黄土高原两次不同类型暴雨水汽特征分析

陈小婷，赵 强，刘 慧，彭 力

（1.陕西省气象台，陕西 西安 710014；2.秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，陕西 西安 710016；3.陕西省铜川市气象台，陕西 铜川 727031）

引 言

陕北地处黄土高原北部，为半干旱季风气候，全年雨量分布不均，降水主要集中在夏季，由于地形地貌主要为黄土丘陵沟壑区，遇暴雨往往引发山洪、滑坡和泥石流等次生灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失。例如，2012年7月27日榆林佳县特大暴雨因灾死亡18 人，失踪12 人［1-3］；2017年7月25日榆林子洲特大暴雨导致子洲、绥德县城洪水漫堤，12 人死亡，1 人失踪［4-5］。由于缺乏充沛的水汽条件，该地区大面积强降水、特大暴雨天气相对较少，但降水局地性强、历时短且强度大、致灾性强、预报难度大。不少学者针对陕北暴雨形成机理进行了研究：强盛的西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）、西风槽、低空急流及低层低涡、切变线是主要的影响系统［6-9］；在天气尺度系统有利的背景下，中尺度系统是暴雨的直接制造者［1-5，10］，冷锋［5］、弱冷空气［2］入侵可以触发对流，导致短时强降水产生。水汽条件作为暴雨形成的基本条件之一，不少学者针对不同地区暴雨进行了研究。结果显示，中国内陆地区特大暴雨的水汽源地，一个是孟加拉湾，另一个是中国南海或者东海［11］。对西北地区而言，与气候平均态相比异常偏强的水汽输送及整层含水量是出现极端暴雨的重要原因［12-13］；另外，远距离台风有利于水汽向西北输送，台风西进北上时携带大量水汽，和副热带高压以及西风带系统相互作用使暴雨区水汽通量迅速增大［14-15］。水汽特征的研究一种基于欧拉观点［16-18］，通过分析大气流场的瞬时特征，定性或定量的研究暴雨区水汽来源；另一种基于拉格朗日观点［19-23］，通过空气块在不同时间的位置，定量地刻画出具体的水汽源地和路径。基于拉格朗日观点的HYSPLIT（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）是常用水汽追踪模型之一，被用来分析不同地区暴雨的水汽来源及贡献。

针对旱区暴雨的水汽问题，钱正安等［24］在综述中指出西北地区范围广，远离海洋，区内有青藏高原、天山及秦岭等地形阻挡，各地的水汽源地差异大，西北各地的水汽输送应分区、分季节进行，同时揭示了西北“核心旱区”夏秋季及晚春暴雨海洋水汽通过不同天气系统“接力”输送至西北的模型。庄晓翠等［25］利用HYSPLIT 模型对天山南坡近40 a暖季暴雨的水汽来源分析显示，其水汽源地主要有3 个，分别是中亚地区、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近。孔祥伟等［13］对河西走廊西部极端暴雨分析显示，甘肃中部500和700 hPa异常偏东气流能将已到达西北地区东部的暖湿空气继续向西北输送从而到达河西走廊西部。目前对陕北地区的水汽特征研究较少。2022年主汛期，陕北地区降水异常偏多，其中2022年7月11日和8月9日为最强的两次区域性暴雨过程，前者发生在西太副高外围，后者发生在副热带高压控制下。本文以这两次过程为例，结合欧拉观点和拉格朗日观点，定量分析不同边界、不同高度、不同输送路径的水汽贡献率，揭示陕北不同环流背景下区域性暴雨水汽的分布及变化特征，以期更好地认识黄土高原北部地区暴雨的形成机制，为今后当地类似强降水预报提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资 料

2002—2022年榆林地区12 个国家级气象观测站日降水量资料；2022年7月10—11日、8月8—9日高空及地面气象观测资料；2022年同时段欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第5 代全球大气再分析产品——ERA5，空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率3 h；美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球资料同化系统（Global Data Assimilation System，GDAS）数据，空间分辨率1°×1°。

