黃小梅， 齊冬梅， 李 笛， 孫 亦， 呂純月

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所，高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2.四川省氣象災害防御技術中心，四川 成都 610072；3.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610072）

西風急流是對流層上層的一種持續(xù)存在的行星尺度環(huán)流系統(tǒng)，對維持全球大氣動量、能量的輸送及平衡起著不容忽視的作用［1］。夏季副熱帶西風急流帶位置在40°N 附近，東北太平洋上空風速減弱將其分為了亞洲急流（0°～150°W）和北美急流（120°W～0°）［2］。亞洲副熱帶西風急流80°E 以西和以東部分分別被稱為西亞副熱帶西風急流（以下簡稱西亞急流）和東亞副熱帶西風急流（以下簡稱東亞急流）［3］。自20 世紀50 年代以來，許多研究表明東亞急流的位置和強度變化與東亞大氣環(huán)流季節(jié)轉換、亞洲夏季風爆發(fā)以及東亞梅雨的開始和結束有密切聯(lián)系［4-11］。值得注意的是，由于6月初副熱帶西風急流的北跳不僅發(fā)生在東亞季風區(qū)，也發(fā)生在西亞干旱區(qū)。楊蓮梅等［12-13］研究發(fā)現(xiàn)沿西亞急流傳播的準靜止波活動與新疆夏季降水異常有密切聯(lián)系。Zhao 等［14］進一步研究表明西亞急流的南北位置對新疆夏季降水變化有重要影響，當急流位置偏南時，有利于引導來自低緯度的西南暖濕氣流輸送到新疆北部從而導致降水偏多。

三江源地區(qū)位于青藏高原腹地，是我國最重要兩條母親河長江、黃河以及瀾滄江的發(fā)源地，一直以來，被譽為“中華水塔”［15］。該區(qū)域是我國極其重要的生態(tài)屏障，具有高寒生物資源豐富、生態(tài)環(huán)境脆弱以及對氣候變化敏感的特征［16-19］。近些年來，受全球氣候變暖和人為活動的影響，三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，頻發(fā)的高原地區(qū)干旱、極端干旱事件嚴重地影響著河流中下游地區(qū)水量供給和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，三江源區(qū)降水資源變化規(guī)律及其異常成因的研究備受關注［20-25］。不少研究指出，大尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)在影響三江源區(qū)降水變化方面發(fā)揮著重要的作用。例如，李夫星等［26］研究揭示了東亞夏季風強度與黃河流域中東部地區(qū)降水具有較好的正相關關系。王可麗等［27］研究表明長江源區(qū)年降水偏多與蒙古低壓和西風風速減弱有密切聯(lián)系。唐見等［28］研究發(fā)現(xiàn)南亞季風是影響長江源區(qū)夏季降水量較為重要的大氣環(huán)流因子，其可以通過加強西南水汽輸送從而引起長江源區(qū)降水偏多。

西亞急流作為重要的大尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，與新疆地區(qū)夏季降水多寡關系密切。那么，它的變化對青藏高原三江源區(qū)夏季降水是否有明顯影響呢?若有影響，其作用的物理機制又是什么呢？為了回答上述問題，本文通過研究西亞急流南北位置和強度年際變化與三江源區(qū)夏季降水異常的關系，并分析其中的物理過程，揭示大尺度環(huán)流因子對三江源區(qū)夏季降水變化的驅動機制，以期進一步提高區(qū)域旱澇災害預測水平，為準確預測氣候變化背景下三江源區(qū)未來水資源狀況提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

三江源區(qū)（31°39′～36°12′N，89°45′～102°23′E）位于青海省南部，平均海拔3500 m以上（圖1），流域面積為3.631×106km2，其中長江源區(qū)、黃河源區(qū)、瀾滄江源區(qū)和其他源區(qū)的面積分別為15.41×104km2、10.48×104km2、3.68×104km2、6.74×104km2［29］。行政區(qū)域包括玉樹、果洛、海南、黃南4 個藏族自治州的16個縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)，約占青海省總面積的43%［30］。三江源區(qū)年平均氣溫在-11.8～8.3 ℃，年平均降水量為289.6～745.5 mm，年平均蒸發(fā)量為730～1700 mm［29］。屬于典型的高原大陸性氣候，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、干濕兩季分明、年溫差小、日濕差大、日照時間長、輻射強烈、無四季區(qū)分的特征［29-30］。植被類型有針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌叢、草原、草甸等，并以草原和草甸所占面積最大［31］。

