引言

持续性暴雨过程是一种高影响的强降水事件，与普通短时暴雨过程相比，具有强度大、持续时间长且落区稳定的特点。持续性暴雨过程经常引发洪涝灾害，对经济和生命财产造成巨大的损失。在某区域形成和维持持续性暴雨过程的必要条件是，有大量水汽长时间持续地向该区域稳定输送和集中。鉴于水汽和持续性暴雨过程的密切关系，降水过程的水汽输送情况也一直为气象学者所关注。丁一汇等(2003)研究了1991年淮河地区和1998年长江流域局地的水汽收支，均证明了区域内对持续性降水影响最显著的是水平风场造成的水汽质量辐合，同时水汽的局地变化在水汽收支中的作用也不可忽略。谢义炳等(1959)指出，中国夏季降水主要有太平洋南部和印度低压东南部两个水汽源地。江虹(2007)分析了2003年淮河流域发生持续性暴雨期间的水汽输送情况，发现暴雨区的异常水汽并不是来自通常输送量最大的水汽输送通道2 (来自印度洋孟加拉湾的西南气流经中南半岛到我国东部地区)和水汽通道3 (来自孟加拉湾的水汽经中南半岛到达南海与南海的偏南气流汇合再向北输送)，而主要来自位置异常西移的水汽输送通道4，即来自副热带高压(以下简称副高)南侧的偏东气流沿着副高边缘转向东输送到我国东部雨区。

学者对于四川盆地夏季暴雨水汽输送特征也有较多研究。李跃清等(2007)分析了1998年夏季长江上游9次暴雨过程的水汽输送特征，结果表明长江上游暴雨的水汽主要来源于孟加拉湾、南海和西太平洋，也存在由阿拉伯海北部经印度半岛北部再经青藏高压东南部进入长江上游的水汽路径，不同暴雨过程其水汽来源差别较大。周长艳等(2005)对青藏高原东部及邻近地区水汽输送的气候特征进行了分析，指出除了南海、西太平洋地区的偏南风水汽输送、孟加拉湾北部的西南风水汽输送以及高原主体上空的偏西风水汽输送以外，还出现了一条新的水汽输送通道，即阿拉伯海北部的西南风水汽输送。李永华等(2010)指出西南地区东部水汽来源主要有两条，第一条来自青藏高原转向孟加拉湾经缅甸和云南进入西南地区东部，第二条水汽经由孟加拉湾南部强大的水汽输送带，继续向东输送至中南半岛及南海，与南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部，而由副高西侧转向的偏南水汽对向西南地区东部的水汽输送也有影响。陈栋等(2007)研究表明，2005年“7.8”盆东大暴雨的水汽来源有三支，分别是孟加拉湾、中印半岛-南海和西风带。陈鹏等(2014)通过对比分析指出盆地中部暴雨过程的水汽主要来自孟加拉湾，而盆地中东部暴雨过程的水汽则是从孟加拉湾经中南半岛到达南海，与南海偏南气流汇合加强后输送到盆地中东部地区。综上分析，四川暴雨主要有两个水汽源地，即孟加拉湾和南海一带。

上述有关水汽输送及来源的研究大多基于欧拉方法，但该方法无法定量区分各水汽来源对降水的贡献。而拉格朗日方法着眼于流体微元，设法描述每一个流体质点自始自终的运动轨迹，可以计算气团的轨迹和来源，近年来已经在气象领域得到广泛应用(Brimelow et al., 2005；Perry et al., 2007；Gimeno et al., 2010；曾勇等，2017)。江志红等(2013)利用HYSPLIT拉格朗日轨迹模式对1980—2009年江淮梅雨水汽输送特征进行定量分析，认为梅雨偏多年来自孟加拉湾-中国南海的水汽输送较多，而梅雨偏少年来自太平洋和印度洋的水汽输送较多。孙建华等(2016)采用HYSPLIT模式和NCEP/NCAR再分析资料，对中国江淮流域持续性暴雨过程的江南型和江北型过程的水汽源地、输送路径以及干空气路径进行分析指出，江南型水汽主要由源自印度半岛以南的热带印度洋的西南路径和来自印度尼西亚与中国南海的偏南路径这两条路径输送到江淮流域。江北型的水汽路径有三条，前两条路径与江南型类似，且为主要水汽来源，还有来自西太平洋的东南路径水汽输送。李娟等(2016)对四川盆地西部和东部两个暴雨个例利用HYSPLIT拉格朗日轨迹模式后向追踪指出，盆地西部暴雨水汽输送以来自孟加拉湾的西南气流为主，盆地东部暴雨水汽输送以来自南海的东南气流为主。

