基于ERA5再分析資料的昆明市水汽輸送特征分析

摘要：為厘清昆明市水汽來(lái)源及輸送路徑，基于1980～2022年ERA5再分析資料，分析了年、季節(jié)尺度下昆明市水汽輸送特征。結(jié)果表明：在年尺度下，昆明市水汽輸送強(qiáng)度在空間上呈南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，東南部石林彝族自治縣、宜良縣水汽輸送強(qiáng)度最強(qiáng)，北部東川區(qū)最弱。昆明市春季和秋季的水汽主要來(lái)源于孟加拉灣北部及南海西部的兩支水汽輸送帶；夏季水汽僅受孟加拉灣水汽輸送帶影響，水汽輸送強(qiáng)度明顯弱于其他季節(jié)，此時(shí)昆明市上空水汽均呈輻合狀態(tài)，水汽主要匯集在西部祿勸彝族苗族自治縣局部地區(qū)；冬季水汽來(lái)源以中緯度的西風(fēng)水汽輸送帶為主，西太平洋南海水汽帶為輔，此時(shí)昆明市大部地區(qū)呈水汽輻散特征，且在東北—西南地區(qū)上空存在一條明顯的水汽輻散帶。

關(guān)鍵詞：水汽輸送； ERA5再分析資料； 水汽輻合； 水汽輻散； 昆明市

中圖法分類(lèi)號(hào)：P461 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.003 文章編號(hào)：1006-0081（2025）04-0011-06

0 引 言

水汽輸送是大氣過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)，充足的水汽是某一區(qū)域形成一場(chǎng)持續(xù)性降水的重要因素之一，而降水多寡與極端旱澇災(zāi)害等問(wèn)題有著密切聯(lián)系，也影響著水資源分配。近年來(lái)，水汽輸送過(guò)程已成為氣象及水文學(xué)研究中備受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。眾多學(xué)者對(duì)青藏高原［1］、怒江［2］、長(zhǎng)江［3］、珠江［4］、黃河中游［5］等地區(qū)的水汽輸送特征展開(kāi)分析，并取得了一系列的研究成果。沈鷹等［6］對(duì)云南省上空水汽資源時(shí)空分布進(jìn)行了詳細(xì)分析，但針對(duì)昆明市局部地區(qū)的水汽輸送過(guò)程研究較少，加之當(dāng)前昆明市已連續(xù)多年遭受?chē)?yán)重旱災(zāi)，且干旱災(zāi)害總體呈頻次增加、影響程度加深加重的趨勢(shì)［7］，因此，針對(duì)昆明市水汽輸送特征開(kāi)展相關(guān)研究至關(guān)重要。

ERA5再分析資料為歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的第五代再分析資料產(chǎn)品，其對(duì)ECMWF衛(wèi)星氣候數(shù)據(jù)集進(jìn)行了重新處理，且同化了更多的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使得對(duì)大氣狀況的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確［8］。王瑞英［9］、張正國(guó)等［10］基于ERA5再分析資料對(duì)陜西、廣西地區(qū)的云水資源進(jìn)行了評(píng)估。黃丁安等［11］利用ERA5再分析資料對(duì)2020年6月江淮區(qū)域水汽源匯進(jìn)行了診斷分析，結(jié)果表明ERA5能較好地描述該過(guò)程中江淮區(qū)域的水汽收支特征。梅成紅等［12］基于ERA5再分析資料的比濕和地表氣壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到了青海地區(qū)大氣可降水量及其時(shí)空分布特征。彭福強(qiáng)等［13］、黃靜等［14］利用ERA5 再分析資料分別對(duì)宜昌市的寒潮雨雪天氣過(guò)程及“8·26”暴雨過(guò)程進(jìn)行了分析。隨著大氣探測(cè)、數(shù)據(jù)同化等技術(shù)的發(fā)展，ERA5再分析資料已成為進(jìn)行水汽輸送、降水等相關(guān)研究的重要數(shù)據(jù)。

本文基于1980～2022年ERA5再分析資料，對(duì)昆明市上空多年平均的年、季節(jié)尺度下水汽輸送特征展開(kāi)研究，旨在進(jìn)一步了解昆明市水文循環(huán)規(guī)律，為昆明市水資源分配、防洪抗旱等工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

