李國平盧會(huì)國黃楚惠范瑜越張博

1成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都6102252成都信息工程大學(xué)大氣探測學(xué)院，成都6102253四川省氣象臺(tái)，成都610072

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青藏高原夏季地面熱源的氣候特征及其對(duì)高原低渦生成的影響

李國平1盧會(huì)國2黃楚惠3范瑜越1張博1

1成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都610225
2成都信息工程大學(xué)大氣探測學(xué)院，成都610225
3四川省氣象臺(tái)，成都610072

摘 要根據(jù)NCEP/DOE再分析資料的地面感熱通量和潛熱通量以及MICAPS天氣圖資料識(shí)別的高原低渦資料集，研究了近30年來青藏高原夏季地面熱源和高原低渦生成頻數(shù)的氣候?qū)W特征，分析了高原地面加熱與低渦生成頻數(shù)的時(shí)間相關(guān)性及其物理成因。得到如下認(rèn)知：夏季高原地面感熱通量的氣候均值為58 W m?2，近30年地面感熱總體呈微弱的減小趨勢。其中在1980年代初期和21世紀(jì)前10年的大部分時(shí)段，地面感熱呈增大趨勢，而中間時(shí)段呈波動(dòng)式下降。地面感熱具有準(zhǔn)3年為主的周期振蕩，1996年前后是其開始減弱的突變點(diǎn)。高原夏季地面潛熱通量的氣候均值為62 W m?2，近30年呈波動(dòng)狀變化并伴有增大趨勢。地面潛熱的周期振蕩以準(zhǔn)4年為主，地面潛熱增大的突變始于2004年前后。夏季高原地面熱源的氣候均值為120 W m?2，其中地面感熱與地面潛熱對(duì)地面熱源的貢獻(xiàn)在夏季大致相當(dāng)。地面熱源總體呈幅度不大的減弱趨勢，其中1980年代到1990年代末偏強(qiáng)，21世紀(jì)前6年明顯偏弱，隨后又轉(zhuǎn)為偏強(qiáng)。地面熱源亦呈準(zhǔn)3年為主的周期振蕩并在1997年前后發(fā)生由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱的突變。根據(jù)MICAPS天氣圖資料的識(shí)別和統(tǒng)計(jì)，近30來夏季高原低渦的生成頻數(shù)整體呈現(xiàn)一定程度的線性減少趨勢，低渦高發(fā)期主要集中在1980年代到1990年代中后期。低渦生成頻數(shù)有準(zhǔn)7年為主的周期振蕩現(xiàn)象，自1990年代中期開始的低渦生成頻數(shù)的減少態(tài)勢在1998年前后發(fā)生了突變。夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期高原地面感熱呈高度正相關(guān)，與地面潛熱呈一定程度的負(fù)相關(guān)，但與同期地面熱源仍呈較顯著的正相關(guān)。因此，在氣候尺度上，高原地面熱源偏強(qiáng)特別是地面感熱偏強(qiáng)的時(shí)期，對(duì)應(yīng)高原低渦的多發(fā)期。本研究從氣候統(tǒng)計(jì)的時(shí)間相關(guān)性角度揭示了高原地面加熱作用對(duì)催生高原低渦乃至高原對(duì)流活動(dòng)的重要性。

關(guān)鍵詞地—?dú)庀嗷プ饔?青藏高原 低渦 地面熱源 氣候特征

資助項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金91337215、41175045，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2012CB417202，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY201206042

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grants 91337215 and 41175045), National Key Basic Research and Development Project of China (973 Program, Grant 2012CB417202), and Special Fund for Meteorological Research in the Public Interest (Grant GYHY201206042)

A Climatology of the Surface Heat Source on the Tibetan Plateau in Summer and Its Impacts on the Formation of the Tibetan Plateau Vortex

LI Guoping1, LU Huiguo2, HUANG Chuhui3, FAN Yuyue1, and ZHANG Bo1

1 College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
2 College of Meteorological Observation, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
3 Sichuan Meteorological Observatory, Chengdu 610072

