周雪英 莊曉翠 李博淵 儲鴻

(1 新疆巴音郭楞蒙古自治州氣象局,庫爾勒 841000; 2 新疆阿勒泰地區(qū)氣象局,阿勒泰 836500)

引言

中國雪都阿爾泰山(簡稱,阿爾泰山)位于新疆阿勒泰地區(qū)最北部,冬季受極鋒鋒區(qū)頻繁南下影響,該區(qū)多暖區(qū)暴雪天氣[1-5],暴雪災(zāi)害對國民經(jīng)濟(jì)和人民生活造成的危害有時比暴雨更大,往往對交通、牧業(yè)、電力等造成巨大的損失。同時,暴雪又是干旱區(qū)重要的水資源和冰雪旅游資源。由于暴雪天氣是在多尺度系統(tǒng)綜合作用下產(chǎn)生的,形成機(jī)理復(fù)雜,預(yù)報難度大,而山區(qū)暴雪預(yù)報更難。水汽條件是造成暴雪的重要條件之一,水汽來源、輸送的多少直接影響暴雪的形成和強(qiáng)度[6-8],因此,研究阿爾泰山特殊地形地貌下暴雪的水汽特征意義重大。

目前國內(nèi)外關(guān)于暴雪水汽的研究已有不少成果,如遼寧省暴雪水汽源地主要有西太平洋、日本海、東海和黃海;主要為西邊界中緯度西風(fēng)氣流的輸入,區(qū)域暴雪的發(fā)生是經(jīng)向水汽異常輸送的結(jié)果,西風(fēng)帶偏西氣流與日本海反氣旋性環(huán)流西南側(cè)偏南氣流在暴雪區(qū)交匯是發(fā)生暴雪的主要原因[9]。對西藏高原南部3次暴雪研究表明[10],水汽主要源于阿拉伯海,孟加拉灣水汽對東部降雪起到補(bǔ)充作用,南支槽前高空西南急流對水汽輸送起到關(guān)鍵作用,同時,喜馬拉雅山脈大地形抬升有利于水汽凝結(jié)成云。對陜西、川西、內(nèi)蒙古以及山東等地區(qū)域性暴雪研究表明[11-14],500 hPa切斷低壓分裂低槽、700 hPa西南急流和850 hPa東風(fēng)回流、西南暖濕氣流鋒生是暴雪發(fā)生的主要影響系統(tǒng);低空西南急流、偏東氣流、超低空急流分別攜帶來自孟加拉灣、東海和南海的充沛水汽是產(chǎn)生區(qū)域性暴雪的重要原因之一。

針對新疆暴雪水汽的研究也取得了一些成果,如對新疆北部典型暴雪天氣研究表明[15-18],水汽源地主要分布在地中海附近、紅海或波斯灣附近,有西方、西南和西北3條路徑,以西南路徑最多,西北路徑最少;水汽輸送最高層接近300 hPa,最強(qiáng)位于650～750 hPa之間,暴雪出現(xiàn)前600～1000 hPa存在一定的水汽輻合。對新疆北部典型暖區(qū)暴雪研究表明[19-22],水汽主要源自大西洋,隨西風(fēng)氣流輸送至暴雪區(qū),沿途得到阿拉伯海、波斯灣等地水汽的補(bǔ)充。一直以來受降雪氣象觀測資料的限制,新疆暴雪水汽的研究主要集中在國家站。近兩年隨著觀測站網(wǎng)的不斷完善,阿爾泰山新增自動固態(tài)降水站,填補(bǔ)了雪都山區(qū)固態(tài)降水實況觀測,為研究阿爾泰山區(qū)暴雪天氣的水汽特征及冰雪資源提供了最新資料。同時,以往對暴雪水汽特征的研究主要是歐拉方法,基于水汽通量反映水汽輸送和主要通道,但無法定量給出各水汽源地對暴雪(雨)的貢獻(xiàn),無法得出氣團(tuán)在運(yùn)動過程中的空間位置及其相應(yīng)的物理屬性隨時間的變化[23]。而HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模式方法通過計算氣團(tuán)的運(yùn)動軌跡,定量統(tǒng)計出各水汽源地對暴雪(雨)的貢獻(xiàn),彌補(bǔ)了歐拉方法的不足[24-28]。近年來運(yùn)用HYSPLIT模式方法在暴雨過程水汽來源及輸送方面的研究較多[29-32],對中國雪都阿爾泰山暴雪天氣過程的水汽來源及輸送的研究較少。因此本文對阿爾泰山區(qū)2021年發(fā)生的3次暴雪過程水汽特征進(jìn)行較詳細(xì)的分析,比較不同源地、軌跡的變化及其對暴雪的貢獻(xiàn),以期認(rèn)清阿爾泰山區(qū)暴雪過程水汽來源和輸送機(jī)理特征,為山區(qū)暴雪預(yù)報預(yù)警提供科技支撐,為防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、資料及方法

