莊曉翠，趙江偉，李博淵，張?jiān)苹?/p>

(1.新疆阿勒泰地區(qū)氣象局，阿勒泰836500；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，烏魯木齊830002)

引言

南疆西部地處西天山以南，帕米爾高原和昆侖山脈以北，位于中國(guó)面積最大內(nèi)陸盆地—塔里木盆地及塔克拉瑪干沙漠西緣，呈向東開口的喇叭口型；深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，水汽匱乏，屬典型內(nèi)陸干旱區(qū)。在全球變暖的氣候背景下，南疆西部暴雨日數(shù)和暴雨強(qiáng)度均呈顯著增加趨勢(shì)(張?jiān)苹莸龋?013；韓云環(huán)等，2014)。由于南疆西部地表植被少，儲(chǔ)水能力差，出現(xiàn)暴雨后易誘發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害，給人們生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失(張俊蘭等，2016；黃艷等，2018；莊曉翠等，2020)。暴雨又是干旱區(qū)重要的水資源，因此，精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)是趨利避害的重要途徑之一。由于新疆暴雨是小概率事件，尤其是南疆西部特殊的地形地貌，研究其水汽來(lái)源及輸送，為南疆暴雨災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)提供科技支撐，也是預(yù)報(bào)員亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

多年來(lái)，基于歐拉方法針對(duì)南疆西部暴雨水汽已有較多研究，如努爾比亞·吐尼牙孜等(2019)對(duì)南疆西部4場(chǎng)暴雨研究表明，南邊界水汽輸送是南疆西部暴雨的重要水汽來(lái)源，東邊界水汽輸送是該區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的重要補(bǔ)給。張?jiān)苹莸?2015)、王江等(2015)對(duì)南疆西部一次持續(xù)性暴雨研究表明，充沛的水汽被一支從阿拉伯海和孟加拉灣的偏南氣流向北輸送，偏南風(fēng)持續(xù)增速加大了水汽的輸送，水汽輸送主要來(lái)自西、南面。張?jiān)苹莸?2013)對(duì)南疆西部一次罕見暴雨研究表明，水汽源自較深厚的中亞低渦西南氣流攜帶的水汽，中低層哈密南部至南疆盆地偏東氣流的水汽聚集與輻合和中高層中亞南部偏南風(fēng)所攜帶的暖濕氣流接力輸送；85%的水汽來(lái)自偏東和偏南氣流。曾勇和楊蓮梅(2017a)研究表明，南疆西部?jī)纱味虝r(shí)強(qiáng)降水500 hPa 均沒有明顯的連續(xù)水汽輸送通道，只有系統(tǒng)自身攜帶的局地偏西水汽輸送，700 hPa 南疆盆地內(nèi)部的偏東水汽輸送通道；強(qiáng)降水發(fā)生前水汽通道快速建立增強(qiáng)，強(qiáng)降水發(fā)生后迅速減弱斷裂。曾勇和楊蓮梅(2017b)對(duì)南疆西部一次暴雨研究表明，除中亞低渦自身攜帶水汽外，孟加拉灣、阿拉伯海和南海水汽輸送為強(qiáng)降水區(qū)提供了充足水汽源，中低層的東南風(fēng)急流輻合為暴雨提供了水汽輻合的動(dòng)力條件。近年來(lái)，利用拉格朗日軌跡模式(HYSPLIT)分析南疆西部暴雨水汽軌跡也有一些研究，如孫穎姝等(2019)對(duì)南疆西部一次暴雨過(guò)程研究表明，主要有兩條水汽通道，均源于新疆西部的歐亞大陸但輸送路徑有所差異，偏西路徑和轉(zhuǎn)向路徑分別主要輸送800 hPa 以上和以下的水汽，降水發(fā)生前兩條路徑在垂直方向上均有明顯抬升。牟歡等(2021)對(duì)南疆西部一次特大暴雨過(guò)程研究表明，水汽源于巴倫支海、喀拉海、挪威海和地中海；水汽軌跡在哈薩克丘陵匯聚后進(jìn)入北疆，再繞過(guò)天山東側(cè)到達(dá)羅布泊地區(qū)后隨低層偏東急流抵達(dá)暴雨區(qū)上空；雖然從巴倫支海、喀拉海、挪威海出發(fā)的水汽軌跡略多于地中海，但兩地的水汽貢獻(xiàn)率分別占62%和38%；后向軌跡分析結(jié)果中并未出現(xiàn)從孟加拉灣出發(fā)的低層?xùn)|方路徑水汽，說(shuō)明該區(qū)域的水汽并不是構(gòu)成南疆西部暴雨水汽的必要條件?？梢?，對(duì)南疆西部暴雨水汽來(lái)源及輸送路徑的研究主要是基于歐拉方法，但該方法無(wú)法精確地分離出究竟哪些水汽通道對(duì)所研究區(qū)域的降水起主要作用，哪些起次要作用，尤其是存在水汽通道匯合的情況，分離出不同通道的信息就更加困難，而且水汽在輸送過(guò)程中存在垂直運(yùn)動(dòng)，采用二維流場(chǎng)來(lái)分析水汽輸送的空間特征無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確地反映出氣流在輸送過(guò)程中的三維變化特征，而軌跡模式HYSPLIT 克服了這一缺點(diǎn)，因?yàn)樵撃Ｊ狡搅骱蛿U(kuò)散計(jì)算采用拉格朗日方法，用于跟蹤氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡的高度是隨地點(diǎn)和時(shí)間變化的，可以真實(shí)準(zhǔn)確地反映氣流在輸送過(guò)程中的三維變化，因此拉格朗日軌跡方法可以更加客觀定量地分析出不同水汽通道水汽的貢獻(xiàn)率(James et al.,2004；陳斌等，2011；孫建華等，2016；謝澤明等，2018；陳專紅等，2019；李曉榮等，2020)。因此，本文利用HYSPLIT 模式對(duì)南疆西部暖季暴雨的水汽源地及輸送進(jìn)行較詳細(xì)分析，比較水汽不同源地、軌跡的變化及其對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)，以期對(duì)南疆西部暴雨的水汽特征有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，為新疆暴雨預(yù)報(bào)提供新的科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

