基于拉格朗日方法的中国东部雨季水汽输送垂直特征

施逸 江志红 李肇新

1 南京市气象局，南京210019

2 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室，南京210044

3 法国巴黎索邦大学气象动力学实验室，法国巴黎

1 引言

我国东部地区位于东亚季风区，季风区水汽的源汇、输送路径及其变化直接影响着中国东部雨季的爆发、雨带的进退及旱涝变化，相关研究一直受到气象学家的高度关注。早在20 世纪80 年代，就有大量研究指出中国东部夏季降水的水汽来源主要有孟加拉湾、南海和西太平洋三条水汽通道（Tao and Chen, 1987; 陈隆勋等, 1991）。He et al.（2007）系统分析了中国东部季风区在东亚季风推进过程中水汽输送的变化特征，并指出3～5 月的水汽输送最主要的影响区域分别为中南半岛、斯里兰卡地区以及南海区域。谢坤和任雪娟（2008）指出华北地区夏季降水的水汽主要来自孟加拉湾、南海、西太平洋以及中高纬西风带的输送。沈如桂和黄更生（1981）认为长江中下游降水的水汽大部分来自于南海和太平洋，少部分来自孟加拉湾，蒋兴文和李跃清（2009）却认为长江流域夏季降水的水汽主要来自南半球、南印度洋、东非沿岸和阿拉伯海，还特别指出南海并不是水汽源地，而是水汽输入中国大陆的一个重要通道。而在华南雨季，陈世训等（1982）研究发现华南前汛期的水汽主要来自南海，而林爱兰等（2014）发现华南前汛期水汽输送来源主要有孟加拉湾的西南支输送、热带西太平洋的东南支输送和青藏高原西南侧的西支输送，常越等（2006）则指出4 月之前、4～6 月和6 月之后的水汽输送特征存在明显差异，此外西太平洋的水汽输送变化和来自中国北方的水汽输送变化对华南降水异常有重要作用。

需要注意的是以上研究基于传统欧拉方法，通过计算水汽通量以及大尺度环流，确定水汽输送特征，但该方法无法给出远距离的水汽贡献特征，且不能定量确定各源地的水汽贡献特征。鉴于拉格朗日方法能够提供水汽输送轨迹及沿水汽轨迹的变化细节，近年来拉格朗日方法在全球及区域水循环研究中得到高度重视（Stohl and James, 2004, 2005;Dominguez et al., 2006; Dirmeyer et al., 2009）。该方法通过大气中气块三维位置进行后向追踪，确定每个时次气块的三维位置以及温压风湿等物理量，可以确定水汽输送过程中轨迹与源地水汽贡献。目前该方法在全球尺度上（Gimeno et al., 2010），以及各个子区域（美国地区：Brubaker et al., 2001;Diem and Brown, 2006；欧 洲 地 区：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）得到广泛运用。

在国内，苏继峰等（2010）、江志红等（2011）、孙妍等（2011）、孙建华等（2013）、吴凡等（2014）等先后使用拉格朗日方法，对降水个例进行水汽源地的分析，确定了多次降水过程的水汽源地。而在气 候 态 特 征 上，Drumond et al.（2011）研 究 了2000～2004 年中国各区域降水的水汽来源，确定了中国不同地区主要水汽源地。Li et al.（2016）使用拉格朗日轨迹追踪的方法，对东亚季风区进行水汽轨迹追踪，结果表明，冬季降水水汽主要来自于热带洋面上；夏季降水水汽的主要源地是西南季风区，西南季风向东亚季风区提供了超过40%的水分。而Sun and Wang（2014, 2015）研究了中国东部以及半干旱区降水水汽来源，定量的分析了主要源地水汽贡献特征。近期，Shi et al.（2020）基于拉格朗日方法、蒸发降水诊断法和区域源汇归属法等多种方法，对季风推进过程中的水汽输送特征进行了深入系统的研究，发现季风推进过程中中国东部各雨季最主要的水汽源地为中国东部局地，局地的水汽循环对季风降水起到了至关重要的作用，特别是华北雨季有超过一半的水汽来源于局地蒸发；此外太平洋源地和南海、印度洋源地分别是南海夏季风爆发前、后的华南前汛期重要的水汽源地。但是以上研究中缺乏水汽输送垂直结构及其不同高度上源地特征的分析，而不同垂直层次的水汽输送与源地特征同样会对季风降水有着显著的影响。