昆明市（圖1）位于云貴高原中部，云南省中東部，具體位置為102°10′E～103°40′E，24°23′N(xiāo)～26°33′N(xiāo)，南北狹長(zhǎng)，東西窄短，其地理位置具有東連黔桂通沿海，北經(jīng)川渝進(jìn)中原，南下越老達(dá)泰柬，西接緬甸連印巴的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)。昆明市處于長(zhǎng)江、珠江、紅河分水嶺地帶，境內(nèi)河流以長(zhǎng)江流域河流為主；地勢(shì)北高南低，由北向南呈階梯狀逐漸低緩，北部多山，南部較為平坦；最高點(diǎn)為北部東川區(qū)拱王山主峰雪嶺，海拔達(dá)4 344 m；最低點(diǎn)是金沙江與小江交匯處的小河口，海拔為695 m，總落差達(dá)3 649 m。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文選取昆明市1980年1月至2022年12月逐月平均ERA5再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，可從Climate Data Store（CDS）官方網(wǎng)站進(jìn)行下載。資料參數(shù)包括：比濕、1 000～100 hPa的分層經(jīng)緯向風(fēng)分量及相應(yīng)的地面氣壓數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

水汽輸送通量是表示水汽輸送強(qiáng)度及方向的物理量，指單位時(shí)間流經(jīng)某一單位截面積的水汽質(zhì)量。水汽輸送通量散度指在單位時(shí)間內(nèi)單位體積中積聚或者流失的水汽量，當(dāng)水汽輸送通量散度為正時(shí)，表示該地區(qū)的水汽向四周流失，即為輻散狀態(tài)；當(dāng)水汽輸送通量散度為負(fù)時(shí)，表示有水汽向該地區(qū)積聚，即為輻合狀態(tài)。計(jì)算公式如下：

式中：Q表示整層水汽輸送通量，kg/（m·s）；Qdiv表示水汽輸送通量散度，kg/（m2·s）；g表示重力加速度，m/s2；ps和pz分別表示地表和大氣層頂處氣壓，Pa；q表示比濕，g/g；V表示風(fēng)速矢量，m/s。

3 結(jié)果分析

為準(zhǔn)確反映流域水汽來(lái)源以及輸送路徑，本文將水汽輸送研究范圍擴(kuò)大至85°E～115°E，8°N～30°N。昆明市多年平均水汽輸送見(jiàn)圖2。

3.1 多年平均水汽輸送特征

結(jié)合圖2昆明市多年平均水汽輸送情況可知，昆明市上空水汽以西南風(fēng)水汽輸送為主，主要受印度洋北部孟加拉灣及太平洋西部南海兩支水汽共同影響，多年平均水汽輸送通量為85～125 kg/（m·s）。由箭桿長(zhǎng)度可知，昆明市上空水汽通量呈現(xiàn)出明顯南強(qiáng)北弱的空間分布，昆明市地勢(shì)自南向北不斷爬升，水汽在輸送過(guò)程中不斷被消耗，使得其多年平均水汽輸送通量自東南向西北不斷減弱，昆明市東南部的石林彝族自治縣、宜良縣為水汽輸送通量高值區(qū)，水汽通量為120～125 kg/（m·s），而低值區(qū)為昆明市北部的東川區(qū)，水汽通量?jī)H為85 kg/（m·s）左右。來(lái)自南海地區(qū)的水汽輸送帶在中南半島東部一側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后的南海水汽一部分持續(xù)輸送至昆明市東南部地區(qū)，另一部分水汽在與來(lái)源于孟加拉灣北部的水汽匯合后，再自西向東輸送至云南境內(nèi)上空。

