CCRL  >> Vol. 8 No. 6 (November 2019)

    伊犁地區2010~2017年暴雨過程的水汽特征分析
    Analysis of Water Vapor Characteristics during the Heavy Rains in Yili Area from 2010 to 2017

  • 全文下載: PDF(711KB) HTML   XML   PP.755-761   DOI: 10.12677/CCRL.2019.86082  
  • 下載量: 180  瀏覽量: 246  

作者:  

白 婷,祝小梅:伊犁州氣象局,新疆 伊犁

關鍵詞:
暴雨水汽通量水汽通量散度比濕大氣可降水量Heavy Rains Water Vapor Flux Divergence of Vapor Flux Specific Humidity Atmospheric Precipitation

摘要:

利用NECP/NCAR再分析資料,總結了2010~2017年伊犁地區30次暴雨過程的水汽特征,通過分析700 hPa水汽通量及風場、水汽通量散度、比濕、大氣可降水量等物理量,得出:伊犁暴雨東南部多,西部少;夏季多,春秋季少;出現暴雨時700 hPa水汽通量散度、比濕、大氣可降水量等物理量指標分別為?3 × 10?5 g?m?2?s?1,6~7 g/kg,30 kg/m?2;伊犁暴雨的水汽源地有里海、黑海、紅海、地中海、孟加拉灣、咸海、巴爾喀什湖、阿拉伯海,其中黑海和里海對伊犁地區暴雨水汽貢獻最大。阿拉伯海、孟加拉灣作為水汽源地,大氣可降水量達到60 kg/m?2,是否可作為暴雨的預報指標有待進一步驗證;系統性暴雨和區域性暴雨比濕、大氣可降水量等指標差別不大,而系統性暴雨水汽輻合強度明顯高于區域性暴雨。

Based on the NECP/NCAR reanalysis data, the water vapor characteristics of 30 heavy rains processes in Yili area from 2010 to 2017 are summarized. 700 hPa water vapor flux and wind field, divergence of vapor flux, specific humidity, atmospheric precipitation were analyzed. It is concluded that the heavy rains in yili area are more in the south and east and less in the west, that heavy rains occur more in summer, less in spring and autumn. In the case of heavy rains, the physical indexes of divergence of vapor flux of 700 hPa are ?3 × 10?5g?m?2?s?1, specific humidity of 700 hPa are 6 - 7g/kg, atmospheric precipitation of 700 hPa are 30 kg/m?2. Water vapor in the heavy rains in Yili originates from the Caspian Sea, Black Sea, Red Sea, Mediterranean Sea, bay of Bengal, Aral Sea, Balkashi Lake and Arabian Sea, the Black Sea and Caspian Sea contribute the most. When the Arabian Sea and the Bay of Bengal are the water vapor sources, whether the atmospheric precipitation up to 60 kg/m?2 can be used as the prediction index of heavy rains needs to be further verified. There is little difference between systematic heavy rains and regional heavy rains in terms of specific humidity and atmospheric precipitation, but the moisture convergence intensity of systematic heavy rains is obviously higher than that of regional heavy rains.

