我国西南地区主要包括青藏高原东南部、四川盆地、秦巴山地及云贵高原大部，由于其独特的地理、地形环境，天气气候特点区域差异性非常明显。近年来，洪涝、干旱等极端气候事件频发，水汽作为大气的重要组成部分，对太阳辐射具有吸收作用，是一种重要的温室气体，又与降水和气候关系十分密切，水汽在全球水循环和能量循环中起非常重要的作用^[1]。空中水资源研究及合理开发利用的重要性越发凸显，直接关系到区域性经济建设和人民的生产生活。目前针对大气中水汽含量研究资料主要有探空资料^[2-3]、卫星资料^[4-7]、GPS遥感资料^[8-11]和再分析资料^[12-13]。气象学者从不同角度对大气中水汽含量进行深入研究，取得了很多成果。

陆渝蓉等^[14]根据大气水分平衡方程，分析我国全年和各月的降水量、蒸发量、大气水汽含量及其变化量、地气间水分交换量和大气水汽输送量的时空分布，提供了我国大气中水分平衡的气候特征。廖荣伟等^[15-16]分别利用水汽通量、水汽通量散度及区域内降水量差计算了东亚季风潮湿区的水分收支，揭示了其差异特征；并进一步研究了东亚大陆季风湿润区冬季的水汽收支的年际和年代际变化特征，发现其特征能够指示东亚冬季风的强弱和降水的异常变化。王炳忠等^[17]利用我国高空气候标准值逐月探空站资料，分析了整层大气水汽含量分布特征，并结合水汽压和地面气压数据，拟合出全国普遍适用的、统一的或分月的线性经验表达式。彭艳秋等^[18]利用探空资料、ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料分别对地面到300 hPa我国大陆上空水汽含量的空间分布特征及线性趋势进行对比分析。林丹等^[19]系统地分析了30年西南地区可降水量的时空分布特征和变化趋势。任菊章等^[20]分别对西南地区干季和雨季的可降水量变化特征进行分析，并研究了可降水量与实际降水之间的关系。

关于我国大气水汽含量分布特征、西南地区汛期降水及其影响机制等方面的研究相对较多，但仅针对西南地区夏季大气水汽含量研究报道较少，尤其是影响机制方面。水汽作为降水的一个必要条件，考察水汽的异常变化对有效预测、预防该地区的暴雨洪涝等自然灾害具有重要意义。

本文所用资料为欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 提供的1979—2014年ERA-interim高分辨率资料，主要包括整层大气水汽含量 (total column water vapour，TCWV，是从地面积分到1 hPa高度处获得大气柱水汽含量)、位势高度场 (H)、纬向风 (u)、经向风 (v)，水平分辨率为0.5°×0.5°，垂直方向从1000 hPa至1 hPa共37层。所用的方法主要有经验正交函数 (EOF) 分解、距平合成和相关分析。文中对西南地区大气水汽含量研究范围为21°~34.5°N，96.5°~110.5°E, 包括云南、贵州、四川和重庆4个行政地区。

参考彭丽霞等^[21]计算南亚高压指数方法，将高压中心位势高度值定义为南亚高压强度指数，将区域内位势高度不小于1250 dagpm总格点数定义为南亚高压面积指数，将南亚高压等值线1250 dagpm东伸脊点所在经度位置定义为南亚高压东伸指数。

选取1979—2014年我国西南地区夏季 (6—8月) 大气水汽含量进行EOF分解，前3个模态解释方差分别为52%，19%，9%，第1模态的 (EOF1) 解释方差远高于第2模态 (EOF2) 和第3模态 (EOF3)，能够反映西南地区夏季大气水汽含量空间分布的主要特征。图 1给出了西南地区夏季大气水汽含量EOF分解的前3模态的空间分布，可以看出，EOF1显示西南地区夏季大气水汽含量为全区一致分布型，高值中心位于四川南部至云南北部；EOF2显示在27°N以北主要为正值，在27°N以南主要为负值，即西南地区夏季大气水汽含量为南北振荡分布型，正、负绝对值高值中心分别位于西南地区的东北和东南部；EOF3显示在103°N以西主要为正值，而在103°N以东主要为负值，即西南地区夏季大气水汽含量为东西振荡分布型，负中心位于重庆和贵州之间，且向西侧中部延伸，正中心分别位于西南地区的西北和西南部。

