与中国夏季典型降水异常模式相关的大气水汽输送外文翻译资料

 2022-11-22 16:21:31

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与中国夏季典型降水异常模式相关的大气水汽输送

周天军

摘要：本文意图展现与中国典型夏季降水异常模式相关的大气水汽输送。结果表明与异常降水对应的水汽输送，其源地与正常的季风降水是不同的。第一类降水异常模式伴随着长江中下游愈加显著的多雨带，由热带西南地区以及中纬度北部的水汽输送辐合造成；热带水汽输送源地是孟加拉湾以及中国南海，其源头可追溯至菲律宾海。水汽输送异常与西太平洋副高的西进南落以及东亚地区急流的南移有关。第二类异常模式伴随有黄河流域的主要降雨带，是由副热带西南地区和中纬度水汽输送辐合引起的。其亚热带分支来自中国南海，而源头可追溯至东海和相邻的副热带太平洋地区至东部20–25°N之间。环流背景变化包括西太平洋副高向西北方向的延伸以及高空急流的向东转移。尽管赤道气流包括索马里急流为正常状态的6月、7月和8月降水提供充足的水汽，与中国典型降水异常相关的热带水汽输送来源于热带西太平洋。异常温暖的水汽向北输送主要发生在对流层低层，而中纬度较冷水汽的输送仅在对流层上部时有发生。

引用：周天军（2005）与中国典型夏季降水异常相关的大气水汽输送，J. Geophys. Res., 110, D08104, doi:10.1029/2004JD005413。

  1. 引言

中国东部属于典型的季风气候区。当一股较弱的夏季风紧随长江流域的暴雨而来，亚洲中东部的大部分地区受到伴随着暴雨的西南季风影响。与洪涝和干旱密切相关的季风往往造成巨大的社会和经济影响，尤其是对占据世界人口重要比重的中国和东南亚国家。因此，理解支配季风变化的物理过程和机制已经成为目前非常迫切的问题，而前人在过去几十年间的研究也有了许多进展。

水文过程在影响主要大气环流模式范围的因素中占据重要地位。降水异常和水汽供应直接相关。水汽输送是东亚季风系统的重要组成之一。大量水汽通过大尺度季风环流由邻近海域输送至东亚季风区。关于水汽输送的研究会大大加深我们对季风降水异常的了解。中国科研工作者对东亚大气水汽的研究可以追溯到上世纪五十年代，但研究却受限于不精确的数据。这种情况在最近几年有所改善。中国1970至1990的探空资料分析表明中国降水总量的增加（减少）与中

国大部分地区的降水量呈正相关。大气可降

水量的年际变化和降水量有显著关联。

尽管在北半球夏季，与季风环流相关的水汽强辐合同时受亚洲东部和南部控制，但东亚季风区和印度季风区的水汽输送存在显著差异。东亚水汽辐合主要是由季风引起的水汽平流输送造成的，而在印度季风区风场辐合是造成水汽辐合的主要原因。东亚夏

季风不仅受印度夏季风的影响，还受到西太平洋副高和中纬度环流的作用。通常认为索马里急流、受澳大利亚冷高压影响的越赤道气流以及西太平洋副高南部的偏东气流所输送的水汽是造成中国东部暴雨的重要因素。后来的研究表明，强调孟加拉湾输送水汽所造成的影响，而不是南海和西太平洋。以1980-1996年间ECMWF-WMO逐日二时次全球分析资料为基础的模拟表明印度季风环流并不是造成中国东南部(25°–35°N, 110°-120°E)干、湿年间差异的重要原因，并且维持此地夏季降水的水汽主要来源于中国南海和西太平洋。印度夏季风输送而来的水汽与其向东亚输送的成反比：印度夏季风输送较多的水汽对应东亚地区输送较少的

图1 a站点资料标准化后的六到八月平均降水（毫米/天）圆点表示观测站点位置。b多年六到八月1951-1999平均）水汽输送平均（kgtimes;）。阴影部分表示水汽通量的量级。彩色版见于文末

水汽输送以及长江中下游少雨的降水形态。

本文的主要目的是探究与典型降水异常模式相关的水汽输送。对季风变化的预测，尤其是与降水异常相关的预测已经成为中国气象工作者的研究中心。尽管夏季主要的多雨带存在较大的年际差异，中国气象局国家气候中心的预报员作出的短期气候预测将夏季风雨带异常根据中心定位分为三类典型模式：长江中下游、淮河流域以及黄河流域。早前关于中国水汽输送的研究通常侧重于常规季风降水或特定个例分析。然而与典型降水异常模式相关的水汽输送研究实际的应用效果并不能很好的解决业务预报中的需求。本文提供的分析表明，虽然与典型异常雨带有关的热带水汽输送的直接来源是中国南海、孟加拉湾或两者兼而有之，他们的根本源地是热带西太平洋。不同于一般夏季降水模式下的水汽来源，没有证据表明越赤道气流例如索马里急流输送的水汽是典型异常雨带的成因。