以往有关水汽垂直输的送垂直结构研究多基于不同层次环流结构以及水汽通量的垂直剖面图，确定各层次水汽输送对雨季降水的影响。黄荣辉等（1998, 2008）详细分析了东亚季风与亚澳季风的差异，并指出正是由于东亚季风系统风场的垂直结构不同于南亚和北澳季风系统，造成了东亚夏季风降水云系不同于南亚和北澳季风系统。邱金晶和孙照渤（2013）指出正是由于索马里急流垂直结构的年代际变化差异，对中国东部华北与华南降水产生重要影响。但是这些研究均主要使用欧拉方法，仅能确定目标区域不同垂直层次的水汽收支，无法将降水与源地联系，确定各垂直层的源地水汽贡献特征。结合我们之前的研究，拉格朗日方法提供了很好的认识水汽输送垂直结构的工具，能较好地解决欧拉方法存在的问题。

因此本文通过对不同高度上的气块进行后向追踪，得到不同层次上气块后向追踪的三维位置，通过计算平均轨迹、区域源汇归属法等方法，系统分析不同高度层上的水汽输送特征，全面了解水汽输送三维结构特征，以帮助我们对雨带推进过程中不同雨季的水汽特征有全面认识，深化理解各雨季降水特征的变化与差异。

2 数据和方法

本文使用的资料为1961～2010 年NCEP/NACR再分析资料，资料共17 个垂直层次，空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6 小时。

研究时段选取国家气候中心每年发布的《国家气候公报》以及中央气象台发布雨季监测信息（ http://cmdp.ncc-cma.net/cn/monitoring.htm#[2021-10-27]）中华南前汛期、江淮梅雨以及华北雨季三个主要雨季发生时间，并确定了各雨季主要区域作为本文研究区域（图1，华南：20°～26°N，106°～120°E；江淮：28°～34°N，110°～123°E；华北：35°～43°N，110°～120°E）。此外依据Wang et al.（2004）提出的南海夏季风爆发判据，确定每年南海夏季风爆发时间，将华南前汛期分为南海夏季风爆发前的华南前汛期和南海夏季风爆发后的华南前汛期两个阶段。最终将中国东部季风雨季分为四个阶段：南海夏季风爆发前的华南前汛期、南海夏季风爆发后的华南前汛期、江淮梅雨以及华北雨季。每年详细研究时间参考Shi et al.（2020）。

本文使用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）空气资源实验室开发的HYSPLITv4.9 轨迹模式（ Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory，NOAA ARL, 2011）。轨迹追踪初始位置选择华南、江淮以及华北三个主要研究区域内站点（图1）。轨迹追踪起始高度选取海平面上100 m、500 m、1500 m、3000 m、5000 m 和9000 m 共6个层次作为模拟的初始高度，分别代表近地面层925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa 和300 hPa，并进一步将气块初始位置以高度分为三个部分，1500 m 以下为对流层低层（低层），1500～5000 m为对流层中低层（中层），超过5000 m 为对流层中高层（高层）。轨迹追踪初始时间选取每年各雨季起止时间，每日四次（00 时、06 时、12 时、18 时）。分别对气块进行后向追踪10 天，每隔6小时输出气块的三维位置以及温度、压强、风、湿度等物理特征，以得到每个气块的输送轨迹，对各雨季不同区域内的轨迹进行平均，从而定量确定不同层次的主要水汽输送通道（江志红等, 2011; Shi et al., 2020）。

图1 中国东部雨季水汽源地分布的区域划分（中国东部、南海、印度洋、西太平洋和欧亚大陆）以及华南（20°～26°N，106°～120°E）、江淮（28°～34°N，110°～123°E）与华北（35°～43°N，110°～120°E）的站点分布。华南地区70 个站点，江淮流域99 个站点，华北地区78 个站点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

