一次孟湾风暴影响我国低纬高原强降水的水汽特征分析

杨洪飞，袁俊鹏，李毅宸

1.云南大学大气科学系；2.云南省红河县气象局；3.云南省红河州气象局

孟加拉湾地区是全球热带气旋活动频繁的海域之一，同时它也是我国低纬高原强降水过程的重要水汽源地。李玉柱和周毅[1]对初夏孟加拉湾风暴的若干特征和能量输送进行了分析并指出孟加拉湾风暴不仅给我国低纬高原地区输送了水汽，同时还输送了大量能量。陈于湘[2]等（1985）指出我国低纬高原雨季开始与孟加拉湾风暴首次出现有显著关系。韦革宁[3]等（2000）研究了孟加拉湾风暴对广西降水的影响，并且指出强大的孟加拉湾风暴云系，带来充足的水汽及低层大量的不稳定能量是造成广西暴雨的主要原因。段旭[4]等（2004）分析6个影响我国低纬高原的孟湾风暴，认为孟湾风暴、副热带高压和南支槽的位置和强度对低纬高原降水的影响很大。张腾飞等[5]（2006）、鲁亚斌等[6]（2006）发现孟湾风暴多以分裂中尺度对流云团、外围云系以及本身减弱云系沿孟湾槽前和副热带高压外围的西南气流北上影响我国低纬高原。肖建全[7]（2011）等对比分析孟加拉湾风暴 Akash和 Nargis，认为它们是造成我国云南省首场全省性降水天气过程的主要影响天气系统，对我国低纬高原降水有直接的影响。吕爱民[8]（2012）研究Akash对我国西南地区强降水的影响分析，发现孟加拉湾风暴为降水区提供了充足的水汽输送，同时低纬高原地形对孟加拉湾风暴偏南风的强迫抬升加剧了降水区的上升运动。

综上所述，前人对孟湾风暴的研究多从大气环流背景场角度，或选取典型个例进行定性分析孟湾风暴特征及其对我国降水的影响。大量的研究揭示出孟湾风暴与我国低纬高原地区强降水有着密切的关系，孟湾风暴可向我国低纬高原地区输送大量的水汽和能量，是影响我国低纬高原区域强降水的重要天气系统。但鉴于，孟湾风暴本身结构的特殊性及其低纬高原地区下垫面地形、地势复杂（王曼等，2011），目前对孟湾风暴向我国低纬高原地区强降水过程输送水汽的三维结构特征及其量化贡献尚不清晰。本文以2007年孟加拉湾风暴Akash（0701）影响我国低纬高原强降水过程为例，通过用气块沉降轨迹模拟模式HYSPLIT_4.9模式对孟湾风暴及低纬高原降水区域气块进行轨迹模拟，分析此次降水过程我国低纬高原强降水区域的水汽输送特征，并定量化分析各通道水汽输送的贡献比率。以期获得孟湾风暴影响我国低纬高原降水的水汽输送特征，为我国低纬高原地区降水预报、预测提供科学依据。

一、数据和方法

（一）数据

本文使用的降水资料是APHRO_MA（APHRODITE monsoon Asia Precipitation data） V1003R1提供的分辨率0.5°*0.5°的2007年的逐日的格点降水资料[降水区域为：（21°N- 30°N，97°E- 1 07°E）]及2007年5月12日至19日云南省126国家气象观测站的降水资料，以及2007年5月NCEP的时间间隔为6小时,水平分辨率为2.5°*2.5°的大气环流资料，其中包括1000-10hpa共17层的上的位势高度、温度、纬向风和经向风，1000-300hpa各层的相对湿度及1000-100hpa的垂直速度；表面变量包括地表气压、距地表2米高度处的温度、距地表面10米高度处的纬向风和经向风、6h的总降水量。此外，还用到JTWC（Joint Typhoon Warning Center）的热带风暴Akash的轨迹资料。

（二）轨迹模式简介

本文使用NOAA Draxler等开发的质点轨迹分析HYSPLIT_4模式。其模式轨迹分析，假设空气中的粒子随风飘动，其移动轨迹就是在时间和空间上位置矢量的积分。质点最终的位置由初始位置（P）和第一个猜测位置（P'）的平均速率计算得到。

