新疆中天山北坡暴雪过程水汽特征

Water Vapor Characteristics during Blizzard Processes on the Northern Slope of the Central Tianshan Mountains of Xinjiang

摘要

基于NCEP/NCAR再分析资料，运用欧拉方法、HYSPLIT模式研究1991—2020年（1—12月）新疆中天山北坡45次暴雪天气过程的水汽特征。欧拉方法分析表明，中天山北坡暴雪过程水汽主要来自大西洋，沿途得到阿拉伯海、红海、地中海等地水汽的补充；西边界、北边界中低层、南边界中高层为水汽输入，北边界输入最多。HYSPLIT 模式分析表明，中天山北坡暴雪过程水汽主要来自欧洲和中亚地区，其次地中海和黑海附近区域和大西洋及其沿岸。其中，来自欧洲和中亚的水汽主要输送至700 hPa及以下；来自地中海和黑海附近、大西洋及其沿岸的水汽主要输送至700 hPa以上；对流层低层集中了80%的水汽。各源地水汽随西风气流到达关键区后，主要沿偏西（西南）路径和西北路径输入暴雪区，500 hPa偏西（西南）路径占主要地位，700 hPa及以下西北路径输送的水汽占主导地位。基于上述特征，建立了中天山北坡暴雪过程对流层中低层水汽贡献配置。

Abstract

Using NCEP/NCAR reanalysis data, this study investigates the water vapor characteristics of 45 blizzard events on the northern slope of central Tianshan Mountains in Xinjiang from January to December during 1991-2020. The Euler method and the HYSPLIT trajectory model are employed to analyze the data. The analysis using the Euler method reveals that the water vapor driving blizzards in this region primarily originates from the Atlantic Ocean, with supplementary contributions from the Arabian Sea, the Red Sea, and the Mediterranean Sea. Water vapor is transported into the region through the western boundary, the mid-to-lower layers of the northern boundary, and the mid-to-upper layers of the southern boundary, with the northern boundary providing the largest input of moisture. The HYSPLIT trajectory model analysis further indicates that the water vapor contributions primarily come from Europe and Central Asia, followed by the Mediterranean, the Black Sea and its surrounding areas, as well as the Atlantic Ocean and its coasts. Water vapor from Europe and Central Asia is mainly transported to altitudes of 700 hPa and below, while water vapor from the Mediterranean, Black Sea, and Atlantic Ocean primarily reaches altitudes above 700 hPa, with 80% concentrated in the lower troposphere. Once it reaches the key area via westerly airflow, the water vapor predominantly enters the blizzard region along west-southwest and northwest pathways. At 500 hPa, the west-southwest pathway is dominant, whereas at 700 hPa and below, the northwest pathway is more significant. Based on these findings, a water vapor contribution configuration for the mid-to-lower troposphere during blizzards on the northern slope of central Tianshan Mountains is proposed.

Graphical abstract

关键词

中天山北坡 / 暴雪过程 / 水汽特征 / HYSPLIT模式

Key words

northern slope of central Tianshan Mountains / blizzard process / water vapor characteristics / HYSPLIT model

新疆地域广袤，地形复杂，天山山区地处新疆南部（简称南疆）和新疆北部（简称北疆）的气候过渡带，降水特点明显不同于南疆和北疆^[1-2]，其下垫面对降水再分配影响显著^[3]。中天山北坡是新疆暴雪过程高频区之一^[4]，在全球气候变暖的大背景下，暴雪发生频次显著增多。充沛的水汽是暴雪形成的必要条件，分析中天山北坡暴雪的水汽源地及输送特征，对深入研究暴雪成因具有重要意义。

水汽来源及输送路径的研究主要用欧拉、拉格朗日（HYSPLIT）模式两种方法^[5]。欧拉方法是基于水汽通量研究暴雪的水汽来源及输送，着眼于空间的某些确定点，在固定点上观察流体的运动，未能定量区分各水汽来源的贡献，只给出简单的水汽输送路径^[6-9]。HYSPLIT模式方法通过计算空气块的运动轨迹，可以定量统计各水汽源地的贡献，弥补欧拉方法的不足^[5,10-11]。国内的学者基于HYSPLIT模式方法对降水开展了水汽的研究，取得了一些研究成果。李永华等^[12]研究指出2013年11月25日东北地区东部暴雪过程中的水汽主要来自日本海、渤海湾，来自东亚大陆的水汽对降雪区的贡献不大；王慧清等^[13]指出2016年3月31日—4月2日内蒙古东北部地区极端降雪的水汽主要来源于新地岛以西洋面、日本海以及巴尔喀什湖，且三者贡献率大致相当；王卫国等^[14]研究指出，1979—2018年青藏高原不同地区积雪季极端降水水汽贡献存在明显差异，东南部和西南部水汽主要来自阿拉伯海、孟加拉湾，对东北部贡献最大的是本地蒸发，中亚地区对其西北部水汽贡献最大。

