“雙峰”期孟加拉灣風暴對西南水汽輸送的貢獻

段旭 張瑾文

云南省氣象科學研究所，昆明650034

1 引言

據(jù)統(tǒng)計，超過 70%的孟加拉灣風暴在中南半島北部、孟加拉國和印度半島北部一帶登陸（段旭等，2009），對青藏高原和云貴高原地區(qū)的降水造成較大的影響，水汽輸送甚至可達到我國長江中下游地區(qū)（呂愛民等，2013），其中，三分之二的登陸風暴出現(xiàn)在“雙峰”期（5月和10～11月）。因此，孟加拉灣風暴“雙峰”期對西南水汽輸送有重要的影響。

關于孟加拉灣地區(qū)西南水汽輸送對我國的影響，許多學者做過相關研究。卓嘎等（2012）分析西藏地區(qū)水汽輸送的氣候特征后指出，西藏地區(qū)冬、春、秋季的水汽主要來自中緯度西風帶水汽輸送，夏季水汽主要來自阿拉伯海、孟加拉灣、南海和西太平洋地區(qū)；周長艷等（2005）認為西太平洋地區(qū)的水汽輸送以及來自孟加拉灣和高原地區(qū)的水汽輸送分別是長江流域旱、澇年的重要影響因素；李秀珍等（2010）認為春、秋兩季輸送至華南的水汽主要來源于孟加拉灣及副熱帶西太平洋；江志紅等（2013）基于拉格朗日方法對江淮梅雨水汽輸送特征分析后指出，孟加拉灣、中國南海、太平洋和印度洋的水汽輸送對江淮梅雨的異常有重要影響，梅雨偏多年來自孟加拉灣的水汽輸送較多；魯亞斌等（2004）、陳艷等（2006）針對云南 5月降水異常的研究后發(fā)現(xiàn)，5月云南上空為一致的西南風水汽輸送，主要由來自印度半島北部的副熱帶西風水汽輸送、熱帶印度洋及孟加拉灣西南風水汽輸送匯合而成，孟加拉灣水汽輸送發(fā)生異常對云南5月降水有重要影響；黃榮輝和陳際龍（2010）指出，由于亞洲夏季風從孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋輸送大量水汽到我國東部季風區(qū)，故在東部季風區(qū)夏季經(jīng)向水汽輸送通量比緯向水汽輸送通量大；周曉霞等（2008）則認為，夏季風爆發(fā)后，大量水汽從南半球輸送到亞洲季風區(qū)，水汽輻合增加最大在孟加拉灣、中南半島和南海地區(qū)，中國大陸的水汽主要經(jīng)南海北邊界輸入；周玉淑等（2014）在研究臺風Bilis時發(fā)現(xiàn)，暴雨增幅的時段與高低層無旋風的風速加大和輻合增強是一致的，而無旋風風速加大增強了水汽的輸送；晏紅明等（2013）、王澄海和崔洋（2011）在研究高原地區(qū)雨季開始和結束以及東亞夏季風建立前青藏高原地氣溫差變化特征時均指出，孟加拉灣熱帶氣旋活動頻次及西南水汽輸送是重要因素之一；周順武等（2011）研究了青藏高原汛期降水的時空分布特征，認為初夏高原南側更多的受到孟加拉灣風暴影響，導致高原上降水的南北反向型分布。上述研究證實了孟加拉灣地區(qū)是西南水汽輸送的重要源地，但沒有討論孟加拉灣風暴在西南水汽輸送中的作用。

孟加拉灣風暴帶來的西南水汽輸送，在許多個例分析中均有過描述（王敏等，2010；伏陽虎等，2009；周國蓮等，2006；周倩等，2011；楊祖芳等，2000；劉瑜等，2007；鞏遠發(fā)等，2004；張騰飛等，2006），均認為風暴產(chǎn)生的西南水汽輸送為西南地區(qū)持續(xù)強降水提供了有利的水汽條件，同時也是造成高原地區(qū)產(chǎn)生暴雨（雪）的主要天氣系統(tǒng)之一。但這些研究只是定性分析了孟加拉灣風暴在西南水汽輸送中的作用，沒有具體分析風暴在西南水汽輸送所起到的作用和貢獻大小，本文將討論孟加拉灣風暴“雙峰”期對西南水汽輸送的貢獻。

