第40卷第1期高原气表Vol. 40 No. 1 2021 年2 月PLATE AU METEOROLOGY February, 2021
王娜，顾伟宗，邱粲，等，2021.山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征[J].高原气象，40( 1): 159-168. WANG N a, GU Weizong, QIU C an,et al, 2021. Characteristics of Atmospheric Water Vapor Distribution and Transport during Summer over Shan­dong Province [j]. Plateau Meteorology, 40(1)：159-168. DOI：10. 7522/j. issn. 1000-0534.2019.00119.
山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征
王娜、顾伟宗2，邱粲\孟祥新、周放3
(1.山东省气候中心，山东济南250031;
2.山东省气象局大气探测技术保障中心，山东济南250031;
3.中国科学院大气物理研究所，北京100029)
摘要：利用山东省气象站的降水量资料和JR A-55、NCEP/NCAR再分析资料，分析了1962-2016年山东
夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律，探讨了夏季降水与
水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源，结果表明：从常年值来看，山东平均夏季降水量为
401.2 m m，大气可降水量为3478. 8 m m，降水转化率为11. 5%.。降水转化率和降水量的时空演变特征更
加一致，经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切，当大气可降水量充沛、外
部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时，更加有利于山东南部地区降水的发生发展，从而形成夏季降水
量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾
和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地，巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是
重要的冷空气输送区域；当山东上游盛行偏西风时，自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽
扰动并发展，是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件_
关键词：大气可降水量；降水转化率；水汽通M；水汽路径
文章编号：1000-0534(2021 )0卜0159-10 中图分类号：P426 文献标识码：A
DOI: 10. 7522/j. issn. 1000-0534. 2019. 00119
1引言
山东省地处华东沿海、黄河下游、京杭大运河 中北段。西部为黄淮海平原，连接中原，中部为鲁 中山区，地势高突，东部为山东半岛，伸人黄海、渤海。山东水资源主要来源于大气降水，黄河水是 可以利用的主要客水资源，长江水是南水北调东线 工程建成后可以利用的另一主要客水资源。山东 水资源总量仅占全国的1. 1%，在全国各省（市、自治区）中处于倒数，人均水资源占有量小于500
属于严重缺水地区。水资源紧缺是山东的基本省 情，也是社会各界和科学领域广泛关注的问题。
要合理开发利用山东省空中水资源，首先要客 观认识相关气候要素的分布特征和变化规律整层大气可降水量是指从地面到大气顶单位面积大气柱中水分含量全部凝结并降落到地面可以产生的降水量，是降水产生的必要条件，也是评估空中 水资源的重要依据（Zhai and Eskridge,1997；杨红 梅等，1998；钱正安等，2018；常姝婷等，2019)。整层降水转化率是整层大气可降水量与实测降水量的比率，能够大致衡量一个地区一段时间整层水 汽转化为降水的效率高低，是空中水资源开发与否 的重要
量度（Simmondsetal,1999；李霞和张广兴，2003；史玉光和孙照渤，2008a；王维佳和赵兴斌，2010；李进等，2012；王慧清等，2018)。大气中水 汽的来源、输送的路径及其收支情况是构成该地区 水分循环过程，特别是空中水资源状况的关键环节，对区域水分平衡起着重要作用，并且与大气环
收稿日期：2019-11-12；定稿日期：2020-01-14
资助项目：山东省气象局青年科研基金项目（2017SD Q N06)；山东省气象局预报员专项（SDYBY20I8-03)；山东省气象局气象科学技术研究项目重点课题(2016sdqxz02)；公益性行业（气象）科研专项(GYHY201306033); B家自然科学基金项目（41275073)
作者简介：王娜（1988—），女，河北泊头人，工程师，主要从事短期气候预测研究和气候异常诊断.E-mail: **************
