中国雪都阿尔泰山暖区暴雪水汽特征分析

周雪英 庄晓翠 李博渊 储鸿

(1 新疆巴音郭楞蒙古自治州气象局,库尔勒 841000; 2 新疆阿勒泰地区气象局,阿勒泰 836500)

引言

中国雪都阿尔泰山(简称,阿尔泰山)位于新疆阿勒泰地区最北部,冬季受极锋锋区频繁南下影响,该区多暖区暴雪天气[1-5],暴雪灾害对国民经济和人民生活造成的危害有时比暴雨更大,往往对交通、牧业、电力等造成巨大的损失。同时,暴雪又是干旱区重要的水资源和冰雪旅游资源。由于暴雪天气是在多尺度系统综合作用下产生的,形成机理复杂,预报难度大,而山区暴雪预报更难。水汽条件是造成暴雪的重要条件之一,水汽来源、输送的多少直接影响暴雪的形成和强度[6-8],因此,研究阿尔泰山特殊地形地貌下暴雪的水汽特征意义重大。

目前国内外关于暴雪水汽的研究已有不少成果,如辽宁省暴雪水汽源地主要有西太平洋、日本海、东海和黄海;主要为西边界中纬度西风气流的输入,区域暴雪的发生是经向水汽异常输送的结果,西风带偏西气流与日本海反气旋性环流西南侧偏南气流在暴雪区交汇是发生暴雪的主要原因[9]。对西藏高原南部3次暴雪研究表明[10],水汽主要源于阿拉伯海,孟加拉湾水汽对东部降雪起到补充作用,南支槽前高空西南急流对水汽输送起到关键作用,同时,喜马拉雅山脉大地形抬升有利于水汽凝结成云。对陕西、川西、内蒙古以及山东等地区域性暴雪研究表明[11-14],500 hPa切断低压分裂低槽、700 hPa西南急流和850 hPa东风回流、西南暖湿气流锋生是暴雪发生的主要影响系统;低空西南急流、偏东气流、超低空急流分别携带来自孟加拉湾、东海和南海的充沛水汽是产生区域性暴雪的重要原因之一。

针对新疆暴雪水汽的研究也取得了一些成果,如对新疆北部典型暴雪天气研究表明[15-18],水汽源地主要分布在地中海附近、红海或波斯湾附近,有西方、西南和西北3条路径,以西南路径最多,西北路径最少;水汽输送最高层接近300 hPa,最强位于650～750 hPa之间,暴雪出现前600～1000 hPa存在一定的水汽辐合。对新疆北部典型暖区暴雪研究表明[19-22],水汽主要源自大西洋,随西风气流输送至暴雪区,沿途得到阿拉伯海、波斯湾等地水汽的补充。一直以来受降雪气象观测资料的限制,新疆暴雪水汽的研究主要集中在国家站。近两年随着观测站网的不断完善,阿尔泰山新增自动固态降水站,填补了雪都山区固态降水实况观测,为研究阿尔泰山区暴雪天气的水汽特征及冰雪资源提供了最新资料。同时,以往对暴雪水汽特征的研究主要是欧拉方法,基于水汽通量反映水汽输送和主要通道,但无法定量给出各水汽源地对暴雪(雨)的贡献,无法得出气团在运动过程中的空间位置及其相应的物理属性随时间的变化[23]。而HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模式方法通过计算气团的运动轨迹,定量统计出各水汽源地对暴雪(雨)的贡献,弥补了欧拉方法的不足[24-28]。近年来运用HYSPLIT模式方法在暴雨过程水汽来源及输送方面的研究较多[29-32],对中国雪都阿尔泰山暴雪天气过程的水汽来源及输送的研究较少。因此本文对阿尔泰山区2021年发生的3次暴雪过程水汽特征进行较详细的分析,比较不同源地、轨迹的变化及其对暴雪的贡献,以期认清阿尔泰山区暴雪过程水汽来源和输送机理特征,为山区暴雪预报预警提供科技支撑,为防灾减灾救灾、生态文明建设提供决策依据。