2 資料和方法

孟加拉灣風暴登陸路徑選用 JTWC（Joint Typhoon Warning Centre）公布的孟加拉灣風暴資料，2001～2010年共有13個孟加拉灣風暴在15°N以北登陸，其中5月“峰值”期出現(xiàn)7個，10～11月“峰值”期6個（圖1），全部發(fā)生在風暴活動的“雙峰”期。

圖1 2001～2010年“雙峰”期孟加拉灣風暴 15°N以北登陸路徑和水汽輸送：南風輸送（25°N，80°～100°E）；西風輸送（10°～25°N，100°E）Fig. 1 Landing path of the Bay of Bengal storm to the north of 15°N and water vapor transport in double-peak periods from 2001 to 2010 [southerly transport: (25°N, 80°–100°E); westerly transport: (10°–25°N, 100°E)]

水汽通量的計算是利用2001～2010年5月和10～11月逐日逐6小時 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）/NCAR（National Center for Atmospheric Research）1°×1°再分析資料?！半p峰”期水汽通量氣候平均值是指 2001～2010年 5月（或10～11月）逐日逐6小時水汽通量的平均值，孟加拉灣風暴水汽通量是指7個風暴（5月）或6個風暴（10～11月）時段水汽通量的平均值，整層水汽通量從1000 hPa積分到100 hPa。文中分別選取沿 25°N（經(jīng)度范圍：80°～100°E）和沿 100°E（緯度范圍：0～25°N）的兩個垂直剖面來討論風暴對西南水汽輸送的貢獻。由于僅考慮風暴西南方向的水汽輸送，在垂直剖面計算水汽通量時均只計算南風分量和西風分量，即

式（1）和（2）中，F(xiàn)S、FW、q、v和u分別為南風水汽通量、西風水汽通量、比濕、經(jīng)向風速和緯向風速。風暴個例統(tǒng)計時段的標準為當風暴的生命周期≤4 d時，選取風暴實際的生命周期并后延1d；若風暴的生命周期≥4 d時，取停止編號前的4 d并后延1 d。

風暴西南水汽輸送平均貢獻率用式（3）表示，即

其中，F(xiàn)為某一時刻的FS或FW，m為7個（5月）或6個風暴（10～11月）過程逐日逐6小時總時次數(shù)（即風暴過程天數(shù)乘4個時次），n為5月或10～11月逐日逐6小時總數(shù)（31天或61天乘10年乘4個時次）。

風暴西南水汽輸送實際貢獻率用式（4）表示，即

其中，F(xiàn)、m、n的意義同式（3）。

風暴西南水汽平均貢獻率是風暴個例在統(tǒng)計時段中水汽輸送總量按時次平均后的平均值分別與對應的5月（或10～11月）多年水汽總量按時次平均后的平均值的百分比，定量說明在風暴持續(xù)時段中，在平均時次上，風暴對水汽輸送的貢獻。風暴西南水汽輸送實際貢獻率是風暴個例在統(tǒng)計時段中水汽輸送的累積總量分別與對應的 5月（或10～11月）多年水汽總量的百分比，能夠反映多個孟加拉灣風暴個例在多年的 5月（或10～11月）中，在西南方向上對水汽輸送的實際貢獻。

3 風暴“雙峰”期水汽輸送狀況及差異

5月“峰值”期孟加拉灣風暴的水汽以西南方向輸送為主，由于對流層低層 700 hPa低于青藏高原高度，風暴的水汽輸送首先呈較強的向北輸送，遇青藏高原阻擋后沿高原邊緣向東輸送，而其他方向的輸送較弱（圖2a）。中層500 hPa上風暴水汽自西南向東北方向輸送的特征明顯（圖 2b），在經(jīng)向上呈現(xiàn)出先向北輸送，然后向東輸送。比較而言，低層的水汽輸送較高層強烈，向北的輸送量較大。

從風暴整層水汽通量平均值的分布看（圖2c），仍然呈西南水汽輸送特征。用風暴平均水汽通量減去氣候值來衡量風暴在西南水汽輸送中的貢獻（圖 2d），發(fā)現(xiàn)風暴對水汽輸送的影響是顯著的；其水汽輸送路徑與氣候平均態(tài)基本一致，表明由孟加拉灣風暴產(chǎn)生的水汽輸送與以孟加拉灣為源地的西南水汽輸送是密切相關的，5月“峰值”期孟加拉灣風暴是西南水汽輸送的重要天氣系統(tǒng)之一。