1.1 研究區(qū)概況

阿爾泰山脈呈西北—東南走向,斜跨中國、哈薩克斯坦、俄羅斯、蒙古國境,綿延2000 km余;中國境內(nèi)的阿爾泰山屬中段南坡,位于中國雪都阿勒泰地區(qū)北部至東部,山體長達(dá)500 km余,海拔1000～3000 m。主要山脊高度在3000 m以上,北部的最高峰為友誼峰,海拔4374 m(圖1,該圖及文中所涉及的地圖是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載,審圖號為GS(2016)1552號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無修改)。阿勒泰地區(qū)位于歐亞大陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,水汽潰泛,屬大陸性干旱半干旱氣候。受山脈地形影響,山區(qū)降雪量占年降水量的80%[33],冷季多暴雪天氣。

圖1 阿勒泰地區(qū)國家站(五角星)和新增區(qū)域固態(tài)降水站(黑點) 地理位置及海拔高度(填色)

目前為了維護(hù)和檢修方便阿爾泰山區(qū)區(qū)域固態(tài)降水站,主要建在海拔1500 m左右的前山(圖1),后山由于海拔較高,地形地貌復(fù)雜,人跡罕至等因素,至今為觀測站網(wǎng)的盲區(qū)。

1.2 資料及方法

采用經(jīng)新疆氣象信息中心篩選、 整理、 檢測,并剔除不完整及錯誤資料,嚴(yán)格實現(xiàn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的阿勒泰地區(qū)25個(17個區(qū)域站和8個國家站)固態(tài)降水站(圖1)資料,按新疆暴雪標(biāo)準(zhǔn),日降雪量(20:00—20:00,北京時,下同)R滿足:12.0 mm

后向水汽軌跡追蹤(HYSPLIT)模式資料為GDAS 1°×1°逐6 h再分析資料,模擬追蹤阿爾泰山3次暴雪過程的水汽源地及輸送特征。HYSPLIT是NOAA空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種可處理不同氣象要素輸入、不同排放源和不同物理過程的輸送、擴(kuò)散、沉降過程的模式系統(tǒng),能夠追蹤氣塊的來源[34-36]。該模型的軌跡模擬方法通過質(zhì)點移動路徑的空間和時間上的位置矢量進(jìn)行積分,由質(zhì)點的初始位置和第一猜測位置的平均速率計算得到氣塊的追蹤位置,對氣塊進(jìn)行后向積分得到水汽來源、輸送路徑及其對暴雪的貢獻(xiàn)[31-34]。

阿爾泰山3次過程暴雪中心均出現(xiàn)在阿勒泰地區(qū)布爾津縣的禾木鄉(xiāng):過程Ⅰ和Ⅲ為窩爾塔阿什克站(48.52°N,87.39°E),海拔高度為1422 m;過程Ⅱ為黑流灘中游站(48.30°N,86.92°E),海拔高度為1218 m。因此,暴雪中心初始高度定義為距離測站的高度,模擬追蹤其500 hPa(5000 m)、700 hPa(3000 m)、850 hPa(1500 m)至地面的水汽三維運(yùn)動軌跡。模擬開始時間為暴雪過程中心當(dāng)日20:00,向后追蹤168 h(7 d),每隔6 h所有軌跡初始點重新向后追蹤168 h,分別將各高度層的后向軌跡路徑進(jìn)行聚類分析,遵循類與類間差異極大而同一類內(nèi)部差異極小的原則[37-40],得到168 h后向追蹤的平均軌跡,以此分析阿爾泰山區(qū)暴雪過程在上述3個高度上水汽來源及輸送特征。

