8月中国低纬高原水汽输送过程及其与降水量极端异常的联系

王萌 尹泽疆 李彩红 豆京华 张卫红

(中国气象局 气象干部培训学校河北分院，河北 保定 071030)

引 言

低纬高原位于 30°N 以南的中国西南地区，以云南省为主体，境内地形复杂、山谷纵横且多呈南北走向；世界三极之一的青藏高原邻近其西北，南海以及孟加拉湾邻近其南部；低纬高原夏季同时受南亚季风和东亚季风的影响，而冬季受源于西伯利亚干燥寒冷的偏北季风、干热的西南亚大陆气团以及青藏高原东侧的冬季风共同影响；同时具有高原气候特征、季风气候特征和低纬气候特征，季节性干湿差异非常明显[1-5]。大气降水是低纬高原水资源的主要来源，降水量异常偏少，往往引发大范围干旱。2009年9月—2010年2月，云南省降水较常年偏少53.3%，引发了有气象记录以来最严重的秋冬极端连旱，使云南省农业直接经济损失超过127.88亿元[6]。

降水量与大气中的水汽含量和水汽输送都存在着密切联系[7-9]。周晓霞等[10]指出华北汛期降水量正(负)异常年，整个区域水汽收支正(负)异常。陈际龙等[11]指出南亚夏季风的纬向水汽输送偏强(弱)时，西北太平洋和东亚地区水汽输送出现双极型异常，有利于华北和华南地区水汽辐合正(负)异常，江淮流域和长江中下游区域水汽辐合负(正)异常，从而使得中国东部出现经向三极子雨型。而对于低纬高原区域，张万诚等[6]指出云南秋、冬季降水量的多(少)与其上空的水汽含量多(少)有关。郑建萌等[12]指出春季在云南上空交汇的南支西风水汽输送带和西太平洋副热带高压外围的水汽输送带是影响云南水汽的重要原因。降水偏多(少)年，两支水汽输送带上的水汽通量辐合强(弱)，云南上空水汽含量增加(减少)。

水汽输送过程可以简单的分为水汽源地蒸发和平流输送两个过程。许多气象学者指出大尺度环流与水汽平流输送有密切的联系，并且是影响降水的重要原因[13-15]。Simmonds，et al[16]指出通过影响夏季中国东南部水汽辐合，西太平洋副热带高压强度异常可能是降水量年际变化的重要原因。张洁等[17]指出大尺度环流的变化是形成与中国春季异常降水模态对应的水汽输送异常的决定因素。Martinez，et al[18]发现拉普拉塔流域水汽源地的水汽贡献率变化主要受大气环流影响，而水汽源地蒸发量异常的影响较次要。而对于低纬高原区域，杨亚力等[19]指出ENSO事件中孟加拉湾气旋环流正异常所导致的向云南地区的水汽输送的显著增加，决定云南春末初夏降水异常。李汀等[20]指出东传的大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation, MJO)对流主体在孟加拉湾和南海产生的气旋性环流和强水汽输送是形成云南5月降水的重要原因。

但是，也有研究发现，在较为干旱的区域，尤其是干旱和湿润区域之间的过渡区，土壤湿度对降水量有较为明显的影响，在非洲荒漠草原，土壤湿度对降水的影响甚至强于水汽辐合[21-23]。因此，在一些特殊的地区，水汽源地蒸发量对降水量的影响不可忽视。此外，通过水汽平流输送，地球表面蒸发水汽还能够影响到下游地区的天气和气候。WEI，et al[24]指出在美国东北部和中国长江流域，非局地蒸发水汽对降水的影响，可以为降水预报提供有用的信息。Herrera-Estrada， et al[25]发现在北美一些地区，其上游区域出现偏少蒸散和土壤湿度时，使得水汽输送减弱，可能会导致农业干旱加剧。Dirmeyer， et al[26]发现美国中西部雨季的大范围洪涝通常伴随着偏多的低纬度地区蒸发水汽流入该区域。

