秋汛期影响汉江流域降水的水汽通道特征研究

邢雯慧 王坚红 张方伟 苗春生

摘要：为给汉江流域秋汛预报提供一定参考，基于1961～2016年NCEP/NCAR逐月再分析资料（2.5°×2.5°）分析东亚季风区9～10月水汽输送通量分布情况，并结合对水汽通量散度的分析，得出了秋汛期（9～10月）影响汉江流域主要有3条水汽通道，分别为：① 来自西太平洋偏东方向的水汽输送通道;② 来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽输送通道;③ 来自副热带地区经青藏高原西北方向的水汽输送通道，第③条水汽通道强度明显强于其余2个水汽通道。通过分析3条水汽通道强度与汉江流域降水的相关关系发现：秋汛期（9～10月），②③两条水汽通道对汉江流域降雨均有较大影响，而第①条水汽通道对汉江流域降雨的影响较小。利用国家气候中心提供的1961～2016年6～10月逐月环流指数资料，初步探讨6～8月及9～10月副热带高压的各项指数及印缅槽强度指数与3条水汽通道的关联，得出：6～8月、9～10月，副热带高压的强度及面积仅与第①条水汽通道呈现明显负相关，而印缅槽强度与3条水汽通道均呈现明显的负相关，当6～8月、9～10月印缅槽强度偏弱时，均有利于9～10月3条水汽通道强度偏强，因此有利于9～10月汉江流域降雨偏多。

关键词：秋汛期; 水汽通道; 印缅槽强度; 副热带高压; 汉江流域

中图法分类号：P333文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.019

1研究背景

汉江是长江中游最大的支流，丹江口水库以上为上游，一般每年的9～10月为汉江流域秋汛期，在这段时间内降水时空分布不均，极易形成旱涝灾害。统计表明，汉江丹江口水库流域9～10月54%的降水能形成致洪过程[1-3]（入库洪峰流量大于5 000 m 3/s）。

大气中的水汽是形成降水的必要条件之一。水汽输送分为水平输送和垂直输送两种，前者主要把海洋上的水汽带到陆地，是水汽输送的主要形式，后者由于空气的上升运动，把低层的水汽输送到高空，是成云致雨的重要原因[4-7]。不少水文气象专家对影响夏季中国特别是长江流域的水汽输送问题进行了研究。陶诗言[8]等指出高原对水汽通量的分布及其季节变率有很大影响，其次四川盆地对周围地区水分收支也有重要的作用。Yatagai等[9]的研究指出，水汽输送的异常及其辐合辐散与降水有着密切的联系。周长艳等[10]指出，南海、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、涝年重要的影响因子。谢安[11]等的研究指出，来自孟加拉湾经中南半岛和来自华南的水汽输入是长江中下游地区水汽的主要来源。Zhang[12]等指出，长江中下游地区降水与印度季风系统水汽输送成反相关，当来自印度季风区的水汽输送强时，长江中下游地区降水偏少。徐祥德[13]等的研究表明青藏高原地区构成了影响长江流域旱、涝的季风水汽输送源地。田红等[14]、Zhou等[15]的研究发现，对应中国大陆东部降水多的时期中国南海异常水汽输送方向是由西太平洋进入中国南海，影响大陆异常降水的水汽来源并不是都来自孟加拉湾，长江流域降水属于东南水汽通道即副热带季风影响的范围。

从上述分析可知，水汽输送通道是长江流域降水的重要影响因子。目前，研究较多的是夏季影响长江流域的水汽通道，对于秋季影响长江流域，特别是汉江流域的主要水汽通道研究较少。汉江流域秋汛期水汽通道特征的研究对汉江流域秋汛期降水的旱涝趋势预测具有较好的指示意义，因此本文对秋汛期影响汉江流域的水汽通道特征进行分析研究，并初步探讨影响秋汛期（9～10月）汉江流域水汽输送的可能因子。

第2期邢雯慧，等：秋汛期影响汉江流域降水的水汽通道特征研究

人民长江2019年

2资料与方法

2.1资料介绍

本文所用的资料主要有：① 1961～2016年汉江流域32个站的逐日降水资料;② NCEP/NCAR 1961～2016年9～10月逐月再分析资料（风场、绝对比湿、气压、降水等），等压面选取了1 000～300 hPa共5层，空间分辨率为2.5°×2.5°;③ 国家气候中心提供的1961～2016年6～10月逐月環流指数（印缅槽强度指数、副热带高压强度指数、面积指数、脊线指数、西伸脊点指数）。

