利用轨迹追踪法研究雅鲁藏布江大峡谷区域水汽输送减少的成因

雅鲁藏布江大峡谷区域作为高原的主要水汽输送入口,自1979年至今水汽通量辐合及降水量呈持续减少趋势,这对高原水储量具有重要影响。为了探究该区域水汽输送减少的原因,本文利用ERA5逐小时再分析资料驱动LAGRANTO模型,选取典型干旱年份和湿润年份的夏季(6-8月),后向追踪该区域的水汽输送轨迹,对沿轨迹输送的水汽通量变化进行对比分析。研究发现,源自洋面的水汽主要来自高原南部的孟加拉湾,高原西南侧的阿拉伯海,赤道以南的印度洋以及南中国海四个区域,水汽输送主要受南亚和印度夏季风控制,并受索马里跨赤道急流影响。通过对比分析干、湿年份的水汽输送轨迹的特征,发现干湿年轨迹路径除南海源地外基本不变,轨迹上水汽通量随轨迹高度抬升而减少,且湿润年的损耗始终低于干旱年,其中孟加拉湾源地的轨迹得到洋面的水汽补充,在湿润年水汽通量有较强的增长。干湿年份的蒸发、降水、环流场形势的对比也佐证了这一发现。最终湿润年到达雅鲁藏布江峡谷边界的水汽通量大于干旱年,尤其是经由雅鲁藏布江峡谷区域南边界进入的水汽通量显著增大,这表明,除源地水汽贡献和大尺度季风环流影响外,水汽输送途中的降水损耗相关过程对雅鲁藏布江峡谷区域水汽收支具有决定性作用。

应用拉格朗日方法研究四川盆地暴雨的水汽来源

基于拉格朗日方法的轨迹追踪模式HYSPLIT v4.9可用来追踪水汽的来源以及运行轨迹。结合应用拉格朗日方法与欧拉方法,通过分析四川盆地2013年6月29日—7月2日、7月7—11日和7月15—19日三次暴雨过程来研究孟加拉湾地区的水汽通道对四川盆地暴雨的影响。分析结果表明:影响这三次暴雨过程的水汽通道均有多条,但其中最为主要的均为来自孟加拉湾的水汽通道。孟加拉湾水汽输送在低空环流系统的作用下,一部分是直接越过云贵高原输送到四川盆地,另一部分是绕过云贵高原在南海地区与南海水汽以及越赤道水汽在西太副高外围东南气流的作用下一并输送到四川盆地;其中在南亚季风强大的西南气流作用下,孟加拉湾大气河中的水汽主要越过云贵高原输送向四川盆地。同时分析对比了孟加拉湾水汽输送通道与大气河(At—mospheric River)之间的异同点,发现孟加拉湾水汽输送通道与大气河之间存在着一定的相似性。

一次东北冷涡的天气学分析及基于HYSPLIT_4模式的水汽通道特征

该文基于拉格朗日方法的水汽追踪模式(HYSPLIT_4)后向追踪2016年7月23—29日东北冷涡降水过程的水汽输送及来源情况,结合高低空环流形势及物理量场的分析,简述此次过程中东北冷涡的结构特征。结果表明:(1)东北冷涡发生发展过程中,雨带逐渐呈现东北—西南走向,并向东移动。(2)高低空的影响系统在垂直方向上呈后倾结构,高低空急流的配置、冷暖平流的交汇及低层水汽的辐合上升运动造成此次降水。(3)水汽主要来源于孟加拉湾和南海,中层少部分水汽来自西部里海。

中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据(数值表示为千分差,δD),针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺(El Nino)年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜(La Nina)年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO(厄尔尼诺—南方涛动)不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Nina年较之El Nino年偏多,表明La Nina年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年际变化的主要影响因素,热带对流活动增强(减弱)将降低(增加)目标区域的水汽δD。

基于拉格朗日方法的中国东部雨季水汽输送垂直特征

利用基于拉格朗日轨迹追踪模式(HYSPLIT),结合区域源汇归属法,追踪1961~2010年中国东部地区雨带推进过程中各雨季后向轨迹,定量确定各雨季不同垂直层上的水汽输送路径与水汽贡献。结果表明在南海夏季风爆发前的华南前汛期,低层最主要水汽通道为太平洋通道,轨迹占比达到52.3%,中高层最主要的水汽通道为印度洋通道,占比超过37%;水汽主要源自低层的西太平洋和中国东部地区,水汽贡献均在20%以上。南海季风爆发后的华南前汛期,低层到高层最强水汽通道均为印度洋通道,特别是中层,轨迹数量达到了65.6%;印度洋源地的贡献明显增加,中高层水汽主要源自印度洋,低层最主要的水汽源地为中国东部和南海。江淮梅雨时低层最主要通道为太平洋通道,中高层最主要通道为印度洋通道,相比华南前汛期,在中高层印度洋通道减弱,而西风通道增强。华北雨季中,低层最主要水汽通道为太平洋通道,而中高层最主要的水汽通道为欧亚大陆中纬西风通道。江淮梅雨和华北雨季中,最主要的源地为中低层的中国东部地区和西太平洋地区,特别是华北雨季中,来自中国东部局地低层的水汽达到了43.1%,表明低层局地蒸发对华北雨季降水起到至关重要的作用。

