1998年长江流域特大洪涝期水汽输送过程的诊断分析

江志红 浦建 杨浩 任伟

摘要利用基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9），结合轨迹聚类法和气块追踪法，探讨1998年6月12日-8月27日期间长江流域强降雨的水汽输送轨迹、主要水汽源地及其水汽贡献，发现此次强降水过程的水汽源地主要为印度洋、孟加拉湾一南海和太平洋；不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地存在差异。降水第一阶段水汽主要来自孟加拉灣一南海，水汽输送贡献为35%。降水第二阶段水汽主要由印度洋、孟加拉湾一南海和太平洋三个区域共同提供，水汽输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾一南海的水汽输送占主导地位，它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。降水第四阶段水汽主要来源于孟加拉湾一南海，贡献为40%。强降水过程中大气环流的调整，导致了不同阶段水汽源地的变化及各源地水汽贡献的差异。

关键词长江流域；水汽输送；水汽源地；拉格朗日轨迹

充足的源源不断的水汽是产生暴雨的主要物理条件之一，水汽源地及其输送路径作为影响我国夏季降水的重要因子，受到国内外气象界的高度关注。竺可桢（1934）指出亚洲季风的水汽输送对我国夏季降水有重要影响。施永年等（1982）指出我国东部大陆夏季的水汽来源，主要来自西南方向，其次是东南方向。Tao and Chen（1987）指出南海以及孟加拉湾地区的水汽输送与中国夏季极端降水有密切关系。徐敏和田红（2005）指出，淮河流域梅雨期的降水主要来源于经向的南边界水汽输送。王志毅等（2017）发现各条水汽通道对江淮地区梅雨期降水强度及范围的影响程度均不同。上述有关水汽源地及其输送路径的研究大多基于欧拉方法，而欧拉方法给出的水汽通量随着时间变化往往具有瞬变特征（James et al.，2004；陈斌等，2011），与气团的真实运动轨迹存在一定的差异，且无法定量计算水汽贡献。

近年来，拉格朗日方法逐渐被应用于水汽输送的研究。Berth et al.（2004）利用拉格朗日轨迹模式（HYSPLIT）对2002年意大利Trentino地区一次强降水过程中的水汽来源进行了诊断分析，发现其主要水汽通道是从副热带非洲地区经地中海输送进入Trentino地区。江志红等（2011）基于拉格朗日轨迹模式研究2007年淮河暴雨期间的水汽来源，指出影响此次强降水过程的水汽通道主要有三支，并对各通道的水汽贡献进行了定量分析。由于上述方法中涉及到大量的轨迹，必须基于一定原则对轨迹进行聚类，当轨迹数量庞大时，不能全面地反映水汽源地分布情况。为此，江志红等（2013）进一步提出气块追踪分析方法，通过后向追踪气块及其物理属性，可以更直观定量地了解水汽源地及其贡献，但以上两种分析方案尚缺乏综合运用和对比。

1998年我国气候异常，长江流域发生持续性强降水，洪涝灾害严重（郭栋等，2016），学者针对此次强降水的水汽来源做了大量研究。根据此次强降水的时空分布，周自江等（2000）将其划分为4个阶段，发现不同阶段的降水特征具有明显差异，但未给出不同阶段水汽输送及其源地情况。谢安等（2002）认为此次强降水与南海和孟加拉湾对长江流域长时间的水汽输送有密切关系。丁一汇和胡国权（2003）指出大尺度的水汽辐合是造成1998年长江流域强降水的重要原因。李跃清和蒋兴文（2007）指出长江流域强降水的主要水汽源地为孟加拉湾、南海和西太平洋。

本文利用NCEP再分析资料，引入拉格朗日气流轨迹模式，将气块追踪分析法和轨迹聚类法相结合，对比研究此次长江流域强降水的水汽来源、输送轨迹及其主要通道，将两种方法所得结果进行互相验证和补充，并在此基础上通过气块追踪法定量分析不同降水阶段各个水汽源地对降水的输送贡献。

1资料与方法

1.1资料

本文使用资料为1998年6-8月NCEP大气环流再分析资料，时间分辨率为6h一次，水平分辨率为2.5°x2.5°，以及中国754个测站同期逐日降水量数据。

1.2轨迹模式模拟方案

采用由NOAA Draxler等开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式HYSPLIT_4.9（Draxler and Hess，1997，1998）。

模拟区域选取长江流域（102～122°E，27～33°N）6°x20°的区域，水平分辨率为2°x2°。参照周自江等（2000）对1998年长江流域夏季降水时空分布特征的分析，将模拟时段分为四部分，分别为：6月12°27日（图1a）、6月28日一7月21日（图1b）、7月22-31日（图1c）、8月1-27日（图1d）。垂直方向上选取850 hPa作为模拟的初始高度，整个模拟空间的轨迹初始点为44个，模拟其后向追踪11d的三维运动轨迹（江志红等，2013）。

