“双峰”期孟加拉湾风暴对西南水汽输送的贡献

段旭 张瑾文

云南省气象科学研究所，昆明650034

1 引言

据统计，超过 70%的孟加拉湾风暴在中南半岛北部、孟加拉国和印度半岛北部一带登陆（段旭等，2009），对青藏高原和云贵高原地区的降水造成较大的影响，水汽输送甚至可达到我国长江中下游地区（吕爱民等，2013），其中，三分之二的登陆风暴出现在“双峰”期（5月和10～11月）。因此，孟加拉湾风暴“双峰”期对西南水汽输送有重要的影响。

关于孟加拉湾地区西南水汽输送对我国的影响，许多学者做过相关研究。卓嘎等（2012）分析西藏地区水汽输送的气候特征后指出，西藏地区冬、春、秋季的水汽主要来自中纬度西风带水汽输送，夏季水汽主要来自阿拉伯海、孟加拉湾、南海和西太平洋地区；周长艳等（2005）认为西太平洋地区的水汽输送以及来自孟加拉湾和高原地区的水汽输送分别是长江流域旱、涝年的重要影响因素；李秀珍等（2010）认为春、秋两季输送至华南的水汽主要来源于孟加拉湾及副热带西太平洋；江志红等（2013）基于拉格朗日方法对江淮梅雨水汽输送特征分析后指出，孟加拉湾、中国南海、太平洋和印度洋的水汽输送对江淮梅雨的异常有重要影响，梅雨偏多年来自孟加拉湾的水汽输送较多；鲁亚斌等（2004）、陈艳等（2006）针对云南 5月降水异常的研究后发现，5月云南上空为一致的西南风水汽输送，主要由来自印度半岛北部的副热带西风水汽输送、热带印度洋及孟加拉湾西南风水汽输送汇合而成，孟加拉湾水汽输送发生异常对云南5月降水有重要影响；黄荣辉和陈际龙（2010）指出，由于亚洲夏季风从孟加拉湾、南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区，故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大；周晓霞等（2008）则认为，夏季风爆发后，大量水汽从南半球输送到亚洲季风区，水汽辐合增加最大在孟加拉湾、中南半岛和南海地区，中国大陆的水汽主要经南海北边界输入；周玉淑等（2014）在研究台风Bilis时发现，暴雨增幅的时段与高低层无旋风的风速加大和辐合增强是一致的，而无旋风风速加大增强了水汽的输送；晏红明等（2013）、王澄海和崔洋（2011）在研究高原地区雨季开始和结束以及东亚夏季风建立前青藏高原地气温差变化特征时均指出，孟加拉湾热带气旋活动频次及西南水汽输送是重要因素之一；周顺武等（2011）研究了青藏高原汛期降水的时空分布特征，认为初夏高原南侧更多的受到孟加拉湾风暴影响，导致高原上降水的南北反向型分布。上述研究证实了孟加拉湾地区是西南水汽输送的重要源地，但没有讨论孟加拉湾风暴在西南水汽输送中的作用。

孟加拉湾风暴带来的西南水汽输送，在许多个例分析中均有过描述（王敏等，2010；伏阳虎等，2009；周国莲等，2006；周倩等，2011；杨祖芳等，2000；刘瑜等，2007；巩远发等，2004；张腾飞等，2006），均认为风暴产生的西南水汽输送为西南地区持续强降水提供了有利的水汽条件，同时也是造成高原地区产生暴雨（雪）的主要天气系统之一。但这些研究只是定性分析了孟加拉湾风暴在西南水汽输送中的作用，没有具体分析风暴在西南水汽输送所起到的作用和贡献大小，本文将讨论孟加拉湾风暴“双峰”期对西南水汽输送的贡献。

2 资料和方法

孟加拉湾风暴登陆路径选用 JTWC（Joint Typhoon Warning Centre）公布的孟加拉湾风暴资料，2001～2010年共有13个孟加拉湾风暴在15°N以北登陆，其中5月“峰值”期出现7个，10～11月“峰值”期6个（图1），全部发生在风暴活动的“双峰”期。

图1 2001～2010年“双峰”期孟加拉湾风暴 15°N以北登陆路径和水汽输送：南风输送（25°N，80°～100°E）；西风输送（10°～25°N，100°E）Fig. 1 Landing path of the Bay of Bengal storm to the north of 15°N and water vapor transport in double-peak periods from 2001 to 2010 [southerly transport: (25°N, 80°–100°E); westerly transport: (10°–25°N, 100°E)]