2021年6月东北冷涡暴雨水汽来源和源区贡献分析

本文针对2021年6月2~3日发生在东北地区的冷涡暴雨过程,首先利用传统欧拉方法,初步分析了此次初夏东北冷涡暴雨过程的水汽输送与辐合特征,进而利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART和水汽来源与源区定量贡献分析方法,揭示出此次暴雨过程的水汽源地和源区定量贡献。结果表明:此次初夏冷涡暴雨过程期间,副热带高压偏南,东北地区主要受东北冷涡和其下游日本海弱高压脊影响,但对流层低层,副高主体与日本海弱高压脊之间存在气旋性切变流场,促成一支低空急流沿我国沿海地区北上,有利于东北地区南侧水汽向北输送,与东北冷涡后部干冷空气在辽宁和吉林省交汇,触发强降水。拉格朗日轨迹追踪显示,60%以上的目标气块来自降水区西侧和西北侧的亚欧大陆地区,这些气块初始位置高度较高,途径我国东海、黄海一带时,高度显著降低,并汇入偏南暖湿气流,进而流入目标降水区;还有部分气块来自贝加尔湖及其以东地区以及我国南海和中南部大陆地区,气块初始位置及行进过程中高度均较低。水汽源区对目标降水区的水汽定量贡献显示,东海—黄海至西北太平洋地区贡献最大(贡献率37.04%),中国大陆中东部紧随其后(贡献率30.05%),显著的水汽摄取和较低的沿途损失,使得上述两区域水汽贡献显著,而降水区局地摄取水汽的贡献排在第三位;此外,贝加尔湖及其以东地区和亚欧大陆中西部亦有一定贡献(尽管亚欧大陆中西部的水汽摄取总量亦较大,但绝大部分水汽在远距离输送过程中损耗),而印度半岛至中国南海地区水汽贡献最小。相对于传统的欧拉方法,拉格朗日方法可以更清晰地给出暴雨过程主要的水汽源地及其贡献。

GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进

与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。

基于FLEXPART模式对黄河源区盛夏降水异常的水汽源地及输送特征研究

依据近10年黄河源区流域气象台站的降水观测资料,提取夏季降水最强月对应的异常特征,利用拉格朗日粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART),针对目标时段开展大气粒子群(气块)的后向模拟,着重分析了流域内降水正负异常状态下的水汽输送特征及其差异,并评估各水汽源地对流域内三类降水的贡献。结果表明,以“S”型跨赤道输送(“由阿拉伯海至孟加拉湾和印度半岛再由青藏高原西南侧进入黄河源区”)和“几”型输送(“由南中国海经长江中下游平原后途径四川盆地再进入黄河源区”)为代表的南支路径是2012年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径;而以东、西风急流作用下的两条远距离输送(“由南中国海至孟加拉湾和印度半岛东北部附近后再经由青藏高原西侧或北侧进入黄河源区”以及“由欧洲平原东部和中亚地区进入青藏高原西侧或北侧后到达黄河源区”)为代表的北支路径是2015年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径。在对气块后向模拟追踪的同时,对其运动过程中的比湿变化进行了对应经纬度网格的空间平均,变化特征显示出喜马拉雅山南麓、四川盆地周边、孟加拉湾和青藏高原北侧是黄河源区流域降水对应的潜在水汽源地。由定量评估贡献率的结果可知:青藏高原北侧的广大干旱及半干旱草原地区是2015年7月黄河源区降水的最主要水汽来源,其贡献率高达52.9%;而在2012年,三个主要源地的贡献率差异远不及2015年显著;无论对应何种类型的降水,青藏高原西南部和北侧提供了黄河源区主要可供降水的外来水汽。