而客观分析低纬高原水汽输送过程特征，以及水汽源地蒸发过程与降水联系的研究仍较少。尹泽疆[27]提出了多种描述水汽输送过程的方法，并利用这些方法分析低纬高原各季节的水汽输送过程特征及其与降水的联系。但是，其未对低纬高原水汽输送过程及其与降水联系的季节内尺度变化进行分析。此外，由于采用不同的方法，难以比较水汽输送过程的两个环节与降水的联系。为解决这些问题，本文分析了月尺度水汽输送与降水之间关系的逐月变化，并采用同一种方法[27]对8月低纬高原水汽(简称流入水汽，下同)输送过程的两个环节的气候特征，以及其与低纬高原降水的联系进行了分析，为更深入的研究土地利用类型或农业灌溉对低纬高原降水影响奠定基础，也为地位高原的气候预测、水资源管理等提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

本文使用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的1979—2010年逐月ERA-Interim再分析资料，包括各层风速和比湿、地表气压、蒸发量和降水量，水平分辨率为0.75°×0.75°，垂直方向由1 000 hPa至1 hPa共包括37个气压层。此外，还采用全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Center，GPCC)提供的基于质量控制后的站点实测月累计降水量数据的格点化分析产品，以及云南省气候中心提供的1979—2010年低纬高原地区187个气象站的降水观测资料。低纬高原区域选择的范围是(21°～29.25°N，96.75°～107.25°E)。

1.2 水汽通过率和水汽贡献率

为了描述流入水汽的输送过程和源地，分别引入水汽通过率和水汽贡献率。其中，在水汽输送过程中，水汽通过率表示流入水汽中，流经某一气柱的百分率；此处某一气柱是指低纬高原区域外的单位气柱，下文提到的气柱都是如此。水汽贡献率则表示流入水汽中，源于某一气柱的百分率。

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(1)

，

(2)

其中：Ik表示自气柱k侧边界流入的水汽通量；Ek表示气柱k的蒸发率。

图1 水汽输送过程，其中小方格表示单位气柱，虚线箭矢表示一条水汽输送路径，实线箭矢表示侧边界整层水汽通量

，

(3)

，

(4)

(5)

值得注意地是，自气柱i直接流入到气柱i-1的水汽通量(图1)也就是自气柱i直接流出到气柱i-1的水汽通量：

，

(6)

将公式(5)、(6)带入公式(4)，可以得到：

，

(7)

根据递推式(7)可以得出计算气柱k的水汽通过率的方法：

(8)

2 8月流入水汽与低纬高原降水量的联系

图2b为各月低纬高原GPCC降水量、站点观测降水量与ERA-Interim降水量的相关系数。可以看出，低纬高原各月ERA-Interim降水量与其他两套资料降水量的相关系数非常高；除6、7月外，都在0.8以上。可以说，使用ERA-Interim再分析资料描述低纬高原月降水量的年际变化是可靠的。图2c为各月低纬高原降水量、可降水量和流入水汽通量三者之间的相关系数。可以看出，8月低纬高原降水量、可降水量和流入水汽通量三者中，任意两者之间的相关系数都非常高，而且远远高于α=0.01显著性检验的临界值。这说明，低纬高原8月降水量的多(少)，与其上空的水汽含量多(少)紧密联系；而后者又与流入水汽多(少)联系紧密。也就是说，8月流入水汽发生异常时，使得低纬高原可降水量发生异常，最终导致低纬高原降水量异常。而低纬高原降水量和流入水汽通量的高相关性(蓝色柱)，也进一步证实了这种联系。此外，在低纬高原干季(11月—次年3月)以及干湿季过渡期(5、10月)，都存在着这种联系。

图2 1979年12月—2010年11月各月低纬高原ERA-Interim降水量(a；单位：mm)；低纬高原GPCC降水量与ERA-Interim降水量的相关系数(b；红色)；低纬高原站点观测降水量与ERA-Interim降水量的相关系数(b；黄色)；低纬高原可降水量与ERA-Interim降水量的相关系数(c；红色)；流入水汽通量与可降水量的相关系数(c；绿色)；流入水汽通量与ERA-Interim降水量的相关系数(c；蓝色)；两条黑色虚线分别表示t检验α=0.01和α=0.05信度的临界值

图2a为低纬高原ERA-Interim逐月累计降水量变化。可以看出，8月低纬高原降水量明显大于干季和干湿季过渡期，对全年的降水量异常也有较大的影响。所以，本文进一步分析8月低纬高原降水量与水汽输送过程的联系。

