熊秋芬 姜曉飛 鞠英芹 湯興芝

（1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院，武漢 430074）

0 引言

我國東部地處典型的季風(fēng)氣候區(qū)，降水的水汽來源與東亞季風(fēng)關(guān)系密切[1]。而東亞季風(fēng)系統(tǒng)由熱帶季風(fēng)和副熱帶季風(fēng)共同組成[2-6]，但在熱帶季風(fēng)爆發(fā)之前的3月末—4月初，副熱帶季風(fēng)已經(jīng)爆發(fā)，江南和華南春雨盛行[7-10]；任珂等[11]的研究表明江南南部和華南北部降水中的水汽主要來源于西太平洋副熱帶高壓南側(cè)轉(zhuǎn)向的西南水汽輸送，其源地即為副熱帶季風(fēng)雨季的開始。

另一方面，關(guān)于水汽輸送特征的研究主要從歐拉觀點(diǎn)和拉格朗日的觀點(diǎn)出發(fā)，盡管基于歐拉觀點(diǎn)的水汽的輸送和輻合被廣泛應(yīng)用于暴雨過程的診斷分析中[12]，但近年來，許多學(xué)者采用拉格朗日的觀點(diǎn)、結(jié)合HYSPLIT模式[13-15]來追蹤降水過程中水汽的來源及輸送特征。如江志紅等[16]基于拉格朗日法分析了江淮梅雨水汽特征，梅雨水汽主要來自印度洋、太平洋和孟加拉灣-南海等；楊浩等[17]對比了江淮梅雨和淮北雨季水汽輸送的氣候差異，淮北雨季來自印度洋水汽比梅雨少20%，而來自歐亞大陸偏多19%；陳斌等[18]的研究發(fā)現(xiàn)陸地蒸發(fā)對水汽貢獻(xiàn)相對重要，熊秋芬等[19]發(fā)現(xiàn)由北上江淮氣旋引發(fā)的暴雪過程中，水汽并不直接來自南海或孟加拉灣，而是來自東亞大陸氣塊，在經(jīng)過黃海、渤海和日本海時(shí)獲得水汽；許彬等[20]的結(jié)果表明南昌大暴雨過程的水汽主要來自于對流層低層南海西南部向我國陸地的水汽輸送和本地周圍水汽的貢獻(xiàn)。李曉蓉等[21]揭示了孟加拉灣和南海兩支水汽輸送對四川暴雨的作用。由此可見不同的天氣過程，水汽的來源并不完全相同。鑒于HYSPLIT模式能追蹤不同高度氣塊軌跡和定量統(tǒng)計(jì)水汽等優(yōu)點(diǎn)，以及少有文獻(xiàn)討論長江中下游春季強(qiáng)降水中水汽來源及輸送路徑等問題，本文將HYSPLIT模式引入湖北省春季大暴雨過程水汽的研究中。

春季是湖北省降水多發(fā)的時(shí)段，為了追蹤春季暴雨中水汽的來源，本文選取了2017年4月8—9日、2005年4月8—9日和2019年4月8—9日發(fā)生在湖北省的三次暴雨過程，過程平均雨量分別排名歷史同期第1、第2和第4，利用常規(guī)觀測、地面加密觀測資料先分析了三次暴雨過程的環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)；再基于HYSPLIT模式和6 h一次的NCEP 1°×1°再分析場模擬了三次過程中最大降水中心（分別為陽新、漢川和廣水站）上空不同高度氣塊的后向軌跡、給出了氣塊運(yùn)動過程中物理屬性（高度、氣壓、相對濕度、比濕等），以揭示在熱帶夏季風(fēng)爆發(fā)前湖北暴雨過程中不同高度氣塊的路徑及高低空垂直配置，定量分析對流層中低層水汽變化特征，討論副熱帶夏季風(fēng)對湖北暴雨過程的水汽貢獻(xiàn)及春季水汽來源的多樣性，以期提高對春季暴雨天氣的認(rèn)識和預(yù)報(bào)能力。

1 過程簡介

1.1 三次過程降水概況

2017年4月8日20時(shí)—9日20時(shí)（北京時(shí)，下同）湖北大部出現(xiàn)暴雨天氣過程，其中鄂東南的陽新出現(xiàn)了113.7 mm的大暴雨（圖1a），全省過程平均降水量和陽新站單站降水量均居歷史同期第一。

2005年4月8日20時(shí)—9日20時(shí)鄂西南出現(xiàn)了暴雨，江漢平原、鄂東北和鄂東南的部分地區(qū)也有暴雨發(fā)生，最大降水量在漢川（69.8 mm）（圖1b）。全省過程平均降水量居歷史同期第二。

2019年4月8日20時(shí)—9日20時(shí)鄂西南、江漢平原北部、鄂東北出現(xiàn)了暴雨天氣，其中鄂東北的廣水和隨州分別為105 mm和103 mm的大暴雨（圖1c）。全省過程平均降水量居歷史同期第四；同時(shí)廣水、隨州等24 h和1 h降水量均打破了本站歷史同期降水量的極值。