2020年6~7月西南地区东部降水异常偏多的水汽输送特征

利用1961~2020年西南地区东部118个气象站逐日降水量资料和1979~2020年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5逐月再分析资料以及美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的逐6 h全球再分析资料,采用相关、回归、聚类、混合单粒子拉格朗日综合轨迹(HYSPLITv5.0)模型模拟等方法对2020年6~7月西南地区东部降水异常偏多特征、大尺度水汽输送特征及水汽收支状况和主要水汽源地及贡献等进行了分析,定义了关键区水汽强度指标,分析了关键区水汽强度与海温的联系。结果表明,2020年6~7月西南地区东部平均降水量异常偏多5成,为1961年以来最多,除贵州中部和四川东北部的局部地区降水较常年略偏少外,其余地区降水均较常年明显偏多。2020年6~7月200 hPa上高空急流位置偏南,西南地区东部正好位于急流轴以南地区,高层强辐散流出,低层强辐合流入,配合从低层到高层的深厚的强烈的垂直运动,为降水提供了良好的动力条件,而西太平洋副热带高压(副高)明显西伸,有利于其西南侧的暖湿气流向西南地区东部输送,使得该区域降水偏多。采用拉格朗日方法计算的定量的水汽轨迹追踪结果表明2020年6~7月西南地区东部降水的水汽路径70.5%来自于孟加拉湾、南海和阿拉伯海等南方路径,17.6%来自于北方路径,11.9%来自于局地。前冬赤道中东太平洋海温偏高和热带印度洋全区海温偏高,西太平洋副高明显偏西、偏强,孟加拉湾和南海地区为东风距平,有利于南海地区向西的水汽偏强,不利于孟加拉湾地区向东的水汽输送;与此同时,菲律宾至我国南海附近为异常反气旋,使得中南半岛北部地区为偏南风距平,有利于中南半岛北部地区向北的水汽输送偏强,共同造成西南地区东部降水偏多。

2021年“7.20”河南暴雨水汽输送特征及其关键天气尺度系统

本文重点分析了2021年“7.20”河南暴雨水汽输送特征、水汽来源以及关键天气尺度系统。双台风“烟花”和“查帕卡”以及西太平洋副热带高压共同为“7.20”河南暴雨提供了充足的水汽条件。然而,就暴雨的水汽供应而言,仅以台风和西太平洋副热带高压的作用难以解释2021年7月20日发生的日降水量663.9 mm和1小时最大降水量201.9 mm的极端暴雨事实。水汽通量分析和LAGRANTO模式轨迹分析结果表明,20日在河南南侧形成了一个很强的经向水汽通量带(850 hPa以上),它与台风和西太平洋副热带高压引起的低层水汽通量带在河南附近汇合,为暴雨提供了最为充沛的水汽条件。我们强调,20日在河南以西地区上空发生了对流层顶反气旋式波破碎事件,它与台风协同作用,引发了河南南侧的强经向水汽通量,从而导致此次极端暴雨事件。

华南前汛期降水异常年水汽输送特征分析

基于华南地区76个站点的逐日降水资料及NCEP再分析资料,采用拉格朗日方法的气流轨迹模式(HYSPLIT_4),分析了1980—2011年华南前汛期锋面降水和季风降水的水汽输送轨迹、主要源地及不同源地水汽贡献率。结果表明:锋面降水阶段气流轨迹主要有来自西北太平洋的东风气流、阿拉伯海-孟加拉湾的西风气流和欧亚大陆的西北冷空气。在锋面降水偏多年,西北太平洋的东风气流水汽输送贡献为69%,比偏少年多14%,阿拉伯海-孟加拉湾的西风气流输送贡献为20%,比偏少年少10%,此阶段受来自西北太平洋的水汽影响较大。季风降水阶段气流轨迹主要有来自北印度洋的越赤道气流、西北太平洋的东风气流和欧亚大陆的西北冷空气,在季风降水偏多年,来自北印度洋的越赤道水汽输送贡献为88%,比偏少年多18%,而西北太平洋的水汽输送贡献为7%,比偏少年少15%,此阶段受西南越赤道气流的水汽输送影响较大。

不同PDO背景下华南前汛期锋面和季风降水的水汽输送差异

基于华南地区60个站点的逐日降水资料及NCEP再分析资料,采用拉格朗日后向气流轨迹模式(HYSPLIT_4.9),分析了1960—2012年PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)不同相位期间,华南前汛期锋面和季风降水的水汽输送轨迹、主要源地及不同源地水汽的降水贡献率的差异。结果表明:1)锋面降水阶段,在PDO正相位期间,西太平洋-中国南海-孟加拉湾水汽较多;夏季风降水阶段,在PDO正位相期间,北印度洋-孟加拉湾-中国南海的整层水汽含量较多。2)锋面降水阶段,水汽主要来自西北太平洋与中国南海,在PDO正相位期间,副热带高压位置偏北,使得西太平洋水汽输送路径偏北,有更多水汽向华南输送,有利于华南季风降水形成,降水与PDO呈显著的正相关关系。3)季风降水阶段,在PDO正位相期间,尽管北印度洋-孟加拉湾-中国南海的整层水汽含量大,但并未都输送至华南,故形成的有效季风降水偏少,降水与PDO呈显著的负相关关系。