2.2方法介绍

整层大气水汽输送通量的计算公式为

Q=1g∫Ps300V·qdp（1）

纬向和经向水汽通量的计算公式为

Qλ=1g∫Ps300uqdp（2）

Qφ=1g∫Ps300υqdp（3）

水汽输送通量散度的计算公式为

·Q=1g∫Ps300·（V·q）dp（4）

式中，u，v分别为纬向、径向风速;V为各层大气的风速矢量，q是各层大气的比湿，Ps为大气柱下界气压（即地面气压），g是重力加速度，P为各层大气气压。

按照上述公式计算区域范围在10°S～60°N，40°E～160°E ，从1961～2016年秋汛期（9～10月）整层大气的经、纬向水汽通量，水汽输送矢量以及水汽通量散度。

3秋汛期影响汉江流域的水汽通道

3.1汉江流域秋汛期降水特征分析

从汉江流域1961～2016年秋汛期（9～10月）降水距平指数变化情况（图1所示，30 a均值为1981～2010年均值）可以看到，在整个时间序列当中，汉江流域的降水总体呈现下降的趋势，在1985年之前汉江流域整体偏涝，1985年以后汉江流域整体偏旱，并且在2010年之前，汉江流域有发生连续偏涝或者连续偏旱的情况，但2010年以后汉江流域发生连续偏涝的概率在减小。

3.2水汽通道的确立

为确立秋汛期期间影响汉江流域降水的水汽输送通道，绘制了9～10月东亚季风区水汽输送通量，如图2所示。

图2（a）是东亚季风区1961～2016年秋汛期（9～10月）平均水汽纬向输送分布。由图可见，秋汛期（9～10月）东亚季风区最强的纬向水汽输送带位于0°～10°N之间，由西向东横贯阿拉伯海至孟加拉湾到达南海南部地区，在25°N～35°N之间青藏高原东侧存在一个范围较小但强度较强的高值中心，同时在35°N～45°N之间的西太平洋上也存在一个范围较大的高值区，可见上述3个区域的纬向输送较强。

图2（b）为秋汛期（9～10月）东亚季风区经向水汽输送。图中在0°～40°N之间孟加拉湾至青藏高原东南部有一个经向水汽输送中心，此区域的经向输送较强，而在西太平洋上也有一个经向水汽输送中心，此区域的经向输送略弱。纬向通量和经向通量的矢量模分布（图略）显示，在阿拉伯海、孟加拉湾、西太平洋副热带高压西侧各存在一个高值中心，青藏高原东南侧也存在一个高值中心，高值区的分布与图2（a）、（b）相对应。

图2（c）是秋汛期（9～10月）东亚季风区水汽输送矢量场，从图中可以看出，在20°N～40°N，60°E～180°E之间有一个水汽输送通量较强的区域，并且分别有来自东南、西南及西北3个方向的水汽输送在此区域汇合。

9～10月东亚季风区水汽输送通量散度如图3所示，对照图3，发现在青藏高原上有2个较强的高值中心，其中在青藏高原西侧有个西北至东南方向的狭长的负值中心，说明大气中的水汽在此地区有较强辐散，可见9～10月该地区的水汽含量比较充沛结合上文关于水汽通量的分析，上述地区为来自孟加拉湾的西南方向的水汽输送及来自青藏高原的西北方向的水汽输送的汇入区域。从图3还可以看出在青藏高原东侧有一个较强的正值中心，在此地区则有较强的水汽辐合。

结合对图2和图3的分析可以注意到，秋汛期（9～10月）到达我国汉江流域的水汽输送通道有3条，分别是：来自西太平洋偏东方向的水汽通道，来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道，来自副热带地区经青藏高原的西北方向的水汽通道。水汽通道分别表征了源自西太平洋、孟加拉湾以及西风带的水汽对汉江流域的输送。结合上文进一步对水汽通道矢量及经纬向的分析可以得出：来自西太平洋偏东方向的水汽通道的纬向输送较强，而来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道与来自副热带地区经青藏高原的西北方向的水汽通道的经纬向输送均较强。

为了进一步定量确定秋汛期影响汉江流域的3条水汽通道的强度，定义并计算了水汽通道强度[16]。首先，针对3条水汽通道分别取一定的代表区域。基本标准如下：① 区域内水汽输送的方向基本一致;② 区域内水汽输送最强（即水汽通量矢量模最大）;③ 区域内水汽输送的方差较大。综合分析，来自西太平洋偏东方向的水汽输送通道强度计算选定的区域为（105°E～120°E，25°N～30°N）;来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道强度计算选定的区域为（80°E～95°E，17.5°N～22.5°N）;来自副热带地区经青藏高原的西北方向的水汽通道强度计算选定的区域为（90°E～105°E，25°N～35°N）。

1961～2016年秋汛期（9～10月）3条水汽通道平均强度的年际变化如图4所示。由图4可知，总体而言，秋汛期9～10月，来自青藏高原的西北方向的水汽通道的强度最强，而来自西太平洋偏东方向的水汽通道及来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道强度接近。

