基于拉格朗日方法的中國(guó)東部雨季水汽輸送垂直特征

施逸 江志紅 李肇新

1 南京市氣象局，南京210019

2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，南京210044

3 法國(guó)巴黎索邦大學(xué)氣象動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，法國(guó)巴黎

1 引言

我國(guó)東部地區(qū)位于東亞季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)區(qū)水汽的源匯、輸送路徑及其變化直接影響著中國(guó)東部雨季的爆發(fā)、雨帶的進(jìn)退及旱澇變化，相關(guān)研究一直受到氣象學(xué)家的高度關(guān)注。早在20 世紀(jì)80 年代，就有大量研究指出中國(guó)東部夏季降水的水汽來(lái)源主要有孟加拉灣、南海和西太平洋三條水汽通道（Tao and Chen, 1987; 陳隆勛等, 1991）。He et al.（2007）系統(tǒng)分析了中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)在東亞季風(fēng)推進(jìn)過(guò)程中水汽輸送的變化特征，并指出3～5 月的水汽輸送最主要的影響區(qū)域分別為中南半島、斯里蘭卡地區(qū)以及南海區(qū)域。謝坤和任雪娟（2008）指出華北地區(qū)夏季降水的水汽主要來(lái)自孟加拉灣、南海、西太平洋以及中高緯西風(fēng)帶的輸送。沈如桂和黃更生（1981）認(rèn)為長(zhǎng)江中下游降水的水汽大部分來(lái)自于南海和太平洋，少部分來(lái)自孟加拉灣，蔣興文和李躍清（2009）卻認(rèn)為長(zhǎng)江流域夏季降水的水汽主要來(lái)自南半球、南印度洋、東非沿岸和阿拉伯海，還特別指出南海并不是水汽源地，而是水汽輸入中國(guó)大陸的一個(gè)重要通道。而在華南雨季，陳世訓(xùn)等（1982）研究發(fā)現(xiàn)華南前汛期的水汽主要來(lái)自南海，而林愛(ài)蘭等（2014）發(fā)現(xiàn)華南前汛期水汽輸送來(lái)源主要有孟加拉灣的西南支輸送、熱帶西太平洋的東南支輸送和青藏高原西南側(cè)的西支輸送，常越等（2006）則指出4 月之前、4～6 月和6 月之后的水汽輸送特征存在明顯差異，此外西太平洋的水汽輸送變化和來(lái)自中國(guó)北方的水汽輸送變化對(duì)華南降水異常有重要作用。

需要注意的是以上研究基于傳統(tǒng)歐拉方法，通過(guò)計(jì)算水汽通量以及大尺度環(huán)流，確定水汽輸送特征，但該方法無(wú)法給出遠(yuǎn)距離的水汽貢獻(xiàn)特征，且不能定量確定各源地的水汽貢獻(xiàn)特征。鑒于拉格朗日方法能夠提供水汽輸送軌跡及沿水汽軌跡的變化細(xì)節(jié)，近年來(lái)拉格朗日方法在全球及區(qū)域水循環(huán)研究中得到高度重視（Stohl and James, 2004, 2005;Dominguez et al., 2006; Dirmeyer et al., 2009）。該方法通過(guò)大氣中氣塊三維位置進(jìn)行后向追蹤，確定每個(gè)時(shí)次氣塊的三維位置以及溫壓風(fēng)濕等物理量，可以確定水汽輸送過(guò)程中軌跡與源地水汽貢獻(xiàn)。目前該方法在全球尺度上（Gimeno et al., 2010），以及各個(gè)子區(qū)域（美國(guó)地區(qū)：Brubaker et al., 2001;Diem and Brown, 2006；歐 洲 地 區(qū)：Bertò et al.,2004; Perry et al., 2007; Sodemann and Stohl, 2009;Bottyán et al., 2014；拉 丁 美 洲：Drumond et al.,2014；非洲：Salih et al., 2015）得到廣泛運(yùn)用。

在國(guó)內(nèi)，蘇繼峰等（2010）、江志紅等（2011）、孫妍等（2011）、孫建華等（2013）、吳凡等（2014）等先后使用拉格朗日方法，對(duì)降水個(gè)例進(jìn)行水汽源地的分析，確定了多次降水過(guò)程的水汽源地。而在氣 候 態(tài) 特 征 上，Drumond et al.（2011）研 究 了2000～2004 年中國(guó)各區(qū)域降水的水汽來(lái)源，確定了中國(guó)不同地區(qū)主要水汽源地。Li et al.（2016）使用拉格朗日軌跡追蹤的方法，對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)進(jìn)行水汽軌跡追蹤，結(jié)果表明，冬季降水水汽主要來(lái)自于熱帶洋面上；夏季降水水汽的主要源地是西南季風(fēng)區(qū)，西南季風(fēng)向東亞季風(fēng)區(qū)提供了超過(guò)40%的水分。而Sun and Wang（2014, 2015）研究了中國(guó)東部以及半干旱區(qū)降水水汽來(lái)源，定量的分析了主要源地水汽貢獻(xiàn)特征。近期，Shi et al.（2020）基于拉格朗日方法、蒸發(fā)降水診斷法和區(qū)域源匯歸屬法等多種方法，對(duì)季風(fēng)推進(jìn)過(guò)程中的水汽輸送特征進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)季風(fēng)推進(jìn)過(guò)程中中國(guó)東部各雨季最主要的水汽源地為中國(guó)東部局地，局地的水汽循環(huán)對(duì)季風(fēng)降水起到了至關(guān)重要的作用，特別是華北雨季有超過(guò)一半的水汽來(lái)源于局地蒸發(fā)；此外太平洋源地和南海、印度洋源地分別是南海夏季風(fēng)爆發(fā)前、后的華南前汛期重要的水汽源地。但是以上研究中缺乏水汽輸送垂直結(jié)構(gòu)及其不同高度上源地特征的分析，而不同垂直層次的水汽輸送與源地特征同樣會(huì)對(duì)季風(fēng)降水有著顯著的影響。