1 研究区概况、资料及方法

1.1 研究区概况

阿尔泰山脉呈西北—东南走向,斜跨中国、哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古国境,绵延2000 km余;中国境内的阿尔泰山属中段南坡,位于中国雪都阿勒泰地区北部至东部,山体长达500 km余,海拔1000～3000 m。主要山脊高度在3000 m以上,北部的最高峰为友谊峰,海拔4374 m(图1,该图及文中所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载,审图号为GS(2016)1552号的标准地图制作,底图无修改)。阿勒泰地区位于欧亚大陆腹地,远离海洋,水汽溃泛,属大陆性干旱半干旱气候。受山脉地形影响,山区降雪量占年降水量的80%[33],冷季多暴雪天气。

图1 阿勒泰地区国家站(五角星)和新增区域固态降水站(黑点) 地理位置及海拔高度(填色)

目前为了维护和检修方便阿尔泰山区区域固态降水站,主要建在海拔1500 m左右的前山(图1),后山由于海拔较高,地形地貌复杂,人迹罕至等因素,至今为观测站网的盲区。

1.2 资料及方法

采用经新疆气象信息中心筛选、 整理、 检测,并剔除不完整及错误资料,严格实现了数据质量控制的阿勒泰地区25个(17个区域站和8个国家站)固态降水站(图1)资料,按新疆暴雪标准,日降雪量(20:00—20:00,北京时,下同)R满足:12.0 mm

后向水汽轨迹追踪(HYSPLIT)模式资料为GDAS 1°×1°逐6 h再分析资料,模拟追踪阿尔泰山3次暴雪过程的水汽源地及输送特征。HYSPLIT是NOAA空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种可处理不同气象要素输入、不同排放源和不同物理过程的输送、扩散、沉降过程的模式系统,能够追踪气块的来源[34-36]。该模型的轨迹模拟方法通过质点移动路径的空间和时间上的位置矢量进行积分,由质点的初始位置和第一猜测位置的平均速率计算得到气块的追踪位置,对气块进行后向积分得到水汽来源、输送路径及其对暴雪的贡献[31-34]。

阿尔泰山3次过程暴雪中心均出现在阿勒泰地区布尔津县的禾木乡:过程Ⅰ和Ⅲ为窝尔塔阿什克站(48.52°N,87.39°E),海拔高度为1422 m;过程Ⅱ为黑流滩中游站(48.30°N,86.92°E),海拔高度为1218 m。因此,暴雪中心初始高度定义为距离测站的高度,模拟追踪其500 hPa(5000 m)、700 hPa(3000 m)、850 hPa(1500 m)至地面的水汽三维运动轨迹。模拟开始时间为暴雪过程中心当日20:00,向后追踪168 h(7 d),每隔6 h所有轨迹初始点重新向后追踪168 h,分别将各高度层的后向轨迹路径进行聚类分析,遵循类与类间差异极大而同一类内部差异极小的原则[37-40],得到168 h后向追踪的平均轨迹,以此分析阿尔泰山区暴雪过程在上述3个高度上水汽来源及输送特征。

2 暴雪概况

过程Ⅰ降雪持续了2 d,阿勒泰地区河谷平原出现小到中雪,沿山及山区大到暴雪,暴雪主要分布在阿勒泰地区北部山区(图2a);3月2—3日共有7站达暴雪;最大日降雪量(20.3 mm)和最大累计降雪量(35.2 mm),均出现在布尔津县禾木乡窝尔塔阿什克站;从该站逐小时降雪量来看,降雪主要时段为1日20:00至3日12:00(图略)。过程Ⅱ降雪持续了5 d,阿勒泰地区大部累计降雪量为>12.0 mm的暴雪,沿山和山区为>24.0 mm的大暴雪和特大暴雪;10月31日至11月3日共有27站为暴雪以上量级,其中,5站为大暴雪;最大日降雪量(30.7 mm)和最大累计降雪量(77.8 mm),均出现在布尔津县禾木乡黑流滩中游站(图2b);该站主要降雪时段为:10月31日08:00—16:00、10月31日22:00至11月1日02:00、11月1日22:00至3日09:00。过程Ⅲ降雪持续了2d,降雪量主要分布在阿勒泰地区的沿山和山区,北部山区为暴雪;11月24日有7站为暴雪以上量级,其中1站达大暴雪;最大日降雪量(24.9 mm)和最大累计降雪量(27.9 mm)(图2c),出现站点与过程Ⅰ相同;该站逐小时降雪主要时段:23日18:00至24日13:00。可见,3次暴雪过程出现在初冬和冬末,过程Ⅰ和过程Ⅱ暴雪分布基本相似,过程Ⅲ为中期过程的持续性暴雪,山区为大暴雪和特大暴雪。