在此基础上，我们引入改进的区域源汇归属法定量确定了不同层次各源地的相对贡献CDF。该方法主要考虑对于每一条轨迹，气块从源地输送到目标区域形成降水时，其比湿会随着轨迹移动而变化。当气块比湿增加时，吸收的水汽其源地为当前粒子所在位置，并且吸收的水汽与大气中原有水汽完全混合；当比湿减少时，大气中来自各源地的水汽按相同比例损失。最终气块到达目标区域形成降水。通过计算大气中比湿的变化，可以定量确定该轨迹上每个源地对目标区域降水的贡献以及在目标区域释放的水汽总量。对每一条轨迹进行累加，因此我们引入公式：

其中，n表示区域i内的轨迹数量；Rj(i)表示轨迹j在源地i吸收的水汽到目标区域释放水汽量；Rtot表示所有轨迹在目标区总水汽释放量，可以近似代表目标区域的降水量。通过该方法，我们可以全面了解水汽贡献的垂直结构特征。具体研究方案以及方 法 介 绍 详 见Shi et al.（2020）、Sun and Wang（2014, 2015）。

3 各雨季中水汽输送的三维特征及其对比

3.1 季风爆发前的华南前汛期

图2a–c 给出了南海夏季季风爆发前的华南前汛期低、中、高层主要的水汽通道。在低层（图2a），最主要的水汽通道为太平洋通道，其轨迹数量达到了低层总轨迹数量的52.3%，低层有超过一半的轨迹来自西太平洋地区，因此低层最主要的通道为太平洋通道。图2a–c 中轨迹的颜色表示其比湿变化，也可以看到轨迹的平均比湿从源地的10 g/kg 增加至目标区域（华南）附近的15 g/kg，表明低层中大量轨迹携带水汽从西太平洋地区进入华南，对华南降水产生重要影响。低层其余通道相对较弱，中纬西风通道和局地通道的轨迹占比分别为22.2%和13.5%，而印度洋通道和南海通道轨迹占比仅为3.1%和5.2%，通道强度很弱。到了对流层中低层（图2b），印度洋通道明显加强，轨迹数量达到中层总轨迹数量的37.6%，成为对流层中低层最重要的水汽通道；与之相反，太平洋通道强度迅速减弱，其轨迹占比由低层的52.3%迅速减少至中层的29%。对流层高层（图2c）的最主要通道与中层一致，为印度洋通道，其轨迹占比为该层的38.4%。但是必须要指出，高层水汽含量低，印度洋通道的平均比湿仅为5 g/kg，中纬度西风通道的平均比湿更是小于3 g/kg，因此对降水影响相对不大。

图2 季风爆发前的华南前汛期低层（左，1500 m 以下）、中层（中，1500～5000 m）、高层（右，5000 m 及以上）的（a–c）主要水汽通道的轨迹特征，（d–f）水汽源地的贡献率（CDF，单位：10−5）分布，（g–i）水汽通量（矢量）和水汽通量值（阴影）空间分布（单位：kg m−1 s−1）。图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、欧亚大陆西风带水汽通道、中国东部水汽通道，轨迹的颜色表示比湿（单位：g/kg），轨迹的粗细表示轨迹数量，通道右侧第一个数字为通道的轨迹数量在雨季内所有轨迹的占比，第二个数字表示通道轨迹数量在该层轨迹中的占比。图d–i 中的矩形框为华南前汛期研究区域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

总体上在南海夏季风爆发前的华南前汛期，低层最主要的水汽通道为太平洋通道，有一半以上的轨迹来自该通道。而中高层最主要的水汽通道为印度洋通道。此外由于气块比湿随着高度增加而减少，因此相比高层轨迹，低层轨迹对降水的影响相对更为显著。

在之前的研究（Shi et al., 2020）基础上，本文进一步使用区域源汇归属法定量给出了不同层次的水汽贡献分布结果。并且为了与水汽通道的结果进行对比，我们将中国东部降水的主要源地分为中国东部局地源地、西太平洋源地、南海源地、印度洋源地以及欧亚大陆源地五个源地（图1），分别代表五条主要的水汽通道，计算得到了五个源地各自的水汽贡献率。图2d–f 给出了南海季风爆发前的华南前汛期低中高三个垂直层上的各源地水汽贡献率，并且图2d–f 右上角分别给出了低层、中层和高层各层总贡献率。可以看到，在该雨季，对流层低层（1500 m 以下）的水汽贡献率较大，其总贡献率达到了57.8%，主要水汽源地位于华南地区局地和东侧太平洋地区。进一步计算发现，中国东部局地和西太平洋源地是该雨季低层最主要的水汽源地，其贡献率分别达到了23.1%和24.2%，为雨季降水提供了接近一半的水汽；而其余源地的水汽贡献则较小，南海源地水汽贡献率为9.9%，而印度洋源地和欧亚大陆源地的水汽贡献率不足0.5%。

