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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (2): 501-509  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00031
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李莹, 原文杰, 徐倩倩, 等. 2017. 华南前汛期降水异常年水汽输送特征分析[J]. 高原气象, 36(2): 501-509. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00031
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Li Ying, Yuan Wenjie, Xu Qianqian, et al. 2017. Water Vapor Transportation Characteristics in Pre-rainy Season Precipitation anomaly of South China[J]. Plateau Meteorology, 36(2): 501-509. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00031.
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资助项目

国家自然科学基金项目(41571400);安徽省自然科学基金项目(1608085MD85);广东省专项基金项目(粤环200965,粤财工2010620);安徽农业大学人才基金项目(yj2014-24)

通讯作者

梅雪英.E-mail:qxxmxy@163.com

作者简介

李莹 (1992), 女, 安徽亳州人, 硕士研究生, 主要从事应用气象研究.E-mail:1562417934@qq.com

文章历史

收稿日期: 2015-10-12
定稿日期: 2016-03-28
华南前汛期降水异常年水汽输送特征分析
李莹1, 原文杰1,2, 徐倩倩1,3, 胡润杰1, 李军利1, 梅雪英1, 李侠丽1,4     
1. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036;
2. 平顺气象局, 长治 047400;
3. 合肥市气象局, 合肥 230041;
4. 寿县气象局, 寿县 232200
摘要: 基于华南地区76个站点的逐日降水资料及NCEP再分析资料,采用拉格朗日方法的气流轨迹模式(HYSPLIT_4),分析了1980—2011年华南前汛期锋面降水和季风降水的水汽输送轨迹、主要源地及不同源地水汽贡献率。结果表明:锋面降水阶段气流轨迹主要有来自西北太平洋的东风气流、阿拉伯海-孟加拉湾的西风气流和欧亚大陆的西北冷空气。在锋面降水偏多年,西北太平洋的东风气流水汽输送贡献为69%,比偏少年多14%,阿拉伯海-孟加拉湾的西风气流输送贡献为20%,比偏少年少10%,此阶段受来自西北太平洋的水汽影响较大。季风降水阶段气流轨迹主要有来自北印度洋的越赤道气流、西北太平洋的东风气流和欧亚大陆的西北冷空气,在季风降水偏多年,来自北印度洋的越赤道水汽输送贡献为88%,比偏少年多18%,而西北太平洋的水汽输送贡献为7%,比偏少年少15%,此阶段受西南越赤道气流的水汽输送影响较大。
关键词: 华南前汛期    拉格朗日轨迹模式    降水异常    水汽输送    
1 引言

华南地区季风位置突出, 降水集中, 雨量大且暴雨频发, 常导致中国大范围的洪涝灾害 (邓立平和王谦谦, 2002; 蔡学湛等, 2002; 李春晖等, 2004)。华南汛期被分为前汛期和后汛期, 每年的4—6月被称为前汛期, 7—9月被称为后汛期, 而前汛期又分为锋面降水和季风降水两个阶段 (陈隆勋等, 2000; 2006; 俞亚勋等, 2013)。前汛期是华南的多雨时期 (卢萍等, 2014; 鲍媛媛和康志明, 2014), 因此, 前汛期的水汽输送及其来源是气象专家学者关注和研究的一个焦点。

拉格朗日方法和欧拉方法是目前研究水汽输送的两种主要方法。基于欧拉方法来研究水汽输送特征的案例如, 陈长胜等 (2004)指出经向水汽输送的异常是导致该地区旱涝的主要原因, 并指出南海对华南降水异常有重要影响。池艳珍等 (2005)研究发现前汛期锋面降水和季风降水集中在4月和6月, 分别是西风水汽输送和越赤道气流向华南输送。常越等 (2006)发现来自北方的水汽输送和副高南侧的水汽输送对华南降水异常有重要影响。张振清 (2007)研究发现涝年我国南海北部及东南地区水汽通量较常年偏强, 而在孟加拉湾及印度半岛一带则偏弱。但欧拉方法所得出的水汽输送路径较为简单, 无法给出不同水汽路径的源地及对降水的贡献大小。