2 暴雪概況

過程Ⅰ降雪持續(xù)了2 d,阿勒泰地區(qū)河谷平原出現(xiàn)小到中雪,沿山及山區(qū)大到暴雪,暴雪主要分布在阿勒泰地區(qū)北部山區(qū)(圖2a);3月2—3日共有7站達(dá)暴雪;最大日降雪量(20.3 mm)和最大累計降雪量(35.2 mm),均出現(xiàn)在布爾津縣禾木鄉(xiāng)窩爾塔阿什克站;從該站逐小時降雪量來看,降雪主要時段為1日20:00至3日12:00(圖略)。過程Ⅱ降雪持續(xù)了5 d,阿勒泰地區(qū)大部累計降雪量為>12.0 mm的暴雪,沿山和山區(qū)為>24.0 mm的大暴雪和特大暴雪;10月31日至11月3日共有27站為暴雪以上量級,其中,5站為大暴雪;最大日降雪量(30.7 mm)和最大累計降雪量(77.8 mm),均出現(xiàn)在布爾津縣禾木鄉(xiāng)黑流灘中游站(圖2b);該站主要降雪時段為: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。過程Ⅲ降雪持續(xù)了2d,降雪量主要分布在阿勒泰地區(qū)的沿山和山區(qū),北部山區(qū)為暴雪;11月24日有7站為暴雪以上量級,其中1站達(dá)大暴雪;最大日降雪量(24.9 mm)和最大累計降雪量(27.9 mm)(圖2c),出現(xiàn)站點與過程Ⅰ相同;該站逐小時降雪主要時段:23日18:00至24日13:00?？梢?3次暴雪過程出現(xiàn)在初冬和冬末,過程Ⅰ和過程Ⅱ暴雪分布基本相似,過程Ⅲ為中期過程的持續(xù)性暴雪,山區(qū)為大暴雪和特大暴雪。

圖2 2021年阿勒泰3次暴雪過程累計降雪量分布:(a)過程Ⅰ,(b)過程Ⅱ,(c)過程Ⅲ

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)流特征

500 hPa上,過程Ⅰ暴雪前(圖3a)歐亞范圍為兩脊一槽型,西歐為環(huán)流經(jīng)向度較大的脊,貝加爾湖西部為淺脊,西西伯利亞—黑海為低槽區(qū),槽前西南鋒區(qū)較強(qiáng),其上不斷分裂短波槽東移造成阿爾泰山區(qū)暴雪天氣。過程Ⅱ暴雪前(圖3b)歐亞范圍為兩脊一槽型,歐洲為阻塞高壓,貝加爾湖為淺脊,西西伯利亞北部為極渦活動區(qū),阿勒泰地區(qū)處于極渦底部強(qiáng)鋒區(qū)南部;歐洲阻高緩慢減弱東移,脊線順轉(zhuǎn),極地冷空氣沿脊前偏北氣流南下到極渦中,增強(qiáng)了其斜壓性,極渦旋轉(zhuǎn)南壓,底部鋒區(qū)上不斷分裂短波東移造成阿爾泰山區(qū)持續(xù)性暴雪天氣。過程Ⅲ暴雪前(圖3c)環(huán)流與過程Ⅰ相似,不同的是:極渦底部鋒區(qū)成緯向,其上不斷分裂短波造成阿爾泰山暴雪天氣。過程Ⅰ有低緯低值系統(tǒng)同位相疊加,過程Ⅱ和Ⅲ為低緯槽前西南氣流與極鋒鋒區(qū)匯合。

圖3 2021年阿爾泰山3次暴雪過程前500 hPa高度場(實線,單位:dagpm)和300 hPa>30 m·s-1的高空急流(填色,單位:m·s-1)和海平面氣壓場(單位:hPa)(黑點為暴雪中心,下同)

300 hPa上3次過程暴雪位于>30 m·s-1高空西南(偏西)急流軸右側(cè)輻散區(qū),700 hPa位于>20 m·s-1低空西南急流出口區(qū)前部輻合區(qū)。地面圖上,過程Ⅰ暴雪區(qū)位于鞍型場區(qū)(圖3d)、過程Ⅱ為鞍型場或氣旋西南部(圖3e)、過程Ⅲ為蒙古高壓后部極地氣旋東南部的減壓升溫區(qū)域(圖3f)。

