楊洪飛，袁俊鵬，李毅宸

1.云南大學(xué)大氣科學(xué)系；2.云南省紅河縣氣象局；3.云南省紅河州氣象局

孟加拉灣地區(qū)是全球熱帶氣旋活動(dòng)頻繁的海域之一，同時(shí)它也是我國(guó)低緯高原強(qiáng)降水過(guò)程的重要水汽源地。李玉柱和周毅[1]對(duì)初夏孟加拉灣風(fēng)暴的若干特征和能量輸送進(jìn)行了分析并指出孟加拉灣風(fēng)暴不僅給我國(guó)低緯高原地區(qū)輸送了水汽，同時(shí)還輸送了大量能量。陳于湘[2]等（1985）指出我國(guó)低緯高原雨季開(kāi)始與孟加拉灣風(fēng)暴首次出現(xiàn)有顯著關(guān)系。韋革寧[3]等（2000）研究了孟加拉灣風(fēng)暴對(duì)廣西降水的影響，并且指出強(qiáng)大的孟加拉灣風(fēng)暴云系，帶來(lái)充足的水汽及低層大量的不穩(wěn)定能量是造成廣西暴雨的主要原因。段旭[4]等（2004）分析6個(gè)影響我國(guó)低緯高原的孟灣風(fēng)暴，認(rèn)為孟灣風(fēng)暴、副熱帶高壓和南支槽的位置和強(qiáng)度對(duì)低緯高原降水的影響很大。張騰飛等[5]（2006）、魯亞斌等[6]（2006）發(fā)現(xiàn)孟灣風(fēng)暴多以分裂中尺度對(duì)流云團(tuán)、外圍云系以及本身減弱云系沿孟灣槽前和副熱帶高壓外圍的西南氣流北上影響我國(guó)低緯高原。肖建全[7]（2011）等對(duì)比分析孟加拉灣風(fēng)暴 Akash和 Nargis，認(rèn)為它們是造成我國(guó)云南省首場(chǎng)全省性降水天氣過(guò)程的主要影響天氣系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)低緯高原降水有直接的影響。呂愛(ài)民[8]（2012）研究Akash對(duì)我國(guó)西南地區(qū)強(qiáng)降水的影響分析，發(fā)現(xiàn)孟加拉灣風(fēng)暴為降水區(qū)提供了充足的水汽輸送，同時(shí)低緯高原地形對(duì)孟加拉灣風(fēng)暴偏南風(fēng)的強(qiáng)迫抬升加劇了降水區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，前人對(duì)孟灣風(fēng)暴的研究多從大氣環(huán)流背景場(chǎng)角度，或選取典型個(gè)例進(jìn)行定性分析孟灣風(fēng)暴特征及其對(duì)我國(guó)降水的影響。大量的研究揭示出孟灣風(fēng)暴與我國(guó)低緯高原地區(qū)強(qiáng)降水有著密切的關(guān)系，孟灣風(fēng)暴可向我國(guó)低緯高原地區(qū)輸送大量的水汽和能量，是影響我國(guó)低緯高原區(qū)域強(qiáng)降水的重要天氣系統(tǒng)。但鑒于，孟灣風(fēng)暴本身結(jié)構(gòu)的特殊性及其低緯高原地區(qū)下墊面地形、地勢(shì)復(fù)雜（王曼等，2011），目前對(duì)孟灣風(fēng)暴向我國(guó)低緯高原地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程輸送水汽的三維結(jié)構(gòu)特征及其量化貢獻(xiàn)尚不清晰。本文以2007年孟加拉灣風(fēng)暴Akash（0701）影響我國(guó)低緯高原強(qiáng)降水過(guò)程為例，通過(guò)用氣塊沉降軌跡模擬模式HYSPLIT_4.9模式對(duì)孟灣風(fēng)暴及低緯高原降水區(qū)域氣塊進(jìn)行軌跡模擬，分析此次降水過(guò)程我國(guó)低緯高原強(qiáng)降水區(qū)域的水汽輸送特征，并定量化分析各通道水汽輸送的貢獻(xiàn)比率。以期獲得孟灣風(fēng)暴影響我國(guó)低緯高原降水的水汽輸送特征，為我國(guó)低緯高原地區(qū)降水預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