1.3水汽来源分析方法

1.3.1轨迹聚类分析方法

轨迹聚类的基本思路是按照轨迹路径最接近的原则进行多条轨迹合并分组，根据最优分组结果，计算每组的平均轨迹，得到最终的聚类结果。具体方法参见江志红等（2011）。

1.3.2气块追踪分析法

江志红等（2013）提出的气块追踪分析方法，其基本思路是基于拉格朗日气流轨迹模式，确定后向追踪的气块到达目标区域前某一时刻所处位置，并根据气块的空间分布和物理属性，求得不同区域水汽输送贡献。根据江志红等（2013）研究结果，本文将气块后向追踪的时间定为11d以内，统计2°x2°网格内气块的个数，分析水汽的分布及贡献率。

1.3.3不同区域水汽输送贡献率的计算

2强降水期各阶段水汽输送特征分析

2.1不同降水阶段水汽输送路径、源地及贡献对比

根据前文对1998年长江流域夏季降水四个阶段的划分，通过轨迹聚类法和气块追踪法的综合分析，给出不同降水阶段水汽源地的分布及水汽贡献。

图2a给出了降水第一阶段（6月12-27日）使用轨迹聚类方法得到的水汽通道，根据簇分析的方法对所得轨迹进行聚类，最终确定6条轨迹簇。通道1为印度洋通道，由东非急流和孟加拉湾越赤道气流聚类而成，水汽从印度洋地区经孟加拉湾和中南半岛进入我国长江流域；通道2由孟加拉湾以及南海南部向北输送的气流聚类而成，水汽经过中南半岛和南海北部进入长江流域，记为孟加拉湾一南海通道；通道3為西太平洋的水汽输送，水汽沿着副高南侧的东南气流进入长江流域，记为太平洋通道；通道4为长江流域附近的水汽，记为局地通道；通道5A和通道5B分别为源于中亚西西伯利亚地区和北大西洋的西北方向冷空气输送，记为欧亚大陆通道。

为更直观地讨论水汽源地及其输送情况，图2b给出了气块追踪法所得到的降水第一阶段（6月12-27日）空气块携带的水汽在到达长江流域前第11天（-11d）的空间分布情况，可以看出，气块携带水汽有部分位于印度洋、孟加拉湾、南海地区，有部分在赤道附近印度尼西亚以西的洋面，有一部分仍然停留在我国东部地区，另一部分则在蒙古高原和西伯利亚一带。此时空气块及其湿度的大值区主要位于孟加拉湾和南海南部一带。从气块的高度分布情况来看，印度洋、孟加拉湾一南海、太平洋和长江流域上空的气块主要位于850 hPa以下的对流层低层，而蒙古高原和西伯利亚上空的气块则主要位于600 hPa的对流层中层。

由气块追踪法得到气块空间分布（图2b），将水汽源地相应地划分为5个区域，它们分别是印度洋、孟加拉湾一南海、太平洋、局地和欧亚大陆（图3），所划分的水汽源地与轨迹聚类法得到的水汽源地分布基本一致。根据式（1）计算得到各个区域的水汽贡献，印度洋地区的水汽贡献为21%，孟加拉湾一南海区域的水汽贡献为35%，太平洋地区的水汽贡献为19%，局地和西北欧亚大陆的水汽贡献分别为16%和7%，可以看出这一阶段水汽主要来自孟加拉湾和南海。

对比前述轨迹聚类法和气块追踪法所得的结论，发现两种方法的结果较为一致，降水第一阶段水汽源地分布在印度洋、孟加拉湾一南海、太平洋、局地和欧亚大陆5个区域。气块追踪法能直观地看出水汽源地的分布情况，而轨迹聚类法则能反映出各个源地水汽输送的主要路径，综合轨迹聚类法和气块追踪法可以更加全面地看出进入我国长江流域的水汽情况。

图4a给出了降水第二阶段（6月28日-7月21日）轨迹聚类方法所得结果，该阶段模拟出的轨迹最终聚类为5条，通道1同样由东非急流和70～90°E越赤道气流聚类而成，气流从中南半岛向东北方向输送到我国长江流域，记为印度洋通道；通道2为孟加拉湾经中南半岛和南海进入长江流域的水汽，记为孟加拉湾一南海通道；通道3为沿西太平洋副高边缘的东南水汽输送，记为太平洋通道；通道4为长江流域附近的水汽输送，记为局地通道；通道5为来自西北欧亚大陆的水汽输送，记为欧亚大陆通道。