Abstract Based on NCEP/DOE (National Centers for Environmental Prediction/Department of Energy) reanalysis data of surface sensible heat and latent heat fluxes on the Tibetan Plateau (TP) and datasets of the Tibetan Plateau Vortex (TPV) recognized from MICAPS (Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System) weather maps, this paper studies the near 30-year (1981–2010) climatological characteristics of surface heating and generating frequency of TPVs over the TP in summer, and analyzes the temporal correlation between the TP surface heating and the TPV statistics and its physical cause. The following results are obtained: The climatic average of TP surface sensible heat fluxes in summer is 58 W m?2, showing an overall weak decreasing trend in the near 30-year period. An increasing trend is apparent in the early 1980s and most of the first decade of the 21st century, but a fluctuating decline between. Surface heating shows a quasi-three-year periodic oscillation, and an abrupt climate change starts around 1996. The climatic average of surface latent heat fluxes in summer is 62 W m?2, showing fluctuating changes accompanied by an increasing trend over the near 30-year period. The surface latent heat shows a quasi-four-year periodic oscillation, with an abrupt increase beginning around 2004. The climatic average of the surface heat source in summer is 120 W m?2; sensible heat and latent heat on the ground contributes the same to the surface heat source over the TP in summer. The surface heat source shows a modest weakening trend overall, with a strong phase between the 1990s and 1980s, an obvious weak phase in the first six years of the 21st century, and then becomes strong again. The surface heat source shows a three-year periodic oscillation and an abrupt change from strong to weak around 1997. Based on identification using the MICAPS weather maps, the linear frequency of summer TPVs over the near 30-year period showed a certain degree of decline, with a higher frequency mainly concentrated in the 1980s to 1990s. The generating frequency of TPVs shows a 7-year periodic oscillation, and features an abrupt change around 1998. The generating frequency of TPVs over the same period is highly positively correlated to sensible heat but weakly negatively correlated to latent heat, but compared with the surface heat source over the TP, is still a significant positive correlation. On the climate scale, therefore, stronger periods of TP surface heating, especially surface sensible heating, correspond to the favorable formation of TPVs. From the perspective of the temporal correlation of climate statistics, this study reveals important impacts of the TP surface heating on promoting TPVs and convective activity.

Keywords Land–atmosphere interaction, Tibetan Plateau, Vortex, Surface heating, Climatic characteristics

1 引言

青藏高原是全球平均海拔最高、地形最復(fù)雜的高大地形，除了對(duì)氣流的動(dòng)力強(qiáng)迫作用（駱美霞等，1983；黃榮輝，1985；吳國雄和張永生，1998，1999；Gao and Ping, 2005）之外，大地形抬高強(qiáng)化后的加熱使得青藏高原對(duì)我國及東亞地區(qū)的天氣氣候有著極為重要的作用（葉篤正等，1957；Flohn，1957）。青藏高原以感熱、潛熱和輻射加熱等非絕熱加熱形式成為一個(gè)高聳于對(duì)流層中部的熱源，在此強(qiáng)大熱力作用下的夏季高原是一個(gè)對(duì)流性天氣系統(tǒng)活躍區(qū)，對(duì)高原及周邊地區(qū)強(qiáng)天氣和極端降水的發(fā)生發(fā)展有重要影響（葉篤正和高由禧，1979；Ye，1981；Tao and Ding，1981；Ye and Wu，1998；董敏等，2001；徐祥德，2009）。

作為高原災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的典型代表，青藏高原低渦（簡稱高原低渦或高原渦）是一種產(chǎn)生于青藏高原主體邊界層中，水平尺度為400～500 km的α中尺度低壓渦旋系統(tǒng)。它主要活動(dòng)于500 hPa等壓面，常在高原中西部生成，然后沿高原切變線或輻合帶東移發(fā)展，一般在高原的東部減弱消失。它是特定季節(jié)和環(huán)流背景下，在高原下墊面熱力、動(dòng)力共同作用下形成的獨(dú)特產(chǎn)物，不僅是高原地區(qū)夏季的直接降水系統(tǒng)，而且在有利的環(huán)流形勢和高原加熱作用配合下，少數(shù)高原低渦還能移出高原而發(fā)展加強(qiáng)，導(dǎo)致高原下游地區(qū)大范圍的暴雨、雷暴等災(zāi)害性天氣過程并可引發(fā)山洪、崩塌、滑坡和泥石流等次生災(zāi)害。高原低渦的發(fā)生發(fā)展及消亡與周邊的地面及大氣加熱場的變化有密切關(guān)系，其中地面感熱對(duì)低渦的生成發(fā)展有重要作用（羅四維和楊洋，1992；Luo et al.，1994；李國平等，2002；李國平和劉紅武，2006），而Dell'osso and Chen （1986）、Shen et al.（1986）以及Sugimoto and Ueno （2010）的數(shù)值模式試驗(yàn)證實(shí)了潛熱對(duì)低渦發(fā)展的重要性。