由此可見,阿爾泰山區(qū)暴雪落區(qū)位于高空西南(偏西)急流軸右側(cè)輻散區(qū),極渦底部西南(偏西)鋒區(qū),低空西南急流出口區(qū)前部輻合區(qū),地面減壓升溫的重疊區(qū),是阿勒泰地區(qū)典型的暖區(qū)暴雪天氣的高低空配置[2、21-22]。

3.2 歐拉方法水汽特征

3.2.1 水汽源地及輸送

圖4是阿爾泰山區(qū)2021年3次暴雪過程暴雪中心地面至300hPa水汽通量積分,由此可知,過程Ⅰ暴雪前3月1日14:00來自大西洋及沿岸的水汽經(jīng)北歐部分南下至黑海和地中海分成2支,一支沿西南氣流經(jīng)里海、咸海得到補(bǔ)充增強(qiáng),經(jīng)巴爾喀什湖關(guān)鍵區(qū),輸送至暴雪區(qū);另一支南下至紅河與阿拉伯海西北上的水汽匯合,到達(dá)波斯灣后,部分水汽在里海與前1支匯合(圖4a)。過程Ⅱ暴雪前10月31日14:00來自大西洋及沿岸的水汽通道明顯的建立,經(jīng)北歐東南下至巴爾喀什湖北部關(guān)鍵區(qū),在接力輸送至暴雪區(qū),沿途得到來自南海—孟加拉灣—阿拉伯海經(jīng)紅海后部分北上的水汽,與地中海附近的水汽匯合后的補(bǔ)充(圖4b)。過程Ⅲ暴雪前11月23日14:00也是來自大西洋的水汽,從非洲北部—地中?！诤！锖１辈俊毯！蜖柨κ埠?接力輸送至暴雪區(qū);沿途得到大西洋經(jīng)北歐南下水汽的補(bǔ)充(圖4c)?？梢?3次過程主要的水汽源地是大西洋及其沿岸,環(huán)流形勢細(xì)節(jié)不同,水汽在輸送的過程中路徑存在一些差異,以及沿途得到水汽補(bǔ)充的源地不同;過程Ⅱ和Ⅲ水汽輸送明顯強(qiáng)于過程Ⅰ,其中,過程Ⅱ水汽在輸送過程中沿途得到低緯海域水汽補(bǔ)充,是該次過程降雪量明顯、持續(xù)時間長的主要原因之一。

圖4 2021年阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程前地面至300 hPa水汽通量及流場:(a)過程Ⅰ:3月1日14:00,(b)過程Ⅱ:10月31日14:00,(c)過程Ⅲ: 11月23日14:00

3.2.2 水汽收支

計算中國雪都阿爾泰山區(qū)暴雪區(qū)(46°～50°N,85°～91°E)各邊界的水汽輸入(西和南邊界正值、東和北邊界負(fù)值為輸入)和輸出量(西和南邊界負(fù)值、東和北邊界正值為輸出),地面～700 hPa(對流層低層,簡稱低層)、700～500 hPa(對流層中層,簡稱中層)、500～300 hPa(對流層高層,簡稱高層),分析暴雪區(qū)水汽輸送和收支特征。由表1可知,3次過程西邊界均為輸入,北邊界中低層為輸出,高層有少量的輸入,東邊界和南邊界均為輸出。其主要原因是中國雪都位于阿爾泰山脈的中段南坡,北部至東南部為阿爾泰山脈和蒙古高原,海拔較高,該區(qū)又位于中緯度西風(fēng)帶上,使得北邊界中低層和東邊界為水汽輸出;南邊界為準(zhǔn)噶爾盆地和古爾班通古特沙漠及其南部的天山山脈,使該邊界基本無水汽輸入。西邊界中層水汽輸入最多(4.66×108t),高層最少(1.42×108t)。3次暴雪過程,過程Ⅲ西邊界中層和高層水汽輸入最多,低層相對最少;持續(xù)性暴雪過程Ⅱ低層水汽明顯多于其他2次過程,中層略低于過程Ⅲ;過程Ⅰ中層和高層均為最少,低層略多于過程Ⅲ。因此,中、低層的水汽輸入量與暴雪量有明顯的關(guān)系。與新疆降水過程水汽主要集中在700 hPa附近是一致的[33]。