3 8月流入水汽的输送路径及其源地

图3b为8月水汽通过率和整层水汽通量的气候特征。可以看出，8月流入水汽主要有两支水汽输送通道：一支是印度季风水汽输送通道，水汽经印度半岛南部向东输送，之后经孟加拉湾上空狭长的西南季风水汽输送通道，输送至其东北部，大部分水汽经那加丘陵以东的低海拔区域，自低纬高原西边界以西南风水汽输送的形式流入，少部分水汽则自低纬高原南边界流入。另一支是南海季风水汽输送通道，水汽经印度半岛南部向东输送，之后经孟加拉湾中南部上空的西南季风水汽输送通道，输送至中南半岛；之后在强印度季风引导下，沿17°N附近向东纬向输送至南海；之后大致在110°E附近发生转向，沿着以径向输送为主的东南季风水汽输送通道向北输送，最终自低纬高原东边界以东南风水汽输送的形式流入。值得注意地是，两支水汽输送通道在印度半岛和孟加拉湾上空实际上合并成一支水汽输送通道，印度季风水汽输送通道位于南海季风水汽输送通道的北侧。这也是在孟加拉湾上空西南水汽输送通道的水汽通过率明显高于其他地区而且高值区宽度较宽的主要原因。此外，8月流入水汽的主要输送通道，与尹泽疆[27]发现的夏季流入水汽的主要输送通道非常相似。

图3 (a)低纬高原及其周边区域海拔高度(填色；单位：km)；(b)1980—2010年8月整层水汽通量(箭矢；单位：kg·m-1·s-1)、水汽通过率(填色；单位：%)；(c)水汽贡献率(填色；单位：%)；黑色矩形所包含的区域表示低纬高原地区

结合图3a可以发现，低纬高原以西的南北向那加丘陵的地形阻挡作用，是导致在低纬高原以西96°E附近形成水汽通过率由南向北迅速减弱的南北向狭长水汽输送通道的一个重要原因；低纬高原南边界水汽通过率呈“低—高—低”分布，也说明水汽输送通道受中南半岛北部纵向岭谷的地形阻挡明显。这也间接体现出，西南季风水汽输送通道中的水汽非常大的一部分集中在大气低层，因此水汽输送受地形影响明显。周晓霞等[10]也指出，亚洲夏季风区水汽通量集中在对流层低层， 大约 50 %在700 hPa 以下。此外，尹泽疆[27]发现，冬夏两季流入水汽的主要输送通道也较明显的受到地形阻挡。

图3c为水汽贡献率的气候特征。可以看出，(1.5°～33.75°N，71.25°～138.75°E)区域的总水汽贡献率为52.57%，这说明夏季风爆发后，在强劲的湿润的印度季风气流引导下，流入水汽还源于更远的上游区域。此外，中南半岛北部和华南一带的陆地区域，以及北部湾和孟加拉湾北部西南至东北的狭长海面的水汽贡献率较高；这说明在图3c中区域内，8月流入水汽主要来源于这些区域。那么，当这些区域的水汽贡献率异常时，可能会对流入水汽产生影响，最终使得低纬高原降水量异常。而水汽从源地蒸发到流入低纬高原的过程，可以分为蒸发和水汽平流输送两个过程。也就是，水汽在源地通过蒸发作用流入大气，之后通过水汽平流输送流入低纬高原。很明显，这两个过程都会对水汽贡献率产生影响。这样就引出了两种影响低纬高原降水量的机制：当这些水汽贡献率较高的区域的蒸发量发生异常时，可以通过改变水汽供应，最终对低纬高原降水量产生直接影响；另外，当大尺度环流发生异常时，通过影响水汽平流输送过程，也能同时影响水汽贡献率和低纬高原降水量。也就是说，第一个机制是水汽源地蒸发量对低纬高原降水量的直接影响。而第二个机制是大尺度大气环流对低纬高原降水的影响，同时水汽贡献率对大尺度环流被动响应。那么，这两种机制对低纬高原降水量的影响程度如何？

