一次长江流域强降水过程上游青高水汽输送的“强信号”外文翻译资料

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一次长江流域强降水过程上游青高水汽输送的“强信号”

赵阳，徐祥德，陈斌，Yinjun Wang

1.南京信息工程大学，江苏 210044;2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081

（2016年5月4日收到;2016年7月10日修订;接受2016年7月12日）

摘要

本文用势函数、流函数分析了青藏高原在2000年7月11日至13日在长江流域中下游发生的强降水事件中输送水汽的“强信号”。研究的时间段为2000年7月7日至2000年7月15日（时间分辨率：6小时）。通过分析在强降水事件之前和期间的水汽通量，涡度和散度的三维结构，揭示了与该强降水事件相关的上游“强信号”。结果显示长江流域的强降水与青藏高原上的对流云之间存在强相关性。基于对强降水前两天和前一天以及当天的水汽通量的相关分析，来确定水汽输送的“辐合区”。研究发现，“辐合区”与长江流域上最大降雨量的区域相吻合。 这种特定的耦合结构在长江流域强降水事件中起关键作用。 耦合系统的上升运动与势函数在上/下层的水平辐散/辐合中心类似于强降水事件在长江流域上的时空演变。本研究中通过分析上游水汽输送的势/流函数的三维结构来追踪上游的“强信号”。关键词:势函数、流函数，强信号，长江流域，强降水事件

1.引言

青藏高原是世界上地形最复杂，且最高的高原，其平均海拔4000米以上，占到中国总面积的1/4和亚洲总面积的1/6。Tao（1980）指出，受季风系统影响，中国和其他一些东亚国家在夏季容易发生洪涝灾害。Tao（1987）也证明，青藏高原位于印度季风区北部和东亚季风区西部，在中国和东亚天气和气候的调节中，甚至在全球气候中起着关键作用。青藏高原的地形对区域和全球大气环流和水循环特别是亚洲季风的影响仍然是科学界内部争议的一个话题(Wu and Zhang,1998;Boos and Kuang,2010)。

长江流域的强降水与青藏高原上游的动力和热力效应之间的关系长期以来一直是气象学家们关注的焦点（例如Yanai等，1992;Wu和Zhang,1998;Xu 等，2008，2013;Chen 等，2013）。许多先前的研究表明，青藏高原对长江—淮河流域的下游天气和气候变化有重要的影响（Chen 等，1985;Yanai 等，1992;Chen 等，2012）。Chow等（2008）指出，中国初夏降水的水汽来源主要是印度季风通过中国西南地区输送。他们认为，弱的印度季风将给中国带来较少的降雨，而较强的印度季风将导致洪涝灾害。Xu等（2008）提出了高原地区大气环流和水汽循环的“world water tower”模型。 在1998年长江流域的强降水期间，青藏高原中部和东部上空可以观察频繁发展的对流云，这些对流云依次向东移动。根据青藏高原野外试验，发现青藏高原东部的中尺度对流云团向东移动（约30°N）。卫星资料分析表明导致1998年洪涝灾害的直接原因是低涡和低空切变线，并且这些低涡中的一些可以被追踪到青藏高原上空。

与长江流域降水有关的天气系统包括低涡、热带气旋和锋面气旋。这些系统是在多种尺度的共同作用下发展起来的。然而，华东强降水的原因，特别是水汽输送及其相应的循环结构，与青藏高原的低值系统有密切的关系。例如，Li（2012）证明了高原低涡和西北低涡可以在华东地区引起强降水。高原低涡的东移主要发生在7月，而5月为西北低涡。1998年、1999年和2003年长江流域严重的洪涝灾害主要是从高原向东移的低涡造成。毫无疑问，来自青藏高原的低涡对中国夏季降水的影响有重要的影响。然而，鉴于对长江流域的强降水与青藏高原的动力和热力影响之间关系的多种解释，以及如何与上游系统“强信号”和下游强降水相联系，我们希望这项研究的结果能揭示这个有争议的话题。

2.数据和方法

2.1.数据

利用NCEP全球再分析资料，分辨率为1°times;1°，从地表垂直延伸到10hPa的26个等压面（参见http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2/ data/）。我们还使用中国气象局国家气象中心提供的2400个测站的逐小时降水观测资料（2000年7月），降水资料在使用前进行质量控制，也采用了1961-2010年中国753个观测站的低层云量数据。