文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS（2019）1719号的标准地图制作，底图无修改。

1.2 方 法

选取暴雨区域（109°E—111°E，37°N—39°N）计算东、西、南、北四个边界水汽通量及区域水汽收支。某边界水汽通量垂直积分Fv计算公式［22，26］如下：

式中：l是边界长度；g（m·s-2）为重力加速度；q（kg·kg-1）为比湿；ps（hPa）为地表气压；pt（hPa）为上边界气压，Vn（m·s-1）为风速矢量。为便于讨论，计算北边界和东边界时，Fv取反号，南北（东西）边界代数和为经向（纬向）收支，四边界代数和为区域净收支，正值表示有水汽输入，负值表示有水汽输出。

利用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）空气资源实验室开发的HYSPLIT 模式，结合降水实况，选取模拟区域（109°E—111°E，37°N—39°N），每隔0.5°取一个格点，积分时段为2022年7月11日02：00—20：00（北京时，下同）、2022年8月9日00：00—12：00，从目标区域出发，向后追踪7 d，重点分析1500 m、3000 m高度水汽来源及贡献率［21-22］。

2 降水概况

若一日中至少有一个站点日降水量大于等于50.0 mm（20：00—20：00），则将该日记为1 个暴雨日；统计时段内任意一站出现一次降水量大于等于50.0 mm 记为1 站次暴雨。对近20 a 榆林地区暴雨日数及暴雨站次进行统计分析。结果显示（图1），位于黄土高原北部的榆林地区年平均暴雨日数4.8 d，年平均发生暴雨10 站次。2022年榆林地区降水异常偏多，强降水主要集中在7月中旬至8月中旬，共出现10个暴雨日、24站次暴雨，与历史同期相比具有暴雨日数多、暴雨站次多的特征。7月与8月暴雨发生时的环流形势截然不同，选取最强的两次过程分析不同环流背景下暴雨的水汽特征。

图1 2002—2022年榆林地区暴雨日数及暴雨站次Fig.1 Numbers of rainstorm days and stations in Yulin from 2002 to 2022

2022年7月10日20：00至11日20：00 24 h累计降水量空间分布［图2（a）］显示陕北北部共有10 站大于50.0 mm，其中榆林、佳县、横山3站降水量分别达到99.0、98.4、96.5 mm；2022年8月8日20：00 至9日20：00 24 h 累计降水量空间分布［图2（b）］显示陕北东部共有5站大于50.0 mm，其中清涧站降水量（125.3 mm）最大。7月11日榆林、米脂和吴堡的小时降水量［图3（a）］显示，3 站雨强5.0～15.0 mm·h-1居多，较强降水维持8 h左右，以稳定性降水为主，其中榆林站连续2 h（13：00、14：00）出现短时强降水（小时降水量大于等于20 mm），最大雨强27.2 mm·h-1；8月9日［图3（b）］降水来势迅猛，局地性、对流性强，榆林、米脂和清涧最大雨强分别为30.3、42.0、55.4 mm·h-1，其中清涧站08：00—10：00 连续3 h 出现短时强降水。

图2 2022年7月10日20：00至11日20：00（a）、8月8日20：00至9日20：00（b）陕西24 h累计降水量空间分布（单位：mm）Fig.2 The spatial distribution of 24 h accumulated precipitation in Shaanxi from 20：00 BST 10 to 20：00 BST 11 July （a） ，and from 20：00 BST 8 to 20：00 BST 9 August （b） 2022 （Unit：mm）

图3 2022年7月11日08：00—20：00（a）和8月9日02：00—14：00（b）不同站点逐小时降水量演变（单位：mm）Fig.3 Hourly precipitation from 08：00 BST to 20：00 BST 11 July （a），and from 02：00 BST to 14：00 BST 9 August （b） 2022（Unit：mm）