表1 2021年阿爾泰山3次暴雪期間水汽收支情況

3.2.3 水汽輻合特征

分析3次暴雪過程中心水汽通量、水汽通量散度的時間-高度剖面圖可知,過程Ⅰ暴雪前3月1日08:00至過程中3日14:00,在對流層低層650～700 hPa水汽通量>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1;而水汽通量散度輻合較強(qiáng)時段出現(xiàn)在2日02:00至3日08:00左右(圖5a),與該次過程主要降雪時段一致。過程Ⅱ暴雪前10月30日水汽通量>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1區(qū)域位于800～600 hPa,水汽通量逐漸向近地層輸送;31日02:00—08:00和2日14:00至3日08:00,水汽輸送>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最大水汽輸送>6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1位于800 hPa附近與最大輻合中心時間一致;結(jié)合逐小時降雪量和水汽通量散度來看,<-2.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的輻合區(qū)與主要降雪時段一致,最強(qiáng)輻合中心與雪強(qiáng)2.2～3.6 mm·h-1一致(圖5b)。過程Ⅲ暴雪前水汽通量大值區(qū)>2×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1位于650 hPa以上,23日08:00后輸送至700附近,維持到24日14:00左右;較強(qiáng)水汽通量輻合<-0.3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1出現(xiàn)在23日20:00左右至24日20:00;水汽通量大值區(qū)與較強(qiáng)水汽通量散度輻合重疊的區(qū)域與此次暴雪主要降雪時段對應(yīng)(圖5c)?？梢? 過程Ⅰ和Ⅲ水汽通量及水汽通量散度較強(qiáng)輻合區(qū)位于700 hPa附近;持續(xù)性暴雪過程Ⅱ水汽通量及其散度較強(qiáng)輻合區(qū)位于800 hPa以下的近地層。

圖5 2021年阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程暴雪中心水汽通量(等值線,單位:10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)及水汽通量散度(填色,單位:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)的時間-高度剖面圖:(a)過程Ⅰ(87.39°E,48.52°N),(b)過程Ⅱ(86.92°E,48.30°N),(c)過程Ⅲ(87.39°E,48.52°N)

3.3 HYSPLIT模式水汽軌跡分析

為了分析方便,參考世界劃分的13個地理區(qū)域,結(jié)合新疆預(yù)報業(yè)務(wù)實際,首先約定影響中國雪都阿爾泰山區(qū)暴雪過程水汽源地的簡稱(表2);巴爾喀什湖至哈薩克斯坦東北部邊界為水汽關(guān)鍵區(qū),簡稱關(guān)鍵區(qū)。

表2 影響阿爾泰山區(qū)暴雪水汽源地及其簡稱

3.3.1 500 hPa水汽特征

用HYSPLIT模式模擬阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程,追蹤暴雪中心500 hPa高度168 h的后向軌跡,共有11條軌跡,其中來自大西洋、加拿大各有3條,來自地黑和北冰洋各有2條,來自東西伯利亞北部沿岸(東西伯利亞)有1條;在環(huán)流合適時,隨西風(fēng)氣流到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后主要從偏西路徑輸入暴雪區(qū)(91%),只有少數(shù)軌跡從西北路徑輸入(9%)(圖6 a～c)。分析圖6阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程暴雪中心500 hPa高度168 h水汽后向軌跡的空間分布和高度變化(圖6a～c)及其對應(yīng)比濕的時間變化(圖6d～f)得到表3。

表3 阿爾泰山2021年3次暴雪500 hPa高度水汽源地及其對暴雪的貢獻(xiàn)

圖6 2021年阿爾泰山3次暴雪過程降雪中心500 hPa高度水汽軌跡的空間分布和高度變化(a～c)及其對應(yīng)的比濕變化(d～f)(圖中數(shù)值代表軌跡數(shù),括號中的值為該條水汽軌跡對暴雪的貢獻(xiàn))

由表3 可知,源自大西洋的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最多,其次是地黑,分別為32%～79%、25%～29%,主要從2251～3615 m、1852～2232 m的高度向暴雪區(qū)輸送; 由于沿途地形復(fù)雜到達(dá)暴雪后損失為最多和次多,為78%、72%。源自加拿大和北冰洋的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)相對較少,沿途損失也較小,尤其是后者為最小;源自東西伯利亞的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最小,但沿途得到補(bǔ)充,到達(dá)暴雪后有明顯的增加(60%)。