以往有關(guān)水汽垂直輸?shù)乃痛怪苯Y(jié)構(gòu)研究多基于不同層次環(huán)流結(jié)構(gòu)以及水汽通量的垂直剖面圖，確定各層次水汽輸送對(duì)雨季降水的影響。黃榮輝等（1998, 2008）詳細(xì)分析了東亞季風(fēng)與亞澳季風(fēng)的差異，并指出正是由于東亞季風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)不同于南亞和北澳季風(fēng)系統(tǒng)，造成了東亞夏季風(fēng)降水云系不同于南亞和北澳季風(fēng)系統(tǒng)。邱金晶和孫照渤（2013）指出正是由于索馬里急流垂直結(jié)構(gòu)的年代際變化差異，對(duì)中國(guó)東部華北與華南降水產(chǎn)生重要影響。但是這些研究均主要使用歐拉方法，僅能確定目標(biāo)區(qū)域不同垂直層次的水汽收支，無(wú)法將降水與源地聯(lián)系，確定各垂直層的源地水汽貢獻(xiàn)特征。結(jié)合我們之前的研究，拉格朗日方法提供了很好的認(rèn)識(shí)水汽輸送垂直結(jié)構(gòu)的工具，能較好地解決歐拉方法存在的問(wèn)題。

因此本文通過(guò)對(duì)不同高度上的氣塊進(jìn)行后向追蹤，得到不同層次上氣塊后向追蹤的三維位置，通過(guò)計(jì)算平均軌跡、區(qū)域源匯歸屬法等方法，系統(tǒng)分析不同高度層上的水汽輸送特征，全面了解水汽輸送三維結(jié)構(gòu)特征，以幫助我們對(duì)雨帶推進(jìn)過(guò)程中不同雨季的水汽特征有全面認(rèn)識(shí)，深化理解各雨季降水特征的變化與差異。

2 數(shù)據(jù)和方法

本文使用的資料為1961～2010 年NCEP/NACR再分析資料，資料共17 個(gè)垂直層次，空間分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率為6 小時(shí)。

研究時(shí)段選取國(guó)家氣候中心每年發(fā)布的《國(guó)家氣候公報(bào)》以及中央氣象臺(tái)發(fā)布雨季監(jiān)測(cè)信息（ http://cmdp.ncc-cma.net/cn/monitoring.htm#[2021-10-27]）中華南前汛期、江淮梅雨以及華北雨季三個(gè)主要雨季發(fā)生時(shí)間，并確定了各雨季主要區(qū)域作為本文研究區(qū)域（圖1，華南：20°～26°N，106°～120°E；江淮：28°～34°N，110°～123°E；華北：35°～43°N，110°～120°E）。此外依據(jù)Wang et al.（2004）提出的南海夏季風(fēng)爆發(fā)判據(jù)，確定每年南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間，將華南前汛期分為南海夏季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期和南海夏季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期兩個(gè)階段。最終將中國(guó)東部季風(fēng)雨季分為四個(gè)階段：南海夏季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期、南海夏季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期、江淮梅雨以及華北雨季。每年詳細(xì)研究時(shí)間參考Shi et al.（2020）。

本文使用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）空氣資源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的HYSPLITv4.9 軌跡模式（ Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory，NOAA ARL, 2011）。軌跡追蹤初始位置選擇華南、江淮以及華北三個(gè)主要研究區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)（圖1）。軌跡追蹤起始高度選取海平面上100 m、500 m、1500 m、3000 m、5000 m 和9000 m 共6個(gè)層次作為模擬的初始高度，分別代表近地面層925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa 和300 hPa，并進(jìn)一步將氣塊初始位置以高度分為三個(gè)部分，1500 m 以下為對(duì)流層低層（低層），1500～5000 m為對(duì)流層中低層（中層），超過(guò)5000 m 為對(duì)流層中高層（高層）。軌跡追蹤初始時(shí)間選取每年各雨季起止時(shí)間，每日四次（00 時(shí)、06 時(shí)、12 時(shí)、18 時(shí)）。分別對(duì)氣塊進(jìn)行后向追蹤10 天，每隔6小時(shí)輸出氣塊的三維位置以及溫度、壓強(qiáng)、風(fēng)、濕度等物理特征，以得到每個(gè)氣塊的輸送軌跡，對(duì)各雨季不同區(qū)域內(nèi)的軌跡進(jìn)行平均，從而定量確定不同層次的主要水汽輸送通道（江志紅等, 2011; Shi et al., 2020）。

