2015年6月江淮梅雨暴雨增幅前后水汽输送特征对比

毛天韵　王春明

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京，211101)



2015年6月江淮梅雨暴雨增幅前后水汽输送特征对比

毛天韵王春明

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京，211101)

摘要：使用NCEP FNL再分析资料和GDAS资料，利用轨迹追踪模式HYSPLIT对2015年6月27日发生在江淮地区的一次台风远距离暴雨的水汽条件及其输送路径进行了初步分析。这次降水从天气形势来看为一次典型的江淮梅雨锋降水，在降水前后两日大尺度环境场无明显改变的前提下，发现27日的水汽传输较26日有显著增强。从轨迹模拟结果看，本次强降水区主要水汽通道为南海、孟加拉湾、索马里、黄海、西风带5条通道。中低层水汽输送对降水区影响较大，高层水汽输送较小。27日北部通道水汽输送减弱，南部受1508号台风低压环流减弱影响，西南水汽通道打通并进一步加强，水汽输送显著增强，对降水区的水汽贡献率达到87.06%。

关键词：江淮梅雨；水汽输送；水汽收支；HYSPLIT模式

0引言

暴雨的形成除有强烈的上升运动外，充沛的水汽是必不可少的条件，因此对暴雨区水汽输送路径及源地进行分析，对进一步研究暴雨区降水机理有重要意义。对于江淮梅雨季降水水汽输送来源的研究早在上世纪80年代初就已开始，王继志等[1]、张汉琳[2]、李建辉[3]就指出，进入南海的澳洲过赤道气流西南延伸段及西太平洋副高边缘的东南气流对江淮梅雨期降水均有影响。徐景芳等[4]、费建芳等[5]、Simmonds et al.[6]、胡国权和丁一汇[7]、苗秋菊等[8]指出，孟加拉湾和南海是中国东南部降水特别是江淮梅雨区的主要水汽源地。康志明[9]在对2003年淮河流域持续性大暴雨的水汽输送进行分析后，得出南海是主要水汽源地，而周玉淑[10]等则在此基础上提出夏季印度季风环流也是江淮流域的主要水汽通道之一。以上研究均采用欧拉方法，只能主观判断每一水汽通道的水汽贡献率，有较大局限性，因此越来越多的学者使用拉格朗日方法对降水区的水汽来源进行研究。Stohl and James[11]、Berto et al.[12]各自利用拉格朗日轨迹模式研究了2002年的两次暴雨过程，得到各水汽通道水汽贡献率。江志红等[13]、任伟[14]、杨浩[15]等均使用基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式对不同年份江淮流域梅雨期强降水水汽输送特征进行分析，得出印度洋、太平洋、孟湾—南海为江淮梅雨的主要水汽通道，单一通道的最大水汽贡献率可超过50%。

2015年6月27日，在稳定的江淮梅雨锋条件下，江苏南部、安徽中部出现特大暴雨。为研究这次强降水的水汽来源及输送情况，本文在了解本次降水大尺度环流背景及降水区域水汽收支情况的基础上，利用NOAA ARL开发的HYSPLIT轨迹模式，对暴雨发生日及前一天的水汽输送情况进行分析，并采用簇聚类分析法进行轨迹聚类，得到主要水汽通道，同时利用比湿数据对各通道的水汽贡献率进行统计，以期从水汽输送角度找出此次强降水产生的主要原因，为日后梅雨暴雨的预报提供参考依据。

1资料与方法

1.1资料

本文采用NCEP每日4次、水平分辨率为的FNL全球再分析资料，常规及地面自动观测站资料，以及GDAS资料等对2015年6月26—27日的江淮梅雨暴雨增幅过程进行分析。其中GDAS资料由NCEP的Air Resources Laboratory(ARL)利用全球资料同化系统(Global Data Assimilation System)处理后提供，它将GRIB数据通过同化与转换，输出3 h一次、分辨率为的全球资料，垂直方向分为23层，含有包括经向风、纬向风、垂直速度、温度、相对湿度、位势高度等基本数据在内的共35类数据，该资料为ARL开发的气块轨迹模式HYSPLIT的主要输入资料[16]。

