作为水分循环的一个重要分量，大气的水汽收支不仅与大气环流和天气系统中的水汽含量多寡有关，而且通过潜热释放和辐射作用对能量输送和平衡产生重要影响(Webster，1994; Serreze et al.,1995)，是气候系统中一个重要的热力过程。相对于地表水循环过程，水循环的大气过程具有更大的空间尺度，在区域水分循环中有十分重要的作用。因此对区域水汽收支的研究，有助于揭示区域水循环规律，加强对区域水循环的理解。

近年来，随着观测资料的日益丰富及全球再分析资料的陆续发布，学者们对区域水汽收支开展了许多有意义的工作。丁一汇和胡国权(2003)分析了1998 年中国大洪水时期的全球水汽背景，指出降水主要来自水汽的辐合项，辐合主要发生在大气低层，且长江流域的强降水过程与大尺度水汽辐合的极大值密切相关。Zhou and Yu(2005)研究了与夏季中国典型异常降水型相联系的大气水汽输送，发现夏季的两个异常降水型的水汽来源皆不同于正常情况下的季风降水。周玉淑等(2005)通过对2003年6月21日～7月11日强梅雨期间水汽输送流函数及非辐散分量、势函数与辐散分量以及江淮地区水汽收支的分析，发现大气中的水汽输送和辐合对梅雨和梅雨锋系双锋结构的形成提供了必要的条件。赵瑞霞等(2008)研究了夏季风期间与不同月份长江流域水汽收支的年际变化显著相关的大尺度水汽输送，并分析了水汽收入多寡年对应的不同环流异常配置。Zhang et al.(2009)揭示了近五十年来长江中下游流域夏季水汽收入的明显增多导致该区域降水以及径流出现增长趋势。Feng and Zhou(2012)利用多来源的资料研究了青藏高原夏季水汽输送，就气候状况而言，青藏高原在夏季是水汽汇，通过南边界的水汽输送，是青藏高原西南部夏季降水的主要水汽源，来自西边界的水汽仅为南边界的32%。但通过西边界的水汽输送对青藏高原西南部夏季降水的年际变化起主要作用。

研究区域水汽收支所需的观测资料难以获取，尤其是土壤含水量、蒸发及径流等要素，这 给区域水分收支的研究带来了很大困难。ERA40，NCEP/NCAR等再分析资料发布之后，区域水分平衡的估算能力有了较大提高(Oki et al.,1995; Mo and Higgins，1996)。这些资料综合了地面、探空、卫星等观测资料，经过天气模式的客观同化，为水分收支分析提供了所需的各种要素。但为了使模式的部分输出量与实测接近，同化过程中进行了余项订正，因而其水分收支并不平衡，存在一个虚假“余项”(Kanamitsu and Saha，1996; Roads et al.,1999)。评估发现，在特定海域特别是中、低纬度，ERA资料与NCEP/NCAR资料的结果相差较大(周天军，2003)；ERA40及NCEP/NCAR等再分析资料对我国区域水分平衡的描述与实际观测仍然存在差异(张文君等，2007)。在江淮区域，ERA40及GAME资料优于NCEP/NCAR资料(韩荣青等，2004；赵瑞霞和吴国雄，2007)。但对有限区域的水分平衡估算而言，ERA40等资料的水平空间分辨率相对较粗，对次网格过程有所忽略，这可能是它们与实际观测误差的来源之一。最近，ECMWF发布了另一套分辨率更高且接近实时更新的再分资料(ERA-Interim)，该资料被认为是ERA40的升 级，它在大气质量守恒、水分收支和能量循环等方面有了显著的改善(Berrisford et al.,2011)。ERA-Interim的水平分辨率由ERA40的T159提升至T255(由之转换为N128即512×256的高斯格点网格)，接近0.7°×0.7°，在本文所研究的区域内水平分辨率为73 km×73 km，明显高于2.5度粗网格的分辨率(258 km×258 km)。且该资料采用原始的60混合σ层，使垂直分辨率也有所提高。利用该套原始网格的再分析资料估算区域水分收支，将避免空间插值所导致的误差，同时也能降低水汽辐合项垂直积分时低层积分的计算复杂程度。