台风“温比亚”影响期间山东极端降水过程水汽来源及源区贡献定量分析

利用拉格朗日后向轨迹追踪模式HYSPLIT,结合蒸发—降水诊断法及相关的水汽贡献定量分析法,分析了台风"温比亚"影响期间山东极端强降水的水汽来源及输送特征。结果表明:区域极端强降水的发生与大尺度的水汽输送和辐合密切相关;影响强降水的水汽源地主要有4个,它们分别位于印度洋→孟加拉湾→南海、低纬西太平洋、中纬度西北太平洋和中国东部;源区贡献定量分析表明,低纬西太平洋对极端降水的水汽贡献最大,中纬度西北太平洋次之,印度洋→孟加拉湾→南海与中国东部的贡献相当且均低于中纬度西北太平洋;进一步对比不同源区的水汽输送差异发现,虽然印度洋→孟加拉湾→南海初期摄取的水汽较多,但输送过程中过高的沿途水汽损耗,显著降低了其对极端降水的水汽贡献,尽管中纬度西北太平洋和中国东部地区初期摄取的水汽较少,但两者沿途的水汽损失亦小并且两者摄取的水汽在目标区实际转为降水的比例较高,因此两者最终的水汽贡献不容忽视。

2020年7月5—6日武汉江夏特大暴雨水汽源地和输送特征分析

基于武汉市加密站的降水量资料和ERA5再分析资料,对2020年7月5—6日发生在武汉江夏的一次特大暴雨过程的水汽通量、水汽收支进行分析,并引入拉格朗日混合单粒子轨道模型(HYSPLIT4)定量分析暴雨过程中的水汽来源以及水汽源区对降水的贡献。结果表明:(1)天气系统的有效配置和异常稳定是本次江夏特大暴雨产生和维持的主要原因。(2)特大暴雨所需水汽主要由南边界和西边界输入暴雨区,低纬度印度夏季风环流和副高外沿的偏南气流对水汽的输送和聚集是此次特大暴雨得以发生发展的必要条件,两支环流中偏南气流带来的水汽净流入是暴雨区水汽净收支的主要贡献者。(3)定量估算结果表明,水汽源地可追踪至印度洋、孟加拉湾-南海和西太平洋,对此次特大暴雨事件的水汽贡献率分别是24%、41%和34%。(4)对流层低层的水汽通道和源地发现925 hPa以南方路径为主,其水汽来源大值区为西太平洋和南海,而850 hPa则以西南路径为主,其水汽来源大值区位于印度洋和孟加拉湾。

青藏高原那曲地区夏季水汽来源及输送特征分析

青藏高原作为“亚洲水塔”,研究其降水来源对我国水安全和水资源利用有重要意义。本文使用中国地面气候资料日值数据集,并用GDAS资料驱动HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajecto‐ry)拉格朗日模式,分析了那曲地区2014年夏季的水汽输送轨迹和不同等级降水的轨迹。结果表明:(1)夏季水汽输送轨迹有明显的月、旬变化,主要是由于夏季风的向北推进造成的。印度洋、阿拉伯海、孟加拉湾、大西洋和中亚为5条主要的水汽输送路径。(2)小雨和中雨存在南方路径和西方路径,而大雨只存在南方路径;海洋的水汽输送对降水等级具有决定性作用。(3)1天前水汽来源大值区为雅鲁藏布江流域;3天前水汽来源大值区为印度与不丹的交界;大雨的水汽来源较小雨和中雨更加集中;水汽贡献分布集中的区域与水汽轨迹追踪的终点有较好的对应关系。(4)水汽源地:小雨主要来自阿拉伯海、孟加拉湾、印度、新疆以及中亚地区;中雨主要来自印度洋、阿拉伯海、孟加拉湾、印度、新疆以及中亚地区;大雨主要来自阿拉伯海和孟加拉湾。

登陆海南岛的台风水汽输送气候特征分析

利用基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT_4.9)以及海量气块追踪方法,对1987—2016年登陆海南岛的台风水汽输送特征进行分析,同时比较了夏、秋两季台风水汽输送特征。结果表明,在气候态上,登陆海南岛的台风水汽主要来自南海、西太平洋和孟加拉湾。其中,夏季台风的水汽主要来自南海和孟加拉湾-印度洋,其贡献率分别为57%和30%,而秋季台风以南海和西太平洋的水汽为主,其贡献分别为45%和37%。夏、秋两季高低空环流系统的差异导致海南岛的台风水汽输送特征的不同。夏季海南岛处在西太平洋副热带高的西南边缘,在孟加拉湾低压的共同作用下,来自南海和孟加拉湾—印度洋的水汽丰富,而秋季副热带高压中心偏东,脊线较偏南,影响海南岛的水汽主要来自西太平洋东侧。

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM海洋模式,根据2008年6月1日海监飞机监测绿潮所在位置,采用拉格朗日粒子追踪法反向积分,追溯绿潮来源。数值模拟结果显示,回溯至5月中旬,绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟,为政府相关部门了解绿潮的源头,并采取相应的措施提供依据,进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。