2.2 方法

2.2.1. 流函数和势函数分析

考虑到青藏高原地形对水汽输送的影响，使用势函数和流函数来表示大气流场是方便的。势函数和流函数的公式为：

u分量表风速的东西分量（x方向），而v分量表示南北分量（y方向）。zeta;和D分别表示水平涡度和散度，符号nabla;²是拉普拉斯算子。在这里，我们解决泊松方程（3），得到流函数phi;。 类似地，我们解决泊松方程（4），以获得势函数chi;。

2.2.2. 相关矢量分析

为了研究强降水的形成与发展与上游水汽通量之间的关系，采用相关矢量分析法。相关向量定义为：

(5)

其中R是降雨量与总水汽通量之间的相关向量; 和分别是相关矢量的区域和水平分量。等式（5）也可以用势函数或流函数导出。

3.长江流域夏季降水与低云之间的相关性

在长江流域和低云分布上，Hu和Ding（2003）研究了了江淮流域强降水期间水汽的流入和流出结构。研究显示流入和流出都发生在较低层。具体来说，流入是在降雨区域的南部和西部，而流出是在东部和北部。Xu等（2002年，2012年）认为青藏高原在水汽输送中扮演着两个角色。首先，高原作为一个热源，相当于一个“空气泵”，使得低纬度的暖湿空气向上输送。第二，由于高原地形的影响，它阻挡大量的水汽输送到东部。因此，在这个意义上，青藏高原起到水汽“再生通道站”的作用。Xu和Chen（2006）也认为对流云从青藏高原向东移动，并指出这些低层云的运动是造成长江流域强降水的对流系统的前兆。在第二次青藏高原大气科学实验（TIPEX）期间，利用TBB黑体亮温卫星资料和水汽云图的分析结果表明，对流系统的形成和发展可以解释7月下旬武汉的强降水事件。

图1显示了1961 - 2010年7月夏季降水与长江流域同期低层云量的相关系数分布。值得注意的是，显著性正相关的区域（置信水平为95％或相关系数Rgt; 0.28）代表从青藏高原到长江流域。这些结果反映了该区域内局部或向东移动的对流云活动与强降水的带状结构特征之间有着密切关系。结果还进一步验证了在第二次青藏高原大气科学实验中得出的结论，即造成长江流域强降水的云来自于青藏高原。

图1 1961-2010年7月平均降雨量（单位：mm）与低层云量之间的相关性。阴影表示地形（单位：m）。 红色和蓝色实心圆圈表示超过90％置信水平的测站（Rgt; 0.23或R lt;-0.23）。

4. 2000年7月11日至15日，长江流域强降水事件

在中国所有的强降水区中，有两个主要区域经常发生极端降水事件。 一个是长江中下游，另一个是华北（Zou 等，1987; Wang 等，1991）。考虑青藏高原对流系统对下游强降水动力和热力作用，我们选择了2000年7月11日至15日在江淮流域发生的一次强降水事件作为研究目标。2000年7月7日至2000年7月15日累积降水量如图2所示。

图2 5天的累积降水量（单位：mm）（7月11日2000年7月至7月15日），蓝色实线代表本研究中选择的关键降水区（29°-35°N，104°-122°E）。

2000年7月11日至15日期间日降雨量的分布呈现明显的带状分布，我们选择这个典型的降水事件。降水从青藏高原向东移动，最终到达长江流域的中下游; 并形成了明显的降雨带（图略）。图2还显示了这种典型的强降水情况的特征是有两个最大降雨中心。 一个位于四川，甘肃，重庆和山西的交界处，另一个位于湖北，河南，江苏和安徽交界处。两个最大中心累积的降水量超过50毫米。与图1相比，我们可以看到，图2中的这种情况的累积降水分布类似于长江流域的强降水和上游低云之间的相关模式，这进一步强调了移动的云系在长江流域降水事件中的重要作用。

在这期间，长江流域大部分地区降雨量呈上升趋势（图3），7月13日达到高峰期。图3还描绘了这一时期降水变化的特征，特别是后期连续的强降水。但是，向东移动的系统和水汽输送相关的降水又如何？ 在下面的章节中，我们继续研究与长江流域的强降水相关的水汽输送的动态结构和特性。

图3 2000年7月5日至2000年7月15日（6小时间隔）的关键降水区（29°-35°N，104°-122°E）的平均降水量（单位：mm），红色箭头表示强降水过程，如图2所示。

