1 引言
旱涝灾害的发生是多种因子共同作用的结果， 作为影响降水的一个重要因素， 水汽输送和水汽收支对旱涝的发生有直接的影响。气象学者们对中国的水汽输送和水汽收支开展了很多研究， 谢义炳等（1959）最早对中国东部地区夏季水汽输送进行了研究， 黄荣辉等（1998）对夏季东亚季风水汽与南亚季风水汽输送的差别进行了分析。王秀文等（2004）研究了2001年秋季黄淮、 江淮地区持续干旱期间大气水汽含量和水汽收支的主要特征。李永华等（2010）指出了影响西南地区东部的两条主要水汽输送带； 晏红明等（2013）认为来自西太平洋地区在南海转向的东亚热带季风水汽输送和来自中纬度偏西气流的水汽输送对西南地区有明显影响； 黄玉霞等（2006）指出青海高原夏季降水异常年的水汽特征存在明显不同。还有许多学者研究了不同地区的水汽输送和水汽收支特征（蔡英等， 2015； 钱正安等， 2018； 刘菊菊等， 2019； 朱飙等， 2019）， 并得到许多有意义的结果。
云南位于低纬高原地区， 同时受到印度季风和东亚季风的影响， 是亚洲三大水汽输送通道的交汇区。近年来云南气象工作者也开始关注云南旱涝过程中水汽输送异常的影响， 发现2005年和2007年云南初夏干旱、 2009/2010年西南发生的秋冬春初夏持续性干旱与相应区域内水汽偏少有密切联系（刘瑜等， 2006； 晏红明等， 2007a， 2007b； 张万诚等， 2011， 2013）； 郑建萌等（2013）则对云南不同边界的水汽收支特征进行了分析。这些工作对云南水汽输送的异常特征及其影响有了初步的认识。但这些工作主要针对整层水汽积分或某一单层水汽的水平分布来进行分析， 对水汽输送的空间结构的研究还较少， 而水汽输送的空间差异往往会导致区域水汽收支发生改变， 对区域性降水的变化具有重要的影响。因此， 研究水汽输送的空间结构变化特征， 对深入认识云南旱涝具有重要的现实意义。基于以上原因， 本文对低纬高原地区水汽输送的水平分布和空间结构特征进行了探寻， 以期了解水汽输送的空间差异对云南夏季降水异常的影响。
2 资料选取和方法介绍
2.1 资料选取
所用资料为1948 -2016年美国国家环境预测中心和国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction /National Center for Atmospheric Research， NCEP /NCAR）月平均大气环流再分析资料， 网格分辨率为2.5°×2.5°； 1961 -2016年云南124个观测站夏季逐月降水资料。
2.2 方法介绍
各边界的水汽收支为：
式中： q为比湿； g为重力加速度； Ps为地面气压； Pt为大气顶处的气压； 、 为边界的起始、 终止经度和纬度。计算整层水汽输送时， 垂直积分从地表开始， 以消除地形对整层水汽输送的影响； 考虑到大气中的水汽主要集中在低层， 高层水汽较少， 整层水汽输送仅积分到300 hPa。
本文研究用到的方法包括合成分析、 相关分析、 滑动平均等。
文中低纬高原指包含云南在内的20°N -30°N， 97.5°E -107.5°E的范围， 多年气候平均为1948 -2016年的平均。文中所涉及的地图基于中国气象局信息综合分析处理系统（MICAPS）地图制作， 底图无修改。
3 云南低纬高原水汽输送的气候特征
3.1 季节特征
图1为不同季节整层水汽输送的空间分布。从图1中可以看到， 各季节影响云南的水汽输送存在显著差异。春季影响云南降水的水汽输送主要有三条路径： 一是中纬度西风气流在向东输送过程中受高原阻挡分流而成的高原南侧副热带西风气流水汽输送， 这支气流反映了南支西风槽对云南的影响； 二是副热带高压西北侧的西南风水汽输送； 三是80°E -90°E附近来自南半球的越赤道气流。夏季是降水最集中的季节， 水汽输送也最活跃。夏季影响云南的水汽输送主要有三条路径： 索马里越赤道经阿拉伯海和孟加拉湾的西南水汽输送、 副高西北侧的西南水汽输送、 来自于青藏高原的西风带气流水汽输送。