新疆暴雪水汽研究主要是运用欧拉方法，如2014年1月30—31日新疆北部暴雪过程的水汽是西南低空急流带来的大西洋上充沛的水汽^[15]；1964—2010年新疆北部持续性暴雪的水汽源地有高纬北大西洋、巴伦支海，中纬地中海、里咸海，低纬红海，环流配置不同水汽输送路径有所差异，但主要以中低纬水汽输送为主^[16]；2000—2012年北疆典型暴雪天气过程的水汽源地主要分布在地中海附近、红海或波斯湾两个海域附近^[17]。学者基于HYSPLIT模式开展了南疆和北疆平原地区的暴雨水汽研究^[18-23]，但对新疆山区暴雪水汽特征的研究较少，对中天山北坡的暴雪研究更少。本文主要利用HYSPLIT模式分析中天山北坡暴雪天气过程的水汽源地、主要水汽输送路径及其对暴雪的贡献，弥补欧拉方法不能定量统计出各水汽源地贡献的不足，为天山北坡经济带的防洪抗汛、防灾减灾提供决策依据。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

天山被誉为“中亚水塔”，是中亚干旱区水资源的主要发源地^[24]。天山的国家站包括昌吉的天池站和乌鲁木齐市的小渠子、白杨沟、大西沟站，巴音郭楞蒙古自治州的巴音布鲁克、巴仑台站。由图1可知，天池、小渠子、白杨沟、大西沟站位于中天山北坡，巴音布鲁克站、巴仑台站位于天山南坡。本文研究的范围主要是中天山北坡，故巴音布鲁克和巴仑台站不在研究范围。

2 资料及方法

2.1 资料

利用1991—2020年1—12月中天山北坡4个国家级气象观测站逐日（20时—次日20时，北京时）降水量、天气现象，并参考积雪深度，筛选出45次暴雪过程。环流背景运用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析资料，要素包括位势高度、温度、纬向风、经向风、比湿等，垂直层次为1 000～100 hPa共21层；欧拉方法利用NCEP/FNL 1°×1°再分析资料，要素包括位势高度、温度、纬向风、经向风、比湿等，垂直层次为1 000～100 hPa共26层；HYSPLIT模式利用GDAS 2.5°×2.5°逐6 h再分析资料，1 000～10 hPa共17层的位势高度、纬向风、经向风和1 000～300 hPa各层的比湿。

2.2 暴雪过程标准

按照新疆暴雪标准（12.0 mm＜日降雪量R ≤24.0 mm为暴雪，R≥24.1 mm为大暴雪），满足：1 d内有2站或以上出现暴雪；雨夹雪天气过程，还需满足≥1站积雪深度≥10 cm。符合上述条件之一的为1次暴雪过程，共筛选出45次。中天山北坡45次暴雪过程的暴雪中心主要出现在昌吉州天池站（27次）和乌鲁木齐市小渠子站（15次）、白杨沟站（3次），其他站在研究时段未出现暴雪中心。

2.3 方法

利用HYSPLIT轨迹追踪方法^[25-28]，选取暴雪区中心为模拟气团后向轨迹的起始点，模拟起始时间为暴雪日20时，暴雪中心初始高度为距离测站地面的高度，暴雪中心的测站海拔为1 872～1 943 m，模拟高度分别选取500 hPa（5 km）、700 hPa（3 km）、800 hPa（2.5 km），模拟向后追踪空气块168 h（7 d）的三维运动轨迹，每6 h所有轨迹初始点重新向后追踪168 h。采用聚类分析法对大量轨迹按照最近的原则进行合并分组，确定最终的轨迹数目。根据江志红等^[10]提出的定量计算水汽贡献率的方法，得到不同路径的水汽贡献率。

