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东北强降水过程中水汽的输送和平衡
（原文Sun Li.A Study on Water Vapor Transport and Budget of Heavy Rain in Northeast China[J].ADVANCES IN ATMOSPHERIC SCIENCES,2010,27(6):1399-1414）
摘要:对中国东北大范围强降水和局地强降水的水汽传输特征使用了1961-2005年的NCEP-NCAR的6小时再分析资料和日资料和200站的降水资料。结果表明在东北的大范围强降水过程中，亚洲季风非常活跃，并且季风向北的水汽输送也非常强劲。大范围的强降水包含了来自大范围的水汽供应，这些水汽大部分来自亚洲季风地区，包括东亚副热带季风地区、南海和西南、东南的热带季风地区。覆盖中国东部是季风水汽通道有几个分支，在这里它们被加强然后北上进入中国东北。因此，向北加强的季风水汽传输是中国东北大范围强降水的关键。相反的，中国东北的局地强降水的水汽源于有限区域，通过西风带传输。局地蒸发对于供应水汽和局地水汽循环过程也很重要。总之，东北大范围强降水主要是由于亚洲季风带来的水汽平流，而局地强降水主要是由于西风辐合造成的。
关键词：强降水 中国东北 水汽输送 水分平衡 亚洲季风
引入：强降水是东北最严重的的天气现象之一。它常常导致严重的人员伤亡和财产损失。最近几年已经开始努力研究东北的强降水过程。比如赵和孙张等，还有孙和按都讨论了1998年松花江和嫩江流域的强降水过程的发生发展过程和环流背景和物理原因。寿和徐等分析了水汽辐合系统、大气不稳定特征和其他与东北典型强降水过程有关的物理因素。桥、将、孙等对东北冷锋强降水进行了天气分析、动力诊断和数值模拟。最近，王等总结了最近30年对东北强降水研究的重要进展。但是对东北强降水过程的水汽输送和平衡特征的研究却很少。东北位于中纬度，这里发生强降水的条件与中国南部不同。中国南部的强降水通常发生在西南季风气流带来充足的水汽供应时，而中国东北是强降水通常发生在水汽含量有限的大陆气团内。因此，关于东北强降水发生时的水汽来源还不清楚。
已经有很多关于水汽输送与降水之间的联系的研究。比如，徐计算了中国东部的水汽输送和平衡。繁和六、高和谢等分别研究过北方、淮河流域、长江中下游的水汽输送的气候特征。在全球和年际尺度上，南半球是北半球的水汽和潜热的源。徐等也讨论了受季风水汽输送影响下的地区的主要特征并提出了一个遥相关模型和一个关于季风梅雨带的物理描述。黄等提出东亚季风区的水汽辐合主要是由于平流过程，并且经向输送非常重要，不同于印度季风区域。Simmonds等提出东南部的水汽主要源自南海和孟加拉湾，而中高纬西风的水汽输送对东北非常重要。周和于讨论了与中国东部夏季降水一致的水汽输送变化，表明与中国东部降水异常一致的水汽源地是西太平洋。周研究了亚洲季风区的水汽输送对中国东部降水的影响，表明印度季风的水汽输送很重要。孙讨论了东亚季风的水汽输送对东部夏季降水影响的气候特征。
也有案例研究了局地水汽输送和平衡。谢和戴计算了1957年发生在黄河中下游的一次强降水过程的水汽输送并且发现这次强降水是水汽主要源自南海。丁和刘研究了台风的水汽输送特征，发现由于辐散风导致的气团辐合对台风降水最重要，表面蒸发也有一定影响。通过对1998年和1991年发生在长江流域和江淮流域的两次强降水过程的水汽输送和平衡特征的分析，丁和胡发现两次两次强降水过程的水汽主要来自大范围的辐合，南海的水汽输送也很重要。
这次研究中使用了NCEP-NCAR的6小时和每天的再分析资料以及东北自1961-2005的200站日降水资料，为了量化大范围强降水的水汽输送和平衡的特征。结果有助于理解东北强降水是形成和中低纬系统之间的关系。
2 数据和计算方法
通过sigma;面积区域边界的水汽输送定义为：
这里的q是特征湿度，g是重力常数，p是气压，ps是海平面气压，pt是大气顶气压，L是水平边界，l是水平边界的长度，Vn是通过边界的速度，正负分别代表出去和进入。
从地表到大气顶积分水汽平衡方程
并取区域平均值，得到：
这里V=（u,v），m代表水汽质量，P是降水量，Es是表面蒸发量。下标ABC分别代表了水汽局地变化、水汽辐散和水汽的垂直输送。只要算出ABC，方程2中Es 可以看做一个剩余量。P是观测值。
水汽辐合定义为