南疆地處天山以南，昆侖山以北，帕米爾高原東北坡，地域廣袤，地形復(fù)雜。巴音郭楞蒙古自治州和阿克蘇地區(qū)主要位于天山南麓，和田地區(qū)主要位于昆侖山北麓；喀什地區(qū)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州(簡(jiǎn)稱克州)處于典型的向東開口的喇叭口地形處，因此，本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)(努爾比亞·吐尼牙孜等，2019；楊蓮梅等，2020)的劃分，將圖1方框的區(qū)域(72°—80°E,36°—42°N)：喀什地區(qū)和克州，包括和田地區(qū)皮山、墨玉、和田站及阿克蘇地區(qū)柯坪、烏什站作為研究區(qū)域—南疆西部。其北部的西天山和西南部的帕米爾高原，海拔基本在3 000 m以上，且區(qū)域內(nèi)海拔高度參差不起，因此，分別對(duì)南疆西部平原區(qū)(海拔高度＜1 500 m 以下的站)和山區(qū)(海拔高度≥1 500 m 以上的站)暴雨的水汽特征進(jìn)行對(duì)比分析。

2 資料和方法

2.1 資料

運(yùn)用南疆西部1981—2020 年暖季(4—9 月，下同)20 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站(圖1)逐日降水量(20∶00 至次日20∶00，北京時(shí)，下同)資料，NCEP/NCAR/GDAS(2.5°×2.5°)逐6 h 再分析資料，GDAS 為全球分析資料已由NOAA的ARL(Air Resources Laboratory)打包成HYSPLIT可用的數(shù)據(jù)格式。

圖1 南疆地形(填色,單位：m)及研究區(qū)域(方框)和氣象站(黑點(diǎn))分布Fig.1 Topography of southern Xinjiang(color,unit:m),research area(box)and weather station(black spot)distribution

2.2 方法

按新疆暴雨標(biāo)準(zhǔn)(24 h 日降水量R，24.0＜R≤48.0 mm為暴雨，R≥48.1 mm為大暴雨)，滿足：(1)2個(gè)以上相鄰地區(qū)，1 d有5個(gè)以上測(cè)站出現(xiàn)暴雨；(2)1 d內(nèi)1 個(gè)地區(qū)有2 站或以上出現(xiàn)暴雨；(3)相鄰2～3 個(gè)地區(qū)1 d 有3～4 站出現(xiàn)暴雨，或連續(xù)2 d 有4 站及以上出現(xiàn)暴雨。符合上述條件之一的為一次暴雨過(guò)程，共篩選出16 個(gè)(平原區(qū)10 個(gè)，山區(qū)6 個(gè))。分析暴雨過(guò)程的環(huán)流背景，運(yùn)用HYSPLIT(Draxler et al.，1998；Stohl et al.，2004；Makra et al.，2011)模式模擬后向追蹤南疆西部暴雨水汽源地和輸送特征。

研究時(shí)段內(nèi)暴雨中心測(cè)站海拔高度在1 180—2 409 m，因此，選取暴雨中心初始高度時(shí)考慮測(cè)站海拔高度，選取5 000 m、3 000 m、1 500 m(距地面高度)減去站點(diǎn)(暴雨中心)海拔高度，分別對(duì)應(yīng)平均等壓面500 hPa、700 hPa、850 hPa 高度層次為模擬初始高度；模擬開始時(shí)間為暴雨日20∶00，向后追蹤168 h水汽三維運(yùn)動(dòng)軌跡，后向時(shí)間步長(zhǎng)為6 h，每隔6 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置及相應(yīng)位置上氣塊的物理屬性(高度、比濕等)。分別將各初始高度得到的后向軌跡路徑進(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(Draxler et a.，1998；Stohl et al.，2004；Makra et al.，2011)，得到168 h 后向追蹤的平均軌跡，以此分析南疆西部平原區(qū)和山區(qū)在3個(gè)高度上水汽來(lái)源及軌跡特征。

3 環(huán)流背景

分析南疆西部16 例暴雨天氣(平原、山區(qū))的環(huán)流背景可知(圖2)，100 hPa 南亞高壓多呈單體型(12 例)，其次為雙體型(4例)；總體而言，高壓中心位于20°N以南的青藏高原南部(圖2a)。南疆西部處于200 hPa 高空西南急流軸左側(cè)附近，在暴雨區(qū)上空形成較強(qiáng)的高空輻散區(qū)(圖2a)。500 hPa 上歐亞范圍中高緯度呈兩脊一槽型(15 例)和兩脊兩槽型(僅1 例)，其共同特征是：伊朗副熱帶高壓向北發(fā)展，與東歐高壓脊同位相疊加，環(huán)流經(jīng)向度大，西伯利亞至中亞為低槽活動(dòng)區(qū)，槽底南伸至30°N以南，南疆西部處于槽前西南氣流控制(圖2b)。西太平洋副熱帶高壓西伸北挺，在(110°E,20°N)附近形成閉合中心，與伊朗副高在低緯度形成兩脊一槽型，兩高之間的低槽活動(dòng)區(qū)，與中高緯度低槽同位相疊加(圖2b)，有利于低緯度水汽向暴雨區(qū)輸送。700 hPa暴雨前南疆盆地為偏東氣流，偏東風(fēng)在南疆西部形成明顯的風(fēng)速輻合，且偏東風(fēng)與帕米爾高原大地形垂直，使水汽在此迅速輻合聚集，有利于產(chǎn)生暴雨天氣。

