基于拉格朗日方法的中國東部雨季水汽輸送垂直特征

施逸 江志紅 李肇新

1 南京市氣象局，南京210019

2 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室，南京210044

3 法國巴黎索邦大學氣象動力學實驗室，法國巴黎

1 引言

我國東部地區位于東亞季風區，季風區水汽的源匯、輸送路徑及其變化直接影響著中國東部雨季的爆發、雨帶的進退及旱澇變化，相關研究一直受到氣象學家的高度關注。早在20 世紀80 年代，就有大量研究指出中國東部夏季降水的水汽來源主要有孟加拉灣、南海和西太平洋三條水汽通道（Tao and Chen, 1987; 陳隆勛等, 1991）。He et al.（2007）系統分析了中國東部季風區在東亞季風推進過程中水汽輸送的變化特征，并指出3～5 月的水汽輸送最主要的影響區域分別為中南半島、斯里蘭卡地區以及南海區域。謝坤和任雪娟（2008）指出華北地區夏季降水的水汽主要來自孟加拉灣、南海、西太平洋以及中高緯西風帶的輸送。沈如桂和黃更生（1981）認為長江中下游降水的水汽大部分來自于南海和太平洋，少部分來自孟加拉灣，蔣興文和李躍清（2009）卻認為長江流域夏季降水的水汽主要來自南半球、南印度洋、東非沿岸和阿拉伯海，還特別指出南海并不是水汽源地，而是水汽輸入中國大陸的一個重要通道。而在華南雨季，陳世訓等（1982）研究發現華南前汛期的水汽主要來自南海，而林愛蘭等（2014）發現華南前汛期水汽輸送來源主要有孟加拉灣的西南支輸送、熱帶西太平洋的東南支輸送和青藏高原西南側的西支輸送，常越等（2006）則指出4 月之前、4～6 月和6 月之后的水汽輸送特征存在明顯差異，此外西太平洋的水汽輸送變化和來自中國北方的水汽輸送變化對華南降水異常有重要作用。

需要注意的是以上研究基于傳統歐拉方法，通過計算水汽通量以及大尺度環流，確定水汽輸送特征，但該方法無法給出遠距離的水汽貢獻特征，且不能定量確定各源地的水汽貢獻特征。鑒于拉格朗日方法能夠提供水汽輸送軌跡及沿水汽軌跡的變化細節，近年來拉格朗日方法在全球及區域水循環研究中得到高度重視（Stohl and James, 2004, 2005;Dominguez et al., 2006; Dirmeyer et al., 2009）。該方法通過大氣中氣塊三維位置進行后向追蹤，確定每個時次氣塊的三維位置以及溫壓風濕等物理量，可以確定水汽輸送過程中軌跡與源地水汽貢獻。目前該方法在全球尺度上（Gimeno et al., 2010），以及各個子區域（美國地區：Brubaker et al., 2001;Diem and Brown, 2006；歐 洲 地 區：Bertò et al.,2004; Perry et al., 2007; Sodemann and Stohl, 2009;Bottyán et al., 2014；拉 丁 美 洲：Drumond et al.,2014；非洲：Salih et al., 2015）得到廣泛運用。

在國內，蘇繼峰等（2010）、江志紅等（2011）、孫妍等（2011）、孫建華等（2013）、吳凡等（2014）等先后使用拉格朗日方法，對降水個例進行水汽源地的分析，確定了多次降水過程的水汽源地。而在氣 候 態 特 征 上，Drumond et al.（2011）研 究 了2000～2004 年中國各區域降水的水汽來源，確定了中國不同地區主要水汽源地。Li et al.（2016）使用拉格朗日軌跡追蹤的方法，對東亞季風區進行水汽軌跡追蹤，結果表明，冬季降水水汽主要來自于熱帶洋面上；夏季降水水汽的主要源地是西南季風區，西南季風向東亞季風區提供了超過40%的水分。而Sun and Wang（2014, 2015）研究了中國東部以及半干旱區降水水汽來源，定量的分析了主要源地水汽貢獻特征。近期，Shi et al.（2020）基于拉格朗日方法、蒸發降水診斷法和區域源匯歸屬法等多種方法，對季風推進過程中的水汽輸送特征進行了深入系統的研究，發現季風推進過程中中國東部各雨季最主要的水汽源地為中國東部局地，局地的水汽循環對季風降水起到了至關重要的作用，特別是華北雨季有超過一半的水汽來源于局地蒸發；此外太平洋源地和南海、印度洋源地分別是南海夏季風爆發前、后的華南前汛期重要的水汽源地。但是以上研究中缺乏水汽輸送垂直結構及其不同高度上源地特征的分析，而不同垂直層次的水汽輸送與源地特征同樣會對季風降水有著顯著的影響。