4 8月低纬高原降水极端异常与水汽输送过程的联系

为了揭示水汽源地蒸发量对低纬高原降水量的直接影响，本文采用与WEI， et al[24]的类似的估算降水量对蒸发量的敏感性的方法。通过引入3个参数，利用三者的积构建出衡量敏感性的指数：第一个参数为水汽贡献率和流入水汽通量的相关系数。它可以揭示与流入水汽紧密联系的水汽源地。但是，高相关性区域还可能包含了一些水汽贡献率非常低的区域，这些区域的高相关性可能仅仅是对大气环流形势的被动响应。因此，引入第二个参数：水汽贡献率的平方根。采用平方根是为了统一其与其他两个参数的尺度。综合考虑这两个参数就可以揭示与流入水汽变化一致的重要水汽源地。考虑到，低纬高原8月降水量与流入水汽通量的相关系数非常高。这些区域也就是与低纬高原降水量变化一致的重要水汽源地。但是，如前文所述，水汽源地可以通过两种机制影响低纬高原降水量，仅利用前两个参数无法区分。这就需要引入第三个参数，水汽贡献率与局地蒸发量的相关系数。为了等权重考虑3个参数，使用三者的积构建出敏感性指数。这样就可以揭示蒸发量直接影响低纬高原降水量的关键区域。

图4是利用此方法计算的结果。综合分析图4a、b可以看出，印度季风区的印度半岛、孟加拉湾以及中南半岛中部大片区域，都可以视为与流入水汽变化一致的重要水汽源地。但是在图4c中，这些区域水汽贡献率与蒸发量的相关系数非常低。这样就造成了在图4d中仅仅只有孟加拉湾东北部和中南半岛东北部的小片区域的值较高。这些区域的局地蒸发量通过水汽供给，对流入水汽有一定的直接影响。但是，考虑到这些区域水汽贡献率与蒸发量的相关系数仍然非常低，这种直接影响的程度是非常有限的。此外，也说明了印度季风区中与流入水汽变化一致的大范围重要水汽源地，实际上是水汽贡献率对大尺度大气环流被动响应。

图4 1980—2010年8月水汽贡献率的平方根(a)、水汽贡献率与流入水汽通量的相关系数(b)、水汽贡献率与蒸发量的相关系数(c)以及前三者的积(d)(绿色点和黑色点分别是达到α=0.05和α=0.1信度t检验的区域；黑色矩形所包含的区域表示低纬高原)

总之，流入水汽受水汽源地蒸发量的直接影响非常小，而主要受大气环流影响。基于流入水汽与低纬高原降水量的紧密联系。即低纬高原8月降水量主要受大气环流影响。而考虑到这方面的研究较多，本文仅针对极端异常年简要分析在大气环流异常主导下，低纬高原降水量与水汽输送过程的联系。

图5是低纬高原8月降水量、可降水量和流入水汽的标准化时间序列。可以看出，4条时间序列相似度非常高。除个别年份外，低纬高原8月降水量正异常时，可降水量以及流入水汽正异常，反之亦然。这种联系，在低纬高原降水量极端异常时，更加密切。为了进一步分析这种联系。基于低纬高原8月GPCC降水量以及ERA-Interim降水量标准化时间序列，以两套资料标准化降水量都达到一倍标准差为标准，挑选极端异常年。由此得到，两个正异常年，1993和1999年，ERA-Interim标准化降水量分别为1.58和1.26，低纬高原流入水汽异常分别为2.7×1012kg·s-1和2.5×1012kg·s-1；3个负异常年，1990、1992和1989年，ERA-Interim标准化降水率分别为-2.59、-2.32和-1.31，低纬高原流入水汽异常分别为-5.1×1012kg·s-1、-5.0×1012kg·s-1和-2.9×1012kg·s-1。可以看出，流入水汽通量越大(小)，低纬高原降水量越大(小)。说明，在低纬高原降水量极端异常的年份，降水量与流入水汽之间的联系非常密切。

图5 1980—2010年8月低纬高原GPCC降水量(a；黑色虚线)、ERA-Interim降水量(b；黑色实线)、可降水量(c；红色实线)与流入水汽(d；蓝色虚线)的标准化时间序列

图6是低纬高原8月降水量极端异常年的水汽通过率、水汽贡献率以及整层水汽通量的距平合成。从图6a可以看出，低纬高原降水量极端正异常年，印度半岛—孟加拉湾西北部—低纬高原南部、西部边界水汽通过率显著正异常。孟加拉湾北部的季风槽偏强，槽前西南风水汽输送异常引导更多的水汽经湿润的孟加拉湾西北部上空，自低纬高原的西、南边界流入。而孟加拉湾西南部—中南半岛南部—南海北部—华南水汽通过率负异常。这说明，虽然低纬高原以南17°N附近存在偏西风水汽输送异常，引导孟加拉湾东南部上空的西南季风水汽更多的经中南半岛向东输送至中国南海北部，但是之后受西太平洋副高异常影响，使得自东边界流入水汽通量负异常，水汽更多的流向中国东部。这些现象实际上说明了，低纬高原降水量极端正异常年，印度季风水汽输送通道显著增强，而南海季风水汽输送通道减弱；其中，显著增强的印度季风水汽输送通道决定了流入水汽的正异常。

