梅雨期长江三角洲地区极端降水的水汽路径和源地分析：基于拉格朗日轨迹模型的定量研究

本报告介绍一项由王严琪、陈杨瑞雪、罗亚丽、张宇、李祖垚共同完成的研究，其中王严琪、陈杨瑞雪、张宇、李祖垚来自成都信息工程大学大气科学学院，罗亚丽来自南京信息工程大学大气科学学院。这项研究发表于 2026年2月 出版的《成都信息工程大学学报》（Journal of Chengdu University of Information Technology）第41卷第1期，题为《梅雨期长江三角洲地区极端降水的水汽路径和源地分析》。

这项研究的学术背景属于天气学与气候学领域，具体聚焦于极端降水事件的水汽输送机理。长江三角洲（简称长三角）地区是中国经济最活跃、人口最密集的区域之一，同时也是东亚季风区的重要组成部分。每年6-7月，该地区受江淮梅雨影响，降水集中，且常伴随极端降水事件，引发严重的洪涝灾害。因此，深入研究该地区梅雨期极端降水的形成机制，对于提高强降水预报和防灾减灾能力具有重要的科学和实际意义。以往研究已经指出，充足的水汽输送，特别是来自区域外的异常强水汽输送，是极端降水发生的关键因素。然而，针对长三角地区梅雨期极端降水事件的系统性水汽来源定量研究相对较少。鉴于此，本研究旨在明确1979-2021年间梅雨期长三角地区发生的大范围极端降水事件中，水汽输送的主要通道和关键源区，并对不同源地的水汽贡献进行定量评估，以期丰富对该地区降水特征和形成机制的认识。

研究采用了详尽的流程来达成上述目标，主要包括数据准备、极端降水日筛选、轨迹模拟和水汽贡献计算四个核心环节，具体工作流程如下。

首先，在研究的数据与方法部分，团队使用了多源数据。降水数据来源于国家气象信息中心，采用1979-2021年夏季（6-8月）长三角地区192个国家级气象站的日降水资料。用于分析大气环流背景和驱动轨迹模型的数据，则来自欧洲中期天气预报中心的第五代再分析资料（ERA5），其时间分辨率为1小时，水平分辨率为0.25°×0.25°。这种高分辨率数据为精细刻画水汽输送的三维结构提供了可能。

研究的第一个关键步骤是定义和筛选极端降水日。团队采用广泛使用的95百分位法，为长三角地区每个气象站计算了其独立的极端降水阈值。具体方法是将每个站点在1979-2021年夏季所有日降水量大于等于0.1毫米的样本进行排序，取第95百分位的值作为该站的阈值。当某站的日降水量超过其自身阈值时，即定义为该站发生了一次极端日降水。在此基础上，研究专门关注梅雨期内（根据各省市气象部门提供的入梅和出梅日期确定）发生的、覆盖范围广的事件。他们筛选出了梅雨期内极端降水站点数最多的11天，作为本研究的典型样本事件进行分析。这11个样本日分布于1984年至2017年间，最大单日覆盖站点数达70个。样本选择标准确保了研究对象是具有区域代表性的强降水过程，而非局地性雷暴。

第二步，团队利用基于拉格朗日（Lagrangian） 框架的HYSPLIT轨迹追踪模型来追溯水汽的来源和路径。HYSPLIT（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型是美国国家海洋和大气管理局开发的一种广泛用于追踪气块运动轨迹的工具。本研究采用后向追踪方法，即从降水发生的时间和位置出发，逆向模拟气块在过去一段时间内的运动路径。具体的模拟方案设计得非常精细：追踪的起始区域覆盖了整个长三角地区（27°N-36°N，114°E-123°E）。为了捕捉不同层次的水汽输送，追踪起始高度选择了5层，分别是500米、1500米、3000米、5000米和8000米（大致对应925、850、700、500、300百帕等压面）。对于筛选出的11个极端降水日，每天进行4次独立的追踪模拟，起始时间分别为北京时的02时、08时、14时和20时，以覆盖日变化。每次模拟后向追踪持续10天，这是基于大气水汽平均存留时间约为10天的认知。模型输出每6小时的气块位置（经度、纬度、高度）和比湿信息。为了聚焦于实际参与降水过程的气块，研究进一步设定了筛选条件：只考虑那些在到达目标区域（即长三角）前的最后6小时内比湿下降的轨迹，将其定义为“有效轨迹”。通过统计经过全球各个网格点的有效轨迹条数，可以计算出“有效轨迹频率”的空间分布，这直观地反映了水汽输送的主要通道。

第三步是研究的核心创新和难点：定量计算不同源区的水汽贡献率。单纯的气块轨迹频率只能反映路径，不能直接等同于水汽贡献量，因为气块在运动过程中其含水量（比湿）会因蒸发和降水而不断变化。本研究采用了基于拉格朗日观点的定量诊断方法。其基本原理是，追踪每个气块在运动过程中比湿的变化，将比湿的增加归因于途径区域的蒸发贡献，将比湿的减少归因于该气块沿途的降水消耗。通过复杂的算法，可以计算每个地理网格单元（源区）对所有到达目标区域气块的总水汽贡献量。贡献量的计算考虑了气块在10天追踪期内每一时间步长的蒸发与降水过程。最终，某个源区对目标区域的总水汽贡献率，等于来自该源区所有气块贡献的水汽量之和，除以所有到达目标区域气块在降水发生前（最后6小时）的总比湿之和。基于水汽贡献率的空间分布，研究将全球相关区域划分为六个主要的水汽源区：亚欧大陆中部、印度洋、孟加拉湾、中国南海、太平洋和中国东部地区。