以往有關水汽垂直輸的送垂直結構研究多基于不同層次環流結構以及水汽通量的垂直剖面圖，確定各層次水汽輸送對雨季降水的影響。黃榮輝等（1998, 2008）詳細分析了東亞季風與亞澳季風的差異，并指出正是由于東亞季風系統風場的垂直結構不同于南亞和北澳季風系統，造成了東亞夏季風降水云系不同于南亞和北澳季風系統。邱金晶和孫照渤（2013）指出正是由于索馬里急流垂直結構的年代際變化差異，對中國東部華北與華南降水產生重要影響。但是這些研究均主要使用歐拉方法，僅能確定目標區域不同垂直層次的水汽收支，無法將降水與源地聯系，確定各垂直層的源地水汽貢獻特征。結合我們之前的研究，拉格朗日方法提供了很好的認識水汽輸送垂直結構的工具，能較好地解決歐拉方法存在的問題。

因此本文通過對不同高度上的氣塊進行后向追蹤，得到不同層次上氣塊后向追蹤的三維位置，通過計算平均軌跡、區域源匯歸屬法等方法，系統分析不同高度層上的水汽輸送特征，全面了解水汽輸送三維結構特征，以幫助我們對雨帶推進過程中不同雨季的水汽特征有全面認識，深化理解各雨季降水特征的變化與差異。

2 數據和方法

本文使用的資料為1961～2010 年NCEP/NACR再分析資料，資料共17 個垂直層次，空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為6 小時。

研究時段選取國家氣候中心每年發布的《國家氣候公報》以及中央氣象臺發布雨季監測信息（ http://cmdp.ncc-cma.net/cn/monitoring.htm#[2021-10-27]）中華南前汛期、江淮梅雨以及華北雨季三個主要雨季發生時間，并確定了各雨季主要區域作為本文研究區域（圖1，華南：20°～26°N，106°～120°E；江淮：28°～34°N，110°～123°E；華北：35°～43°N，110°～120°E）。此外依據Wang et al.（2004）提出的南海夏季風爆發判據，確定每年南海夏季風爆發時間，將華南前汛期分為南海夏季風爆發前的華南前汛期和南海夏季風爆發后的華南前汛期兩個階段。最終將中國東部季風雨季分為四個階段：南海夏季風爆發前的華南前汛期、南海夏季風爆發后的華南前汛期、江淮梅雨以及華北雨季。每年詳細研究時間參考Shi et al.（2020）。

本文使用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）空氣資源實驗室開發的HYSPLITv4.9 軌跡模式（ Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory，NOAA ARL, 2011）。軌跡追蹤初始位置選擇華南、江淮以及華北三個主要研究區域內站點（圖1）。軌跡追蹤起始高度選取海平面上100 m、500 m、1500 m、3000 m、5000 m 和9000 m 共6個層次作為模擬的初始高度，分別代表近地面層925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa 和300 hPa，并進一步將氣塊初始位置以高度分為三個部分，1500 m 以下為對流層低層（低層），1500～5000 m為對流層中低層（中層），超過5000 m 為對流層中高層（高層）。軌跡追蹤初始時間選取每年各雨季起止時間，每日四次（00 時、06 時、12 時、18 時）。分別對氣塊進行后向追蹤10 天，每隔6小時輸出氣塊的三維位置以及溫度、壓強、風、濕度等物理特征，以得到每個氣塊的輸送軌跡，對各雨季不同區域內的軌跡進行平均，從而定量確定不同層次的主要水汽輸送通道（江志紅等, 2011; Shi et al., 2020）。