图6 低纬高原8月降水量极端正异常年，水汽通过率距平合成(a，填色；单位：%)、水汽贡献率距平合成(c；单位：%)、以及整层水汽通量距平合成(单位：kg·m-1·s-1)；棕色、红色箭头分别通过α=0.1、α=0.05信度t检验；(b)同(a)，(d)同(c)，但为降水量极端负异常年；绿点、黑点分别为通过α=0.1、α=0.05信度t检验

从图6b可以看出，低纬高原降水量极端负异常年，中南半岛北部—孟加拉湾—印度半岛水汽通过率显著负异常。孟加拉湾的反气旋水汽输送显著异常和低纬高原以南16°～20°N附近的东北风水汽输送显著异常，使得偏少的水汽经湿润的孟加拉湾西北部和中南半岛北部流入低纬高原。而马来西亚—中国南海—西太平洋—中国东部水汽通过率正异常。这说明，马来西亚以东海面至菲律宾以东洋面上形成了显著异常的西南风水汽输送通道，引导更多的热带水汽流向副热带西太平洋地区；之后受西太平洋副高异常的影响，水汽输送通道在台湾岛附近发生转向，并在中国东部形成显著的东北风水汽通量异常，引导更多的水汽自东边界流入低纬高原。这些现象实际上说明了，低纬高原降水量极端负异常年，印度季风水汽输送通道显著减弱，并决定了流入水汽的负异常。8月低纬高原降水量极端异常年的流入水汽的输送通道异常特征，与尹泽疆[27]通过分析8月低纬高原降水量极端异常个例得出的结论大致一致。

通过分别对比图6a、c及6b、d可以看出，低纬高原降水量极端正异常年和负异常年，水汽通过率的异常分布与水汽贡献率几乎一致。这也说明了，低纬高原8月的水汽贡献率异常主要是对大尺度环流的被动响应，而水汽源地局地蒸发量的影响有限。那么在大尺度环流异常的影响下，低纬高原降水量极端正异常年，流入水汽更多的源于南亚季风区的印度半岛和孟加拉湾西北部，而更少的源于东亚季风区的孟加拉湾东南部、中南半岛、南海、西太平洋和中国东部；低纬高原降水量极端负异常年，大致与正异常年相反，更多的源于东亚季风区南海、西太平洋和中国东部，而更少的源于印度半岛和孟加拉湾。

5 结论

本文利用1979—2010年ERA-Interim再分析资料和全球降水气候中心降水量资料，通过引入水汽贡献率和水汽通过率，分别描述流入水汽的源地和平流输送过程。以此来揭示，8月流入水汽的输送过程的气候特征。在此基础上，通过构建描述降水量对水汽源地蒸发量的敏感性指数以及合成分析等方法，进一步揭示了8月低纬高原降水量极端异常与水汽输送过程的联系。主要结论如下：

(1)8月流入水汽的主要水汽输送通道有两条，一是孟加拉湾上空狭长的西南季风，二是经17°N附近偏东季风在南海西北部110°E附近发生转向后的东南季风。两支水汽输送通道在印度半岛和孟加拉湾上空合并成一支水汽输送通道，并且明显受那加丘陵和中南半岛北部纵向岭谷地形阻挡；

(2)8月流入水汽的重要源地是中南半岛北部和华南一带的陆地区域，以及北部湾和孟加拉湾北部西南至东北的狭长海面；

(3)8月水汽贡献率与流入水汽变化紧密联系的水汽源地，主要是由水汽贡献率对大尺度大气环流的被动响应形成的。流入水汽受水汽源地蒸发量的直接影响有限；

(4)当流入水汽异常偏多(少)时，可以使得低纬高原可降水量偏多(少)，最终导致降水量偏多(少)。在大尺度环流异常的影响下，低纬高原降水量极端正(负)异常年，印度季风水汽输送通道显著增强(减弱)，引导印度半岛和孟加拉湾西北部的蒸发水汽更多(少)的流向低纬高原，最终使得流入水汽偏多(少)。