其中索马里越赤道气流水汽输送是夏季影响云南最为强盛的水汽输送带。秋季是夏季风向冬季风转换的关键季节， 水汽输送路径与夏季相比， 既有相似之处， 又存在一定的差异。秋季来自索马里的越赤道气流明显减弱， 相应经阿拉伯海和孟加拉湾的西南水汽输送减弱； 这一时期西北太平洋地区出现了一支偏东气流水汽输送， 该水汽输送带在10°N -22°N向西扩展至中南半岛西部， 对低纬高原南侧影响明显； 另外还有一支来自青藏高原的西风带水汽输送影响低纬高原地区。冬季是云南降水最稀少的季节， 影响云南的水汽输送来源也比较单一， 水汽主要来自于中纬度的西风气流。
图1 1948 -2016年平均不同季节水汽输送通量[矢量， 单位: kg·（m·s）-1]浅色、 深色阴影区分别表示输送≥50 kg·（m·s）-1、 ≥140 kg·（m·s）-1的区域, 矩形框表示20°N -30°N, 97.5°E -107.5°E的范围, 黑色箭头线代表水汽输送路径 Fig.1 Distribution of water vapor transportation [vector, unit: kg·（m·s）-1] in spring， summer， autumn and winter during 1948 -2016.Light and dark shadow areas represent the region of ≥50 kg·(m·s)-1、 ≥140 kg·(m·s)-1. Square frame are the regions of 20°N -30°N, 97.5°E -107.5°E, The black arrow line represents the water vapor transport path |
综上所述， 不同季节影响云南的水汽输送路径是不同的： 影响云南的水汽输送在夏季最为活跃， 主要受来自印度洋和太平洋水汽输送的影响， 这些来自不同路径的水汽输送相互融合， 在很大程度上反映了东亚夏季风和南亚夏季风水汽输送对云南的共同影响； 而影响云南的水汽输送在冬季最不活跃， 仅受来自西风带水汽输送的影响。正是由于水汽输送的季节差异导致了云南干湿分明的季节特征。
3.2 各边界水汽收支的月变化
以上分析表明， 影响云南的水汽来源众多， 有来自孟加拉湾的， 有来自南海和西太平洋的， 还有偏西风水汽输送， 这些水汽输送在不同季节又有明显的差异， 因此， 有必要对不同季节、 不同边界、 不同高度的水汽收支情况进行分析， 以进一步了解影响云南的水汽输送季节变化特征。
具体来看西、 南边界水汽输送的季节变化差异特征。西边界的水汽流入在4 -6月达到峰值， 9月最小； 南边界水汽流入的峰值期在5 -7月， 12月最小。比较西、 南边界逐月水汽收支的变化发现， 1 -4月和10 -12月西边界输入大于南边界， 5 -9月西边界输入小于南边界， 西、 南边界水汽收支变化差异在很大程度表明了冬半年和夏半年水汽输送路径变化的差异， 即： 云南区域冬半年主要受西风带水汽输送的影响， 夏半年主要受来自热带印度洋和太平洋水汽输送的影响。值得注意的是， 尽管初夏5 -6月云南主要受来自南边界热带海洋水汽的影响， 但来自西边界的水汽输送也表现出了明显的峰值期， 这表明在夏季南边界的水汽输送占主导的情况下， 西边界的水汽输送对云南也具有十分重要的影响。冬半年南边界的水汽输送正处于低值期， 明显小于西边界的水汽输送， 所以冬半年来自南边界的水汽输送对云南的影响相对西边界而言是比较小的。
