基于多源资料的一次暖区暴雨水汽特征分析

周 涛，李 娜，许 敏，王清川*，张湘涵

（1.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；2.廊坊市气象局，河北 廊坊065000）

暖区暴雨的定义最早由黄土松等[1]针对华南前汛期暴雨提出，具体定义为：暴雨发生在锋面的南侧暖区，或是在北部没有锋面存在，且不受冷空气或变性冷高脊控制，有时发生在西南气流和东南气流的汇合处，有锋面时暴雨区位于地面锋区以南200～300 km[1-2]。虽然此概念是针对华南地区提出，陈玥等[3]研究发现，在华南地区以外的其他地区也可产生暖区暴雨，多发生于距离地面冷锋或850 hPa暖切变以南100～300 km的暖区范围内，或是副热带高压边缘等。由于产生暖区暴雨的斜压性强迫不明显，边界层的抬升机制复杂，数值模式对暴雨强度和落区的预报难度较大[4-6]，短时预报及临近预警仍是目前的主要手段。

暖区暴雨的形成，同样需要有充沛且持续稳定的水汽输送[7-10]，因此分析暴雨过程中的水汽输送特征对研究暖区暴雨的成因及预报都具有重要的意义。徐玥等[11-13]利用常规资料对暖区暴雨过程的水汽特征进行了分析研究。孙密娜等[7-8，14-15]在对暖区暴雨过程进行水汽特征分析时多结合了云图和雷达等资料。此外，气象工作者开始引入HYSPLIT模式对暴雨过程的水汽特征进行分析，孙建华等[16]、马梁臣等[17]、许彬等[18]研究发现，利用HYSPLIT模式可得到暴雨区的水汽源地、输送路径，以及不同通道的水汽贡献率。陶健红等多位学者研究，发现，HYSPLIT模式在与水汽收支计算结果一样的基础上，具有更明显的优势[19-27]。

目前针对冀中平原暖区暴雨水汽输送特征的研究较少，特别是基于多源资料的水汽来源与输送的对比分析成果更少，需要对更多典型天气过程开展多方位的相关研究。2021年7月5日暖区暴雨过程中，多家模式预报的暴雨落区、量级、降水大值中心等与实况都有明显偏差，导致暴雨和大暴雨漏报，因此，对此次暖区暴雨过程中水汽来源及输送的研究非常必要。本文在利用常规观测资料、加密自动站资料、NCEP1°×1°再分析资料的基础上，运用HYSPLIT模式结合廊坊大厂微波辐射计等新方法和新资料对此次过程的水汽输送特征进行分析，以期为冀中平原地区的暖区暴雨预报提供更多参考。

1 资料和方法

本文主要使用的资料包括：常规气象观测资料、区域自动站资料、NCEP逐6 h再分析资料（1°×1°）以及廊坊大厂微波辐射计资料（数据经过质量控制）等，同时应用了HYSPLIT模式，模式数据来源于全球资料同化系统（GDAS）6 h一次的分析资料，水平分辨率1°×1°，向后的时间步长为1 h，逐小时输出一次轨迹点的位置及相应位置上气块的物理属性（气压、相对湿度、比湿等）。

HYSPLIT模式[28-29]，即拉格朗日混合单粒子轨道模式，通常用于跟踪气流所携带粒子的运动轨迹。最终的位置P（t+Δt）由初始位置P（t）和第一猜测位置P＇（t+Δt）插值的平均速率计算得出，公式如下：

，式中Δt为时间步长。利用轨迹上气块的比湿来表征水汽输送情况，因为在不发生相变的情况下，气块内的比湿不随环境温度和气压的变化而变化[30]。模拟的起始高度固定，但每一条轨迹都是在拉格朗日空间进行模拟，其高度随环流演变，即随地点和时间变化。为更直观地分析轨迹分布特征，文中引入簇分析方法，即先定义每个簇的空间方差为簇内每条轨迹与簇平均轨迹对应点的距离平方和，并将每条轨迹视为一簇，算出所有可能组合的两个簇的空间方差，任选两个簇合并为一个新簇，以使得合并后所有簇的空间方差之和（Total spatial variance，TSV）比合并前增加最小，一直进行到所有轨迹合并为一个簇。统计发现，刚开始时TSV迅速增加，之后增加缓慢，但分成一定数量的簇后，在进一步合并的过程中TSV又迅速增加，说明此时要合并的两个簇相似性较差，因此把TSV即将再次迅速增大的点作为聚类运算的结束点，此时分出的各个簇即为聚类得到的最终簇[16，21]。文中给出的聚类结果，反映的是聚类后每一类轨迹的平均结果。