对流层中层，由于大气平均比湿有所降低，各源地水汽大多明显减少，因此来自对流层中层的水汽总量减少，可以看到来自中层的水汽占总水汽的35.8%。各子源地贡献中，南海源地和中国东部局地的水汽贡献率分别为10.8%和9.8%，仍为最主要的水汽源地，印度洋源地的水汽贡献明显提高，其水汽贡献率达到了6.3%。而到了对流层高层，由于气块比湿很小，其水汽贡献也很小。对流层高层各源地水汽总贡献仅为6.4%，其中贡献率最大的印度洋源地的水汽贡献率也仅为2.6%。总体上，对流层高层的水汽对降水的影响相对较小。

为了进一步得到水汽输送的全面特征，图2g–i进一步给出了基于欧拉方法的各层水汽输送特征。可以看到在季风爆发前的华南前汛期（图2g），低层太平洋地区水汽通量较大，且水汽直接输送至华南地区对华南前汛期降水产生影响；此时，印度洋通道较弱。前文也指出该雨季低层最主要的水汽通道和源地均为西太平洋源地，因此无论从拉格朗日方法还是欧拉方法均可以明确该雨季最主要的水汽通道，而拉格朗日方法能进一步定量化这种通道的强弱与水汽贡献大小。在中层（图2h），印度洋水汽通道有所增强，中纬西风带通过绕青藏高原南支气流将印度洋水汽输送至华南，对降水产生影响。到了高层，青藏高原阻挡作用较弱，因此主要受到西风影响，但是由于500 hPa 以上比湿较低，因此其水汽通量也很弱，对降水影响也相对较小。而拉格朗日方法中也可以看到季风爆发前的华南前汛期高层的水汽贡献较低，两者结果也是一致的。

综上所述，南海夏季风爆发前的华南前汛期，低层最重要的水汽通道为太平洋通道，而在中层和高层则主要为印度洋通道；但其降水的水汽主要来源于低层，而无论中层还是低层，其最主要的水汽源地均为西太平洋源地和中国东部局地。

3.2 季风爆发后的华南前汛期

南海夏季风爆发后，华南前汛期水汽输送发生明显变化。其最主要特征为该雨季印度洋水汽通道迅速增强，在低、中、高三层均为最主要水汽通道（图3）。图3a 给出了南海夏季风爆发后的华南前汛期低层的水汽通道，我们发现低层最主要的水汽通道为印度洋通道和太平洋通道，通道轨迹占比分别为35.9%和33.5%，印度洋通道轨迹数量稍多。对比南海夏季风爆发前的华南前汛期，太平洋通道轨迹数量明显减少而印度洋通道轨迹占比则增加了3 倍，此时，印度洋通道的平均比湿也达到了17 g/kg，为该雨季降水提供了大量的水汽。此外，相比南海季风爆发前的华南前汛期，低层印度洋通道的位置也有一定的变化，轨迹有所向南。其余三条主要水汽通道中，南海通道轨迹数量明显增加，轨迹占比由5.2%增加至14.9%，而局地通道和中纬西风通道的轨迹占比则有所减少。

对流层中层（图3b），印度洋通道明显增强，其轨迹数量达到该层的轨迹数量的65.6%，表明对流层中层有接近2/3 的轨迹通过印度洋通道到达华南地区。其余通道的强度相对较弱，其中太平洋通道的轨迹相对占比为16.0%，其余通道轨迹相对占比均未达到7%。我们同时注意到，相对于对流层低层，对流层中层通道轨迹位置也存在明显的变化，与低层相比，印度洋通道整体向西移动了大约10个经度。在高层（图3c），印度洋通道仍为最强通道，轨迹占比达到61.9%，其余通道的轨迹占比均不足15%。此外，与季风爆发前的华南前汛期一样，高层通道比湿较低，含水量也较低，因此对季风爆发后的华南前汛期降水的影响相对较小。