水汽通量的计算是利用2001～2010年5月和10～11月逐日逐6小时 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）/NCAR（National Center for Atmospheric Research）1°×1°再分析资料。“双峰”期水汽通量气候平均值是指 2001～2010年 5月（或10～11月）逐日逐6小时水汽通量的平均值，孟加拉湾风暴水汽通量是指7个风暴（5月）或6个风暴（10～11月）时段水汽通量的平均值，整层水汽通量从1000 hPa积分到100 hPa。文中分别选取沿 25°N（经度范围：80°～100°E）和沿 100°E（纬度范围：0～25°N）的两个垂直剖面来讨论风暴对西南水汽输送的贡献。由于仅考虑风暴西南方向的水汽输送，在垂直剖面计算水汽通量时均只计算南风分量和西风分量，即

式（1）和（2）中，FS、FW、q、v和u分别为南风水汽通量、西风水汽通量、比湿、经向风速和纬向风速。风暴个例统计时段的标准为当风暴的生命周期≤4 d时，选取风暴实际的生命周期并后延1d；若风暴的生命周期≥4 d时，取停止编号前的4 d并后延1 d。

风暴西南水汽输送平均贡献率用式（3）表示，即

其中，F为某一时刻的FS或FW，m为7个（5月）或6个风暴（10～11月）过程逐日逐6小时总时次数（即风暴过程天数乘4个时次），n为5月或10～11月逐日逐6小时总数（31天或61天乘10年乘4个时次）。

风暴西南水汽输送实际贡献率用式（4）表示，即

其中，F、m、n的意义同式（3）。

风暴西南水汽平均贡献率是风暴个例在统计时段中水汽输送总量按时次平均后的平均值分别与对应的5月（或10～11月）多年水汽总量按时次平均后的平均值的百分比，定量说明在风暴持续时段中，在平均时次上，风暴对水汽输送的贡献。风暴西南水汽输送实际贡献率是风暴个例在统计时段中水汽输送的累积总量分别与对应的 5月（或10～11月）多年水汽总量的百分比，能够反映多个孟加拉湾风暴个例在多年的 5月（或10～11月）中，在西南方向上对水汽输送的实际贡献。

3 风暴“双峰”期水汽输送状况及差异

5月“峰值”期孟加拉湾风暴的水汽以西南方向输送为主，由于对流层低层 700 hPa低于青藏高原高度，风暴的水汽输送首先呈较强的向北输送，遇青藏高原阻挡后沿高原边缘向东输送，而其他方向的输送较弱（图2a）。中层500 hPa上风暴水汽自西南向东北方向输送的特征明显（图 2b），在经向上呈现出先向北输送，然后向东输送。比较而言，低层的水汽输送较高层强烈，向北的输送量较大。

从风暴整层水汽通量平均值的分布看（图2c），仍然呈西南水汽输送特征。用风暴平均水汽通量减去气候值来衡量风暴在西南水汽输送中的贡献（图 2d），发现风暴对水汽输送的影响是显著的；其水汽输送路径与气候平均态基本一致，表明由孟加拉湾风暴产生的水汽输送与以孟加拉湾为源地的西南水汽输送是密切相关的，5月“峰值”期孟加拉湾风暴是西南水汽输送的重要天气系统之一。

10～11月“峰值”期风暴水汽输送形态与5月“峰值”期相似（图3），以西南水汽输送为主，输送量相对较小（图 3a–c），与5月气候差值图（图2d）相比，10～11月差值中心范围较小，但西南水汽通道分布特征明显，次中心位于华南地区，说明10～11月孟加拉湾风暴对西南向的水汽输送在范围上大于5月，孟加拉湾地区是西南及华南地区秋季水汽来源的地区之一。

图4是两个“峰值”期整层孟加拉湾风暴水汽输送通量平均值的差值图，由图4可知，5月风暴西南水汽输送较大，比 10～11月大 10～30 g hPa-1s-1m-1；差值中心主要位于西南水汽通道上，在孟加拉湾西北部的陆地上（青藏高原西侧）有一些水汽差值的次中心，说明5月“峰值”期水汽输送除沿西南水汽通道输送外，向北和向西北的水汽输送也较大。5月风暴西南水汽输送强劲，主要原因是索马里越赤道气流的建立和向东传播，孟加拉湾和中南半岛地区对流层中低层流场发生了巨变，由原来的偏东气流转为强劲的西南气流，而10～11月西南季风急剧减弱，强劲的西南气流由孟加拉湾东退到了中南半岛北部，导致风暴西南水汽输送较弱（段旭和段玮，2015）。

图2 5月“峰值”期孟加拉湾风暴（a）700 hPa、（b）500 hPa平均水汽通量（单位：10-3 g hPa-1 s-1 m-1）和（c）整层平均水汽通量（单位：g hPa-1 s-1 m-1）及其（d）与气候平均的差值（单位：g hPa-1 s-1 m-1）Fig. 2 Average water vapor flux (units: 10-3 g hPa-1 s-1 m-1)at (a)700 hPa and (b)500 hPa, and (c)average water vapor flux in the whole layer (units: g hPa-1 s-1 m-1)and (d)its difference from climatological average (units: g hPa-1 s-1 m-1)for the Bay of Bengal storm in May peak period

