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探讨水汽输送如何积极影响三江平原降雪资源

2020-05-26 358 上传者：管理员

摘要：使用16个观测站逐时降雪资料和NCEP/CFSv2逐时分析资料研究了2015年12月1～3日水汽输送对三江平原降雪资源的贡献。结果表明:(1)三江平原降雪的水汽来源于九州帕劳海岭北部至日本海区域;(2)从水汽收支与降雪关系来看,三江平原的东边界、南边界水平水汽输送对降雪资源有正的贡献,特别是东边界水汽贡献更为重要,西边界、北边界贡献较弱;(3)降雪强度在1.0mm/h以上时,水平水汽通量达4g*s/kg以上,水汽垂直向上输为0.2g/(s*hPa*cm)以上或水汽垂直向下输送达0.05g/(s*hPa*cm)。

关键词：
水汽收支
水汽输送
资源保护
降雪
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近年来，随着科技进步、经济发展和产业结构的变化，冬季的雪资源逐步被人们广泛重视和应用，冰雪体育、冰雪旅游得到进一步发展，带动了宾馆业、餐饮业、交通运输业、文化广告业等配套产业的发展。而降雪资源的多少依赖于水汽输送的强弱[1,2]，因此寻找降雪的水汽输送敏感区及其水汽源是降雪资源预报的关键点，亦是探讨强降雪成因的重要因素。本文重点研究水汽远距离输送路径、水汽输送流型、水汽垂直输送，揭示降雪区的水汽源及其水汽输送强度与降雪量关系。

使用三江平原16个观测站逐小时降雪量资料、NCEP/CFSv2逐小时分析资料。NCEP/CFSv2资料水平格距0.5°×0.5°，1000～200hPa垂直22层的位势高度、温度、纬向风分量、经向风分量、比湿、垂直速度。计算三江平原2015年12月1～3日水汽含量、水汽通量、水汽相关矢量，研究三江平原水汽输送特征对降雪资源的贡献。

1、环流形势及降雪概况

12月1日20时，500hPa亚洲至北太平洋地区呈两槽一脊型，黑龙江省受高压脊控制，内蒙古中部、千岛群岛各有一个低涡。850hPa从内蒙古中部的东北冷涡中心向南延伸至大别山为冷式切变线，切变线东侧的西南风将暖湿空气向北输送，切变线西侧西北风向东北冷涡输送冷空气，促使东北冷涡在向东移动过程中发展、加强。同时，地面有蒙古气旋入海加强、配合，为强降雪的发生提供了有利的大尺度背景场。2日20时冷涡中心移到吉林西部，850hPa冷式切变线位于东海—日本海—三江平原西部（图1），蒙古气旋中心（位于日本海）延伸出的低压倒槽到达三江平原西部，使得三江平原出现了十分有利的降雪形势。850hPa冷式切变线、地面低压倒槽为降雪的发生提供了有利的辐合上升条件和水汽、能量条件，在其影响时段，三江平原降雪达到最强。3日20时冷涡中心到达三江平原东部，蒙古气旋移中心到锡霍特山脉东部，三江平原降雪减弱。

2015年12月1～3日三江平原大部分测站降雪量超过20mm，达到大暴雪量级，其中饶河31.1mm、萝北31.0mm、集贤30.9mm。降雪过后，三江平原东部最大积雪深度达35cm以上，抚远为50cm。降雪强度超过1.0mm/h的时段主要在2日20时至3日20时，期间饶河降雪量26.2mm，降雪最强时超过2.0mm/h。

2、水汽来源及其流型特征

为了了解2015年12月初水汽源及水汽输送特征，采用相关矢量方法[3,4,5,6]，追踪水汽源，并揭示其水汽输送路径、相关流型。

单位宽度上整层大气水汽输送通量矢量为：

其中u、v、ω分别为东西风和南北风分量，q为比湿，ps、pt分别为地面气压和大气顶气压。用Qλ、Qφ、Qω分别得到纬向、经向、垂直水汽输送通量矢量，pt=200hPa。

降水量与整层积分水汽通量的相关矢量：

其中Rqu(λ,φ)、Rqv(λ,φ)分别为降水序列与整层积分水汽通量分量Qλ和Qφ之间的相关系数，为两个相关场的合成矢量，简称相关矢量。

图12015年12月2日20时500hPa位势高度（蓝线）及850hPa温度场（红线）、风场

蓝线单位：（dagpm)

用三江平原16个站12月2日00时～4日12时整层大气水汽含量、整层积分水平水汽通量时间序列分别与同期逐小时降雪量做相关分析（图2）。可见，三江平原总降雪量和整层大气水汽含量，在九州帕劳海岭北部—日本海—三江平原、朱格朱尔山脉、中西伯利亚高原为大范围显著正相关区域，超过99%信度。

图2中的矢量为三江平原12月2日00时～4日12时南北向整层积分水汽通量、同期整层积分东西向水汽通量与同期逐小时降雪量求相关后的合成矢量。可见，三江平原降雪期间的长白山、西西伯利亚均为一个范围很广的气旋式相关矢量场，三江平原位于长白山气旋的东北部；在库页岛—千岛群岛南部、贝加尔湖东部均为一个范围很广的反气旋式相关矢量场，三江平原位于库页岛—千岛群岛南部反气旋的西北部，这样三江平原南边界多为东南向相关矢量场，表明降雪与东南向水汽通量显著正相关。由此发现，从长白山到库页岛—千岛群岛南部的降雪量和整层积分水平水汽通量具有气旋式—反气旋式相关矢量场分布形式，此两个系统共同向暴雪区输送水汽，水汽通量与降雪量的相关矢量值超过了99%信度的显著性水平检验。