一、數(shù)據(jù)和方法

（一）數(shù)據(jù)

本文使用的降水資料是APHRO_MA（APHRODITE monsoon Asia Precipitation data） V1003R1提供的分辨率0.5°*0.5°的2007年的逐日的格點(diǎn)降水資料[降水區(qū)域?yàn)椋海?1°N- 30°N，97°E- 1 07°E）]及2007年5月12日至19日云南省126國(guó)家氣象觀測(cè)站的降水資料，以及2007年5月NCEP的時(shí)間間隔為6小時(shí),水平分辨率為2.5°*2.5°的大氣環(huán)流資料，其中包括1000-10hpa共17層的上的位勢(shì)高度、溫度、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)，1000-300hpa各層的相對(duì)濕度及1000-100hpa的垂直速度；表面變量包括地表氣壓、距地表2米高度處的溫度、距地表面10米高度處的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)、6h的總降水量。此外，還用到JTWC（Joint Typhoon Warning Center）的熱帶風(fēng)暴Akash的軌跡資料。

（二）軌跡模式簡(jiǎn)介

本文使用NOAA Draxler等開(kāi)發(fā)的質(zhì)點(diǎn)軌跡分析HYSPLIT_4模式。其模式軌跡分析，假設(shè)空氣中的粒子隨風(fēng)飄動(dòng)，其移動(dòng)軌跡就是在時(shí)間和空間上位置矢量的積分。質(zhì)點(diǎn)最終的位置由初始位置（P）和第一個(gè)猜測(cè)位置（P'）的平均速率計(jì)算得到。

式中：Δt為時(shí)間步長(zhǎng),文中Δt選為6h。

氣象數(shù)據(jù)在水平坐標(biāo)保持其原來(lái)格式，而在垂直方向被內(nèi)插到地形追隨坐標(biāo)系統(tǒng)：

式中：Ztop為軌跡模式坐標(biāo)系統(tǒng)的頂部；Zgl為下墊面高度；Zmst為坐標(biāo)下邊界高度。

（三）水汽輸送貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法

本文引用江志紅[9]（2010）等研究2007年淮河流域強(qiáng)降水過(guò)程的水汽輸送特征分析中的水汽輸送貢獻(xiàn)率的定義。

定義

式中：Qs為通道的水汽輸送貢獻(xiàn)率，qlast為通道的最終位置上的比濕；m為通道上的軌跡數(shù)；n為研究區(qū)域總的軌跡數(shù)。

（四）誤差分析

積分誤差主要是由氣象數(shù)據(jù)在模式中的截?cái)喽a(chǎn)生的。積分誤差可通過(guò)用向前軌跡的終點(diǎn)計(jì)算相同時(shí)間長(zhǎng)度的向前軌跡進(jìn)行估計(jì)，分析軌跡的相關(guān)性。選取2007年5月13日00時(shí)（UTC，下同）發(fā)展為熱帶風(fēng)暴Akash的熱帶低壓中心[（14.4°N，91.2°E），10 m 高度 ]，按照需要模擬的軌跡時(shí)間長(zhǎng)度（240h）進(jìn)行向后軌跡模擬，將模擬的最終位置的三維結(jié)果輸入模式，進(jìn)行相同時(shí)間長(zhǎng)度的向前模擬，將向前后軌跡的經(jīng)度和緯度做相關(guān)性計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)為0.9，而垂直方向其向前和向后軌跡的相關(guān)系數(shù)＜1。其表明在軌跡模式的積分誤差很小。