圖1 中國(guó)東部雨季水汽源地分布的區(qū)域劃分（中國(guó)東部、南海、印度洋、西太平洋和歐亞大陸）以及華南（20°～26°N，106°～120°E）、江淮（28°～34°N，110°～123°E）與華北（35°～43°N，110°～120°E）的站點(diǎn)分布。華南地區(qū)70 個(gè)站點(diǎn)，江淮流域99 個(gè)站點(diǎn)，華北地區(qū)78 個(gè)站點(diǎn)Fig.1 The division of the geographical sectors (East China, South China Sea, Indian Ocean, West Pacific Ocean, and Eurasia) was used to explain the trajectories and moisture contributions. The locations of the three rectangular target domains in South China region (20°–26°N, 106°–120°E),Yangtze–Huaihe River basin region (28°–34°N, 110°–123°E), and North China region (35°–43°N, 110°–120°E) from the south to north direction. The dots indicate the locations of the following observational stations in these three regions: 70 stations in the South China region, 99 stations in the Yangtze–Huaihe River basin region, and 78 stations in the North China region

在此基礎(chǔ)上，我們引入改進(jìn)的區(qū)域源匯歸屬法定量確定了不同層次各源地的相對(duì)貢獻(xiàn)CDF。該方法主要考慮對(duì)于每一條軌跡，氣塊從源地輸送到目標(biāo)區(qū)域形成降水時(shí)，其比濕會(huì)隨著軌跡移動(dòng)而變化。當(dāng)氣塊比濕增加時(shí)，吸收的水汽其源地為當(dāng)前粒子所在位置，并且吸收的水汽與大氣中原有水汽完全混合；當(dāng)比濕減少時(shí)，大氣中來(lái)自各源地的水汽按相同比例損失。最終氣塊到達(dá)目標(biāo)區(qū)域形成降水。通過(guò)計(jì)算大氣中比濕的變化，可以定量確定該軌跡上每個(gè)源地對(duì)目標(biāo)區(qū)域降水的貢獻(xiàn)以及在目標(biāo)區(qū)域釋放的水汽總量。對(duì)每一條軌跡進(jìn)行累加，因此我們引入公式：

其中，n表示區(qū)域i內(nèi)的軌跡數(shù)量；Rj(i)表示軌跡j在源地i吸收的水汽到目標(biāo)區(qū)域釋放水汽量；Rtot表示所有軌跡在目標(biāo)區(qū)總水汽釋放量，可以近似代表目標(biāo)區(qū)域的降水量。通過(guò)該方法，我們可以全面了解水汽貢獻(xiàn)的垂直結(jié)構(gòu)特征。具體研究方案以及方 法 介 紹 詳 見(jiàn)Shi et al.（2020）、Sun and Wang（2014, 2015）。

3 各雨季中水汽輸送的三維特征及其對(duì)比

3.1 季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期

圖2a–c 給出了南海夏季季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期低、中、高層主要的水汽通道。在低層（圖2a），最主要的水汽通道為太平洋通道，其軌跡數(shù)量達(dá)到了低層總軌跡數(shù)量的52.3%，低層有超過(guò)一半的軌跡來(lái)自西太平洋地區(qū)，因此低層最主要的通道為太平洋通道。圖2a–c 中軌跡的顏色表示其比濕變化，也可以看到軌跡的平均比濕從源地的10 g/kg 增加至目標(biāo)區(qū)域（華南）附近的15 g/kg，表明低層中大量軌跡攜帶水汽從西太平洋地區(qū)進(jìn)入華南，對(duì)華南降水產(chǎn)生重要影響。低層其余通道相對(duì)較弱，中緯西風(fēng)通道和局地通道的軌跡占比分別為22.2%和13.5%，而印度洋通道和南海通道軌跡占比僅為3.1%和5.2%，通道強(qiáng)度很弱。到了對(duì)流層中低層（圖2b），印度洋通道明顯加強(qiáng)，軌跡數(shù)量達(dá)到中層總軌跡數(shù)量的37.6%，成為對(duì)流層中低層最重要的水汽通道；與之相反，太平洋通道強(qiáng)度迅速減弱，其軌跡占比由低層的52.3%迅速減少至中層的29%。對(duì)流層高層（圖2c）的最主要通道與中層一致，為印度洋通道，其軌跡占比為該層的38.4%。但是必須要指出，高層水汽含量低，印度洋通道的平均比濕僅為5 g/kg，中緯度西風(fēng)通道的平均比濕更是小于3 g/kg，因此對(duì)降水影響相對(duì)不大。