与西边界和南边界不同， 东边界和北边界主要以水汽输出为主。1 -12月北边界水汽收支月际波动较大， 且均为负值， 其中， 夏秋季节6 -10月的水汽输出相对较明显， 冬春季节的水汽输出较小。东边界水汽收支的月际变化非常显著， 既有水汽输入， 也有水汽输出， 8 -9月为水汽输入， 其余月份为水汽输出， 尤以2 -6月的水汽输出比较明显， 4月输出最大。最值得注意的是8 -9月从东边界进入云南的水汽输送， 其中9月从东边界进入云南的水汽输送与南边界的量值大致相当， 且超过了从西边界进入的水汽。晏红明等（2012）研究指出， 在夏末秋初， 西南夏季风的逐渐减弱常常伴随低层大陆高压的加强， 随着大陆高压前部东风气流的向西推进， 西南气流水汽输送由东至西也逐渐减弱， 高压前部的偏东气流会从西北太平洋输送一定的水汽进入云南。这里8 -9月从东边界进入云南的水汽输送正反映了该季节大气环流的调整变化。进一步比较北边界和东边界的水汽输出可以看到， 不同季节两个边界水汽输出的差异： 11 -12月和1 -6月从东边界输出的水汽远远大于从北边界输出的水汽， 这表明8 -10月水汽从北边界输出云南， 冬半年和初夏水汽主要从东边界输出云南。
分析水汽净收入的月际变化可以看出， 低纬高原全年均为水汽净输入， 总体上是一个水汽汇。夏季水汽收入最大， 秋季次之， 冬季最小， 水汽净输入的变化和云南降水的季节变化是一致的。冬半年西风带气流控制了云南大部分区域， 气流比较干燥， 水汽输送也比较小， 造成云南冬半年降水量较少， 夏季的水汽主要来自于热带海洋， 水汽丰沛， 相应云南夏季降水比较多。
综上所述， 低纬高原地区各边界的水汽收支的月际变化显著， 西边界和南边界一年四季均为水汽输入， 冬半年水汽主要从西边界进入云南， 夏半年主要从南边界进入云南。北边界一年四季均为水汽输出， 其中8 -10月水汽输出最为显著。东边界水汽收支月际波动最大， 8 -9月为水汽输入， 其余月份均为水汽输出， 3 -6月的水汽输出最显著。东边界在9月份的水汽输入大于西边界， 与来自南边界的水汽输入量级相当。因此， 以后的研究中有必要关注来自东边界的水汽输送对云南秋季降水的影响。
3.3 各边界水汽收支的垂直变化
以上分析表明整层水汽的水平输送存在显著的季节差异， 各边界水汽收支随高度变化的差异特征又是怎样的呢？下面进行分析。考虑到地形高度对低纬高原水汽输送的影响， 西边界和北边界仅分析700 hPa及以上的水汽收支变化。
东边界和北边界水汽收支的垂直变化比较复杂， 且水汽收支变化也有所不同， 主要有以下几个特点： （1）春季、 秋季和冬季北边界从700 hPa至高层均为水汽输出， 低层700 hPa水汽输出最大， 并随高度增加逐渐减小， 而夏季北边界高低层水汽输送差异明显， 600 hPa及以下为水汽输出， 以上为水汽输入。（2）东边界在不同高度层的水汽收支变化差异显著， 低层为水汽输入， 中高层为水汽输出， 低层水汽输入最大值春季和夏季在1000 hPa， 秋季和冬季在925 hPa； 高层水汽输出最大值春季、 夏季、 冬季出现在700 hPa， 秋季在600 hPa； 另外， 东边界秋季和冬季低层的水汽输入比较深厚， 向上扩展到850 hPa高度， 且水汽输入的量值明显偏大， 而春季和夏季的水汽输入高度仅到925 hPa。
3.4 各边界水汽收支的年际变化特征
水汽输送是降水产生的必要条件， 云南降水存在明显的年际变化特征， 分析各边界水汽收支年际变化的演变规律和差异特征， 对于进一步认识和揭示云南降水年际变化的成因有重要意义。图4为不同季节各边界水汽收支年际变化。从图4中可以看到， 各边界水汽收支在年际尺度上变化的差异特征： 春季和冬季各边界水汽收支的年际变化比较单调， 尽管各个边界水汽收支年际变化明显， 但研究时期内西边界和南边界均为水汽输入， 东边界和北边界均为水汽输出， 且西边界的水汽输入总是大于南边界， 东边界的水汽输出也总是大于北边界， 这一差异在春季尤为明显， 冬季稍小。但在夏季和秋季， 各边界的水汽收支年际变化比较复杂。首先来看夏季， 西边界和南边界两个边界均为水汽输入， 但西边界的水汽输入并不总是大于南边界， 有的年份南边界的水汽输入大于西边界， 这种差异在20世纪80年代中期之后尤其明显； 北边界和东边界的水汽收支基本为输出， 但其变化并不像冬季和春季一样总是东边界大于北边界， 而是表现为有的年份东边界大于北边界， 有的年份北边界大于东边界， 甚至在有的年份东边界转为水汽输入或收支接近为零， 例如： 1952， 1978和1994年。