2 降雨实况和环流背景分析

2.1 降雨实况

2021年7月5日下午至夜间，冀中平原（选取廊坊、保定中东部和沧州西北部共25个县（市、区）作为研究对象）中北部出现区域性暴雨天气（图1），最大降雨量（152.7 mm）出现在廊坊市安次区仇庄乡，最大雨强（48.7 mm/h）出现在保定市易县。降水主要集中在5日18时—6日00时，期间共有5个国家站出现短时强降水，雨强在30 mm/h以上的区域气象站达到47个。过程中6站出现8级以上大风，其中在易县狼牙山镇南管头村国家气象观测站出现极大风速25.4 m/s（十级）。综上，本次天气过程具有明显的强对流特征。

图1 2021年7月5日14时—6日08时冀中平原降雨量分布（单位：mm）

2.2 环流背景分析

7月5日08时，500和700 hPa槽均位于蒙古到内蒙古中西部地区，850 hPa在105°～115°E、40°N附近有“人”字形切变线，冀中平原处于暖切变线东部的西南暖湿气流控制中，925 hPa同样受西南气流控制。14时（图2），500和700 hPa槽移到蒙古中东部到内蒙古中西部地区，500 hPa有干舌从渤海北部向西延伸至西北地区，冀中平原处于干侵入区，925和850 hPa处于显著湿区范围内，构成“上干下湿”的不稳定层结，同时850 hPa“人”字形切变线移到晋冀交界，冀中平原位于暖切变区，925 hPa局地风速超过14 m/s，地面冷锋位于内蒙古中部到河套东部地区，冀中平原处于地面风速辐合区，20时冷锋移到张家口与北京交界附近。冀中平原在低层暖湿气流控制、中高层干冷空气入侵的垂直不稳定层结下，出现了一次显著的暖区降水。

图2 2021年7月5日14时高低空系统

3 基于HYSPLIT模式的水汽输送特征

3.1 水汽来源及输送

大气中的水汽主要有2个来源，一是本地大气的绝对含水量，二是外地水汽输送及在本地辐合[7-8]。本次过程中，降水开始（14时）前冀中平原地面露点温度为23℃，大气可降水量最大为40.1 mm，依据Tian等[31]研究指出，大气可降水量达到60 mm是我国东部地区短时强降水发生的充分条件，显然冀中平原地区的短时强降水需要依靠外地水汽输送。综合考虑冀中平原各站的地理位置、降水量大值区和降水时间，选取2021年7月5日14时廊坊北部的大厂（116.98°E，39.88°N）作为模拟起始时间和起点。由于大气中大部分水汽集中在对流层中低层[32]，因此垂直方向上选取800、1 500、3 000和5 500 m（分别代表925、850、700和500 hPa）4个高度作为模拟的起始高度，进行96 h后向轨迹模拟，并对其水汽路径及贡献进行分析。

根据图3的分布情况，925 hPa的气块96 h前来自山西南部800 hPa附近，比湿为9.4 g/kg，之后气块在北上过程中高度略有上升，在到达山西中部后转向偏东方向移动，伴随高度迅速下降，比湿迅速增大，在经过山东西北部时又折向东北方向，最后途经渤海由东南方向到达暴雨区，此时比湿为12.3 g/kg。850 hPa的气块来自黄海西部，初始携带大量水汽，比湿为16.5 g/kg，较其他源地明显偏高，气块前期在1 000 hPa高度近似做水平运动，进入河北东南部后略有抬升，到达暴雨区时比湿虽较源地有所下降，但仍可达到12 g/kg。700 hPa的气块来自蒙古中北部，初始比湿为8.4 g/kg，气块高度一路波动上升，比湿在2日达到峰值后开始波动下降，到达暴雨区时为7.1 g/kg。500 hPa的气块来自亚欧大陆500 hPa高空附近，初始比湿低于4 g/kg，气块运动过程中比湿一直维持在4 g/kg以下。由此可见，此次过程中850和925 hPa为主要的水汽来源。