式中：Δt为时间步长,文中Δt选为6h。

气象数据在水平坐标保持其原来格式，而在垂直方向被内插到地形追随坐标系统：

式中：Ztop为轨迹模式坐标系统的顶部；Zgl为下垫面高度；Zmst为坐标下边界高度。

（三）水汽输送贡献率的计算方法

本文引用江志红[9]（2010）等研究2007年淮河流域强降水过程的水汽输送特征分析中的水汽输送贡献率的定义。

定义

式中：Qs为通道的水汽输送贡献率，qlast为通道的最终位置上的比湿；m为通道上的轨迹数；n为研究区域总的轨迹数。

（四）误差分析

积分误差主要是由气象数据在模式中的截断而产生的。积分误差可通过用向前轨迹的终点计算相同时间长度的向前轨迹进行估计，分析轨迹的相关性。选取2007年5月13日00时（UTC，下同）发展为热带风暴Akash的热带低压中心[（14.4°N，91.2°E），10 m 高度 ]，按照需要模拟的轨迹时间长度（240h）进行向后轨迹模拟，将模拟的最终位置的三维结果输入模式，进行相同时间长度的向前模拟，将向前后轨迹的经度和纬度做相关性计算得到相关系数为0.9，而垂直方向其向前和向后轨迹的相关系数＜1。其表明在轨迹模式的积分误差很小。

分辨率误差，主要是由格点气象数据有限的时空分辨率产生的。分辨率误差可通过初始点的水平方向和垂直方向上偏移所模拟出的轨迹进行估计。取我国低纬高原区域的代表点[（24°N，100°E），距地面1500m高度]，将该点的气象数据在经向、纬度向偏移0.5个格距，z方向偏移0.01（σ值），选取模拟的起始时间为2007年5月19日00时，进行240小时的向前模拟。相较于这些轨迹的一致性，无论是水平方向还是垂直方向，轨迹间的偏离随模拟时间的延长而增大，分辨率误差比积分误差大得多，但是仍可以较为一致地表征气流的来向和高度变化。

根据综上所述可得知，模式的积分误差和分辨率误差均较小，模式稳定性可靠。

二、研究结果

（一）Akash湾风暴过程

Akash是2007年第一号孟加拉湾风暴，于5月13日00时在孟加拉湾北部14.4°N，91.2°E附近的海域生成。近中心的最大风速25m/s，近中心海平面最低气压为1000hPa，并缓慢向偏北方向移动。于13日18时，北移到16.3°N附近，最大风速35m/s，最低气压减小至997hPa，加强为热带风暴。14日18时，最大风速加强为65m/s，最低气压减小为976hPa，进一步加强为强热带风暴。此后继续偏北移动，强度减弱。于14日20时在孟加拉国南部的吉大港区科克巴斯扎尔附近登录，最大风速30m/s。登录后北移减弱，于16日并入青藏高原南侧的西风槽。

5月12日至19日，风暴生产和发展期间，降水主要发生在低纬高原的西北部。降水主要发生在15日00时以后，对应风暴登陆后减弱阶段。15日00时到16日00时，低纬高原大部分区域及周围的西藏东南部、四川南部为一强降水区，站点最大的日降水量达70mm。16日00时到17日，风暴并入西风槽，强降水中心在位于低纬高原南部，站点日最大降水量达到110mm。18日00时，风暴消失，降水带南压断裂，范围和强度明显减小。此后低纬高原地区的降水消失。由此可见，Akash登陆之后及并入西风槽期间，从15日00时到18日00时，我国低纬高原区域自北向南出现一次强降水过程。

（二）HYSPLIT模式模拟气块轨迹实验设计

模拟区域选取低纬高原地区（21°N-30°N，97°E-107°E）9°*10°的区域，水平分辨率经向间隔2.5°、纬向间隔2.5°，垂直方向上选取距地面1500m高度层作为模拟的初始高度。根据分别率在模拟区域内选取了16个初始点，以5月12日0时至19日18时间隔每6小时为一个初始点，以每个初始点为起点向前追踪10天的三维运动的轨迹模拟。

由于模拟出的轨迹数目较大，为了更直观的得看出轨迹的来向，本文引入簇分析的方法对轨迹进行聚类。其基本思路是按照轨迹的路径最近原则进行多条轨迹合并分组，依据轨迹的平均图分析轨迹的来向。

（三）低纬高原区域的水汽来源的聚类分析

此次Akash活动过程，给我国低纬高原区域带来了一次强降水的过程，要想找出与Akash相关的水汽输送通道比较困难，可通过选取研究区域的气团进行向前追踪，可以排除其他区域信息的干扰；可以追踪水汽来源，准确确定水汽通道。

研究区域的16个代表性点，从2007年5月12日0时至19日18时共8天每间隔6小时为初始点向前推10天，得到512条轨迹，然后对每个选取的研究点采用聚类分析，得到平均轨迹确定各来向水汽通道，利用公式（4）计算各水汽输送通道的水汽输送贡献率。