圖1 2017年4月8日20時(shí)—9日20時(shí)（a），2005年4月8日20時(shí)—9日20時(shí)（b），2019年4月8日20時(shí)—9日20時(shí)（c）湖北省降水量分布（單位：mm），為強(qiáng)降水中心陽新、漢川和廣水Fig. 1 Total rainfall (unit: mm) in Hubei province from 20：00 BT 8 to 20：00 BT 9 April 2017 (a), 2005 (b) and 2019 (c),indicates rainfall centers ot Yangxin, Hanchuan and Guangshui, respectively

1.2 天氣背景和主要影響系統(tǒng)

1.2.1 2017年4月8—9日暴雨過程

2017年4月8日20時(shí)，500 hPa低槽分別在甘肅東部—川西、安徽—湖北西部、湖南—廣東西部（圖2a），588 dagpm線位于華南大陸；對應(yīng)700 hPa暖切變線在川東—湖北西部；850 hPa低渦在安徽，與其相伴的冷式切變線位于湖北東部-湖南北部，切變線南側(cè)的低空急流達(dá)16 m·s-1，湖北大部比濕達(dá)10 g·kg-1，且湖北東部氣溫達(dá)16 ℃；925 hPa暖切變線在安徽南部—湖北東南部；地面冷鋒快速南下，已到達(dá)湖北東南部；湖北大部還處于高空200 hPa急流的風(fēng)向分流輻散區(qū)中，也有利于低層輻合上升運(yùn)動的增加和暴雨的產(chǎn)生。9日08時(shí)（圖略）隨著500 hPa上述低槽的繼續(xù)東移，700 hPa暖切變線向湖北東部延伸，而850 hPa湖北南部—湖南北部由冷式切變線又轉(zhuǎn)為暖式切變線，925 hPa切變線和地面冷鋒已南壓到湖南—江西中部；這種有利的降水形勢維持到9日20時(shí)，使得湖北大部產(chǎn)生了暴雨天氣，其中850 hPa切變線在湖北東南部維持時(shí)間長造成了陽新（圖2a中的★）的大暴雨。

圖2 2017年4月8日20時(shí)（a）、2005年4月8日20時(shí)（b）和2019年4月8日20時(shí)（c）高低空系統(tǒng)配置圖（帶數(shù)字的藍(lán)色、棕色和灰色實(shí)線分別為500 hPa槽、700和925 hPa切變線，紫色箭頭、紅色箭頭和灰色箭頭分別為200、850和925 hPa急流軸，紅色斷線為850 hPa切變線，紅色實(shí)線分別為850 hPa 16或20℃等溫線，綠色實(shí)線為850 hPa 10 g·kg-1的等比濕線，為地面冷鋒，★為強(qiáng)降水中心）Fig. 2 Distribution of 500 hPa trough (blue line with number 500) ,700 hPa shear line (brown line with number 700) and jet (brown arrow ),925 hPa shear line (grey line with number 925) and jet(grey arrow ), 850 hPa shear line (red dash line), jet (red arrow), isotherm of 16, 20℃ (red solid line) and isohume of 10 g·kg-1 (green solid line), and surface cold front () at 20：00 BT 8 April 2017 (a), 2005 (b) and 2019 (c), ★ are locations of Yangxin, Hanchuan and Guangshui,respectively

1.2.2 2005年4月8—9日暴雨過程

2005年4月8日20時(shí)（圖2b）500 hPa冷槽位于河西走廊，湖北西部也有低槽，槽前700 hPa陜南—川東有低渦，與其相伴的暖切變線向東延伸到湖北西部，850 hPa西南渦位于貴州，但湖北及其周圍地區(qū)有“人字形”切變線形成，切變線南側(cè)有低空偏南急流輸送暖濕氣流，湖北大部比濕達(dá)10 g·kg-1、氣溫在16℃以上，且強(qiáng)降水中心漢川（圖2b中的★）位于急流軸的頂端；925 hPa暖切變線東段位于湖南—江西北部；地面冷鋒已到達(dá)湖北東北部—西南部。9日08時(shí)（圖略）隨著500 hPa低槽的加深東移，588 dagpm北抬到海南島南部；對應(yīng)700 hPa低渦移動湖北西部；850 hPa轉(zhuǎn)受冷切變線影響，切變線南側(cè)西南低空急流加強(qiáng)至24 m·s-1，925 hPa由暖切變線轉(zhuǎn)為冷式切變線，位于湖北東部—廣西北部，地面冷鋒已移過湖北；9日20時(shí)各層系統(tǒng)快速東移南壓，湖北降水結(jié)束。暴雨期間，湖北上空也伴有200 hPa急流的風(fēng)向分流引起的輻散（圖略）。