研究的主要结果内容丰富，层层递进，清晰地揭示了长三角梅雨期极端降水的水汽输送全貌。

首先，极端降水事件的特征与环流背景分析表明，这11次典型事件的累计降水大值区呈东西向分布在长三角中部，中心位于江苏南部，最大累计雨量超过1400毫米。环流分析显示，这些事件发生时存在有利的大尺度背景：西太平洋副热带高压异常强盛，其外围的西南气流将来自太平洋和印度洋的暖湿空气源源不断地输送至长三角地区；同时，中高纬度存在一个东北-西南向的高空槽，槽后的西北干冷气流与副高边缘的西南暖湿气流在长三角地区上空交汇，形成了强烈的水汽通量辐合中心和对流层低层的梅雨锋，为强降水提供了充沛的水汽、显著的辐合上升动力以及有利的锋面抬升条件。这解释了为什么这些事件能够造成区域性、大范围的极端降水。

其次，基于HYSPLIT模型的水汽输送通道分析结果直观地展示在有效轨迹频率分布图上。结果显示，向长三角地区输送水汽的气块主要有五条清晰的运动路径：1）源自印度洋，经孟加拉湾和中国南海向东北运动进入目标区；2）源自中国南海，经华南地区向北输送；3）源自太平洋，经中国南海后转向北；4）源自太平洋，经中国黄海向西输送；5）源自里海附近的亚欧大陆中部，向东偏南方向运动进入目标区北部。进一步分组分析各源区气块的轨迹频率发现，源自海洋的气块（印度洋、孟加拉湾、南海、太平洋）路径较长，且多从研究区域的西南或东南方向进入；而源自陆地的气块（亚欧大陆中部、中国东部）路径相对较短。对所有气块运动过程中平均高度和比湿的时序分析揭示了一个共同特征：所有源区的气块在到达目标区域前的最后24小时内，都出现了明显的抬升和比湿下降，这直接印证了它们参与了降水过程。此外，源自印度洋、孟加拉湾和太平洋的气块，在运动初期的比湿有先增加后减少的趋势，表明它们在经过其他温暖水域时（如南海）还额外获得了蒸发水汽的补充。

第三，也是本研究最具价值的发现，即各水汽源区的定量贡献。通过计算水汽贡献率，研究得以超越路径描述，给出精确的量化结果。计算表明，对长三角地区梅雨期极端降水贡献最大的水汽源区是中国南海，其贡献率高达26.4%；其次是太平洋地区，贡献率为22.2%。孟加拉湾和中国东部地区的贡献相当，分别为13.9%和14.0%。而印度洋和亚欧大陆中部的贡献相对较小，分别为11.9%和11.7%。这一量化结果与有效轨迹频率的分布既有联系又有区别：例如，虽然源自印度洋的轨迹频率不低，但其水汽贡献率却相对较低，这可能与气块初始湿度、输送路径上的蒸发补给量以及沿途的降水消耗等多种因素有关。水汽贡献率的大值中心位于研究区域的西南方向，这与主要水汽输送通道（西南路径）的指向一致，也对应着水汽通量辐合最强的区域。

基于以上详尽的分析，研究得出了明确的结论： 1. 梅雨期长三角大范围极端降水的发生，与强盛的副热带高压、高空槽以及两者共同导致的强烈水汽辐合和梅雨锋活动等有利环流背景密切相关。 2. 维持这些极端降水的水汽主要通过五条路径输送至降水区，路径源头覆盖了从印度洋、南海、太平洋到亚欧大陆中部的广阔区域。 3. 定量评估表明，中国南海是最重要的水汽源区，贡献了超过四分之一的水汽；太平洋次之。两者合计贡献了近一半（48.6%）的水汽。孟加拉湾、中国东部、印度洋和亚欧大陆中部也提供了重要但份额相对较小的水汽。

这项研究的科学价值和应用意义显著。其科学价值在于，首次专门针对长三角地区梅雨期极端降水事件，系统性地运用拉格朗日轨迹模型和定量诊断方法，清晰揭示了水汽输送的三维路径，并首次精确量化了不同源区的水汽贡献比例，将对该区域极端降水机理的认识从定性推向了定量。这弥补了以往研究多关注气候态或整个东部地区，或仅进行路径描述的不足。其应用价值在于，研究明确了影响长三角的关键远程水汽源区（南海和太平洋），这有助于预报员在业务预报中更关注这些关键源区的水汽异常变化（如南海夏季风、副热带高压的强度和位置），从而为改进极端降水的预报准确率、提升洪涝灾害的风险预警能力提供了重要的科学依据。

本研究的亮点突出：第一，研究目标明确且具有针对性，聚焦于经济核心区（长三角）和关键灾害天气（梅雨期极端降水）。第二，研究方法先进且严谨，结合了高分辨率再分析资料、严格的极端事件筛选标准、以及基于拉格朗日框架的HYSPLIT模型和复杂的水汽贡献定量算法，构成了一个完整、可靠的分析链条。第三，结论具有明确的定量性，不仅描述了路径，更给出了各源区的具体贡献率，使得结论非常坚实和有说服力。第四，研究流程设计细致，考虑了多起始高度、多起始时间以及“有效轨迹”的筛选，最大限度地保证了分析结果的代表性和可靠性。

此外，研究中还包含一些有价值的细节，例如对气块运动过程中高度和湿度演变的时序分析，不仅证实了其参与降水，还揭示了不同源区气块的特性差异（如大陆气块初始干冷，海洋气块路径中可能获得二次蒸发补给等），这些细节加深了对水汽输送过程本身的理解。致谢部分提及的资助项目也反映了该研究得到了国家自然科学基金和四川省自然科学基金的支持，属于受到认可的前沿研究方向。