圖1 中國東部雨季水汽源地分布的區域劃分（中國東部、南海、印度洋、西太平洋和歐亞大陸）以及華南（20°～26°N，106°～120°E）、江淮（28°～34°N，110°～123°E）與華北（35°～43°N，110°～120°E）的站點分布。華南地區70 個站點，江淮流域99 個站點，華北地區78 個站點Fig.1 The division of the geographical sectors (East China, South China Sea, Indian Ocean, West Pacific Ocean, and Eurasia) was used to explain the trajectories and moisture contributions. The locations of the three rectangular target domains in South China region (20°–26°N, 106°–120°E),Yangtze–Huaihe River basin region (28°–34°N, 110°–123°E), and North China region (35°–43°N, 110°–120°E) from the south to north direction. The dots indicate the locations of the following observational stations in these three regions: 70 stations in the South China region, 99 stations in the Yangtze–Huaihe River basin region, and 78 stations in the North China region

在此基礎上，我們引入改進的區域源匯歸屬法定量確定了不同層次各源地的相對貢獻CDF。該方法主要考慮對于每一條軌跡，氣塊從源地輸送到目標區域形成降水時，其比濕會隨著軌跡移動而變化。當氣塊比濕增加時，吸收的水汽其源地為當前粒子所在位置，并且吸收的水汽與大氣中原有水汽完全混合；當比濕減少時，大氣中來自各源地的水汽按相同比例損失。最終氣塊到達目標區域形成降水。通過計算大氣中比濕的變化，可以定量確定該軌跡上每個源地對目標區域降水的貢獻以及在目標區域釋放的水汽總量。對每一條軌跡進行累加，因此我們引入公式：

其中，n表示區域i內的軌跡數量；Rj(i)表示軌跡j在源地i吸收的水汽到目標區域釋放水汽量；Rtot表示所有軌跡在目標區總水汽釋放量，可以近似代表目標區域的降水量。通過該方法，我們可以全面了解水汽貢獻的垂直結構特征。具體研究方案以及方 法 介 紹 詳 見Shi et al.（2020）、Sun and Wang（2014, 2015）。

3 各雨季中水汽輸送的三維特征及其對比

3.1 季風爆發前的華南前汛期

圖2a–c 給出了南海夏季季風爆發前的華南前汛期低、中、高層主要的水汽通道。在低層（圖2a），最主要的水汽通道為太平洋通道，其軌跡數量達到了低層總軌跡數量的52.3%，低層有超過一半的軌跡來自西太平洋地區，因此低層最主要的通道為太平洋通道。圖2a–c 中軌跡的顏色表示其比濕變化，也可以看到軌跡的平均比濕從源地的10 g/kg 增加至目標區域（華南）附近的15 g/kg，表明低層中大量軌跡攜帶水汽從西太平洋地區進入華南，對華南降水產生重要影響。低層其余通道相對較弱，中緯西風通道和局地通道的軌跡占比分別為22.2%和13.5%，而印度洋通道和南海通道軌跡占比僅為3.1%和5.2%，通道強度很弱。到了對流層中低層（圖2b），印度洋通道明顯加強，軌跡數量達到中層總軌跡數量的37.6%，成為對流層中低層最重要的水汽通道；與之相反，太平洋通道強度迅速減弱，其軌跡占比由低層的52.3%迅速減少至中層的29%。對流層高層（圖2c）的最主要通道與中層一致，為印度洋通道，其軌跡占比為該層的38.4%。但是必須要指出，高層水汽含量低，印度洋通道的平均比濕僅為5 g/kg，中緯度西風通道的平均比濕更是小于3 g/kg，因此對降水影響相對不大。