拉格朗日方法在确定水汽的源或汇、计算空气轨迹方面, 克服了欧拉方法无法定量区分水汽来源贡献的缺点, 可以很清楚地确定水汽的输送源地。近些年来, 国内、外学者开始应用此方法研究降水的水汽来源及输送过程。Brubaker et al (2001)发现在密西西比河流域, 其暖季降水水汽20%是源自其流域自身的蒸发, 剩余水汽则来自加勒比海和墨西哥湾。Stohl et al (2004)利用拉格朗日方法得出2004年欧洲一次极端降水的水汽来源主要来自地中海和地表蒸发。Berto et al (2004)利用拉格朗日轨迹模式发现源自副热带非洲地区的水汽输送是特伦顿致洪暴雨的主要水汽来源。Stohl et al (2008)使用拉格朗日轨迹模式发现挪威西海岸降水的水汽主要来自北大西洋。Alain et al (2009)基于使用拉格朗日方法揭示了北美西部冷季强降水的三个水汽来源。苏继峰等 (2010)利用气流轨迹模式发现850 hPa高度来自孟加拉湾和南海的两条水汽输送路径对2009年6月皖南暴雨有重要贡献。江志红等 (2011)应用拉格朗日轨迹模式分析了江淮梅雨期间的水汽输送特征, 并且对比了不同源地的水汽输送对江淮梅雨的水汽贡献。

华南前汛期是东亚夏季风的核心成员之一, 研究华南前汛期水汽输送对全国的汛期降水研究和预报具有重要意义。本文利用拉格朗日方法的轨迹模式HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) 模拟计算了华南前汛期锋面降水和季风降水阶段在降水异常年的水汽输送轨迹, 并对比分析了异常年两个降水阶段的水汽输送轨迹差异, 以期加深对华南前汛期异常年水汽输送特征的认识, 为华南地区的夏季降水预测和预报提供参考依据。

2 资料与方法 2.1 资料

使用的资料有: 1980—2011年6 h一次的NCEP再分析资料, 空间分辨率为2.5°×2.5°, 气象要素包括温度 (t)、经向风 (v)、纬向风 (u)、相对湿度 (rh), 其中相对湿度垂直方向为 (1000~300 hPa)8层, 温度、经向风和纬向风, 垂直方向均为 (1000~10 hPa)17层。选取107°E—120°E, 20°N—26°N的华南地区为研究范围, 由于海南省与华南地区其他省份的水汽来源差异较大, 因此不包含在内。剔除掉降水资料缺测站点, 最后选取76个站点, 站点分布如图 1所示。

图 1 华南地区气象观测站点分布 Figure 1 Locations of Meteorology observational stationsin South China
2.2 轨迹模式及模拟方案

HYSPLIT_4模型是由NOAA空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算和分析气流运动、大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。气流轨迹的模拟思路是假设空气中的粒子随气流运动, 则它的移动轨迹就是其在时间和空间上位置矢量的积分, 其气块最终位置由初始位置 (P) 和第一猜测位置 (P′) 的平均速率计算得出, 公式如下 (杨浩等, 2014):

$ P\prime (t + \Delta t) = P\left( t \right) + V(P,{\rm{ }}t)\Delta t, $ (1)
$ \begin{array}{l} P(t + \Delta t) = P\left( t \right) + 0.5 \times [V(P,{\rm{ }}t)\\ + V(P\prime ,{\rm{ }}t + \Delta t)]\Delta t, \end{array} $ (2)

式中: Δt为时间步长, 其时间步长是可变的, 本文中时间步长Δt选取为6 h, 并且要求一个时间步长内气团的移动长度Δt < 0.75倍Umax, Umax为最大风速。

HYSPLIT模式在计算过程中采用的是地形坐标, 因此在垂直方向上气象数据会被内插到地形追随垂直坐标系统, 水平方向则保持其原来格式:

$ \sigma = \frac{{({Z_{{\rm{top}}}} - {Z_{{\rm{mst}}}})}}{{({Z_{{\rm{top}}}} - {Z_{{\rm{gl}}}})}}, $ (3)