3.2 季節(jié)水汽輸送特征

3.2.1 春 季

由圖3昆明市春季水汽輸送情況可知，昆明市上空的水汽主要由西南風(fēng)帶主導(dǎo)，整體輸送方向?yàn)樽晕髂舷驏|北輸送，水汽主要來(lái)源于孟加拉灣北部及南海西部的兩支水汽輸送帶，水汽輸送通量為130～190 kg/（m·s），空間分布特征同多年平均保持一致，均呈現(xiàn)出南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，昆明市的石林彝族自治縣、宜良縣仍為水汽輸送高值區(qū)，水汽輸送通量為180～190 kg/（m·s），北部的東川區(qū)為低值區(qū)，水汽輸送通量為130 kg/（m·s）左右。在青藏高原南部至孟加拉灣西北部區(qū)域，存在一個(gè)槽線(xiàn)位于88°E左右的低壓槽，即南支槽，春季為南支槽的活躍期，云南春季的水汽輸送受該槽影響［15］。在孟加拉灣區(qū)域（8°N～15°N）存在正南風(fēng)水汽輸送，該支水汽與南支西風(fēng)帶輸送的水汽在南支槽前得以匯合，在二者共同作用下，使得南支槽前西南風(fēng)的水汽輸送增大，進(jìn)而形成一支水汽輸送強(qiáng)度高達(dá)220 kg/（m·s）的強(qiáng)水汽輸送帶，這支氣流一部分送至雅魯藏布江流域上空，另一部分經(jīng)緬甸持續(xù)輸送至云南境內(nèi)。自南海而來(lái)的水汽，在中南半島東部一側(cè)轉(zhuǎn)向后不斷輸送至昆明市上空。

3.2.2 夏 季

由圖4昆明市夏季水汽輸送情況可知，夏季水汽輸送強(qiáng)度明顯弱于其他季節(jié)，這與葉鳳艷［16］結(jié)論一致。昆明市上空水汽僅受孟加拉灣水汽輸送帶影響，水汽來(lái)源相對(duì)單一，流域內(nèi)的水汽強(qiáng)度自西南向東北逐漸遞減，高值區(qū)為安寧市西部地區(qū)，最大值達(dá)70 kg/（m·s）。此時(shí)，北半球大氣環(huán)流為夏季型，青藏高原南側(cè)的南支槽水汽輸送強(qiáng)度明顯增大［17］。由圖4（b）可見(jiàn)，自阿拉伯海地區(qū)而來(lái)的水汽輸送帶在經(jīng)過(guò)印度半島到達(dá)孟加拉灣時(shí)，該水汽帶一分為二，其中一支匯入孟加拉灣偏南風(fēng)水汽輸送帶，在 85°E～91°E、13°N～17°N位置附近形成數(shù)值高達(dá)500 kg/（m·s）的水汽輸送高值中心；另一支自西向東經(jīng)過(guò)泰國(guó)等東南亞國(guó)家后繼續(xù)輸入南海區(qū)域。流域南側(cè)孟加拉灣水汽輸送帶在經(jīng)過(guò)（25°N，90°E）附近時(shí)一分為三：一支為朝西北方向輸送的水汽；另一支為緯向跨度介于88°E ～91°E并以正南風(fēng)向的輸送的水汽；在91°E往東的邊界上，第三支水汽朝著東北方向輸送，昆明市水汽主要是來(lái)源于該支水汽輸送帶。由于水汽在輸送過(guò)程中不斷地分流，水汽輸送強(qiáng)度持續(xù)被削弱，至昆明市上空時(shí)，水汽輸送通量?jī)H為45～70 kg/（m·s）。

3.2.3 秋 季

由圖5 昆明市秋季水汽輸送情況可知，除印度洋孟加拉灣的水汽外，秋季昆明市上空的水汽來(lái)源還有自西太平洋南海而來(lái)的水汽。秋季昆明市水汽輸送整

體上仍由西南風(fēng)主導(dǎo)，水汽輸送通量大部分在85～105 kg/（m·s）范圍內(nèi)，水汽輸送強(qiáng)度自昆明市中部向南北兩側(cè)分別逐漸遞減，富民縣—主城區(qū)—嵩明縣一帶為此時(shí)昆明市水汽輸送通量最為充沛的區(qū)域。受南支急流的影響，在青藏高原南側(cè)、孟加拉灣西北部上空形成了微弱的低壓槽和氣旋性環(huán)流，標(biāo)志著此處南支槽的重新建立。來(lái)自西太平洋南海地區(qū)的水汽自東向西不斷輸送，一部分水汽在經(jīng)過(guò)中南半島時(shí)發(fā)生向北轉(zhuǎn)向，進(jìn)而影響四川、云南等地的降水；小部分水汽匯入孟加拉灣水汽輸送帶，繼續(xù)向北輸送，后經(jīng)緬甸等地區(qū)輸送至昆明市上空。