圖2 季風爆發前的華南前汛期低層（左，1500 m 以下）、中層（中，1500～5000 m）、高層（右，5000 m 及以上）的（a–c）主要水汽通道的軌跡特征，（d–f）水汽源地的貢獻率（CDF，單位：10?5）分布，（g–i）水汽通量（矢量）和水汽通量值（陰影）空間分布（單位：kg m?1 s?1）。圖a–c 中，POC、SCSC、IOC、EAC、ECC 表示西太平洋水汽通道、南海水汽通道、印度洋水汽通道、歐亞大陸西風帶水汽通道、中國東部水汽通道，軌跡的顏色表示比濕（單位：g/kg），軌跡的粗細表示軌跡數量，通道右側第一個數字為通道的軌跡數量在雨季內所有軌跡的占比，第二個數字表示通道軌跡數量在該層軌跡中的占比。圖d–i 中的矩形框為華南前汛期研究區域Fig.2 (a–c) Trajectories characteristics of moisture transport channels, (d–f) water vapor contribution density function (CDF, units: 10?5), (g–i) the climatology of vertically integrated atmospheric water vapor transport (vectors, units: kg m?1 s?1) and the amount of the water vapor transport(shadings, units: kg m?1 s?1) at (a) the lower (left, under 1500 m), (b) middle (middle, 1500–5000 m), and (c) upper levels (right, higher than 5000 m)during pre-flood season in the pre-monsoon in South China (SC). In Figs. a–c, POC, SCSC, IOC, EAC, ECC represent moisture transport channels were identified from the West Pacific Ocean, the South China Sea, the Indian Ocean, the Eurasian westerly region, and eastern China, respectively.Colors on the pathways indicate the average specific humidity (units: g/kg) of air parcels along the trajectories. The thickness of the pathways represents the percentage of the trajectories, which have also been marked with numbers, the first number represents the proportion for the trajectories in the rainy season and the second number represents the proportion for the trajectories in the level. In Figs. d–i, the rectangles represent the target region in SC

總體上在南海夏季風爆發前的華南前汛期，低層最主要的水汽通道為太平洋通道，有一半以上的軌跡來自該通道。而中高層最主要的水汽通道為印度洋通道。此外由于氣塊比濕隨著高度增加而減少，因此相比高層軌跡，低層軌跡對降水的影響相對更為顯著。

在之前的研究（Shi et al., 2020）基礎上，本文進一步使用區域源匯歸屬法定量給出了不同層次的水汽貢獻分布結果。并且為了與水汽通道的結果進行對比，我們將中國東部降水的主要源地分為中國東部局地源地、西太平洋源地、南海源地、印度洋源地以及歐亞大陸源地五個源地（圖1），分別代表五條主要的水汽通道，計算得到了五個源地各自的水汽貢獻率。圖2d–f 給出了南海季風爆發前的華南前汛期低中高三個垂直層上的各源地水汽貢獻率，并且圖2d–f 右上角分別給出了低層、中層和高層各層總貢獻率。可以看到，在該雨季，對流層低層（1500 m 以下）的水汽貢獻率較大，其總貢獻率達到了57.8%，主要水汽源地位于華南地區局地和東側太平洋地區。進一步計算發現，中國東部局地和西太平洋源地是該雨季低層最主要的水汽源地，其貢獻率分別達到了23.1%和24.2%，為雨季降水提供了接近一半的水汽；而其余源地的水汽貢獻則較小，南海源地水汽貢獻率為9.9%，而印度洋源地和歐亞大陸源地的水汽貢獻率不足0.5%。

對流層中層，由于大氣平均比濕有所降低，各源地水汽大多明顯減少，因此來自對流層中層的水汽總量減少，可以看到來自中層的水汽占總水汽的35.8%。各子源地貢獻中，南海源地和中國東部局地的水汽貢獻率分別為10.8%和9.8%，仍為最主要的水汽源地，印度洋源地的水汽貢獻明顯提高，其水汽貢獻率達到了6.3%。而到了對流層高層，由于氣塊比濕很小，其水汽貢獻也很小。對流層高層各源地水汽總貢獻僅為6.4%，其中貢獻率最大的印度洋源地的水汽貢獻率也僅為2.6%?？傮w上，對流層高層的水汽對降水的影響相對較小。