3 环流背景

2022年7月11日08：00，500 hPa［图4（a）］高空槽位于宁夏—川西一线，西太副高控制江淮以南地区，随着高空槽东移、西太副高北上，两者之间气压梯度不断加大，西南风增强，风速大值区位于陕北东部，17：00 最大风速达到26 m·s-1，槽前正涡度平流不断加强（图略），其减压作用有利于低层低值系统发展加强。11日08：00 700 hPa（图略）西南急流沿云南—川东—陕南一直发展至陕北地区，急流左侧有切变线，14：00［图4（b）］切变线后部偏北风12 m·s-1，前部偏南风20 m·s-1，低层辐合加强有利于上升运动强烈发展。7月11日08：00 850 hPa 低涡位于宁夏地区，陕北盛行东南风（图略），14：00［图4（b）］低涡东移加强，中心位于榆林地区，前部东南急流达16 m·s-1，经河南、山西向陕北输送水汽。850 hPa 榆林东北部为12 m·s-1的东北风，西北部为4～8 m·s-1的西北风，结合温湿场特征可见宁夏西北部及山西东北部存在干冷空气源（图略），东北气流和西北气流携带冷空气南下与偏南暖湿气流在榆林地区交汇形成低涡中心，有利于上升运动发展形成暴雨天气。另外，赵桂香等［27］对黄河中游一次大暴雨的模拟分析显示，低层东北气流为干冷和暖湿的倾斜交界面，在其两侧形成次级环流，随着东北气流南压，有利于对流的触发。可见，高空槽、低层中尺度切变线及低涡、低空急流是此次过程主要影响系统，其中700、850 hPa 低空急流建立，低涡在榆林地区发展加强并缓慢移动共同造成区域性暴雨。

图4 2022年7月11日08：00（a）、8月9日08：00（c）500 hPa位势高度场（等值线，单位：dagpm）和风场（风矢量，单位：m·s-1），及7月11日14：00（b）、8月9日02：00（d）700 hPa风场（红色风矢量为700 hPa风速大于12 m·s-1，填色区为700 hPa风速大于10 m·s-1），850 hPa风场（黑色风矢量，单位：m·s-1）和850 hPa位势高度场（等值线，单位：dagpm）（蓝色圆点代表榆林站。下同）Fig.4 Geopotential height filed （contour，Unit：dagpm） and wind field （wind vector，Unit：m·s-1） at 500 hPa at 08：00 BST 11 July（a），at 08：00 BST 9 August （c），and 700 hPa wind field （red wind vector for 700 hPa wind speed greater than 12 m·s-1，the shaded area for 700 hPa wind speed greater than 10 m·s-1） and wind field （black wind vector，Unit：m·s-1） and geopotential height （contour，Unit：dagpm） at 850 hPa at 14：00 BST 11 July （b），at 02：00 BST 9 August （d） 2022（The blue dot represents Yulin station.the same as below）

2022年8月8日20：00，500 hPa（图略）中高纬度呈“两槽一脊”，高压脊区位于蒙古西部，大陆高压和西太副高打通后准东西向控制黄河以南、长江以北大部分地区，588 dagpm 线北界位于河套地区。8月9日08：00［图4（c）］588 dagpm线脊点进一步西伸至87°E，蒙古国脊前短波槽携带冷空气侵入位于副热带高压边缘的陕北地区，有利于增强大气不稳定度。选取距离榆林最近的延安探空站，用9日上午该区域最高气温26 ℃订正的对流有效位能（convective available potential energy，CAPE）为823 J·kg-1。8日20：00（图略），700 hPa 切变线准东西向位于河套地区、850 hPa 切变线呈东北—西南走向位于榆林北部，切变线南侧偏南气流持续输送，有利于陕北地区增湿。9日02：00［图4（d）］700 hPa 切变线南压至榆林北部，甘南到陕北地区偏南风增加为8～12 m·s-1，850 hPa 切变线南侧东南风增大为6～12 m·s-1，02：00 后（图略）随着偏北风加强，切变线南压，其两侧的次级环流抬升西太副高外围高温高湿的大气，触发不稳定能量释放，自北向南形成大范围对流性暴雨天气。可见，短波槽、低层切变线是此次过程主要影响系统。