來自加拿大的水汽主要影響過程Ⅱ(圖6b),而此次暴雪過程持續(xù)了4 d,是一次中期過程。冬季極鋒鋒區(qū)是造成新疆北部暴雪天氣的主要影響系統(tǒng),而極鋒鋒區(qū)位于極渦底部,其演變與極渦有密切的關(guān)系。張家寶等[27]研究指出冬半年極渦中心主要有2個高頻區(qū)域:亞洲北部(新地島以東的喀拉海、泰米爾半島、中西伯利亞)和北美洲北部(維多利亞島、哈德遜灣北部、巴芬灣和格陵蘭西北部),為中期過程。因此,來自北美洲的水汽與該洲北部為極渦高頻區(qū)有密切的關(guān)系。另外,加拿大濕地位于世界首位,因此來自該國的水汽主要是濕地蒸發(fā)的。

500 hPa上影響阿爾泰山區(qū)暴雪的水汽主要來自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近、加拿大及北冰洋,水汽自源地隨西風(fēng)氣流東移,到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后主要從偏西路徑輸入暴雪區(qū);對暴雪區(qū)貢獻(xiàn)最大和損失最大的排序均為:大西洋>地黑>加拿大>北冰洋。水汽主要從>2000 m高度向暴雪區(qū)輸送。持續(xù)性中期暴雪過程有來自北美洲的水汽,與該洲北部為極渦高頻區(qū)有密切的關(guān)系。

3.3.2 700 hPa水汽特征

用同樣方法模擬阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程,追蹤暴雪中心700 hPa高度168 h的后向軌跡,共有12條軌跡,其中來自大西洋、北冰洋各有3條,加拿大2條,歐洲4條;在環(huán)流合適時,隨西風(fēng)氣流到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后主要從偏西(西南)路徑輸入暴雪區(qū)(圖7a～c)。分析圖7阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程降雪中心700 hPa高度168 h水汽后向軌跡的空間分布和高度變化(圖7a～c)及其對應(yīng)比濕的時間變化(圖7d～f)得到表4。

表4 中國雪都阿爾泰山2021年3次暴雪700 hPa高度水汽源地及其對暴雪的貢獻(xiàn)

圖7 同圖6,但為700 hPa

由表4可知,700 hPa影響阿爾泰山區(qū)暴雪的水汽源地與500 hPa存在差異,源自歐洲的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最大,為18%～86%,沿途損失最小(35%);源自大西洋、加拿大及北冰洋的水汽,對暴雪的貢獻(xiàn)相對較小,為7%～21%,其中,來自大西洋的水汽沿途損失最大,達(dá)74%,其次是北冰洋;來自加拿大的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最小,但沿途得到里咸海和巴爾喀什湖的水汽補(bǔ)充,到達(dá)暴雪后有所增加(11%)。

由圖7a可知,過程Ⅰ水汽軌跡1和2均來自歐洲,對暴雪的貢獻(xiàn)分別是25%和61%,主要從大于1500 m的高度暴雪區(qū)輸送,沿途損失較小(圖7d)。過程Ⅱ水汽軌跡1來自歐洲,對暴雪的貢獻(xiàn)是達(dá)86%,主要從2317 m的高度向暴雪區(qū)輸送,到達(dá)暴雪區(qū)后增加了19%(圖7 b 、e)。過程Ⅲ來自歐洲的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最小,沿途損失最大(圖7c、f)?？梢?700 hPa上來自歐洲的水汽對阿爾泰山暴雪有重要的影響。

700 hPa上影響阿爾泰山區(qū)暴雪的水汽主要源自歐洲、大西洋、加拿大,其中,源自歐洲的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最大,損失最小,源自加拿大的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)相對最小,但沿途得到補(bǔ)充,到達(dá)暴雪區(qū)后增加11%。源自歐洲和大西洋的水汽主要從<2000 m的高度向暴雪區(qū)輸送,其他2個源地的水汽主要從>2000 m的高度向暴雪輸送。