以上研究丰富了对暴雨过程水汽源地及路径的认识，可为暴雨预报提供一定参考依据。然而，对于四川盆地东北部(以下简称川东北)暴雨过程水汽问题的研究尚少，特别是对于川东北持续性暴雨的水汽源地以及水汽如何稳定向暴雨区输送等问题的研究较少。本文拟采用常规计算与粒子轨迹模式相结合的方式，对川东北近年来多例持续性暴雨中的水汽输送及其异常特征进行分析，进一步认识川东北持续性暴雨水汽源汇形成的机理，以期能为这一地区持续性暴雨过程预警预报提供参考。

1 资料与方法

本文使用的资料包括高空观测资料以及经过质量控制的自动站雨量资料；全球资料同化系统GDAS (global data assimilation system) 6 h一次的分析资料，水平分辨率1°×1°，垂直方向21层，包括位势高度、温度、风和比湿等要素；NCEP/NCAR再分析资料，时间分辨率为每6 h，空间分辨率为1°×1°。

在川东北将大于等于5县且持续大于等于2 d的暴雨天气，确定为一次持续性区域暴雨个例，简称持续性暴雨个例，利用2000—2016年降雨量资料，筛选出川东北持续性暴雨个例6个。本文选取2007年7月2—6日、2010年7月16—19日、2012年7月3—5日3个持续性暴雨个例(以下分别简称2007年、2010年和2012年个例)进行分析。这3个个例均发生在7月初到中旬，雨带落区较一致。根据个例的特征和系统分析，个例间有许多共同点，造成持续性暴雨的条件也有相似之处。另外的3个个例发生在8月下旬到9月初，大尺度背景场与本文选取的3个个例背景场差异较大。

源地的水汽主要通过大规模的水平气流被输送到降水区，其输送量的大小用水汽通量表示。水汽通量指在单位时间内流经某一单位面积的水汽含量，用来表示水汽水平输送的强度，它是一个向量，方向与风速相同，通常用来判断水汽来源。一般所说的水汽输送是指水汽的水平输送，风的方向即水汽输送的方向。整层大气的水汽输送通量矢量可以通过垂直积分得到(黄荣辉等，2010)。

$ \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over Q}=\frac{1}{g} \int_{300}^{p_{{\rm s}}} \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over V} \cdot q \mathrm{d} p=\int_{300}^{p_{{\rm s}}}(u, v) q \mathrm{d} p $

(1)

其中，q表示比湿，u、v分别表示纬向风和经向风(单位: m·s^-1)，ps表示地表面气压(单位为hPa)，g表示重力加速度(单位: m·s^-2)。由于300 hPa以上水汽已较少，因此整层水汽积分从1 000—300 hPa。

本文使用美国国家海洋和大气局NOAA空气资源实验室开发的供质点轨迹扩散及沉降分析用的综合模式系统HYSPLITv4分析水汽的轨迹，其平流和扩散计算采用拉格朗日方法。HYSPLITv4分析气流轨迹的思路是假设气块随风飘动，以气块一个时间步长的运动为例，气块的最终位置由其初始位置和第一猜测位置之间的平均速度计算得到(Draxler，1998)。

2 个例实况与天气背景 2.1 个例实况

2007年7月2日—6日，川东北先后出现两场大暴雨，降雨中心均出现在巴中市境内，通江24 h降雨量达到235 mm，过程累计降雨量490 mm。2010年7月16日—19日川东北普降暴雨、大暴雨，局部特大暴雨，万源24 h降雨量为234 mm，过程累计降雨量达到462 mm。2012年7月3日—5日川东北出现持续性暴雨，最大降雨量中心位于平昌云台，累计降雨量达283.1 mm。这3个个例降雨持续时间较长、强降雨区域稳定少动、过程累计雨量大，它们的发生发展必然离不开持续不断的水汽输送。