1.2方法

1.2.1水汽收支计算

用于诊断整层大气水汽输送通量矢量的计算公式为：

(1)

其中，Qall为单位点上整层大气水汽通量矢量，q为比湿(单位：g/kg)，V为水平风速矢(单位：m/s)，Pt为层顶气压，Pb为层底气压。

暴雨区各边界水汽收支计算公式为：

(2)

其中，QL为边界整层水汽通量矢量，Vn为风沿边界的法向分量，l为计算边界的边长。

1.2.2HYSPLIT轨迹模式简介

本文利用NOAA开发的轨迹模拟模式HYSPLIT(HybridSingle-ParticleLagrangianIntegratedTrajectory)对降水区的水汽进行后向模拟，以确定暴雨区各位置空气块中的水汽输送轨迹。HYSPLIT假设气块随三维风场运动，则运动轨迹为气块在时间和空间场上的位置矢量积分。该模拟对气块的轨迹计算结合了拉格朗日方法和欧拉方法[17]。本文使用拉格朗日方法进行轨迹模拟，假设起始点为P(t)，则

自起始点起第一个位置：P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)ΔtΔ

模拟完毕气块最终位置：P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P,t)+V(P′,t+Δt)]Δt

计算中积分时间步长可发生变化，但要求时间步长内的最大距离不超过数据格点的0.75倍[18]。

1.2.3聚类分析

对模拟完毕后产生的大量轨迹进行聚类分析，以确定主要水汽通道。本文采用系统聚类法，通过计算各轨迹簇之间的空间方差和(Cluster Spatial Variance，简称CSV)对簇进行合并分组，同时计算总空间方差和(Total Spatial Variance，简称TSV)，使合并后的TSV增加量达到最小，要求簇与簇之间差异达到极大，轨迹簇内差异极小。TSV在刚开始合并时缓慢减小，随着簇的不断减少，TSV到达最小值后又缓慢增加，当簇减少到一定数量时，再进行合并，TSV会迅速增大，这说明此时两个合并的簇很不相似，轨迹聚类到此结束，合并前得到的簇为聚类最终结果。

1.2.4水汽贡献率的计算

分别对聚类得到的水汽通道计算水汽贡献率[15]，公式如下：

(3)

其中Qs表示各个通道的水汽贡献率，qlast表示气块在降水区域的比湿，m表示该通道包含的轨迹条数，n表示总轨迹条数。

2天气过程概况

2015年6月20日—7月1日，江淮流域发生了一次持续12天的降水过程，雨量从25日开始缓慢增大，至27日突然达到最大值，是典型梅雨过程中的一次短期暴雨过程。在这一过程(26日20时—27日20时)中，雨带呈东西走向，影响安徽中部和江苏南部地区，降水区内半数以上测站24 h降水量>100 mm，8个测站降水超过200 mm，常州市金坛测站测得24 h降水量最大值274.6 mm。在后续的水汽条件研究中，水平方向上将118°E～122°E，31.5°N～32.5°N取作强降水区。从各自动站的逐小时降水量上看，降水呈波动状态，江苏南部的强降水显示出明显双峰现象，分别在27日00时和27日10时达到极大值；而安徽北部降水呈现单峰状态，26日20时前仅为小雨，缓慢增大后于27日06时达到降水极大值，后又逐渐减小。

从大尺度环流场来看，26、27日两日无明显变化，以27日为例(图1)本次降水环流特征为典型的江淮梅雨锋降水形势。在高层(100 hPa)，江淮地区上空存在一由南亚高压东移而来的暖性反气旋，其南北两侧分别有东风急流和西风急流；在中层(500 hPa)，西太副高脊线位于22 °N附近，长江流域受西风及西南气流影响，在江苏北部与自北而下的偏西气流汇合，高纬地区呈现典型“双阻型”，东阻位于雅库茨克附近，西阻在乌拉尔山脉区域，两个高压区中间为一宽广低压槽；在低层(700、850 hPa)，有西南涡东移越过江淮地区进入黄海，27日时西南涡正好位于江淮上空，33°N附近有一条明显的切变线，切变线南侧存在西南低空急流。这样典型的高低空配置为强降水的产生创造了有利条件。

