王傳輝,周順武,楊瑋,賁海榮,丁鋒,張宇

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.安徽省公共氣象服務中心,安徽 合肥 230031;

3.安徽省氣候中心,安徽 合肥 230031;4.青島市氣象災害防御工程技術研究中心,山東 青島 266003;

5.福建省永定縣氣象局,福建 永定 364100)

王傳輝,周順武,楊瑋，等.2015.青藏高原汛期降水異?？臻g分布及水汽配置[J].大氣科學學報,38(4):566-572.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140508002.

Wang Chuan-hui,Zhou Shun-wu,Yang Wei,et al.2015.Spatial patterns and moisture configurations of rainfall anomalies in flood season over the Tibetan Plateau[J].Trans Atmos Sci,38(4):566-572.(in Chinese).

青藏高原汛期降水異常空間分布及水汽配置

王傳輝1,2,周順武1,楊瑋3,賁海榮1,丁鋒4,張宇5

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.安徽省公共氣象服務中心,安徽 合肥 230031;

3.安徽省氣候中心,安徽 合肥 230031;4.青島市氣象災害防御工程技術研究中心,山東 青島 266003;

5.福建省永定縣氣象局,福建 永定 364100)

摘要：青藏高原汛期(5—9月)降水具有南北反相的空間分布特征,利用青藏高原67個臺站1967—2008年逐月降水資料,分別討論了汛期各月降水的主要空間分布型以及初夏(5—6月)和盛夏(7—8月)對應的水汽配置和環(huán)流異常。結果表明:初夏高原降水以南北反相型(North-South Reverse Type,NSRT)為主,全區(qū)一致型(Whole Region Consistent Type,WRCT)次之;盛夏高原降水以WRCT為主。高原降水呈現NSRT分布時,初夏水汽由高原南部輸向北部,而盛夏高原北部為水汽輻合區(qū),南部為水汽輻散區(qū)。高原降水呈現WRCT分布時,初夏高原水汽主要來自西太平洋,盛夏水汽主要來自阿拉伯海向東轉向的水汽輸送,該水汽輸送由高原西南地區(qū)進入高原。在500 hPa位勢高度場上,初夏(盛夏)降水兩種主要空間分布型的位勢高度差異以經(緯)向差異為主,且影響高原降水異常分布的系統(tǒng)多為深厚系統(tǒng)。

關鍵詞：青藏高原;初夏;盛夏;降水;水汽輸送;環(huán)流特征

Spatial patterns and moisture configurations of rainfall anomalies

0引言

位于我國西南部的青藏高原(以下簡稱高原)是世界上最高的高原,其面積廣闊,約占我國國土面積的1/4,平均海拔在4 000 m以上,素有“世界屋脊”和世界“第三極”之稱。關于高原的高大地形對我國氣候的影響,早在20世紀50年代初葉篤正先生就曾經提出高原的存在迫使西風急流分支繞流和匯合的觀點(Yeh,1950;葉篤正等,1957)。此后,氣象工作者在高原的動力作用和熱力作用上做了大量研究工作(Wu,1984;王群等,2012),并取得了可人的成績。高原通過動力和熱力作用影響著我國及全球大氣環(huán)流的變化,同時大氣環(huán)流異常又對高原的氣溫、降水等氣象要素產生重要的影響。

近年來,關于高原降水空間分布型已有許多研究(戴加洗,1990;喬全明和張雅高,1994;周順武等,2000;韋志剛等,2003;丁治英等,2013)。高原降水主要集中在汛期(5—9月),除喜馬拉雅山脈南麓和高原東南部外,大部分地區(qū)汛期降水量可占全年降水量的80%以上。由于高原地區(qū)地形復雜,影響降水的環(huán)流系統(tǒng)較多,導致其汛期降水的空間差異顯著,呈現南北反相(North-South Reverse Type,NSRT)的變化特征(韋志剛等,2003;段克勤等,2008)。周順武等(2011)基于臺站降水資料,指出高原汛期降水存在NSRT變化的特征。段克勤等(2008)的研究指出,高原地區(qū)不僅在近幾十年內降水呈NSRT變化的特征,在百年時間尺度上降水也存在該差異分布。