Stocker et al.（2013）在IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）報(bào)告中指出，過去100多年里全球地表平均氣溫始終處于增長趨勢，全球氣候總體存在變暖趨勢，特別是1980年代增溫幅度更為顯著。在全球氣候變暖的大背景下，地處高海拔的青藏高原在一定時(shí)期也呈現(xiàn)出明顯的氣候變化（Liu and Chen，2000；李林等，2010）：由于高原冰雪的反饋?zhàn)饔?，高原地區(qū)變暖的趨勢也更加強(qiáng)烈，氣溫上升幅度不僅高于我國平均水平，而且明顯高于同期全球的升溫速率（Liu and Chen, 2000）；地面感熱通量和大氣熱源在一定時(shí)期也呈現(xiàn)有所減弱的趨勢（Duan et al., 2005; Duan et al., 2006; Duan and Wu, 2008; Lau et al., 2010）。因此，青藏高原的氣候變化會(huì)如何改變高原及周邊地區(qū)的天氣、環(huán)流系統(tǒng)以及我國天氣氣候格局？對(duì)亞洲季風(fēng)和全球氣候又會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？已日益引起人們的關(guān)注。Wu et al.（2007）和包慶等（2008）指出青藏高原感熱加熱是造成東亞環(huán)流季節(jié)突變的重要原因，高原“感熱驅(qū)動(dòng)氣泵”在調(diào)制東亞季風(fēng)及全球氣候中起著重要作用（Liu et al., 2001）。蔣艷蓉等（2009）研究了冬、春季青藏高原東側(cè)渦旋對(duì)特征及其對(duì)我國天氣氣候的影響。Zhu et al.（2014）評(píng)估了高原春季積雪深度對(duì)我國東部夏季降水的影響。但與熱帶氣旋等渦旋系統(tǒng)在全球變暖背景下的氣候特征研究相比，目前我們對(duì)高原氣候變化背景下的高原低渦氣候特征的認(rèn)知還非常薄弱，特別是高原熱源的氣候特征及其對(duì)高原低渦活動(dòng)的長期變化趨勢以及對(duì)我國強(qiáng)降水的影響還鮮見研究。因此，研究青藏高原地面加熱的年際、年代際變化特征及其對(duì)高原低渦活動(dòng)的氣候影響，探索高原低渦受氣候變化影響的物理機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步揭示高原天氣系統(tǒng)活動(dòng)和高原氣候變化的基本事實(shí)，打通高原天氣與高原氣候研究的藩籬，豐富人們對(duì)高原加熱作用的認(rèn)識(shí)，提升高原影響下強(qiáng)天氣和極端降水的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力，皆有積極意義。

2 方法與資料

地面熱源（地面加熱）的定義為：如果某個(gè)區(qū)域下墊面有熱量從地面輸送給大氣，則此區(qū)域稱為地面熱源；反之，則稱為地面冷源。地面對(duì)大氣的加熱作用取決于太陽輻射過程和大氣湍流輸送過程的平衡。前者指地表吸收的太陽短波輻射能和放出的長波輻射能，后者指地面吸收太陽輻射能后以湍流的方式向大氣輸送的熱量和水汽能量。常用的地面熱量平衡方程為

其中，RB=(RSD?RSU)?(RLU?RLD)，RB稱為輻射平衡（或稱凈輻射、輻射差額）；RSD為地面吸收的太陽短波輻射，也稱太陽總輻射（包括太陽直接輻射和天空散射輻射）；RSU為反射的太陽輻射；RLU為地面放出的太陽輻射，RLD為長波逆輻射，兩者的差稱為地面有效輻射。FS是表層土壤的熱通量，F(xiàn)H為地面湍流感熱通量（簡稱地面感熱），F(xiàn)L為包含地面植被層蒸騰在內(nèi)的土壤蒸發(fā)潛熱（簡稱地面潛熱）。理論上，方程（1）的左端項(xiàng)（RB?FS）和右端項(xiàng)（FH＋FL）都可用來表征地面熱源值（或地面加熱強(qiáng)度），前者稱為地面熱源的間接算法，后者則稱為直接算法，本文采用直接算法獲取地面熱源值?？紤]到再分析資料在高原地區(qū)的相對(duì)可用性（王同美等，2011；Zhu et al.，2012），特別是Wang et al.（2012）用倒算法計(jì)算了高原大氣熱源并比較了幾套再分析資料的差異后，指出大部分再分析資料反映的高原熱源強(qiáng)度及其變化趨勢與基于觀測資料利用正算法得到的結(jié)果在氣候態(tài)和長期趨勢上是基本相似的，故我們采用1981～2010年NCEP/DOE（National Centers for Environmental Prediction/Department of Energy）逐日的日平均地面感熱和地面潛熱通量數(shù)據(jù)（單位：W m?2），通過雙線性插值生成2.5°×2.5°的均勻格點(diǎn)值。