圖2 南疆西部暴雨過(guò)程典型環(huán)流背景：(a)100 hPa高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)和200 hPa高空急流(陰影，單位：m·s-1)；(b)500 hPa高度場(chǎng)(黑色實(shí)線，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)、溫度場(chǎng)(紅色虛線，單位：℃)；(c)700 hPa高度場(chǎng)(黑色實(shí)線，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)、溫度場(chǎng)(紅色虛線，單位：℃)、水汽通量散度(陰影，單位：10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)，淡灰色為＞3 000 m地形Fig.2 Rainstorm process in western Southern Xinjiang:(a)100 hPa height field(Isoline line,unit:dagpm)and 200 hPa upper-level jet stream(shadow,unit:m·s-1);(b)500hPa height field(solid line,unit:dagpm),wind field(unit:m·s-1),temperature field(dashed line,unit:℃);(c)700 hPa height field(solid line,unit:dagpm),wind field(unit:m·s-1),temperature field(dashed line,unit:℃),water vapor flux divergence(shadow,unit:10-6g·cm-2·hPA-1·s-1),light gray is above 3 000 m

4 水汽軌跡特征

對(duì)南疆西部16 例暴雨過(guò)程(平原、山區(qū))500 hPa上，水汽后向追蹤軌跡進(jìn)行聚類,共得到70 條平均軌跡。軌跡顯示水汽自源地經(jīng)TKAP 關(guān)鍵區(qū)(塔吉克斯坦(The Republic of Tajikistan)、吉爾吉斯坦(The Kyrgyz Republic)和阿富汗(The Islamic Republic of Afghanistan)東北部、巴基斯坦(Islamic Republic of Pakistan)北部和印度(Republic of India)西北部(簡(jiǎn)稱TKAP))，翻越西天山或帕米爾高原，再輸送到南疆西部暴雨區(qū)。其中，67 條水汽軌跡到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后，由西南(偏西)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)，稱西南(偏西)路徑，占95.7%；2條水汽軌跡到達(dá)關(guān)鍵區(qū)后，由西北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)，稱西北路徑，占2.9%；1條水汽軌跡進(jìn)入南疆盆地(南疆關(guān)鍵區(qū))后轉(zhuǎn)向從東北路徑到達(dá)暴雨區(qū)，稱東北路徑，占1.4%。圖3為平原10例暴雨過(guò)程500 hPa水汽輸送軌跡。由于平原和山區(qū)地形存在較大的差別，那么在這兩種特殊的地形背景下，南疆西部水汽輸送有何差別？

圖3 南疆西部平原區(qū)10例暴雨500 hPa水汽輸送軌跡空間分布和高度(單位：m，變化圖中數(shù)值為水汽軌跡的序號(hào)，括號(hào)中的數(shù)值是水汽源地對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)率)：(a)1981年8月29日；(b)1982年8月27日；(c)2004年5月1日；(d)2010年6月5日；(e)2010年7月31日；(f)2013年5月28日；(g)2015年8月31日；(h)2016年9月2日；(i)2017年7月16日；(j)2018年5月21日Fig.3 Spatial distribution and height change(unit:m)of 500 hPa water vapor transport track of 10 heavy rains in the western plain of southern Xinjiang.The value in the figure is the serial number of the water vapor track,and the value in parentheses is the contribution rate of the water vapor source to the rainstorm:(a)August 29,1981;(b)August 27,1982;(c)May 1,2004;(d)June 5,2010;(e)July 31,2010;(f)May 28,2013;(g)August 31,2015;(h)September 2,2016;(I)16 July 2017,(j)21 May 2018

4.1 平原區(qū)不同高度層水汽特征

4.1.1 500 hPa

圖4對(duì)應(yīng)給出圖3 中南疆西部平原區(qū)10個(gè)暴雨過(guò)程不同水汽后向軌跡比濕隨時(shí)間的變化，即圖4 中C1、C2、C3、C4、C5、C6 分別對(duì)應(yīng)圖3 中水汽軌跡1、2、3、4、5、6 的比濕。另外，統(tǒng)計(jì)分析圖3 南疆西部10 例暴雨500 hPa水汽軌跡的空間分布和高度變化以及水汽軌跡的比濕變化，其結(jié)果見表1。由表1 可知，近40 a 來(lái)，影響南疆西部平原區(qū)暴雨的水汽源地主要來(lái)自西南亞(亞洲西南部：伊朗、伊拉克、阿富汗、沙特阿拉伯、也門、印度、巴基斯坦、尼泊爾等國(guó)家，包括阿拉伯海、波斯灣、紅海及索馬里)共14 條軌跡，稱水汽源地I(簡(jiǎn)稱源地I，下同)；源地I 的水汽經(jīng)TKAP 關(guān)鍵區(qū)后，從西南路徑輸入暴雨區(qū)。其次是中亞(哈薩克斯坦、塔吉克斯坦、吉爾吉斯坦、烏茲別克斯坦、土庫(kù)愛斯坦，包括里海、咸海和烏拉爾山中南部、西西伯利亞南部(60°N 以南的區(qū)域)共10 條軌跡，稱水汽源地II(簡(jiǎn)稱源地II，下同)；其輸入路徑同源地I。第3是地中海和黑海及其附近，共8 條軌跡，稱水汽源地III(簡(jiǎn)稱源地III，下同)；其輸入路徑為西南(偏西)。第4是大西洋及其沿岸共6條軌跡，稱水汽源Ⅳ地(簡(jiǎn)稱源地Ⅳ，下同)。來(lái)自北歐(2 條)、中歐(1 條)及1 條加拿大北部的哈德孫灣(北美洲,圖3g)，共4條軌跡(簡(jiǎn)稱其它源地，簡(jiǎn)稱其它)；其輸入路徑為偏西(西南、西北)。上述源地水汽自源地經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)，主要從西南(偏西)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。另外，1條來(lái)自新地島東部海域的水汽東南下至烏拉爾山南部-巴爾喀什湖-吉爾吉斯坦東北部-阿克蘇東部，然后轉(zhuǎn)向從東北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)(表略)。