利用欧拉方法^[29]计算中天山北坡暴雪区（42°～44°N，84°～89°E）45次暴雪过程期间逐6 h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）。先获得暴雪期间逐6 h各层水汽通量，再进行时间积分得到整个暴雪期间水汽通量，分析中天山北坡暴雪区水汽输送和收支特征。

3 结果分析

3.1 统计特征

不同暴雪中心环流形势不同，暴雪中心位于昌吉州天池站时，影响系统主要为中亚低槽（涡）型（占63%）、西西伯利亚槽（涡）型（占30%）、锋区波动型（占7%）；暴雪中心位于乌鲁木齐市小渠子和白杨沟站时，影响系统主要为西西伯利亚槽（涡）型（占61%）、中亚槽（涡）型（占33%）、锋区波动型（占6%）。中天山北坡暴雪过程主要发生在4—5月（占71%），9—11月占20%，2—3月占9%，12、1月和6—8月在研究时段内未发生。

中天山北坡45次暴雪过程的暴雪落区主要位于300 hPa西南急流轴右侧辐散区；500 hPa西西伯利亚至中亚地区为低槽区，中天山北坡暴雪区处于槽前西南气流控制；700 hPa暴雪区主要处于低空偏西急流轴前部辐合区、或西北气流与中天山地形形成的辐合抬升区，并有水汽通量散度辐合区配合。

3.2 基于欧拉方法的水汽特征分析

3.2.1 水汽源地及输送

中天山北坡典型暴雪过程从地面到300 hPa水汽通量的积分（图2）可知，输送至暴雪区水汽的主要路径是自大西洋经英国—瑞典南部—欧洲—咸海北部—西西伯利亚，之后经巴尔喀什湖输送至暴雪区，沿途有来自阿拉伯海、红海、地中海的水汽补充，并在地中海东部汇合后，经黑海、里海与咸海北部的水汽汇合。欧拉方法只能定性地说明来自大西洋、阿拉伯海、红海、地中海的水汽对中天山北坡暴雪天气有影响，不能定量说明各水汽源地对暴雪贡献的大小。

3.2.2 水汽收支

由表1可知，中天山北坡暴雪过程水汽西边界整层为输入，中层（700～500 hPa）最多，低层（地面～700 hPa）最少；北边界低层和中层为输入，低层较多，高层（500～300 hPa）为输出；东边界整层为输出；南边界低层为输出，中、高层为输入，中层较多。因暴雪中心不同，各边界输入、输出略有差异，位于天池站的暴雪过程北边界和南边界输入较多，位于小渠子站的暴雪过程西边界输入较多。中天山北坡暴雪过程西边界、北边界低层和中层、南边界中层和高层为水汽输入，东边界、北边界高层、南边界低层为水汽输出；北边界输入最多，其次为南边界，西边界仅次于南边界，占32.1%。主要是由于聚集在巴尔喀什湖附近的水汽进入北疆，因准噶尔盆地、阿尔泰山的地形作用，使水汽主要从北边界输入暴雪区，故北边界水汽输入最多。

中天山北坡暴雪过程的水汽输入和输出较平均水汽输送复杂。杨柳等^[30]指出西边界、北边界为输入，东边界、南边界为输出。本文发现各边界的水汽输送对天山山区水汽收支贡献的结论与杨柳等^[30]有所不同。欧拉方法可以定量分析各边界水汽输入量，但无法确定水汽源地及其对暴雪的贡献。

3.3 基于<bold>HYSPLIT</bold>模式的水汽特征分析

定义水汽来自地中海和黑海及其附近的区域，简称“源地Ⅰ”；水汽来自中亚，即中亚5国，包括里海、咸海及乌拉尔山60°N以南的区域，简称“源地Ⅱ”；水汽来自大西洋及其沿岸，包括大西洋及其沿岸的国家，简称“源地Ⅲ”；来自欧洲各地的水汽，简称“欧洲”；吉尔吉斯斯坦至巴尔喀什湖北部区域为水汽关键区，简称“关键区”。

利用HYSPLIT模式模拟中天山北坡45次暴雪过程，追踪暴雪中心500、700、800 hPa高度168 h的后向轨迹，并对各层暴雪中心轨迹聚类，分析各暴雪中心不同层次的水汽输送特征。