2.2 天气背景

3个个例的平均高度场和风场显示，200 hPa高空急流在东亚地区位于35°N以北。2007年个例中(图 1a)，巴尔喀什湖地区和雅库茨克到鄂霍茨克海附近分别为冷性低涡中心，乌拉尔山为阻塞高压，贝加尔湖地区为一平浅高压脊，中低纬地区为典型的东高西低形势，印度受季风低压控制，四川盆地受副高外围和印度低压前部的西南季风控制，巴尔喀什湖冷涡不断分裂短波槽，冷空气沿中纬度西风带东移影响四川。2012年个例中(图 1c)，中高纬为两脊一槽的环流形势，巴尔喀什湖至蒙古高原为宽广槽区，槽底有短波槽分裂从青藏高原下滑东移影响四川盆地。中低纬地区仍为典型的东高西低形势，川东北受其副高外围的偏南气流控制。2010年个例(图 1b)与另2个个例不同，四川盆地夹在强劲的副高和青藏高压之间，两高之间切变线位于川西高原一带。由于台风“康森”的阻塞作用，副高和青藏高压在16—19日期间处于相对稳定的状态，副高西侧的西南暖湿气流和青藏高压前端的干冷西北气流在川东北长时间的交汇，使得川东北16—19日出现持续性暴雨天气。

3个个例的环境场均有差异，但是阻塞环流形势、副高稳定少动构建了稳定的大尺度背景，为水汽输送通道的建立、维持提供了有利的条件，也是持续性暴雨出现的重要原因。

3 持续性暴雨水汽输送特征 3.1 水汽输送气候特征

整层水汽通量的30 a气候月平均场显示(图略)，持续性暴雨期间川东北处于东亚地区水汽通量输送带中，影响该地区的水汽可以追溯到西太平洋、南海和孟加拉湾，甚至阿拉伯海。主要有两支水汽在川东北交汇，一支是源自孟加拉湾和阿拉伯海的水汽向东传播途经中南半岛向北进入中国大陆，另一支是源自西太平洋的水汽向西传播后向北伸展。相比之下，川东北暴雨与源自孟加拉湾和阿拉伯海的水汽关系更为密切，这支水汽也明显强于源自西太平洋的水汽。

3个个例降雨期间的平均整层水汽输送通量分布(图 2)显示，2007年个例中水汽主要来自孟加拉湾和阿拉伯海，来自西太平洋的水汽并不明显，降水开始前24 h，阿拉伯海-孟加拉湾-南海-华南-长江中下游地区为水汽通量大值输送带，整层水汽通量超过600 kg·m^-1·s^-1，川东北整层水汽通量为100~200 kg·m^-1·s^-1。随着西南风和东南风的加强，输送到川东北的水汽通量增强至250~400 kg·m^-1·s^-1。2010年个例和2012年个例中孟加拉湾、阿拉伯海以及西太平洋均有水汽向川东北汇集，2012年个例中孟加拉湾整层水汽通量明显比2010年个例强，孟加拉湾的水汽通量强度超过600 kg·m^-1·s^-1，逐日水汽通量场(图略)显示，川东北整层水汽通量最强时刻达到250~300 kg·m^-1·s^-1。2010年个例中南海整层水汽通量超过600 kg·m^-1·s^-1，在东南气流作用下，水汽向川东北传递，川东北整层水汽通量最强达到250~300 kg·m^-1·s^-1。

上述分析描述了川东北持续性暴雨期间水汽输送的敏感区及水汽远距离输送的结构特征。持续性暴雨期间川东北始终处于东亚地区水汽通量大值输送带中，影响该地区的水汽流可以追溯到南海、孟加拉湾、西太平洋，甚至阿拉伯海。3个个例逐日水汽通量场(图略)还揭示，同一个个例水汽输送通道并不是固定不变，不同降雨阶段与不同水汽输送通道对应。