图4b给出了降水第二阶段气块追踪法所得结果，由图可见，印度洋、孟加拉湾一南海、太平洋、局地和欧亚大陆5个区域仍然是这一阶段长江流域的主要水汽源地。通过计算，印度洋地区的水汽贡献为32%，孟加拉湾一南海区域的水汽贡献为28%，太平洋地区的水汽贡献为31%，局地和欧亚大陆的水汽贡献分别为6%和2%。在这一阶段长江流域水汽主要来源于印度洋、孟加拉湾一南海和太平洋区域，局地和欧亚大陆的水汽贡献较小。

在降水的第三阶段，轨迹聚类方法所得结果如图5a所示，通道1为印度洋通道；通道2A和2B分别为孟加拉湾通道和南海通道，在这一阶段孟加拉湾和南海地区的水汽输送路径差异较大，表现为两条独立的水汽通道；通道3为日本附近洋面向目标区输送的东风气流，记为太平洋通道；通道4和通道5分别为局地通道和欧亚大陆通道。第三阶段的水汽输送通道和前两个阶段相比有所变化，主要表现为孟加拉湾和南海的水汽输送路径差异较大，在轨迹聚类时区分为两条通道；另外，太平洋地区的水汽输送不再是沿副高南侧的东南气流输送，而是来自日本附近洋面的东风气流输送。

气块追踪法所得结果如图5b所示，根据水汽源区划分计算印度洋、孟加拉湾一南海、太平洋、局地和欧亚大陆5个区域的水汽所占比重分别为33%、41%、5%、19%和1%，在这一阶段水汽贡献最大的两个区域是印度洋地区和孟加拉湾一南海地区。

在降水的第四阶段，轨迹聚类法所得结果如图6a所示，该阶段模拟出的轨迹最终聚类为5条，通道1A、1B记为印度洋通道；通道2为孟加拉湾一南海通道；通道3为太平洋通道；通道4为局地通道。气块追踪法所得水汽源地如图6b所示，印度洋地区的水汽贡献为23%，孟加拉湾一南海地区的水汽贡献为40%，太平洋地区的水汽贡献为22%，局地和来自欧亚大陆的水汽贡献分别为13%和2%。

从这一阶段两种方法的对比发现，轨迹聚类法并没有体现出来自欧亚大陆的水汽通道，而气块追踪法表明来自欧亚大陆的水汽贡献为2%，其原因是在这一阶段欧亚大陆输送的气流较少，在进行轨迹聚类分析时将其合并到了其他轨迹簇中。

通过以上气块追踪法和轨迹聚类法的综合对比分析发现，两种方法都能较好地反映出水汽来源情况，通过轨迹聚类法可以看出水汽输送的大致路径，而气块追踪法则能更加直观地看出水汽源地的分布。另外，对于水汽输送轨迹较少的源地，轨迹聚类方法会将其与其他通道合并，比如在强降水第四阶段，欧亚大陆通道并没有体现出来，故相对于轨迹聚类法，气块追踪法能更全面、直观地分析水汽的来源地。

对1998年长江流域强降水期间空气块后向11d运动轨迹的追踪可以发现，1998年长江流域强降水的水汽源地主要有三个：1）印度洋地区；2）孟加拉湾一南海地区；3）西太平洋地区；另外，还有一部分来自长江流域及其周围（局地）和欧亚大陆的水汽，但是水汽贡献较小。

降水第一阶段来自孟加拉湾一南海的水汽输送最强，贡献为35%，是长江流域该阶段强降水的主要水汽源地。降水第二阶段伴随着雨带北抬到淮河流域和长江上游，各水汽源地对长江流域降水的水汽输送贡献也发生了一些明显变化。降水第二阶段来自印度洋和太平洋的水汽贡献增加较为明显，印度洋地区的水汽贡献由21%增加到了32%，太平洋的水汽贡献由19%增加到了31%左右。在降水的第三阶段，随着雨带移动到长江中下游，来自太平洋的水汽输送明显减弱（对降水的水汽输送贡献为5%），印度洋地区的水汽贡献变化较小，为33%，而孟加拉湾一南海的水汽贡献则有明显的增加，达41%，是水汽贡献最大的区域。降水第四阶段水汽贡献最大的区域依然是孟加拉湾一南海，水汽贡献达到40%，也有来自太平洋和印度洋的水汽输送，其水汽输送贡献分别为22%和23%。欧亚大陆和局地的水汽贡献在四个阶段都比较小。