本文结构如下：第二部分介绍了数据和方法，第三部分描述了水汽输送的背景场以及定义了中国夏季典型季风降水异常模式。与典型异常雨带相关的水汽输送将在第四部分进行论述，包括大尺度环流变化的讨论；结论在第五部分给出。

  1. 数据和方法

利用NCEP/NCAR提供的全球在分析资料，选取北半球夏季（6-8月）的数据估计大气水汽输送的尺度。根据NCEP/NCAR再分析资料对水汽的区域评估，Trenberth和Guiliemot指出了大气中的水汽输送辐散的区域。这次研究中使用的物理变量包括月平均比湿以及八层次的经向和纬向风分量（1000,925,850,700,600,500,400,300hPa）500hPa位势高度场和200hPa风矢量用于描述环流变化。地面气压用于探讨地形影响。另一种用于评估水汽通量的大气数据来源于ECMWF在分析资料（下文中称为ERA40，详见http://www.ecmwf.int/research/era/），包图2 1951-1999间6-8月降水平均的主要模式。a（EOF1）和b（EOF2.）模式显示的是涉及气候平均相关的标准化降水异常所占百分比

图3 标准化主要变量对应的模式为a图EOF1b图EOF2

括经向和纬向风分量以及两个标准气压面的气温和相对湿度（850hPa和500hPa）。相对湿度RH由比湿通过如下公式计算所得，

（1）

es是从气温中估算出的饱和水汽压，p是大气压强。最近分析中所用的ERA40数据包括1958年到1999年。

逐月降水量资料（1951-1999）取自中国气象局。数据包括中国160个站点的月平均降水量，并且已经广泛用于东亚季风气候的研究中。图一是站点位置分布情况。大部分测站位于中国东部。这并不对我们的研究目的造成影响，因为季风降水主要由测站覆盖范围较广的中国东南部控制。如图一所示，我们的研究区域（100°E以东）夏季降水有

较大的年际变化。

将整层水汽通量在垂直方向积分可表示为

（2）

q为比湿， 是水平风矢量，p是气压，是地面气压，g是重力加速度。根据NCEP/NCAR再分析资料设置的300hPa至大气层顶的比湿，垂直运动方程用于地面至300hPa。300hPa以上的缺测资料对结果造成的影响几乎可以忽略不计，因为大气水汽主要集中在对流层低层。早先的估计表明，即使在热带海洋地区，从水汽通量的角度来说300hPa以上被忽略的水汽最大值不超过2-3cm/年。

水汽输送可分为两类：静止态和瞬时态。前者使用月平均数据计算，后者脱离月平均资料而使用逐日四时次的平均资料。先前的分析表明静止分量支配着水汽的整体输送和其在东亚地区的年际变化，而涡旋输送造

成的影响基本可以忽略。

  1. 水汽输送背景及与中国夏季降水典型异常模式

表1 中国东部6、7、8月典型降水异常模式及与其相关的水汽输送

典型降水异常模式

第一类

第二类

主要雨带

长江中下游流域

黄河流域

水汽输送

热带西南支水汽辐合及中纬度东北方向水汽输送。热带水汽由孟加拉湾和中国南海输送，然而其源地可以追溯至菲律宾海

副热带西南支水汽辐合以及中纬度水汽输送，副热带分支直接由中国南海输送而来，而其源地是中国东海和相邻的副热带太平洋向东至20-25°N间

大尺度环流形势

西太平洋副高的西伸和东亚急流的南移

西太平洋副高的西伸北抬和高空急流的东移

气候背景意味着水汽输送与对流层低层的大规模季风环流是非常相似的。图一b体现了北半球夏季整体水汽输送情况。正常气候背景下东亚主要存在热带水汽输送的三个分支：第一支是印度季风（西南季风）造成的强水汽输送，它和较强的越赤道索马里急流有关，并从阿拉伯海和孟加拉湾给东亚带来充足的水汽；第二支是东南亚季风带

来的水汽输送，水汽从热带太平洋地区经西太平洋输送至中国东部；第三支与105°E-150°E间的越赤道气流有关，也是最弱的分支。此外，中国北部还受中纬度西风带造成的较弱的水汽输送的影响。将这几条主要的水汽输送路线和早前基于不同数据集或时间段的分析比较，结果表明两者具有很大的相似之处。注意到这是正常季风降水情况，而我们真正关心并将提出的是与典型降水异常相关的水汽输送异常。