图1　2015年6月27日08时(a)100 hPa高度场与风场，(b) 500 hPa高度场与风场，(c) 700 hPa高度场与风场，(d) 850 hPa高度场与风场

3水汽输送特征

3.1水汽通量流函数、势函数分析

丁一汇等[19]曾指出，强降水区的水汽输送是半球尺度的问题，如果将全球水汽通量分解为表征水汽输送方向的流函数和表征水汽辐合辐散的势函数，则可以从全球范围分析强降水区的水汽输送情况。

图2a给出26日20时—27日20时整层水汽输送流函数场，全球有3个水汽通量流函数高值中心，分别位于北太平洋、北大西洋以及赤道附近的印度季风区。在赤道区域，有一条赤道东风带连接大西洋和印度洋，太平洋赤道区域的东风带向西输送水汽，在菲律宾以东洋面分为两支，一支沿西太平洋副高转向与副高西侧向北输送的水汽汇合经南海上空进入江淮流域，另一支继续向西输送到达印度洋后越赤道转向进入孟加拉湾，后通过孟加拉湾通道将水汽输送至江淮流域。

图2b为整层水汽输送势函数图，显示全球范围内，北太平洋地区为势函数大值区，说明此处有强烈的水汽辐合。在江淮地区存在一个局部势函数大值区，这说明在一定的范围内，水汽在江淮地区汇聚。汇聚到降水区域的水汽，主要来自非洲东部的印度洋，水汽经过孟加拉湾和南海，进入强降水区。在淮河流域上空，有西北、西南气流辐合，且辐合趋于经向型。

图2　2015年6月26—27日全球整层大气水汽通量(a)流函数(等值线，单位：106g·s-1)及非辐散分量(矢量，单位：kg·m-1·s-1);(b)势函数(等值线，单位：106g·s-1)及辐散分量(矢量，单位：kg·m-1·s-1)

3.2降水区水汽收支

利用公式2可估算强降水区(31.5°N～32.5°N，118°E～122°E)的水汽收支情况，表1给出了26日及27日各层次的水汽收支，可以看出，在强降水日(27日)，整层水汽明显辐合，水汽通量达到10.06。不同层次的水汽收支情况存在明显差异，水汽主要从西边界和南边界流入，以西边界为主，占全部流入水汽的62%。东边界为主要水汽输出区域，北边界仅有少量水汽流出。从整层水汽收支情况来看，最大水汽流入高度位于850～700 hPa，在中低层产生水汽质量辐合，最大的水汽流出出现在500～300 hPa以上高层，这说明在

降水区，存在显著的上升运动。水汽从低层到高层的垂直运动不仅增加了中高层的水汽含量，还对强降水的产生提供了有利的条件[20]。

将强降水日与前一日的水汽输送情况进行对比可以发现，水汽输入大值区从前一日的850～700 hPa高度提高至850～500 hPa，水汽输入有所增加。此外，因为强烈的上升运动，在850～700 hPa的水汽输出较上一日明显减少，500 hPa以上的高层水汽输出增大。从整层水汽通量来看，水汽输入变化不大，水汽输出较强降水前一日大幅度减少，强降水区整层水汽收入明显增加。

表1 区域水汽收支情况

以上对强降水区的局地水汽收支情况进行了分析，结果表明降水区外大尺度场中源源不断输送的水汽给本次大暴雨提供了充足的水汽条件，而之前采用欧拉方法进行的水汽收支分析只能定性的判断出全球范围达到降水区的主要水汽通道，而通过拉格朗日方法可计算出气团的运行轨迹，结合气团携带的物理属性，即可进一步确定水汽通道的位置，以及定量计算各水汽通道对降水区域的水汽贡献率[15, 21-25]。