圖2 季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期低層（左，1500 m 以下）、中層（中，1500～5000 m）、高層（右，5000 m 及以上）的（a–c）主要水汽通道的軌跡特征，（d–f）水汽源地的貢獻(xiàn)率（CDF，單位：10?5）分布，（g–i）水汽通量（矢量）和水汽通量值（陰影）空間分布（單位：kg m?1 s?1）。圖a–c 中，POC、SCSC、IOC、EAC、ECC 表示西太平洋水汽通道、南海水汽通道、印度洋水汽通道、歐亞大陸西風(fēng)帶水汽通道、中國(guó)東部水汽通道，軌跡的顏色表示比濕（單位：g/kg），軌跡的粗細(xì)表示軌跡數(shù)量，通道右側(cè)第一個(gè)數(shù)字為通道的軌跡數(shù)量在雨季內(nèi)所有軌跡的占比，第二個(gè)數(shù)字表示通道軌跡數(shù)量在該層軌跡中的占比。圖d–i 中的矩形框?yàn)槿A南前汛期研究區(qū)域Fig.2 (a–c) Trajectories characteristics of moisture transport channels, (d–f) water vapor contribution density function (CDF, units: 10?5), (g–i) the climatology of vertically integrated atmospheric water vapor transport (vectors, units: kg m?1 s?1) and the amount of the water vapor transport(shadings, units: kg m?1 s?1) at (a) the lower (left, under 1500 m), (b) middle (middle, 1500–5000 m), and (c) upper levels (right, higher than 5000 m)during pre-flood season in the pre-monsoon in South China (SC). In Figs. a–c, POC, SCSC, IOC, EAC, ECC represent moisture transport channels were identified from the West Pacific Ocean, the South China Sea, the Indian Ocean, the Eurasian westerly region, and eastern China, respectively.Colors on the pathways indicate the average specific humidity (units: g/kg) of air parcels along the trajectories. The thickness of the pathways represents the percentage of the trajectories, which have also been marked with numbers, the first number represents the proportion for the trajectories in the rainy season and the second number represents the proportion for the trajectories in the level. In Figs. d–i, the rectangles represent the target region in SC

總體上在南海夏季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，低層最主要的水汽通道為太平洋通道，有一半以上的軌跡來(lái)自該通道。而中高層最主要的水汽通道為印度洋通道。此外由于氣塊比濕隨著高度增加而減少，因此相比高層軌跡，低層軌跡對(duì)降水的影響相對(duì)更為顯著。

在之前的研究（Shi et al., 2020）基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步使用區(qū)域源匯歸屬法定量給出了不同層次的水汽貢獻(xiàn)分布結(jié)果。并且為了與水汽通道的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我們將中國(guó)東部降水的主要源地分為中國(guó)東部局地源地、西太平洋源地、南海源地、印度洋源地以及歐亞大陸源地五個(gè)源地（圖1），分別代表五條主要的水汽通道，計(jì)算得到了五個(gè)源地各自的水汽貢獻(xiàn)率。圖2d–f 給出了南海季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期低中高三個(gè)垂直層上的各源地水汽貢獻(xiàn)率，并且圖2d–f 右上角分別給出了低層、中層和高層各層總貢獻(xiàn)率?？梢钥吹?，在該雨季，對(duì)流層低層（1500 m 以下）的水汽貢獻(xiàn)率較大，其總貢獻(xiàn)率達(dá)到了57.8%，主要水汽源地位于華南地區(qū)局地和東側(cè)太平洋地區(qū)。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，中國(guó)東部局地和西太平洋源地是該雨季低層最主要的水汽源地，其貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了23.1%和24.2%，為雨季降水提供了接近一半的水汽；而其余源地的水汽貢獻(xiàn)則較小，南海源地水汽貢獻(xiàn)率為9.9%，而印度洋源地和歐亞大陸源地的水汽貢獻(xiàn)率不足0.5%。

對(duì)流層中層，由于大氣平均比濕有所降低，各源地水汽大多明顯減少，因此來(lái)自對(duì)流層中層的水汽總量減少，可以看到來(lái)自中層的水汽占總水汽的35.8%。各子源地貢獻(xiàn)中，南海源地和中國(guó)東部局地的水汽貢獻(xiàn)率分別為10.8%和9.8%，仍為最主要的水汽源地，印度洋源地的水汽貢獻(xiàn)明顯提高，其水汽貢獻(xiàn)率達(dá)到了6.3%。而到了對(duì)流層高層，由于氣塊比濕很小，其水汽貢獻(xiàn)也很小。對(duì)流層高層各源地水汽總貢獻(xiàn)僅為6.4%，其中貢獻(xiàn)率最大的印度洋源地的水汽貢獻(xiàn)率也僅為2.6%?？傮w上，對(duì)流層高層的水汽對(duì)降水的影響相對(duì)較小。