2.2与欧拉水汽输送分析对比

进一步与欧拉方法水汽输送结果对比，图7给出了该次强降水第三阶段从地面积分到700 hPa的水汽通量分布。在欧拉场中，水汽从索马里地区越过赤道之后，经阿拉伯海和孟加拉湾到南海北部继而向北输送进入我国东部，水汽的大值区主要在印度洋的阿拉伯海地區以及孟加拉湾地区，这一点与拉格朗日方法所得的结论是一致的。但从拉格朗日方法的水汽通道中（图5a）可以看出，在降水的第三阶段除了来自印度洋和孟加拉湾一南海的水汽通道，还存在一支从日本半岛经过我国黄海洋面向长江流域输送的水汽通道，这支水汽通道在欧拉场中不明显。另外，在降水的第四阶段，拉格朗日方法分析出了来自于印度洋的水汽为两条单独的越赤道气流（图6a），一条为索马里越赤道气流通道，经过印度半岛南部、孟加拉湾以及中南半岛进入长江流域，另一条通道则在80°E附近越过赤道，经孟加拉湾、中南半岛进入长江流域，但是在欧拉场中，80°E附近的越赤道气流并没有很好地体现（图略）。可见，相对于欧拉方法，拉格朗日轨迹方法可以更加全面客观地分析水汽的来源及输送情况。

通过以上分析，定量的给出了降水四个阶段不同水汽源地的水汽贡献，并且通过轨迹聚类法和气块追踪法的详细对比，发现两种方法的结果较为一致。此外，相比于欧拉方法，拉格朗日方法更加客观，能定量计算出各个水汽源地的贡献率。

3水汽源地输送贡献变化原因

上述研究发现，不同源地的水汽贡献在降水的四个阶段是有变化的，印度洋地区的水汽贡献在第二、三阶段较大，孟加拉湾一南海的水汽贡献在第三、四阶段较大，而太平洋地区的水汽贡献在第二阶段较大。显然，这种差异与大气环流系统的调整有关。

根据上述拉格朗日方法的分析结果，印度洋地区的水汽主要通过40-60°E索马里急流和80°E附近的越赤道气流输送进入长江流域，而不少研究指出索马里急流是夏季南北半球水汽输送的主要载体，其强度的变化会直接影响越赤道向南亚季风区和东亚季风区的水汽输送量（王会军和薛峰，2003；汪卫平和杨修群，2008），故通过索马里急流强度的变化来分析印度洋地区水汽贡献在不同阶段变化的原因。参考汪卫平和杨修群（2008）、施宁等（2001）对索马里急流的研究，以40～60°E赤道的850 hPa经向风分量代表索马里急流强度，图8给出了降水四个阶段40～60°E赤道850 hPa经向风分量平均值。可以看出，在降水的第一阶段，索马里急流较弱，为8.1 m/s，这一阶段印度洋地区的水汽贡献也是四个阶段中最弱的，只有21%左右；降水的第二、三阶段索马里急流显著加强，分别达到了9.8 m/s和9.4 m/s，这两个阶段印度洋地区的水汽贡献也明显增加，水汽贡献超过了30%；在第四阶段，索马里急流减弱到8.5 m/s，印度洋地区的水汽贡献也随之减少，为23%。可见，索马里急流在第二、三阶段的加强，使该通道携带大量洋面上的水汽进入长江流域，引起印度洋地区水汽输送的加强，导致在第二、三阶段印度洋地区的水汽贡献比一、四阶段明显。

另外，孟加拉湾一南海的水汽贡献在降水第三、四阶段较大，分别达到了41%、40%，根据丁一汇等（1999）对1998年南海季风的分析，在降水的前两个阶段南海季风处于不活跃期，在这一时期孟加拉湾一南海的水汽贡献分别为35%、28%，相对后面两个阶段而言偏小；在7月23日后，南海季风明显加强（丁一汇等，1999），季风加强的这一阶段正好对应水汽贡献增大的第三阶段（7月22-31日）。可见南海季风的强弱变化，是导致在这一阶段孟加拉湾一南海的水汽贡献变化主要原因。

4结论

本文引入基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9），模拟了1998年长江流域强降水4个阶段空气块的运动轨迹，结合轨迹聚类法和气块后向追踪法，研究不同降水阶段的水汽源地及相应水汽输送贡献，结论如下：

1）轨迹聚类法和气块追踪法在对水汽输送的模拟方面结论较为一致，均能准确地反映出降水各个阶段水汽的源地情况。轨迹聚类法能较好地模拟出水汽输送的主要路径，而气块追踪法更能全面直观地看出各个水汽源地的分布。

2）1998年长江流域夏季强降水的水汽源地主要有3个，分别为印度洋、南海一孟加拉湾和太平洋，其中降水第一、四阶段长江流域的水汽主要由孟加拉湾一南海提供，水汽输送贡献为分别为35%和40%。在降水第二阶段，印度洋、孟加拉湾一南海和太平洋是水汽的主要源地，其输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾一南海的水汽输送占主导地位，它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。

3）不同源地水汽贡献在降水4个阶段的变化与大气环流系统的调整有关。索马里越赤道急流在第二、三阶段增强，导致印度洋地区水汽贡献在降水第二、三阶段显著高于第一、四阶段，而南海季风强度的变化，导致了孟加拉湾一南海地区在降水不同阶段水汽贡献的变化。