通信作者：顾伟宗（丨980—)，男，山东日照人，研究员，主要从事气候异常诊断和预测方法研究及应用.E-m a il：丨*******************
160高 原气象40卷
流演变和区域旱涝变化有着密切的内在联系，是学 者研究的重要课题之一(Chen and Tzeng,1990；黄 荣辉等，1998; 丁一汇和胡国权，2003；梁萍等，2007；史玉光和孙照渤，2008b；刘艳华等，2011;
刘菊菊等，2019；朱飆等，2019；朱丽等，2019)。
山东夏季降水占全年降水量的60%以上，降水 年际波动大，空间分布型态多变，旱涝交替发生，造成降水异常的大气环流因子和外强迫因素也相当复杂（胡桂芳，2011；顾伟宗等，2012, 2018；顾 薇，2016；孟祥新等，2017)：目前，考察山东夏季 降水量时空变化气候学特征的工作较多，而对于与 降水密切相关的水汽输送等问题的研究还相对匮乏。因此，本文利用气象观测站降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料研究山东夏季降 水相关要素及其水汽输送过程的气候特征和异常变化，以期加深对降水气候异常和空中水资源问题 的认识。
2资料来源
文中用到的资料：U)山东省95个气象站的月 降水量资料；（2)jRA-55月平均再分析资料的整层 (1000〜100 hPa)大气可降水量数据，水平分辨率为1.25°x l. 25° (Kobayashi et al,2015)；(3)NCEP/ NCAR再分析资料，包括月平均的空中8层等压面 (1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400 和 300 hPa)上的比湿、纬向风、经向风和地面气压数据，一日 四次的Sig995层上的纬向风、经向风数据，水平分 辨率为 2.5°x2.5°(Kalnayetal,1996)：文中涉及 的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为G S(2019)1824的中国地图制 作，底图无修改。
研究的时段是1962—2016年的夏季(6_8月），文中各变量气候标准值(常年值)均采用1981 —2010 年
平均。
3方法介绍
3. 1降水转化率
首先将再分析资料JRA-55的月平均整层大气 可降水量数据乘以各月的天数，得到月整层大气 可降水量，再将6—8月的降水累加得到夏季整层 大气可降水量：然后将季整层大气可降水量格点 数据通过双线性插值方法插值到相应的气象站点上。
降水转化率的汁算公式为：
尸=二X 100% (1)
P,
式中：P表示降水转化率(单位：％)；之表示气象站 实测降水（单位：mm); P,，表示整层大气可降水量 (单位：mm)。
3.2水汽通量和水汽通量散度
水汽输送通量是单位时间流经某一单位截面 积的水汽质量，分为水汽水平输送通量和水汽垂直 输送通M，本文仅讨论水汽的水平输送，那么水汽 通量为水汽水平输送通量的整层积分：单位边长 大气的水汽输送通量矢M0[单位：kg_(n v s)H]的i十算公式为：
0 =丄(2)
g J•
式中：g为重力加速度（单位：rrrs-2);P、.和P，分别 为所取气柱底气压和顶气压，本文取整层大气，即P、为1000 hPa,P，为300 hPa；卩为该单位气柱内各 层大气的风速矢量（单位：n v f); ^是各层大气的 比湿（单位：g^g-1)；矢量0可以分解为纬向水汽 通量和经向水汽通量gv，由西向东、由南向北输 送为正，反之为负。
水汽通量散度是单位时间内流人或流出单位体 积的水汽质量，用以描述水汽的辐合辐散状况，整层 水汽通量散度/)[单位：kg•(s广]的计算公式为：
乃=丄f P▽P(«??)dp(3)
8J■
3. 3水汽输送轨迹
采用任宏利等(2004)提出的后向轨迹模型计 算山东夏季多雨年到达济南站的二维气块输送轨 迹，即根据半拉格朗日积分方案（Robert,1982), 在给定风场演变的情况下，迭代搜寻到达目标点的 气块在上一时刻的位置，直至确定其出发点所在位 置，迭代公式如下：
('=At(m2U)(X, - «；；,, 7, - /?,；,ak,t)
{(4) {^；1= A/(nrV)(X,~ «；；,,Y, -/]；t, akJ)
式中：a,/t, &分別为地图投影面上x,y坐标方向的 位置变化，投影面采用北半球的极射赤面投影；t/, K代表投影面风速的x，方向分量；w为地图放大 系数,:，将一日4次的NCEP/NCAR Sig995层上的风 场再分析资料线性插值成逐小时资料，搜索时间间 隔A/取1h，每条轨迹的时间长度取为10天，这样 每条轨迹的迭代步数就是240:
另外，本文还使用了九点二次平滑、线性相关 系数和/检验、合成分析等气象上常用的统计方法
王娜等：山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征161 1期
(魏凤英，2007)。
4结果分析
4.1整层大气可降水量和降水转化率
夏季，山东平均降水量的常年值为401.2 mm，由1962 —2016年平均降水量的年际、年代际时间演 变曲线（图1)可以看出，夏季降水量的年际振荡显 著并表现出年代际阶段性特征。降水量最大值出 现在1964年，为666. 1mm，最小值出现在2002 年，为205. 6 mm。20世纪60年代到70年代初，降 水量先减小后增加，这一阶段的年际跃变较强，之 后到80年代中期降水呈振荡减小的年代际演变趋700-1