可見,高原汛期降水存在NSRT的變化特征已得到普遍認可?？偨Y以往對高原降水的研究不難發(fā)現,以往研究主要存在以下問題:1)多數研究主要分析的是夏季(6—8月)(或四季)(杜軍和馬玉才,2004)或汛期(5—9月)(周順武等,2000),也有分析的是年平均降水(林振耀和趙昕奕,1996;段克勤等,2008)的變化特征,而沒有對高原降水集中的汛期進行細分來探討;2)以往的許多研究發(fā)現了高原降水NSRT變化的特征(韋志剛等,2003;段克勤等,2008),但并未對其異?？臻g分布型的機理進行分析。近年來隨著研究的深入,作為對降水產生重要影響的水汽越來越受到人們的重視(沙天陽等,2013)。

本文將高原汛期各月降水空間分布型分別進行分析,通過對各月兩種空間分布型的相似性和隨時間演變的相關性進行分析,并對空間分布相似和時間演變一致的月份進行歸類,討論不同時段降水分布型所對應的水汽輸送及環(huán)流場存在顯著差異。

1資料與方法

基于國家氣象信息中心氣象資料室提供的高原地區(qū)(包括青海、西藏全部,甘肅、四川以及云南部分高海拔地區(qū))建站至2008年的逐月降水資料,同時考慮到高原西部站點稀少且建站較晚,選取站點時在保證有足夠長時間序列的前提下,盡可能包括高原西部站點,選取自1967年以來至2008年共42 a的67個氣象臺站(站點位置見圖1中的▲)(周順武等,2011)。分析水汽輸送和位勢高度場所使用的是1967—2008年NCEP/NCAR再分析格點u、v風場、比濕和位勢高度場資料(Kalnay et al.,1996),其水平分辨率為2.5°×2.5°。在計算水汽輸送通量時積分上限取300 hPa。

主要利用經驗正交分解、奇異值分解、相關(似)分析和回歸分析等方法,所采用的顯著性檢驗均為t檢驗。

2青藏高原初夏和盛夏降水階段的劃分

高原降水主要集中在汛期(5—9月),平均情況下汛期降水占全年降水的80%以上(戴加洗,1990;喬全明和張雅高,1994),高原區(qū)域平均汛期降水占年降水的82.71%。各月降水占年降水的比例見表1,可見,汛期各月降水均占年降水的10%以上,其中7月最多,占到年平均降水的21.04%?？紤]到高原地形復雜,不同月份降水受到不同的環(huán)流系統(tǒng)影響,故首先分別分析高原各月降水的主要分布型。對5—9月高原汛期降水距平場分別做EOF分析(以下涉及到EOF分析的部分不特別說明的均是指距平場),得出高原汛期各月的主要空間分布型,將各分布型按照空間差異進行分類,發(fā)現各月均存在NSRT和WRCT(Whole Region Consistent Type,全區(qū)一致型)的空間分布,其中5—6月和9月的第一模態(tài)為NSRT,5—6月的第二模態(tài)為WRCT分布,7—8月第一模態(tài)為WRCT,第二模態(tài)為NSRT,而9月第二模態(tài)為高原中東部與其他區(qū)域反相型分布,第三模態(tài)為WRCT分布(圖略),各月EOF分解后各模態(tài)的解釋方差見表1。

表1青藏高原汛期各月降水量占年平均降水量的百分比及兩種主要空間分布型在各月所占的方差貢獻率

Table 1The precipitation percentage of each month and the variance contribution of the two principal spatial patterns in each month during flood period over the Tibetan Plateau

%

注：1)代表該月降水的EOF第一模態(tài);2)代表第二模態(tài);3)代表第三模態(tài).