圖1 三江源區(qū)地形圖Fig.1 Topography of the Three River Source region

2 資料和方法

采用的資料主要包括：（1）1979—2018年ERAinterim再分析數(shù)據(jù)集［32］提供的水平分辨率為0.75°×0.75°的月平均緯向風、經(jīng)向風、垂直速度、比濕、位勢高度場等再分析資料。（2）針對三江源地區(qū)夏季（6—8月）降水，本文選取國家氣象信息中心提供的中國地面逐月網(wǎng)格（0.5°×0.5°的分辨率，或稱CN05）數(shù)據(jù)集V 2.0（1979—2018 年），該資料是中國2416個臺站的降水觀測資料的客觀分析結果［33］，以及GPCP 月平均降水數(shù)據(jù)［34］。文中的氣候平均值采用1981—2010年的平均值。

利用經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）［35-36］得到西亞急流位置和強度指數(shù)，一元線性回歸分析法［37］研究西亞急流位置年際變化對三江源區(qū)夏季降水影響的可能物理機制。為了聚焦年際變化的研究，文中的變量在進行相關和回歸計算之前均采用了9點高斯濾波方法去除了變量的年代際變化趨勢。采用t檢驗進行統(tǒng)計顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 夏季西亞急流位置和強度的定義及變化特征

采用ERA-interim 再分析資料得到的夏季氣候平均200 hPa緯向風分布（圖2），由圖2可見，夏季副熱帶西風急流位置在40°N附近，亞洲急流存在3個中心，分別位于50°E附近的里海上空、80°～100°E的中國西部地區(qū)和140°～160°E 的日本及其以東地區(qū)。這與研究學者采用NCEP/NCAR 再分析資料得出的結果［3,14］基本一致。

圖2 氣候平均夏季200 hPa 緯向風場Fig.2 The climatological summer 200 hPa zonal wind field

這里根據(jù)Zhao 等［14］對夏季西亞急流位置和強度的計算方法，采用1979—2018 年的ERA-interim再分析資料對（25°～55°N，40°～80°E）區(qū)域范圍的200 hPa 緯向風異常場進行正交經(jīng)驗函數(shù)（EOF）分解，得出體現(xiàn)西亞急流異常變化的兩個主模態(tài)。前兩個EOF 模態(tài)解釋方差分別為45.9%和20.3%，累積方差貢獻達到66.2%，表明前兩個模態(tài)可以體現(xiàn)該區(qū)域200 hPa 緯向風異常的主要特征。EOF 分解第一模態(tài)在空間場上表現(xiàn)為從低緯到高緯的南北反相分布特征，零線位于40°N附近（圖3a）。由于氣候態(tài)的夏季副熱帶西風急流軸線也位于40°N附近，因此這種沿西亞急流軸線南北兩側的西風異常指示了急流軸線的經(jīng)向移動，這里將第一模態(tài)相應的時間系數(shù)PC1定義為西亞急流的位置指數(shù)。從時間系數(shù)PC1的變化可以發(fā)現(xiàn)西亞急流南北位置存在明顯的年際和年代際變化特征，在2000s 之前急流表現(xiàn)為南北振蕩變化特征，在2000s 及其以后以偏南為主（圖3b）。EOF 分解第二模態(tài)空間場上表現(xiàn)為在里海以東附近為大值中心（圖3c），大值中心與夏季西亞急流氣候平均位置基本一致，因此第二模態(tài)相應的時間系數(shù)PC2 可以體現(xiàn)急流強度的變化，這里將PC2定義為西亞急流的強度指數(shù)。PC2隨時間的變化表明西亞急流強度除包含明顯的年際變化外，還在2000s 中期之后表現(xiàn)出明顯的年代際減弱趨勢（圖3d）。

圖3 夏季200 hPa緯向風異常EOF第一（a）和第二（c）模態(tài)空間分布以及相應的時間變化（b,d）Fig.3 Spatial pattern for the first(a)and second(c)EOF mode of summer zonal wind anomaly at 200 hPa and corresponding principal component(b,d)