江淮区域是我国主要的工业发达地区。由于地处东亚季风影响区，江淮区域水分循环的时空变化 十分明显，旱涝灾害时有发生。研究表明，温度、降水、蒸发、径流以及各要素间的相互作用，对江淮区域的气候变化及社会经济存在显著影响(Gong et al.,2006; Jiang et al.,2006; Zhang et al.,2006)。因此，研究江淮区域水汽收支具有重要的科学意义。2011年夏季江淮流域降水总体偏多，在6月份梅雨期间更是出现了四次大范围的强降水，局部地区降水距平百分率达100%以上，皖、湘、鄂、赣、苏、浙等省份旱涝急转，出现严重的洪涝灾害。本文将采用ERA-Interim再分析资料中的6小时原始模式输出资料，分析2011年夏季江淮区域水汽汇的演变及各项的贡献，并在此基础上研究与水汽辐合项有关的水汽输送及相应的月平均环流和天气尺度扰动特征。

2 资料和方法 2.1 资料

使用资料为：(1)ERA-Interim再分析资料(Berrisford et al.,2009)中的6小时原始模式输出的风场(u、v)、比湿场(q)、位势场(z)，以及12小时预报场中的降水(P)和蒸发(E)，水平分辨率接近0.7°×0.7°，垂直方向为60混合σ层。时段为2011年6月1日00时(协调世界时，下同)到2011年8月30日18时。(2)气象科学数据共享服务网提供的中国逐日格点降水量实时分析系统(1.0版)降水集，水平分辨率为0.25°×0.25°，时段同(1)，文中称为观测降水。

如图 1所示，本文所指的江淮区域范围是(26°N～34°N，105°E～120°E)。江淮区域水汽平衡方程表达式如下：

其中，表示对江淮区域面积积分，，本文所用资料为原始的60混合σ层，因此垂直积分是由P_s到模式大气层顶，这就避免了地形对计算结果的影响。为直接由降水和蒸发求得的江淮区域水汽汇，反映了大气与下垫面的水分净交换量，简记为为江淮区域局地水汽变化量，简记为表示江淮区域的水汽辐合量。

图 1 江淮区域范围(26°N～34°N，105°E～120°E)(矩形)Fig. 1 A map of the Yangtze-Huaihe River basin(YHRB: 26°N-34°N，105°E-120°E)as indicated by the rectangle

由格林定理，又可以表示为：

其中，∂A为江淮区域的边界，n为边界的法向单位向量。因此，可以利用边界流入量来估算江淮区域整层的水汽辐合量(丁一汇和胡国权，2003；周玉淑等，2005；赵瑞霞等，2008)。这种算法计算简便且能很好地描述各边界上的水汽输送，是常用的计算方法。表示由边界流入量计算的江淮区域水汽汇，简记为I_cv。但若要得到水汽辐合量在区域内的空间分布，还需引入格点辐合量的算法。根据散度公式，相应格点上整层水汽辐合量的球坐标公式为：

其中，a为地球半径，λ为经度，ψ为纬度，(uq，vq)均对应风速与比湿乘积的垂直积分。假设由该公式所得的差分方案较为准确，根据质量守恒原理，由各格点相加的水汽辐合量应该与由边界输入估算的水汽辐合量I_cv相等。

则(1)式可简写为I_P-E=I_CV-I_W，将I_CV-I_W记为I_A。I_A即为由局地水汽变化量I_W和水汽辐合量I_CV倒算的江淮区域水汽汇。

总水汽输送及水汽汇可以分解成定常部分及瞬变部分。定常分量利用月平均资料计算，瞬变分量由一日四次的资料与月平均资料的差值计算。具体计算方案可参见文献(周天军等，2001)。

图 2给出了江淮区域水汽汇I_P-E和I_A的时间演变。可以看出，I_A和I_P-E的演变非常一致，二者的相关系数达0.99，满足(1)式，这表明ERA- Interim资料能很好地描述江淮区域的水汽收支平衡。而I_A与I_P-E在振幅较小处的微小差异可能与模式同化时陆面过程对蒸发表达不够有关(张文君等，2007)。