1.2.3 2019年4月8—9日暴雨過程

2019年4月8日20時(shí)500 hPa冷槽位于甘肅南部到云南南部（圖2c）；對應(yīng)700 hPa暖切變線在川東—湖北西北部；850 hPa低渦、暖切變線在湖北東北部—貴州北部，切變線南側(cè)有18 m·s-1低空急流輸送水汽，湖北處于暖脊和濕舌中，比濕高達(dá)10～12 g·kg-1。圖2c中也顯示湖北東北部（強(qiáng)降水中心廣水★周邊的區(qū)域）位于850 hPa低空急流軸的頂端、暖中心的北側(cè)、925和850 hPa切變線附近，有利于水汽的輻合上升運(yùn)動；此時(shí)地面冷鋒已進(jìn)入湖北北部，但鋒前已有暖區(qū)降水；高空200 hPa急流出口左側(cè)輻散有利于上升運(yùn)動。9日08時(shí)（圖略），500 hPa槽減弱東移到陜南至川東，700 hPa湖北轉(zhuǎn)受冷切變線影響；850 hPa低渦東移到安徽、同時(shí)湖北大部轉(zhuǎn)受冷式切變線控制；925 hPa冷式切變線和地面冷鋒南壓到湖南北部，整層上升運(yùn)動減弱（圖略），湖北降水也逐漸減弱。至9日20時(shí)500 hPa槽移到湖北西部，700、850 hPa切變線快速南下到湖南、江西（圖略），湖北大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為下沉氣流控制（圖略），降水結(jié)束。

綜上所述，三次暴雨天氣過程均發(fā)生相似的天氣背景下，即500 hPa西風(fēng)帶低槽緩慢東移，中低層有低渦、切變線和低空急流、地面有冷鋒影響湖北，并伴有高空200 hPa輻散，對流層低層比濕大（≥10 g·kg-1）、氣溫高（≥16℃），水汽和動力條件均有利于暴雨的發(fā)生。但三次過程中各層系統(tǒng)的位置、強(qiáng)度及持續(xù)的時(shí)間不完全相同，如“2019年”暴雨過程中先鋒前暖區(qū)降水后鋒面降水，而“2017年”和“2005年”暴雨過程均是鋒面降水。

2 暴雨中心氣塊的軌跡與水汽的演變

2.1 模擬方案

考慮到驅(qū)動軌跡模式的NCEP資料時(shí)空分辨率較低，為了分析模式分辨率誤差，采用類似于樣本誤差分析的方法[13,22]，即可以通過初始點(diǎn)水平和垂直方向上偏移所模擬出的軌跡進(jìn)行估計(jì)。本文選取三次暴雨過程中最強(qiáng)降水中心，即陽新站、漢川站和廣水站分別作為三次過程模擬區(qū)域的中心點(diǎn)，將1500 m高度上這3個(gè)點(diǎn)的初始位置分別在緯向（x）、經(jīng)向（y）偏移0.5°，垂直方向（z）偏向0.01 σ，初始時(shí)間分別選取在暴雨即將發(fā)生時(shí)的2017年4月8日20時(shí)、2005年4月8日20時(shí)、2019年4月8日20時(shí)，基于6 h一次的NCEP 1°×1°再分析場和HYSPLIT模式進(jìn)行240 h（10 d）的后向軌跡模擬。通過上述偏移后可以得到每次暴雨過程27條軌跡樣本，分別計(jì)算每次過程的27條樣本在各個(gè)時(shí)刻x，y和z的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通過標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值（即變差系數(shù)）來評估模式的分辨率誤差。本文的計(jì)算表明（圖略）三次暴雨過程分別在8 d（192 h）、5 d（120 h）和6 d（144 h）以內(nèi)變差系數(shù)較小，從9、6、7 d開始變差系數(shù)增大，因此確定對三次暴雨過程分別進(jìn)行后向8 d（192 h）、5 d（120 h）和6 d（144 h）的軌跡模擬。

為了進(jìn)一步定量考察3個(gè)強(qiáng)降水中心上空水汽來源與水汽含量大小，以三次暴雨過程中陽新、漢川和廣水站點(diǎn)的地理位置為基礎(chǔ)，用HYSPLIT模式分別模擬2017年4月8日20時(shí)、2005年4月8日20時(shí)、2019年4月8日20時(shí)強(qiáng)降水臨近時(shí)刻陽新、漢川和廣水站不同高度（500、1500、3000、5000、7000和9000 m）上空氣塊的192、120和144 h后向軌跡（圖3、圖5和圖7），向后的時(shí)間步長為1 h，且逐小時(shí)輸出一次軌跡點(diǎn)的位置，并插值得到相應(yīng)位置上的物理屬性（如高度、氣壓、相對濕度、比濕等），結(jié)果詳見圖4、圖6和圖8。