3.2 西亞急流位置和強度年際變化與三江源區(qū)夏季降水的關系

為了分析西亞急流位置和強度年際變化與三江源區(qū)夏季降水異常之間的關系，計算了去掉年代際變化后的1979—2018 年夏季西亞急流位置和強度指數(shù)與同期三江源區(qū)降水的相關系數(shù)場（圖4），可見，西亞急流位置指數(shù)與三江源區(qū)夏季降水在大部分地區(qū)都呈顯著的正相關，高相關區(qū)主要位于長江源區(qū)，中心相關系數(shù)超過0.5，通過了95%信度的顯著性檢驗（圖4a）。說明夏季西亞急流位置偏南（北）容易造成同期三江源區(qū)降水偏多（少），且在長江源區(qū)表現(xiàn)最為明顯。西亞急流強度指數(shù)與三江源區(qū)夏季降水的相關并不顯著（圖4b），表明，在年際時間尺度上，西亞急流南北位置對三江源區(qū)夏季降水的影響比急流強度更加明顯。

圖4 西亞急流位置（a）和強度（b）指數(shù)與同期三江源區(qū)降水量的相關系數(shù)場Fig.4 Simultaneous correlation of the detrended West Asian Jet position(a)and strength(b)index with the detrended precipitation over the Three River Source region

為了進一步論證西亞急流位置年際變化與三江源區(qū)夏季降水的關系，計算了1979—2018 年（31.5°～36.5°N，89.5°～102.5°E）區(qū)域平均的夏季降水量，并將其定義為三江源區(qū)夏季降水指數(shù)。圖5給出了去掉年代際變化的夏季降水指數(shù)回歸的同期200 hPa 緯向風場，結果發(fā)現(xiàn)，在（42°～52°N，48°～88°E）區(qū)域為明顯的緯向風負異常區(qū)，而（30°～40°N，50°～110°E）為明顯的緯向風正異常區(qū)。表明當三江源區(qū)夏季降水偏多時，對應同期西亞急流南側加強，北側減弱，急流中心位置明顯偏南，反之亦然。由此可知，夏季西亞急流南北位置年際變化與三江源區(qū)降水多寡有密切聯(lián)系。

圖5 氣候平均夏季200 hPa緯向風場和降水指數(shù)回歸的200 hPa緯向風場Fig.5 The climatological summer 200 hPa zonal wind field and pattern of regression of 200 hPa zonal wind against the detrended precipitation index

3.3 西亞急流位置年際變化對三江源區(qū)夏季降水的影響機制

圖6給出了夏季西亞急流位置指數(shù)去掉年代際變化后回歸的同期100 hPa 和500 hPa 位勢高度場。由圖6 可見，在西亞急流位置偏南年，100 hPa負高度異常中心位于里海至巴爾喀什湖和東北亞地區(qū)，正高度異常位于青藏高原東部及其以南的低緯度地區(qū)（圖6a），表明南亞高壓位置明顯偏東偏南。500 hPa 位勢高度異常場上（圖6b），烏拉爾山附近為顯著的正高度異常區(qū)，里海以東至青藏高原中部和日本海附近為顯著的負高度異常區(qū)，表明中高緯地區(qū)烏拉爾山阻塞高壓加強，有利于北方冷空氣南下。中緯度沿里海自西向東存在“-+-”位勢高度異常分布，表明中緯度西風急流上Rossby波活躍。低緯度自阿拉伯半島經(jīng)印度半島至西北太平洋均為顯著的正高度異常，表明印度季風低壓偏弱，西太平洋副熱帶高壓偏西偏強，有利于來自熱帶海洋的水汽向北輸送至高原東部。三江源區(qū)位于里海以東至青藏高原的負高度異常區(qū)東部，位勢高度明顯偏低，這種異常環(huán)流形勢有利于高原低渦、高原切變線等低值系統(tǒng)的活動，從而造成區(qū)域夏季降水偏多。在西亞急流位置偏北年，則情況相反。

圖6 西亞急流位置指數(shù)回歸的同期100 hPa（a）和500 hPa（b）位勢高度場Fig.6 Patterns of regressions of 100 hPa(a),and 500 hPa(b)geopotential height against the detrended West Asian Jet position index

從夏季西亞急流位置指數(shù)去掉年代際變化后回歸的同期500 hPa 風場和GPCP 降水場（圖7a）可以發(fā)現(xiàn)，在西亞急流位置偏南年，對流層中層中緯度地區(qū)自西向東存在兩個強大的異常氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，一個位于里海至青藏高原東部，另一個位于朝鮮半島至日本以東地區(qū)，三江源區(qū)位于里海至青藏高原東部異常氣旋性環(huán)流的東部，上空存在明顯的異常偏南風，有利于來自低緯的暖濕氣流輸入，導致區(qū)域降水偏多。而當急流位置偏北時，則情況相反。