将三江平原降雪量和同期水汽含量的显著相关区域和与水平水汽通量的显著相关区域进行比较可见，相关矢量场与水汽含量相关场对应关系很好的揭示了三江平原降雪的水汽源及其水平输送路径。从两类显著相关场综合分析可知，三江平原的水汽源地主要位于九州帕劳海岭北部—日本海的海洋区域，通过长白山气旋与库页岛—千岛群岛南部反气旋相互作用的西南转东南向异常水汽输送给暴雪区提供充足的水汽条件。

3、水汽输送边界收支特征

为了分析三江平原（129.5°～135.0°E,45.0°～48.5°N）水平水汽通量变化与降雪的关系，分别计算了经向、纬向4个边界整层的水汽输送通量（图3），用以比较各个边界水汽输送对降雪的贡献。由图3可见：东边界在12月2日18:00之前输出逐渐减少，2日19时以后转为输入水汽，3日17时以后输出减少。与图4比较可以看出，东向的水汽输送增加与强降雪发生时间同步，说明东向的水汽输送对降雪有较好的贡献；2日00时～4日12时西边界基本上一直为输入，但水汽量较小；南边界在3日03时之前的输入一直多于北边界的输出，强降雪时段处于南向水汽输入，之后至3日14时南北向的净输入少于输出，3日14时以后南北向输入量与输出量相差不多。

图212月2日00时至4日12时三江平原逐小时降雪量和同期整层大气水汽含量的相关性以及整层水平水汽通量的相关合成矢量场

阴影区为相关系数超过0.99信度的区域

饶河较密山降雪持续时间长，计算饶河2日00时～4日12时降雪量与同期三江平原东边界、西边界、南边界、北边界整层水汽收支的相关系数分别为-0.7796、-0.4074、0.7594、0.2611，说明12月2日00时～4日12时的东向、南向整层水汽输入对降雪有显著的贡献。

4、水汽垂直输送特征

水汽进行水平输送的同时还有垂直输送，大气中的垂直输送在水汽循环中起着重要作用。由图4a可知，饶河降雪强度大于1.0mm/h的时段为12月2日20时～3日10时，与之对应的水汽输送图4b可见，降雪之前有一个水平水汽输送增大过程，2日11时950～850hPa水平输送水汽通量已达4g·s/kg,19时垂直向上输送水汽通量增大到0.2g/(s·hPa·cm)，降雪强度也随之增大至1.0mm/h以上，此后水平和垂直向上输送水汽通量继续增大，4g·s/kg最高伸展到600hPa，垂直向上输送水汽通量2日23时、3日3时700～800hPa垂直输送达1.0g/(s·hPa·cm)，最大2.0mm/h。在3日4时以后水汽水平输送、垂直向上输送均逐渐减弱，但3日05时水汽垂直向下输送开始增强，08时～11时850hPa附近有0.05g/(s·hPa·cm)向下输送中心，05时～09时的700～800hPa水平水汽通量高于4g·s/kg，此期间雪强超过1.5mm/h。强降雪过后，水汽输送迅速减弱，3日11时以后水平水汽通量达到1g·s/kg处于800hPa以下，降雪强度也迅速减弱。密山的降雪强度与水汽输送特征相似（图4a、c），在雪强达到1.5mm/h之前有一个水平水汽输送增大过程，当有垂直向下水汽输送时，水平水汽输送减弱，降雪也迅速增强，垂直向下水汽通量最大达到0.05g/(s·hPa·cm)以上。

图3三江平原12月东、西、南、北边界整层水汽收支随时间的变化

图4水汽输送时间演变

b、c的阴影区为水汽水平输送（单位：g·s/kg）、水汽垂直输送（单位:g/(s·hPa·cm))

5、结论

通过对三江平原2015年12月1～3日降雪天气的水汽输送分析，得到以下主要结论。

5.1三江平原降雪的水汽源地主要是九州帕劳海岭北部—日本海区域。水汽通过长白山、西西伯利亚的气旋式气流及库页岛—千岛群岛南部、贝加尔湖东部的反气旋式气流在九州帕劳海岭北部汇聚，并输送到日本群岛北部，转为东南气流到达三江平原。所以，强降雪期间三江平原区域东边界、南边界水平水汽输送对强降雪有正的贡献，西边界、北边界贡献较弱。

5.2日本群岛—日本海、西伯利亚高原地区的水汽垂直向上输送对三江平原降雪贡献显著，呈显著正相关；库页岛—千岛群岛区域水汽垂直向下输送与此次降雪呈显著负相关。

5.3水汽输送与降雪强度的时间演变表明，强的水平水汽输送（达4g·s/kg）配合强的水汽垂直向上输送（大于0.2g/(s·hPa·cm)）、弱的水平水汽输送（低于2g·s/kg）配合水汽垂直向下输送（大于0.05g/(s·hPa·cm)）均可有利于降雪资源增多。

参考文献：

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[5]王秀荣,徐祥德,王维国.西北地区春、夏季降水的水汽输送特征[J].高原气象,2007,26(4):749-758.

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国世友,赵柠.水汽输送对三江平原降雪资源的贡献[J].国土与自然资源研究,2020(03):38-40.