2.2 氣塊的軌跡與水汽的演變

2.2.1 2017年4月8日20時(shí)陽新站上空水汽輸送特征

圖3給出了2017年4月8日20時(shí)大暴雨中心陽新站不同層次192 h后向軌跡，其中紅色軌跡代表的是3月31日20時(shí)源自中南半島北部6000 m左右的干空氣，相對濕度40%、比濕2 g·kg-1（圖4），該氣塊在對流層中層?xùn)|移，于4月2日08時(shí)到達(dá)南海西北部，其相對濕度和比濕略有增加；此后氣塊逐步下沉、在南海北部東移于3日08時(shí)到海南島東部，比濕增加到5 g·kg-1，相對濕度先增加到后減；3日08時(shí)—6日08時(shí)在海南島東南部轉(zhuǎn)向北上，并下沉到1500 m以下，期間氣塊長時(shí)間停留在海南島東部的海面上，從海面獲得水汽，比濕和相對濕度分別逐步增加到12 g·kg-1、80%以上；6日08時(shí)以后氣塊從華南北上進(jìn)入大陸，繼續(xù)下沉、于8日20時(shí)到陽新站500 m上空，維持較高的比濕（12.4g·kg-1）和77%的相對濕度。

圖3 2017年4月8日20時(shí)陽新站（★）不同層次192 h后向軌跡圖Fig. 3 192 h backward trajectories ending at 20:00 BT 8 April 2017 for Yangxin (★) in different levels

藍(lán)色軌跡（圖3）表示的是3月31日20時(shí)來自大暴雨中心的北側(cè)4000 m以下的氣塊，其比濕只有1.7 g·kg-1，相對濕度66%（圖4）；氣塊向東南方向移動，先下沉到近地層再上升到1500 m以上，比濕和相對濕度均先小幅上升后下降；于2日08時(shí)進(jìn)入臺灣海峽后，氣塊再轉(zhuǎn)向西南方向移動南海北部，且下沉到近海面，海氣交換使得比濕和相對濕度均快速增加，3日08時(shí)進(jìn)入華南大陸時(shí)，比濕和相對濕度分別達(dá)11 g·kg-1和60%以上；此后氣塊先向西移動，至4日08時(shí)再轉(zhuǎn)向北上，期間氣塊一直在近地層移動，氣塊從下墊面獲得水汽，比濕和相對濕度均呈增加的趨勢；8日20時(shí)氣塊上升到陽新站1500 m上空時(shí)，比濕和相對濕度均先小幅上升后下降，分別為10.9 g·kg-1、89.6%，表明有水汽凝結(jié)發(fā)生。

綠色軌跡（圖3）代表3月31日20時(shí)從山東半島附近的黃海2000 m上空快速向南移動并伴有下沉運(yùn)動的干空氣，比濕和相對濕度分別在2 g·kg-1、40%以下（圖4），氣塊于3日08時(shí)下沉到菲律賓北部的近海面，海氣交換使比濕達(dá)到12 g·kg-1、相對濕度達(dá)75%以上；3日20時(shí)以后氣塊轉(zhuǎn)向西北、緩慢移到南海北部并上升到1200 m，期間比濕和相對濕度先減后增；6日20時(shí)從華南沿海進(jìn)入大陸時(shí)氣塊下降到近地層，并沿近地層北上，氣塊從近地層獲得水汽；至7日08時(shí)比濕達(dá)16 g·kg-1、相對濕度達(dá)90%以上；此后比濕下降、而相對濕度呈現(xiàn)出明顯的日變化；8日08時(shí)以后氣塊快速上升到達(dá)陽新站3000 m上空，比濕驟降到8 g·kg-1，相對濕度接近100%，也表明有水汽的凝結(jié)發(fā)生。

天藍(lán)色軌跡（圖3）表示3月31日20時(shí)來自阿拉伯海西北部近地層的氣塊，比濕和相對濕度分別為7.4 g·kg-1和33%（圖4），在近海面東移比濕和相對濕度均增加；2日08時(shí)到達(dá)印度半島西部時(shí)比濕和相對濕又有所下降；2日20時(shí)氣塊繼續(xù)向東移時(shí)逐漸上升，5日08時(shí)到達(dá)印度北部6000 m上空，期間比濕減小到4 g·kg-1，而相對濕度呈增加的趨勢；此后氣塊又轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動，6日20時(shí)到達(dá)中南半島西部4000 m時(shí)上空比濕和相對濕度均下降，比濕不足2 g·kg-1相對濕度30%以下；7日08時(shí)氣塊向東移動到中越邊境時(shí)轉(zhuǎn)向北上進(jìn)入大陸且下沉到1500 m以下，從近地層獲得水汽，比濕和相對濕度迅速增加；7日20時(shí)下沉到近地面時(shí)，比濕增加到14 g·kg-1、相對濕度90%以上。此后氣塊繼續(xù)北上并上升到陽新站5000 m上空，比濕下降至4 g·kg-1、相對濕度為80%，表明氣塊在到達(dá)陽新站之前有水汽凝結(jié)發(fā)生。

圖4 2017年4月8日20時(shí)陽新站500、1500、3000、5000 m上空192 h后向軌跡中氣塊的比濕（a）和相對濕度（b）的演變特征Fig. 4 Distribution of specific humidity (a) and relative humidity(b) for 192 h backward trajectories ending at 20: 00 BT 8 April 2017 for Yangxin over 500, 1500, 3000, 5000 m