其次来看秋季， 西边界和南边界在年际尺度上并不总是表现为水汽输入， 有的年份西南边界甚至转为水汽输出， 例如： 西边界在1949， 1950， 1952年， 南边界在1977， 1978， 1979， 1993， 1998年等。另外， 与夏季不同的是， 秋季西边界和南边界水汽收支的交替波动在1980年代中期之前比较显著， 该期间有的年份西边界大于南边界， 有的年份南边界大于西边界， 之后基本表现为西边界水汽输入大于南边界。前面对各边界水汽收支月际变化的分析已指出， 秋季是东边界出现水汽输入的时段， 该季节东边界水汽收支的年际变化较显著， 且收支性质出现完全相反的变化， 有的年份为水汽输入， 其输入甚至大于西边界或南边界， 例如： 1952， 1977， 1978， 1979年等。秋季北边界在年际尺度上基本保持一致的水汽输出。
从以上分析可知， 在年际尺度上， 冬季和春季水汽收支的变化相对比较简单， 东边界和北边界为水汽输出边界， 主要以东边界水汽输出为主； 西边界和南边界为水汽输入边界， 主要以西边界水汽输入为主。夏季和秋季的水汽收支变化则比较复杂， 各边界上水汽收支的年际变化非常明显， 且会发生收支性质转变。由于受东亚季风和南亚季风的交叉影响， 云南气候复杂多变， 尤其是夏季和秋季降水在云南的空间差异非常显著。从夏季和秋季各边界的水汽输送年际变化的特征发现， 正是由于夏季和秋季期间各边界水汽收支变化的复杂性特征， 导致了云南夏秋季节降水空间差异的复杂性特征。尤其是秋季， 除了关注西边界和南边界的水汽输入， 还需关注东边界出现的水汽输入对降水的影响。
4 夏季云南低纬高原区域水汽收支异常与旱涝的关系
图5 1961 -2016年夏季低纬高原区域净水汽收支与云南降水的相关分布浅色阴影区: 95%信度检验; 深色阴影区: 99%信度检验 Fig.5 Distribution of the correlation coefficient between the precipitation in summer over Yunnan and the net water vapor budget over the low-latitude highlands during 1961 -2016.Light shaded region: 95% confidence level, dark shaded region: 99% confidence level |
云南夏季降水变化的主要模态为全区一致型（晏红明等， 2007a）， 因此， 定义云南全省平均夏季降水为云南夏季降水指数， 来进一步分析水汽输送异常对云南夏季降水的影响。图6（a）为云南夏季降水指数与整层水汽输送的相关分布， 这里仅关注通过0.05显著性检验的水汽输送矢量的变化。从图6（a）中可以看到， 与云南夏季降水相关明显的水汽输送主要为孟加拉湾西南水汽输送、 中南半岛向北的南风水汽输送、 以及来自高原南侧的偏西水汽输送， 其中， 来自孟加拉湾和中南半岛的水汽输送比较明显。值得注意的是， 孟加拉湾的西南水汽输送来源于80°E -90°E附近的越赤道气流和索马里越赤道气流； 另外， 高原南侧的偏西水汽输送也来源于索马里越赤道气流。
图6 夏季云南降水与水汽输送的相关分布（a, 矢量和大小分别代表水汽通量的相关方向和大小）及旱、 涝年整层水汽输送差值分布[b, 单位: kg·（m·s）-1]浅色阴影区: 95%信度检验; 深色阴影区: 99%信度检验 Fig.6 Correlation distribution of the precipitation in summer over Yunnan and the water vapor flux (a), the direction and magnitude of vector represent the relative direction and size of the vapor flux.The difference distribution of water vapor transport between drought years and wet years [b, unit: kg·（m·s）-1].Light shaded region: 95% confidence level, dark shaded region: 99% confidence level |