本文還利用中國氣象局國家氣象中心印發(fā)的歷史天氣圖（1981～2001年）、四川省氣象局印發(fā)的MICAPS歷史天氣圖資料（1981～2002年）以及電子版MICAPS天氣圖（1981～2010年），通過預(yù)報(bào)員看圖識(shí)別的方式對(duì)1981～2010年夏季（6～8月）生成的高原低渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。高原低渦的判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為：生成于高原主體地區(qū)，500 hPa上3個(gè)探空站風(fēng)向呈閉合型環(huán)流且處于位勢高度相對(duì)低值區(qū)?？紤]到歷史天氣圖中，高原西部站點(diǎn)稀少，因此當(dāng)印度阿姆利則（站號(hào)42071，下同）、新德里（42182）和勒克瑙（42369）為北風(fēng)或西北風(fēng)，中國拉薩（55591）、那曲（55299）和格爾木（56004）為南風(fēng)或西南風(fēng)，格爾木和海西（51886）為東風(fēng)或東南風(fēng)，且高原西部處于位勢高度低值區(qū)時(shí)就認(rèn)為高原西部或中部有低渦出現(xiàn)。各類統(tǒng)計(jì)分析所涉及的青藏高原水平范圍統(tǒng)一界定為（27°～40°N，77.5°～103°E）。

3 近30年青藏高原夏季地面熱源的時(shí)間變化

3.1 地面感熱

如圖1所示，在1981～2010年（WMO（WorldMeteorological Organization）規(guī)定的氣候均值）中，夏季高原地面感熱通量的氣候均值為58 W m?2，總體呈減小趨勢。其線性傾向率為?1.87 W m?2/(10 a)，下降幅度較弱，線性擬合度不高（其中，相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.1067，顯著度檢驗(yàn)參數(shù)P=?0.18682），因此地面感熱總體下降趨勢并不顯著，這與王學(xué)佳等（2013）利用60年（1951～2010年）NCEP/NCAR再分析格點(diǎn)資料的地面感熱通量得出的結(jié)果基本一致。高原地面感熱近30年的變化呈斜體“N型”，即在1980年代初期（1981～1985年）和本世紀(jì)前10年的大部分時(shí)段（2003～2010年）呈增大趨勢，而在中間時(shí)段（1986～2002年）呈波動(dòng)式下降。近30年6～8月各月的高原地面感熱變化趨勢與夏季類同（圖略；表1）。

圖1 1981～2010年青藏高原夏季地面感熱通量分布（單位：W m?2）Fig. 1 The distribution of surface sensible heat (FH) fluxes on the Tibetan Plateau in the summers of 1981 to 2010 (units: W m?2)

值得注意的是，不同作者在不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段、不同計(jì)算方法、不同資料獲得的夏季高原地面感熱的氣候均值尚存差別，有些數(shù)值差異還較大（李棟梁等，2003；Duan and Wu，2008；Yang et al.，2011；Zhu et al.，2012；王學(xué)佳等，2013）。

表1 高原夏季地面感熱的周期及突變特征Table 1 The periods and abrupt change points of surface sensible heat on the Tibetan Plateau in summer

根據(jù)圖2，夏季高原地面感熱具有周期振蕩特點(diǎn)，準(zhǔn)3年、準(zhǔn)7年和準(zhǔn)12年的周期顯著。2～4年的周期振蕩在1995～2005年間有較大譜值，6～8年的周期振蕩在1995年前后有較大譜值。準(zhǔn)12年的長周期振蕩與李棟梁等（2003）通過臺(tái)站資料算出的地面感熱通量的分析結(jié)果（準(zhǔn)13年）相近。

本文應(yīng)用Mann-Kenddall（簡稱MK）檢驗(yàn)方法判斷氣候序列中是否存在氣候突變。MK是非參數(shù)方法（也稱無分布檢驗(yàn)），其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡便。突變檢驗(yàn)計(jì)算時(shí)用到UF和UB兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量，其中UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，UB則是按時(shí)間序列逆序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列。若UF或UB的值大于0，表明序列呈上升趨勢；反之，則呈下降趨勢。

