基于拉格朗日方法的中国东部雨季水汽源地和输送路径的变化及其影响研究

Source areas and transport paths of water vapor arriving to East China are essential elements in determining rainfall properties in the regional climate during the rainy season in Summer，including the advance and retreat of the rain band, the beginning and end of the rainy season, the spatial distribution of precipitation, and finally the evolution of flooding and drought events. An objective and quantitative analysis of water vapor sources, transport paths and their changes during the rainy season in East China will be very useful in understanding the water cycle of the East Asian Summer Monsoon and in improving precipitation monitoring, diagnosis, and the ability of rainfall prediction. Such a study is of high scientific significance and practical usefulness. To do so, it is proposed to use a methodology of Lagrangian trajectory of air parcels. The focus is put on the variability of rainy season in East China during the last 40 years, including the south-to-north advance of the main rain band in the beginning of the season and its north-to-south retreat for the monsoon’s demise phase. The Lagrangian transport methodology allows tracking water vapor sources and their transport trajectories. It is then possible to precisely locate water vapor origins and quantitatively estimate their contribution to rainfall variability at interannual and decadal scales in the last 40 years. It is foreseen that different players of the regional climate, main climate modes will be clearly assessed for their role in rain-band shift, rainfall patterns and flooding-drought events, through changes in the water-vapor sources and transport paths.

中国东部雨带的进退、雨季的长短起讫及其夏季雨型、旱涝变化在很大程度上取决于水汽源地的位置、强度及其输送路径的变化，客观定量地确定我国东部各地区雨季水汽来源、输送路径及其变化，揭示它们对雨带进退、夏季雨型、旱涝变化的影响，对于加深东亚季风水循环过程的认识，提高我国汛期降水监测、诊断及其预测能力，具有重要的科学意义和实际价值。本项目拟通过拉格朗日数值传输模型，围绕中国东部雨季推进过程的变化，模拟追踪近40年中国东部华南雨季（前、后汛期）、江淮梅雨、华北雨季降水的水汽来源及其输送轨迹，定量估算各雨季的水汽源地、输送路径及其不同水汽源地的相对贡献，揭示各区域雨季水汽来源及其输送路径的年际年代际变化，阐明其对雨季推进过程、夏季雨型及其旱涝变化的影响，揭示气候变率主要模态对雨季水汽输送路径、源地位置、强度变化的可能影响。

项目基于拉格朗日轨迹追踪模型，综合使用轨迹聚类、蒸发降水诊断法、区域源汇归属法等多种方法，提出了客观定量地确定我国东部各地区雨季水汽来源、输送路径、贡献及其变化的方法；对中国东部地区季风雨带推进过程中的水汽输送通道、水汽源地、水汽垂直结构进行了详细系统的分析；探讨了水汽输送以及水汽源地特征的年际年代际变化及其可能机理。发现季风爆发前华南前汛期、华北雨季最主要水汽通道为太平洋通道，季风爆发后华南前汛期和江淮梅雨的最主要通道则为印度洋通道，轨迹占比均在30%以上；中国东部局地水汽循环对各雨季降水均起到重要作用，水汽贡献率达到30%以上，特别是华北雨季，超过一半的水汽源自中国东部地区；太平洋地区为季风爆发前的华南前汛期以及华北雨季重要水汽源地，南海地区则为华南前汛期降水提供大量水汽。印度洋源地输送路径经过印度半岛和中南半岛等重要的水汽汇区，大量水汽在输送过程中损失，因此水汽贡献率相对较低。且对流层低层的水汽主要来源于太平洋地区，而对流层中高层的水汽主要来源于印度洋地区。中国东部雨季推进过程中太平洋和印度洋源地的水汽贡献存在显著年际年代际变化，发现水汽源地的年际变化受到ENSO、极地高压等影响，其中ENSO主要对华南前汛期水汽源地产生影响，极地高压则对华北雨季的水汽输送产生影响，并进一步影响相应雨季降水。而水汽源地的年代际变化主要受到PDO的影响，并对南海季风爆发前、后的华南前汛期降水有重要影响。项目研究结果不仅有助于加深东亚季风水循环过程的理解，而且可以为改善我国东部各区域雨季进退、汛期降水监测及其预测水平提供重要科技支撑。. 研究成果在Journal of Geophysical Research-Atmosphere, Journal of Climate, Journal of Meteorological Research等国内外权威期刊发表论文9篇，其中SCI论文6篇 ，培养博士研究生3人，硕士研究生3人，全面完成了项目预期任务。