基于HYSPLIT模式的泸州特大暴雨水汽输送特征分析

2020-08-18李玉婷谭贵蓉何兴潼

高原山地气象研究 2020年2期

李玉婷,谭贵蓉，何兴潼，曾娜

(四川省泸州市气象局，泸州 646000)

引言

暴雨是四川盆地主要气象灾害之一，夏季暴雨易造成洪涝、山体滑坡、泥石流等次生灾害，给人民的生命财产带来巨大威胁。近年来，在全球气候变暖的大背景下，极端天气发生的次数呈增长的趋势。预报员对往年的暴雨过程原因都进行了总结[1-3]，暴雨的形成主要需要三大条件，其中充足的水汽是暴雨产生的先决条件，因此分析暴雨过程中的水汽特征对研究暴雨成因具有重大的意义。。

针对暴雨水汽输送特征的分析一直备受气象学者的关注[4-7]。廖晓农等[8]指出在北京“2012.7.21”特大暴雨过程中，主要水汽输送来源于孟加拉湾地区，这种长距离的水汽输送是在不同尺度天气系统的共同作用下完成的。徐祥德等[9]研究了南亚季风水汽输送对四川盆地的影响。戴竹君等[10]利用HYSPLIT轨迹追踪发现孟加拉湾地区的水汽对热带风暴Bilis暴雨过程有重要影响。Brimelow 等[11]利用 HYSPLIT_4 模式研究了马更些河流域的 3 次极端降水概念。本文选取 2019 年9月7～8日盆地南部的特大暴雨过程，引入拉格朗日轨迹模型 HYSPLIT 对影响此次降水的水汽源地、输送特征定性分析，在解决上述疑问的同时进一步加深对暴雨水汽输送特征的认识，从而为本地的降水预报提供合理的参考依据。

1 特大暴雨过程概况及形势分析

2019年9月7日15时～9月10日08时，受深厚低涡切变及低空急流共同影响，泸州出现了一次大暴雨，局部特大暴雨的天气过程(图略)。此次过程累计雨量大，局地性强，具有明显的对流性，特大暴雨主要出现在古蔺境内；古蔺41个雨量监测站(包括40个区域自动站中和1个国家气象站)，累计降水量在250mm以上2站、100～249mm20站、50～99mm13站、35～49mm6站、15～34mm6站，累计最大降水量出现在古蔺护家凤田为285.6mm。整个过程国家站中最大日降雨量为古蔺170.6mm，刷新了历史极值；境内与有气象记录以来同期相比，41个站点中39个突破历史极值。古蔺护家凤田站(图略)的小时降雨量呈现中间多，两头少的分布，强降水时段主要在7日22时～8日06时，特大暴雨过程集中，小时雨强非常大，最大小时雨强出现在7日23时，达57.6mm。

分析降水过程的天气形势(图1)，中高纬是“两槽一脊”的形势，副热带高压呈明显的块状分布。暴雨是由500hPa高空槽、700hPa切变线和850hPa低涡及低空西南急流的共同影响造成的。7日20时，攀西地区500hPa高度层有低槽东移，地面有辐合线从重庆伸向盆地南部；在700hPa上盆地内有偏北风与西南风的切变存在，盆地南部处于切变前部的西南气流中。850hPa高度层上的低涡位于盆地南部，且盆地南部处在急流轴左前方；700hPa高度层上盆地大部处在一致的西南气流中，有1支西南急流穿过贵州北部，急流中心值达14m/s。8日08时，500hPa高度层上有低槽东移，槽线径向度明显加大，地面仍受辐合线控制；700hPa高度层上西南风明显增强，最大风速达16m/s，切变加强发展成低涡；850hPa高度层上的切变稳定少动，但850hPa高度层上低涡维持，高低层配置，耦合作用明显。因此，这次暴雨过程是在典型的四川暴雨形势下产生的。

2 水汽条件分析

产生暴雨必须有源源不断的水汽输送，也就是充足的水汽条件。分析暴雨发生期间的水汽输送特征是研究暴雨形成机制的一个重要方法。从水汽通量和水汽通量散度上可以更为直观地分析出水汽的存在。由于大气中的水汽大部分集中在对流层低层，因此主要分析暴雨期间700hPa、850hPa的水汽通量和水汽通量散度的分布。

从低层水汽通量图上(图2)可以看到，暴雨期间进入四川盆地的水汽流主要是热带西南季风气流经孟加拉湾和中南半岛向北输送进入四川盆地。850hPa来自南海的气流在盆地南部汇聚加强形成一个水汽通量的显著大值带。图3 是特大暴雨期间的水汽通量散度，由图中可以看到，7日20时和8日02时700hPa上盆地南部都没有明显的水汽辐合中心，而随着高度层的降低，水汽辐合的大值中心明显向盆地南部扩展，尤其在7日20时，盆地南部有一个显著的水汽辐合大值区。

3 水汽输送过程模拟

为进一步定量分析水汽的输送条件，引入拉格朗日轨迹模式，根据9月7～8日暴雨过程降水量，选取古蔺护家凤田(27.95°N，105.87°E)为模拟气团后向轨迹的起始点。模拟的起始时间选取为9月7日21时(BT)暴雨开始的时刻，由于水汽的辐合主要位于对流层低层，因此模拟的高度分别选取1000m、1500m、3000m。追踪时长为120h，每间隔6h输出一次空气团的地理位置，并将相应的位置插值到轨迹点上，最后再对每个高度上产生的轨迹进行聚类分析。

基于GDAS资料，运用能真实反映流场三维变化的拉格朗日轨迹模型HYSPLIT对暴雨区不同高度的气团进行模拟，追踪水汽来源，并通过聚类分析的方法计算不同水汽通道的贡献率，结果见图4。

近地面 1000m 高度上(图4a)，通过对气团轨迹进行聚类，得到 4 条水汽传输通道。气团的第一路径为偏东路径，在偏东气流的引导下，将贵州本地的水汽向泸州输送，水汽贡献率达 56%，是主要的水汽通道源地。西南水汽通道由源自孟加拉湾附近的 2 号、4 号水汽通道组成，水汽贡献率分别占 19%和6%。而第3条路径总体水汽贡献率达 19%，源自南海，在偏南气流的引导下到达泸州境内。

1500m高度上(图4b)，聚类得到的水汽传输通道也是4条，与1000m高度相似，主要分为西南路径、偏东路径和偏南路径，但水汽通道的源地略有不同，不同通道的水汽贡献率也有较明显的差别。西南路径由 2 号、4 号通道组成，水汽贡献率分别占 14%和17%，分别来源于孟加拉湾和印度洋，约占总水汽贡献的三分之一。水汽通道3在偏南气流的作用下将南海附近水汽向北输送，同时相比近地层，水汽贡献率有明显的增大，达25%。1号通道是周边省份贡献的水汽，达44%，比近地层贡献率偏小。

3000m高度上(图4c)，聚类得到的水汽传输通道也是 4 条，但与1000m 、1500m高度的水汽通道相差较大，主要分为偏南路径、偏西路径。偏南路径是 4 号通道，水汽贡献率为 14%，占比较小，主要来源于南海。偏西路径由1、2、3通道组成。水汽通道1在偏西气流的作用下将云南本地的水汽向东输送，水汽贡献率达42%，2、3号通道水汽贡献率都为 22%，主要源自孟加拉湾及其周边国家。

另外，通过分析轨迹的三维空间分布可以发现，三个高度的不同路径的气团主要来自于对流层低层。由此说明泸州特大暴雨过程发生时，来自不同路径的强盛的暖湿空气不断向上抬升，最终在暴雨区交汇，从而形成特大暴雨。