為反映高原汛期降水各月份相同類型模態(tài)之間的相似程度,給出兩種主要空間分布型汛期各月之間的相似系數(表略)。各月NSRT的空間分布間均存在明顯的相似關系,相似系數均通過0.01信度的顯著性檢驗。相對來講,5月與其他各月之間的相似性相對較差,這可能主要是因為5月高原正處于冬夏過渡時期,受冬半年環(huán)流系統(tǒng)的影響仍然較強的緣故。

為了進一步揭示高原各月主要空間分布型時間演變之間的聯(lián)系程度,表2分別給出了兩種主要空間分布型時間系數之間的相關關系?？梢?在NSRT空間分布型的時間演變中5月與6月和9月相關關系較好,通過了0.05信度的顯著性檢驗,7月與8月間的相關系數達0.39,通過了0.05信度的顯著性檢驗。表明5月和6月及7月和8月的演變具有較好的一致性,而5月和9月表現出顯著的反相變化的關系。在WRCT空間分布型的時間演變中,僅有5月和6月的相關關系通過了0.05信度的顯著性檢驗。另外,7月和8月的相關性相對較強,相關系數為0.21,同時注意到5、6月分別與7月呈現負相關關系。

表2青藏高原汛期各月降水主要異?？臻g分布型時間系數之間的相關系數

Table 2Correlation coefficients in time coefficients of the principal spatial patterns between every two months during flood period over the Tibetan Plateau

NSRTWRCT5月6月7月8月5月6月7月8月6月0.321)0.311)7月0.110.14-0.21-0.138月0.09-0.090.391)0.190.050.219月-0.341)-0.0700.170.200.020.130.20

注：1)表示通過0.05信度的顯著性檢驗.

為驗證高原汛期降水5月與6月,7月與8月變化的一致性,利用SVD分析方法,分別以5月降水為左場和6月降水為右場,以7月降水為左場和8月降水為右場,分析5月與6月及7月和8月降水的主要空間分布型之間的關系及時間演變特征,所得結果支持前面的結論。故以下將5、6月稱為初夏,7、8月稱為盛夏,分別對其降水的時空分布特征以及與之配合水汽輸送和環(huán)流場進行探討。

3青藏高原汛期降水異常分布

3.1　青藏高原初夏和盛夏降水主要空間分布型

從高原初夏和盛夏降水EOF分解前8模態(tài)的解釋方差和累計方差分布看(表略),無論初夏還是盛夏方差收斂均較慢,表明高原降水的復雜性。前8模態(tài)累計方差分別達68.22%和70.19%,基本能反映高原降水的主要空間分布形態(tài)。

初夏和盛夏前兩模態(tài)累計方差分別為37.80%和40.23%,前兩模態(tài)為高原初夏和盛夏降水最主要的空間分布型。以下將對這兩個最主要的降水空間分布型進行分析。

圖1　青藏高原初夏降水EOF第一(a)和第二(b)模態(tài)及盛夏降水EOF第一(c)和第二(d)模態(tài)的空間分布(▲為站點位置;灰色粗曲線為雅魯藏布江;圖中數值均放大至100倍)Fig.1　Spatial distributions of (a,c)the first and (b,d)second EOF modes of precipitation in (a,b)the early summer and (c,d)midsummer over the Tibetan Plateau(▲ stand for meteorological stations;the gray thick curve represents Brahmaputra;values are multiplied by 100)