圖2 夏季高原地面感熱的小波功率譜（左）及其對(duì)應(yīng)的方差（右）。采用Morelet小波分析；陰影區(qū)通過95%的信度檢驗(yàn)Fig. 2 Analysis of the wavelet power spectrum (left) and variance (right) of surface sensible heat on the Tibetan Plateau in summer. Analysis of Morlet wavelet is used; the shading denotes the areas exceeding the 95% confidence level

由圖3可見，UF分量自1980年代呈增大趨勢，1985年超過顯著水平臨界線，1999年后變?yōu)闇p小趨勢，于2003年超過顯著水平臨界線，這表明1999年后夏季高原地面感熱呈減小趨勢。UB分量自1980年代至1990年代中期呈現(xiàn)減小趨勢，1996年后轉(zhuǎn)為增大趨勢，于2000年超過顯著水平臨界線。UF 和UB的交點(diǎn)位于1996年，表明夏季高原地面感熱總體減小的現(xiàn)象具有突變特點(diǎn)，突變點(diǎn)位于1996年前后（表1）。

3.2 地面潛熱

夏季高原地面潛熱通量（圖4）的氣候均值為62 W m?2，與夏季地面感熱通量的數(shù)值相近。在30年中呈波動(dòng)變化并伴有增大趨勢，線性傾向率為1.14 W m?2/(10 a)，但線性擬合率并不高（R2= 0.1899，P=0.114）。這種增大趨勢可能與高原降水有所增多（李林等，2010）、地面植被有一定程度的增加（徐興奎等，2008）有關(guān)。近30年6～8月各月的高原地面潛熱變化趨勢與夏季類似（圖略）。

夏季，高原地面潛熱的準(zhǔn)4年、準(zhǔn)9年的周期振蕩現(xiàn)象顯著。3～5年的周期振蕩在1990年與2005年之間有較大譜值，7～10年的周期振蕩在1995年前后有較大譜值（圖5）。

圖6中，UF分量自1980年代中期呈增大趨勢，于2007年超過顯著水平臨界線，這表明1987年后夏季高原地面潛熱呈增大趨勢。UB分量自1980年代至1990年代中期出現(xiàn)增大趨勢。UF和UB的交點(diǎn)位于2004年（表2），表明夏季高原地面潛熱自1990年代末的增大屬于突變現(xiàn)象。

圖4 同圖1，但為地面潛熱通量分布Fig. 4 Same as Fig. 1, but for surface latent heat (LH) fluxes

圖5 同圖2，但為地面潛熱的小波分析及其對(duì)應(yīng)的方差Fig. 5 Same as Fig. 2, but for surface latent heat

圖6 同圖3，但為地面潛熱的MK突變檢驗(yàn)Fig. 6 Same as Fig. 3, but for surface latent heat

圖7 同圖1，但為地面熱源分布Fig. 7 Same as Fig. 1, but for the surface heat source (FH+LH)

表2 同表1，但為地面潛熱的周期及突變特征Table 2 Same as Table 1, but for surface latent heat

3.3 地面熱源

夏季高原地面熱源的氣候均值為120 W m?2，其中地面感熱與地面潛熱對(duì)地面熱源的貢獻(xiàn)相當(dāng)。地面熱源總體呈減弱趨勢（圖7），但減幅很小，其線性傾向率僅為?0.73 (W m?2)/(10 a)。高原地面熱源在1985～1999年偏強(qiáng)，但強(qiáng)度呈波動(dòng)式走低趨勢。2000～2006年處于明顯偏弱狀態(tài)，隨后又轉(zhuǎn)為增強(qiáng)趨勢。因此，高原地面熱源的年際、年代際變化特征明顯。近30年6～8月各月的高原地面熱源變化趨勢與夏季類似（圖略）。

夏季地面熱源的準(zhǔn)3年、準(zhǔn)7年和準(zhǔn)12年的周期振蕩現(xiàn)象顯著。2～4年的周期振蕩在1997年與2007年之間有較大譜值，6～8年的周期振蕩在1995年前后有較大譜值（圖8）。

由圖9可見，UF分量自1980年代呈增大趨勢，1985年超過顯著水平臨界線，2000年后呈減小趨勢，這表明2000年后夏季高原地面熱源呈減小趨勢。UB分量自1980年代至1990年代中期呈減小趨勢，1994后出現(xiàn)增大趨勢，于2000年超過顯著水平臨界線。UF和UB的交點(diǎn)位于1997年，表明夏季高原地面熱源在1997年前后發(fā)生了突變（表3）。

圖8 同圖2，但為地面熱源的小波功率譜及其對(duì)應(yīng)的方差Fig. 8 Same as in Fig. 2, but for the surface heat source