受西太副高影响，7月11日和8月9日降水前期850 hPa 比湿分别为15、17 g·kg-1，整层可降水量分别为43.0、47.0 mm，均具有高温高湿的特征。7月11日700 hPa 西南急流、850 hPa 东南急流建立有利于水汽输送；8月9日副热带高压位置偏北，低层风力偏弱，不利于水汽向陕北地区输送，但本地绝对水汽含量高。

4 水汽特征分析

4.1 水汽通量特征

分析地面至300 hPa 水汽通量的垂直积分了解对流层整层的水汽输送情况。7月11日08：00［图5（a）、图5（b）］孟加拉湾低值系统南部偏东气流将海洋上的水汽向东输送，越过中南半岛和南海水汽汇合，沿西太副高外围西南风穿过广东、广西、贵州向北输送，30°N 附近分为明显两支，一支沿西太副高北界向东输送，一支继续北上，越过大巴山脉和秦岭山脉后到达陕北，其中，陕北地区的水汽通量达700 kg·m-1·s-1，榆林大部地区处于水汽辐合中心（辐合强度小于-35×10-4kg·m-2·s-1）。随着水汽持续输送，降水不断加强，14：00（图略）陕北水汽通量大于800 kg·m-1·s-1，辐合中心强度小于-40×10-4kg·m-2·s-1，降水迎来最强时段，随着高空槽和低空急流东移，水汽通量及辐合中心东移，降水趋于结束。

8月9日由于副热带高压东西向控制黄河以南、长江以北地区，海洋上充沛的水汽沿副热带高压南侧偏东气流向广东、广西输送，副热带高压控制区风场弱，自南向北输送的水汽明显弱于7月11日。影响陕北的水汽存在明显分支，一支沿青藏高原东侧以偏南路径向北输送，一支绕过大巴山、秦岭后沿东南气流向西北输送，两路水汽在陕北南部汇合后，沿西太副高外围偏西气流向东输送。9日02：00［图5（c）、5（d）］水汽通量达到300 kg·m-1·s-1，与南下冷空气在榆林北部形成辐合（中心最强值小于-25×10-4kg·m-2·s-1），降水开始加强。05：00辐合强度减弱，中心值小于-15×10-4kg·m-2·s-1，强辐合维持时间较短，随着西北气流加强，水汽通量大值区及辐合中心东移至山西境内，强降水区东移，造成榆林东南部清涧出现短时强降水。

图5 2022年7月11日08：00（a、b）、8月9日02：00（c、d）地面至300 hPa的水汽通量（箭矢及彩色填色区，单位：kg·m-1·s-1，仅显示大于100 kg·m-1·s-1的值）（a、c）及其散度（等值线，单位：10-4 kg·m-2·s-1）（b、d）［图5（a）和图5（c）中矩形区域为图5（b）和图5（d）范围，图5（a、c）中红色等值线为588 dagpm线，图5（d）中黑色及蓝色实线分别代表秦岭、大巴山脉的大致位置］Fig.5 The vertically integrated water vapor fluxes from ground to 300 hPa （arrow vector and color shaded area，Unit：kg·m-1·s-1，only plotting the value greater than 100 kg·m-1·s-1） （a，c） and its divergence （isoline，Unit：10-4 kg·m-2·s-1） （b，d） at 08：00 BST 11 July （a，b） and 02：00 BST 9 August （c，d） 2022（The box in Fig.5 （a） and Fig.5 （c） represent Fig.5 （b） and Fig.5 （d） region，the red contours in Fig.5 （a，c） represent the 588 dagpm isoline，the solid black and blue lines in Fig.5 （d） represent the approximate locations of Qinling Mountains and Daba Moutain respectively）

对比分析显示，水汽输送与588 dagpm 线形态有密切关系［16］。7月11日水汽输送强、辐合强：热带洋面水汽沿西太副高外围向陕北输送，强的水汽输送及辐合长时间维持为区域性暴雨发生提供了必要的物质条件；8月9日水汽输送弱，辐合强：大部分水汽在副热带高压南侧向西输送，588 dagpm 控制区自南向北的输送较弱，辐合强度与前者接近，但是强辐合范围小、维持时间短，降水对流性、局地性强。