根据云南夏季降水指数的变化， 以降水距平百分率>10%和<-10%来选取夏季降水异常典型年份， 涝年1961， 1966， 1968， 1971， 1974， 1986， 1995， 1998， 1999和2002年共10年， 旱年1988， 1989， 1992， 2003， 2006和2011年共6年。从图6中可以看到， 涝年和旱年水汽输送差异的变化与水汽输送矢量相关场的变化十分相似， 云南夏季降水偏多年， 高原南侧的偏西气流水汽输、 孟湾的西南水汽输送以及中南半岛的水汽输送均大于偏少年份。进一步表明了影响云南夏季降水的水汽输送的特征， 来自南半球在80°E-90°E附近转向北的越赤道气流以及索马里越赤道气流对云南的夏季旱涝有十分重要的影响， 其中来自索马里地区越赤道气流的水汽输送是向北到达阿拉伯海北部， 再转向南到达赤道西印度洋地区再转向东， 并入80°E -90°E的越赤道气流后， 形成一股强大的西南气流影响云南。
前面的分析中指出， 夏季影响云南的水汽输送主要有三条， 而与云南夏季降水相关显著的水汽输送主要为孟加拉湾西南水汽输送、 中南半岛向北的南风水汽输送、 以及来自高原南侧的偏西水汽输送， 其中越赤道气流从西边界和南边界进入的水汽是影响云南夏季降水最主要的水汽输送通道。但这里的分析结果却表明， 在降水偏多的年份， 北边界也有来自中高纬度地区的水汽输入。众所周知， 由于地形影响， 云南降水的空间差异是比较大的， 除了全区一致的降水模态， 还存在不同模态的降水差异， 而对于不同模态的降水， 水汽输送的路径也会存在明显的差异。因此， 云南降水偏多年份， 从北边界进入云南水汽输送可能也是水汽影响云南的一个方面。这一结果也同时提示云南的气象工作者们在以后的工作中有必要加强有关云南不同模态降水相应的水汽输送特征的研究。
云南旱、 涝年， 除了整层水汽输送的差异， 不同高度层的水汽输送也存在明显不同。从夏季涝年水汽收支的垂直变化［图7（a）］可以看出， 涝年影响云南的水汽输入主要来自于西边界和南边界， 其中700 hPa及以下的水汽输入非常显著， 700 hPa以上的水汽输入则相对较小。比较西边界和南边界水汽输入的垂直变化发现， 随高度变化两个边界水汽输入的大小存在一定差异， 600 hPa以下西边界水汽输入大于南边界， 600 hPa及以上则表现为南边界水汽输入大于西边界。北边界和东边界是涝年水汽输出的主要区域， 其中北边界的水汽输出尤其明显； 而东边界的水汽输送量值较小， 且高低层差异显著， 对流层低层1000~925 hPa为水汽输入， 以上为水汽输出。旱年各边界的水汽收支垂直变化特征与涝年非常类似， 在此不再赘述（图略）。但从涝年与旱年净水汽收支差值的垂直变化［图7（b）］可以看到， 从700~500 hPa， 旱年的水汽净收入明显低于涝年。在对流层中低层， 涝年水汽净输出仅出现在700 hPa， 旱年的水汽输出的高度却从700 hPa扩展到600 hPa。对比图7（a）， 无论是旱年还是涝年， 水汽输入主要是对流层低层的水汽净收入， 对流层中低层700 hPa虽然也有从南边界和西边界进入的水汽输送， 但水汽净收支却是负值， 表明该层次主要以水汽输出为主。
5 结论和讨论
通过对低纬高原地区水汽输送的水平变化、 垂直变化、 年际变化进行了详细的分析， 并分析了云南夏季降水与水汽输送变化的关系， 得到以下几点结论：