式中: Ztop是轨迹模式坐标系统的顶部; Zgl是地形高度; Zmst是距地面高度 (梁卓然等, 2011)。

模拟区域选自华南地区 (20°N—26°N, 107°E—120°E) 6°×13°的区域, 水平分辨率为2.5°×2.5°。由于前汛期每年锋面降水转为季风降水的时间不完全一致, 根据前人 (王红军和潘维玉, 2009) 的研究, 分别选取4月和6月为锋面降水阶段和季风降水阶段。由于水汽输送主要集中在中低层, 所以在垂直方向上选取850 hPa作为模拟的初始高度, 模拟其后向追踪14天的三维运动轨迹, 每24 h输出一次轨迹点的位置, 并插值到相应位置上空气块的物理属性, 每隔24 h所有轨迹初始点重新后向追踪模拟14天。

2.3 水汽输送贡献率

定义某一源地水汽输送贡献率:

$ {Q_{\rm{s}}} = (\sum\limits_l^m {{q_{{\rm{last}}}}} /\sum\limits_l^n {{q_{{\rm{last}}}}} ) \times 100\% , $ (4)

式中: qlast表示空气粒子到达最终位置的比湿, m表示该源地所包含的空气粒子数, n表示所有源地空气轨迹总数 (江志红等, 2013)。

2.4 降水异常年的选取

降水异常年是指有些年份由于季风环流的异常进退、气候变化等原因造成较往年平均降水偏多或偏少的现象, 降水偏多年和降水偏少年统称为降水异常年。本文计算华南区域1980—2011年4月和6月的平均降水距平百分率, 参考马慧等 (2006)对华南前汛期多雨年和少雨年的划分标准, 以华南地区平均降水量的标准化距平±1为标准, ≥1为多雨年, ≤1为少雨年。本文在锋面降水阶段选取2个降水偏少年 (1991年、2011年), 2个降水偏多年 (1980年、1984年)。在季风降水阶段选取2个降水偏少年 (1989年、2004年), 2个降水偏多年 (1993年、2005年)。为进一步分析两个降水阶段偏多偏少年的水汽输送特征和水汽源地输送贡献率, 将水汽源地划分为西北太平洋 (80°E—160°W, 0°—60°N)、欧亚大陆 (0°—120°E, 20°N—80°N)、阿拉伯海-孟加拉湾 (40°E—90°E, 10°N—30°N)、北印度洋 (40°E—120°E, 0°—20°N) 四个部分。

3 结果与分析 3.1 锋面降水与季风降水偏多偏少年水汽输送源地的贡献对比

图 2为锋面降水阶段偏少年 (1991年、2011年) 的合成分析轨迹结果。模拟共得到2640条轨迹, 最终聚类为5条 (图中括号内数字为该条轨迹水汽输送贡献率)。锋面降水偏少年主要有来自阿拉伯海-孟加拉湾的西风气流、来自欧亚大陆的西北冷空气和来自西北太平洋的东风气流三条水汽输送路径, 其中轨迹1B虽然来自大陆, 但之后传输到海洋上空, 水汽含量逐渐增多, 因此该条轨迹水汽主要来自西北太平洋。三条输送路径中, 来自西北太平洋和阿拉伯海-孟加拉湾的水汽较多, 水汽贡献分别为55%和30%, 而来自欧亚大陆的气流为干燥的冷空气, 空气块携带的水汽较少, 对华南降水贡献不大。图 3为锋面降水偏多年 (1980年、2000年) 轨迹模拟结果, 轨迹总数为2640条, 最终聚类为5条。与偏少年的气流轨迹基本相同, 主要有三条输送路径, 但水汽贡献率有所不同, 来自阿拉伯海-孟加拉湾和西北太平洋的水汽贡献分别为20%和69%。