大气中的水汽主要分布在低层，因此进一步分析700 与850 hPa 的水汽特征。7月11日08：00 700 hPa［图6（a）］热带洋面水汽沿西太副高外围向北输送，受槽前强西南气流影响，川东北到河套水汽输送显著增强，水汽通量达2.4 kg·hPa-1·m-1·s-1，在陕西中北部水汽通量辐合达-15×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1，随着切变线两侧气流加强，陕北北部辐合不断加强，降水显著增强。850 hPa［图6（b）］热带洋面水汽向北输送至30°N 以后分成3 支，一支沿西太副高北界向东输送，一支继续北上在巴山附近形成辐合，另一支绕过秦岭沿东南气流向黄土高原地区输送水汽，水汽通量最大值2 kg·hPa-1·m-1·s-1，在陕北形成-15×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1的辐合，随着低槽东移辐合不断加强形成暴雨。8月9日02：00 700 hPa［图6（c）］热带洋面上水汽大部分在副热带高压南侧向西输送，向北输送的非常弱，甘南至陕北夜间西南风加强后，水汽通量明显增加，最大值达到1.5 kg·hPa-1·m-1·s-1，在陕北北部与偏北气流形成辐合中心，辐合强度与7月11日过程接近，但是强辐合范围小。850 hPa水汽通量从8日17：00开始明显增大，强的输送维持至9日02：00［图6（d）］，水汽通量最大值为1.8 kg·hPa-1·m-1·s-1，路径与7月11日过程非常相似，东南风的水汽输送为黄土高原降水提供了有利的物质条件。

对比显示，7月11日700 hPa 与850 hPa 均有强的水汽输送和辐合，地面至300 hPa 水汽通量垂直积分空间分布与700 hPa 水汽通量空间分布相似［图5（a）、图6（a）］，8月9日过程850 hPa 水汽输送及辐合特征与7月11日过程相似，但是700 hPa 水汽输送弱，强辐合范围小，使得地面至300 hPa 水汽通量垂直积分偏小。结合探空图可见（图略），7月11日过程湿层深厚，以稳定性降水为主；8月9日过程湿层较薄，在能量充足的背景下，以对流性降水为主。

图6 2022年7月11日08：00（a、b）和8月9日02：00（c、d） 700 hPa（a、c）和850 hPa（b、d）水汽通量（箭矢，单位：10-1 kg·hPa-1·m-1·s-1）及其散度（彩色填色区，单位：10-6 kg·hPa-1·m-2·s-1）Fig.6 700 hPa （a，c） and 850 hPa （b，d） water vapor flux （arrow，Unit：10-1 kg·hPa-1·m-1·s-1） and its divergence （color shaded areas，Unit：10-6 kg·hPa-1·m-2·s-1） at 08：00 BST 11 July （a，b） and 02：00 BST 9 August （c，d） 2022

4.2 水汽收支特征

通过计算水汽收支，进一步分析不同边界、不同高度水汽输送在暴雨中的作用。将东、西、南、北4 个边界的水汽通量分别除以4 个边界的通量代数和得到各边界向暴雨区的水汽输送贡献率，正值代表有净输入，负值表示有净输出［13］。7月11日过程［图7（a）、7（b）］南边界和西边界为输入边界，水汽输送贡献率分别为195%和75%，北边界和东边界以水汽输出为主。降水开始前，随着偏南风发展加强，南（北）边界水汽输入（输出）不断加强，东、西边界水汽通量值远小于南、北边界，水汽输送以经向为主，区域内净收入源自经向收入。11日08：00 经向收入达到峰值（5.82×107kg·s-1），随着西风带系统东移，西南风加强，西边界输入迅速增加，整个区域内仍以经向收入为主，但是纬向收支由负转正，开始出现大范围10 mm·h-1的降水，纬向收入增加和强经向收入共同作用使区域净收入维持高值，产生区域性暴雨。14：00 后随着南边界和西边界的输入迅速减小，净收入减小，降水减弱。8月9日过程［图7（c）、7（d）］南、北、西边界均存在水汽输入，贡献率分别为142%、31%、220%，西边界贡献最大，东西向的水汽通量大于南北向，降水开始前随着短波槽东移、低层偏南风加强，西边界、南边界的水汽输入增多，同时偏北路冷空气加强，北边界由水汽输出转为输入，经向收入明显增多，9日02：00 达到峰值（5.34×107kg·s-1），降水明显加强，随后净收入迅速减小，北部初始降水减弱。