圖4 南疆西部平原區(qū)10例暴雨500 hPa水汽輸送軌跡的比濕(單位：g·kg-1)變化(圖中C1、C2、…、C6對(duì)應(yīng)圖3中1、2、…、6軌跡的比濕,其它圖例說(shuō)明同圖3)Fig.4 Specific humidity variation(unit:g·kg-1)of 500hPa water vapor transport trajectory of 10 heavy rain cases in western southern xinjiang(C1,C2,...,C6 corresponds to 1,2...,6 specific humidity of track,others are the same as Fig.3)

由表1 可知，水汽源地I 對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～54%，平均為26%；水汽從1—2 961 m 的高度(平均為995 m)向500 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為2.60～19.66 g·kg-1，平均為8.24 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.23～3.64 g·kg-1，平均為2.17 g·kg-1；水汽從源地I 輸送至暴雨區(qū)過(guò)程中沿途損失很多(74%)。水汽源地Ⅱ?qū)Ρ┯甑呢暙I(xiàn)是11%～43%，平均為28%；水汽從4—5 372 m 的高度(平均為2 014 m)向500 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為2.07～6.38 g·kg-1，平均為3.94 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.15～2.40 g·kg-1，平均為1.73 g·kg-1；水汽從源地II輸送至暴雨區(qū)沿途平均損失了56%。水汽源地III 對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是11%～36%，平均為25%；水汽從2 741—6 322 m 的高度(平均為4 747 m)向500 hPa暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為0.37～4.61 g·kg-1，平均為2.06 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.06～2.24 g·kg-1，平均為1.52 g·kg-1；水汽從源地III輸送至暴雨區(qū)過(guò)程中損失較少(26%)。水汽源地IV對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是4%～29%，平均為14%；水汽從3 353—7 619 m 的高度(平均高度5 963 m)向500 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽源地的比濕為0.30～5.25 g·kg-1，平均為1.58 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為0.50～2.30 g·kg-1，平均為1.15 g·kg-1；水汽從源地輸送至暴雨區(qū)的過(guò)程中損失較小。來(lái)自其它源地的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是4%～25%，平均為18%；水汽從5 103—8 146 m的高度(平均為6 916 m)向500 hPa的暴雨區(qū)輸送；水汽源地的比濕為0.30～0.95 g·kg-1，平均為0.53 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為0.87～1.30 g·kg-1，平均為1.13 g·kg-1；水汽從其它源地輸送至暴雨區(qū)的過(guò)程中比濕增加了113%。

綜上可知，500 hPa 上，南疆西部平原區(qū)暴雨的水汽主要來(lái)自源地I、II、III、IV。水汽自不同源地向東輸送，經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)從西南(偏西)路徑進(jìn)入南疆西部暴雨區(qū)。水汽源地I 和II 對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)較大，其次是源地III，水汽源地IV相對(duì)較小。水汽由源地向暴雨區(qū)輸送的過(guò)程中，其沿途損失大小依次為源地I＞源地II＞源地IV＞源地III。來(lái)自源地Ⅲ和Ⅳ及其它源地的水汽主要從≥2 000 m 的高度向500 hPa 的暴雨區(qū)輸送，來(lái)自源地Ⅰ和Ⅱ的水汽主要從＜2 000 m 的高度向暴雨區(qū)輸送；該層從＞2 000 m的高度輸送的水汽占主導(dǎo)地位。另外，在特定的環(huán)流背景下，該區(qū)500 hPa水汽有來(lái)自北美洲東北部(圖3g)的水汽，與以往研究結(jié)論不同(曾勇和楊蓮梅，2017b；謝澤明等，2018)。

表1南疆西部暖季平原區(qū)暴雨500 hPa主要水汽源地及其對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)Table 1 The 500hPa water vapor source and its contribution to the rainstorm in the western plain of Southern Xinjiang in warm season