玫瑰紅色軌跡（圖3）代表3月31日20時(shí)孟加拉國近地層的濕空氣，比濕達(dá)12.7 g·kg-1、相對濕度為71.8%（圖略），31日20時(shí)—6日20時(shí)在孟加拉國近地層長時(shí)間停留，期間仍維持較高的比濕和相對濕度（圖略）；其中5日08時(shí)以后氣塊開始上升，6日08時(shí)到達(dá)3000 m，比濕下降到6 g·kg-1，相對濕度為80%；6日20時(shí)向東移動略有下沉，但7日08時(shí)繼續(xù)東移進(jìn)入云南并上升到5000 m，比濕降至1 g·kg-1、相對濕度不足20%；此后氣塊向東北方向移動、再上升到陽新站7000 m上空，期間比濕有所上升，但很快又降到2 g·kg-1、相對濕度71.3%。

黃色軌跡（圖3）表明來自大西洋、對流層上層的干空氣，比濕不足1 g·kg-1，相對濕度18.8%（圖略），氣塊快速向東移動到暴雨中心上空9000 m，但上升和下沉均在對流層上層，氣塊一直比較干燥。

上述對軌跡追蹤得到了各高度最終到達(dá)陽新站上空氣塊的比濕，再利用江志紅等[22]公式（4）計(jì)算每層水汽輸送占比，從低層到高層軌跡（分別對應(yīng)圖3中紅色、藍(lán)色、綠色、天藍(lán)色、玫瑰紅和黃色軌跡）中氣塊水汽貢獻(xiàn)占比分別是32.4%、28.5%、20.9%、10.4%、5.2%、2.6%，表明對流層中低層5000 m以下氣塊所含的水汽是暴雨區(qū)水汽的主要來源。由此可見，初始時(shí)源自中南半島北部6000 m左右的干空氣（紅色軌跡），東移時(shí)下沉到南海北部近海面，在貼近海面緩慢移動過程中與海氣交換時(shí)間長，是暴雨區(qū)水汽的主要貢獻(xiàn)者；來源于大暴雨中心的北側(cè)對流層中層的氣塊（藍(lán)色軌跡），向東南方向移動進(jìn)入臺灣海峽、再轉(zhuǎn)向西南方向移動并下沉到南海北部近海面，海氣交換使得比濕和相對濕度均快速增加，是暴雨區(qū)水汽的次要貢獻(xiàn)者；從山東半島附近的黃海上空2000 m快速向南移動并伴有下沉運(yùn)動的干空氣（綠色軌跡），在菲律賓轉(zhuǎn)向西移過程中從近海面獲得水汽，上升到陽新站3000 m時(shí)仍然有較大的比濕，對暴雨區(qū)的水汽也有一定的貢獻(xiàn)；來自阿拉伯海西北部的氣塊（天藍(lán)色軌跡）在東移過程中從近地面獲得水汽，但上升到陽新站5000 m的過程中由于水汽凝結(jié)而變干，對暴雨區(qū)的貢獻(xiàn)??；7000 m以上的氣塊水汽含量少，對暴雨區(qū)的貢獻(xiàn)很小。

2.2.2 2005年4月8日20時(shí)漢川站上空水汽輸送特征

圖5顯示了2005年4月8日20時(shí)暴雨中心漢川站不同層次120 h后向軌跡，其中的紅色軌跡表明3日20時(shí)源自東海1500 m上空的干空氣，比濕為1 g·kg-1、相對濕度13.9%（圖6）；氣塊先向南移動，再轉(zhuǎn)向西南移動并下沉到南海北部的近海面，海氣交換使氣塊變濕，比濕和相對濕度分別增加到15 g·kg-1、90%以上；6日08時(shí)在南海西部轉(zhuǎn)向北上，仍貼近海面移動，氣塊維持較高的水汽含量；7日20時(shí)從華南進(jìn)入大陸，比濕和相對濕度略有下降；8日20時(shí)到達(dá)漢川站500 m上空時(shí)，比濕達(dá)13.1 g·kg-1、相對濕度為80.4%。

藍(lán)色軌跡代表3日20時(shí)來自孟加拉灣東部3000 m上空的氣塊（圖5），比濕為5.8 g·kg-1、相對濕度為50.1%（圖6），氣塊先向西北方向移動，比濕和相對濕度均增加；4日20時(shí)氣塊轉(zhuǎn)向東移，并下沉經(jīng)過中南半島，期間比濕先減后增，而相對濕度呈下降趨勢；7日08時(shí)到達(dá)中南半島東部，比濕達(dá)10.6 g·kg-1、相對濕度為60%；此后氣塊繼續(xù)下沉到北部灣近海面但轉(zhuǎn)向北上，海氣交換使氣塊增濕；7日20時(shí)以后從北部灣進(jìn)入大陸，比濕緩慢增加而相對濕度迅速加大；8日20時(shí)氣塊上升到漢川站1500 m上空，比濕和相對濕度分別為11.3 g·kg-1、87.8%。