图 2 锋面降水偏少年水汽输送轨迹空间分布 (a)、高度 (b) 及比湿 (c) 的变化 横坐标负值表示轨迹从现在向过去模拟, 下同 Figure 2 The water vapor trajectories of spatial distribution (a), the change in height (b) and specific humidity (c) in dry frontal rainfall years. The abscissa negative value indicates that the trajectory is simulated from now to the past, same as after
图 3 锋面降水偏多年水汽输送轨迹空间分布 (a)、高度 (b) 及比湿 (c) 的变化 Figure 3 The water vapor trajectories of the spatial distribution (a), the change in height (b) and specific humidity (c) in wet frontal rainfall years

图 4为季风降水阶段偏少年 (1989年、2004年) 的合成分析轨迹结果。模拟共得到2640条轨迹, 最终聚类为4条。季风降水偏少年的水汽路径有2支越赤道西南气流轨迹, 轨迹2A为途径孟加拉湾南部的越赤道急流, 轨迹2B主要为索马里急流与途径阿拉伯海南部的越赤道气流聚类而成; 还有来自西北太平洋的副高南侧东风气流和来自欧亚大陆的西北冷空气, 水汽贡献分别为22%和8%;越赤道气流水汽贡献较多, 为70%, 原因可能是季风降水时段主要集中在6月份, 此时南海夏季风爆发后, 南亚高压跃上高原, 华南地区处于南亚高压东部, 强大的南半球越赤道水汽输送越过北印度洋地区向华南地区输送, 致使华南地区对流发展极其旺盛, 大气层结不稳定, 降水偏多。图 5是季风降水阶段偏多年 (1993年、2005年) 合成分析轨迹结果。模拟共得到2640条轨迹, 最终聚类为4条。气流轨迹分布情况与偏少年类似, 越赤道气流的水汽输送较为明显。与偏少年相比, 主要差别是途径孟加拉湾南部的越赤道急流, 水汽贡献比偏少年多18%。

图 4 季风降水偏少年水汽输送轨迹空间分布 (a)、高度 (b) 及比湿 (c) 的变化 Figure 4 The water vapor trajectories of the spatial distribution (a), the change in height (b) and specific humidity (c) in dry summer monsoon rainfall years
图 5 季风降水偏多年水汽输送轨迹空间分布 (a)、高度 (b) 及比湿 (c) 的变化 Figure 5 The water vapor trajectories of the spatial distribution (a), the change in height (b) and specific humidity (c) in wet summer monsoon rainfall years
3.2 锋面降水阶段与季风降水阶段偏多偏少年水汽输送差异对比

图 2图 3分别为锋面降水阶段偏少偏多年的轨迹模拟结果。由图 2a可以看出, 五条轨迹中水汽含量较多的是1A和3, 分别来自西北太平洋的东风输送和阿拉伯海的西风输送。对比两条轨迹输送过程中的比湿和气压变化, 由图 2bc可以看出, 轨迹1A的路径主要在海洋上空, 由于地形抬升作用不明显, 因此高度和水汽含量变化都较小, 而轨迹3途径中南半岛时, 由于地形抬升作用导致水汽部分损失。轨迹1B在水汽逐渐增多的传输过程中, 高度降低至900 hPa左右, 到达华南地区前水汽含量较高, 因此认为轨迹水汽主要来自西北太平洋。轨迹2A和2B主要是来自西北方向高空的冷空气, 高度600 hPa左右, 因此水汽含量也较低。从降水偏多年的轨迹模拟结果可以看出, 气流轨迹分布情况与偏少年类似, 各个源地轨迹的输送情况也基本相似, 但来自西北太平洋的水汽明显增多, 而且各轨迹的比湿也比异常少年多, 来自西北太平洋的水汽输送 (轨迹1A、1B、1C) 占69%, 比偏少年多14%;来自孟加拉湾的西风水汽 (轨迹3) 输送占20%, 比偏少年少10%。可见, 在锋面降水阶段西北太平洋副高南侧的东风气流水汽输送对于华南前汛期锋面降水异常有重要影响。