為了進一步得到水汽輸送的全面特征，圖2g–i進一步給出了基于歐拉方法的各層水汽輸送特征?？梢钥吹皆诩撅L爆發前的華南前汛期（圖2g），低層太平洋地區水汽通量較大，且水汽直接輸送至華南地區對華南前汛期降水產生影響；此時，印度洋通道較弱。前文也指出該雨季低層最主要的水汽通道和源地均為西太平洋源地，因此無論從拉格朗日方法還是歐拉方法均可以明確該雨季最主要的水汽通道，而拉格朗日方法能進一步定量化這種通道的強弱與水汽貢獻大小。在中層（圖2h），印度洋水汽通道有所增強，中緯西風帶通過繞青藏高原南支氣流將印度洋水汽輸送至華南，對降水產生影響。到了高層，青藏高原阻擋作用較弱，因此主要受到西風影響，但是由于500 hPa 以上比濕較低，因此其水汽通量也很弱，對降水影響也相對較小。而拉格朗日方法中也可以看到季風爆發前的華南前汛期高層的水汽貢獻較低，兩者結果也是一致的。

綜上所述，南海夏季風爆發前的華南前汛期，低層最重要的水汽通道為太平洋通道，而在中層和高層則主要為印度洋通道；但其降水的水汽主要來源于低層，而無論中層還是低層，其最主要的水汽源地均為西太平洋源地和中國東部局地。

3.2 季風爆發后的華南前汛期

南海夏季風爆發后，華南前汛期水汽輸送發生明顯變化。其最主要特征為該雨季印度洋水汽通道迅速增強，在低、中、高三層均為最主要水汽通道（圖3）。圖3a 給出了南海夏季風爆發后的華南前汛期低層的水汽通道，我們發現低層最主要的水汽通道為印度洋通道和太平洋通道，通道軌跡占比分別為35.9%和33.5%，印度洋通道軌跡數量稍多。對比南海夏季風爆發前的華南前汛期，太平洋通道軌跡數量明顯減少而印度洋通道軌跡占比則增加了3 倍，此時，印度洋通道的平均比濕也達到了17 g/kg，為該雨季降水提供了大量的水汽。此外，相比南海季風爆發前的華南前汛期，低層印度洋通道的位置也有一定的變化，軌跡有所向南。其余三條主要水汽通道中，南海通道軌跡數量明顯增加，軌跡占比由5.2%增加至14.9%，而局地通道和中緯西風通道的軌跡占比則有所減少。

對流層中層（圖3b），印度洋通道明顯增強，其軌跡數量達到該層的軌跡數量的65.6%，表明對流層中層有接近2/3 的軌跡通過印度洋通道到達華南地區。其余通道的強度相對較弱，其中太平洋通道的軌跡相對占比為16.0%，其余通道軌跡相對占比均未達到7%。我們同時注意到，相對于對流層低層，對流層中層通道軌跡位置也存在明顯的變化，與低層相比，印度洋通道整體向西移動了大約10個經度。在高層（圖3c），印度洋通道仍為最強通道，軌跡占比達到61.9%，其余通道的軌跡占比均不足15%。此外，與季風爆發前的華南前汛期一樣，高層通道比濕較低，含水量也較低，因此對季風爆發后的華南前汛期降水的影響相對較小。

圖3 同圖2，但為季風爆發后的華南前汛期結果Fig.3 As in Fig.2, but for the pre-flood season after the onset of the monsoon in South China

總體上，對比季風爆發前的華南前汛期，南海夏季風爆發后，太平洋通道強度明顯減弱，而印度洋通道強度則顯著增強，特別是對流層中高層，印度洋通道的軌跡數量均超過60%，對該雨季降水產生重大影響。

圖3d、e 給出了南海夏季風爆發后的華南前汛期三個垂直層次的水汽貢獻空間分布，相對于季風爆發前，各源地的水汽貢獻率也發生了顯著的變化。在低層，各源地水汽貢獻率總和為49.9%，雖然仍有一半的水汽來源于低層，但是相比季風爆發前的華南前汛期，低層水汽總貢獻有所減少。而各個子源地中，西太平洋源地的水汽貢獻明顯減少，其水汽貢獻率由季風爆發前的24.2%減小到季風爆發后的10.9%；與之相反，印度洋源地和南海源地的水汽貢獻率則明顯增加，其中低層南海源地水汽貢獻率達到了15.3%，成為該雨季低層最主要的水汽源地之一，印度洋源地的水汽貢獻率為6.9%；該雨季低層最主要的水汽源地為中國東部局地，其貢獻率為16.8%。