3.2 水汽输送异常特征

暴雨的形成需要有源源不断的水汽输送。它的形成是气候态的水汽输送和偏离气候态的异常水汽输送共同作用的结果，所以暴雨的水汽来源有两部分，一部分是气候平均降水的水汽来源，这部分水汽难以影响暴雨的形成，另一部分是偏离气候态的异常水汽来源。

计算持续性暴雨过程中川东北每天水汽输送通量与气候平均水汽通量的偏离程度，2007年个例中(图 3a)川东北暴雨地区偏离气候态的水汽通量最强达到200~350 kg·m^-1·s^-1，孟加拉湾和南海都是距平场的大值区，孟加拉湾、南海均为一致的偏西水汽输送距平气流，说明西南季风水汽输送强盛，台风“桃芝”位于南海，外围的水汽在高速的旋转作用下向北输送到暴雨区，印度低压强盛，气旋性环流中的西南气流途经缅甸、云南将水汽输送到暴雨区。2010年个例中(图 3b)水汽输送的途中(阿拉伯海和孟加拉湾地区)出现较为明显的偏东水汽输送距平，表明西南季风水汽输送偏弱。过程中水汽输送不但没有增加，反而比气候平均状态更小。暴雨区偏离气候态的水汽通量最强达到100~200 kg·m^-1·s^-1。在偏东风作用下西太平洋水汽源源不断输送到南海，南海是距平场的大值区，暴雨区的异常水汽主要来源于台风“康森”外围环流向北输送的水汽。2个个例中南海地区热带低值系统的发生发展为水汽通道的建立提供了有利的大尺度环流。不同纬度多系统的相互作用对水汽输送有明显加强作用(孙建华等，2005)。这也是2007年个例和2010年个例的降雨强度明显比2012年个例强的重要原因。2012年个例中(图 3c)南海水汽通量距平值为300~350 kg·m^-1·s^-1，孟加拉湾水汽通量距平值为200~ 250 kg·m^-1·s^-1，川东北偏离气候态的水汽通量值为100~200 kg·m^-1·s^-1，来源于东南气流作用下南海向北扩展的水汽和西南气流作用下孟加拉湾经缅甸、云南输送的水汽。

4 持续性暴雨水汽来源分析

利用HYSPLIT模式进行暴雨区空气质点后向轨迹追踪，以每个个例总降雨量中心(107.2°E，31.9°N)、(108°E，32°N)、(108°E，32°N)为源点。取700 hPa、850 hPa、925 hPa相对应的3 000 m、1 500 m、500 m的3个高度层作为模拟初始高度，模拟开始时间为暴雨过程开始时，后向追踪240 h，分别将各高度层得到的后向轨迹路径进行聚类分析，遵循类与类间差异极大而同一类内部差异极小的原则得到240 h后向平均轨迹，以此分析3个个例不同高度上水汽通道及来源。

不同的水汽通道对应有不同的输送高度。对比分析500 m高度上3个持续性暴雨个例聚类分析得到的平均轨迹(图 4)，自南海沿华南地区进入川东北这条水汽通道在3个个例中均存在，轨迹数分别占43%、51%、34%。在2010年个例中，还存在自西太平洋沿南海北部-华南地区进入川东北的水汽通道，轨迹数占49%，这两条水汽输送路径高度较为一致，均起源于500~1 000 m。2012年个例中还聚类得到自黄海沿山东、河南进入川东北的路径，轨迹数占30%，2007年个例与2012年个例中还有来自北方的干冷空气质点轨迹，轨迹随高度的变化显示，干冷空气质点3 500~5 000 m高度上逐渐下沉。