3.2.4 冬 季

結(jié)合圖6昆明市冬季水汽輸送情況可知，昆明市上空水汽以中緯度的西風(fēng)水汽輸送帶為主，在中南半島發(fā)生轉(zhuǎn)向后的西太平洋南海水汽帶為輔，兩支水汽共同影響著昆明市上空冬季水汽輸送情況。水汽輸送強(qiáng)度在空間分布上呈現(xiàn)出南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，水汽輸送通量為80～125 kg/（m·s），其中，東南部石林彝族自治縣為水汽輸送強(qiáng)度高值區(qū)，東北部東川區(qū)為低值區(qū)，這一特點(diǎn)與春季大致相同。冬季處于南支槽盛行階段，南支西風(fēng)沿著青藏高原南側(cè)輸送，一部分水汽輸送至青藏高原內(nèi)部，一部分持續(xù)輸送至云貴高原，為云南等地區(qū)帶去一定的水汽；同時(shí)受印度半島的副熱帶高壓反氣旋氣流影響，孟加拉灣北部上空的部分水汽從南支西風(fēng)轉(zhuǎn)由西北風(fēng)控制，到達(dá)14°N附近后，與南海流域自東向西輸送的主要水汽匯合后，繼續(xù)持續(xù)輸送至印度洋上空。

3.3 水汽輸送通量散度特征

春、秋兩季水汽輸送呈現(xiàn)出過(guò)渡型特點(diǎn)，本文重點(diǎn)對(duì)昆明市夏季和冬季的水汽輸送通量散度進(jìn)行分析。圖7為昆明市夏季、冬季水汽輸送通量散度。由圖7（a）可見(jiàn)，夏季昆明市上空水汽整體均為輻合狀態(tài)，表現(xiàn)為水汽匯特征。在空間分布上，昆明市上空存在一條明顯的西北—東南水汽輻合帶，表面有大量水汽向該區(qū)域聚集，昆明市西部祿勸彝族苗族自治縣局部地區(qū)為水汽輻合強(qiáng)度的高值區(qū)，水汽輻合最大值為-14×10-5 kg/（m2·s）；昆明市東北部東川區(qū)、西南部安寧市與晉寧區(qū)交界一帶為昆明市水汽匯集強(qiáng)度最弱的區(qū)域，其水汽輻合最小值為-2×10-5 kg/（m2·s）；而流域東南部為水汽輸送通量散度高值區(qū)，輻合最大值接近-40×10-5 kg/（m2·s）。同時(shí)，昆明市四周的水汽輻合區(qū)主要集中在麗江市—楚雄彝族自治州—昆明市附近，麗江市與四川省交界一帶為水汽輻合高值區(qū)，水汽輸送通量散度達(dá)-18×10-5 kg/（m2·s），靠近昆明市東南部石林彝族自治縣的紅河州地區(qū)為水汽輻合低值區(qū)，該區(qū)中心甚至呈現(xiàn)出水汽輻散狀態(tài)。與圖4（a）對(duì)比可見(jiàn)，昆明市及其鄰近地區(qū)水汽輻合高低值區(qū)與水汽輸送帶高低值區(qū)存在較好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖7（b）可知，昆明市上空除西北部和東南部局部地區(qū)有較弱的水汽輻合區(qū)外，其余大部分地區(qū)的水汽均由夏季的水汽輻合狀態(tài)轉(zhuǎn)為水汽輻散狀態(tài)，在東北—西南地區(qū)上空存在一條明顯的水汽輻散帶，輻散強(qiáng)度最大值接近12×10-5 kg/（m2·s）。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)研究昆明市水汽來(lái)源及去向，對(duì)其水汽輸送通量及散度進(jìn)行分析，得到以下3個(gè)方面的結(jié)論。