為了進(jìn)一步得到水汽輸送的全面特征，圖2g–i進(jìn)一步給出了基于歐拉方法的各層水汽輸送特征?？梢钥吹皆诩撅L(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期（圖2g），低層太平洋地區(qū)水汽通量較大，且水汽直接輸送至華南地區(qū)對(duì)華南前汛期降水產(chǎn)生影響；此時(shí)，印度洋通道較弱。前文也指出該雨季低層最主要的水汽通道和源地均為西太平洋源地，因此無(wú)論從拉格朗日方法還是歐拉方法均可以明確該雨季最主要的水汽通道，而拉格朗日方法能進(jìn)一步定量化這種通道的強(qiáng)弱與水汽貢獻(xiàn)大小。在中層（圖2h），印度洋水汽通道有所增強(qiáng)，中緯西風(fēng)帶通過(guò)繞青藏高原南支氣流將印度洋水汽輸送至華南，對(duì)降水產(chǎn)生影響。到了高層，青藏高原阻擋作用較弱，因此主要受到西風(fēng)影響，但是由于500 hPa 以上比濕較低，因此其水汽通量也很弱，對(duì)降水影響也相對(duì)較小。而拉格朗日方法中也可以看到季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期高層的水汽貢獻(xiàn)較低，兩者結(jié)果也是一致的。

綜上所述，南海夏季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，低層最重要的水汽通道為太平洋通道，而在中層和高層則主要為印度洋通道；但其降水的水汽主要來(lái)源于低層，而無(wú)論中層還是低層，其最主要的水汽源地均為西太平洋源地和中國(guó)東部局地。

3.2 季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期

南海夏季風(fēng)爆發(fā)后，華南前汛期水汽輸送發(fā)生明顯變化。其最主要特征為該雨季印度洋水汽通道迅速增強(qiáng)，在低、中、高三層均為最主要水汽通道（圖3）。圖3a 給出了南海夏季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期低層的水汽通道，我們發(fā)現(xiàn)低層最主要的水汽通道為印度洋通道和太平洋通道，通道軌跡占比分別為35.9%和33.5%，印度洋通道軌跡數(shù)量稍多。對(duì)比南海夏季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，太平洋通道軌跡數(shù)量明顯減少而印度洋通道軌跡占比則增加了3 倍，此時(shí)，印度洋通道的平均比濕也達(dá)到了17 g/kg，為該雨季降水提供了大量的水汽。此外，相比南海季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，低層印度洋通道的位置也有一定的變化，軌跡有所向南。其余三條主要水汽通道中，南海通道軌跡數(shù)量明顯增加，軌跡占比由5.2%增加至14.9%，而局地通道和中緯西風(fēng)通道的軌跡占比則有所減少。

對(duì)流層中層（圖3b），印度洋通道明顯增強(qiáng)，其軌跡數(shù)量達(dá)到該層的軌跡數(shù)量的65.6%，表明對(duì)流層中層有接近2/3 的軌跡通過(guò)印度洋通道到達(dá)華南地區(qū)。其余通道的強(qiáng)度相對(duì)較弱，其中太平洋通道的軌跡相對(duì)占比為16.0%，其余通道軌跡相對(duì)占比均未達(dá)到7%。我們同時(shí)注意到，相對(duì)于對(duì)流層低層，對(duì)流層中層通道軌跡位置也存在明顯的變化，與低層相比，印度洋通道整體向西移動(dòng)了大約10個(gè)經(jīng)度。在高層（圖3c），印度洋通道仍為最強(qiáng)通道，軌跡占比達(dá)到61.9%，其余通道的軌跡占比均不足15%。此外，與季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期一樣，高層通道比濕較低，含水量也較低，因此對(duì)季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期降水的影響相對(duì)較小。

圖3 同圖2，但為季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期結(jié)果Fig.3 As in Fig.2, but for the pre-flood season after the onset of the monsoon in South China

總體上，對(duì)比季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，南海夏季風(fēng)爆發(fā)后，太平洋通道強(qiáng)度明顯減弱，而印度洋通道強(qiáng)度則顯著增強(qiáng)，特別是對(duì)流層中高層，印度洋通道的軌跡數(shù)量均超過(guò)60%，對(duì)該雨季降水產(chǎn)生重大影響。

圖3d、e 給出了南海夏季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期三個(gè)垂直層次的水汽貢獻(xiàn)空間分布，相對(duì)于季風(fēng)爆發(fā)前，各源地的水汽貢獻(xiàn)率也發(fā)生了顯著的變化。在低層，各源地水汽貢獻(xiàn)率總和為49.9%，雖然仍有一半的水汽來(lái)源于低層，但是相比季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，低層水汽總貢獻(xiàn)有所減少。而各個(gè)子源地中，西太平洋源地的水汽貢獻(xiàn)明顯減少，其水汽貢獻(xiàn)率由季風(fēng)爆發(fā)前的24.2%減小到季風(fēng)爆發(fā)后的10.9%；與之相反，印度洋源地和南海源地的水汽貢獻(xiàn)率則明顯增加，其中低層南海源地水汽貢獻(xiàn)率達(dá)到了15.3%，成為該雨季低層最主要的水汽源地之一，印度洋源地的水汽貢獻(xiàn)率為6.9%；該雨季低層最主要的水汽源地為中國(guó)東部局地，其貢獻(xiàn)率為16.8%。