表3 同表1，但為地面熱源的周期及突變特征Table 3 Same as Table 1, but for the surface heat source

4 夏季高原低渦生成頻數(shù)的氣候統(tǒng)計(jì)

4.1 夏季高原低渦生成的氣候特征

圖10給出了基于MICAPS天氣圖識(shí)別的近30年夏季高原低渦生成頻數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化距平。自1981年以來高原低渦生成頻數(shù)整體呈較弱的減少趨勢，線性擬合率較高（R2=0.50586，P=?0.54038）。高原低渦的氣候傾向率為?5.4個(gè)/(10 a)，標(biāo)準(zhǔn)差約為6.7，具有較明顯的年際變化特征。近30年6～8月各月的高原低渦生成頻數(shù)趨勢與夏季類似（圖略）。

圖9 同圖3，但為地面熱源的MK突變檢驗(yàn)Fig. 9 Same as Fig. 3, but for the surface heat source

圖10 1981～2010年夏季高原低渦生成頻數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化距平Fig. 10 Standardized anomaly of the generating frequency of the Tibetan Plateau Vortexes (TPVs)

高原低渦的氣候統(tǒng)計(jì)是一項(xiàng)工作量大但結(jié)果差異也可能較大的基礎(chǔ)性工作，即使在對(duì)高原低渦定義基本相同的條件下，由于高原低渦尺度較小、生成時(shí)多為邊界層淺薄系統(tǒng)，加之高原上（特別是高原西部）的探空資料稀疏，基于不同作者、不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段、不同識(shí)別方式、不同資料分析出的高原低渦氣候特征可能不盡相同，甚至出現(xiàn)變化趨勢相反的情況（王鑫等，2009；Feng et al.，2014；李國平等，2014），但這些研究得出的低渦生成總數(shù)及其氣候變幅的差別并不大。

4.2 夏季高原低渦的多發(fā)年與少發(fā)年

1981～2010年，夏季高原低渦共出現(xiàn)943個(gè)，年平均31.4個(gè)。1985年高原低渦生成頻數(shù)最高（44個(gè)），2006年生成頻數(shù)最少（19個(gè)）。低渦高發(fā)期主要集中在1980年代到1990年代中后期。若定義高于1個(gè)距平的為高原低渦多發(fā)年，低于一個(gè)距平的為少發(fā)年，則夏季高原低渦多發(fā)年有：1985、1986、1987、1989和1993年，少發(fā)年有：1996、2003、2004、2006和2010年。

4.3 夏季高原低渦生成的氣候統(tǒng)計(jì)分析

夏季高原低渦序列的準(zhǔn)7年和準(zhǔn)13年周期振蕩現(xiàn)象顯著，6～8年的周期振蕩在1995年與2005年之間有較大譜值（圖11）。

如圖12所示，UF分量自1980年代中期呈增大趨勢，1995年后轉(zhuǎn)為減小趨勢，于1995年超過顯著性水平臨界線。UB分量自1980年代呈現(xiàn)減小趨勢。UF和UB的交點(diǎn)位于1998年，表明夏季高原低渦自1990年代中期的減小是一突變現(xiàn)象，發(fā)生于1998年前后（表4）。

表4 同表1，但為高原低渦生成頻數(shù)的周期及突變特征Table 4 Same as Table 1, but for the generating frequency of TPVs

5 高原地面熱源與高原低渦生成頻數(shù)的時(shí)間相關(guān)性及成因分析

圖11 同圖2，但為高原低渦頻數(shù)的小波功率譜及其對(duì)應(yīng)的方差Fig. 11 Same as Fig. 2, but for the generating frequency of TPVs

圖12 同圖3，但為高原低渦生成頻數(shù)的MK突變檢驗(yàn)Fig. 12 Same as in Fig. 3, but for the generating frequency of TPVs

由表5可見，夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期高原地面感熱呈高度正相關(guān)，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)；夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期地面潛熱呈負(fù)相關(guān)，只通過了0.1的顯著性水平檢驗(yàn)；夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期地面熱源呈正相關(guān)，通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。因此，氣候統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明：地面熱源偏強(qiáng)特別是地面感熱偏強(qiáng)的時(shí)期，對(duì)應(yīng)高原低渦的多發(fā)期；而地面潛熱偏強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的是高原低渦少發(fā)期。

表5 夏季高原低渦生成頻數(shù)與高原地面加熱項(xiàng)的相關(guān)系數(shù)及其信度水平Table 5 The correlation coefficients between the generating frequency of TPVs and surface heating in summer and their confidence levels