3.3.1 500 hPa 水汽特征

由图3可知，500 hPa高度各暴雪中心轨迹聚类后，共12条轨迹，其中，来自源地Ⅰ的有3条，来自源地Ⅱ的有3条，来自源地Ⅲ的有3条，来自挪威海北部、格陵兰岛南部、白俄罗斯各1 条。水汽经关键区沿西南（偏西）路径或西北路径到达暴雪区，从西南（偏西）路径输入暴雪区占75%，另有25%的水汽轨迹从西北路径输入暴雪区。

由表2可知，来自源地Ⅱ的水汽对中天山北坡暴雪的贡献最大，主要从1 705～2 333 m高度向暴雪区输送，水汽沿途损失最大。水汽源地Ⅲ对暴雪的贡献次之，主要从4 422～4 622 m高度向暴雪区输送，水汽沿途损失仅次于源地Ⅱ。水汽源地Ⅰ和其他源地（挪威海北部、格陵兰岛南部及白俄罗斯）对中天山北坡暴雪的贡献较小，沿途损失也较少。

500 hPa影响中天山北坡暴雪过程的水汽主要来自源地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，随西风气流到达关键区后，在环流合适的条件下，分别从偏西或西南、西北路径输入暴雪区（图3）；源地Ⅱ对暴雪的贡献最大，其次是源地Ⅲ，然后是源地Ⅰ；水汽沿途损失从大到小依次为源地Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ。来自其他源地的水汽对暴雪的贡献最小，损失也较小（表2）。来自源地Ⅲ和其他源地的水汽主要在3 000 m以上高度向暴雪区输送，来自源地Ⅰ、Ⅱ的水汽主要从3 000 m以下高度向暴雪区输送。

3.3.2 700 hPa 水汽特征

由图4可知，700 hPa各暴雪中心轨迹聚类后，共有14条水汽轨迹：源地Ⅰ有2条，源地Ⅱ有5条，源地Ⅲ有2条，欧洲有2条，伊朗西南部、挪威海、新地岛各1条。水汽经关键区沿西南（偏西）路径或西北路径到达暴雪区，西北路径为主要输入路径（占86%），另有14%的水汽轨迹从偏西路径输入暴雪区。

图4是700 hPa中天山北坡各暴雪中心经聚类后的水汽轨迹及其比湿随时间变化。统计分析中天山北坡各暴雪中心700 hPa水汽轨迹的高度和比湿变化（表3）。

由表3可知，与500 hPa类似，水汽源地Ⅱ对暴雪的贡献最大，沿途得到补充，到达暴雪区后增加了11%。源地Ⅰ、源地Ⅲ、欧洲及“其他Ⅰ”源地的水汽对暴雪的贡献较小，沿途均得到水汽的补充，到达暴雪区后均有所增加，其中来自欧洲的水汽增加得最多。因此，沿途水汽的补充对暴雪区的贡献不容忽视。

700 hPa影响中天山北坡暴雪过程的水汽主要来自源地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及欧洲随西风气流到达关键区后，在合适的环流条件下，分别从偏西或西南、西北路径输入暴雪区（图4）；源地Ⅱ对暴雪的贡献最大，然后是源地Ⅲ、欧洲、源地Ⅰ。700 hPa各水汽源地沿途无损失，反而增加，增加最多的是欧洲源地，源地Ⅱ增加最少（表3）。700 hPa水汽主要从＞1 200 m高度向暴雪区输送，通常对流层中的水汽随高度降低而增加。因此，各水汽源地在向中天山北坡暴雪区输送的过程中，沿途均有增加。

3.3.3 800 hPa 水汽特征

由图5可知，800 hPa各暴雪中心轨迹聚类后，共有14条水汽轨迹，来自源地Ⅱ的有8条，来自欧洲的有3条，挪威海南部、巴伦支海、喀拉海各1条，经关键区沿西北路径输入暴雪区。

由表4可知，水汽源地Ⅱ对暴雪的贡献最大，与500、700 hPa一致；来自欧洲的水汽对暴雪的贡献次之，“其他Ⅱ”源地的水汽对暴雪的贡献最少。各源地的水汽到达暴雪区后均有增加，其他Ⅱ源地的水汽增加最多，其次是来自欧洲的水汽。

800 hPa影响中天山北坡暴雪过程的水汽主要来自源地Ⅱ、欧洲，对暴雪贡献最大的是源地Ⅱ（占28%），其次是欧洲（占19%），其他源地（来自新地岛附近和挪威海等）水汽对暴雪的贡献较少（占6%），但沿途增加的水汽最多（表4）。800 hPa水汽自源地随西风气流到达关键后，主要从西北路径输入暴雪区，沿途均有增加，主要原因与700 hPa类似。