3.2　青藏高原初夏及盛夏降水主要模態(tài)空間分布

圖1分別給出了高原初夏及盛夏降水EOF分解第一和第二模態(tài)空間分布,這4個模態(tài)通過了North準則檢驗(North et al.,1982),高原初夏降水以NSRT分布為主(圖1a),北部的大值中心位于青海的興海站。南部存在2個大值區(qū),分別位于雅魯藏布江中游地區(qū)和西藏東部到川西高原。南北兩部分的最小(大)值為-0.19(0.19),表明這兩地區(qū)降水反相分布具有明顯的年際變化特征。由圖1b可見,高原初夏降水大致為WRCT變化的降水分布,大值中心位于高原腹地的唐古拉山脈中段。表明WRCT的空間分布型變化最顯著的區(qū)域位于高原的腹地附近。從圖1c可以看出,在盛夏降水最主要的空間分布型為WRCT,年際變化最顯著區(qū)域位于高原中部的唐古拉山脈到川西高原一帶。由盛夏降水的NSRT空間分布(圖1d)中可見,高原北部正值中心位于青海與四川的交界處,而南部的負值中心位于雅魯藏布江中下游地區(qū)。比較初夏和盛夏的NSRT分布,盛夏比初夏的0線偏南,正負值中心不完全重合。在WRCT的空間分布型中,初夏和盛夏高值中心均位于高原中部,但盛夏較初夏中心位置更加偏東一些。

3.3　青藏高原初夏及盛夏降水主要模態(tài)時間演變

雖然高原初夏降水第一模態(tài)和盛夏第二模態(tài)的空間分布型較為相似,均為NSRT分布,但時間系數演變并不一致(圖2a),分析其相關性發(fā)現其相關系數僅為0.10,相關性不顯著。同樣,高原初夏降水第二模態(tài)和盛夏第一模態(tài)的空間分布型較為相似,均為WRCT分布,但時間系數的變化也不一致(圖2b)。這表明當初夏降水出現NSRT(WRCT)分布時,盛夏降水則不一定為NSRT(WRCT)的空間分布,它們之間存在較強的獨立性。

在NSRT演變的周期特征中(圖略),從年代際上看,初夏以9～10 a的周期為主,而在盛夏13～15 a的周期較為顯著,與拉薩地區(qū)同期降水周期相一致。在年際變化上,初夏在20世紀80年代中期到90年代末以5～6 a的周期最為顯著,這與盧鶴立等(2007)得出的高原夏季降水東南部類型存在的5.3 a周期結論相一致。盛夏在20世紀80年代以前準3 a的周期為顯著周期。高原初夏和盛夏降水WRCT的周期特征上(圖略),初夏在20世紀80年代以準4 a周期為主,而90年代以2～3 a周期較為顯著。在盛夏,以準5 a的年際振蕩為主,這與汛期整體降水WRCT的周期較為一致,在20世紀90年代為準2～3 a的顯著周期。

圖2　青藏高原初夏和盛夏降水NSRT(a)及WRCT(b)的時間系數Fig.2　Time series of (a)NSRT and (b)WRCT in the early summer and midsummer over the Tibetan Plateau

通過對初夏和盛夏降水相同空間分布型時間系數的年際變化及周期特征可見,相同的空間分布型在不同階段(初夏或盛夏)表現出不同的變化特征,進一步表明了高原同類空間分布型在初夏和盛夏是相互獨立的。

圖3　青藏高原同期水汽輸送對初夏(a)和盛夏(b)降水NSRT主成分的回歸(深淺陰影區(qū)分別表示通過0.01和0.05信度的顯著性檢驗;單位:kg·m-1·s-1)Fig.3　Simultaneous regression of moisture transport to principal components of NSRT of precipitation in (a)the early summer and (b)midsummer over the Tibetan Plateau(Dark and light shadings are significant at 99% and 95% confidence levels,respectively;units:kg·m-1·s-1)

4青藏高原汛期降水兩種主要空間型的水汽輸送特征

水汽輸送異常是影響降水多少的重要因素,圖3分別給出了同期整層水汽輸送對高原初夏和盛夏降水NSRT空間分布時間系數的回歸。由圖3a可見,初夏NSRT在5—6月沿60°E附近烏拉爾山存在南下的水汽與來自紅海的水汽匯合向東輸送,成為高原南部水汽的主要來源。而我國東部洋面存在一個較強的氣旋性水汽輸送,在氣旋西北側向西南的水汽輸送與來自蘇門答臘島附近向北的水汽輸送在高原南部匯合,向西北輸送影響高原北部。同時,可以看出在高原上存在較強的向高原北部的水汽輸送,使得高原南部很大一部分輸向高原北部,致使高原南部水汽偏少而高原北部水汽偏多。