可见水汽辐合包含两项：水汽平流（E）和风场辐合（F）。当风湿度高值区流向湿度低值区，E对水汽辐合有正贡献，称为“湿平流”；否则，为“干平流”。当风场辐合时，F对水汽辐合有正贡献。
EOF方法被用来分析东北大范围强降水水汽流场的特征。
这次研究用到的1961-2005日降水资料来自中国气象协会国家气象信息中心，是由分布于东北和中国北部的东北地区的200个测站的用雨量计测量得到的。NCEP-NCAR的6小时和日再分析资料包括风场、湿度场等，在海平面和标准气压层，精度2.5*2.5。湿度只在1000hPa到300hPa之间有。
3.结果
3.1 东北的典型强降水个例
东北的典型强降水可以分成三种类型：局地强降水、区域强降水、大范围强降水。根据峥对三种类型的定义，首先算出东北地区日降水量大于等于50mm的测站的数量，如果1le;nlt;5，定义为局地强降水，如果5le;nle;15，并且降水地区相连，定义为区域强降水，如果nge;15，并且这些站点相邻，定义为大范围强降水。基于这些定义，东北自1961-2005年的总的强降水日数为2013，包括1643次局地强降水，285次区域强降水，85次大范围强降水。尽管发生得并不频繁，大范围强降水导致了这个地区的大部分与洪水相关的灾害，也是这项研究的原因。
根据峥的研究，导致东北强降水的天气系统可以分为四种：冷锋、风切变、气旋、台风。基于这些分类，那些在1961-2005年内导致东北强降水的天气系统被确定，32个大范围强降水个例，32个局地强降水个例。大范围强降水个例包括8个冷锋，8个切变，8个气旋，8个台风。局地强降水也包括上面四种类型每种8个个例。在接下来的部分研究了东北大范围强降水个例的水汽输送和平衡的复杂的特征，也讨论了由不同的天气系统导致的强降水的不同。结论将与局地强降水对比。此外，选择了68 个典型的强降水个例（包括17个冷锋个例、17个风切变个例、17个气旋、17个台风）用于EOF分析水汽流场。
3.2 水汽输送分析
图2 显示了东北大范围强降水期间复合的水汽流通过每个边界和东亚季风区域不同区域的水汽平衡。区域1代表孟加拉湾，区域2代表中南半岛，两者一起代表了西南季风水汽输送，区域3在南海，代表南海季风水汽输送，区域4在菲律宾西海岸，代表了东南季风水汽输送，区域5在中国东部，区域6在中国东海。区域5和区域6代表了东亚副热带季风水汽输送。区域7中国东北。
水汽通量和平衡值在图2 中，其它的数值区强降水期间和其前两天的平均值。为了对比，图3显示了7个季风区域在1971-2005的夏季平均水汽通量和水汽平衡。与图3中长期的平均值相比，图2e表明东北大范围强降水发生之前和期间，亚洲季风区域的水汽通量很大，水汽通过区域2的西边界进入中南半岛，通过区域3 的西边界进入南海，分别为30%和40%，高于长期夏季的平均值。这个特征表明西南季风非常活跃，向西的水汽输送非常强劲。通过东边界进入区域4的水汽是平均值的4倍，而通过南部边界进入区域6的水汽大约比平均值大65%。这个结果表明东南季风的水汽输送在东北强降水发生之前和其间也增强了。
南海北部的水汽主要来自西南季风通过其西边界的水汽输送。通过东边界向东的水汽输送很小。当西南季风和东南季风都加强时，南海季风也变得很活跃。通过区域3 的北边界进入中国东部的水汽得到加强，比气候值高50%。因此，南海北部成为中国主要的水汽源。水汽输送在东亚副热带季风区域也很活跃。在这里经向输送是主要的，而通过东边界向东的水汽输送相对较小。但是，通过区域5、区域6的北边界进入东北的水汽增长明显，分别大约是气候值的3.2和2.6倍。在东北，从南边界来的水汽占总水汽的86%，而从西边界进入的水汽占总水汽的14%。从东边界流出的水汽大于从北边界流出的水汽，表明东北是东亚季风水汽输送的最北的边界，并且东亚夏季风对东北的影响较弱。即使所有的水汽来自区域5的西边界，而且区域5和6的水汽净流出都被从区域7的南边界的水汽通量扣除了，仍然可以计算出有一支水汽来自区域3和4的北边界。这个值占区域3-4北边界水汽通量的78%，并且占区域7总水汽流入量的60%。因此，在大范围强降水过程中，大约占来自南海季风和东南副热带季风的水汽输送进入东北的总水汽的60%。南海的水汽也与西南副热带季风的水汽输送有很大关系。
以上的分析表明，在东北大范围强降水过程中，热带季风非常活跃，向北的水汽输送也非常强劲，这是强降水过程发生的基础。主要来自热带的水汽通过东亚副热带季风持续高效地输送到东北，是强降水发生的关键。