1. 引言

《中國之暴雨》 [1] 全面總結了暴雨的氣候學、基本形成條件、大尺度環流背景、中尺度系統的活動、造成暴雨的主要天氣尺度系統及暴雨的分析和預報方法,至今仍然是氣象學者對暴雨進行研究和預報的基礎。造成暴雨的水汽條件不容忽視,我國許多氣象工作者 [2] - [16] 運用多種方法研究暴雨過程水汽特征,例如通過分析水汽通量流函數和勢函數、計算水汽收支、水汽通量散度定量描述了局地水汽收支特征;利用HYSPLIT軌跡模式中Matrix方法追蹤某一區域內的氣團,利用軌跡上氣團的比濕大小來表征水汽輸送情況;通過對大氣可降水量及GPS站點觀測到的水汽變化情況了解了水汽源地及暴雨發生、發展過程中水汽變化的細節特征,分析水汽通量得到水汽輸送情況,分析水汽收支變化進一步得出水汽輸送情況;通過分析不同層次的水汽輸送通量矢量Q,得出水汽收支情況。分析700、500 hPa水汽通量演變、垂直水汽積分、水汽通量散度,得出水汽輸送路徑情況。新疆一些學者對暴雨天氣的水汽特征也進行了相關研究,趙克明 [13] 等通過對4次暴雨天氣的研究總結出了2013年4場暴雨天氣水汽主源地主要分布在阿拉伯海和孟灣,其次是波斯灣,低層東風急流在南疆西部暴雨過程中作用顯著。楊蓮梅 [8] 在新疆水汽研究進展中提出新疆大范圍暴雨所需水汽在一定環流條件下,在新疆境外集中,并在合適的環流條件下通過接力輸送方式輸送到暴雨區并迅速集中,而且提出三條主要水汽輸送路徑,一支為西風氣流和影響系統本身攜帶的西風水汽輸送,另一支為中亞低槽或低渦南伸槽前西南氣流攜帶的偏南水汽輸送,這種水汽多來自青藏高原,還有在合適環流配置下阿拉伯海水汽以接力輸送方式向新疆西南部地區輸送水汽,短時強降水過程則表現為局地水汽快速聚集。對新疆而言,地中海、黑海和里海是春秋水汽源地,大西洋和北冰洋是夏季水汽源地。降水異常偏多則由高、副熱帶/低緯向中緯中亞區域水汽輸送增強而后隨西風氣流向新疆水汽輸送增強所致,其中以副熱帶/低緯水汽輸送增強為主。楊柳 [10] 針對天山山區開展了水汽精細化特征研究,得出:1) 天山山區地面~100 hPa每年平均有11,504.1 × 108 t水汽輸入,11,337.0 × 108 t水汽輸出,水汽凈收支為167.1 × 108 t,其中西、北邊界為輸入,東、南邊界為輸出,對流層中層水汽輸送量最大,低層次之,高層最小。天山山區水汽總輸入量占全新疆水汽輸入量的44.1%。2) 各季節中夏季水汽輸送量最大,春季、秋季相當,冬季最小,各季節西邊界、北邊界均為水汽輸入邊界,東邊界、南邊界均為水汽輸出邊界。劉晶 [9] 選取伊犁河谷和天山北坡2011~2016年6~8月4次由西西伯利亞低槽(渦)造成的暴雨天氣過程,利用合成分析法,結合地基GPS大氣可降水量資料,低槽(渦)造成的暴雨天氣過程中的大尺度環流場、水汽輸送和局地水汽精細變化特征的異同之處。祝小梅 [11] 通過研究提出伊犁地區暴雨呈增長趨勢,暴雨日多出現在6、7月份,主要集中在河谷南部和東部山區。暴雨作為伊犁地區的重要災害之一,其造成的損失也不容忽視,因此對伊犁地區暴雨形成起到關鍵作用的水汽研究也顯得十分迫切。然而對伊犁河谷的暴雨水汽特征研究還存在空白,本文將以水汽特征作為切入口,通過對水汽源地,水汽的輸送等特征進行分析,總結暴雨天氣發生的一些氣象指標,以期對暴雨的預報提供一些有價值的參考。通過計算水汽通量、水汽通量散度、比濕、大氣可降水量,分析暴雨過程中水汽輸送情況以及局地水汽變化、追蹤水汽源地,總結暴雨的水汽特征。

2. 資料與方法

利用常規地面資料,從伊犁地區10個國家基本站,2010~2017年5~10月日降水資料中挑出暴雨個例。個例選取標準:滿足伊犁地區十個基準站只要有一站日降水量大于24 mm,為一個暴雨個例。

利用NCEP1? × 1?一日四次再分析資料計算暴雨發生前后700 hPa各格點水汽通量、水汽通量散度、比濕、大氣可降水量等物理量,然后分別統計各物理量特征。

3. 統計特征

3.1. 暴雨日統計特征

通過統計,十站中西部五站(伊寧市、霍爾果斯、霍城、察縣、伊寧縣)出現暴雨日相當,其中伊寧縣較多,為6次。而東南部各縣(尼勒克、新源、特克斯、昭蘇)普遍比西部多,其中特克斯最多(19次),新源12次,昭蘇10次,尼勒克8次(見圖1)。