图7 2022年7月10日20：00至11日20：00（a、b）、8月8日17：00至9日14：00（c、d）暴雨区域（109°E—111°E，37°N—39°N）不同边界水汽通量（a、c）及水汽收支（b、d）随时间演变Fig.7 The evolution of water vapor flux （a，c） at each boundary and water vapor budget （b，d） over the rainstorm area （109°E-111°E，37°N-39°N） from 20：00 BST 10 to 20：00 BST 11 July （a，b） and 17：00 BST 8 to 14：00 BST 9 August （c，d） 2022

降水不同发展阶段不同边界的水汽通量有明显变化，进一步分析降水前期（7月11日02—08：00、8月8日20：00 至9日02：00）和加强阶段（7月11日08：00—14：00、8月9日02：00—08：00）各个边界水汽通量的垂直分布，了解总收支变化的主要来源。从图8可以看出两次过程的水汽净收入主要来自500 hPa 以下，峰值均在800 hPa 以下；东、西边界高低层的水汽通量反号，表现为东边界低层输入，高层输出，西边界低层输出，高层输入，表明低层东南风在两次过程水汽输送中均有重要作用。7月11日降水前期［图8（a）］水汽贡献主要来自南边界，降水加强阶段［图8（b）］700～300 hPa 东、西边界水汽通量显著增加，700 hPa以下南边界和东边界的水汽通量迅速增加使得净收入明显增加，体现了两支低空急流对水汽输送的重要作用。8月9日过程［图8（c）、8（d）］净收入主要在700 hPa 以下，800～500 hPa西边界的输入较大，和前文西边界水汽贡献率最大结论一致，但因为东边界输出同样较大，表现为过路水汽，净输入主要来自700 hPa 以下的南边界。

图8 2022年7月11日02：00—08：00（a）、08：00—14：00（b），8月8日20：00至9日02：00（c）、8月9日02：00—08：00（d）暴雨区各边界水汽收支垂直剖面Fig.8 The vertical profile of water vapor budget at four boundaries from 02：00 BST to 08：00 BST 11 July （a），from 08：00 BST to 14：00 BST 11 July （b），from 20：00 BST 8 to 02：00 BST 9 August （c） and from 02：00 BST to 08：00 BST 9 August （d） 2022

对比可以看出，7月11日降水前期300 hPa以下均有净收入，降水加强阶段低层净收入峰值进一步增大，8月9日降水前期净收入的厚度明显小于7月11日，且水汽通量随高度的递减率更大，说明水汽条件较好的层结比较浅薄，降水前期水汽收入达到峰值，随后迅速减小，不利于降水长时间维持。

进一步取地表至800 hPa、800～500 hPa、500～300 hPa 计算不同高度水汽收支差异。7月11日过程中水汽净收入主要来自500 hPa 以下［图9（a）、9（b）、9（c）］，其中800～500 hPa、地表至800 hPa分别占52%和47%，降水前期水汽净收入主要来自800～500 hPa 的经向收入，降水加强阶段850 hPa 东南风发展加强［图4（b）］，地表至800 hPa的经向和纬向收入均有加强，这一高度层的贡献率由前期33%提高到53%，显示了低层东南风水汽输送对暴雨发展加强的重要作用。8月9日［图9（d）、图9（e）、图9（f）］降水过程的净收入几乎全部来自经向收入，800 hPa以下占88%。前文环流形势分析显示，8日夜间至9日凌晨，700 hPa 切变线逐渐南压，受其影响榆林北部偏南风和偏北风辐合增强，北边界的南风出流减少，使得800～500 hPa 经向收入明显增多，对净收入的贡献由降水前期的负值转为正值，体现了偏北风在此次过程中的重要性。