就季节平均而言，2011年夏季江淮地区是水汽汇区，平均水汽汇值为3.57×10¹² kg d^-1，说明江淮地区夏季水分由大气向地面输送，这与雨季的特征是对应的。就月平均而言，6月的平均水汽汇值最大，达7.25×10¹² kg d^-1，7月水汽汇值明显减小，平均值降至1.37×10¹² kg d^-1，8月水汽汇月均值回升至2.09×10¹² kg d^-1；且月平均观测降水量的变化与水汽汇变化一致。由图 2还可以看出，水汽汇和降水均有明显的2～6天的天气尺度振荡，且它们呈一致性变化，在6月4～7日、9～12日、14～16日、18～19日的大范围强降雨过程均对应水汽汇的峰值。观测降水与I_A和I_P-E的相关系数分别达0.9和0.93。需要说明的是虽然月、季尺度江淮地区水汽汇均为正值，但逐日的水汽汇在某些时段仍出现了负值(即为水汽源)。这也说明了水汽汇的天气尺度振荡也是很重要的。

图 2 2011年6月1日至8月30日江淮区域水汽汇IA(实线)、IP-E(虚线)及区域平均的观测降水(点线，对应右坐标)的变化Fig. 2 Time series of regional moisture sink IA(solid line)，IP-E(dashed line)，and regional mean station precipitation(dotted line，corresponding to the right vertical coordination)over YHRB from June 1 to August 30 in 2011

此外，ERA-Interim资料江淮区域水汽汇与观测降水的相关系数(0.90)高于相同时段NCEP/ NCAR再分析资料江淮区域水汽汇与观测降水的相关系数(0.73)。这应该是高分辨率资料相较低分辨率资料在区域水汽收支计算方面有所改善的表现。

3.2 水汽汇各项的演变 图 3给出了江淮区域水汽汇I_A、水汽辐合量 I_CV及局地水汽变化量I_W的时间演变。可以看出水汽辐合量I_CV与水汽汇I_A的变化有较好的对应关系，相关系数为0.62，说明水汽辐合项I_CV对水汽汇的贡献显著。仔细分析还可发现，I_CV的位相大约比I_A超前1天，其超前一天的相关系数为0.78，较同期大有提高，说明I_CV对区域水汽汇有一定的预报技巧。局地水汽量I_W亦具有与I_A和I_CV相当的振幅，因此局地水汽变化至少在天气尺度上是不能忽略的。I_W与同期I_A相关系数为－0.25，而与滞后两天的I_A相关系数为0.33，说明水汽的局地变化项对水汽汇也具有较好的指示作用(以上相关系数均通过α=0.05的显著性检验)。

图 3 2011年6月1日至8月30日江淮区域IA(实线)，水汽辐合量Icv(点划线)及局地水汽变化量Iw(点线)的变化Fig. 3 Time series of regional moisture sink IA(solid line)，moisture convergence Icv(dash-dotted line)，and local moisture tendency Iw(dotted line)over YHRB from June 1 to August 30 in 2011

图 4给出了2011年6月1日至8月30日江淮区域水汽汇I_P-E、区域总降水量P_r、区域总蒸发E_r以及区域平均的观测降水。可以看出，ERA- Interim资料降水量P(为12小时预报场)与观测降水相关系数达到0.93，说明它对江淮流域降水有较好的预报效果。同时降水量P_r与水汽汇I_P-E位相一致，振幅相当，呈显著的正相关关系，相关系数高达0.99。而蒸发E_r的振幅远小于降水量P_r及水汽汇I_P-E，总体来说降水量P_r比蒸发E_r大一个量级，说明2011年夏季江淮地区总降水量P_r对水汽汇的贡献远大于蒸发E_r。降水对水汽汇的主导贡献在一定程度上弥补了分析中忽略对地表径流净输入产生的蒸发量不足。在逐日演变中，某些时段蒸发E_r大于降水量P_r，说明若对天气尺度水汽汇进行分析，蒸发E_r的变化也不能完全被忽略。

图 4 2011年6月1日至8月30日江淮区域水汽汇(实线)，区域总降水量Pr(虚线)，区域总蒸发Er(点划线)以及区域平均的观测降水量(点线，对应右坐标)Fig. 4 Time series of regional moisture sink(solid line)，precipitation Pr(dashed line)，evaporation Er(dashed-dotted line)，and regional mean station precipitation(dotted line，corresponding to the right vertical coordination)over YHRB from June 1 to August 30 in 2011

值得注意的是，再分析资料中降水量P和蒸发E的估算都是通过天气预报模式的对流、大尺度降水以及表面水分相互作用等参数化后作预报实现的，其准确性依赖于再分析系统的同化方案及参数化方案，与实际观测存在一定误差。因此，利用水汽辐合量I_CV及局地变化量I_W计算的水汽汇I_A应比用预报量P和E估算的水汽汇I_P-E更为合理。且水汽辐合量I_CV与大气环流异常的对应关系也更为直接。