图2 2021年阿勒泰3次暴雪过程累计降雪量分布:(a)过程Ⅰ,(b)过程Ⅱ,(c)过程Ⅲ

3 结果与分析

3.1 环流特征

500 hPa上,过程Ⅰ暴雪前(图3a)欧亚范围为两脊一槽型,西欧为环流经向度较大的脊,贝加尔湖西部为浅脊,西西伯利亚—黑海为低槽区,槽前西南锋区较强,其上不断分裂短波槽东移造成阿尔泰山区暴雪天气。过程Ⅱ暴雪前(图3b)欧亚范围为两脊一槽型,欧洲为阻塞高压,贝加尔湖为浅脊,西西伯利亚北部为极涡活动区,阿勒泰地区处于极涡底部强锋区南部;欧洲阻高缓慢减弱东移,脊线顺转,极地冷空气沿脊前偏北气流南下到极涡中,增强了其斜压性,极涡旋转南压,底部锋区上不断分裂短波东移造成阿尔泰山区持续性暴雪天气。过程Ⅲ暴雪前(图3c)环流与过程Ⅰ相似,不同的是:极涡底部锋区成纬向,其上不断分裂短波造成阿尔泰山暴雪天气。过程Ⅰ有低纬低值系统同位相叠加,过程Ⅱ和Ⅲ为低纬槽前西南气流与极锋锋区汇合。

图3 2021年阿尔泰山3次暴雪过程前500 hPa高度场(实线,单位:dagpm)和300 hPa>30 m·s-1的高空急流(填色,单位:m·s-1)和海平面气压场(单位:hPa)(黑点为暴雪中心,下同)

300 hPa上3次过程暴雪位于>30 m·s-1高空西南(偏西)急流轴右侧辐散区,700 hPa位于>20 m·s-1低空西南急流出口区前部辐合区。地面图上,过程Ⅰ暴雪区位于鞍型场区(图3d)、过程Ⅱ为鞍型场或气旋西南部(图3e)、过程Ⅲ为蒙古高压后部极地气旋东南部的减压升温区域(图3f)。

由此可见,阿尔泰山区暴雪落区位于高空西南(偏西)急流轴右侧辐散区,极涡底部西南(偏西)锋区,低空西南急流出口区前部辐合区,地面减压升温的重叠区,是阿勒泰地区典型的暖区暴雪天气的高低空配置[2、21-22]。

3.2 欧拉方法水汽特征

3.2.1 水汽源地及输送

图4是阿尔泰山区2021年3次暴雪过程暴雪中心地面至300hPa水汽通量积分,由此可知,过程Ⅰ暴雪前3月1日14:00来自大西洋及沿岸的水汽经北欧部分南下至黑海和地中海分成2支,一支沿西南气流经里海、咸海得到补充增强,经巴尔喀什湖关键区,输送至暴雪区;另一支南下至红河与阿拉伯海西北上的水汽汇合,到达波斯湾后,部分水汽在里海与前1支汇合(图4a)。过程Ⅱ暴雪前10月31日14:00来自大西洋及沿岸的水汽通道明显的建立,经北欧东南下至巴尔喀什湖北部关键区,在接力输送至暴雪区,沿途得到来自南海—孟加拉湾—阿拉伯海经红海后部分北上的水汽,与地中海附近的水汽汇合后的补充(图4b)。过程Ⅲ暴雪前11月23日14:00也是来自大西洋的水汽,从非洲北部—地中海—黑海—里海北部—咸海—巴尔喀什湖,接力输送至暴雪区;沿途得到大西洋经北欧南下水汽的补充(图4c)。可见,3次过程主要的水汽源地是大西洋及其沿岸,环流形势细节不同,水汽在输送的过程中路径存在一些差异,以及沿途得到水汽补充的源地不同;过程Ⅱ和Ⅲ水汽输送明显强于过程Ⅰ,其中,过程Ⅱ水汽在输送过程中沿途得到低纬海域水汽补充,是该次过程降雪量明显、持续时间长的主要原因之一。