Figure 1. Statistics of heavy rains frequency

圖1. 暴雨次數統計

3.2. 暴雨過程統計特征

文中統計6至8月暴雨為夏季暴雨,5月、9月、10月暴雨為春秋季。夏季暴雨出現21次,春秋季暴雨僅出現9次。累積暴雨量霍城最少,西部各縣平均達到144.4 mm,東南部各縣平均達到399.4 mm,東南部各縣平均累積暴雨量高于西部各縣255 mm (見圖2)。

不論暴雨日還是暴雨累積量,東南部區域普遍多于西部。東南部地區處于喇叭口地形底部且地勢普遍高于西部地區,地形作用有利于加強抬升作用并有利于水汽聚集從而使東南部暴雨多于西部暴雨。

Figure 2. Heavy rains cumulant (mm)

圖2. 暴雨累積量(mm)

3.3. 暴雨分型

三站及三站以上出現暴雨定義為系統性暴雨,三站以下出現暴雨定義為區域性暴雨。文中還分別對比分析了夏季暴雨和春秋季暴雨。個例總數為30次,系統性暴雨為9次,區域性暴雨為21次。夏季暴雨和春秋季暴雨分別是20次和10次。

4. 水汽特征分析

4.1. 700 hPa水汽通量散度

水汽通量散度可以反映水汽聚集情況,因此暴雨的強弱與水汽通量散度輻合強度關系密切。

利用NCEP1? × 1?資料計算30個個例700 hPa水汽通量散度(圖3),并分析出現暴雨時伊犁區域內水汽通量散度最大輻合中心值的統計特征。可知:春秋季出現暴雨的水汽通量散度分布較集中,而夏季出現暴雨的水汽通量散度較分散,兩季暴雨水汽通量散度中位數均為?3 × 10?5 g?m?2?s?1,因此可將700 hPa水汽通量散度值為?3 × 10?5 g?m?2?s?1作為出現暴雨的指標(圖3(a))。

另外通過對比700 hPa系統性暴雨和區域性暴雨水汽通量散度(圖3(b)),系統性暴雨水汽通量散度整體小于區域性暴雨水汽通量散度,系統性暴雨水汽通量散度中位數是?3 × 10?5 g?m?2?s?1,較區域性的低0.5 × 10?5 g?m?2?s?1。可見對比系統性和區域性暴雨,700 hPa較強的水汽輻合有利于系統性暴雨的出現。

Figure 3. Boxplot of divergence of vapor flux ((a): comparison of heavy rains in spring, autumn and summer; (b): comparison of regional and systematic heavy rains)

圖3. 水汽通量散度箱線圖((a):春秋季、夏季對比,(b):區域性、系統性對比)

4.2. 700 hPa比濕

比濕,指在一團濕空氣中,水汽的質量與這團空氣總質量(水汽質量加上干空氣質量)的比值。本文僅統計5至10月暴雨的比濕和比濕氣候平均態,文中比濕氣候平均態取伊犁地區范圍內的區域平均值。比濕氣候平均態變化趨勢是由5月的3 g/kg增加到6、7月的4.5 g/kg,之后減少至10月的1.5 g/kg。暴雨比濕,文中取伊犁地區暴雨時段內比濕最大值。其變化趨勢是從5月開始增大,7月達到最大,之后逐漸減小。就這一點而言,比濕平均態和暴雨比濕都存在夏多春秋少的特征。區別在于暴雨比濕月變化幅度要小些,比濕氣候平均態最大的7月比最小的10月比濕多3 g/kg (圖4)。

Figure 4. Comparison between the average specific humidity in May and October and the specific humidity in heavy rains

圖4. 5~10月比濕平均態與暴雨比濕對比

統計暴雨發生時的比濕(圖5(a)),春秋季出現暴雨的比濕普遍小于夏季出現暴雨的比濕,春秋季出現暴雨的比濕集中體現在4~7 g/kg,中位數為6 g/kg,夏季出現暴雨的比濕比較分散,一般在4~10 g/kg,中位數為7 g/kg。從以上分析可以看出,伊犁地區比濕達到4 g/kg可能會出現暴雨,但是產生暴雨不只是水汽條件,還需要有一定的動力條件以及系統的維持時間,這一方面的研究將在以后開展 [18]。