在东北局地强降水过程中，东亚季风区的水汽输送与东北大范围强降水非常不同。首先，通过西南季风的输送进入南海北部的水汽和通过东南季风的输送进入菲律宾海的水汽与气候值一致。其次，南海季风输送到中国东部的水汽和东南季风输送到南海的水汽的不同比起气候值不是很重要。第三，经向水汽输送在东亚季风区得到加强，通过区域5西边界的水汽通量和通过区域6东边界的水汽流出量比大范围强降水更多。然而，通过区域5-6的北边界进入东北的水汽比大范围强降水少很多。第四，在东北，通过南边界的水汽流入量只有大范围强降水的40%，而通过西边界的水汽流入量是大范围强降水的两倍。这个区域的水汽平衡少于大范围强降水的一半。总之，大范围强降水需要大范围的水汽供应，包括东亚副热带季风区、南海季风区、东南热带季风和西南热带季风区，但是局地强降水只需要小范围的有限的水汽供应且只需要西风输送。
东北大范围强降水的水汽输送特征的不同是由于不同的天气系统。在冷锋大范围强降水过程中，东亚地区北纬10-25度间向西的水汽输送偏强。从区域5的东边界进入的水汽通量是气候值的5倍。水汽甚至可以输送到南海的北部。西南热带季风气流和东南热带季风气流在东经110-120度之间辐合，在这里加强并且进一步向北流出。从南海北部进入中国
内陆的水汽是气候值的两倍。此外，从区域1-2北边界流出的水汽也是值得注意的。和这一特征相一致的，通过区域5的西边界进入中国东部的水汽增长很快。中国东部的水汽部分直接输送到东部，剩余的输送到东海。在区域6，一些水汽通过北边界输送到东北，其余的向东流出。因此，比起由其他降水系统引起的大范围强降水，在冷锋大范围降水过程中，季风水汽输送的路径略微西移，南海水汽输送最重要，从青海东部向东的水汽输送也十分重要。
在台风大范围强降水过程中，西南热带季风的水汽输送偏强，并且能输送到菲律宾海。西南热带季风流与东南热带季风流在东经122.5与135度之间辐合，并进一步加强和北推。从菲律宾海进入东海的水汽显著增长（值为气候值的两倍）。东海的大部分水汽直接向北输
送到东北并成为强降水最重要的水汽来源。剩余的向西输送到中国东部。在区域5中有三个水汽通量通道（东、西、南），导致向北输送到东北的水汽增加。因此，在台风大范围强降水过程中，季风水汽输送通道略微西移。源于东南热带季风的水汽输送很重要，并且水汽在东南热带季风区的积聚与西南热带季风向东的水汽输送增强有关。
在风切变和气旋大范围强降水过程中，水汽输送的特征相似。西南热带降水和东南热带季风的水汽输送都很强，在南海北部和菲律宾海上向北的水汽输送也很重要。在东亚副热带季风区，经向水汽输送占优势，而纬向水汽输送相对较弱。水汽净平衡很不好。因此，在风切变和气旋大范围强降水过程中，季风水汽输送的通道在冷锋和台风大范围强降水之间。在这两种个例中，来自南海和东南季风区的水汽很重要。东亚副热带季风不仅直接从南部边界输送水汽进入东北，它本身也产生很多水汽。失去的水汽占该区域向北输送水汽的三分之一到四分之一。总之，东亚副热带季风不仅把热带季风水汽输送到东北，而且也是东北风切变和气旋大范围强降水重要的水汽来源。
3.3 区域水汽平衡分析
表2和3分别展示了东北大范围强降水和局地强降水的水汽平衡。结论总结如下：
- 对于大范围强降水和局地强降水来说，降水主要由于主要发生在低空（1000-700hPa）的水汽辐合。占总水汽的75%-80%。大范围强降水的水汽辐合比局地强降水大得多（超过2.5倍）。由不同的天气系统造成的强降水按降水量排从大到小，分别为冷锋，气旋，台风和风切变强降水。因此，降水量越大，水汽辐合越强。
- 局地水汽蒸发对强降水的水汽供应很重要（见表2和3的最后一列）。对于大范围强降水，冷锋强降水和台风强降水的局地蒸发是总降水量的四分之一，而风切变和台风强降水的局地蒸发是总降水量的三分之一。因此，水汽在局地的循环过程很重要。对于局地强降水来说，局地蒸发是总降水量的三分之一到一半。比如，台风强降水的局地蒸发几乎等于水汽辐合，表明东北的局地强降水过程非常依赖于局地的水文过程。
- 水汽的局地变化比水汽辐合小很多（大约为水汽辐合的5%-15%）。但是在一些个例中，这个差别更大。
-
水汽垂直输送的特征如下。低层大气中的水汽向上输送，以致中高层的水汽
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