图4 2021年阿尔泰山区3次暴雪过程前地面至300 hPa水汽通量及流场:(a)过程Ⅰ:3月1日14:00,(b)过程Ⅱ:10月31日14:00,(c)过程Ⅲ: 11月23日14:00

3.2.2 水汽收支

计算中国雪都阿尔泰山区暴雪区(46°～50°N,85°～91°E)各边界的水汽输入(西和南边界正值、东和北边界负值为输入)和输出量(西和南边界负值、东和北边界正值为输出),地面～700 hPa(对流层低层,简称低层)、700～500 hPa(对流层中层,简称中层)、500～300 hPa(对流层高层,简称高层),分析暴雪区水汽输送和收支特征。由表1可知,3次过程西边界均为输入,北边界中低层为输出,高层有少量的输入,东边界和南边界均为输出。其主要原因是中国雪都位于阿尔泰山脉的中段南坡,北部至东南部为阿尔泰山脉和蒙古高原,海拔较高,该区又位于中纬度西风带上,使得北边界中低层和东边界为水汽输出;南边界为准噶尔盆地和古尔班通古特沙漠及其南部的天山山脉,使该边界基本无水汽输入。西边界中层水汽输入最多(4.66×108t),高层最少(1.42×108t)。3次暴雪过程,过程Ⅲ西边界中层和高层水汽输入最多,低层相对最少;持续性暴雪过程Ⅱ低层水汽明显多于其他2次过程,中层略低于过程Ⅲ;过程Ⅰ中层和高层均为最少,低层略多于过程Ⅲ。因此,中、低层的水汽输入量与暴雪量有明显的关系。与新疆降水过程水汽主要集中在700 hPa附近是一致的[33]。

表1 2021年阿尔泰山3次暴雪期间水汽收支情况

3.2.3 水汽辐合特征

分析3次暴雪过程中心水汽通量、水汽通量散度的时间-高度剖面图可知,过程Ⅰ暴雪前3月1日08:00至过程中3日14:00,在对流层低层650～700 hPa水汽通量>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1;而水汽通量散度辐合较强时段出现在2日02:00至3日08:00左右(图5a),与该次过程主要降雪时段一致。过程Ⅱ暴雪前10月30日水汽通量>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1区域位于800～600 hPa,水汽通量逐渐向近地层输送;31日02:00—08:00和2日14:00至3日08:00,水汽输送>4×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1主要位于500 hPa以下;2日20:00至3日02:00最大水汽输送>6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1位于800 hPa附近与最大辐合中心时间一致;结合逐小时降雪量和水汽通量散度来看,<-2.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的辐合区与主要降雪时段一致,最强辐合中心与雪强2.2～3.6 mm·h-1一致(图5b)。过程Ⅲ暴雪前水汽通量大值区>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1位于650 hPa以上,23日08:00后输送至700附近,维持到24日14:00左右;较强水汽通量辐合<-0.3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1出现在23日20:00左右至24日20:00;水汽通量大值区与较强水汽通量散度辐合重叠的区域与此次暴雪主要降雪时段对应(图5c)。可见, 过程Ⅰ和Ⅲ水汽通量及水汽通量散度较强辐合区位于700 hPa附近;持续性暴雪过程Ⅱ水汽通量及其散度较强辐合区位于800 hPa以下的近地层。

图5 2021年阿尔泰山区3次暴雪过程暴雪中心水汽通量(等值线,单位:10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)及水汽通量散度(填色,单位:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)的时间-高度剖面图:(a)过程Ⅰ(87.39°E,48.52°N),(b)过程Ⅱ(86.92°E,48.30°N),(c)过程Ⅲ(87.39°E,48.52°N)

3.3 HYSPLIT模式水汽轨迹分析

为了分析方便,参考世界划分的13个地理区域,结合新疆预报业务实际,首先约定影响中国雪都阿尔泰山区暴雪过程水汽源地的简称(表2);巴尔喀什湖至哈萨克斯坦东北部边界为水汽关键区,简称关键区。