图 1

图 1. 西南地区夏季大气水汽含量EOF分解的前3模态的空间分布 (a) 第1模态，(b) 第2模态，(c) 第3模态 Fig 1. The first three EOF modes of the atmospheric water vapor content (a) EOF1, (b) EOF2, (c) EOF3

由于EOF1为全区一致分布型，反映了我国西南地区夏季大气水汽含量的主要特征，即西南地区夏季大气水汽含量主要表现为整体偏多或偏少，通过EOF1时间序列可了解西南地区夏季大气水汽含量时间变化特征 (如图 2所示)，西南地区夏季大气水汽含量具有明显的年际变化特征。

图 2

图 2. 西南地区夏季大气水汽含量EOF1对应的时间系数 (虚线值分别为+0.8和-0.8) Fig 2. The time series of the first EOF mode (dotted lines denote +0.8 and-0.8)

南亚高压作为夏季位于亚洲南部上空对流层上部和平流层底部的一个强大而稳定的环流系统，是亚洲夏季风的主要成员之一，其位置和强度变化直接影响我国夏季旱涝分布^[22-27]。为了了解西南地区夏季大气水汽含量与南亚高压之间的关系，利用图 2给出的西南地区夏季大气水汽含量的EOF1时间序列，挑选出大于+0.8σ(标准差) 的年，将其定义为西南地区夏季大气水汽含量偏多年，相应的将小于-0.8σ的年份定义为偏少年。偏多年分别为1981，1987，1991，1998，1999，2005，2010，2012，2014，共9年；偏少年分别为1986，1990，1992，1997，2001，2004，2008，2011年，共8年。图 3给出了西南地区夏季大气水汽含量偏多年、偏少年200 hPa位势高度距平合成，可以看到，在西南地区夏季大气水汽含量发生异常时，200 hPa位势高度差异主要通过南亚高压显现。在西南地区夏季大气水汽含量偏多年，南亚地区主要为显著的正距平，即200 hPa上南亚地区位势高度较常年偏高，南亚高压偏强；而在西南地区夏季大气水汽含量偏少年，距平合成显示在南亚地区为显著负距平，即200 hPa上南亚地区位势高度较常年偏低，南亚高压偏弱。

图 3

图 3. 西南地区夏季大气水汽含量偏多年 (a)、偏少年 (b)200 hPa位势高度距平合成 (阴影表示达到0.05显著性水平) Fig 3. Composite 200 hPa geopotential height anomalies in summer for the more water vapor cases (a) and the less water vapor cases (b) of Southwest China (the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

由上述分析可知，在西南地区夏季大气水汽含量异常时，南亚高压强度存在显著差异，为了考察南亚高压在面积、中心强度和东伸位置各个方面与西南地区夏季大气水汽含量的关系，图 4分别给出了西南地区夏季大气水汽含量EOF1时间系数和南亚高压强度指数、面积指数及东伸指数的时间变化序列。EOF1时间系数与南亚高压强度指数相关系数为0.64，与南亚高压面积指数相关系数为0.62，与南亚高压东伸指数的相关系数为0.59，均达到0.01显著性水平，即它们之间存在显著的正相关关系。

图 4

图 4. 西南地区夏季大气水汽含量EOF1时间序列和南亚高压各指数的时间序列 (a) EOF1对应的时间系数，(b) 强度指数，(c) 面积指数，(d) 东伸指数 Fig 4. The standardized time series of the atmospheric water vapor content in Southwest China and the time series indexes of the South Asia (a) the time series of EOF1, (b) the intensity index of the South Asia High, (c) the area index of the South Asia High, (d) the east extension index of the South Asia High

大气中水汽含量的多少主要取决于水汽输送情况，水汽输送包括水平输送和垂直输送，水汽向某一地区积聚并由低层向高层输送明显，该地区大气水汽含量往往偏多，而南亚高压作为一个行星尺度系统，高层的辐散必然引起对流层低层的辐合运动，水汽由低层向高层运动必然加强，低层水汽的减少又引起水汽向该地区积聚补充，从而有利于西南地区大气水汽含量增多。