與溫帶氣旋不同的是，診斷分析結(jié)果表明高原低渦的形成主要依靠強(qiáng)烈的地面感熱，這一點(diǎn)對(duì)于高原西部的低渦更為明顯，高原中西部地面感熱加熱是高原低渦生成、發(fā)展和東移的主導(dǎo)因子（羅四維和楊洋，1992；陳伯民等，1996；田珊儒等，2015）。故不少研究認(rèn)為地面感熱在低渦形成中具有重要作用，高原地區(qū)強(qiáng)烈的太陽輻射給地表以充足的加熱，使大氣邊界層底部受到強(qiáng)大的地面加熱作用，從而奠定了高原低渦產(chǎn)生、發(fā)展的熱力基礎(chǔ)。青藏高原低渦正是在高原這種特殊的熱力和地形條件下生成的。

這類準(zhǔn)正壓氣流中的暖性干渦產(chǎn)生于地面感熱中心上空并隨之移動(dòng)，因此地面感熱的作用非常重要。受感熱加熱影響，低渦中心降壓，氣流從四周向中心輻合，產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，有利于引發(fā)對(duì)流系統(tǒng)；但上升運(yùn)動(dòng)中干絕熱過程很快使氣柱降溫，從而抑制熱低壓的進(jìn)一步發(fā)展，故地面感熱激發(fā)的高原低渦大多是一種淺薄天氣系統(tǒng)（Liu and Li，2007）。由此派生出地面感熱有利于（羅四維和楊洋，1992；陳伯民等，1996）或不利于（Dell'osso and Chen，1986）高原低渦發(fā)生、發(fā)展的兩種不同觀點(diǎn)。Shen et al.（1986）的研究也指出，地面感熱在雨季中只能對(duì)大尺度環(huán)流起附加的修正作用，24小時(shí)內(nèi)一般并不能顯著改變高原低渦流場的總體特征。造成這種對(duì)地面感熱作用認(rèn)知差異的原因可能與地面感熱的時(shí)空分布有關(guān)。一方面，低渦發(fā)展與地面感熱加熱的非均勻程度有關(guān)，加熱強(qiáng)度最大區(qū)對(duì)應(yīng)渦區(qū)時(shí)，感熱有利于低渦的發(fā)展；但若地面感熱中心與低渦中心配置不一致，地面感熱加熱就會(huì)抑制低渦的發(fā)展（李國平等，2002）。另一方面，在低渦的不同發(fā)展階段，地面感熱的作用亦不同，并且還與低渦發(fā)展階段是白天還是夜間有關(guān)（宋雯雯等，2012）。但在氣候尺度上，地面感熱對(duì)高原低渦的生成總體上是正貢獻(xiàn)，這從表5揭示的近30年來夏季高原低渦生成頻數(shù)與地面感熱具有顯著正相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得到證實(shí)。

高原低渦生成后的東移過程中，潛熱加熱的作用逐步占據(jù)主要地位（陳伯民等，1996）。數(shù)值試驗(yàn)表明無地面蒸發(fā)潛熱時(shí)，低渦強(qiáng)度比控制試驗(yàn)略有減弱，說明地面潛熱通量對(duì)低渦的發(fā)展有一定作用（宋雯雯等，2012）。Sugimoto and Ueno（2010）也指出西部高原低渦東移到地面較為濕潤的高原東部后，在對(duì)流不穩(wěn)定條件下通過低層輻合激發(fā)出中尺度對(duì)流系統(tǒng)。田珊儒等（2015）認(rèn)為地面蒸發(fā)潛熱并不能直接通過熱力作用激發(fā)高原低渦的生成，它是通過增強(qiáng)中低層大氣的不穩(wěn)定性，為對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展積累能量，形成有利于對(duì)流性降水的熱力環(huán)境；而東移的高原低渦通過加強(qiáng)偏北、偏南氣流形成的輻合帶，觸發(fā)高原東部對(duì)流系統(tǒng)的生成。趙玉春和王葉紅（2010）的結(jié)果亦表明高原渦東移誘生的低層偏東氣流在川西高原東側(cè)地形的動(dòng)力強(qiáng)迫抬升作用下，通過釋放對(duì)流有效位能激發(fā)出中尺度對(duì)流系統(tǒng)。因此，不難理解表5給出的夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期地面潛熱呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果，即在時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系上，地面潛熱與高原低渦的生成并非同期相關(guān)，而一般要滯后于高原低渦的生成，這與土壤濕度對(duì)降水的影響具有時(shí)間滯后效應(yīng)的原理類似（Li et al., 1991）。但總體而言，夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期地面熱源在氣候統(tǒng)計(jì)上具有正相關(guān)的結(jié)論，進(jìn)一步證實(shí)了高原地面加熱對(duì)高原低渦乃至高原中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成（Li et al., 2008; Sugimoto and Ueno, 2010）的重要性。