4水汽输送轨迹模拟

4.1轨迹模拟方案设计

结合实际降水情况，选取强降水区(31.5°N～32.5°N，118°E～122°E)作为模拟区域，水平方向上经向每隔、纬向每隔选为一个起始点，垂直方向上在500～10000 m之间每隔500 m设为一层，作为初始模拟高度。利用HYSPLIT 4轨迹模式进行后向轨迹模拟，每个起始点自27日20时向前每隔3 h重新开始一条新轨迹的模拟，每个起始点各产生17个时次的17条轨迹，并利用模式中Advanced模块进行差值计算输出轨迹上各点的物理属性(气压、温度、比湿等)。

4.2轨迹模拟结果分析

4.2.1整层大气轨迹分析

空间轨迹模拟的初始点共计300个，17个时次，模拟得到5100条轨迹。26、27两日轨迹进行轨迹点的聚类分析各得到5条主要水汽通道(图3)，根据其源地分别命名为南海通道、孟加拉湾通道、索马里通道、黄海通道和西风带通道。

图3　整层水汽通道空间分布 (a)26日、(b)27日

两日对比，黄海通道、西风带通道和孟加拉湾通道相似，而索马里通道和南海通道存在较大差异。26日索马里通道自阿拉伯海经过印度上空，于尼泊尔、中国西藏边界处进入我国后自西向东到达降水区；27日索马里通道经斯里兰卡，越过孟加拉湾沿云南、老挝边境进入我国，较26日明显偏南，并于110°E附近与南海通道汇合，自西南向东北到达降水区。对于南海通道而言，26日气块自海南岛东部(约115°E)进入我国，27日则经过海南岛上空(110°E)进入，较前一日偏西。利用公式3计算两日各通道水汽贡献率(表2)，西风带通道上的气块基本位于400 hPa以上，气块水汽含量较少，水汽输送较少；黄海通道到达降水区的气块均在900 hPa及以下区域，受海面蒸发影响，单位气块携带的水汽含量在各通道上最高，由于黄海通道轨迹数仅占一成，因此水气贡献率并非最大。5条水汽通道中，水汽贡献率最高的是南海通道，该通道气块都来自低层中低纬度热带洋面，且输送途中多位于700～850 hPa之间，平均比湿贡献值为10.42 g·kg-1，同时南海通道轨迹数众多，可达3成以上。将26、27两日水汽贡献情况进行比较，发现轨迹形态未发生较大改变的黄海通道、西风带通道、孟加拉湾通道的水气贡献值和水气贡献率均有一定程度地减小，黄海通道水气贡献率从20.83%降低至9.33%，西风带通道的水汽贡献率则从6.22%降低到2.2%，水汽贡献减少超过60%。而索马里通道水汽贡献率出现大幅增长，从26日的5.34%增加至27日24.74%，使自南部进入降水区的水汽贡献率占全部水汽贡献的87.06%，由此可认为南海、孟湾、索马里3通道的水汽贡献对降水区的强降水起到决定性的作用。

表2　整层水汽通道水汽贡献情况

4.2.2分层轨迹分析

由表1可知，在降水区700～850 hPa是水汽汇，水汽在这一高度向降水区汇集，而300 hPa以上为水汽主要输出高度，下面将整层大气模拟轨迹分为850 hPa以下、850～700 hPa、700～500 hPa、500 hPa以上4个层次进行水汽输送特征研究。分层后发现，除上文提到的5个主要通道外，在低层两湖地区及副高都对降水区的水汽输送有影响。

在500 hPa以上高层区域(图4a、4b)，西风带、索马里以及南海通道的轨迹形态均无太大变化，索马里通道轨迹数大量增长，根据其走向27日可分为南、北两支，两通道给降水区输送的气块数量占全部气块数的1/2以上；从水汽输送情况看，尽管孟湾及南海通道的水汽贡献较前一日有大幅度提升，且两通道源地的暖湿洋面为气块提供了大量水汽，但由于源地低压气旋的影响，气块在运输过程中产生强烈抬升，携带水汽有较大损失，到达降水区域时平均比湿仅约为3，水汽贡献为各层最小。