3.3水汽输送与汉江流域降水的联系

由1961～2016年汉江流域秋汛期降水与整层水汽通量的相关系数分布（见图5）可知，呈现显著正相关的区域（通过95%置信度检验）主要位于长江流域至青藏高原东部一带，西南太平洋洋面上也有一条狭长的正相关区，负相关的区域较小，位于中国的中北部。纬向水汽输送与高原夏季降水的关系，呈现显著正相关（通过95%置信度检验）的区域也主要位于长江流域至青藏高原东部一带;而西南太平洋洋面上的狭长的正相关区变为负相关区，从矢量上分析，来自副热带地区经青藏高原的水汽输送及来自太平洋的水汽输送对汉江流域降水影响较大。在纬向水汽输送中，来自副热带地区经青藏高原的水汽输送及来自西太平洋的水汽输送对汉江流域降水影响较大。在经向水汽输送与降水的相关性中，在中国东南部近海至中国中东部大部地区呈现显著正相关分布，结合水汽通道分析可以得出：在经向水汽输送中，来自孟加拉湾经中南半岛的水汽输送及来自副热带地区经青藏高原的水汽输送对汉江流域降水影响较大。

在9～10月，来自副热带地区经青藏高原西北方向的水汽通道与汉江流域降水的相关系数最大，達0.38，通过95%的置信度检验，说明在9～10月，来自副热带地区经青藏高原西北方向的水汽通道对汉江流域降水的影响最大。来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道与汉江流域降水的相关系数也达0.37，通过95%的置信度检验，可见9～10月，来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道对汉江流域降水也有较大影响。而来自西太平洋偏东方向的水汽通道与汉江流域降水的相关系数仅为0.05，并未通过95%的置信度检验，说明9～10月，来自西太平洋偏东方向的水汽通道对汉江流域降水的影响较小。此结论与上述的分析也吻合较好。

分析3条水汽通道之间的相关关系发现，3条水汽通道之间的相关系数均较低，西太平洋偏东通道与孟加拉湾西南通道的相关性系数为0.16，青藏高原西北通道与西太平洋偏东通道的相关性系数为0.22，青藏高原西北通道与孟加拉湾西南通道的相关系数为0.17，均未通过95%的置信度检验，说明3条水汽通道之间的相互影响较小，是相互独立的。

4秋汛期水汽通道影响因子分析

根据前文的分析：秋汛期9～10月，水汽通道对汉江降水的影响较大，并且都呈现出一致的、较高的正相关关系，因此在秋汛期，对水汽通道的分析也显得尤为重要。不少研究[17-20]指出中国夏季降水主要有2个水汽来源：① 从太平洋高压南沿以南风或东南风的形式进入我国内陆，② 印度低压的东南方以西南风的形式进入中国西南部。因此推测水汽输送通道主要受印缅槽及副热带高压的影响。针对秋季的水汽通道与这些影响因子是否存在关联的问题，本小节将初步探讨印缅槽强度及副热带高压的强度、面积、西伸脊点及脊线位置对3条水汽通道的影响，尝试找出它们之间的相关关系，旨在对汉江秋汛期的旱涝趋势预报有一定的指示意义。考虑到大气运动的连续性及秋汛预报的节点，重点分析主汛期6～8月及秋汛期9～10月各项指数与3条水汽通道之间的相关系数。

4.1副热带高压对水汽通道影响的分析

分析6～8月副热带高压的各项指数与9～10月3条水汽通道强度的相关系数（如表1所示），可见9～10月来自西太平洋偏东方向的水汽通道的强度与6～8月副热带高压的面积、强度的相关系数分别为-0.35，-0.39，呈现显著的负相关关系，说明当6～8月，副热带高压强度偏强、面积偏大时，来自西太平洋偏东方向的水汽通道强度偏弱的可能性较大。分析9～10月副热带高压的各项指数与9～10月3条水汽通道强度的相关系数（如表1所示）可知，9～10月来自西太平洋偏东方向的水汽通道的强度与9～10月副热带高压的面积、强度的相关系数分别为-0.39，-0.30，呈现显著的负相关关系，可知当9～10月，副热带高压强度偏强、面积偏大时，来自西太平洋偏东方向的水汽通道强度偏弱的可能性较大。