綠色軌跡（圖5）表明3日20時(shí)起源于西亞5000 m上空的干空氣，比濕為0.9 g·kg-1、相對濕度為38.4%（圖6）；該氣塊緩慢下沉、先向東南方向移動，于6日08時(shí)到達(dá)印度東北部，比濕和相對濕度變化不大；此后氣塊水平東移，相對濕度和比濕分別增加到4 g·kg-1、60%以上；7日08時(shí)氣塊從云南進(jìn)入大陸后又開始下沉，相對濕度和比濕略有減??；至8日08時(shí)氣塊下沉到1500 m左右，從近地層獲得水汽，比濕增加到7.5 g·kg-1、相對濕度60%；8日20時(shí)氣塊再上升到3000 m，比濕仍為7.5 g·kg-1、相對濕度88.6%。

天藍(lán)色軌跡（圖5）代表3日20時(shí)源自西亞、6000 m左右的干空氣，比濕僅為0.2 g·kg-1、相對濕度在10%以下（圖6）；氣塊先準(zhǔn)水平東移，5日20時(shí)開始緩慢下沉，期間比濕和相對濕度均變化不大；6日20時(shí)氣塊下沉東移到孟加拉國時(shí)比濕和相對濕度有所增加；8日08時(shí)氣塊到達(dá)3000 m上空，此時(shí)比濕達(dá)5 g·kg-1，相對濕度為58%；8日20時(shí)氣塊又快速上升到了5000 m，比濕僅為3.7 g·kg-1、相對濕度85.7%。

圖6 2005年4月8日20時(shí)漢川站500、1500、3000、5000 m上空120 h后向軌跡中氣塊的比濕（a）和相對濕度（b）的演變特征Fig. 6 Distribution of specific humidity (a) and relative humidity (b) for 120h backward trajectories ending at 20：00 BT 8 April 2005 for Hanchuan over 500, 1500,3000, 5000 m

玫瑰紅色軌跡和天藍(lán)色軌跡類似（圖5），只是干空氣先準(zhǔn)水平東移、速度稍快，6日20時(shí)以后開始下沉，7日20時(shí)后下降到5000 m以下，比濕僅為1.1 g·kg-1，相對濕度為24.5%（圖略）；8日20時(shí)氣塊上升到了7000 m，比濕為1.6 g·kg-1、相對濕度在80.2%。

黃色軌跡（圖5）顯示3日20時(shí)從非洲北部7500 m上空向東移動、最終到達(dá)漢川站9000 m的干空氣（比濕為0.2 g·kg-1、相對濕度為13.1%），其上升和下沉都在對流層中上層，雖然相對濕度增加到90%，但比濕在1 g·kg-1以下（圖略）。

圖5 2005年4月8日20時(shí)漢川站（★）不同層次120 h后向軌跡圖Fig. 5 120 h backward trajectories ending at 20：00 BT 8 April 2005 for Hanchuan (★) in different levels

同樣計(jì)算漢川站上空每層水汽輸送占比，從低層到高層軌跡（分別對應(yīng)圖5中紅色、藍(lán)色、綠色、天藍(lán)色、玫瑰紅和黃色軌跡）中氣塊水汽貢獻(xiàn)占比分別是34.3%、29.6%、19.6%、9.7%、4.2%、2.6%，表明對流層中低層3000 m以下氣塊所含的水汽是暴雨區(qū)水汽的主要來源。由此得到初始時(shí)源自東海1500 m上空的干空氣（圖5中紅色軌跡）下沉到南海北部近海面，海氣交換時(shí)間長，到達(dá)漢川站500 m時(shí)水汽含量大，是暴雨區(qū)水汽的主要貢獻(xiàn)者；來自孟加拉灣東部3000 m上空的氣塊（圖5中藍(lán)色軌跡）下沉到北部灣近海面時(shí)水汽增加，是暴雨區(qū)水汽的次要貢獻(xiàn)者；起源于西亞對流層中層的干空氣（圖5中綠色軌跡），下沉到我國大陸1500 m時(shí)，陸面蒸發(fā)使氣塊獲得水汽，對暴雨區(qū)的水汽也有一定的貢獻(xiàn)；而5000 m以上的氣塊水汽含量少，對暴雨區(qū)的貢獻(xiàn)很小。

2.2.3 2019年4月8日20時(shí)廣水站上空水汽輸送特征

從圖7中可以看到廣水站不同高度氣塊的144 h的后向軌跡，其中圖7a的500和1500 m的軌跡由于看不清而進(jìn)行了放大，見圖7b和7c。表明2日20時(shí)有來自湖南北部貼地層（圖7a紅色軌跡和圖7b中軌跡）的氣塊，其具有較高的比濕（8.6 g·kg-1）和94%相對濕度（圖8）；該氣塊貼近地面緩慢向南移到湖南南部，比濕略有增加（9.6 g·kg-1）而相對濕度維持在80%以上；氣塊在5日白天轉(zhuǎn)向北上經(jīng)江西到湖北，期間比濕和相對濕度均呈現(xiàn)出明顯的日變化，即比濕白天大夜間小、相對濕度則是白天小夜間大；8日20時(shí)氣塊快速上升到廣水500 m上空，比濕為11.2 g·kg-1、相對濕度53%。