隨著高度的升高，西太平洋源地和南海源地的水汽貢獻(xiàn)率明顯減弱，而印度洋源地的貢獻(xiàn)率則明顯增強(qiáng)。在中層，印度洋源地的水汽貢獻(xiàn)率增加至12.7%，為中層最主要的水汽源地，南海源地和中國(guó)東部局地源地的水汽貢獻(xiàn)次之，分別為8.1%和7.7%。對(duì)流層高層，水汽總貢獻(xiàn)率相對(duì)中層和低層有所降低，但是相比季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，來(lái)自高層的水汽明顯增加，其水汽貢獻(xiàn)率達(dá)到了17.2%，其中印度洋源地的貢獻(xiàn)為8.8%，表明高層有超過(guò)一半的水汽來(lái)自印度洋源地?？傮w上，南海夏季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期，低層最主要的水汽源地為中國(guó)東部和南海地區(qū)，而在中高層，最主要的水汽源地為印度洋源地。

從水汽通量的角度，季風(fēng)爆發(fā)后，印度洋地區(qū)的水汽通量迅速增強(qiáng)，而西太平洋水汽通量則有所減弱。在低層（圖3g）印度洋水汽通過(guò)中南半島，進(jìn)入南海地區(qū)，與西太平洋地區(qū)輸送的水汽共同影響華南地區(qū)的降水。而到了中層（圖3h），受印度洋季風(fēng)和中緯度西風(fēng)繞青藏高原南支氣流的共同影響，印度洋水汽通量非常強(qiáng)，直接由印度洋經(jīng)中南半島，影響華南地區(qū)，并進(jìn)一步向東北輸送，經(jīng)日本以南地區(qū)進(jìn)入太平洋。而在前文軌跡占比結(jié)果可以看到印度洋通道的軌跡數(shù)量在中層占比達(dá)到了60%以上。到了高層（圖3i），相比季風(fēng)爆發(fā)前，西風(fēng)帶水汽通量大值區(qū)有所北移，但西風(fēng)帶軌跡數(shù)量仍然很小，對(duì)華南地區(qū)降水影響也很弱。

綜上所述，從低層到高層，印度洋通道均為季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期最重要的水汽輸送通道，其中中層和高層印度洋通道軌跡占比超過(guò)60%。低層最主要的水汽源地為中國(guó)東部地區(qū)和南海地區(qū)，中高層水汽則主要源自印度洋地區(qū)。

3.3 江淮梅雨

隨著雨帶推進(jìn)至江淮地區(qū)，各層水汽輸送路徑明顯北移。在低層（圖4a），太平洋通道重新成為最重要的水汽通道，軌跡占比接近40%，印度洋通道軌跡占比則下降至25.9%，此時(shí)南海通道的軌跡數(shù)量明顯增加，軌跡總占比達(dá)到了19.8%。在中層（圖4b），印度洋通道重新成為最強(qiáng)水汽通道，軌跡占比達(dá)到了49.6%，此時(shí)，歐亞大陸西風(fēng)通道為次強(qiáng)水汽通道，軌跡數(shù)量占該層軌跡的17.8%。對(duì)比季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期，太平洋通道、南海通道和局地通道強(qiáng)度變化不大，而印度洋通道則有所減弱，中緯西風(fēng)通道有所加強(qiáng)。這主要是由于雨帶北移造成水汽輸送通道整體北移造成的。到了高層（圖4c），印度洋通道仍為最主要的通道，軌跡占比超過(guò)50%，中緯度西風(fēng)通道次之，軌跡占比為18.3%。

圖4 同圖2，但為江淮梅雨階段的結(jié)果。圖d–i 中的矩形框?yàn)榻疵酚暄芯繀^(qū)域Fig.4 As in Fig. 2, but for Meiyu period in the Yangtze–Huaihe River basin. In Figs. d–i, the rectangles represent the target region in Yangtze–Huaihe River basin

從水汽源地角度（圖4d–f），由于雨帶和主要水汽通道的北移，印度洋源地和南海源地的水汽貢獻(xiàn)率均有所減少，而中國(guó)東部局地水汽貢獻(xiàn)率則明顯增加。在對(duì)流層低層，局地貢獻(xiàn)率達(dá)到了28.7%，為低層最重要水汽源地；其余源地中，太平洋、南海源地的貢獻(xiàn)分別為18.6%和9.7%。在對(duì)流層中層，局地仍為最主要的水汽源地，其貢獻(xiàn)率為10.5%，印度洋源地次之，貢獻(xiàn)率為7.3%。到了高層，局地和印度洋源地貢獻(xiàn)率相對(duì)較大，其水汽貢獻(xiàn)率分別為5.2%和4.4%?？傮w上，該雨季中從低層到高層，中國(guó)東部局地均為該雨季最主要的水汽源地，局地蒸發(fā)為江淮梅雨提供了大量的水汽；其他源地中，僅有低層西太平洋源地的貢獻(xiàn)率達(dá)到了18.6%，其余各層次子源地貢獻(xiàn)率均不足10%。