3.4 各水汽源地对中天山北坡暴雪的总体贡献

中天山北坡暴雪区各水汽源地的贡献，800 hPa的平均比湿最大（3.56 g·kg^-1），其次是700 hPa（2.94 g·kg^-1），500 hPa最小（1.61 g·kg^-1），这反映出在暴雪过程中，低层水汽输送占主导。从水汽的垂直贡献来看，500 hPa的水汽主要来自源地Ⅰ、Ⅱ；700 hPa及以下水汽主要来自源地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及欧洲，其中，源地Ⅱ最多，欧洲次之。源地Ⅱ、欧洲是主要的水汽输送源地，其次是源地Ⅰ、Ⅲ，其他源地水汽输送较少，这反映了中天山北坡暴雪区的水汽输送呈现源地集中的特征。

综上，影响中天山北坡暴雪的水汽源地主要是欧洲和源地Ⅱ（中亚地区），其次是源地Ⅰ（地中海和黑海及其附近的区域）和源地Ⅲ（大西洋及其沿岸）。王卫国等^[14]基于拉格朗日方法研究青藏高原若尔盖地区水汽输送特征，指出青藏高原西北部地区积雪季极端降水水汽来源主要来自中亚地区，中亚地区的水汽对西北地区高海拔地区暴雪的贡献较大。这与欧拉方法的分析结论，即中天山北坡暴雪的水汽来自大西洋、阿拉伯海、红海、地中海明显不同。

3.5 中天山北坡暴雪过程对流层中低层水汽贡献配置

中天山北坡暴雪过程对流层中低层水汽贡献配置见图6。500 hPa水汽自源地随西风气流东移至关键区后，在环流合适的情况下，主要从偏西（西南）路径输送至暴雪区（占75%），25%的水汽从西北路径输送至暴雪区。700 hPa水汽自源地随西风气流东移至关键区后，接力输送路径与500 hPa一致，沿偏西（西南）路径、西北路径输送的水汽占比分别为14%和86%，西北路径的水汽占主导地位。800 hPa水汽主要自中亚、欧洲等源地随西风气流东移至关键区后，从西北路径输入的占100%。

水汽到达关键区后主要从2条路径（偏西、西北）输送至天山暴雪区，但在对流层不同层的占比不同（图6）。700 hPa及以下以西北路径为主，与北疆两山夹一盆的特殊地形及天山大地形有关；700 hPa以上以偏西（西南）路径为主，主要原因是该层高度较高，基本不受地形影响。各层水汽贡献占比也有明显差别，对中天山北坡暴雪的水汽贡献最大的是800 hPa，其次是700 hPa，最小的是500 hPa。与张家宝等^[31] 关于新疆大降水过程水汽主要集中在对流层低层的结论一致。

4 结论

利用1991—2020年（1—12月）中天山北坡45次暴雪天气过程，运用欧拉方法、HYSPLIT模式，分析了暴雪过程环流背景及水汽特征，得出以下结论：

（1）影响中天山北坡暴雪过程的主要天气尺度系统有中亚低槽（涡）型、西西伯利亚槽（涡）型，不同影响系统下的暴雪落区略有差异。中天山北坡暴雪主要发生在4—5月，占71%。

（2）中天山北坡暴雪过程的水汽主要来自大西洋经英国—瑞典南部—欧洲—咸海北部—西西伯利亚—巴尔喀什湖至暴雪区，沿途得到水汽的补充。西边界、北边界中低层、南边界中高层为水汽输入，其中北边界输入最多，其次为南边界和西边界。

（3）中天山北坡暴雪过程水汽集中在700 hPa及以下的对流层低层。700 hPa及以下水汽来自欧洲和中亚，700 hPa以上主要来自地中海和黑海及其附近、大西洋及其沿岸。

（4）水汽自源地随西风气流到达关键区后，在环流合适的情况下，500、700 hPa水汽从偏西（西南）和西北路径输入中天山北坡暴雪区，500 hPa偏西路径占主导地位，700、800 hPa西北路径均占主导地位。

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基金资助

新疆维吾尔自治区自然科学基金(2022D01A292)

新疆维吾尔自治区自然科学基金(2021 D01A01)