图9 2022年7月10日20：00至11日20：00（a、b、c）、8月8日17：00至9日14：00（d、e、f）暴雨区域地表至800 hPa、800～500 hPa和500～300 hPa经向收支（a、d）、纬向收支（b、e）和净水汽收支（c、f）时间演变Fig.9 The time evolution of meridional water vapor budget （a，d），zonal water vapor budget （b，e） and net water vapor budget （c，f） from ground to 800 hPa，from 800 to 500 hPa and from 500 to 300 hPa from 20：00 BST 10 to 20：00 BST 11 July （a，b，c）and 17：00 BST 8 to 14：00 BST 9 August （d，e，f） 2022

4.3 水汽轨迹及贡献率

前文4.1节基于欧拉观点的水汽通量分析反应了大气流场的瞬时特征，对于定性了解暴雨水汽特征十分必要，但分析不同水汽通道的重要性，尤其是存在水汽通道汇合的情况时，有必要引入拉格朗日方法，追踪水汽质点来源，准确确定水汽输送通道及贡献率［22］。前文分析显示，两次过程的主要水汽输送来自500 hPa 以下，且两次过程700 hPa 的水汽输送有明显差异，因此选取3000 m和1500 m高度进行水汽通道聚类分析。结果显示，7月11日1500 m高度［图10（a）］来自南海和孟加拉湾的水汽贡献率分别为51.9%、17.6%，3000 m 高度［图10（b）］来自南海和孟加拉湾的水汽贡献率分别为35.3%、33.1%，两个高度层来自热带洋面的水汽贡献率分别达到69.5%和68.4%。另外值得关注的是，除了海洋上的水汽贡献，1500 m和3000 m高度本地及来自周边的水汽贡献率分别达到29.6%［图10（a）路径1］、27.5%［图10（b）路径1］，1500 m 高度水汽来自关中地区贴地层，具有较高的比湿（16 g·kg-1），贴近地面缓慢向南移动，在湖北西北部转向北输送至暴雨区，3000 m高度的气块来自青海东部3000 m高度左右，比湿10 g·kg-1，向东南平流至重庆北上输送至暴雨区。熊秋芬等［21］对湖北省春季暴雨过程的水汽分析指出，在有利的环流背景下，除了关注副热带夏季风的水汽输送外，暴雨区本地及周边高温高湿环境中的水汽贡献也需特别关注。本文分析显示，陕北半干旱地区夏季降水过程中，本地及周边高比湿大气对降水水汽来源也有重要贡献。

8月9日1500 m 高度［图10（c）］水汽贡献率最高（53.8%）的为路径1，来自内陆东南方向；其次为路径3，贡献率为21.5%，来自南海；路径2贡献率为13.3%，来自西南方向。以上3 条路径水汽贡献率达到88.6%。从轨迹的高度和湿度变化分析显示（图略），上述3 条路径气块均来自低层，具有高比湿，另外一条路径4 的气块来自东南方向6000 m 左右高度，比湿低，自东南向西北移动过程中高度不断降低，同时比湿不断增加。3000 m 高度［图10（d）］贡献率最高（84.2%）的为路径1，来自内陆偏南方向，其次为路径3 贡献率为15.7%，来自南海，以上均来自低层高比湿气块。可见，7月11日过程水汽主要源自热带洋面，其中来自南海的水汽贡献更大，另外暴雨区及周边的高比湿大气也有重要贡献；8月9日水汽主要来自内陆高比湿大气，其次为南海。

图10 2022年7月11日（a、b）和8月9日（c、d）暴雨过程1500 m（a、c）和3000 m（b、d）水汽输送轨迹聚类分析（括号中数字表示通道水汽贡献率）Fig.10 Water vapor transport trajectory cluster analysis at 1500 m （a，c）and 3000 m （b，d） height for the heavy rain process on 11 July （a，b） and 9 August （c，d） 2022（The number in the brackets represents the contribution rate of water vapor in the channel）