综合分析图3和图4可知，虽然风暴西南方向的水汽输送10～11月弱于5月，但其差值场的数值与气候平均场相比较大，在西南水汽输送通道上，风暴整层平均水汽输送量是气候平均的2倍，而且15 g hPa-1s-1m-1的等值线范围较气候平均差值图偏北偏东，说明孟加拉湾风暴对西南向的水汽输送的强度和范围都有重要的影响。

4 风暴“双峰”期对西南水汽输送的贡献

上节讨论了“双峰”期孟加拉湾风暴及气候平均态水汽输送状况及其差异，定性分析了风暴对西南水汽输送的贡献。下节将通过对沿 25°N垂直剖面和沿100°E垂直剖面的水汽输送分析，定量分析由风暴产生的水汽向北、向东方向输送所占比例，讨论风暴对西南水汽输送的贡献率。在计算沿纬向和沿经向的垂直剖面水汽通量时，由北风和东风产生的水汽通量输送被认为不属于孟加拉湾风暴系统，因此为了避免抵消西南水汽输送的绝对贡献率，令北风分量和东风分量产生的水汽通量为零[如式（1）、（2）]。

图5a是5月“峰值”期沿25°N纬向垂直剖面上南风分量在风暴过程中平均水汽输送与气候平均值之比，图中除在（80°～87°E，800～500 hPa）和（86°～100°E，200 hPa以上）两个区域，风暴产生的水汽输送平均贡献率小于 100%，说明风暴向北产生的水汽输送小于气候平均值，即风暴对水汽的输送在这两个区域为负贡献（负贡献表示该区域不是风暴水汽输送的主要通道，风暴导致的水汽输送弱于其它天气系统，下同），图中的其他区域风暴的水汽输送贡献率均大于 100%，说明风暴的水汽输送大于气候平均值，即风暴对水汽输送有正贡献。其中，在对流层中层（700～250 hPa）风暴的水汽输送贡献率是气候平均值的 2～3倍，大值中心位于孟加拉湾正北方向90°E附近的对流层中层。孟加拉湾风暴的水汽平均贡献率的总体分布是在对流层中低层东部大于西部，中高层西部大于东部，表明在经向上，风暴水汽输送的正贡献区域偏东，且正贡献分布随高度向西倾斜。

图3 同图2，但为10～11月Fig. 3 The same as Fig. 2, but for Oct–Nov peak period

图4 孟加拉湾风暴整层平均水汽通量5月与10～11月差值（单位：g hPa-1 s-1 m-1）Fig. 4 Average water vapor flux difference in the whole layer for the Bay of Bengal storm between May and Oct–Nov (units: g hPa-1 s-1 m-1)

图5b是沿100°E风暴水汽输送贡献率的经向垂直剖面图，图中18°N以南，对流层中低层（500 hPa以下）风暴水汽输送率大于100%，为正贡献，中高层（500 hPa以上）水汽输送为负贡献；20°N以北，对流层低层（700 hPa以下）风暴水汽输送为负贡献，中高层（700 hPa以上）为正贡献，表明风暴向东的水汽输送正贡献区域随高度向北倾斜。与南风分量水汽输送平均贡献率（图5a）相比，西风分量的平均贡献率明显偏小。

图6是5月“峰值”值期风暴水汽输送的实际贡献率（即：风暴存在统计时段内西南方向水汽通量的总量占整个气候统计时段内西南方向水汽通量总量的比例），在图6中，5月“峰值”期水汽输送的实际贡献率分布趋势与平均贡献率（图 5）基本一致。其中，沿25°N的经向垂直剖面图（图6a）中，南风分量的实际贡献率大部分区域为 20%～30%，也就是说5月由南风分量带来的经向水汽输送中约有20%～30%为孟加拉湾风暴所作的贡献；而在由西风分量带来的纬向水汽输送中（图 6b），风暴所作的实际贡献率为12%～20%，西风水汽输送略小于南风。综合分析5月“峰值”期孟加拉湾风暴水汽输送的平均贡献率和实际贡献率表明，孟加拉湾风暴向北的水汽输送均大于向东的输送，南风水汽输送的中心分布带随高度有向东倾斜的趋势，西风水汽输送中心分布向北倾斜。

图5 5月“峰值”期（a）沿25°N和（b）沿100°E垂直剖面上水汽通量风暴过程平均值与气候平均值之比（单位：%，阴影区为地形）Fig. 5 Vertical section along (a)25°N and (b)100°E for the ratio between the average in water vapor flux of storm process and the climate average in May peak period (units: %; shadow: terrain)