4.2印缅槽强度对水汽通道影响的分析

分析6～8月及9～10月印缅槽强度与9～10月3条水汽通道的相关系数（如表2所示），可见6～8月，印缅槽强度与孟加拉湾西南通道、西太平洋偏东通道、青藏高原西北通道水汽通道强度的相关系数分别为-0.38，-0.45，-0.37，均呈明显的负相关关系，说明当6～8月印缅槽强度偏弱时，9～10月3条水汽通道强度偏强的可能性较大，有利于汉江流域9～10月降水偏多。9～10月，印缅槽强度与孟加拉湾西南通道、西太平洋偏东通道、青藏高原西北通道水汽通道强度的相关系数分别为-0.39，-0.29，-0.39，也均呈明显的负相关关系，说明当9～10月，印缅槽强度偏弱时，3条水汽通道强度偏强的可能性较大，从而有利于汉江流域降水偏多。从上述分析中可知，6～8月及9～10月期间，印缅槽强度偏弱，有利于3条水汽通道强度偏强，且有利于汉江流域降水偏多。

5结 论

（1） 1961～2016年，汉江流域的降水总体呈现下降趋势，在1985年之前汉江流域整体偏涝，1985年以后汉江流域整体偏旱，并且在2010年之前，汉江流域有发生连续偏涝或者连续偏旱的情况，但2010年以后汉江流域发生连续偏涝的概率在减小。

（2） 秋汛期（9～10月）到达我国汉江流域的有3条水汽输送通道，分别是：① 来自西太平洋偏东方向的水汽输送通道，此通道纬向输送较强;② 来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽输送通道;③来自副热带地区经青藏高原的西北方向的水汽输送通道。总体而言，秋汛期9～10月，③ 水汽通道强度最强，①、②两条水汽通道的强度相当。同时，②、③水汽通道经向输送与纬向输送均较强。

（3） 秋汛期（9～10月），来自副热带地区经青藏高原的西北方向的水汽通道对汉江流域降雨的影响最大，来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道对汉江流域降雨也有较大影响，而来自西太平洋偏东方向的水汽通道对汉江流域降水的影响较小。

（4） 6～8月、9～10月印缅槽偏弱则有利于9～10月3条水汽通道强度偏强，而来自副热带地区经青藏高原的西北方向的水汽通道及对来自孟加拉湾经中南半岛的西南方向的水汽通道对汉江流域降水均有较大影响，因此有利于9～10月汉江流域降水偏多;6～8月、9～10月，若副热带高压强度偏强、面积偏大，将不利于来自西太平洋偏东方向的水汽通道强度偏强;9～10月，来自西太平洋偏东方向的水汽通道对汉江流域降水的影响较小，因此对汉江流域降水趋势的指示信号并不强，鉴于本文只是初步探讨，在接下来的工作中可进行深入的研究。

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引用本文：邢雯慧，王坚红，张方伟，苗春生.秋汛期影响汉江流域降水的水汽通道特征研究[J].人民长江，2019，50（2）：101-106.

Study on characteristics of water vapor channel affecting rainfall in Hanjiang river basin during autumn flood season

XING Wenhui1，2， WANG Jianhong 2， ZHANG Fangwei ， MIAO Chunsheng3，4

（1.Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010，China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;3.College of Atmospheric Science， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;4.Nanjing Xinda Institute of Meteorological Science & Technology ，Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044 ，China）

Abstract： In order to provide a certain reference for the autumn flood forecasting in the Hanjiang River basin， we analyze the distribution of water vapor transport flux in the East Asian Monsoon Region from September to October based on 1961-2016 NCEP/NCAR monthly reanalysis data （2.5 ° x 2.5 °）， and draw the following conclusions by combining with the analysis of water vapor flux divergence. In autumn flood season （September to October）， there are three main channels of water vapor reaching the Hanjiang River basin， respectively， a slightly east water vapor transport channel in west Pacific; a southwest water vapor transport channel from the Bengal bay through the Indochina Peninsula; a northwest water vapor transport channel starting subtropical region and passing through the Qinghai-Tibet Plateau. The third water vapor channel is obviously stronger than that of the other two channels. By analyzing the correlations between the intensity of three water vapor channels and rainfall in the Hanjiang River Basin， it is found that in autumn flood season （September to October）， the second and third water vapor transport channels have significant influence on the rainfall of the Hanjiang River basin， and the first water vapor transport channel has less effect on the rainfall of the Hanjiang River basin. We discuss the correlations between the indexes of subtropical high pressure belt and the strength of India-Burma trough with the three water vapor channels from June to August and September to October using monthly circulation index data from June to October in 1961-2016 provided by the national climate center. The results show that from June to August and September to October， the intensity and area of subtropical high pressure belt are negatively correlated with the first water vapor transport channel only， but the intensity of India-Burma trough is negatively correlated with the three water vapor channels. When the India-Burma trough is weak， it is in favor to the strengthening of the three water vapor channels from September to October， and further it is in favor to rainfall in the Hanjiang River basin.

Key words：autumn flood season; water vapor transport channel; India-burma trough;subtropical high pressure belt; Hanjiang River