在低層（圖4g），雖然印度洋地區(qū)水汽通量仍然很強(qiáng)，但是值得注意的是由于受地形和海陸差異的影響，印度洋地區(qū)呈明顯偏南風(fēng)，因此大量阿拉伯海水汽進(jìn)入印度半島，大量孟加拉灣水汽進(jìn)入中南半島，江淮地區(qū)水汽主要來(lái)自南海地區(qū)；南海地區(qū)水汽與西太平洋地區(qū)水汽在南海北部至華南地區(qū)匯合，向北輸送至江淮地區(qū)形成降水。中層（圖4h）的水汽通量與季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期相似，印度洋季風(fēng)與青藏高原南支氣流共同導(dǎo)致印度洋通道較強(qiáng)，影響華南和江淮地區(qū)的降水，并進(jìn)一步向東北輸送至太平洋。到了高層（圖4i），由于雨帶的北移，江淮梅雨區(qū)位于水汽通量大值區(qū)，西風(fēng)通道對(duì)雨季降水影響有所加強(qiáng)。

綜上所述，太平洋通道是江淮梅雨時(shí)期低層最主要的水汽通道，而中層和高層最強(qiáng)水汽通道為印度洋通道；從水汽源地角度指出，該雨季最主要的水汽源地為低層與中層的中國(guó)東部局地以及低層的西太平洋地區(qū)。

3.4 華北雨季

華北雨季中，降水集中在華北地區(qū)，此時(shí)水汽通道進(jìn)一步向北移動(dòng)。在對(duì)流層低層（圖5a），太平洋通道進(jìn)一步加強(qiáng)，軌跡占比達(dá)到了該層軌跡數(shù)量的45%，有接近一半的軌跡通過(guò)太平洋通道進(jìn)入華北，同時(shí)中緯西風(fēng)通道迅速增強(qiáng)，成為次重要通道，西風(fēng)通道、南海通道和中國(guó)東部局地的軌跡占比分別為16.2%，14.7%和14.8%，印度洋通道迅速減弱，軌跡占比僅為7.3%。對(duì)流層中層（圖5b），中緯西風(fēng)通道迅速增強(qiáng)，成為該雨季最強(qiáng)水汽通道，其軌跡占比達(dá)到38.6%，而印度洋通道的軌跡占比僅為19.7%；此外，中層太平洋通道的軌跡占比相比前幾個(gè)雨季則略有加強(qiáng)，其軌跡占比達(dá)到18.6%。而在對(duì)流層高層（圖5c），中緯度西風(fēng)通道軌跡占比進(jìn)一步提高至39.3%，為高層最強(qiáng)水汽通道。印度洋的軌跡占比也提高至22.1%，我們之前的研究（Shi et al., 2020）也指出在華北雨季，太平洋通道和中緯西風(fēng)通道為最主要的水汽通道，但中緯西風(fēng)通道相對(duì)比濕較低，因此對(duì)華北地區(qū)降水影響相對(duì)較弱，與本文的結(jié)論也是一致的。

圖5 同圖2，但為華北雨季的結(jié)果。圖d–i 中的方形框?yàn)槿A北雨季研究區(qū)域Fig.5 As in Fig.2, but for the rainy season in North China. In Figs. d–i, the squares represent the target region in North China

同樣，我們給出了華北雨季各層水汽源地空間分布的結(jié)果（圖5d–f）?？梢钥吹?，低層各源地的水汽貢獻(xiàn)之和達(dá)到了71.8%，表明有接近3/4 的水汽來(lái)源于對(duì)流層低層，同時(shí)，來(lái)自高層的水汽僅為5.1%，是四個(gè)雨季中高層水汽貢獻(xiàn)最少的。這表明華北雨季中水汽較難輸送至較高層次，雨季水汽主要來(lái)源于低層局地蒸發(fā)與水汽循環(huán)。而從各子源地的水汽貢獻(xiàn)結(jié)果中，可以看到在華北雨季中，中國(guó)東部局地低層的水汽貢獻(xiàn)達(dá)到了43.1%，中層的水汽貢獻(xiàn)為12.0%，而太平洋低層的貢獻(xiàn)為21.6%，上述三個(gè)主要源地的貢獻(xiàn)之和超過(guò)了75%，其余層次各源地的貢獻(xiàn)率均未超過(guò)5%。因此，華北雨季最重要的水汽源地為中低層的中國(guó)東部局地、低層西太平洋源地，其中低層中國(guó)東部局地是最為關(guān)鍵的水汽源地，該源地為華北雨季降水貢獻(xiàn)了超過(guò)40%的水汽。

而水汽通量的結(jié)果表明該雨季低層主要受到太平洋地區(qū)水汽輸送的影響；此時(shí)印度洋季風(fēng)水汽主要對(duì)印度半島和中南半島降水產(chǎn)生影響，對(duì)華北降水影響相對(duì)較弱。在中層（圖5h）由于目標(biāo)區(qū)域的北移，華北雨季除了太平洋和南海外，還受到中緯西風(fēng)帶的重要影響。到了高層，華北地區(qū)完全位于水汽通量相對(duì)大值區(qū)內(nèi)，西風(fēng)通道影響最強(qiáng)，但是其比濕仍然很小。

綜上所述，由于雨帶的整體北移，水汽通道也整體北移，華北雨季中，低層最主要的水汽通道為太平洋通道，中高層為中緯西風(fēng)通道；從水汽貢獻(xiàn)角度，該雨季中最主要的水汽源地為低層中國(guó)東部局地，其貢獻(xiàn)率超過(guò)40%。