图3 2021年7月5日14时大厂（图中★位置）4个高度层96 h后向轨迹水平分布（a）、垂直分布（b）和比湿分布（c）

3.2 聚类分析

3.2.1各通道水汽贡献

分别计算925、850、700和500 hPa 4个高度层的通道水汽贡献率，925 hPa高度上（图4a）共有4条水汽输送通道，其中西南路径（通道1和3）水汽贡献率最大，为57.57%，来源于韩国与日本之间海域的东南路径（通道4）也占有18.19%，而通道1和4的水汽来源于黄海或途经黄海、渤海等海面，在东南气流的引导下向西北方向移动，通道1的气块在到达河北中部时受西南气流影响，最终由西南路径到达暴雨区上空。850 hPa高度上（图4c）共有3条水汽输送通道，同样是西南路径（通道1和2）水汽贡献率最大，为63.64%，其中通道2水汽来源于黄海附近海面，与925 hPa的通道1类似，引导气流由东南转向西南，最终由西南路径到达暴雨区上空。700 hPa高度上（图4e）以西北（通道3）和偏西路径（通道1和2）占主导。500 hPa高度上（图4g）只有西北（通道1、3和4）和偏西（通道2）两条路径。结合轨迹高度分布情况，925 hPa（图4b）和850 hPa（图4d）的主要水汽通道源地气块高度均位于850 hPa以下，气块在到达暴雨区前近似做水平运动，700 hPa（图4f）的主要水汽通道源地气块高度位于700 hPa附近，之后一直维持在600～700 hPa。500 hPa（图4h）的主要水汽通道源地气块高度位于500 hPa附近，随后在向东移动过程中均呈上升趋势，最高达到350 hPa以上，直至降水开始前24 h左右开始下降。

图4 后向模拟96 h通过不同高度水汽传输通道在7月5日14时到达暴雨区水汽轨迹的水平分布和垂直分布以及通道水汽贡献率

整体来看，源自低层的气块首先在东南气流的引导下向西北方向移动，随后转为西南气流的引导，通过西南路径为暴雨区上空850和925 hPa带来丰富的水汽，同时源自中高层的气块，随着西风带长波槽脊的运动，在西北或偏西气流的引导下为暴雨区上空500 hPa带来干空气，使层结不稳定度加大，进而有利于强对流天气的发生。

3.2.2整层水汽贡献

为了更直观地看到整层的水汽贡献，对925～500 hPa整层高度的后向96 h（1日14时—5日14时）气块再分别进行后向24、48、72和96 h聚类（图5a～5d），聚类结果以3或4条为主，其中后向24 h的聚类结果以西南路径占主导，随着后向时间的延长，聚类结果均以西北路径占主导。

图5 925～500 hPa分别后向24 h（a）、48 h（b）、72 h（c）、96 h（d）聚类

通过对4个高度层气块水汽含量定量分析，发现源自低层的气块，在东南或西南气流的引导下，到达暴雨区上空925和850 hPa时，比湿均在12 g/kg，为暴雨区上空带来丰富的水汽，作为其主要水汽通道的西南路径水汽贡献分别占57.57%和63.64%。源自亚欧大陆中高层的气块，整个过程中比湿都相对较小，随着西风带长波槽脊的运动，在西北或偏西气流的引导下为暴雨区上空500 hPa带来干空气，使层结不稳定度加大，进而有利于强对流天气的发生。通过上述分析表明，925和850 hPa西南路径上的水汽是暴雨区最为主要的水汽通道和来源，500 hPa干空气的入侵加大了层结不稳定度，有利于强对流天气的发生。