10～11月“峰值”期風暴水汽輸送形態(tài)與5月“峰值”期相似（圖3），以西南水汽輸送為主，輸送量相對較?。▓D 3a–c），與5月氣候差值圖（圖2d）相比，10～11月差值中心范圍較小，但西南水汽通道分布特征明顯，次中心位于華南地區(qū)，說明10～11月孟加拉灣風暴對西南向的水汽輸送在范圍上大于5月，孟加拉灣地區(qū)是西南及華南地區(qū)秋季水汽來源的地區(qū)之一。

圖4是兩個“峰值”期整層孟加拉灣風暴水汽輸送通量平均值的差值圖，由圖4可知，5月風暴西南水汽輸送較大，比 10～11月大 10～30 g hPa-1s-1m-1；差值中心主要位于西南水汽通道上，在孟加拉灣西北部的陸地上（青藏高原西側）有一些水汽差值的次中心，說明5月“峰值”期水汽輸送除沿西南水汽通道輸送外，向北和向西北的水汽輸送也較大。5月風暴西南水汽輸送強勁，主要原因是索馬里越赤道氣流的建立和向東傳播，孟加拉灣和中南半島地區(qū)對流層中低層流場發(fā)生了巨變，由原來的偏東氣流轉為強勁的西南氣流，而10～11月西南季風急劇減弱，強勁的西南氣流由孟加拉灣東退到了中南半島北部，導致風暴西南水汽輸送較弱（段旭和段瑋，2015）。

圖2 5月“峰值”期孟加拉灣風暴（a）700 hPa、（b）500 hPa平均水汽通量（單位：10-3 g hPa-1 s-1 m-1）和（c）整層平均水汽通量（單位：g hPa-1 s-1 m-1）及其（d）與氣候平均的差值（單位：g hPa-1 s-1 m-1）Fig. 2 Average water vapor flux (units: 10-3 g hPa-1 s-1 m-1)at (a)700 hPa and (b)500 hPa, and (c)average water vapor flux in the whole layer (units: g hPa-1 s-1 m-1)and (d)its difference from climatological average (units: g hPa-1 s-1 m-1)for the Bay of Bengal storm in May peak period

綜合分析圖3和圖4可知，雖然風暴西南方向的水汽輸送10～11月弱于5月，但其差值場的數(shù)值與氣候平均場相比較大，在西南水汽輸送通道上，風暴整層平均水汽輸送量是氣候平均的2倍，而且15 g hPa-1s-1m-1的等值線范圍較氣候平均差值圖偏北偏東，說明孟加拉灣風暴對西南向的水汽輸送的強度和范圍都有重要的影響。

4 風暴“雙峰”期對西南水汽輸送的貢獻

上節(jié)討論了“雙峰”期孟加拉灣風暴及氣候平均態(tài)水汽輸送狀況及其差異，定性分析了風暴對西南水汽輸送的貢獻。下節(jié)將通過對沿 25°N垂直剖面和沿100°E垂直剖面的水汽輸送分析，定量分析由風暴產(chǎn)生的水汽向北、向東方向輸送所占比例，討論風暴對西南水汽輸送的貢獻率。在計算沿緯向和沿經(jīng)向的垂直剖面水汽通量時，由北風和東風產(chǎn)生的水汽通量輸送被認為不屬于孟加拉灣風暴系統(tǒng)，因此為了避免抵消西南水汽輸送的絕對貢獻率，令北風分量和東風分量產(chǎn)生的水汽通量為零[如式（1）、（2）]。

圖5a是5月“峰值”期沿25°N緯向垂直剖面上南風分量在風暴過程中平均水汽輸送與氣候平均值之比，圖中除在（80°～87°E，800～500 hPa）和（86°～100°E，200 hPa以上）兩個區(qū)域，風暴產(chǎn)生的水汽輸送平均貢獻率小于 100%，說明風暴向北產(chǎn)生的水汽輸送小于氣候平均值，即風暴對水汽的輸送在這兩個區(qū)域為負貢獻（負貢獻表示該區(qū)域不是風暴水汽輸送的主要通道，風暴導致的水汽輸送弱于其它天氣系統(tǒng)，下同），圖中的其他區(qū)域風暴的水汽輸送貢獻率均大于 100%，說明風暴的水汽輸送大于氣候平均值，即風暴對水汽輸送有正貢獻。其中，在對流層中層（700～250 hPa）風暴的水汽輸送貢獻率是氣候平均值的 2～3倍，大值中心位于孟加拉灣正北方向90°E附近的對流層中層。孟加拉灣風暴的水汽平均貢獻率的總體分布是在對流層中低層東部大于西部，中高層西部大于東部，表明在經(jīng)向上，風暴水汽輸送的正貢獻區(qū)域偏東，且正貢獻分布隨高度向西傾斜。