5 结 论

本文在2022年陕北北部榆林地区暴雨较历史同期显著偏多的背景下，选取最强的两次暴雨过程进行分析。结果显示其发生的大尺度环流背景和主要影响系统有明显的差异，7月11日陕西位于西太副高西北侧，主要影响系统是高空槽、低层切变线、低涡及低空急流，700、850 hPa低空急流建立、低涡发展加强并缓慢移动造成区域性暴雨；8月9日副热带高压呈带状控制陕西大部地区，主要影响系统是短波槽和低层切变线，切变线两侧的次级环流抬升西太副高外围高温高湿大气，触发不稳定能量释放，形成大范围对流性暴雨天气。由于水汽输送和副热带高压形态有密切关系，因此对比分析了两次过程水汽输送、收支及来源。结果显示：

（1）7月11日水汽沿西太副高外围自南海向陕北输送，700、850 hPa 均有强的水汽输送和辐合，整层水汽输送强、辐合强、维持时间长，湿层深厚，以稳定性降水为主。8月9日副热带高压准东西向控制黄河以南、长江以北大部分地区，副热带高压控制区低层风力偏弱，自南向北的水汽输送较弱，尤其是700 hPa 水汽输送明显偏弱，强辐合范围小、维持时间短，湿层较薄，但整层可降水量大，有充足的能量条件，以对流性降水为主。

（2）地面至300 hPa 整层水汽收支结果显示：7月11日南边界和西边界为输入边界，北边界和东边界以水汽输出为主。降水开始前，水汽输送以经向为主，区域内净收入源自经向收入，降水加强阶段整个区域内仍以经向收入为主，但是纬向收支由负转正，纬向收入增加和强经向收入共同作用使区域净收入维持高值，产生区域性暴雨。8月9日南、北、西边界均存在水汽输入，西边界贡献最大，降水加强阶段，经向收入显著增多，区域内水汽净收入以经向收入为主。

（3）降水不同阶段水汽收支垂直分布特征显示：两次过程的水汽净收入峰值均在800 hPa 以下；7月11日降水加强阶段700 hPa 以下南边界和东边界的收入迅速增加使得净收入明显增加，体现了两支低空急流对水汽输送的重要作用；8月9日西边界的输入较大，但为过路水汽，净输入主要来自700 hPa 以下的南边界，净收入厚度小于7月11日，水汽条件较好的层结比较浅薄，降水前期水汽净收入达到峰值，随后迅速减小，不利于降水的长时间维持。

（4）7月11日水汽净收入主要来地面至500 hPa，其中800～500 hPa 占比52%，降水加强阶段800 hPa以下东边界的收入迅速增加，显示了低层东南风水汽输送对暴雨发展加强的重要作用；8月9日水汽净收入主要来自地面至800 hPa（占比88%），暴雨加强阶段随着700 hPa 切变线南压，榆林北部辐合增强，南风出流减少，使得800～500 hPa 经向收入显著增多，体现了偏北风在此次过程中的重要性。

（5）水汽输送显示7月11日水汽主要源自热带海洋，1500 m和3000 m高度均为来自南海的水汽贡献率最大，分别为51.9%、35.3%，另外本地及周边近地层高比湿大气也有重要贡献；8月9日水汽主要源自内陆地近地层高比湿大气，南海次之，1500 m高度水汽最大贡献率（53.8%）为东南路径，3000 m高度最大贡献率（84.2%）为偏南路径。

本文选取2022年榆林地区最强的两次暴雨个例进行讨论，从天气背景和降水特征看，分析结果可以一定程度反映该地区稳定性和对流性两种类型强降水的水汽特征，尤其是对预报难度较大的对流性暴雨，具有水汽绝对含量高，整层输送弱，辐合强，但是强辐合维持时间短，净收入主要来自地面至800 hPa，净收入达到峰值后迅速减弱，不利于强降水维持，水汽主要源自内陆地近地层高湿大气等特征。后期有必要针对同一类型暴雨开展系统深入的研究，提高研究成果的普适性。