图 5、6分别给出了2011年夏季逐月平均的700 hPa位势高度和整层水汽通量，以及江淮区 域月平均水汽汇各项值及区域边界水汽输入输出值。可以看出，6月，副高西伸至120°E以西，脊线大约在22°N附近；中纬度西风槽位于朝鲜半岛以北地区。在副高及西风槽的共同引导下，水汽通过西南气流从孟加拉湾及南海向华南、华东地区输送，并一直延伸至朝鲜半岛南部及日本。这条水汽输送带造成了江淮区域南边界和东边界较大的水汽通量。由图 6也可看出，其南边界输入量和东边界输出量较大，西边界的输入量和北边界的输出量相对较小。这与周玉淑等(2005)揭示的2003年梅雨期江淮流域水汽收支情况较为相似。7月，副高西伸北抬，水汽输送大值带随之北抬至华北—朝鲜半岛一带。造成江淮区域南边界输入减小和北边界输出增大，同时东边界的水汽输出也有明显减少。因此，虽然7月江淮地区仍为水汽汇区，但量值明显降低。8月，副高进一步西伸北抬，进入江淮区域的水汽通量减小，但此时东边界和北边界的输出量减小更为明显，江淮区域的水汽汇值反而有所增加。由图 6还可知道，水汽辐合项对月平均的水汽汇起主导作用。

图 5 2011 年夏季逐月平均700 hPa 位势高度(等值线，gpm)和整层水汽通量(矢量，kg m-1 s-1)：(a)6 月；(b)7 月；(c)8 月。矩形框标出了江淮流域范围Fig. 5 The distribution of monthly mean 700-hPa geopotential height(contour，gpm) and vertically integrated water vapor fluxes(vector，kg m-1 s-1)overYHRB in 2011:(a)June;(b)July;(c)August. The solid rectangle denotes the YHRB region

图 6 2011 年夏季江淮区域月平均水汽汇各项值及区域边界水汽输入输出值，区域边界位置见图 5 中的矩形框。单位：1012 kg d-1Fig. 6 Conceptual chart of monthly mean values for regional moisturesink terms over YHRB and moisture fluxes crossing each of the fourYHRB borders. The four YHRB borders are indicated as solid rectangle inFig. 5. Unit: 1012 kg d-1

由以上分析可知，2011年夏季江淮区域月际尺度的水汽汇变化与大尺度大气环流尤其是副高有密切关系。大尺度大气环流主要通过影响与水汽输送密切相关的水汽辐合量对江淮区域的水汽汇造成影响。

4.2 天气尺度扰动

图 7a给出了2011年夏季江淮区域水汽汇I_A与700 hPa位势高度的相关系数。可以看出，与江淮区域水汽汇显著相关的环流异常主要位于江淮流域及西南地区，表现为负相关关系，说明江淮流域及西南地区对流层低层气压异常偏低时，江淮地区降水往往增多。从2.5～6天带通滤波后的I_A序列对700 hPa位势高度及风场距平的回归场也可以看出(图 7b)，江淮流域及西南地区为异常低压，伴随着气旋式的异常风场，这说明该地区的天气尺度的扰动与江淮区域的水汽汇显著相关。图 7c 给出了2.5～6天带通滤波后的I_A序列对整层水汽通量和水汽辐合量的回归系数。可以发现，显著异常的整层水汽辐合出现在江淮区域。即江淮区域水汽辐合量增大时，天气尺度水汽汇聚明显增多，反之亦然。因此，江淮流域及西南地区的天气尺度扰动对江淮区域水汽汇及降水的天气尺度振荡起到至关重要的作用。

图 7(a)2011年夏季逐日江淮区域水汽汇IA与700 hPa位势高度场的相关系数，阴影区通过0.1显著性水平的t检验；(b)2.5～6天带通滤波的IA标准化序列对700 hPa位势高度距平(等值线，m)以及风场距平(矢量箭头，m s-1)的回归系数，阴影区和矢量均通过0.1显著性水平的F检验；(c)2.5～6天带通滤波的IA标准化序列对整层水汽辐合量距平(等值线，kg s-1)及水汽通量距平(矢量箭头，kg m-1 s-1)的回归系数，阴影区和矢量均通过0.1显著性水平的F检验Fig. 7(a)Simultaneous correlation coefficients between daily time series of regional mean moisture sink IA over YRHB and 700-hPa geopotential height field，shaded areas denote values passing Student’s t-test at 0.1 significance level;(b)regression coefficients of 700-hPa geopotential height anomalies(contour，m) and wind field anomalies on 2.5-6 day b and -passed time series of IA;(c)same as(b)but for anomalous vertically integrated moisture convergence(contour，kg s-1) and anomalous vertically integrated moisture fluxes(vector，kg m-1 s-1). Shaded areas and vectors in(b) and (c)denote values passing F-test at 0.1 significance level