從圖3b中可以看出,在7—8月西伯利亞地區(qū)存在大范圍的水汽南下,一部分水汽輸送到巴爾喀什湖附近發(fā)生氣旋性偏轉,沿昆侖山北側邊緣向東進入高原北部,成為高原北部的主要水汽來源。而此時副高異常偏強偏北,我國東部存在一個反氣旋性的水汽輸送環(huán)流,與沿昆侖山北側邊緣進入高原的水汽輸送交匯于高原東北部,該水汽輸送形勢有利于青海高原降水偏多。印度半島北部存在一氣旋式環(huán)流,不利于印度洋向高原南部的水汽輸送。此時,高原南部處于水汽輻散區(qū),水汽沿昆侖山南側向東進入高原北部。

圖4　青藏高原同期水汽輸送對初夏(a)和盛夏(b)降水WRCT主成分的回歸(深淺陰影區(qū)分別表示通過0.01和0.05信度的顯著性檢驗;單位:kg·m-1·s-1)Fig.4　Simultaneous regression of moisture transport to principal components of WRCT of precipitation in (a)the early summer and (b)midsummer over the Tibetan Plateau(Dark and light shadings are significant at 99% and 95% confidence levels,respectively;units:kg·m-1·s-1)

圖4分別給出了高原初夏和盛夏降水WRCT變化的時間系數對同期水汽輸送的回歸分布。由圖4a可見,在我國東北地區(qū)存在向南的水汽輸送,到40°N附近該水汽輸送分為兩支,一支向西輸送,影響高原北部地區(qū),另一支向我國華南地區(qū)輸送,到中南半島后由高原南側進入高原。高原上存在由高原東南部向西北部的水汽輸送,但強度相對較弱。同時,索馬里急流異常偏強,使得印度半島以偏東的水汽輸送為主。

從圖4b可以看出,在10°N附近南亞地區(qū)存在向西的較強水汽輸送受阿拉伯半島和伊朗高原的阻擋,轉而向東輸送,并與來自東歐中緯度地區(qū)經里海向印度半島輸送的水汽匯合,輸送過程中逐漸加強,由高原南麓向高原輸送水汽,水汽輸送異常一直延伸到高原北部。在我國華北地區(qū)到日本以東洋面存在一個較強的氣旋式水汽輸送,在氣旋西北側向西南的水汽輸送與由高原南部向北的水汽輸送在高原北部相遇,并形成氣旋式的水汽輸送,成為高原北部水汽的主要來源。

5青藏高原汛期降水兩種主要空間型的高度場特征

大范圍的降水異常一定是在大范圍的環(huán)流異常的影響下發(fā)生的,從同期500 hPa高度場對初夏和盛夏NSRT時間系數的回歸系數分布(圖略)可見,最顯著的特征是烏拉爾山以西、以東、黃土高原和鄂霍次克海呈現“+-+-”的波列。同時印度半島為正高度場,這種環(huán)流形勢有利于高原東部降水的偏多。盛夏在我國東部存在一個高壓異常,高壓中心位于淮河流域,向西延伸到高原南側邊緣,阻擋了孟加拉灣向高原南部的水汽通道。

同期500 hPa位勢高度距平場對初夏和盛夏WRCT分布的時間系數回歸分布(圖略)可以看出,初夏在亞歐大陸里海、西伯利亞及鄂霍次克?！?+-”的高度分布。盛夏東亞地區(qū)由低緯向高緯為“+-+”的波列,副高脊線位于20°N附近,高壓中心異常偏西偏北,該類型位勢高度場異常有利于高原降水的偏多。

6結論

通過對青藏高原汛期(5—9月)各月降水EOF分解后發(fā)現,在高原地區(qū)各月降水均存在南北反相型(NSRT)和全區(qū)一致型(WRCT)的空間分布。對汛期降水各月兩種空間分布(時間序列)的相似(相關)分析發(fā)現,在初夏(5—6月)高原各月降水均以NSRT為主,WRCT次之,盛夏(7—8月)正好相反,各月降水均以WRCT為主,NSRT次之。同時利用SVD進一步證實了高原5、6月降水主要的空間分布型變化具有一致性,7、8月也是如此。分別將初夏和盛夏作為兩個獨立的時間段討論其降水時空變化特征,能夠更加合理揭示高原降水異常分布的變化特征。