圖7a中藍(lán)色軌跡（圖7c中軌跡）中代表2日20時(shí)來自江西中部貼地層的氣塊，具有9.4 g·kg-1的比濕和91%的相對濕度（圖8）；氣塊先緩慢南移到江西南部，6日02時(shí)后轉(zhuǎn)向北上，且一直在貼地層緩慢移動，期間比濕和相對濕度的變化趨勢與500 m軌跡中的氣塊類似；該氣塊于8日20時(shí)達(dá)到廣水1500 m上空時(shí)比濕為10.2 g·kg-1、相對濕度71%。

圖7 2019年4月8日20時(shí)廣水站（★）不同層次（a）、500（b）和1500 m（c）144 h后向軌跡圖（b，c中色標(biāo)為海拔高度）Fig. 7 144 h backward trajectories ending at 20：00 BT 8 April 2019 for Guangshui (★) in different levels (a),500 m (b) and 1500 m (c)

綠色軌跡（圖7a）代表2日20時(shí)來自西亞4000 m上空的氣塊，其比濕不大（2.2 g·kg-1）、相對濕度為78%（圖8），氣塊向東移動并從4000 m下沉過程中，相對濕度減小到30%以下、比濕一直小于4 g·kg-1；5日繞青藏高原以南的孟加拉灣北部東移時(shí)比濕和相對濕度均呈增加的趨勢；6日夜間到7日從廣西進(jìn)入大陸后已下沉到1500 m以下，以水平運(yùn)動為主，有利于氣塊與下墊面水汽和能量的交換，因此比濕增加至10 g·kg-1、相對濕度在60%～90%波動；氣塊再上升到達(dá)廣水上空3000 m時(shí)，比濕下降到8.1 g·kg-1、相對濕度接近飽和（95%），表明有水汽凝結(jié)發(fā)生。

圖8 2019年4月8日20時(shí)廣水站500、1500、3000、5000 m上空144 h后向軌跡中氣塊的比濕（a）和相對濕度（b）的演變特征Fig. 8 Distribution of specific humidity (a) and relative humidity (b) for 144 h backward trajectories ending at 20：00 BT 8 April 2019 for Guangshui over 500, 1500,3000, 5000 m

天藍(lán)色軌跡（圖7a）表明2日20時(shí)來自阿拉伯半島6000 m以下的氣塊，比濕為2.3 g·kg-1、相對濕度為70%（圖8）；該氣塊向東北方向移動到青藏高原西側(cè)后，再繞高原南部移動，從云南進(jìn)入我國，期間上升和下沉運(yùn)動均在對流層中層，8日20時(shí)到達(dá)廣水站5000 m上空時(shí)比濕僅為1.1 g·kg-1、相對濕度為61%。

玫瑰紅色和黃色軌跡（圖7a）表明2日20時(shí)來自印度西北部對流層上層的氣塊，具有極低水汽含量（比濕均小于0.2 g·kg-1）和20%相對濕度（圖略）；其移動路徑與5000 m軌跡類似，但上升和下沉運(yùn)動均在對流層上層。因此到達(dá)廣水上空7000和9000 m時(shí)，比濕和相對濕度分別在1.1 g·kg-1、88%以下。

計(jì)算最終到達(dá)廣水站每層水汽輸送占比，從低層到高層軌跡（分別對應(yīng)圖7a中紅色、藍(lán)色、綠色、天藍(lán)色、玫瑰紅和黃色軌跡）中氣塊水汽貢獻(xiàn)占比分別是34.8%、31.7%、25.2%、3.4%、3.4%、1.5%，可見對流層中低層3000 m以下氣塊所含的水汽是暴雨區(qū)水汽的主要來源。因此初始時(shí)源自對流層低層1500 m以下（圖7a紅色和藍(lán)色軌跡）湖南和江西的氣塊、貼近地面緩慢移動過程中與下墊面水汽交換時(shí)間長，是暴雨區(qū)水汽的主要貢獻(xiàn)者；來源于西亞對流層中層4000 m的干空氣（圖7a綠色軌跡）在移到我國大陸時(shí)下沉到1500 m以下，從下墊面獲得水汽而變濕，再上升到3000 m時(shí)仍然有較大的比濕，對暴雨區(qū)的水汽也有一定的貢獻(xiàn)；而5000 m以上的氣塊水汽含量少，對暴雨的貢獻(xiàn)很小。

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

通過對湖北三次春季暴雨過程發(fā)生的天氣形勢、主要影響系統(tǒng)分析以及強(qiáng)降水中心上空192、120、144 h后向軌跡模擬結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論：