图3 同图2，但为季风爆发后的华南前汛期结果Fig.3 As in Fig.2, but for the pre-flood season after the onset of the monsoon in South China

总体上，对比季风爆发前的华南前汛期，南海夏季风爆发后，太平洋通道强度明显减弱，而印度洋通道强度则显著增强，特别是对流层中高层，印度洋通道的轨迹数量均超过60%，对该雨季降水产生重大影响。

图3d、e 给出了南海夏季风爆发后的华南前汛期三个垂直层次的水汽贡献空间分布，相对于季风爆发前，各源地的水汽贡献率也发生了显著的变化。在低层，各源地水汽贡献率总和为49.9%，虽然仍有一半的水汽来源于低层，但是相比季风爆发前的华南前汛期，低层水汽总贡献有所减少。而各个子源地中，西太平洋源地的水汽贡献明显减少，其水汽贡献率由季风爆发前的24.2%减小到季风爆发后的10.9%；与之相反，印度洋源地和南海源地的水汽贡献率则明显增加，其中低层南海源地水汽贡献率达到了15.3%，成为该雨季低层最主要的水汽源地之一，印度洋源地的水汽贡献率为6.9%；该雨季低层最主要的水汽源地为中国东部局地，其贡献率为16.8%。

随着高度的升高，西太平洋源地和南海源地的水汽贡献率明显减弱，而印度洋源地的贡献率则明显增强。在中层，印度洋源地的水汽贡献率增加至12.7%，为中层最主要的水汽源地，南海源地和中国东部局地源地的水汽贡献次之，分别为8.1%和7.7%。对流层高层，水汽总贡献率相对中层和低层有所降低，但是相比季风爆发前的华南前汛期，来自高层的水汽明显增加，其水汽贡献率达到了17.2%，其中印度洋源地的贡献为8.8%，表明高层有超过一半的水汽来自印度洋源地。总体上，南海夏季风爆发后的华南前汛期，低层最主要的水汽源地为中国东部和南海地区，而在中高层，最主要的水汽源地为印度洋源地。

从水汽通量的角度，季风爆发后，印度洋地区的水汽通量迅速增强，而西太平洋水汽通量则有所减弱。在低层（图3g）印度洋水汽通过中南半岛，进入南海地区，与西太平洋地区输送的水汽共同影响华南地区的降水。而到了中层（图3h），受印度洋季风和中纬度西风绕青藏高原南支气流的共同影响，印度洋水汽通量非常强，直接由印度洋经中南半岛，影响华南地区，并进一步向东北输送，经日本以南地区进入太平洋。而在前文轨迹占比结果可以看到印度洋通道的轨迹数量在中层占比达到了60%以上。到了高层（图3i），相比季风爆发前，西风带水汽通量大值区有所北移，但西风带轨迹数量仍然很小，对华南地区降水影响也很弱。

综上所述，从低层到高层，印度洋通道均为季风爆发后的华南前汛期最重要的水汽输送通道，其中中层和高层印度洋通道轨迹占比超过60%。低层最主要的水汽源地为中国东部地区和南海地区，中高层水汽则主要源自印度洋地区。

3.3 江淮梅雨

随着雨带推进至江淮地区，各层水汽输送路径明显北移。在低层（图4a），太平洋通道重新成为最重要的水汽通道，轨迹占比接近40%，印度洋通道轨迹占比则下降至25.9%，此时南海通道的轨迹数量明显增加，轨迹总占比达到了19.8%。在中层（图4b），印度洋通道重新成为最强水汽通道，轨迹占比达到了49.6%，此时，欧亚大陆西风通道为次强水汽通道，轨迹数量占该层轨迹的17.8%。对比季风爆发后的华南前汛期，太平洋通道、南海通道和局地通道强度变化不大，而印度洋通道则有所减弱，中纬西风通道有所加强。这主要是由于雨带北移造成水汽输送通道整体北移造成的。到了高层（图4c），印度洋通道仍为最主要的通道，轨迹占比超过50%，中纬度西风通道次之，轨迹占比为18.3%。

图4 同图2，但为江淮梅雨阶段的结果。图d–i 中的矩形框为江淮梅雨研究区域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