4.1.2 700 hPa

統(tǒng)計(jì)南疆西部平原區(qū)10例暴雨過(guò)程700 hPa上水汽軌跡的空間分布和高度變化，以及水汽軌跡的比濕變化(圖略)得到表2。共41條軌跡，其中29條軌跡，自源地經(jīng)TKAP 關(guān)鍵區(qū)從偏西(西南、西北)路徑(28 條、1條)進(jìn)入暴雨區(qū)。有12條水汽軌跡自源地經(jīng)北疆翻越天山進(jìn)入南疆盆地關(guān)鍵區(qū)(簡(jiǎn)稱南疆關(guān)鍵區(qū))，主要從偏東(東北、東南)路徑(10條、2條)進(jìn)入暴雨區(qū)；孫穎姝等(2020)稱其為轉(zhuǎn)向路徑。可見，700 hPa上影響南疆西部暴雨的水汽有2個(gè)關(guān)鍵區(qū)。下面分別討論2個(gè)關(guān)鍵區(qū)水汽源地及輸送特征。

(1)TKAP關(guān)鍵區(qū)。由表2可知，700 hPa上影響南疆西部平原暴雨的水汽源地主要有2個(gè)。水汽源地II(14 條)對(duì)平原區(qū)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～71%，平均為30%；從1—1 826 m 的高度(平均為427 m)向700 hPa的暴雨區(qū)輸送；水汽源地的比濕為3.40～9.30 g·kg-1，平均為6.15 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.98～6.79 g·kg-1，平均為4.66 g·kg-1；水汽從源地II 輸送至暴雨區(qū)平均損失了24%。來(lái)自源地I (8 條)的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～57%，平均為22%；水汽從10—1 966 m的高度(平均為608 m)向700 hPa暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為2.43～14.50 g·kg-1，平均為8.13 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.33～7.08 g·kg-1，平均為4.21 g·kg-1；該源地輸送至暴雨區(qū)沿途損失較多(48%)。來(lái)自源地Ⅲ(3條)及巴倫之海南部、法國(guó)西部洋面、挪威海東部、加拿大紐芬蘭島東部海域(圖5)各1 條，共7 條其它源地的水汽軌跡(簡(jiǎn)稱其它Ⅰ)，對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～39%，平均為21%；水汽從2 084—7 654 m 的高度(平均為4 485 m)向700 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為0.38～3.21 g·kg-1，平均為1.82 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.88～4.20 g·kg-1，平均為3.20 g·kg-1；水汽從源地輸送至暴雨區(qū)增加了76%。

圖5 2004年5月1日南疆西部平原區(qū)暴雨700 hPa水汽輸送軌跡空間分布和高度(單位：m)變化Fig.5 Spatial distribution and height change(unit:m)of water vapor transport track at 700 hPa during a rainstorm in the western plain of southern Xinjiang on May 1,2004

(2) 南疆關(guān)鍵區(qū)。水汽主要來(lái)自南疆(6 條)，源地Ⅱ(3條)、北疆(2條)及烏拉爾山(1條)共6條，簡(jiǎn)稱其它Ⅱ。南疆的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是14%～29%，平均為23%。水汽從1—84 m 的近地層(平均為42 m)向700 hPa的暴雨區(qū)輸送；盆地蒸發(fā)的水汽從偏東路徑進(jìn)入南疆西部暴雨區(qū)；水汽在源地的比濕為6.35～11.92 g·kg-1，平均為9.04 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為3.55～4.95 g·kg-1，平均為4.39 g·kg-1；可見南疆盆地水汽輸送至暴雨區(qū)的過(guò)程中，雖然距離較近，但受沙漠特殊地形的影響沿途損失較多(51%)。其它源地Ⅱ的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～32%，平均為20%；水汽從7—1 438 m 的高度(平均為409 m)向700 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為1.71～9.40 g·kg-1，平均為6.63 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為3.61～6.11 g·kg-1，平均為4.67 g·kg-1；水汽由源地輸送至暴雨區(qū)沿途損失了30%(表2)。

表2 南疆西部平原區(qū)暖季暴雨天氣700 hPa主要水汽源地及其對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)Table 2 The 700 hPa water vapor source and its contribution to the rainstorm in the western plain of Southern Xinjiang in warm season

綜上可見，700 hPa影響南疆西部平原暴雨的水汽從源地出發(fā)主要經(jīng)TKAP 關(guān)鍵區(qū)，翻越西天山或帕米爾高原，主要從偏西路徑接力輸送至暴雨區(qū)；其次是水汽從源地出發(fā)經(jīng)北疆，翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，主要從偏東路徑進(jìn)入暴雨區(qū)?？傮w上，TKAP 關(guān)鍵區(qū)對(duì)暴雨貢獻(xiàn)較大，損失較??；TKAP關(guān)鍵區(qū)中各源地對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)依次是水汽源地II＞源地I＞其它Ⅰ，南疆關(guān)鍵區(qū)是其它Ⅱ＜南疆；損失大小TKAP 關(guān)鍵區(qū)為源地I＞源地II＞其它Ⅰ，南疆關(guān)鍵區(qū)為南疆＞其它Ⅱ。源地Ⅰ、Ⅱ及南疆的水汽主要從≤1 500 m的高度向暴雨區(qū)輸送；其它源地從＞1 500 m 的高度向暴雨區(qū)輸送，該層從≤1 500 m 的高度輸送的水汽占主導(dǎo)地位。另外，在特定的環(huán)流背景下，該區(qū)700 hPa水汽有來(lái)自北美洲東北部海域(圖5)的水汽，與以往研究結(jié)論不同(曾勇和楊蓮梅，2017b；謝澤明等，2018)。