图 4图 5为季风降水阶段偏少偏多年的轨迹模拟结果。由图 4可以看出, 轨迹1为来自副高南侧的东风气流。轨迹2A、2B均为越赤道气流, 两支气流都是来自印度洋, 轨迹2A为途径孟加拉湾南部的越赤道急流, 轨迹2B主要为索马里急流与途径阿拉伯海南部的越赤道气流聚类而成。轨迹3为西北冷空气。其中轨迹1、2A、2B水汽含量都较高, 轨迹2A、2B在输送过程中途径中南半岛, 而轨迹1则主要在海洋上空输送, 因此轨迹2A、2B的高度抬升要比轨迹1明显, 水汽损失相对较多。轨迹2A、2B虽然输送过程中水汽有损失, 但仍有较高的水汽含量。可见来自北印度洋的西南越赤道气流水汽输送最为明显, 占总水汽输送量的70%, 而来自西北太平洋的东风气流输送占22%。从降水偏多年的模拟结果 (图 5) 可以看出, 轨迹分布及输送特征与降水偏少年基本相似, 但水汽贡献率不同。轨迹2A、2B是来自北印度洋的西南气流水汽输送, 占总水汽输送量的88%, 而来自西北太平洋的东风气流输送只占7%。可见, 在季风降水阶段越赤道气流偏南风的水汽输送对于华南前汛期季风降水异常有重要影响。

综上所述, 锋面降水阶段影响华南地区的气流主要有3支:一支是来自欧亚大陆的西北冷空气, 另外两支分别是来自阿拉伯海的西风气流和副高南侧的东风气流。在锋面降水偏少年, 来自阿拉伯海、孟加拉湾水汽输送贡献达30%, 比降水偏多年增加了10%, 来自西北太平洋东风气流的水汽输送为55%, 比降水偏多年减少了14%。季风降水阶段影响华南地区的气流主要有三条, 一条是来自欧亚大陆的西北冷空气, 一条是来自北印度洋的越赤道气流, 还有一条是副高南侧的东风气流。在季风降水阶段, 来自北印度洋的越赤道气流水汽输送贡献达88%, 比偏少年增加了18%, 西北太平洋东风气流的水汽输送贡献在异常多年为7%, 比偏少年少15%。

3.3 锋面降水和季风降水阶段偏多偏少年850 hPa水汽通量矢量场对比

通过锋面降水阶段偏多年和偏少年850 hPa的水汽通量矢量场 (图 6) 可以看出, 西北太平洋副高南侧的东风水汽输送在锋面降水阶段较明显, 来自阿拉伯海-孟加拉湾的西风气流输送作用则相对较弱, 与前面的轨迹模拟结果吻合。对比偏多偏少年的水汽通量, 西北太平洋副高南侧的东风气流水汽含量明显较多, 西风气流的水汽含量相对偏少, 因此锋面降水主要受西北太平洋东风气流的影响。

图 6 锋面降水偏多 (a)、偏少 (b) 年850 hPa水汽通量场 (矢量, 单位: g·cm-1·hPa-1·s-1) 深色阴影部分表示水汽通量丰富 Figure 6 Vapor flux on 850 hPa in wet (a) and dry (b) frontal precipitation years. Units: g·cm-1·hPa-1·s-1. The dark shaded denotes the water vapor flux is plentiful

从季风降水阶段偏多年和偏少年850 hPa的水汽通量矢量场 (图 7), 可以看出, 季风降水阶段越赤道气流的西南水汽输送最明显, 水汽含量也较多, 副高南侧的东风气流输送作用则相对较弱, 水汽含量也相对偏少。因此季风降水阶段降水受越赤道西南气流的影响较大。对比降水偏多偏少年的水汽通量及风场, 在降水偏多年华南地区处在一条明显的西南气流输送带, 并且由于西北太平洋副高偏强、位置偏西, 东风气流与西南气流在南海地区汇合后, 向北输送进入华南地区, 而在降水偏少年副高偏弱偏东, 越赤道西南气流也偏弱, 导致水汽不能完全输送到华南地区。