（1） 低纬高原地区水汽输送的季节差异较大， 冬季水汽输送路径最少， 仅有一条来自于西风带的水汽输送； 春季、 秋季、 夏季水汽输送各有三条路径， 但水汽源地有所不同， 其中， 夏季影响云南的水汽输送最为丰沛， 主要来源于印度洋和太平洋。总体而言， 云南冬半年受西风带水汽输送的影响， 夏半年受热带海洋水汽输送的影响。
（2） 各边界水汽收支季节差异显著。西边界和南边界一年四季均为水汽输入， 冬半年水汽主要从西边界进入云南， 夏半年主要从南边界进入云南； 北边界一年四季均为水汽输出， 8 -10月是水汽输出峰值期； 东边界水汽收支月际波动最大， 除8 -9月为水汽输入， 其余月份均为水汽输出， 3 -6月是水汽输出峰值期。东边界在9月份的水汽输入大于西边界， 有时与来自南边界的水汽输入相当。
（3） 各边界水汽收支均随高度增加而减小， 最大水汽收支变化出现在对流层低层700~850 hPa。除秋季1000 hPa西边界为水汽输出外， 其余层次西边界和南边界均为水汽输入， 其中春、 秋、 冬季西边界水汽收入大于南边界， 而夏季500~400 hPa南边界的水汽输入大于西边界。东边界和北边界水汽收支的垂直变化比较复杂， 存在显著的垂直差异和季节差异特征： 夏季北边界在600 hPa及以下为水汽输出， 以上为水汽输入， 其他季节高低层均为水汽输出； 东边界高低层的水汽收支变化垂直差异显著， 对流层低层为水汽输入， 高层为水汽输出。秋季和冬季低层的水汽输入比较深厚， 向上扩展到850 hPa高度， 而春季和夏季的水汽输入高度仅扩展到925 hPa。
（4） 在年际尺度上， 冬季和春季水汽收支变化相对比较单一， 东边界和北边界均为水汽输出， 以东边界水汽输出最为明显； 西边界和南边界为水汽输入， 以西边界水汽输入为主。夏季和秋季的水汽收支变化比较复杂， 各边界水汽收支的年际变化非常显著， 有的年份， 西边界或南边界会出现水汽输出， 东边界会出现水汽输入。
（5） 净水汽收支与云南夏季降水有明显的正相关。影响云南夏季降水的三条主要水汽输送中， 来自南半球在80°E -90°E附近转向北的越赤道气流和索马里越赤道气流带来的水汽输送对云南的夏季旱涝有十分重要的影响。在云南降水偏多年份， 从北边界进入云南的水汽输送可能也是影响云南夏季降水的另一方面的因素。
本文的工作进一步认识了低纬高原地区水汽收支变化的时空特征， 并初步了解了夏季区域水汽净收支变化与云南降水的关系， 但也看到低纬高原区域各边界水汽收支的年际变化相当复杂。通过分析发现有两个非常值得关注的问题： 一个是夏末秋初来自东边界的水汽输入； 另一个是年际尺度上夏季和秋季各边界水汽收支异常的年际变化。云南位于中国西南部的低纬高原地区， 受东亚季风和南亚季风的交叉影响比较明显， 在以前的工作中一直主要关注孟加拉湾西南水汽输送， 以及西太平洋副高西侧偏南气流或西南侧东南气流的影响。但从本文分析看到， 在夏末秋初云南区域主要受到来自东边界水汽输送的影响， 该水汽输送不仅大于西边界的水汽输送， 甚至与南边界的水汽输送相当。那么， 秋季来自东边界的水汽输送对云南区域降水异常的贡献如何？相应的大尺度环流异常以及对东边界水汽输送异常变化的影响情况？西南季风的撤退早晚与东边界的水汽输送的关系怎样？这些问题都有待于进一步研究。
另外， 夏季和秋季西边界和南边界水汽收支在年际尺度上的变化差异非常显著， 尤其是秋季， 有的年份西边界大于南边界， 有的年份南边界大于西边界， 这种差异呈现一定的年代际特征， 夏季在20世纪80年代中期之后明显， 秋季则在20世纪80年代中期之前明显， 这种交替变化对云南降水分布的影响如何？与印度季风和东亚季风的年代际变化等是否有一定的联系？这些问题是不清楚的。再者， 一年四季中南边界和西边界均为水汽进入云南区域的主要边界， 而从各边界不同季节的水汽收支年际变化可以看到， 在秋季有的年份西边界和南边界转为水汽输出， 这种年份云南的降水会产生怎样的异常变化？大气环流又发生了怎样的异常变化？在未来工作中有必要针对这些水汽输送异常的特殊年份做进一步分析。