（1） 年尺度下，昆明市水汽受西南風(fēng)控制，主要來(lái)源于印度洋北部孟加拉灣及太平洋西部南海地區(qū)。在空間分布上，昆明市水汽輸送通量呈南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，東南部的石林彝族自治縣、宜良縣為水汽輸送通量高值區(qū)，水汽通量最高值達(dá)120～125 kg/（m·s），昆明市北部東川區(qū)低值區(qū)水汽通量?jī)H為85 kg/（m·s）。

（2） 昆明市上空水汽來(lái)源隨季節(jié)更迭而變化，其中春秋兩季水汽主要來(lái)源較為一致。昆明市春季上空的水汽主要來(lái)源于孟加拉灣北部及南海西部的兩支水汽輸送帶；昆明市夏季水汽來(lái)源單一，僅受孟加拉灣水汽輸送帶影響，水汽輸送強(qiáng)度明顯弱于其他季節(jié)；昆明市秋季水汽來(lái)源復(fù)雜，包括印度洋孟加拉灣以及西太平洋南海地區(qū)的水汽；昆明市冬季水汽以中緯度的西風(fēng)水汽輸送帶為主，以在中南半島發(fā)生轉(zhuǎn)向后的西太平洋南海水汽帶為輔。

（3） 昆明市夏季上空水汽均呈輻合狀態(tài)，水汽主要匯集在西部祿勸彝族苗族自治縣局部地區(qū)；東北部東川區(qū)、西南部安寧市與晉寧區(qū)交界一帶水汽匯集強(qiáng)度最弱，昆明市及其鄰近地區(qū)水汽輻合高低值區(qū)與水汽輸送帶高低值區(qū)存在較好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系；冬季昆明市除西北部和東南部局部地區(qū)有較弱的水汽輻合區(qū)外，大部分地區(qū)呈水汽輻散特征，且在東北—西南地區(qū)上空存在一條明顯的水汽輻散帶。

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（編輯：江 文）

Analysis on water vapor transport characteristics in Kunming City based on ERA5 reanalysis data

LI Linjing DENG Lixian LI Mingyuan JIN Zhuo GUO Caixiu LIU Lei3

（1.Dianchi Lake Ecosystem Observation and Research Station of Yunnan Province，Kunming 650228，China； 2.Kunming Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau，Kunming 650106，China； 3.Qujing Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau，Qujing 655000，China）

Abstract： In order to clarify the source and transport path of water vapor in Kunming City based on the ERA5 reanalysis data from 1980 to 2022，the characteristics of water vapor transport at annual and seasonal scales were analyzed.The results showed that at the annual scale，the intensity of water vapor transport in Kunming City was spatially strong in the south and weak in the north.The intensity of water vapor transport in Shilin County and Yiliang County in the southeast was the strongest，and that in Dongchuan District in the north was the weakest.The water vapor of Kunming in spring and autumn mainly came from two water vapor transport belts in the northern part of Bengal Bay and the western part of the South China sea.In summer，the water vapor was only affected by the water vapor conveyor belt in the Bengal Bay，and the water vapor transport intensity was significantly weaker than that in other seasons.At this time，the water vapor over Kunming City was in a state of convergence，and the water vapor was mainly concentrated in the local area of Luquan County in the west.In winter，the water vapor source was dominated by the westerly water vapor transport belt in the middle latitudes，supplemented by the water vapor belt in the western Pacific South China sea.At this time，most of Kunming City was characterized by water vapor divergence，and there was an obvious water vapor divergence zone over the northeast-southwest region.The research results can provide a reference for the allocation and utilization of water resources and flood control and drought relief in Kunming City.

Key words： water vapor transport； ERA5 reanalysis data； vapor convergence； vapor divergence； Kunming City

收稿日期：2024-05-14

基金項(xiàng)目：野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)（202305AM340008）

作者簡(jiǎn)介：李琳靜，女，碩士，主要從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作。E-mail：linjing@qq.com

作者簡(jiǎn)介：鄧麗仙，女，高級(jí)工程師，主要從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)及水資源評(píng)價(jià)工作。E-mail：denglixian@126.com

引用格式：李琳靜，鄧麗仙，李明遠(yuǎn)，等.基于ERA5再分析資料的昆明市水汽輸送特征分析［J］.水利水電快報(bào)，2025，46（4）：11-16，26.