650-
600-
550-势、年际波动较为平缓，20世纪80年代末到21世 纪初年际跃变加强，随后降水以偏多为主、年际波 动减弱。
夏季，山东平均整层大气可降水量和降水转化 率的常年值分别为3478. 8 mm和11.5%。从空间 分布（图2)来看，降水量[图2(a)]自东南向西北递 减，东南部在460 mm以上，西北部在380 mm以下；大气可降水量[图2(b)]自南向北递减，南部在 3600 mm以上，北部在3400 mm以下；降水转化率 [图2(c)]的空间分布型态与降水量的分布特征较 为一致，由东南向西北递减，东南部可以达到13% 以上，西北部在10%左右。
**降水量
-----降水量九点二次平滑
1962 1965 1968 1971 丨974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
年份
图11962—2016年夏季山东平均降水量的年际、年代际时间演变曲线Fig. 1The interannual, decadal time series of average rainfall in summer over Shandong during 1962—2016
(a) (b) (c)
35〇n-35〇n-
-----1---------1---------H-------1----34°N -I------1---------1---------H-------1----34°N -------1---------1---------H-------1—
116°E 118°E 120°E 122°E116°E 118°E 120°E 122°E
3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700116°E 1I8°E 120°E 122°E
10 11 12 13
图2
340 360 380 400 420 440 460 480 500
山东夏季降水量(a，单位：m m)、整层大气可降水量(b，单位：m m)和降水转化率(c，单位：％)的常年值空间分布Fig. 2 The climatology of summer precipitation (a, unit：m m), whole atmospheric column precipitable water (b, unit：mm) and precipitation conversion efficiency (c, unit：%) over Shandong
从年际、年代际时间演变曲线（图3)来看，夏 季整层大气可降水量最大值出现在1967年，为 3983. 1mm，最小值出现在1968年，为3102. 9 mm。大气可降水量的年代际演变趋势与降水量的 相似，但在某些阶段呈相反特征，如20世纪70年 代中期和21世纪00年代中期。降水转化率最大值 出现在1964年，为17. 5%，最小值出现在2002年，为6. 1%，其年代际演变特征与降水量的基本一致。20世纪60年代中期和70年代中期大气可降水量偏多的年份（如1967年和1977年），降水转化率较低，降水量并未显著偏多；21世纪00年代末降水 转化率加强，因此即使大气可降水量偏少，降水量 依然偏多（如2009年）。
夏季，从空间分布和时间演变来看，降水转化 率的特征都与降水量的特征更为一致，说明在一定 程度上，降水转化率更能决定地面降水。在降水量 最多的1964年，虽然大气可降水量并非最大值，但 由于降水转化能力强，造成降水异常偏多；而在降
1 / _«
镗
周放162高 原气象
■可降水置
-可降水置九点二次平滑
-
降水转化率
-降水转化率九点二次平滑
inrm
1962 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
年份
图3 1962—2016年夏季山东平均整层大气可降水量和降水转化率的时间演变曲线Fig. 3 The interannual, decadal time series of average whole atmospheric column precipitable water and precipitation conversion efficiency in summer over Shandong during 1962—2016
水量最少的2002年，大气可降水量为3389. 6 mm，略小于常年值，但这一年的降水转化率最小，大气 可降水量并没有形成有效降水。
4.2整层大气的水汽通量特征
从常年值的空间分布来看，夏季，山东纬向水 汽通量[图4(a)，（b)]的方向为自西向东，数值在 50~100kg_(n v s)H之间，由西向东递增；经向水汽 通量[图4(a), (c)]的方向是自南向北，数值在20〜
50 kg_(m*s)H之间，东南地区的通量高于西北地
(a)区，与图2(c)中降水转化率常年值的分布型态相 似，表明在一定程度上，经向水汽通量更能决定山 东的地面有效降水。山东全省盛行两南风[图4 (a)]，有利于南海和西北太平洋上的水汽向北输 送。事实上，从山东全年和春、秋、冬季的水汽输 送情况来看（图略），纬向水汽通M的方向都是白西 向东，而经向水汽通量的方向不同于夏季，是由北 向南，全省盛行西北风，不利于海洋上的水汽输送 到山东，这也造成全年降水多集中于夏季。