通过对区域内选取的每个研究的点的进行簇分析,由此可得影响我国低纬高原区域的水汽来向可以粗略的分为四个来向，即西北、东南、西南、东北四个来向的水汽输送通道。

根据簇分析后各来向的平均轨迹，得出研究时段内到达低纬高原区域的西北、东南、西南、东北来向的所有轨迹。

定义水汽平均轨迹经过孟加拉湾的水汽通道为孟加拉湾，对我国低纬高原地区的直接的水汽输送，其输送贡献率定义为孟加拉湾直接的水汽贡献率。利用综上定义，得知来自孟加拉湾水的所有平均轨迹。

由综上分析得知，这次天气过程影响我国低纬高原区域的水汽输送通道和来自孟加拉湾的水汽输送通道。向前推的相同的时间间隔各来向上及孟加拉湾来向所有轨迹上的比湿求和得如图1所示，反映在这过程中主要的水汽输送通道、各通道上水汽的变化，显示来自孟加拉湾的水汽在这次输送的重要性。水汽输送通道重要性由重至轻，依次是东南、西南、东北、西北。从图1中可得知东南、西南、东北来向在到达研究区域时有水汽含量明显的下降过程，反映其与研究的区域的降水有着密切的关系。孟加拉湾通道与西南通道比湿变化一致，表明在Akash活动过程孟加拉湾的水汽是通过西南气流来影响我国低纬高原区域的。

图1 各水汽通道和孟加拉湾通道上比湿总量

表1中可知，在这次Akash过程中东南通道、西南通道、东北通道、西北通道的水汽输送贡献率分别为50.4%、30.9%、14.5%、4.2%。来自孟加拉湾直接的水汽输送贡献率为25.3%。

表1 各来向和孟湾的水汽输送贡献率

10个纬距×10个经距的区域内分析，孟加拉来向的水汽的平均轨迹与Akash运动轨迹的距离在10个经距的范围内，且位于其东侧。在北半球气旋是逆时针旋转的，气旋东侧的空气是由低纬向高纬运动，孟加拉湾水汽轨迹位于Akash运动外围的东侧，即孟加拉湾水汽轨迹就是Akash的外围由低纬向中高纬的水汽输送通道，而孟加拉湾来向的水汽输送贡献率也就是Akash活动对低纬高原地区的水汽输送贡献率，即Akash对于我国低纬高原区域直接的水汽输送贡献率25.3%。

孟加拉湾通道上的比湿与距地面高度的关系（如图2所示），轨迹向前推的第十天到第四天的过程中距地面高度没有明显变化。在此过程中轨迹上的比湿也是基本不变的，且其比湿值很高。由于这段时间空气块都基本是在海面上运动，下垫面高度没有明显的变化，海面同时也是为气块的水汽源，因此气块的湿度很高。轨迹向前到第四天到第一天过程中，轨迹的距地面高度由平直变为倾斜急剧升高，到我国低纬高原区域到达1500m附近。而与之相反，轨迹上的比湿由平直变为倾斜急剧减小，反映孟加拉湾水汽在向低纬高原区域输送的过程，由于下垫面的高度变高，使得来自孟加拉湾的气流抬升，湿度降低，下降的湿度贡献为我国低纬高原地区的降水，影响研究区域。来自孟加拉湾通道的气块，离开洋面后四天内达到并影响了我国低纬高原区域。

图2 孟加拉湾输送通道的上的比湿随着高度的变化

图3反映了孟加拉湾通道的比湿与气压的变化关系。可以看到在靠近我国低纬高原区域，比湿和气压的变化关系相一致，都是同一个下降的趋势。在到达低纬高原区域时，气压已经降低到接近700hPa，而比湿虽然也下降，但到达研究区域仍然大于8(单位：g/kg)。

图3 孟加拉湾输送通道的上的比湿随着气压的变化

三、结语

本文基于2007年，孟加拉湾第一号风暴Akash活动过程的造成低纬高原区域的一次强降水过程，利用美国NOAA轨迹模式（HYSPLIT_4）模拟我国低纬高原区域强降水过程的气团轨迹，对该阶段影响低纬高原区域降水的水汽输送特征做定量分析，同时对孟加拉湾对低纬高原区域的水汽输送做定量分析，加深我们对孟加拉湾风暴Akash对低纬高原区域水汽输送特征的认识。其主要结论如下：

（1）通过使用模式模拟低纬高原区域降水水汽前向轨迹，获得了孟湾风暴“Akash”发生期间低纬高原区域降水的四条主要水汽通道，并定量评估了各通道水汽输送贡献比率。（2）此次低纬高原降水过程中，与孟湾风暴“Akash”相关的水汽输送贡献比率约为25%。（3）其个例分析表明，孟湾风暴水汽垂直输送可达到较高的高度，这与西太平洋台风水汽输送主要集中在对流层低层截然不同。