表2 影响阿尔泰山区暴雪水汽源地及其简称

3.3.1 500 hPa水汽特征

用HYSPLIT模式模拟阿尔泰山区3次暴雪过程,追踪暴雪中心500 hPa高度168 h的后向轨迹,共有11条轨迹,其中来自大西洋、加拿大各有3条,来自地黑和北冰洋各有2条,来自东西伯利亚北部沿岸(东西伯利亚)有1条;在环流合适时,随西风气流到达关键区后主要从偏西路径输入暴雪区(91%),只有少数轨迹从西北路径输入(9%)(图6 a～c)。分析图6阿尔泰山区3次暴雪过程暴雪中心500 hPa高度168 h水汽后向轨迹的空间分布和高度变化(图6a～c)及其对应比湿的时间变化(图6d～f)得到表3。

表3 阿尔泰山2021年3次暴雪500 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

图6 2021年阿尔泰山3次暴雪过程降雪中心500 hPa高度水汽轨迹的空间分布和高度变化(a～c)及其对应的比湿变化(d～f)(图中数值代表轨迹数,括号中的值为该条水汽轨迹对暴雪的贡献)

由表3 可知,源自大西洋的水汽对暴雪的贡献最多,其次是地黑,分别为32%～79%、25%～29%,主要从2251～3615 m、1852～2232 m的高度向暴雪区输送; 由于沿途地形复杂到达暴雪后损失为最多和次多,为78%、72%。源自加拿大和北冰洋的水汽对暴雪的贡献相对较少,沿途损失也较小,尤其是后者为最小;源自东西伯利亚的水汽对暴雪的贡献最小,但沿途得到补充,到达暴雪后有明显的增加(60%)。

来自加拿大的水汽主要影响过程Ⅱ(图6b),而此次暴雪过程持续了4 d,是一次中期过程。冬季极锋锋区是造成新疆北部暴雪天气的主要影响系统,而极锋锋区位于极涡底部,其演变与极涡有密切的关系。张家宝等[27]研究指出冬半年极涡中心主要有2个高频区域:亚洲北部(新地岛以东的喀拉海、泰米尔半岛、中西伯利亚)和北美洲北部(维多利亚岛、哈德逊湾北部、巴芬湾和格陵兰西北部),为中期过程。因此,来自北美洲的水汽与该洲北部为极涡高频区有密切的关系。另外,加拿大湿地位于世界首位,因此来自该国的水汽主要是湿地蒸发的。

500 hPa上影响阿尔泰山区暴雪的水汽主要来自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近、加拿大及北冰洋,水汽自源地随西风气流东移,到达关键区后主要从偏西路径输入暴雪区;对暴雪区贡献最大和损失最大的排序均为:大西洋>地黑>加拿大>北冰洋。水汽主要从>2000 m高度向暴雪区输送。持续性中期暴雪过程有来自北美洲的水汽,与该洲北部为极涡高频区有密切的关系。

3.3.2 700 hPa水汽特征

用同样方法模拟阿尔泰山区3次暴雪过程,追踪暴雪中心700 hPa高度168 h的后向轨迹,共有12条轨迹,其中来自大西洋、北冰洋各有3条,加拿大2条,欧洲4条;在环流合适时,随西风气流到达关键区后主要从偏西(西南)路径输入暴雪区(图7a～c)。分析图7阿尔泰山区3次暴雪过程降雪中心700 hPa高度168 h水汽后向轨迹的空间分布和高度变化(图7a～c)及其对应比湿的时间变化(图7d～f)得到表4。

表4 中国雪都阿尔泰山2021年3次暴雪700 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

图7 同图6,但为700 hPa

由表4可知,700 hPa影响阿尔泰山区暴雪的水汽源地与500 hPa存在差异,源自欧洲的水汽对暴雪的贡献最大,为18%～86%,沿途损失最小(35%);源自大西洋、加拿大及北冰洋的水汽,对暴雪的贡献相对较小,为7%～21%,其中,来自大西洋的水汽沿途损失最大,达74%,其次是北冰洋;来自加拿大的水汽对暴雪的贡献最小,但沿途得到里咸海和巴尔喀什湖的水汽补充,到达暴雪后有所增加(11%)。