隨著高度的升高，西太平洋源地和南海源地的水汽貢獻率明顯減弱，而印度洋源地的貢獻率則明顯增強。在中層，印度洋源地的水汽貢獻率增加至12.7%，為中層最主要的水汽源地，南海源地和中國東部局地源地的水汽貢獻次之，分別為8.1%和7.7%。對流層高層，水汽總貢獻率相對中層和低層有所降低，但是相比季風爆發前的華南前汛期，來自高層的水汽明顯增加，其水汽貢獻率達到了17.2%，其中印度洋源地的貢獻為8.8%，表明高層有超過一半的水汽來自印度洋源地?？傮w上，南海夏季風爆發后的華南前汛期，低層最主要的水汽源地為中國東部和南海地區，而在中高層，最主要的水汽源地為印度洋源地。

從水汽通量的角度，季風爆發后，印度洋地區的水汽通量迅速增強，而西太平洋水汽通量則有所減弱。在低層（圖3g）印度洋水汽通過中南半島，進入南海地區，與西太平洋地區輸送的水汽共同影響華南地區的降水。而到了中層（圖3h），受印度洋季風和中緯度西風繞青藏高原南支氣流的共同影響，印度洋水汽通量非常強，直接由印度洋經中南半島，影響華南地區，并進一步向東北輸送，經日本以南地區進入太平洋。而在前文軌跡占比結果可以看到印度洋通道的軌跡數量在中層占比達到了60%以上。到了高層（圖3i），相比季風爆發前，西風帶水汽通量大值區有所北移，但西風帶軌跡數量仍然很小，對華南地區降水影響也很弱。

綜上所述，從低層到高層，印度洋通道均為季風爆發后的華南前汛期最重要的水汽輸送通道，其中中層和高層印度洋通道軌跡占比超過60%。低層最主要的水汽源地為中國東部地區和南海地區，中高層水汽則主要源自印度洋地區。

3.3 江淮梅雨

隨著雨帶推進至江淮地區，各層水汽輸送路徑明顯北移。在低層（圖4a），太平洋通道重新成為最重要的水汽通道，軌跡占比接近40%，印度洋通道軌跡占比則下降至25.9%，此時南海通道的軌跡數量明顯增加，軌跡總占比達到了19.8%。在中層（圖4b），印度洋通道重新成為最強水汽通道，軌跡占比達到了49.6%，此時，歐亞大陸西風通道為次強水汽通道，軌跡數量占該層軌跡的17.8%。對比季風爆發后的華南前汛期，太平洋通道、南海通道和局地通道強度變化不大，而印度洋通道則有所減弱，中緯西風通道有所加強。這主要是由于雨帶北移造成水汽輸送通道整體北移造成的。到了高層（圖4c），印度洋通道仍為最主要的通道，軌跡占比超過50%，中緯度西風通道次之，軌跡占比為18.3%。

圖4 同圖2，但為江淮梅雨階段的結果。圖d–i 中的矩形框為江淮梅雨研究區域Fig.4 As in Fig. 2, but for Meiyu period in the Yangtze–Huaihe River basin. In Figs. d–i, the rectangles represent the target region in Yangtze–Huaihe River basin

從水汽源地角度（圖4d–f），由于雨帶和主要水汽通道的北移，印度洋源地和南海源地的水汽貢獻率均有所減少，而中國東部局地水汽貢獻率則明顯增加。在對流層低層，局地貢獻率達到了28.7%，為低層最重要水汽源地；其余源地中，太平洋、南海源地的貢獻分別為18.6%和9.7%。在對流層中層，局地仍為最主要的水汽源地，其貢獻率為10.5%，印度洋源地次之，貢獻率為7.3%。到了高層，局地和印度洋源地貢獻率相對較大，其水汽貢獻率分別為5.2%和4.4%?？傮w上，該雨季中從低層到高層，中國東部局地均為該雨季最主要的水汽源地，局地蒸發為江淮梅雨提供了大量的水汽；其他源地中，僅有低層西太平洋源地的貢獻率達到了18.6%，其余各層次子源地貢獻率均不足10%。