4.1.3 850 hPa

統(tǒng)計(jì)南疆西部平原10例暴雨過(guò)程850 hPa上水汽軌跡的空間分布和高度變化，以及水汽軌跡的比濕變化(圖略)，結(jié)果見表3。共44條水汽軌跡，其中33條軌跡自源地經(jīng)北疆，翻越天山達(dá)到南疆關(guān)鍵區(qū)，主要從偏東(東北、東南)路徑(31 條)進(jìn)入暴雨區(qū)；有2 條回流東灌進(jìn)入南疆的水汽軌跡，分別繞道至暴雨區(qū)南部、北部，從西南、西北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。11 條軌跡經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)從偏西(西南、西北)方向，進(jìn)入暴雨區(qū)。

(1)南疆關(guān)鍵區(qū)。經(jīng)南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽源地主要有源地II(17 條)、其次是南疆源地(10 條)，第3 是來(lái)自北疆水汽(5 條)，有1 條來(lái)自烏拉爾山北部的高緯度(表略)。來(lái)自源地II 的水汽對(duì)南疆西部平原暴雨的貢獻(xiàn)是7%～39%，平均為19%；從0—353 m的邊界層(平均為64 m)向850 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為3.51～11.36 g·kg-1，平均為6.62 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為4.79～13.82 g·kg-1，平均為7.97 g·kg-1；水汽源地II 輸送至暴雨區(qū)的過(guò)程中比濕增加20%(表3)。來(lái)自南疆的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是14%～43%，平均為27%；從2—83 m 的邊界層(平均為45 m)向850 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為6.52～11.60 g·kg-1，平均為9.16 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為5.18～12.68 g·kg-1，平均為8.26 g·kg-1；該源地的水汽沿途略有減小(10%)。來(lái)自北疆的水汽對(duì)平原區(qū)暴雨的貢獻(xiàn)是11%～21%，平均為16%；從2—598 m 的邊界層(平均為206 m)向850 hPa 的暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為7.28～9.63 g·kg-1，平均為8.63 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為7.23～11.38 g·kg-1，平均為9.28 g·kg-1；來(lái)自北疆的水汽在到達(dá)南疆西部暴雨區(qū)的過(guò)程中略有增加(8%)。極少數(shù)情況，有來(lái)自高緯度的水汽，對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%，從3 m的邊界層向850 hPa 的對(duì)流層低層的暴雨區(qū)輸送；水汽從高緯度南下至北疆-翻越天山山脈進(jìn)入南疆盆地，以東北路徑進(jìn)入暴雨區(qū)；水汽在源地的比濕為3.80 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為7.30 g·kg-1，沿途增加了3.50 g·kg-1，幾乎為源地的1倍(表略)。

表3 南疆西部平原暖季暴雨850 hPa水汽源地及其對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)Table 3 The 850 hPa water vapor source and its contribution to the rainstorm in the western plain of Southern Xinjiang in warm season

(2)TKAP關(guān)鍵區(qū)。經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)影響南疆西部平原暴雨的水汽源地主要有水汽源地II(4條)、源地I(3條)、源地Ⅲ(3 條)及源地Ⅳ(1 條)。對(duì)南疆西部平原暴雨的貢獻(xiàn)是4%～71%，平均為29%；從7—5 641 m 的高度(平均為1 699 m)向850 hPa暴雨區(qū)輸送。水汽從源地出發(fā)到達(dá)TKAP關(guān)鍵區(qū)，主要以偏西(西南9條、西北2 條)路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。水汽在源地的比濕為0.35～19.10 g·kg-1，平均為5.48 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為4.13～7.60 g·kg-1，平均為5.77 g·kg-1。水汽從源地到達(dá)暴雨區(qū)的過(guò)程中略有增加(表3)。

由此可見，850 hPa上南疆西部平原區(qū)暴雨水汽經(jīng)南疆、TKAP 關(guān)鍵區(qū)分別從偏東、偏西路徑進(jìn)入暴雨區(qū)，前者較多，幾乎無(wú)損失。自源地到達(dá)南疆關(guān)鍵區(qū)的水汽主要在邊界層輸送，有3個(gè)水汽源地，源地II出現(xiàn)最多，南疆次之，北疆最少，對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)與之相反；經(jīng)TKAP 關(guān)鍵區(qū)的源地輸送過(guò)程較復(fù)雜。來(lái)自源地II、南疆、北疆的水汽主要從＜600 m 的近地層向850 hPa暴雨區(qū)輸送，且從＜600 m高度輸送的水汽占主導(dǎo)地位。

4.2 山區(qū)不同高度層水汽特征

4.2.1 500 hPa

統(tǒng)計(jì)分析南疆西部山區(qū)6 例暴雨水汽軌跡的空間分布和高度變化(圖6)，以及水汽軌跡的比濕變化(圖7)得到表4。由表4可知，近40 a來(lái)，影響南疆西部山區(qū)暴雨的水汽主要來(lái)自源地I(5條)，其次是源地II(5條)；第3是源地III(5條)；另外，來(lái)自烏拉爾山北部、泰米爾半島、新地島及其附近海域(包括西西伯利亞60°N 以北的區(qū)域)共4 條軌跡(稱高緯度水汽源地Ⅴ，簡(jiǎn)稱Ⅴ)，北歐、中歐、大西洋及其沿岸(各2條)，北美洲的格陵蘭島南部沿岸(圖6d)及北非的尼日爾東部(圖6f)各1 條，共12 條軌跡(簡(jiǎn)稱其它源地Ⅲ，簡(jiǎn)稱其它Ⅲ)。上述源地水汽經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)，主要從西南路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。