为了研究夏季风降水的空间变化，本文将使用经验正交函数（EOF）观察六到八月的平均降水异常。前两个主要模式在图2中。这两种模式分别占总变化16.3%和12.4%。根据North等的标准，两类模式可以轻松区分开来。图3是对应的标准化处理过的主要变量。这两个主要的EOF模型基本上和中国气象局国家气候中心在短期气候预测中根据历史数据定义的夏季典型降水异常模式相对应。通常称图2a为南方模式，图2b为中间模式。

在第一个主要模式中，顾名思义，南方模式，正异常支配着长江中下游。与标准差变化相关的是夏季降水增量最多增加30%。结合图3a和图2a，我们发现在一些典型年份，例如1954年和1998年，中心降水强度相对于气候平均状态几乎分别增加了100%和60%。

在第二类EOF模型中，中间模式存在一条多雨带控制长江流域和黄河流域之间的地区（大约长江以北五个纬度）。一些典

型年份例如1956年和1989年，中心降水和正常年相比各增加了大约35%和30%。这类异常比第一类异常稍弱。

此外，在第三类夏季降水EOF模型中，伴随次强度的降水中心出现在中国西南地区（图略），中国北方和长江下游都出现了强降水。这种模式解释了总变化的6.7%以及业务预报中定义的和北方模式相关的部分。进一步分析表明，根据North的标准，第四类EOF模型不能很好的同前几类区分开，因此在接下来的研究中，我们将重点关注前两种主要模型。

这两种主要的夏季降水异常模式在接下来的讨论中将分别称为模式1和模式2，这两种异常的主要特征简要列在表1中。

  1. 水汽输送异常

4.1.整层水汽的垂直输送

和典型降水异常相关的水汽输送异常可以通过回归与PC相关EOF降水模式一致的垂直方向上整层水汽通量异常估计。图4a是第一类降水异常模式。伴随长江中下游的强降水，一支副热带和热带强水汽辐合出现在异常雨带区上空。较暖的热带水汽在遇到较冷的高纬度而来的副热带水汽之前沿东亚大陆海岸线向东北方向移动。热带水汽输 图4 （a）垂直方向整层水汽输送异常（kgtimes;），（b）500hPa位势高度（m），（c）200hPa纬向风（m/s），通过暴雨EOF1回归。图4a中的彩色部分表示水汽通量的量级。图4b和4c分别是500hpa和200hPa的气候平均背景。彩色版图片见于文末

送异常分为两支，分别来自中国南海和孟加拉湾。然而，其源地均可追溯至菲律宾海。没有发现索马里急流气候位置改变造成的输送异常。

水汽输送和大气环流变化紧密联系。早前的研究发现东亚夏季风主要由对流层低层的西太平洋副高和高层的东亚西风急流控制。为证明环流形势的变化支配着水汽输送，将500hPa位势高度异常（Z500）和200hPa纬向风异常（U200）分别和降水EOF1回归，结果在图4b-4c。和正常气候情况相比，西太平洋副高西伸南落。这类异常环流形势有利于来自孟加拉湾和中国南海的热带暖湿水汽沿西太平洋副高西北侧向东北方向输送。在大气上层，西风急流南移。加强的纬向风沿30°N越过120°E，从而导致此地更强的高空纬向风辐散。

这有利于加强对流，并进一步导致了强降水。值得重视的是热带较暖水汽和副热带较冷水汽的辐合导致了长江中下游的强降水。先前的研究重点偏向于热带暖湿气流，忽略了副热带水汽输送分支的成因。来自中纬度的北方气流和太平洋气流共同支撑副热带水汽输送。

水汽输送异常和第二类异常模式的关系在图5a中说明。副热带水汽和中纬度水汽在主要雨带区的长江下游和黄河流域之间辐合。副高沿中国东部异常东退北抬直接来自中国南海，并起源于热带西太平洋。来自孟加拉湾的水汽或由南半球经越赤道气流输送而来的水汽都不是形成淮河流域上空辐合异常的原因。水汽输送异常的源地根本上是中国东海和相邻向东20-25°N间的副热带太平洋。西太平洋副高的西伸北抬（图5b）和200hPa层面上急流中心的东移以及相关的强纬向风辐合，共同支持热带温暖水汽和其后中纬度相对较冷水汽的辐合。

图5 除EOF2外同图4.彩色图片见于文末。

图6 水汽辐合的时间演变（实线和实心圆单位是，和右侧轴一致），200hPa风矢量散度（虚线和空心圆所示单位为并且和左侧轴相对应）在长江下游（11

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