3.3.3 850 hPa水汽特征

追蹤阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程降雪中心850 hPa高度168 h的后向軌跡,共有17條軌跡,其中,來自中亞7條,北冰洋5條,歐洲2條,本地、冰島及東西伯利亞的水汽各1條;在環(huán)流合適時,隨西風(fēng)氣流到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后,有35%的軌跡從西南(偏西)路徑輸入暴雪區(qū)(圖8a～c),12%的從西北路徑輸入暴雪區(qū),53%的軌跡自關(guān)鍵區(qū)到達(dá)阿勒泰地區(qū)東部,然后沿東南(偏東)氣流輸入暴雪區(qū);與500 hPa和700 hPa明顯不同,該路徑與暖區(qū)暴雪在850 hPa存在自塔城、克拉瑪依的西南風(fēng)與阿爾泰沿山的東南風(fēng)形成的暖性切變輻合有關(guān)[11]。

圖8 同圖6,但為850 hPa

分析圖8阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程降雪中心850 hPa高度168 h水汽后向軌跡的空間分布和高度變化(圖8a～c)及其對應(yīng)比濕的時間變化(圖8d～f)得到表5。

表5 中國雪都阿爾泰山2021年3次暴雪850 hPa高度水汽源地及其對暴雪的貢獻(xiàn)

由表5可知,來自歐洲的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最大,為18%～25%,從698～2573 m的高度向暴雪區(qū)輸送,沿途損失最多,為21%,但明顯小于700 hPa。源自中亞和北冰洋的水汽對暴雪的貢獻(xiàn)均為次大,沿途幾乎無損失,尤其是中亞的水汽到達(dá)暴雪區(qū)后增加了15%。來自本地、冰島及東西伯利亞等其他源地水汽對暴雪的貢獻(xiàn)最小,但到達(dá)暴雪后增加了31%,說明沿途水汽補(bǔ)充起主要作用。

850 hPa影響阿爾泰山區(qū)暴雪的水汽源地主要為中亞、北冰洋和歐洲,與500 hPa和700 hPa有些差異;對暴雪貢獻(xiàn)最大得是源自歐洲的水汽,損失也最大,但明顯小于700 hPa,其次,是中亞和北冰洋得水汽;其他源地的水汽對暴雪得貢獻(xiàn)較小,但到達(dá)暴雪區(qū)后水汽增加。來自中亞和歐洲的水汽主要從<2000m的高度向暴雪區(qū)輸送,源自北冰洋和其他源地的水汽則相反。

3.4 阿爾泰山暴雪過程各水汽源地的貢獻(xiàn)

統(tǒng)計各層水汽源地對暴雪的貢獻(xiàn)得表6,由表6可知,來自歐洲、大西洋以及北冰洋的水汽對阿爾泰山暖區(qū)暴雪的總體貢獻(xiàn)率較大,在50%～70%,中亞和其他源地的水汽貢獻(xiàn)較小,為18%～20%,中亞最小。從各層水汽占總體貢獻(xiàn)的比例來看,700 hPa以上的對流層中層(中層),來自大西洋、地黑的水汽貢獻(xiàn)率較高,地黑最高達(dá)100%;700 hPa及以下的對流層低層(低層)來自歐洲、中亞的水汽貢獻(xiàn)較大,中亞最高達(dá)100%;而來自加拿大的水汽對中層和低層的貢獻(xiàn)基本相當(dāng),來自北冰洋和其他源地的水汽在低層貢獻(xiàn)相對較大,高層也不容忽視(表6)。統(tǒng)計分析表3、表4、表5中各層水汽源地到達(dá)暴雪區(qū)的平均比濕可知,500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽對暴雪的貢獻(xiàn)分別占15%、35%、50%(表略);因此,對流層低層的水汽對阿爾泰山區(qū)暴雪的貢獻(xiàn)最大,占85%,高層最小,占15%。綜合上述分析可知,對阿爾泰山區(qū)暖區(qū)暴雪貢獻(xiàn)較大的水汽源地主要來自北冰洋、歐洲,其次是中亞和加拿大。