从水汽源地角度（图4d–f），由于雨带和主要水汽通道的北移，印度洋源地和南海源地的水汽贡献率均有所减少，而中国东部局地水汽贡献率则明显增加。在对流层低层，局地贡献率达到了28.7%，为低层最重要水汽源地；其余源地中，太平洋、南海源地的贡献分别为18.6%和9.7%。在对流层中层，局地仍为最主要的水汽源地，其贡献率为10.5%，印度洋源地次之，贡献率为7.3%。到了高层，局地和印度洋源地贡献率相对较大，其水汽贡献率分别为5.2%和4.4%。总体上，该雨季中从低层到高层，中国东部局地均为该雨季最主要的水汽源地，局地蒸发为江淮梅雨提供了大量的水汽；其他源地中，仅有低层西太平洋源地的贡献率达到了18.6%，其余各层次子源地贡献率均不足10%。

在低层（图4g），虽然印度洋地区水汽通量仍然很强，但是值得注意的是由于受地形和海陆差异的影响，印度洋地区呈明显偏南风，因此大量阿拉伯海水汽进入印度半岛，大量孟加拉湾水汽进入中南半岛，江淮地区水汽主要来自南海地区；南海地区水汽与西太平洋地区水汽在南海北部至华南地区汇合，向北输送至江淮地区形成降水。中层（图4h）的水汽通量与季风爆发后的华南前汛期相似，印度洋季风与青藏高原南支气流共同导致印度洋通道较强，影响华南和江淮地区的降水，并进一步向东北输送至太平洋。到了高层（图4i），由于雨带的北移，江淮梅雨区位于水汽通量大值区，西风通道对雨季降水影响有所加强。

综上所述，太平洋通道是江淮梅雨时期低层最主要的水汽通道，而中层和高层最强水汽通道为印度洋通道；从水汽源地角度指出，该雨季最主要的水汽源地为低层与中层的中国东部局地以及低层的西太平洋地区。

3.4 华北雨季

华北雨季中，降水集中在华北地区，此时水汽通道进一步向北移动。在对流层低层（图5a），太平洋通道进一步加强，轨迹占比达到了该层轨迹数量的45%，有接近一半的轨迹通过太平洋通道进入华北，同时中纬西风通道迅速增强，成为次重要通道，西风通道、南海通道和中国东部局地的轨迹占比分别为16.2%，14.7%和14.8%，印度洋通道迅速减弱，轨迹占比仅为7.3%。对流层中层（图5b），中纬西风通道迅速增强，成为该雨季最强水汽通道，其轨迹占比达到38.6%，而印度洋通道的轨迹占比仅为19.7%；此外，中层太平洋通道的轨迹占比相比前几个雨季则略有加强，其轨迹占比达到18.6%。而在对流层高层（图5c），中纬度西风通道轨迹占比进一步提高至39.3%，为高层最强水汽通道。印度洋的轨迹占比也提高至22.1%，我们之前的研究（Shi et al., 2020）也指出在华北雨季，太平洋通道和中纬西风通道为最主要的水汽通道，但中纬西风通道相对比湿较低，因此对华北地区降水影响相对较弱，与本文的结论也是一致的。

图5 同图2，但为华北雨季的结果。图d–i 中的方形框为华北雨季研究区域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

同样，我们给出了华北雨季各层水汽源地空间分布的结果（图5d–f）。可以看到，低层各源地的水汽贡献之和达到了71.8%，表明有接近3/4 的水汽来源于对流层低层，同时，来自高层的水汽仅为5.1%，是四个雨季中高层水汽贡献最少的。这表明华北雨季中水汽较难输送至较高层次，雨季水汽主要来源于低层局地蒸发与水汽循环。而从各子源地的水汽贡献结果中，可以看到在华北雨季中，中国东部局地低层的水汽贡献达到了43.1%，中层的水汽贡献为12.0%，而太平洋低层的贡献为21.6%，上述三个主要源地的贡献之和超过了75%，其余层次各源地的贡献率均未超过5%。因此，华北雨季最重要的水汽源地为中低层的中国东部局地、低层西太平洋源地，其中低层中国东部局地是最为关键的水汽源地，该源地为华北雨季降水贡献了超过40%的水汽。