(b)
：：：7S F
--------1--------------1-------------H-----------1------- 34°n J----------1--------------1--------------H-----------1—
116°E 118°E 120°E 122°E
30 35 40 45
图4山东夏季水汽通量(a)、纬向水汽通量(b)和经向水汽通量(c)的常年值空间分布[单位：kg*(nvs)H] Fig. 4 The climatology of whole atmospheric column water vapor flux (a), zonal water vapor flux (b) and meridional water vapor flux (c) in summer over Shandong. Unit ：kg • (m • s)"'
大气环流和水汽变化共同影响着局地降水异 常，水汽通量这一物理要素能够综合反映这两方面 的作用，水汽通量的辐合辐散与降水的分布也有很 好的对应关系图5给出了夏季山东平均降水量与 同期和6 —8月各月整层大气水汽通M的相关矢量 场分布，其数学形式为：
R= R j+R J(5)式中：&…和分别为降水量与纬向水汽通量#和经向水汽通量g V之间的相关系数3
从经向水汽通量[图5(a)]来看，在中国东部有一个显著的正相关区域，另外在印度半岛上还 有一个较小的正相关中心，相关矢量均显著向北，表明当来自印度洋和西北太平洋上的水汽输送加 强时，有利于造成山东全省降水偏多。显著的负 相关区域共3个，有两个分别位于菲律宾以南赤道 附近的洋面和西北太平洋上，意味着强盛的越赤 道气流和西北太平洋副热带高压西侧的偏北气流 建立了一支赤道太平洋到西北太平洋的水汽通道，将海洋上的水汽源源不断的输送至山东；第三 个区域自伊朗高原延伸至巴尔喀什湖东南侧，贝
卷
王娜等：山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征163 1期
70°N
(a)夏季(b)6 月
40°E 60°E 80°E 100°E 120°E 140°E 160°E
(c)7 月
0.50
0.40
0.26
-0.26
-0.40
-
0.50 (d)8 月
40°E60°E 80°E 100°E 120°E 140°E
图5夏季山东平均降水量与整层大气水汽通量的相关矢量场
粗等值线和阴影区域分别表示/通过0. 05显著性水平检验Fig. 5 C orrelations betw een the sum m er precipitation anom alies averaged in Shandong and the w hole atm ospheric colum n m oisture fluxes in sum m er. The solid lines and the shadings indicate
significant Rq u and Rq v at the 0. 05 confidence le v e l, respectively
加尔湖以西有一个逆时针的相关矢量场，表明贝 加尔湖西侧的反气旋结构有利于将中高纬的冷空 气输送至山东并与暖湿气流汇合造成降水异常偏 多，这一结论也与王娜等（2019)得到的降水偏多 年合成场的结果一致。从讳向水汽通量来看，正 相关中心自新疆延伸至日本，负相关中心位于贝 加尔湖西侧，体现了低空急流和中高纬偏西气流 对山东上游水汽的输送。
图5(b)~(d)考察了季节内各月的水汽输送对 整个夏季降水的贡献，3个月的相关分布有较大差 异。6月[图5(b)]，最明显的两个相关区域分别为 位于山东到东北地区的正中心和位于青藏高原到 新疆的负中心，表明来自西北太平洋上的暖湿气流 与来自贝加尔湖以西的冷空气汇合造成降水偏多。7月[图5(c)]，
位于中国东部的正相关区域呈东北-西南向的带状，位于西北太平洋和菲律宾、赤 道附近的负相关系数明显增大，显著的纬向水汽输 送相关区域与季节的一致，表明7月冷空气活动较 弱，而经向风分量将来源于热带太平洋、西北太平 洋和孟加拉湾的水汽输送至山东，纬向风分量将上游的水汽输送至山东，造成降水大范围偏多。8月[图5(d)]，正负相关系数都有所减小，水汽主要来 源于中国南海。
从夏季山东平均降水量与同期和6—8各月整 层大气水汽通量散度的相关分布（图6)可以看出，夏季[图6(a)]，相关系数在全省都为负值，水汽辐 合有利于降水偏多，高相关区域位于中部和南部地 区，与图2(a)和(c)中降水量和降水转化率常年值 的空间分布型态相似，说明当出现水汽辐合条件 时，更有利于南部地区降水的发生发展。从各月的 情况来看，6月[图6(b)]和8月[图6(d)]的分布特 征相似，高相关区位于山东南部，7月[图6(c)]有 所差异，西部相关系数较高，这也与图5中经向水 汽通量相关系数的分布特征一致，相比较6月和8 月，环流形势易将水汽输送到山东西部地区，并出 现水汽通量散度福合，从而造成降水。综合来看，夏季山东的南部地区整层大气可降水量更加充沛，这一区域的降水量与经向水汽输送和水汽通量散 度的关系更为密切，那么当外部水汽输送充足并出 现局地水汽辐合时，更加有利于南部地区发
生降