圖6 南疆西部山區(qū)6例暴雨500 hPa水汽輸送軌跡空間分布和高度(單位：m)變化（圖例說(shuō)明同圖3）：(a)1993年5月12日；(b)1996年8月21日；(c)2001年9月23日；(d)2010年9月17日，(e)2019年4月29日；(f)2020年4月20日Fig.6 spatial distribution and height(unit:m)of 500 hPa water vapor transport track of six heavy rains in the western mountainous area of southern xinjiang:(a)12 May 1993,(b)21 August 1996,(c)23 September 2001,(d)17 September 2010,(e)29 April 2019,(f)20 April 2020

圖7 南疆西部山區(qū)6例暴雨500 hPa水汽輸送軌跡的比濕(單位：g·kg-1)變化(圖中C1、C2、…、C6對(duì)應(yīng)圖3中1、2、…、6軌跡的比濕,其它同圖6)Fig.7 variation of specific humidity(unit:g·kg-1)of 500hPa water vapor transport trajectory of six heavy rains in the western mountainous area of southern xinjiang(C1,C2...,C6 corresponds to 1,2...,6 specific humidity of the track,others are the same as Fig.6)

由表4 可知，水汽源地I 對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是21%～39%，平均為27%；水汽從572—1 840 m 的高度(平均為980 m)向500 hPa暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為5.25～9.27 g·kg-1，平均為6.78 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.06～2.38 g·kg-1，平均為1.64 g·kg-1；水汽從源地I 輸送至暴雨區(qū)過(guò)程中沿途損失較多，為76%(表4)。水汽源地II 對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～46%，平均為28%；水汽從361—890 m (平均為743 m)的高度向500 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽源地的比濕為0.15～5.31 g·kg-1，平均為3.94 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)比濕為1.40～2.82 g·kg-1，平均為2.11 g·kg-1；水汽從源地II 輸送至暴雨區(qū)平均損失了40%。水汽源地III對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是11%～39%，平均為18%。水汽從653—6 226 m的高度(平均為1 880 m)向500 hPa暴雨區(qū)輸送；水汽源地的比濕為0.13～2.13 g·kg-1，平均為1.76 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為1.03～3.35 g·kg-1，平均為1.75 g·kg-1；水汽從源地III 輸送至暴雨區(qū)基本無(wú)損失(表4)。來(lái)自其它源地Ⅲ的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是4%～39%，平均為19%；水汽從395—6 858 m 的高度(平均為2 314 m)向500 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽源地的比濕為0.37～5.94 g·kg-1，平均為1.64 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為0.75～3.00 g·kg-1，平均為1.72 g·kg-1；水汽從其它源地輸送至暴雨區(qū)幾乎無(wú)損失(表4)。

表4 南疆西部暖季山區(qū)暴雨天氣500 hPa主要水汽源地及其對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)Table 4 The 500hPa water vapor source and its contribution to the rainstorm in the western mountainous area of Southern Xinjiang in warm season

500 hPa影響南疆西部山區(qū)暴雨水汽主要來(lái)自源地I、II、III。水汽自源地向東輸送，主要經(jīng)TKAP 關(guān)鍵區(qū)翻越西天山或帕米爾高原，從西南(偏西)路徑進(jìn)入南疆西部山區(qū)暴雨區(qū)。水汽源地I和II對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)較大。水汽由源地向暴雨區(qū)輸送的過(guò)程中，損失大小為源地I＞源地II＞源地III。來(lái)自源地Ⅰ和Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ的水汽主要從＜2 000 m的高度向暴雨區(qū)輸送，來(lái)自北非和中歐的水汽主要從＞2 000 m 的高度向暴雨區(qū)輸送；該層從＜2 000 m 高度輸送的水汽占主導(dǎo)地位，與平原區(qū)暴雨相反。在特定的環(huán)流背景下，該區(qū)500 hPa 水汽有來(lái)自北美洲東北部(圖6d)、北非(圖6f)的水汽，與以往研究結(jié)論不同(曾勇和楊蓮梅，2017b；謝澤明等，2018)。

4.2.2 700 hPa

統(tǒng)計(jì)分析南疆西部山區(qū)6 例暴雨700 hPa 水汽軌跡的空間分布和高度變化，以及水汽軌跡的比濕變化(圖略)得表5。共22條軌跡，其中15條軌跡，自源地經(jīng)TKAP關(guān)鍵區(qū)從偏西(西南、西北)路徑(14條、1條)進(jìn)入暴雨區(qū)。有7條水汽軌跡是自源地經(jīng)北疆翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，主要從偏東(東北、東南)路徑(3條、4條)進(jìn)入暴雨區(qū)。

(1)TKAP關(guān)鍵區(qū)。由表5可知，700 hPa 上影響南疆西部山區(qū)暴雨的水汽源地主要有：水汽源地Ⅰ(7條)對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～50%，平均為27%；從0—1 502 m的高度(平均為664 m)向700 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為2.26～12.55 g·kg-1，平均為5.97 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.74～4.50 g·kg-1，平均為3.52 g·kg-1；水汽從源地Ⅰ輸送至暴雨區(qū)沿途損失了41%。其次為源地Ⅱ(5 條)的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是7%～46%，平均為22%；水汽從45—4 242 m的高度(平均為1 324 m)向700 hPa 暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為2.13～5.65 g·kg-1，平均為3.43 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.20～5.10 g·kg-1，平均為3.42 g·kg-1；水汽從源地Ⅱ輸送至暴雨區(qū)幾乎無(wú)損失(表5)。來(lái)自源地Ⅴ(3 條)對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是18%～29%，平均為23%；水汽從59—