綜合四個(gè)雨季水汽輸送通道與不同源地貢獻(xiàn)率特征的結(jié)果，表1 給出了四個(gè)雨季，低、中、高三層最重要的水汽通道以及水汽源地。在南海季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，關(guān)鍵的水汽通道為低層至中層的太平洋通道以及中層至高層的印度洋通道，其中最強(qiáng)水汽通道為低層的太平洋通道。而在各層次的水汽來(lái)源看，低層的西太平洋源地和中國(guó)東部局地的水汽貢獻(xiàn)均在20%以上，為該雨季最主要的水汽源地。

表1 中國(guó)東部四個(gè)雨季各層關(guān)鍵的水汽通道以及關(guān)鍵水汽源地。POS、SCSS、IOS、EAS、ECS 表示西太平洋水汽源地、南海水汽源地、印度洋水汽源地、歐亞大陸西風(fēng)帶水汽源地、中國(guó)東部水汽源地Table1 The main moisture transport channels and main moisture sources during four period of rainy season in East China.POS, SCSS, IOS, EAS, ECS represent moisture sources were identified from the West Pacific Ocean, the South China Sea, the Indian Ocean, the Eurasian westerly region, and eastern China, respectively

南海夏季風(fēng)爆發(fā)后，印度洋源地水汽貢獻(xiàn)以及印度洋通道軌跡數(shù)量均明顯加強(qiáng)，特別是對(duì)流層中高層。而從水汽源地的特征上，則可以看到低層最主要的水汽源地為中國(guó)東部局地和南海地區(qū)；從中層起，印度洋源地的貢獻(xiàn)明顯較大，為該雨季貢獻(xiàn)了大量的水汽。

而在江淮梅雨時(shí)，低層最主要的通道為西太平洋源地，中高層最主要通道為印度洋通道而水汽源地的貢獻(xiàn)特征中，中國(guó)東部局地開(kāi)始成為最主要的水汽源地，特別是低層，局地水汽貢獻(xiàn)率達(dá)到了28.7%。

到了華北雨季，低層最強(qiáng)水汽通道為太平洋通道，中高層最強(qiáng)水汽通道則從印度洋通道變?yōu)橹芯曃黠L(fēng)通道。而在水汽來(lái)源上，低層中國(guó)東部局地的貢獻(xiàn)率達(dá)到43.1%，華北雨季中有接近一半的水汽來(lái)源于中國(guó)東部低層的局地蒸發(fā)，表明局地的蒸發(fā)對(duì)華北雨季降水起到至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)論

本文將中國(guó)東部四個(gè)雨季的水汽輸送特征分為低層（1500 m 以下）、中層（1500～5000 m）和高層（5000 m 以上）三個(gè)垂直層次，分別對(duì)水汽輸送過(guò)程中的水汽輸送通道以及水汽源地貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，得到雨帶推進(jìn)過(guò)程中的四個(gè)雨季的水汽輸送的垂直結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下：

（1）季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，低層最主要水汽通道為太平洋通道，軌跡占比為52.3%，中高層最主要的水汽通道為印度洋通道，軌跡占比超過(guò)37%；季風(fēng)爆發(fā)后的華南前汛期印度洋通道迅速增強(qiáng)，從低層到高層均為最強(qiáng)水汽通道，在中層其軌跡占比達(dá)到了65.6%。隨著雨帶北移，印度洋通道強(qiáng)度減弱，西風(fēng)通道強(qiáng)度增強(qiáng)。華北雨季低層最主要的水汽通道為太平洋水汽通道，軌跡占比達(dá)到45%，中高層最主要的水汽通道為中緯西風(fēng)通道，軌跡占比超過(guò)38%?？傮w上，低層最主要的水汽通道為太平洋通道，中高層主要受西風(fēng)氣流影響，在華南前汛期和江淮梅雨，最主要的水汽通道為印度洋通道，而在華北雨季，最主要的水汽通道為中緯度西風(fēng)通道。

（2）四個(gè)雨季低層水汽總貢獻(xiàn)均超過(guò)50%，特別是華北雨季，低層總貢獻(xiàn)超過(guò)70%，表明雨季降水的水汽主要來(lái)自低層。各雨季中，南海夏季風(fēng)爆發(fā)前的華南前汛期，低層西太平洋源地和中國(guó)東部局地為該雨季最主要的源地，水汽貢獻(xiàn)率分別為24.2%和23.1%；南海夏季風(fēng)爆發(fā)后，印度洋源地的貢獻(xiàn)迅速增強(qiáng)，該雨季低層最主要的水汽源地為中國(guó)東部源地和南海源地，而中高層最主要的水汽源地為印度洋源地。江淮梅雨和華北雨季中，最主要的源地為中低層的中國(guó)東部地區(qū)和低層西太平洋地區(qū)，特別是華北雨季中，中國(guó)東部局地低層的水汽貢獻(xiàn)達(dá)到了43.1%，表明低層局地蒸發(fā)對(duì)華北雨季降水起到至關(guān)重要的作用。