分辨率誤差，主要是由格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)有限的時(shí)空分辨率產(chǎn)生的。分辨率誤差可通過(guò)初始點(diǎn)的水平方向和垂直方向上偏移所模擬出的軌跡進(jìn)行估計(jì)。取我國(guó)低緯高原區(qū)域的代表點(diǎn)[（24°N，100°E），距地面1500m高度]，將該點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)在經(jīng)向、緯度向偏移0.5個(gè)格距，z方向偏移0.01（σ值），選取模擬的起始時(shí)間為2007年5月19日00時(shí)，進(jìn)行240小時(shí)的向前模擬。相較于這些軌跡的一致性，無(wú)論是水平方向還是垂直方向，軌跡間的偏離隨模擬時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，分辨率誤差比積分誤差大得多，但是仍可以較為一致地表征氣流的來(lái)向和高度變化。

根據(jù)綜上所述可得知，模式的積分誤差和分辨率誤差均較小，模式穩(wěn)定性可靠。

二、研究結(jié)果

（一）Akash灣風(fēng)暴過(guò)程

Akash是2007年第一號(hào)孟加拉灣風(fēng)暴，于5月13日00時(shí)在孟加拉灣北部14.4°N，91.2°E附近的海域生成。近中心的最大風(fēng)速25m/s，近中心海平面最低氣壓為1000hPa，并緩慢向偏北方向移動(dòng)。于13日18時(shí)，北移到16.3°N附近，最大風(fēng)速35m/s，最低氣壓減小至997hPa，加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴。14日18時(shí)，最大風(fēng)速加強(qiáng)為65m/s，最低氣壓減小為976hPa，進(jìn)一步加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。此后繼續(xù)偏北移動(dòng)，強(qiáng)度減弱。于14日20時(shí)在孟加拉國(guó)南部的吉大港區(qū)科克巴斯扎爾附近登錄，最大風(fēng)速30m/s。登錄后北移減弱，于16日并入青藏高原南側(cè)的西風(fēng)槽。

5月12日至19日，風(fēng)暴生產(chǎn)和發(fā)展期間，降水主要發(fā)生在低緯高原的西北部。降水主要發(fā)生在15日00時(shí)以后，對(duì)應(yīng)風(fēng)暴登陸后減弱階段。15日00時(shí)到16日00時(shí)，低緯高原大部分區(qū)域及周?chē)奈鞑貣|南部、四川南部為一強(qiáng)降水區(qū)，站點(diǎn)最大的日降水量達(dá)70mm。16日00時(shí)到17日，風(fēng)暴并入西風(fēng)槽，強(qiáng)降水中心在位于低緯高原南部，站點(diǎn)日最大降水量達(dá)到110mm。18日00時(shí)，風(fēng)暴消失，降水帶南壓斷裂，范圍和強(qiáng)度明顯減小。此后低緯高原地區(qū)的降水消失。由此可見(jiàn)，Akash登陸之后及并入西風(fēng)槽期間，從15日00時(shí)到18日00時(shí)，我國(guó)低緯高原區(qū)域自北向南出現(xiàn)一次強(qiáng)降水過(guò)程。

（二）HYSPLIT模式模擬氣塊軌跡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬區(qū)域選取低緯高原地區(qū)（21°N-30°N，97°E-107°E）9°*10°的區(qū)域，水平分辨率經(jīng)向間隔2.5°、緯向間隔2.5°，垂直方向上選取距地面1500m高度層作為模擬的初始高度。根據(jù)分別率在模擬區(qū)域內(nèi)選取了16個(gè)初始點(diǎn)，以5月12日0時(shí)至19日18時(shí)間隔每6小時(shí)為一個(gè)初始點(diǎn)，以每個(gè)初始點(diǎn)為起點(diǎn)向前追蹤10天的三維運(yùn)動(dòng)的軌跡模擬。

由于模擬出的軌跡數(shù)目較大，為了更直觀的得看出軌跡的來(lái)向，本文引入簇分析的方法對(duì)軌跡進(jìn)行聚類(lèi)。其基本思路是按照軌跡的路徑最近原則進(jìn)行多條軌跡合并分組，依據(jù)軌跡的平均圖分析軌跡的來(lái)向。