在低層（圖4g），雖然印度洋地區水汽通量仍然很強，但是值得注意的是由于受地形和海陸差異的影響，印度洋地區呈明顯偏南風，因此大量阿拉伯海水汽進入印度半島，大量孟加拉灣水汽進入中南半島，江淮地區水汽主要來自南海地區；南海地區水汽與西太平洋地區水汽在南海北部至華南地區匯合，向北輸送至江淮地區形成降水。中層（圖4h）的水汽通量與季風爆發后的華南前汛期相似，印度洋季風與青藏高原南支氣流共同導致印度洋通道較強，影響華南和江淮地區的降水，并進一步向東北輸送至太平洋。到了高層（圖4i），由于雨帶的北移，江淮梅雨區位于水汽通量大值區，西風通道對雨季降水影響有所加強。

綜上所述，太平洋通道是江淮梅雨時期低層最主要的水汽通道，而中層和高層最強水汽通道為印度洋通道；從水汽源地角度指出，該雨季最主要的水汽源地為低層與中層的中國東部局地以及低層的西太平洋地區。

3.4 華北雨季

華北雨季中，降水集中在華北地區，此時水汽通道進一步向北移動。在對流層低層（圖5a），太平洋通道進一步加強，軌跡占比達到了該層軌跡數量的45%，有接近一半的軌跡通過太平洋通道進入華北，同時中緯西風通道迅速增強，成為次重要通道，西風通道、南海通道和中國東部局地的軌跡占比分別為16.2%，14.7%和14.8%，印度洋通道迅速減弱，軌跡占比僅為7.3%。對流層中層（圖5b），中緯西風通道迅速增強，成為該雨季最強水汽通道，其軌跡占比達到38.6%，而印度洋通道的軌跡占比僅為19.7%；此外，中層太平洋通道的軌跡占比相比前幾個雨季則略有加強，其軌跡占比達到18.6%。而在對流層高層（圖5c），中緯度西風通道軌跡占比進一步提高至39.3%，為高層最強水汽通道。印度洋的軌跡占比也提高至22.1%，我們之前的研究（Shi et al., 2020）也指出在華北雨季，太平洋通道和中緯西風通道為最主要的水汽通道，但中緯西風通道相對比濕較低，因此對華北地區降水影響相對較弱，與本文的結論也是一致的。

圖5 同圖2，但為華北雨季的結果。圖d–i 中的方形框為華北雨季研究區域Fig.5 As in Fig.2, but for the rainy season in North China. In Figs. d–i, the squares represent the target region in North China

同樣，我們給出了華北雨季各層水汽源地空間分布的結果（圖5d–f）?？梢钥吹?，低層各源地的水汽貢獻之和達到了71.8%，表明有接近3/4 的水汽來源于對流層低層，同時，來自高層的水汽僅為5.1%，是四個雨季中高層水汽貢獻最少的。這表明華北雨季中水汽較難輸送至較高層次，雨季水汽主要來源于低層局地蒸發與水汽循環。而從各子源地的水汽貢獻結果中，可以看到在華北雨季中，中國東部局地低層的水汽貢獻達到了43.1%，中層的水汽貢獻為12.0%，而太平洋低層的貢獻為21.6%，上述三個主要源地的貢獻之和超過了75%，其余層次各源地的貢獻率均未超過5%。因此，華北雨季最重要的水汽源地為中低層的中國東部局地、低層西太平洋源地，其中低層中國東部局地是最為關鍵的水汽源地，該源地為華北雨季降水貢獻了超過40%的水汽。

而水汽通量的結果表明該雨季低層主要受到太平洋地區水汽輸送的影響；此時印度洋季風水汽主要對印度半島和中南半島降水產生影響，對華北降水影響相對較弱。在中層（圖5h）由于目標區域的北移，華北雨季除了太平洋和南海外，還受到中緯西風帶的重要影響。到了高層，華北地區完全位于水汽通量相對大值區內，西風通道影響最強，但是其比濕仍然很小。

綜上所述，由于雨帶的整體北移，水汽通道也整體北移，華北雨季中，低層最主要的水汽通道為太平洋通道，中高層為中緯西風通道；從水汽貢獻角度，該雨季中最主要的水汽源地為低層中國東部局地，其貢獻率超過40%。