计算了江淮区域定常及瞬变分量对区域边界水汽输送量及水汽汇的贡献率(表 1)。可以看出，瞬变分量对各边界的水汽输送量均在75%以上，定常分量比例则只占其25%以下。与之对应，江淮区域水汽汇的瞬变分量在6月与8月均占较大比例；但7月定常分量较大，贡献率为82.9%，这是由于各边界输送量瞬变部分的总体辐合较弱，使得区域水汽汇值本身较小所致。瞬变分量对水汽输送和区域水汽辐合的高贡献率进一步印证了天气扰动对江淮区域水汽汇聚及降水量变化的显著作用。

表 1(Table 1)

表 1 2011年夏季江淮区域定常及瞬变分量对区域边界水汽输送量及水汽汇的贡献率 Table 1 Contribution of stationary and transient components to total monthly mean values for regional moisture sink over YHRB and moisture fluxes crossing each of the four YHRB borders 左边界 右边界 下边界 上边界 水汽汇 定常 瞬变 定常 瞬变 定常 瞬变 定常 瞬变 定常 瞬变 6月 21.8% 78.2% 23.9% 76.1% 24.8% 75.2% 12.3% 87.7% 38.2% 61.8% 7月 19.5% 80.5% 24.8% 75.2% 24.9% 75.1% 15.7% 84.3% 82.9% 17.1% 8月 13.9% 86.1% 24.6% 75.4% 23.7% 76.3% 15.6% 84.4% 29.6% 70.4%

表 1 2011年夏季江淮区域定常及瞬变分量对区域边界水汽输送量及水汽汇的贡献率 Table 1 Contribution of stationary and transient components to total monthly mean values for regional moisture sink over YHRB and moisture fluxes crossing each of the four YHRB borders

本文利用ERA-Interim的原始模式输出资 料，详细分析了2011年夏季江淮区域水汽汇的演变及各项的贡献，研究了与水汽辐合项有关的水汽输送及相应的月平均环流和天气尺度扰动。得到以下主要结论：

(1)ERA-Interim再分析资料对江淮区域夏季水汽平衡有较好的描述能力。由水汽辐合项I_CV与水汽局地变化项I_W计算的水汽汇值I_A和用降水量P与蒸发E求得的水汽汇值I_P-E高度一致，说明该资料可用于研究江淮区域的水汽汇。

(2)2011年夏季江淮区域整体处于水汽汇 区，且水汽汇值具有明显的2～6天的天气尺度振荡。降水量P对水汽汇的贡献远大于蒸发E，而水汽辐合项I_CV与水汽局地变化项I_W对水汽汇均有较大贡献，并且对水汽汇具有超前1～2天的指示作用。

(3)月平均环流和天气尺度扰动均通过与水汽输送密切相关的水汽辐合项对江淮区域水汽汇产生显著影响。月际尺度的水汽汇变化与大尺度大气环流尤其是副高有密切关系；而江淮流域及西南地区的天气尺度扰动对江淮区域水汽汇的天气尺度振荡起到至关重要的作用。

虽然ERA-Interim再分析资料对江淮区域水分平衡有较好描述，但其中也存在一定误差。由图 6可以看出，在降水比较充足的6月，I_P-E和I_A之间的差异较小，而当降水量减少，蒸发量增大时(7月和8月)，两者差异有所增大。这可能是同化系统对蒸发量的体现不够所致。由于陆面过程的复杂性，再分析资料中对于陆气交换的表达还不够完善，导致蒸发量的估算存在较大的不确定性(伊兰和陶诗言，1996；张文君等，2007)。这是区域水汽收支研究中值得注意的问题。

致谢 感谢欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和中国气象科学数据共享服务网提供的高分辨率资料数据集。感谢审稿专家和编辑对本文的改进提出的宝贵意见。