图6 5月“峰值”期（a）沿25°N和（b）沿100°E垂直剖面水汽通量风暴过程总量与气候总量之比（单位：%，阴影区为地形）Fig. 6 Vertical section along (a)25°N and (b)100°E for the ratio between the total of water vapor flux in storm process and the climate total in May peak period (units: %; shadow: terrain)

图7a是10～11月“峰值”期沿25°N纬向垂直剖面南风分量风暴过程平均水汽输送与气候平均值之比。在图中除西侧低层（700 hPa以下）和400～200 hPa间风暴产生的平均水汽输送为负贡献外，其他区域几乎均为较大的正贡献。其中，90°～100°E对流层中低层水汽输送约为气候平均值的3～4倍，其余地区的平均贡献率也超过了200%，正贡献区域随高度向西倾斜。图 7b是风暴过程西风分量水汽输送平均值与气候平均值之比沿 100°E的经向垂直剖面图，图中 20°N 以北对流层低层（750 hPa以下）风暴水汽输送为弱的负贡献，剖面的中低层水汽输送大部分为正贡献。其中，贡献率超 200%的区域为 10°～15°N 间的低层和 15°～20°N间的中层。对流层高层为水汽输送负贡献区域，低纬度区域高层甚至水汽输送为零。正贡献水汽输送大值带随高度向北倾斜。与南风分量水汽输送平均贡献率（图7a）相比，西风分量的平均贡献率仍明显偏小。

从 10～11月“峰值”期风暴水汽输送实际贡献率分布图（图 8）来看，实际贡献率分布形态与平均贡献率（图7）一致。其中，在图8a中，南风分量的实际贡献率大部分区域为 8%～16%，即在10～11月由南风分量带来的纬向水汽输送中有8%～16%为孟加拉湾风暴所作的贡献，而西风分量正贡献区域风暴所作的实际贡献率为5%～9%（图8b），说明孟加拉湾风暴向北的水汽输送大于向东的水汽输送。

比较两个“峰值”期孟加拉湾风暴的水汽输送的平均贡献率图（图5和图7），其共同特点是：无论是平均贡献率还是实际贡献率，向北的纬向水汽输送都比向东的经向水汽输送大，约大一倍；风暴对水汽输送的大值带位于对流层中层，这是否与高原大地形的影响有关还需进一步研究；纬向剖面图中水汽输送大值区随高度向东倾斜，经向剖面图中则向北倾斜，表明孟加拉湾风暴水汽输送通道主要是西南方向。不同之处在于，5月“峰值”期的实际贡献率是10～11月“峰值”期的2倍，考虑到5月和10～11月两个“峰值”期风暴统计的个例数之比为7:6，气候平均的天数之比为310:610，从而说明在5月“峰值”期孟加拉湾风暴在西南方向上对水汽输送的实际输送量是 10～11月“峰值”期的4倍，如果扣除掉10～11月样本容量是5月样本容量两倍的影响，那么5月“峰值”期孟加拉湾风暴在西南方向的实际水汽输送总量约是10～11月的2倍，说明了孟加拉湾风暴前“峰值”期（5月）对水汽输送的影响大于后“峰值”期（10～11月），孟加拉湾风暴是5月西南水汽输送的主要系统之一。

图7 同图5，但为10～11月Fig. 7 The same as Fig.5, but for Oct–Nov peak period

图8 同图6，但为10～11月Fig. 8 The same as Fig.6, but for Oct–Nov peak period

5 小结

在孟加拉湾风暴5月和10～11月的两个“峰值”期，风暴表现出较强的西南水汽输送特征，其中向北的输送较强，但受到高原阻挡，其次是向东的的输送。通过合成分析表明：孟加拉湾风暴各层和整层的水汽通量在风暴中心区域及西南水汽通道上均高于气候平均值，表明风暴对西南水汽输送的贡献是显著的。

通过分析沿25°N纬向垂直剖面和沿100°E经向垂直剖面的西南水汽输送贡献率表明：两个“峰值”期风暴的南风水汽输送比西风水汽输送几乎大一倍，且经向水汽输送的正贡献中心位于90°E，对流层中层700～500 hPa，正贡献区域随高度向东倾斜，而纬向水汽输送的正贡献区域随高度向北倾斜，表明孟加拉湾风暴水汽输送通道主要是西南方向；风暴的西南水汽平均贡献率，10～11月“峰值”期比5月“峰值”期约大一倍，而实际贡献率则5月“峰值”期比10～11月“峰值”期大一倍。如果扣除掉10～11月样本容量是5月样本容量两倍的影响，那么5月“峰值”期孟加拉湾风暴在西南方向的实际水汽输送总量约是10～11月的2倍，说明了孟加拉湾风暴前峰值期（5月）对水汽输送的影响大于后“峰值”期（10～11月），孟加拉湾风暴是5月西南水汽输送的主要系统之一。

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