1）三次暴雨過程發(fā)生均在500 hPa槽移動緩慢，低層低渦、切變線、低空急流、地面冷鋒等天氣系統(tǒng)共同影響的背景下，上升運(yùn)動強(qiáng)、水汽充沛，高空輻散也有利于暴雨過程的發(fā)生發(fā)展。但三次過程中各層系統(tǒng)的位置、強(qiáng)度及持續(xù)的時(shí)間不完全不同，如“2019年”暴雨過程中先鋒前暖區(qū)降水后鋒面降水，而“2017年”“2005年”均是鋒面降水。

2）“2017年”暴雨過程強(qiáng)降水中心陽新站的水汽主要來自5000 m以下，其中終點(diǎn)到達(dá)陽新站500、1500、3000 m上空的氣塊，雖然氣塊的起始高度、移動方向和屬性不同，但均從南海北部近海面獲得水汽，對暴雨過程水汽貢獻(xiàn)大；而來自阿拉伯海西北部的氣塊在東移過程中從近地面獲得水汽，再上升到5000 m時(shí)變干，對暴雨過程水汽的貢獻(xiàn)相對小。

3）“2005年”暴雨過程強(qiáng)降水中心漢川的水汽主要來自3000 m以下，其中終點(diǎn)到達(dá)漢川站上空500 m、1500 m的氣塊，從不同的方向分別下沉到南海北部近海面和北部灣近海面，在近海面停留時(shí)間長，水汽增加，對暴雨過程水汽貢獻(xiàn)大；起源于西亞對流層中層的干空氣下沉到我國大陸1500 m時(shí)，陸面蒸發(fā)使氣塊獲得水汽，氣塊到達(dá)3000 m仍有較高的比濕。

4）“2019年”暴雨過程對流層中低層3000 m以下氣塊所含的水汽是強(qiáng)降水中心廣水站水汽的主要來源。其中源自對流層低層1500 m以下湖南和江西的氣塊，從近地面獲得水汽，是暴雨水汽的主要貢獻(xiàn)者；其次是從西亞對流層中層下沉到華南大陸1500 m以上的氣塊，下墊面水汽蒸發(fā)使氣塊變濕，氣塊上升到3000 m時(shí)仍有較大的水汽含量。

5）三次暴雨過程的共同特征是水汽均來源于對流層中低層氣塊，特別是3000 m以下的氣塊水汽含量大，對暴雨區(qū)的貢獻(xiàn)大；但氣塊的源地、移動路徑和氣塊獲得水汽的途徑不同。三次暴雨過程中終點(diǎn)到達(dá)5000、7000和9000 m的氣塊，均來自孟加拉國及其以西地區(qū)，向東或東北方向移動到強(qiáng)降水中心，水汽含量少；終點(diǎn)到達(dá)500 m的氣塊，分別來自中南半島北部、東海和暴雨區(qū)南側(cè)的近地層，氣塊比濕最大；終點(diǎn)到達(dá)1500 m的氣塊，分別源自暴雨區(qū)的北側(cè)、孟加拉灣東部和暴雨區(qū)南側(cè)的近地層，氣塊比濕較大；終點(diǎn)到達(dá)3000 m的氣塊，分別源自黃海、西亞地區(qū)，氣塊仍有一定的水汽含量?！?017年”“2005年”暴雨過程主要從南海近海面獲得水汽，其次是從陸地上獲得水汽，而“2019年”暴雨過程主要是獲得陸地蒸發(fā)的水汽。表明暴雨過程中水汽來源和輸送的多樣性和復(fù)雜性。

通過對湖北春季三次暴雨過程的分析得到的預(yù)報(bào)啟示是：在西風(fēng)帶高低空系統(tǒng)有利的配置下，除了關(guān)注副熱帶夏季風(fēng)從南海輸送水汽外，還要重視暴雨區(qū)本地及其周邊地區(qū)近地層高溫高濕環(huán)境中水汽的貢獻(xiàn)。

3.2 討論

1）作者對“2019年”暴雨過程中其他暴雨中心，如隨州站和壇子嶺站的后向軌跡追蹤結(jié)果與廣水站各層氣塊的特征基本相似，再次證明了本地及其周圍地區(qū)水汽的重要性。

2）盡管“2005”和“2017年”暴雨過程中有來自海上的氣塊，但這些氣塊并不是濕氣塊。對這2次過程氣塊起始時(shí)刻（分別為2017年3月31日20時(shí)和2005年4月3日20時(shí)）的天氣背景進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這2次過程均受高空偏北氣流和地面冷高壓控制，晴朗少云，空氣干燥，且伴有下沉氣流，水汽含量少。因此來自海上的氣塊不一定都是濕氣塊，要仔細(xì)氣塊分析在源地及其移動過程中水汽的變化。

3）陽新和漢川的大暴雨中心分別出現(xiàn)在幕阜山和大別山地形的迎風(fēng)坡，地形對暴雨的增幅的定量計(jì)算也值得進(jìn)一步研究。