由图7a可知,过程Ⅰ水汽轨迹1和2均来自欧洲,对暴雪的贡献分别是25%和61%,主要从大于1500 m的高度暴雪区输送,沿途损失较小(图7d)。过程Ⅱ水汽轨迹1来自欧洲,对暴雪的贡献是达86%,主要从2317 m的高度向暴雪区输送,到达暴雪区后增加了19%(图7 b 、e)。过程Ⅲ来自欧洲的水汽对暴雪的贡献最小,沿途损失最大(图7c、f)。可见,700 hPa上来自欧洲的水汽对阿尔泰山暴雪有重要的影响。

700 hPa上影响阿尔泰山区暴雪的水汽主要源自欧洲、大西洋、加拿大,其中,源自欧洲的水汽对暴雪的贡献最大,损失最小,源自加拿大的水汽对暴雪的贡献相对最小,但沿途得到补充,到达暴雪区后增加11%。源自欧洲和大西洋的水汽主要从<2000 m的高度向暴雪区输送,其他2个源地的水汽主要从>2000 m的高度向暴雪输送。

3.3.3 850 hPa水汽特征

追踪阿尔泰山区3次暴雪过程降雪中心850 hPa高度168 h的后向轨迹,共有17条轨迹,其中,来自中亚7条,北冰洋5条,欧洲2条,本地、冰岛及东西伯利亚的水汽各1条;在环流合适时,随西风气流到达关键区后,有35%的轨迹从西南(偏西)路径输入暴雪区(图8a～c),12%的从西北路径输入暴雪区,53%的轨迹自关键区到达阿勒泰地区东部,然后沿东南(偏东)气流输入暴雪区;与500 hPa和700 hPa明显不同,该路径与暖区暴雪在850 hPa存在自塔城、克拉玛依的西南风与阿尔泰沿山的东南风形成的暖性切变辐合有关[11]。

图8 同图6,但为850 hPa

分析图8阿尔泰山区3次暴雪过程降雪中心850 hPa高度168 h水汽后向轨迹的空间分布和高度变化(图8a～c)及其对应比湿的时间变化(图8d～f)得到表5。

表5 中国雪都阿尔泰山2021年3次暴雪850 hPa高度水汽源地及其对暴雪的贡献

由表5可知,来自欧洲的水汽对暴雪的贡献最大,为18%～25%,从698～2573 m的高度向暴雪区输送,沿途损失最多,为21%,但明显小于700 hPa。源自中亚和北冰洋的水汽对暴雪的贡献均为次大,沿途几乎无损失,尤其是中亚的水汽到达暴雪区后增加了15%。来自本地、冰岛及东西伯利亚等其他源地水汽对暴雪的贡献最小,但到达暴雪后增加了31%,说明沿途水汽补充起主要作用。

850 hPa影响阿尔泰山区暴雪的水汽源地主要为中亚、北冰洋和欧洲,与500 hPa和700 hPa有些差异;对暴雪贡献最大得是源自欧洲的水汽,损失也最大,但明显小于700 hPa,其次,是中亚和北冰洋得水汽;其他源地的水汽对暴雪得贡献较小,但到达暴雪区后水汽增加。来自中亚和欧洲的水汽主要从<2000m的高度向暴雪区输送,源自北冰洋和其他源地的水汽则相反。

3.4 阿尔泰山暴雪过程各水汽源地的贡献

统计各层水汽源地对暴雪的贡献得表6,由表6可知,来自欧洲、大西洋以及北冰洋的水汽对阿尔泰山暖区暴雪的总体贡献率较大,在50%～70%,中亚和其他源地的水汽贡献较小,为18%～20%,中亚最小。从各层水汽占总体贡献的比例来看,700 hPa以上的对流层中层(中层),来自大西洋、地黑的水汽贡献率较高,地黑最高达100%;700 hPa及以下的对流层低层(低层)来自欧洲、中亚的水汽贡献较大,中亚最高达100%;而来自加拿大的水汽对中层和低层的贡献基本相当,来自北冰洋和其他源地的水汽在低层贡献相对较大,高层也不容忽视(表6)。统计分析表3、表4、表5中各层水汽源地到达暴雪区的平均比湿可知,500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽对暴雪的贡献分别占15%、35%、50%(表略);因此,对流层低层的水汽对阿尔泰山区暴雪的贡献最大,占85%,高层最小,占15%。综合上述分析可知,对阿尔泰山区暖区暴雪贡献较大的水汽源地主要来自北冰洋、欧洲,其次是中亚和加拿大。