通過對系統性暴雨和區域性暴雨的比濕對比研究(圖5(b)),系統性暴雨的比濕中位數是6 g/kg,區域性暴雨的中位數是7 g/kg,研究表明伊犁地區產生區域性暴雨比濕中位數反而高于系統性暴雨比濕。說明不見得強的比濕條件就會對應出現強度更強范圍更廣的系統性暴雨,原因在于暴雨形成的基本條件為充足的水汽、強的上升運動、較長的持續時間,三者缺一不可,可見充足的水汽條件并不是暴雨發生的決定性因素。

Figure 5. Boxplot of specific humidity ((a): comparison of heavy rains in spring, autumn and summer; (b): comparison of regional and systematic heavy rains)

圖5. 比濕箱線圖((a):春秋季、夏季對比,(b):區域性、系統性對比)

4.3. 700 hPa大氣可降水量

空氣柱里含有的水汽的總數量稱為大氣可降水量。楊蓮梅 [8] 提出新疆暴雨所需水汽在一定環流條件下,在新疆境外集中,并在合適環流條件下通過接力輸送方式輸送到暴雨區并迅速集中。因此文中統計暴雨發生前后中亞至伊犁地區700 hPa出現的最大的大氣可降水量(圖6),最大值一般出現在暴雨發生之前,春秋季出現暴雨的大氣可降水量集中于20~30 kg/m?2,中位數為27 kg/m?2。而夏季出現暴雨的大氣可降水量分散在20~40 kg/m?2,中位數為33 kg/m?2。系統性暴雨和區域性暴雨大氣可降水量中位數均為30 kg/m?2

Figure 6. Boxplot of atmospheric precipitation ((a): comparison of heavy rains in spring, autumn and summer; (b): comparison of regional and systematic heavy rains)

圖6. 大氣可降水量箱線圖((a):春秋季、夏季對比,(b):區域性、系統性對比)

5. 水汽源地

有關文獻 [12] - [17] 指出,新疆的水汽源地是上游的靠近海洋和湖泊的地帶,通過統計洋面的可降水量和水汽通量的大小,依次選出海洋、湖泊區域定義為影響伊犁地區暴雨的水汽源地。暴雨產生時有時只有一個水汽源地,有時有多個水汽源地供應水汽,因此起主要作用的水汽源地為主要源地,起補充作用的水汽源地為次要源地。對30次暴雨個例運用流線跟蹤法找出,里海、黑海、紅海、阿拉伯海、孟加拉灣、地中海、巴湖、咸海作為主要水汽源地分別為14次、7次、3次、2次、1次、1次、1次、1次。可以看出里海和黑海作為主要水汽源地最多。值得一提的是阿拉伯海作為主要水汽源地雖然只有兩次,但大氣可降水量卻分別高達70和80 kg?m?2;孟灣作為主要水汽源地雖然僅有一次,但大氣可降水量達到60 kg?m?2,這些低緯水汽源地相對來說水汽更加充足。作為水汽源地的阿拉伯海和孟灣大氣可降水量高于60 kg?m?2作為暴雨預報的一項指標有待進一步驗證。地中海、里海、黑海、紅海作為次要水汽源地均達到12次左右。可以看出,黑海和里海不論作為主要還是次要水汽源地,對伊犁地區暴雨水汽貢獻都是最大的(圖7)。

Figure 7. Frequency statistics of each water vapor source

圖7. 各水汽源地次數統計

6. 結論

1) 暴雨的空間分布呈現東南部各縣(尼勒克、新源、特克斯、昭蘇)多,西部少;時間分布呈現夏季多,春秋季少的特點。

2) 經對比統計得出,700 hPa水汽通量散度值?3 ×10?5 g?m?2?s?1可作為出現暴雨的指標。

3) 不論是比濕氣候平均態還是暴雨比濕,其變化趨勢都是從5月開始增大,6、7月達到最大,之后逐漸減小,區別在于暴雨比濕月變化幅度要小些。統計暴雨發生時的比濕,春秋季出現暴雨的比濕普遍小于夏季出現暴雨的比濕,春秋季出現暴雨的比濕集中體現在4~7 g/kg,中位數為6 g/kg,夏季出現暴雨的比濕分散體現在4~10 g/kg,中位數為7 g/kg,兩個時期的比濕最小值都是4 g/kg。