高原降水NSRT空間分布異常時,在初夏是由于高原南部大量的水汽輸向高原北部,導致南北水汽分布不均,在盛夏是由于高原北部處于三條水汽的匯合區(qū),高原南部處于水汽的輻散區(qū)。無論在初夏還是盛夏WRCT降水的水汽來源都不是單一的,均是由南北兩側進入高原,不同的是在初夏高原水汽主要來自西北太平洋,由高原東南部進入高原。而在盛夏水汽主要來自由阿拉伯海向東轉向的水汽輸送,由高原西南地區(qū)進入高原,一直向東北方向輸送到高原北部。同一種空間分布型在初夏和盛夏對應不同的水汽輸送特征,可見,在初夏和盛夏的同一種降水異?？臻g分布是由不同的水汽輸送特征引起的。在500 hPa位勢高度場上,初夏兩種主要的空間分布型以經向差異為主,而盛夏以緯向差異為主,且影響高原降水異常分布的系統(tǒng)多為深厚系統(tǒng)。

需要指出的是,盡管本文在站點選擇的時候盡量考慮高原西部站點,但是在高原西部,尤其是90°E以西的區(qū)域站點仍尤為稀少,這對本文的分析結果有一定影響。另外,在分析高原汛期降水異常分布的成因時,由于導致初夏和盛夏不同階段高原降水異常分布的因素存在著本質差異,所以需分階段討論。

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(責任編輯：劉菲)

in flood season over the Tibetan Plateau

WANG Chuan-hui1,2,ZHOU Shun-wu1,YANG Wei3,BEN Hai-rong1,

DING Feng4,ZHANG Yu5

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Anhui Public Weather Service Center,Hefei 230031,China;3.Anhui Climate Center,Hefei 230031,China;

4.Qingdao Engineering Technology Research Center of Meteorological Disaster Prevention,Qingdao 266003,China;

5.Yongding Meteorological Bureau of Fujian,Yongding 364100,China)

Abstract:There is a north-south reverse pattern in precipitation in flood season(May to September) over the Tibetan Plateau.Based on the monthly rainfall data of 67 stations over the plateau from 1967 to 2008,this paper studies the principal spatial patterns of monthly rainfall during the flood season,and the moisture configurations and circulation anomalies in the early summer(May to June) and midsummer(July to August),respectively.It is found that there are two main patterns in summer,but they are different between the early summer and midsummer.The former has an advantage in north-south reverse type(NSRT),while the latter exceeds in whole region consistent type(WRCT).When the rainfall shows NSRT,the moisture transport comes from south to north Tibetan Plateau in the early summer,and the convergence(divergence) of water vapor locates in north(south) Tibetan Plateau in the midsummer.While the rainfall shows WRCT,the moisture transport comes from western Pacific in the early summer.In the midsummer,it comes from the eastward ransport of water vapor from Arabian Sea,which enters the plateau from its southwest areas.At 500 hPa,the meridional(zonal) geopotential height differences between the two patterns are predominant in the early summer(midsummer),and the circulation systems impacting distributions of precipitation anomalies are mostly deep.

Key words:Tibetan Plateau;early summer;midsummer;precipitation;moisture transport;circulation characteristics

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130717008

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)04-0566-07P426.6

文獻標志碼：A

通信作者：周順武,博士,教授,研究方向為區(qū)域氣候變化,zhou@nuist.edu.cn.

基金項目:中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用項目(CMAJG2013M28);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB955204);山東省氣象局課題(2014sdqx01);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXZZ110608);青島市氣象局課題(2014qdqxz02)

收稿日期：2013-07-17；改回日期：2013-09-20