（三）低緯高原區(qū)域的水汽來(lái)源的聚類(lèi)分析

此次Akash活動(dòng)過(guò)程，給我國(guó)低緯高原區(qū)域帶來(lái)了一次強(qiáng)降水的過(guò)程，要想找出與Akash相關(guān)的水汽輸送通道比較困難，可通過(guò)選取研究區(qū)域的氣團(tuán)進(jìn)行向前追蹤，可以排除其他區(qū)域信息的干擾；可以追蹤水汽來(lái)源，準(zhǔn)確確定水汽通道。

研究區(qū)域的16個(gè)代表性點(diǎn)，從2007年5月12日0時(shí)至19日18時(shí)共8天每間隔6小時(shí)為初始點(diǎn)向前推10天，得到512條軌跡，然后對(duì)每個(gè)選取的研究點(diǎn)采用聚類(lèi)分析，得到平均軌跡確定各來(lái)向水汽通道，利用公式（4）計(jì)算各水汽輸送通道的水汽輸送貢獻(xiàn)率。

通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)選取的每個(gè)研究的點(diǎn)的進(jìn)行簇分析,由此可得影響我國(guó)低緯高原區(qū)域的水汽來(lái)向可以粗略的分為四個(gè)來(lái)向，即西北、東南、西南、東北四個(gè)來(lái)向的水汽輸送通道。

根據(jù)簇分析后各來(lái)向的平均軌跡，得出研究時(shí)段內(nèi)到達(dá)低緯高原區(qū)域的西北、東南、西南、東北來(lái)向的所有軌跡。

定義水汽平均軌跡經(jīng)過(guò)孟加拉灣的水汽通道為孟加拉灣，對(duì)我國(guó)低緯高原地區(qū)的直接的水汽輸送，其輸送貢獻(xiàn)率定義為孟加拉灣直接的水汽貢獻(xiàn)率。利用綜上定義，得知來(lái)自孟加拉灣水的所有平均軌跡。

由綜上分析得知，這次天氣過(guò)程影響我國(guó)低緯高原區(qū)域的水汽輸送通道和來(lái)自孟加拉灣的水汽輸送通道。向前推的相同的時(shí)間間隔各來(lái)向上及孟加拉灣來(lái)向所有軌跡上的比濕求和得如圖1所示，反映在這過(guò)程中主要的水汽輸送通道、各通道上水汽的變化，顯示來(lái)自孟加拉灣的水汽在這次輸送的重要性。水汽輸送通道重要性由重至輕，依次是東南、西南、東北、西北。從圖1中可得知東南、西南、東北來(lái)向在到達(dá)研究區(qū)域時(shí)有水汽含量明顯的下降過(guò)程，反映其與研究的區(qū)域的降水有著密切的關(guān)系。孟加拉灣通道與西南通道比濕變化一致，表明在Akash活動(dòng)過(guò)程孟加拉灣的水汽是通過(guò)西南氣流來(lái)影響我國(guó)低緯高原區(qū)域的。

圖1 各水汽通道和孟加拉灣通道上比濕總量

表1中可知，在這次Akash過(guò)程中東南通道、西南通道、東北通道、西北通道的水汽輸送貢獻(xiàn)率分別為50.4%、30.9%、14.5%、4.2%。來(lái)自孟加拉灣直接的水汽輸送貢獻(xiàn)率為25.3%。

表1 各來(lái)向和孟灣的水汽輸送貢獻(xiàn)率

10個(gè)緯距×10個(gè)經(jīng)距的區(qū)域內(nèi)分析，孟加拉來(lái)向的水汽的平均軌跡與Akash運(yùn)動(dòng)軌跡的距離在10個(gè)經(jīng)距的范圍內(nèi)，且位于其東側(cè)。在北半球氣旋是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，氣旋東側(cè)的空氣是由低緯向高緯運(yùn)動(dòng)，孟加拉灣水汽軌跡位于Akash運(yùn)動(dòng)外圍的東側(cè)，即孟加拉灣水汽軌跡就是Akash的外圍由低緯向中高緯的水汽輸送通道，而孟加拉灣來(lái)向的水汽輸送貢獻(xiàn)率也就是Akash活動(dòng)對(duì)低緯高原地區(qū)的水汽輸送貢獻(xiàn)率，即Akash對(duì)于我國(guó)低緯高原區(qū)域直接的水汽輸送貢獻(xiàn)率25.3%。