表6 中国雪都阿尔泰山2021年3次暴雪各源地水汽的总体贡献率及各层占比百分率

3.5 阿尔泰山区暴雪过程水汽贡献模型

基于上述研究概括出阿尔泰山区暴雪水汽贡献模型(图9)。该模型清晰的反映了影响阿尔泰山区暴雪过程水汽特征:500 hPa来自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近、北冰洋、加拿大的水汽随西风气流到达关键区后,主要从偏西路径输入暴雪区,占91%,少数情况从西北路径输入,水汽源地主要在大西洋和地黑。700 hPa来自欧洲、大西洋、加拿大、北冰洋的水汽,到达关键区后,主要从西南(偏西)路径输入暴雪区,水汽源地主要在欧洲和加拿大。850 hPa的水汽源地主要为中亚、北冰洋、欧洲,输送至关键区后53%的水汽轨迹,经塔城、克拉玛依到达阿勒泰地区东南部,随近地层东南(偏东)气流,沿阿尔泰山西南坡西北上,输入暴雪区;35%的轨迹与500和700 hPa一致从西南路径输入暴雪,12%的轨迹则从西北路径输入暴雪区;水汽源地主要在中亚、欧洲、北冰洋。500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽对暴雪的贡献分别占对流层水汽的15%、35%、50%。水汽辐合区主要位于700 hPa附近至近地层。

图9 阿尔泰山区暖区暴雪水汽贡献模型

4 结论

本文首先对2021年阿尔泰山区3次暴雪过程的环流背景进行了分析,然后运用欧拉方法分析了暴雪天气的水汽输送、收支和垂直结构,再运用HYSPLIT方法模拟计算分析了该区暴雪天气的水汽来源及输送特征。主要结论如下:

(1)阿尔泰山暴雪主要发生在高空西南(偏西)急流轴右侧辐散区,极涡底部西南(偏西)锋区,低空西南急流出口区前部辐合区及地面减压升温的重叠区,为典型的暖区暴雪的高低空配置。欧拉方法分析表明,水汽源地主要在大西洋及其沿岸,沿途得到不同源地水汽补充。西边界中层水汽输入最多,其中持续性暴雪过程低层水汽输入明显偏多,且水汽通量及水汽通量散度辐合区位于较低层次。

(2)HYSPLIT方法分析表明,对阿尔泰山区暖区暴雪贡献较大的水汽源地主要来自北冰洋、欧洲,其次是中亚和加拿大,与欧拉方法得到结论明显不同;对暴雪区贡献较大的是对流层低层的水汽,占85%,与文献[33]中新疆大降水水汽主要位于对流层低层一致。

(3)建立了阿尔泰山区暴雪过程水汽贡献模型,700 hPa及以上水汽自源地到达关键区后主要从偏西(西南)路径输入暴雪区,700 hPa以下水汽到达关键区后,在环流合适时,经塔城、克拉玛依到达阿勒泰地区东南部,随近地层东南(偏东)气流,沿阿尔泰山脉西南坡西北上输入暴雪区的水汽占主导地位,但从偏西(西南)路径、西北路径输入暴雪区的水汽也不容忽视;水汽主要在对流层低层聚集,并辐合抬升。

由于阿尔泰山区近两年才逐步新增自动固态降水站,本文主要对2021年3次暴雪过程追踪7 d后向水汽轨迹进行了讨论,后期有待于更多的暴雪个例进行验证。另外,由于阿勒泰地区地形复杂,低层水汽输送路径多样化,与偏南气流和北疆大地形相互作用密切相关,但水汽是怎样迅速辐合集中将是今后工作中需要进一步探讨的。