圖3 同圖2，但為10～11月Fig. 3 The same as Fig. 2, but for Oct–Nov peak period

圖4 孟加拉灣風暴整層平均水汽通量5月與10～11月差值（單位：g hPa-1 s-1 m-1）Fig. 4 Average water vapor flux difference in the whole layer for the Bay of Bengal storm between May and Oct–Nov (units: g hPa-1 s-1 m-1)

圖5b是沿100°E風暴水汽輸送貢獻率的經(jīng)向垂直剖面圖，圖中18°N以南，對流層中低層（500 hPa以下）風暴水汽輸送率大于100%，為正貢獻，中高層（500 hPa以上）水汽輸送為負貢獻；20°N以北，對流層低層（700 hPa以下）風暴水汽輸送為負貢獻，中高層（700 hPa以上）為正貢獻，表明風暴向東的水汽輸送正貢獻區(qū)域隨高度向北傾斜。與南風分量水汽輸送平均貢獻率（圖5a）相比，西風分量的平均貢獻率明顯偏小。

圖6是5月“峰值”值期風暴水汽輸送的實際貢獻率（即：風暴存在統(tǒng)計時段內西南方向水汽通量的總量占整個氣候統(tǒng)計時段內西南方向水汽通量總量的比例），在圖6中，5月“峰值”期水汽輸送的實際貢獻率分布趨勢與平均貢獻率（圖 5）基本一致。其中，沿25°N的經(jīng)向垂直剖面圖（圖6a）中，南風分量的實際貢獻率大部分區(qū)域為 20%～30%，也就是說5月由南風分量帶來的經(jīng)向水汽輸送中約有20%～30%為孟加拉灣風暴所作的貢獻；而在由西風分量帶來的緯向水汽輸送中（圖 6b），風暴所作的實際貢獻率為12%～20%，西風水汽輸送略小于南風。綜合分析5月“峰值”期孟加拉灣風暴水汽輸送的平均貢獻率和實際貢獻率表明，孟加拉灣風暴向北的水汽輸送均大于向東的輸送，南風水汽輸送的中心分布帶隨高度有向東傾斜的趨勢，西風水汽輸送中心分布向北傾斜。

圖5 5月“峰值”期（a）沿25°N和（b）沿100°E垂直剖面上水汽通量風暴過程平均值與氣候平均值之比（單位：%，陰影區(qū)為地形）Fig. 5 Vertical section along (a)25°N and (b)100°E for the ratio between the average in water vapor flux of storm process and the climate average in May peak period (units: %; shadow: terrain)

圖6 5月“峰值”期（a）沿25°N和（b）沿100°E垂直剖面水汽通量風暴過程總量與氣候總量之比（單位：%，陰影區(qū)為地形）Fig. 6 Vertical section along (a)25°N and (b)100°E for the ratio between the total of water vapor flux in storm process and the climate total in May peak period (units: %; shadow: terrain)

圖7a是10～11月“峰值”期沿25°N緯向垂直剖面南風分量風暴過程平均水汽輸送與氣候平均值之比。在圖中除西側低層（700 hPa以下）和400～200 hPa間風暴產(chǎn)生的平均水汽輸送為負貢獻外，其他區(qū)域幾乎均為較大的正貢獻。其中，90°～100°E對流層中低層水汽輸送約為氣候平均值的3～4倍，其余地區(qū)的平均貢獻率也超過了200%，正貢獻區(qū)域隨高度向西傾斜。圖 7b是風暴過程西風分量水汽輸送平均值與氣候平均值之比沿 100°E的經(jīng)向垂直剖面圖，圖中 20°N 以北對流層低層（750 hPa以下）風暴水汽輸送為弱的負貢獻，剖面的中低層水汽輸送大部分為正貢獻。其中，貢獻率超 200%的區(qū)域為 10°～15°N 間的低層和 15°～20°N間的中層。對流層高層為水汽輸送負貢獻區(qū)域，低緯度區(qū)域高層甚至水汽輸送為零。正貢獻水汽輸送大值帶隨高度向北傾斜。與南風分量水汽輸送平均貢獻率（圖7a）相比，西風分量的平均貢獻率仍明顯偏小。