綜合四個雨季水汽輸送通道與不同源地貢獻率特征的結果，表1 給出了四個雨季，低、中、高三層最重要的水汽通道以及水汽源地。在南海季風爆發前的華南前汛期，關鍵的水汽通道為低層至中層的太平洋通道以及中層至高層的印度洋通道，其中最強水汽通道為低層的太平洋通道。而在各層次的水汽來源看，低層的西太平洋源地和中國東部局地的水汽貢獻均在20%以上，為該雨季最主要的水汽源地。

表1 中國東部四個雨季各層關鍵的水汽通道以及關鍵水汽源地。POS、SCSS、IOS、EAS、ECS 表示西太平洋水汽源地、南海水汽源地、印度洋水汽源地、歐亞大陸西風帶水汽源地、中國東部水汽源地Table1 The main moisture transport channels and main moisture sources during four period of rainy season in East China.POS, SCSS, IOS, EAS, ECS represent moisture sources were identified from the West Pacific Ocean, the South China Sea, the Indian Ocean, the Eurasian westerly region, and eastern China, respectively

南海夏季風爆發后，印度洋源地水汽貢獻以及印度洋通道軌跡數量均明顯加強，特別是對流層中高層。而從水汽源地的特征上，則可以看到低層最主要的水汽源地為中國東部局地和南海地區；從中層起，印度洋源地的貢獻明顯較大，為該雨季貢獻了大量的水汽。

而在江淮梅雨時，低層最主要的通道為西太平洋源地，中高層最主要通道為印度洋通道而水汽源地的貢獻特征中，中國東部局地開始成為最主要的水汽源地，特別是低層，局地水汽貢獻率達到了28.7%。

到了華北雨季，低層最強水汽通道為太平洋通道，中高層最強水汽通道則從印度洋通道變為中緯西風通道。而在水汽來源上，低層中國東部局地的貢獻率達到43.1%，華北雨季中有接近一半的水汽來源于中國東部低層的局地蒸發，表明局地的蒸發對華北雨季降水起到至關重要的作用。

4 結論

本文將中國東部四個雨季的水汽輸送特征分為低層（1500 m 以下）、中層（1500～5000 m）和高層（5000 m 以上）三個垂直層次，分別對水汽輸送過程中的水汽輸送通道以及水汽源地貢獻進行分析，得到雨帶推進過程中的四個雨季的水汽輸送的垂直結構，主要結論如下：

（1）季風爆發前的華南前汛期，低層最主要水汽通道為太平洋通道，軌跡占比為52.3%，中高層最主要的水汽通道為印度洋通道，軌跡占比超過37%；季風爆發后的華南前汛期印度洋通道迅速增強，從低層到高層均為最強水汽通道，在中層其軌跡占比達到了65.6%。隨著雨帶北移，印度洋通道強度減弱，西風通道強度增強。華北雨季低層最主要的水汽通道為太平洋水汽通道，軌跡占比達到45%，中高層最主要的水汽通道為中緯西風通道，軌跡占比超過38%?？傮w上，低層最主要的水汽通道為太平洋通道，中高層主要受西風氣流影響，在華南前汛期和江淮梅雨，最主要的水汽通道為印度洋通道，而在華北雨季，最主要的水汽通道為中緯度西風通道。

（2）四個雨季低層水汽總貢獻均超過50%，特別是華北雨季，低層總貢獻超過70%，表明雨季降水的水汽主要來自低層。各雨季中，南海夏季風爆發前的華南前汛期，低層西太平洋源地和中國東部局地為該雨季最主要的源地，水汽貢獻率分別為24.2%和23.1%；南海夏季風爆發后，印度洋源地的貢獻迅速增強，該雨季低層最主要的水汽源地為中國東部源地和南海源地，而中高層最主要的水汽源地為印度洋源地。江淮梅雨和華北雨季中，最主要的源地為中低層的中國東部地區和低層西太平洋地區，特別是華北雨季中，中國東部局地低層的水汽貢獻達到了43.1%，表明低層局地蒸發對華北雨季降水起到至關重要的作用。