5.青藏高原下游的强降水和相关水汽输送的结构

与印度季风和南海（SCS）季风有联系的主要气流在夏季创造了主要的水汽输送通道（Zhou 等，2005）。Liu和Ding（2009）认为，来自印度洋和太平洋的季风气流对中国夏季降水有重要的影响华东地区降水的水汽主要来自南海，其次是孟加拉湾（BOB）和西太平洋（Jin，1981; Shen and Huang，1981; Chen，1982）。Xu和Chen（2006）进一步表明，青藏高原周围的“大三角”区域是给长江中下游降水输送水汽的关键区域，青藏高原的南部和东部的水汽通道在长江流域的降水中起着关键作用。通过分析1998年长江流域的强降水事件，Jian和Luo（2001）认为经向季风气流强度的变化有沿着青藏高原向上运动的空气的昼夜周期。上升运动在夜间更强，这表明季风经向气流更强，并且运输更多的水汽。

知道了长江流域的降水与低层对流活动之间存在高度相关性，我们进一步使用相关矢量分析来检验水汽输送的结构。为了分析在该事件之前和之后的水汽输送的演变，从2000年7月5日7月7日至7月15日（时间分辨率为6小时）计算滞后相关性。图4a给出了长江流域关键地区的降雨量和降雨前两天的总水汽通量。它清楚地显示了来自南海和孟加拉湾的两个水汽通道的汇合。水汽输送来自孟加拉湾，在通过青藏高原的东南角后转向长江流域，这与当天的最大降雨量大致一致。图4b显示了降雨前一天的滞后相关向量。与图4a相比，我们可以看到大雨带向东移动，雨带东缘甚至延伸到长江中下游。同时相关矢量表明，当时最大降水中心位于长江中下游地区;水汽从孟加拉湾向北运输，沿青藏高原的东北边缘转向长江中下游，水汽从南海输送至长江流域。滞后和同时相关分析清楚地表明水汽输送的汇合区，这与最大降雨量的向东迁移一致。

图4 （a）两天滞后，（b）一天滞后和（c）总水汽通量（单位：gm^-1s^-1）和关键区域降雨量之间的同时相关，表示为相关矢量 （箭头）。 陆地上的彩色阴影区代表在2000年（a）7月11日，（b）7月12日和（c）2000年7月13日测量的相应日降雨量（单位：mm）。蓝色实线表示gt; 99 ％，红色圆圈表示降水面积。

1. 强降水东移过程中势函数“低层辐合-高层辐散”耦合结构

从涡流运输的角度来看，Gao和Zhai（1993）证明水汽的涡流传输方向与水汽含量的梯度方向相同。Guan等（2011）提出，长江中下游的极端降水与异常局部循环系统有关，当极端降雨发生时，长江中下游对流层中下层通常有气旋性环流，南部有反气旋环流。我们计算了两天和一天的滞后相关性作为主要区域降水与水汽通量的速度势能之间的同时相关，得到相应的水汽通量结构（图5）。两天的滞后相关图（图5a）清楚地显示了500 hPa的中部和东部青藏高原（A区）水汽辐合区面积，其与从青藏高原中东部和东部开始的东西方向的雨带重合，并延伸到长江地区。图5b显示，对于一天滞后的相关性，在图5a中水汽辐合区移至长江中下游（B区），与湖北省的强降水同时发生。图5c显示了同时相关性，从中可以看出，水汽通量辐合区域已经移动到长江中下游，强降水区域覆盖了长江中下游全区，一直到安徽，河南和江苏以南。通过分析在强降水期间和之前的水汽传输的结构（图5a-c），我们发现还有一个对应强降水向东移动的水汽辐合区。

图5 同图4，但是是500 hPa的降雨量（单位：mm）与水汽通量的势函数（单位：g cm -1 s -1 hPa -1）之间的相关性，蓝色实线表示置信水平gt; 90％，红色圆圈表示降水区。

文中还比较了降水前后两天降雨量与200 hPa和500 hPa水汽通量的势函数之间的相关性，来进一步检验它们之间的关系（图6）。一天和两天的滞后相关性的差异清楚地显示了青藏高原中部和东部地区，200hPa上水汽通量势函数辐散中心（图6a），和500 hPa辐合中心（图6b）。这种“低层辐合和高层辐散”耦合系统向东移动并到达长江中下游，这很容易从一天滞后和同时相关的差异中识别（图6c和图6d）。

图6 长江流域主要降雨区的降水量（单位：mm）与2000年7月5日—7月15日的水汽通量（单位：g/(cm s hPa))之间相关性的差

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