4) 春秋季出現暴雨的大氣可降水量集中于20~30 kg/m?2,中位數為27 kg/m?2。而夏季出現暴雨的大氣可降水量分散在20~40 kg/m?2,中位數為33 kg/m?2

5) 伊犁暴雨的水汽源地有里海、黑海、里海、紅海、地中海、孟加拉灣,其中黑海和里海對伊犁地區暴雨水汽貢獻最大。阿拉伯海、孟加拉灣作為水汽源地大氣可降水量達到60 kg/m?2是否可作為暴雨的預報指標有待進一步驗證。

6) 系統性暴雨和區域性暴雨比濕、大氣可降水量等指標差別不大,然而系統性暴雨水汽通量散度明顯低于區域性水汽通量散度,也就是說系統性暴雨水汽輻合強度明顯高于區域性的。

彩3d复式玩法介绍

文章引用:
白婷, 祝小梅. 伊犁地區2010~2017年暴雨過程的水汽特征分析[J]. 氣候變化研究快報, 2019, 8(6): 755-761. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.86082

參考文獻

[1] 陶詩言, 等. 中國之暴雨[M]. 北京: 科學出版社, 1982: 25-34.
[2] 孫建華, 汪匯潔, 等. 江淮區域持續性暴雨過程的水汽源地和輸送特征[J]. 氣象學報, 2016, 74(4): 542-555.
[3] 王婧羽, 崔春光, 等. 2012年7月21日北京特大暴雨過程的水汽輸送特征[J]. 氣象, 2014, 40(2): 133-145.
[4] 周長艷, 唐信英, 等. 一次四川特大暴雨災害降水特征及水汽來源分析[J]. 高原氣象, 2015, 34(6): 1636-1647.
[5] 張瑜, 湯燕冰, 等. 江淮流域持續性暴雨過程水汽輸送狀況初析[J]. 浙江大學學報, 2007, 36(4): 470-476.
[6] 王黎黎. 近50年來東部冷渦暴雨過程動力條件診斷和水汽條件分析[J]. 氣象災害防御, 2014(4): 10-14.
[7] 陶杰, 陳久康, 等. 江淮梅雨暴雨的水汽源地及其輸送通道[J]. 南京氣象學院學報, 1994, 17(4): 443-447.
[8] 楊蓮梅. 新疆水汽研究若干進展[J]. 自然災害學報, 2018, 27(2): 1-13.
[9] 劉晶, 曾勇等. 伊犁河谷和天山北坡暴雨過程水汽特征分析[J]. 沙漠綠洲與氣象, 2017, 11(3): 65-71.
[10] 楊柳, 楊蓮梅, 湯浩, 劉濤, 彭軍. 2000-2011年天山山區水汽輸送特征[J]. 沙漠綠洲與氣象, 2013, 7(3): 21-25.
[11] 祝小梅, 朱弋. 1961-2009年新疆伊犁地區暴雨日時空變化特征[J]. 氣象與環境學報, 2013, 29(5): 63-68.
[12] 楊蓮梅, 張云惠, 湯浩. 2007年7月新疆三次暴雨過程的水汽特征分析[J]. 高原氣象, 2012, 31(4): 963-973.
[13] 趙克明. 2013年南疆西部暴雨天氣的水汽特征[J]. 氣象科技, 2017, 45(1): 121-129.
[14] 史玉光, 孫照勃. 新疆水汽輸送的氣候特征及其變化[J]. 高原氣象, 2008, 27(2): 82-91.
[15] 楊蓮梅, 史玉光, 唐浩. 新疆春季降水異常的環流和水汽特征[J]. 高原氣象, 2010, 29(6): 1464-1473.
[16] 劉蕊, 楊青. 新疆大氣水汽通量及凈收支的計算與分析[J]. 中國沙漠, 2010, 30(5): 1221-1228.
[17] 張家寶, 鄧子風. 新疆降水概論[M]. 北京: 氣象出版社, 1987.
[18] 朱乾根, 林錦瑞. 天氣學原理[M]. 北京: 氣象出版社, 1987.