孟加拉灣通道上的比濕與距地面高度的關(guān)系（如圖2所示），軌跡向前推的第十天到第四天的過(guò)程中距地面高度沒(méi)有明顯變化。在此過(guò)程中軌跡上的比濕也是基本不變的，且其比濕值很高。由于這段時(shí)間空氣塊都基本是在海面上運(yùn)動(dòng)，下墊面高度沒(méi)有明顯的變化，海面同時(shí)也是為氣塊的水汽源，因此氣塊的濕度很高。軌跡向前到第四天到第一天過(guò)程中，軌跡的距地面高度由平直變?yōu)閮A斜急劇升高，到我國(guó)低緯高原區(qū)域到達(dá)1500m附近。而與之相反，軌跡上的比濕由平直變?yōu)閮A斜急劇減小，反映孟加拉灣水汽在向低緯高原區(qū)域輸送的過(guò)程，由于下墊面的高度變高，使得來(lái)自孟加拉灣的氣流抬升，濕度降低，下降的濕度貢獻(xiàn)為我國(guó)低緯高原地區(qū)的降水，影響研究區(qū)域。來(lái)自孟加拉灣通道的氣塊，離開(kāi)洋面后四天內(nèi)達(dá)到并影響了我國(guó)低緯高原區(qū)域。

圖2 孟加拉灣輸送通道的上的比濕隨著高度的變化

圖3反映了孟加拉灣通道的比濕與氣壓的變化關(guān)系?？梢钥吹皆诳拷覈?guó)低緯高原區(qū)域，比濕和氣壓的變化關(guān)系相一致，都是同一個(gè)下降的趨勢(shì)。在到達(dá)低緯高原區(qū)域時(shí)，氣壓已經(jīng)降低到接近700hPa，而比濕雖然也下降，但到達(dá)研究區(qū)域仍然大于8(單位：g/kg)。

圖3 孟加拉灣輸送通道的上的比濕隨著氣壓的變化

三、結(jié)語(yǔ)

本文基于2007年，孟加拉灣第一號(hào)風(fēng)暴Akash活動(dòng)過(guò)程的造成低緯高原區(qū)域的一次強(qiáng)降水過(guò)程，利用美國(guó)NOAA軌跡模式（HYSPLIT_4）模擬我國(guó)低緯高原區(qū)域強(qiáng)降水過(guò)程的氣團(tuán)軌跡，對(duì)該階段影響低緯高原區(qū)域降水的水汽輸送特征做定量分析，同時(shí)對(duì)孟加拉灣對(duì)低緯高原區(qū)域的水汽輸送做定量分析，加深我們對(duì)孟加拉灣風(fēng)暴Akash對(duì)低緯高原區(qū)域水汽輸送特征的認(rèn)識(shí)。其主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)使用模式模擬低緯高原區(qū)域降水水汽前向軌跡，獲得了孟灣風(fēng)暴“Akash”發(fā)生期間低緯高原區(qū)域降水的四條主要水汽通道，并定量評(píng)估了各通道水汽輸送貢獻(xiàn)比率。（2）此次低緯高原降水過(guò)程中，與孟灣風(fēng)暴“Akash”相關(guān)的水汽輸送貢獻(xiàn)比率約為25%。（3）其個(gè)例分析表明，孟灣風(fēng)暴水汽垂直輸送可達(dá)到較高的高度，這與西太平洋臺(tái)風(fēng)水汽輸送主要集中在對(duì)流層低層截然不同。