500～700 hPa高度(图4c、4d)，26日时来自索马里海域的气块较少，聚类后不显示索马里通道，孟湾通道分为南北两支，南支与南海通道在广西上空交汇，27日出现索马里通道，孟湾北通道消失，起自孟湾的气块均由南部通道到达降水区；26日四通道水汽贡献比例相对平衡，南海通道和西风带通道略高，约30%，27日由于孟湾北通道中断，气块均由南通道到达降水区，南通道水汽贡献率显著增加，达到64.85%，西风带通道则受轨迹数量大幅减少影响，水汽贡献由原先的27.10%骤减到2.82%。

700～850hPa高度(图4e、4f)，26日水汽来源除南海、孟湾、西风带通道外，还有来自黄海和两湖区域的低层水汽，27日则为正常的南海、孟湾、索马里、西风带4通道；在700 hPa，南海通道气块起始高度低，携带大量水汽，输送过程中无明显抬升运动，且轨迹数众多，为水汽输送最大通道，26、27日两日分别贡献42.99%、54.12%的水汽，26日水汽输送第二主通道为两湖通道，湖北湖南两省向降水区输送27.43%的水汽，27日孟湾为第二水汽输送通道，输送水汽31.01%，北部通道气块来自中层，本身水汽含量少，对降水区水汽贡献较小。

850 hPa及以下(图4g、4h)，水汽通道为南海、黄海、西风带、副高4条，至27日，副高通道向南并入南海通道，出现孟湾通道；26日，主要水汽输送通道为黄海通道，对降水区水汽贡献率为57.36%，27日黄海通道水汽输送量减小至前一日1/3，南部输送加强，南海及孟湾通道分别向降水区贡献水汽50.80%、23.67%。

综上，通过对两日各层水汽输送的对比分析，发现各高度上26日南北两方向水汽输送相对平衡，27日则出现南部通道水汽贡献显著增强、北部通道减弱的现象，这与前文各层水汽收支相符。从南部通道变化情况看，27日中高层索马里通道水汽输送加强，低层南海通道水汽输送显著增强，孟湾通道北支减弱，气块均通过南支到达降水区域，总体来看，南部水汽贡献率有明显提升。因此，27日江淮流域强降水的发生主要受西南部水汽通道的影响。仔细观察轨迹形态，发现其主要受北部湾海域影响，进一步分析发现，23—25日，1508号台风正好经过此地，时间也与轨迹经过此地时间相符，可推断，1508号台风与此次西南水汽通道的打通与增强有密切联系。

(a)26日500 hPa及以上 (b)27日500hPa及以上 (c)26日500～700 hPa (d)27日500～700 hPa(e)26日700～850 hPa (f)27日700～850 hPa (g)26日850 hPa及以下 (h)27日850hPa及以下图4　分层水汽通道空间分布

5结语

本文在分析了2015年6月27日江淮地区强降水的环流背景及降水区水汽收支情况后，利用HYSPLIT轨迹模式对降水区气团的轨迹进行模拟，就本次强降水的水汽输送特征进行了定量分析。主要结论如下：

1)本次强降水的主要水汽通道有5条，分别为南海通道、孟加拉湾通道、索马里通道、黄海通道和西风带通道，水汽贡献以南海、孟湾、索马里3条南部通道为主，占全部水汽贡献率的87.06%。

2)对轨迹进行分层分析后发现，高层水汽输送明显小于中低层，尽管气团起源于潮湿的洋面，但随着轨迹的登陆抬升，气块内水汽含量迅速减少，到达降水区时比湿仅为3左右，对强降水的影响较小。

3)27日(强降水日)与前一日相比发现，整层大气水汽通量明显增大，各高度均出现北部通道减弱、南部通道显著增强的现象，关注南部通道后发现，中高层索马里通道水汽输送加强，低层南海通道水汽输送显著增强，孟湾通道北支减弱，南支显著增强，这一改变对江淮地区强降水的产生有至关重要的影响。

4)观察轨迹形态发现，影响27日气块轨迹的主要区域是北部湾海域，在气块经过北部湾的23—25日间，1508号台风正好位于此地，由此推断1508号台风对本次西南水汽通道的打通与增强有相关关系。

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收稿日期：2015-12-30