4 水汽通量及比湿特征

5日14时，925 hPa（图6a）和850 hPa（图6b）在40°N以南有两个水汽通量大值中心，最大值达到11 g/（cm·hPa·s），在西南或偏南气流的引导下，高水汽通量不断向暴雨区输送，使得暴雨区比湿分别达到15和10 g/kg；700 hPa（图6c）和500 hPa（图6d）在105°E以西虽有水汽通量相对大值区和西南或偏西气流的输送，但因其绝对数值较小，为冀中平原带来的水汽有限，暴雨区的比湿仅为1～5 g/kg。由此可见，925和850 hPa在相应引导气流的作用下，水汽不断向冀中平原输送，为暴雨的形成提供了充足的水汽条件。

图6 2021年7月5日14时925 hPa（a）、850 hPa（b）、700 hPa（c）和500 hPa（d）水汽通量（填色，单位：g/（cm·hPa·s））、比湿（等值线，单位：g/kg）与风场叠加

5 微波辐射计反演水汽特征

从图7a中可以看到，5日06时，水汽总含量开始迅速上升，在09—10时达到最大，为38 mm，随后略有下降，到14时为33 mm，此后由于降水的开始，水汽总含量迅速下降。图7b显示，从06时开始，925和700 hPa高度附近的相对湿度明显增加，到09时达到70%～80%，同时500 hPa以下廓线从低到高逐渐呈现出干—湿交替分布的层结，与此同时，低层水汽密度（图7c）也迅速增大，14时925、850和700 hPa的水汽密度分别达到14、12和8 g/m3，上述过程都反映出云中水汽在不断积累。14时后随着降雨的开始，干、湿交替分层现象趋于结束，整个过程中500 hPa的水汽密度一直维持在4 g/m3以下。可见，在降雨开始前，低层湿度在2～3 h内迅速增加，暴雨区上空925和850 hPa水汽总量大，结合大的水汽密度，有利于强降水的形成。

图7 2021年7月5日大厂站微波辐射计反演的水汽总含量曲线（a，单位：mm）、相对湿度廓线（b，单位：%）和水汽密度廓线（c，单位：g/m3）

6 结论与讨论

通过引入HYSPLIT模式和微波辐射计等新方法和新资料，对2021年7月5日冀中平原一次暖区暴雨过程的水汽输送特征进行对比分析，得到如下结论：

（1）利用HYSPLIT模式对大厂进行4个高度层的96 h后向轨迹模拟，结果表明：降水开始前，500 hPa水汽含量较少，925和850 hPa的比湿在12 g/kg以上，是本次过程的主要水汽贡献者。对925～500 hPa整层高度的后向96 h气块再分别进行后向聚类分析，后向24 h的聚类结果以偏南路径占主导，随着后向时间的延长，聚类结果均以西北路径占主导。

（2）分别计算不同高度层的通道水汽贡献率，得到925和850 hPa高度的主要水汽通道，是源自黄海或途经黄海、渤海等地的西南路径，水汽贡献率分别占57.57%和63.64%，为暴雨区低层带来丰富的水汽，而500 hPa高度的水汽源地气块高度相对较高，在西北或偏西气流的引导下为暴雨区上空带来干空气，使层结不稳定性加强。

（3）降雨开始前，925和850 hPa在相应引导气流的作用下，水汽不断向冀中平原输送，使得丰富的水汽条件主要集中于低层大气，而500 hPa上没有明显有利的水汽输送条件，与HYSPLIT模式模拟的结果一致。

（4）应用微波辐射计对降雨过程的水汽特征进行分析，在降雨开始前，700 hPa以下湿度增加显著，水汽总量和水汽密度大，有利于强降水的形成。

3种资料分析结果都表明，降雨开始前，暴雨区上空925和850 hPa的湿度条件都较好，而500 hPa为干空气，HYSPLIT模式和微波辐射计两种高时空分辨率资料的应用，可以及时且多方位分析水汽特征，为暖区暴雨落区、强度等精细化准确预报预警提供一定参考。此外，上述结论仅为一次暖区暴雨分析所得，仍需对更多相似个例进行研究和分析验证。