表6 中國雪都阿爾泰山2021年3次暴雪各源地水汽的總體貢獻(xiàn)率及各層占比百分率

3.5 阿爾泰山區(qū)暴雪過程水汽貢獻(xiàn)模型

基于上述研究概括出阿爾泰山區(qū)暴雪水汽貢獻(xiàn)模型(圖9)。該模型清晰的反映了影響阿爾泰山區(qū)暴雪過程水汽特征:500 hPa來自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近、北冰洋、加拿大的水汽隨西風(fēng)氣流到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后,主要從偏西路徑輸入暴雪區(qū),占91%,少數(shù)情況從西北路徑輸入,水汽源地主要在大西洋和地黑。700 hPa來自歐洲、大西洋、加拿大、北冰洋的水汽,到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后,主要從西南(偏西)路徑輸入暴雪區(qū),水汽源地主要在歐洲和加拿大。850 hPa的水汽源地主要為中亞、北冰洋、歐洲,輸送至關(guān)鍵區(qū)后53%的水汽軌跡,經(jīng)塔城、克拉瑪依到達(dá)阿勒泰地區(qū)東南部,隨近地層?xùn)|南(偏東)氣流,沿阿爾泰山西南坡西北上,輸入暴雪區(qū);35%的軌跡與500和700 hPa一致從西南路徑輸入暴雪,12%的軌跡則從西北路徑輸入暴雪區(qū);水汽源地主要在中亞、歐洲、北冰洋。500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽對暴雪的貢獻(xiàn)分別占對流層水汽的15%、35%、50%。水汽輻合區(qū)主要位于700 hPa附近至近地層。

圖9 阿爾泰山區(qū)暖區(qū)暴雪水汽貢獻(xiàn)模型

4 結(jié)論

本文首先對2021年阿爾泰山區(qū)3次暴雪過程的環(huán)流背景進(jìn)行了分析,然后運(yùn)用歐拉方法分析了暴雪天氣的水汽輸送、收支和垂直結(jié)構(gòu),再運(yùn)用HYSPLIT方法模擬計算分析了該區(qū)暴雪天氣的水汽來源及輸送特征。主要結(jié)論如下:

(1)阿爾泰山暴雪主要發(fā)生在高空西南(偏西)急流軸右側(cè)輻散區(qū),極渦底部西南(偏西)鋒區(qū),低空西南急流出口區(qū)前部輻合區(qū)及地面減壓升溫的重疊區(qū),為典型的暖區(qū)暴雪的高低空配置。歐拉方法分析表明,水汽源地主要在大西洋及其沿岸,沿途得到不同源地水汽補(bǔ)充。西邊界中層水汽輸入最多,其中持續(xù)性暴雪過程低層水汽輸入明顯偏多,且水汽通量及水汽通量散度輻合區(qū)位于較低層次。

(2)HYSPLIT方法分析表明,對阿爾泰山區(qū)暖區(qū)暴雪貢獻(xiàn)較大的水汽源地主要來自北冰洋、歐洲,其次是中亞和加拿大,與歐拉方法得到結(jié)論明顯不同;對暴雪區(qū)貢獻(xiàn)較大的是對流層低層的水汽,占85%,與文獻(xiàn)[33]中新疆大降水水汽主要位于對流層低層一致。

(3)建立了阿爾泰山區(qū)暴雪過程水汽貢獻(xiàn)模型,700 hPa及以上水汽自源地到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后主要從偏西(西南)路徑輸入暴雪區(qū),700 hPa以下水汽到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后,在環(huán)流合適時,經(jīng)塔城、克拉瑪依到達(dá)阿勒泰地區(qū)東南部,隨近地層?xùn)|南(偏東)氣流,沿阿爾泰山脈西南坡西北上輸入暴雪區(qū)的水汽占主導(dǎo)地位,但從偏西(西南)路徑、西北路徑輸入暴雪區(qū)的水汽也不容忽視;水汽主要在對流層低層聚集,并輻合抬升。

由于阿爾泰山區(qū)近兩年才逐步新增自動固態(tài)降水站,本文主要對2021年3次暴雪過程追蹤7 d后向水汽軌跡進(jìn)行了討論,后期有待于更多的暴雪個例進(jìn)行驗證。另外,由于阿勒泰地區(qū)地形復(fù)雜,低層水汽輸送路徑多樣化,與偏南氣流和北疆大地形相互作用密切相關(guān),但水汽是怎樣迅速輻合集中將是今后工作中需要進(jìn)一步探討的。