为了更加深入地分析南亚高压引起西南地区水汽含量增多的影响机制，将南亚高压强度指数标准化距平大于+1.0σ的年定义为南亚高压强年，将小于-1.0σ的年定义为南亚高压弱年，南亚高压强年分别为1998，2010，2013，2014年，共4年；南亚高压弱年分别为1982，1984，1985，1986，1989，1992，1997年，共7年。由南亚高压强、弱年沿20°~35°N平均的纬向垂直环流距平合成分析 (图 5) 可知，南亚高压异常时大气的垂直运动存在显著差异，在南亚高压偏强年，西南地区主要为显著的负距平，气流上升运动明显偏强，最强中心位于95°~100°N之间；而在南亚高压偏弱年，西南地区整体为显著正距平，即气流上升运动明显偏弱，垂直速度最大值正距平中心与强年最大值负距平中心一致，即在西南地区的偏西位置，与图 1a水汽含量高值中心位置基本对应。通过对垂直环流距平的分析，说明南亚高压异常偏强，引起水汽由低层向高层运动增强，导致西南地区大气水汽含量的异常偏多。

图 5

图 5. 南亚高压强 (a)、弱 (b) 年沿20°~35°N平均的纬向垂直环流距平合成 (矢量表示纬向风与100倍垂直速度的合成量；等值线表示垂直速度，单位：10-2 Pa·s-1; 阴影表示达到0.05显著性水平) Fig 5. Composite longitude-height sections of zonal-vertical circulation anomalies and the vertical velocity anomalies averaged over 20°-35°N for cases of the strong (a) and the weak (b) South Asia High (the vector denotes composition of the zonal wind and 100 times of vertical velocity; the contour denotes vertical velocity, unit:10-2 Pa·s-1; the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

水汽通量能够很好地描述水汽的源地和输送方向情况，考虑到300 hPa以上大气中水汽输送很少，为了能够直观地看到西南地区水汽输送情况，图 6给出了由地面积分到300 hPa高度的水平水汽通量在南亚高压强、弱年的距平合成分布。在南亚高压偏强年，在我国东南部至西太平洋为明显的反气旋性距平，850 hPa风场合成情况 (图略) 与之相符，西太平洋上的反气旋性风场距平中心向西延伸至我国内陆，即副热带高压西伸增强，水汽沿反气旋性环流距平边缘向大陆地区输送，我国南部东南水汽输送偏强，有利于水汽由南海向我国南部地区输送；而在南亚高压偏弱年，其水汽输送情况相反，在我国东南部至西太平洋为明显的气旋性距平，不利于水汽向我国南部地区输送。

图 6

图 6. 南亚高压强 (a)、弱 (b) 年水汽通量距平合成 (单位：102 kg·m-1·s-1, 阴影表示达到0.05显著性水平) Fig 6. Composite water vapor flux for cases of the strong (a) and the weak (b) South Asia High (unit:102 kg·m-1·s-1, the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

本文利用EOF分解、距平合成和相关分析等方法分析西南地区夏季大气水汽含量的时空变化特征，指出西南地区夏季大气水汽含量偏多、偏少年的南亚高压异常变化情况，并从南亚高压异常变化入手，讨论南亚高压对西南地区夏季大气水汽含量变化的影响机制，得到以下主要结论：

1) 西南地区夏季大气水汽含量为全区一致、南北振荡和东西振荡3个主要分布形态，全区一致分布型反映出西南地区夏季大气水汽含量空间分布的主要特征。西南地区夏季大气水汽含量具有显著的年际变化特征。

2) 西南地区夏季大气水汽含量与南亚高压的强弱有明显的对应关系，水汽含量偏多，南亚高压偏强；反之，水汽含量偏少，南亚高压偏弱。水汽含量与南亚高压强度指数、面积指数及东伸指数均存在显著的正相关关系。

3) 在南亚高压偏强年，西太平洋副热带高压西伸增强，对流层低层西南气流异常增强，有利于南部海洋上的水汽向我国内陆地区输送，且在西南地区气流的上升运动显著增强；南亚高压偏弱年则情况相反。

本文初步讨论南亚高压对西南地区大气水汽含量的影响，指出了南亚高压是夏季影响西南地区大气水汽含量的一个重要因子，而南亚高压与副热带高压和夏季风均有非常密切的联系，两者共同影响水汽变化还需进一步讨论；海洋影响大气具有超前性，大量研究表明，印度洋偶极子和ENSO事件均对南亚高压有重要影响，因此，对西南地区水汽的研究也可从海温异常变化角度考虑。