点的轨迹代表一定区域的整体空气的轨迹。选取酒泉站（98.5 °E，39.78 °N）进行模拟追踪，在垂直方向上选出离地1000、3000、5000 m作为初始高度，模拟起始时间为5月6日08:00后向模拟追踪72 h。结果显示：不同高度上的气块轨迹和来源有所不同，1000、3000 m气块轨迹是偏东路径，其源地位于蒙古国东南部，与蒙古高压相联系的对流层低层偏东回流气流输送水汽有关；5000 m气块轨迹则是回旋的偏南路径，其源地位于新疆东部，与北支短波槽相联系的中层越祁连山偏南气流输送水汽有关。此外，对7000 m气块轨迹进行模拟追踪发现其轨迹与高空急流走向基本一致，源地位于里海（图略）。此外，从各层气块轨迹的高度演变来看，对流层中低层水汽主要来自于近地层，在临近暴雨发生时，有一个明显抬升的过程，是由暴雨发生时垂直上升运动造成的，对流层高层水汽轨迹的高度则没有明显变化。综上可知，暴雨区上空的气块后向轨迹主要有3 条路径，对流层低层轨迹为偏东路径，对流层中层轨迹为偏南路径，而对流层高层轨迹为偏西路径，其源地分别位于蒙古国东南部、新疆东部和里海。

图6 2019年5月6日08:00暴雨区（98.5 °E、39.78 °N）后向72 h水汽轨迹模拟

4 干空气侵入

在气旋的爆发性发展、暴雨的增强、位势不稳定的增强等方面干侵入起着重要的促进作用[16]，下面利用相对湿度、假相当位温（θse）和流场的垂直剖面对此次降雨过程期间高层干冷空气侵入特征进行分析。5日08:00（图7），暴雨区西侧96 °E以西700—300 hPa有明显的下沉运动，400 hPa出现相对湿度低于50%的干中心，干中心东侧324 K等假相当位温线出现倾斜，表明有干冷空气从高层向低层侵入，同时等θse线陡峭分布利于涡度的倾斜发展，为低层垂直涡度的发展提供了良好的环境条件[17]。5日14:00（图略），下沉运动向东推进至99 °E附近，暴雨区上空400 hPa附近为下沉的干冷空气，对流层中低层为强烈的上升运动，在550 hPa附近上升下沉两股气流交汇，对降水有一定的加强作用。

图7 2019年5月5日08:00沿39.78 °N的相对湿度（阴影，单位：%）、假相当位温（虚线，单位：K）和流线的垂直剖面（三角为暴雨点）

5 结论

本文利用常规资料和NCEP再分析资料，分析讨论了2019年5月5—7日河西走廊西部暴雨天气过程的水汽特征，主要结论如下：

(1)此次暴雨发生期间，欧亚中高纬呈两槽两脊形势，乌拉尔山东侧高压脊稳定维持并向东北方向发展，巴尔喀什湖低涡分裂的北支短波槽受下游蒙古高压阻挡长时间稳定在河西走廊西部地区，大尺度环流的稳定维持为此次暴雨过程发生发展提供了有利的大背景条件。高层200 hPa高空急流、中层500 hPa短波槽前正涡度平流和低层700 hPa偏东低空急流的配置以及祁连山北坡地形抬升作用有利于暴雨区垂直上升运动的发展和维持。

(2)主要降雨时段内，暴雨区对流层低层比湿在6 g·kg-1以上，水汽通量在6～10 g·cm-1·hPa-1·s-1之间，水汽辐合强度维持在-2.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右。

(3)分析降雨过程期间的流场和水汽通量矢量场发现，有3条通向河西走廊西部地区的水汽输送，分别为偏东路径、偏南路径和偏西路径。其中两支为异常远距离路径，分别是蒙古高压低层偏东回流气流引导的偏东路径和南支槽槽前西南气流在川西高原受高原切变影响折北越祁连山传输到河西走廊西部地区的偏南路经。

（4）暴雨期间，东边界为最主要输入边界，西边界为最主要输出边界，水汽输送主要在对流层中低层，中低层东边界水汽输入贡献最大，占各边界水汽输入总和的81.2%。

（5）利用HYSPLIT轨迹模型对过程期间暴雨区水汽轨迹作后向72 h追踪发现，暴雨区水汽来源主要有3 条路径，低层偏东路径、中层偏南路径和高层偏西路径，对应的水汽源地为蒙古国东南部、新疆东部和里海。

（6）高层300 hPa干冷空气侵入中层，与中低层上升气流在暴雨区上空辐合交汇，对降水有一定的加强作用。