而水汽通量的结果表明该雨季低层主要受到太平洋地区水汽输送的影响；此时印度洋季风水汽主要对印度半岛和中南半岛降水产生影响，对华北降水影响相对较弱。在中层（图5h）由于目标区域的北移，华北雨季除了太平洋和南海外，还受到中纬西风带的重要影响。到了高层，华北地区完全位于水汽通量相对大值区内，西风通道影响最强，但是其比湿仍然很小。

综上所述，由于雨带的整体北移，水汽通道也整体北移，华北雨季中，低层最主要的水汽通道为太平洋通道，中高层为中纬西风通道；从水汽贡献角度，该雨季中最主要的水汽源地为低层中国东部局地，其贡献率超过40%。

综合四个雨季水汽输送通道与不同源地贡献率特征的结果，表1 给出了四个雨季，低、中、高三层最重要的水汽通道以及水汽源地。在南海季风爆发前的华南前汛期，关键的水汽通道为低层至中层的太平洋通道以及中层至高层的印度洋通道，其中最强水汽通道为低层的太平洋通道。而在各层次的水汽来源看，低层的西太平洋源地和中国东部局地的水汽贡献均在20%以上，为该雨季最主要的水汽源地。

表1 中国东部四个雨季各层关键的水汽通道以及关键水汽源地。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、欧亚大陆西风带水汽源地、中国东部水汽源地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

南海夏季风爆发后，印度洋源地水汽贡献以及印度洋通道轨迹数量均明显加强，特别是对流层中高层。而从水汽源地的特征上，则可以看到低层最主要的水汽源地为中国东部局地和南海地区；从中层起，印度洋源地的贡献明显较大，为该雨季贡献了大量的水汽。

而在江淮梅雨时，低层最主要的通道为西太平洋源地，中高层最主要通道为印度洋通道而水汽源地的贡献特征中，中国东部局地开始成为最主要的水汽源地，特别是低层，局地水汽贡献率达到了28.7%。

到了华北雨季，低层最强水汽通道为太平洋通道，中高层最强水汽通道则从印度洋通道变为中纬西风通道。而在水汽来源上，低层中国东部局地的贡献率达到43.1%，华北雨季中有接近一半的水汽来源于中国东部低层的局地蒸发，表明局地的蒸发对华北雨季降水起到至关重要的作用。

4 结论

本文将中国东部四个雨季的水汽输送特征分为低层（1500 m 以下）、中层（1500～5000 m）和高层（5000 m 以上）三个垂直层次，分别对水汽输送过程中的水汽输送通道以及水汽源地贡献进行分析，得到雨带推进过程中的四个雨季的水汽输送的垂直结构，主要结论如下：

（1）季风爆发前的华南前汛期，低层最主要水汽通道为太平洋通道，轨迹占比为52.3%，中高层最主要的水汽通道为印度洋通道，轨迹占比超过37%；季风爆发后的华南前汛期印度洋通道迅速增强，从低层到高层均为最强水汽通道，在中层其轨迹占比达到了65.6%。随着雨带北移，印度洋通道强度减弱，西风通道强度增强。华北雨季低层最主要的水汽通道为太平洋水汽通道，轨迹占比达到45%，中高层最主要的水汽通道为中纬西风通道，轨迹占比超过38%。总体上，低层最主要的水汽通道为太平洋通道，中高层主要受西风气流影响，在华南前汛期和江淮梅雨，最主要的水汽通道为印度洋通道，而在华北雨季，最主要的水汽通道为中纬度西风通道。

（2）四个雨季低层水汽总贡献均超过50%，特别是华北雨季，低层总贡献超过70%，表明雨季降水的水汽主要来自低层。各雨季中，南海夏季风爆发前的华南前汛期，低层西太平洋源地和中国东部局地为该雨季最主要的源地，水汽贡献率分别为24.2%和23.1%；南海夏季风爆发后，印度洋源地的贡献迅速增强，该雨季低层最主要的水汽源地为中国东部源地和南海源地，而中高层最主要的水汽源地为印度洋源地。江淮梅雨和华北雨季中，最主要的源地为中低层的中国东部地区和低层西太平洋地区，特别是华北雨季中，中国东部局地低层的水汽贡献达到了43.1%，表明低层局地蒸发对华北雨季降水起到至关重要的作用。