圖7 西亞急流位置指數(shù)回歸的同期500 hPa風場及GPCP降水場（a）和整層積分水汽通量及其散度場(b)Fig.7 Patterns of regressions of(a)500 hPa wind and GPCP precipitation,(b)vertically integrated water vapor flux and its divergence against the detrended West Asian Jet position index

為了反映急流南北位置變化對應的水汽輸送異常分布情況，這里進一步計算了夏季西亞急流位置指數(shù)去掉年代際變化后回歸的同期整層積分水汽輸送通量及其散度場（圖7b）。由圖7b可見，在急流位置偏南年，整層積分水汽輸送通量異常與500 hPa 風場異常形勢對應較好，從里海至青藏高原地區(qū)和東北亞地區(qū)均為明顯的異常氣旋性環(huán)流，低緯印度半島北部經(jīng)中南半島至我國南海地區(qū)為強大的異常反氣旋性環(huán)流，這個反氣旋性環(huán)流異常有助于將低緯度熱帶海洋的水汽不斷輸送到高原地區(qū)。三江源區(qū)位于里海至青藏高原的異常氣旋性環(huán)流東部，整層積分水汽通量異常輻合，有利于產(chǎn)生降水。當急流位置偏北年，則情況相反。

眾所周知，較強的上升運動和充沛的水汽來源是降水產(chǎn)生的兩個必要條件。下面進一步分析了夏季西亞急流南北位置年際變化對應的垂直速度異常情況，從西亞急流位置指數(shù)去掉年代際變化后回歸的500 hPa垂直速度場（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，在急流位置偏南年，對流層中層青藏高原中部大部分地區(qū)存在明顯的上升運動異常，僅在邊緣的小部分區(qū)域為下沉運動異常。三江源全區(qū)基本為顯著的上升運動異常，這種大尺度的垂直上升運動異常可以促進水汽抬升凝結過程，有利于降水的產(chǎn)生。而在急流位置偏北年，則情況相反。

圖8 西亞急流位置指數(shù)回歸的同期500 hPa垂直速度場Fig.8 Patterns of regressions of 500 hPa vertical velocity against the detrended West Asian Jet position index

4 結論

利用ERA-interim 逐月再分析資料和中國地面逐月降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，在分析夏季西亞急流位置和強度年際和年代際變化特征的基礎上，研究了急流南北位置年際變化對三江源區(qū)夏季降水的影響及其物理機制，得到以下主要結論：

（1）1979—2018年夏季西亞急流位置和強度均具有明顯的年際和年代際變化特征。急流位置在2000s之前表現(xiàn)為南北振蕩變化特征，在2000s及其以后以偏南為主。急流強度在2000s中期之后表現(xiàn)出明顯的年代際減弱趨勢。

（2）在年際時間尺度上，西亞急流南北位置對三江源區(qū)夏季降水的影響比急流強度更加明顯。西亞急流位置與三江源區(qū)夏季降水存在顯著的正相關關系，當急流位置偏南（北）時，三江源區(qū)夏季降水偏多（少）。

（3）在西亞急流位置偏南年，高層南亞高壓位置明顯偏東偏南，三江源區(qū)位于南亞高壓東部的正高度異常和中層里海以東至青藏高原的負高度異?？刂茀^(qū)，全區(qū)存在顯著的上升運動異常，有利于高原低值系統(tǒng)活動。對流層中低層里海至青藏高原為異常氣旋性環(huán)流，三江源區(qū)位于該異常氣旋性環(huán)流東部，上空存在明顯的偏南風異常，整層積分水汽通量異常輻合，有利于來自熱帶海洋的暖濕氣流輸入，導致降水偏多，反之偏少。

本文主要分析了夏季西亞急流位置和強度的年際變化特征及其與同期三江源區(qū)降水異常的關系，重點討論了急流南北位置年際變化影響三江源區(qū)夏季降水的可能機理，可為提高區(qū)域旱澇災害預測水平提供理論依據(jù)。但是，由于影響三江源區(qū)夏季降水變化的因素很多，比如南亞季風、高原季風和高原熱力作用等，僅從西風急流的角度來探討三江源區(qū)夏季降水的變化和成因是不夠的，未來還需要結合其他影響因子進行綜合研究。