1 421 m 的高度(平均為678 m)向700 hPa 的暴雨區(qū)輸送；水汽在源地的比濕為4.58～5.24 g·kg-1，平均為4.87 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.05～4.28 g·(ki)g-1，平均為3.38 g·kg-1；水汽從源地輸送至暴雨區(qū)沿途損失較多(31%)(表5)。

表5 南疆西部暖季山區(qū)暴雨天氣700 hPa主要水汽源地及其對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)Table 5 The 700hPa water vapor source and its contribution to the rainstorm in the western mountainous area of Southern Xinjiang in warm season

(2)南疆關(guān)鍵區(qū)。來(lái)自源地Ⅱ(3 條)、北疆(2 條)及阿克蘇東部、烏拉爾山北部各1 條的水汽經(jīng)北疆翻越天山經(jīng)南疆關(guān)鍵區(qū)，從偏東路徑進(jìn)入暴雨區(qū)。對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)是18%～29%，平均為33%。水汽從0—85 m的高度(平均為28 m)向700 hPa 暴雨區(qū)輸送。水汽在源地的比濕為2.72～6.31 g·kg-1，平均為4.38 g·kg-1，到達(dá)暴雨區(qū)為2.42～6.23 g·kg-1，平均為4.77 g·kg-1。水汽自源地輸送至暴雨區(qū)過(guò)程中略有增加(表5)。

700 hPa 上影響南疆西部山區(qū)暴雨的水汽主要經(jīng)TKAP、南疆關(guān)鍵區(qū)，與平原區(qū)相反，損失最大的是TKAP關(guān)鍵區(qū)，貢獻(xiàn)最大的是南疆關(guān)鍵區(qū)。TKAP關(guān)鍵區(qū)貢獻(xiàn)最大的源地是Ⅰ，損失最大的也是Ⅰ。各水汽源地主要從＜1 500 m的高度向暴雨區(qū)輸送。

4.3 南疆西部暴雨水汽三維精細(xì)結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述分析概括出南疆西部暴雨過(guò)程水汽三維精細(xì)結(jié)構(gòu)(圖8)。平原和山區(qū)的共同特征是500 hPa水汽自源地主要經(jīng)TKPA 關(guān)鍵區(qū)后，翻越西天山或帕米爾高原，從偏西(西南)通道輸送至暴雨區(qū)；700 hPa經(jīng)TKPA關(guān)鍵區(qū)，西風(fēng)氣流輸送的水汽占主導(dǎo)地位；翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)，以偏東路徑輸送至暴雨區(qū)的水汽也占有較多的份量，不容忽視(圖8a、b)。在平原區(qū)850 hPa 與700 hPa 相反，即水汽自源地經(jīng)北疆，翻越天山進(jìn)入南疆關(guān)鍵區(qū)后，從偏東通道輸送至暴雨區(qū)的水汽占主導(dǎo)地位，經(jīng)TKPA 關(guān)鍵區(qū)以偏西路徑進(jìn)入暴雨區(qū)的水汽也很重要(圖8a)。

圖8 南疆西部平原區(qū)(a)和山區(qū)(b)暴雨過(guò)程水汽三維精細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.8 Three dimensional fine structure of water vapor during rainstorm of(a)plain area,and(b)mountainous area in western southern Xinjiang

5 結(jié)論與討論

本文利用NECP/NCAR/GDAS資料，對(duì)近40 a南疆西部16 例暴雨過(guò)程運(yùn)用HYSPLIT 模式模擬后向追蹤168 h水汽軌跡，分別對(duì)平原區(qū)和山區(qū)聚類后的平均軌跡進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1)影響南疆西部暴雨的水汽500—700 hPa 主要源自西南亞、中亞、地中海和黑海及其附近、大西洋及其沿岸；平原區(qū)暴雨中，850 hPa還有源自南疆盆地和北疆的水汽。

(2)500 hPa上南疆西部暴雨水汽主要源自偏西通道輸入暴雨區(qū)；源自西南亞和中亞的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)較大，損失也較大；在平原區(qū)水汽從＞2 000 m 的高度向暴雨區(qū)輸送占主導(dǎo)地位，而山區(qū)是≤2 000 m占主導(dǎo)地位。

(3)700 hPa上影響南疆西部暴雨的水汽主要來(lái)自偏西、偏東2 個(gè)通道，偏西通道占比較高；各水汽源地主要從＜1 500 m 的高度向暴雨區(qū)輸送。平原區(qū)偏西通道貢獻(xiàn)大，損失小，山區(qū)是是偏東通道貢獻(xiàn)大，損失??；平原區(qū)來(lái)自中亞的水汽對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)最大，損失最大的源自西南亞；山區(qū)貢獻(xiàn)最大和損失最大均源自西南亞。

(4)850 hPa上影響南疆西部平原區(qū)暴雨的水汽與700 hPa類似，主要有2個(gè)通道，偏東通道占主導(dǎo)地位，貢獻(xiàn)最大，損失也最大。水汽主要源自中亞、南疆和北疆，損失較??；貢獻(xiàn)最大的是北疆。水汽主要從＜600 m的近地層向850 hPa暴雨區(qū)輸送。

(5)在近40 a南疆西部暴雨中700、850 hPa存在南疆和北疆的水汽源地，對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)較大，與以往研究結(jié)論不同(曾勇和楊蓮梅，2017b；謝澤明等，2018)。

本文僅選擇了近40 a 南疆西部國(guó)家站的觀測(cè)資料，由于新疆區(qū)域加密站網(wǎng)相對(duì)滯后，有待在下一步工作中深入研究區(qū)域站暴雨的水汽特征。