对比分析1 500 m高度上3个持续性暴雨个例聚类分析得到的平均轨迹(图 5)，此高度上水汽输送路径比500 m高度上更加多样化。2007年个例中，自南海沿华南地区的轨迹数占39%，自孟加拉湾沿中南半岛-华南地区进入川东北的轨迹数占35%，北方的干冷空气轨迹数占26%。2010年个例中，自孟加拉湾沿中南半岛-华南地区进入川东北的轨迹数占17%，自西太平洋沿南海北部-华南地区进入川东北的轨迹数占8%，来自南海轨迹数占68%。2012年个例中，自南海沿华南地区进入川东北轨迹数占39%，自孟加拉湾沿中南半岛-华南地区进入川东北的轨迹数占28%，自黄海沿山东、河南进入川东北的轨迹数占7%，北方干冷空气轨迹数占26%。自南海沿华南地区进入川东北、孟加拉湾沿中南半岛-华南地区进入川东北是1 500 m高度上主要的水汽通道，水汽均起源于500—1 500 m。

对比分析3 000 m高度上3个持续性暴雨个例聚类分析得到的平均轨迹(图 6)，自孟加拉湾附近沿中南半岛-华南地区进入川东北是此高度上的主要水汽输送通道。2010年个例还有自南海沿华南地区进入川东北的轨迹占51%。

2007年个例的输送路径主要有两条，边界层以南海沿华南地区进入川东北这一路径为主，这与台风“桃芝”密切相关，“桃芝”位于南海，外围的水汽在高速的旋转作用下向北输送到暴雨区。而中低层以自孟加拉湾附近沿中南半岛-华南地区进入川东北为主。印度低压中的西南气流将水汽输送到暴雨区。2010年个例的输送路径有三条，边界层有两条输送路径，分别自南海和自西太平洋进入川东北。四川盆地位于强劲的西太平洋副高和青藏高压之间，台风“康森”将南海的水汽以及西太平洋的水汽沿着副高外围的偏南气流源源不断地输送到川东北。中低层上以自南海进入川东北为主，自孟加拉湾进入川东北这一路径在此次过程中不是主要的。这与此次过程的环流背景场密切相关。2012年个例中的输送路径主要有两条，边界层上的水汽输送路径仍以自南海沿华南地区进入川东北为主，中低层以自孟加拉湾进入川东北为主。可见，每条水汽输送通道在不同的个例中主次作用不一致。边界层的水汽输送更多是以自南海沿华南地区进入川东北；中低层水汽输送路径更加多样化，或以孟加拉湾进入川东北，或以南海进入川东北，或两者共同作用。水汽输送高度均起源于低层。持续性暴雨期间，垂直方向上有多条水汽输送通道的相互叠加，促使川东北产生强的水汽通量。

5 结论与讨论

本文采用欧拉方法分析川东北夏季3例持续性暴雨个例的水汽输送及其异常特征，并利用拉格朗日轨迹模式模拟计算了影响川东北地区的主要水汽输送通道，得到以下结论：

(1) 阻塞环流形势、副高稳定少动构建的稳定大尺度背景，为水汽输送通道的建立、维持及中小尺度系统的反复新生、重建提供了有利的条件，也是持续性性暴雨出现的重要原因。

(2) 不同纬度多系统相互作用对水汽输送的加强是造成2007年和2010年两例持续性暴雨过程水汽强度异常大的重要原因。2012年持续性暴雨个例中异常水汽主要源于孟加拉湾和南海两支水汽的共同作用。

(3) 水汽源地可追溯至孟加拉湾、南海、西太平洋和阿拉伯海。持续性暴雨期间，边界层的水汽输送更多是自南海沿华南地区进入川东北，孟加拉湾的水汽轨迹很少；中低层水汽输送路径更加多样化，或以孟加拉湾进入川东北，或以南海进入川东北，或两者共同作用。每条水汽输送通道在不同的个例中主次作用不一致。

(4) 垂直方向上有多条水汽输送通道的相互叠加，促使川东北产生强的水汽通量。同一个例的水汽输送通道并不是固定不变，不同降雨阶段与不同水汽输送通道对应。

四川盆地地形复杂，水汽进入盆地必然受到地形的作用，地形对水汽输送路径的影响以及对水汽损失的作用有多大，本文未做细致的分析。同时，本文仅分析了四川盆地东北部的大尺度水汽输送状况，关于中小尺度水汽输送、区域内部水汽循环变化等问题，还有待深入研究。