從 10～11月“峰值”期風暴水汽輸送實際貢獻率分布圖（圖 8）來看，實際貢獻率分布形態(tài)與平均貢獻率（圖7）一致。其中，在圖8a中，南風分量的實際貢獻率大部分區(qū)域為 8%～16%，即在10～11月由南風分量帶來的緯向水汽輸送中有8%～16%為孟加拉灣風暴所作的貢獻，而西風分量正貢獻區(qū)域風暴所作的實際貢獻率為5%～9%（圖8b），說明孟加拉灣風暴向北的水汽輸送大于向東的水汽輸送。

比較兩個“峰值”期孟加拉灣風暴的水汽輸送的平均貢獻率圖（圖5和圖7），其共同特點是：無論是平均貢獻率還是實際貢獻率，向北的緯向水汽輸送都比向東的經(jīng)向水汽輸送大，約大一倍；風暴對水汽輸送的大值帶位于對流層中層，這是否與高原大地形的影響有關還需進一步研究；緯向剖面圖中水汽輸送大值區(qū)隨高度向東傾斜，經(jīng)向剖面圖中則向北傾斜，表明孟加拉灣風暴水汽輸送通道主要是西南方向。不同之處在于，5月“峰值”期的實際貢獻率是10～11月“峰值”期的2倍，考慮到5月和10～11月兩個“峰值”期風暴統(tǒng)計的個例數(shù)之比為7:6，氣候平均的天數(shù)之比為310:610，從而說明在5月“峰值”期孟加拉灣風暴在西南方向上對水汽輸送的實際輸送量是 10～11月“峰值”期的4倍，如果扣除掉10～11月樣本容量是5月樣本容量兩倍的影響，那么5月“峰值”期孟加拉灣風暴在西南方向的實際水汽輸送總量約是10～11月的2倍，說明了孟加拉灣風暴前“峰值”期（5月）對水汽輸送的影響大于后“峰值”期（10～11月），孟加拉灣風暴是5月西南水汽輸送的主要系統(tǒng)之一。

圖7 同圖5，但為10～11月Fig. 7 The same as Fig.5, but for Oct–Nov peak period

圖8 同圖6，但為10～11月Fig. 8 The same as Fig.6, but for Oct–Nov peak period

5 小結

在孟加拉灣風暴5月和10～11月的兩個“峰值”期，風暴表現(xiàn)出較強的西南水汽輸送特征，其中向北的輸送較強，但受到高原阻擋，其次是向東的的輸送。通過合成分析表明：孟加拉灣風暴各層和整層的水汽通量在風暴中心區(qū)域及西南水汽通道上均高于氣候平均值，表明風暴對西南水汽輸送的貢獻是顯著的。

通過分析沿25°N緯向垂直剖面和沿100°E經(jīng)向垂直剖面的西南水汽輸送貢獻率表明：兩個“峰值”期風暴的南風水汽輸送比西風水汽輸送幾乎大一倍，且經(jīng)向水汽輸送的正貢獻中心位于90°E，對流層中層700～500 hPa，正貢獻區(qū)域隨高度向東傾斜，而緯向水汽輸送的正貢獻區(qū)域隨高度向北傾斜，表明孟加拉灣風暴水汽輸送通道主要是西南方向；風暴的西南水汽平均貢獻率，10～11月“峰值”期比5月“峰值”期約大一倍，而實際貢獻率則5月“峰值”期比10～11月“峰值”期大一倍。如果扣除掉10～11月樣本容量是5月樣本容量兩倍的影響，那么5月“峰值”期孟加拉灣風暴在西南方向的實際水汽輸送總量約是10～11月的2倍，說明了孟加拉灣風暴前峰值期（5月）對水汽輸送的影響大于后“峰值”期（10～11月），孟加拉灣風暴是5月西南水汽輸送的主要系統(tǒng)之一。

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