6 結(jié)論與討論

本文研究了近30年來青藏高原夏季地面感熱、地面潛熱和地面熱源以及高原低渦生成頻數(shù)的氣候?qū)W特征，分析了高原地面加熱與高原低渦生成的時(shí)間相關(guān)性，并初步探討了地面感熱與地面潛熱與低渦生成具有不同相關(guān)性的物理成因。獲得如下研究結(jié)果：

（1）夏季高原地面感熱的氣候均值為58 W m?2，近30年地面感熱總體呈微弱的減小趨勢，在1980年代初期和本世紀(jì)前10年的大部分時(shí)段地面感熱呈增大趨勢，而中間時(shí)段呈波動(dòng)式下降。地面感熱具有準(zhǔn)3年、準(zhǔn)7年為主的周期振蕩，1996年是其減小趨勢的突變點(diǎn)。

（2）夏季高原的地面潛熱的氣候均值為62 W m?2，在30年中呈波動(dòng)變化并伴有增大趨勢，這種增大趨勢的突變始于2004年前后。另外，高原地面潛熱的準(zhǔn)4年、準(zhǔn)9年的周期振蕩現(xiàn)象顯著。

（3）夏季高原地面熱源的氣候均值為120 W m?2，其中地面感熱與地面潛熱對(duì)地面熱源的貢獻(xiàn)相當(dāng)。地面熱源總體呈幅度不大的減弱趨勢，其中1980年代到1990年代末偏強(qiáng)，21世紀(jì)前6年處于明顯偏弱狀態(tài)，隨后又轉(zhuǎn)為增強(qiáng)趨勢。地面熱源振蕩的主周期與地面感熱相同，年際、年代際變化特征明顯，在1997年前后發(fā)生了由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱的突變。

（4）近30來夏季高原低渦的生成頻數(shù)整體呈現(xiàn)一定程度的線性減少趨勢，年際變化特征明顯，低渦高發(fā)期主要集中在1980年代到1990年代中后期。高原低渦生成頻數(shù)自1990年代中期的減少態(tài)勢突變于1998年前后，并且準(zhǔn)7年、準(zhǔn)13年周期振蕩現(xiàn)象顯著。

（5）夏季高原低渦生成頻數(shù)與同期的高原地面感熱呈高度正相關(guān)，與同期地面潛熱呈一定程度的負(fù)相關(guān)，但與同期地面熱源仍呈較顯著的正相關(guān)。因此在氣候尺度上，高原地面熱源偏強(qiáng)特別是地面感熱偏強(qiáng)的時(shí)期，對(duì)應(yīng)高原低渦的多發(fā)期。這從統(tǒng)計(jì)上證實(shí)了高原地面加熱作用對(duì)觸發(fā)高原低渦乃至高原對(duì)流活動(dòng)的重要性。

最后需要說明的是，本文高原地面熱源值是基于NCEP/DOE地面感熱通量和地面潛熱通量的再分析資料得出的，高原低渦生成頻數(shù)的時(shí)間序列也是根據(jù)MICPAS天氣圖人工識(shí)別后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有必要進(jìn)一步與其他資料或識(shí)別方式獲得的高原加熱和高原低渦資料集的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估。并且高原加熱作用與高原低渦生成在氣候尺度上的時(shí)間相關(guān)性分析及物理解釋也是初步的。另外，有數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)高原西部的地面感熱和東部的地面潛熱對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展都有影響（Sugimoto and Ueno，2010），因此高原地面加熱與高原低渦生成頻數(shù)的空間相關(guān)性以及定量的氣候影響還有待利用氣候模式開展進(jìn)一步的數(shù)值試驗(yàn)。

致謝 感謝成都信息工程大學(xué)氣象學(xué)專業(yè)研究生張?zhí)裨?、劉云豐對(duì)本文的貢獻(xiàn)。

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作者簡介李國平，男，1963年出生，博士，教授，主要從事高原氣象學(xué)、天氣動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: liguoping@cuit.edu.cn

收稿日期2015-02-09；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-04-02

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15125

文章編號(hào)1006-9895(2016)01-0131-11

中圖分類號(hào)P443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A