图 7 季风降水偏多 (a)、偏少 (b) 年850 hPa水汽通量场 (矢量, 单位: g·cm-1·hPa-1·s-1) 深色阴影部分表示水汽通量丰富 Figure 7 Vapor flux on 850 hPa in wet (a) and dry (b) summer monsoon precipitation years. Units: g·cm-1·hPa-1·s-1. The dark shaded denotes the water vapor flux is plentiful
4 结论与讨论

基于拉格朗日轨迹模式 (HYSPLIT), 模拟分析了1980—2011年华南前汛期水汽输送轨迹及其水汽输送贡献的差异, 定量对比了锋面降水和季风降水两个阶段的水汽输送特征。主要结果如下:

(1) 在锋面降水阶段, 华南地区的水汽主要来源于西北太平洋的东风气流, 阿拉伯海和孟加拉湾的西风气流和欧亚大陆的西北冷空气。在降水偏多年, 对华南地区的水汽输送贡献分别为69%、20%、11%, 在偏少年西北太平洋的水汽输送贡献比异常多年减少了14%, 阿拉伯海-孟加拉湾和欧亚大陆分别增加了10%和4%。可见在锋面降水阶段, 无论是降水偏多年还是偏少年, 来自西北太平洋的水汽输送偏多, 来自阿拉伯海和孟加拉湾的水汽输送偏少。

(2) 在季风降水阶段, 华南地区的水汽主要来源于印度洋的越赤道气流、副高南侧的东风气流和欧亚大陆的西北冷空气。在季风降水偏多年, 北印度洋的水汽输送贡献为88%, 比偏少年增加了18%, 而来自西北太平洋的水汽输送贡献在偏多年为7%, 比偏少年减少了15%。可见, 无论是在季风降水偏多年还是偏少年, 西南气流的水汽输送都尤为重要。

通过HYSPLIT_4模拟华南前汛期锋面降水和季风降水阶段在异常年的水汽输送轨迹, 发现来自西南气流和东风气流的水汽输送对华南地区的异常年降水有重要影响。本文也存在不足之处, 采用的NCEP再分析资料时空分辨率不够高, 模拟得到的轨迹与真实情况可能还存在一定偏差, 可能会影响到最后的聚类结果, 在以后工作中仍需进一步改善。

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Water Vapor Transportation Characteristics in Pre-rainy Season Precipitation anomaly of South China
LI Ying1 , YUAN Wenjie1,2 , XU Qianqian1,3 , HU Runjie1 , LI Junli1 , MEI Xueying1 , LI Xiali1,4     
1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;
2. Pingshun Meteorological Bureau, Changzhi 047400, China;
3. Hefei Meteorological Bureau, Hefei 230041, China;
4. Shouxian Meteorological Bureau, Shouxian 232200, China
Abstract: Based on NCEP reanalysis data and daily precipitation data of 76 meteorological stations in South China from 1980 to 2011, using Lagrangian trajectory model (HYSPLIT_4), the water vapor transportation path, main sources and its contribution in frontal rainfall and monsoon rainfall anomalies during pre-rainy season in South China were studied. Results showed that: In frontal rainfall phase, water vapor path was mainly from Western Pacific, Arabia sea-Bay of Bengal and Continental Eurasian. In wet years of frontal rainfall, water vapor from the Western Pacific accounted for more than 69%, and the water vapor was 14% higher than that in dry years. While the contribution of water vapor from Arabia seaBay of Bengal was 20%, and the water vapor was 10% less than that in dry years. This stage was greatly influenced by the water vapor from the Pacific Northwest. In Monsoon rainfall phrase, water vapor was mainly from the cross-equatorial flow from north Indian Ocean, the Pacific Northwest wind airflow and the northwest cold air in Eurasia. In wet monsoon rainfall years, the water vapor from India ocean had the largest contribution 88%, the moisture from Indian ocean was 18% higher than that in dry years, while the moisture from the Western Pacific was 7%, the moisture from the Western Pacific was 15% less than that in dry years. This stage was greatly influenced by southwest cross-equatorial flow of water vapor transmission.
Key Words: Pre-Rainy season of south China    Lagrangian trajectory model    Precipitation anomaly    Water vapor transportation