青藏高原夏季200hPa西風變化特征及其與降水的關系

朱麗華, 范廣洲

(成都信息工程學院大氣科學學院,高原大氣與環境四川省重點實驗室,四川成都610225)

0 引言

長久以來,西風一直是中高緯度地區環流研究的一項重要課題,西風異常的描述及其影響一直備受國內外學者的關注,目前已取得很多成果。1939年Rossby[1]最先提出西風指數的概念,這一指數利用35°N和55°N緯圈平均的海平面氣壓差表征北半球中緯度西風的強弱。之后,西風的研究陸續展開。王紹武[2]利用北半球500hPa月平均高度研究了20世紀50年代西風指數的變化特征,并指出其具有準兩年振蕩特征。Thompson和Wallace[3]利用經驗正交函數分解得出冬季北半球海平面氣壓場的主模態,即北極濤動,其實質為中緯度西風強弱的描述。龔道溢和王紹武[4]利用40°N和65°N緯圈平均高度差定義西風指數,并研究了其與北半球溫度變化的關系。

西風指數的強弱能夠反映中高緯大氣環流的基本狀態,這種基本狀態與高緯和中低緯大氣之間的質量、動量及熱量的交換均有密切的聯系。緯向西風在半球乃至全球氣候異常的形成中起著極其重要的作用。陳海山和孫照渤[5]研究得出一個能夠反映環流異常的東亞區域西風指數,并指出這一西風指數可反映中國冬季氣溫變化的主要特征。董敏等[6]指出500hPa西風指數與中國夏季長江流域降水量相關明顯。李崇銀等[7]的研究表明東亞副熱帶西風急流位置的北跳對南海夏季風的爆發和江淮梅雨起始時間都有重要影響。廖清海等[8]研究指出東亞高空西風急流位置的異常變動影響東亞夏季風氣候及中國東部雨帶的由南向北推進。嚴華生等[9]研究指出關鍵區西風指數的強弱與中國夏季雨帶的類型關系密切。鐘海玲和李棟梁[10]的研究顯示沙塵暴與緯向西風的位置和強度密切相關。王可麗等[11]指出西風帶的水汽輸送是中國西北大部分地區的基本水汽來源,西風變化對西風帶水汽輸送通量散度年際變化有直接的影響。馮文等[12]研究指出西風年際變化對西北地區風場輻合(輻散)的影響是中國西北地區水汽場年際變化的主要原因。李萬莉等[13]分析中國西北地區的水汽輸送和收支的平均狀況時指出西風氣流是西北地區水汽輸送的主要載體,區域西風指數對西北地區的水汽輸送和收支具有良好的指示作用,區域西風指數越大,由西風氣流輸入到西北地區上空的水汽量越大。傅云飛和黃榮輝[14]指出:東亞西風異常向南傳播時,歐亞大陸有歐亞遙相關環流型相配合,使赤道西太平洋地區的西風異常猛烈發展,隨著西風異常東傳,造成強的ElNi～no事件。

關于西風與中國甚至世界氣候變化關系的研究雖然很多,但是針對特殊地形表面上空的西風變化特征及其與環流和氣候的關系的研究相對較少。地形對大氣環流乃至全球氣候的形成都有非常重要的影響。大氣運動的直接能源有2/3來自于地表[15],地表的海-陸分布不均對大氣受熱時空分布的影響最基本也最強烈[16],而大氣環流自身還會受到不同地形的機械強迫和熱力強迫的影響。因此,研究特殊地形表面上空的西風變化特征及其與環流和氣候變化的關系具有格外重要的意義。

選取的地形為青藏高原,它位于東亞副熱帶地區,高聳至對流層中部,面積約占中國的1/4,青藏高原的存在改變了歐亞大陸的氣候格局[17],其地表過程變化不但會引起亞洲地區大氣環流的重大變化,還會在北半球甚至全球產生重大影響[18]。因此選擇研究青藏高原上空的西風變化具有十分重要的意義。已有研究表明[19-25]青藏高原500hPa緯向風及中國部分地區的地表風速均有減弱的趨勢,那么高原200hPa西風是怎樣變化的?它的變化與中國降水有怎樣的關系?降水場的變化與大氣環流異常又有怎樣的配置?通過分析7月青藏高原區域平均緯向風研究高原夏季西風變化特征及其與中國降水和大氣環流的關系,對以上問題進行逐一解答。

1 資料介紹

使用的風場資料為NCEP/NCAR月平均再分析資料,其水平分辨率為經緯度網格,資料的時間為1948～2009年(選取7月代表夏季);使用的降水資料為國家氣候中心提供的1951～2009年7月中國160個測站月降水。另外,文中選取30°N ～40°N,80°E～100°E的青藏高原地區進行研究。

2 青藏高原夏季200hPa西風變化特征分析

2.1 高原西風變化趨勢的空間分布

利用線性傾向估計的方法[26]分析1948～2009年夏季青藏高原200hPa緯向西風的線性變化趨勢(如圖1所示),正值代表上升趨勢,陰影部分為超過95%信度檢驗的區域。從圖1可以看出近62年青藏高原上空西風整體呈現明顯增強趨勢,且大部分區域超過了95%的信度檢驗(如圖1陰影部分所示)。西風增強的趨勢由西向東遞增,高原東部地區增強趨勢最顯著。

圖1 1948～2009年7月青藏高原200hPa西風線性趨勢分布(正值表示上升趨勢;陰影:信度超過95%的區域)

圖2 1948～2009年7月200hPa青藏高原主體范圍(30°N ～40°N,80°E～ 100°E)區域平均西風年際變化(單位:m/s)

2.2 高原西風時間變化趨勢

圖2為青藏高原區域夏季200hPa緯向西風62年來隨時間的變化曲線,從圖中分析,自1948年,青藏高原夏季200hPa西風總體呈現增強趨勢(R=0.310,超過95%的信度檢驗),以擬合直線斜率的10倍作為氣候傾向率,代表每10年西風的變化值,計算得出西風的氣候傾向率為0.72m·s-1·(10a)-1。另外,圖1還顯示青藏高原夏季200hPa緯向西風在20世紀50年代前期偏弱,在50年代中后期開始增強,并在80年代出現近62年的最大值,90年代末高原高空西風略有減弱,但并不明顯。

2.3 周期分析

利用小波分析方法對1948～2009年7月青藏高原200hPa緯向西風時間序列進行分析(母函數取Morlet小波),得出小波系數的實部、小波功率譜及其顯著性檢驗,小波功率譜的定義根據Torrence[27]提出的為復小波系數的模方。小波分析的結果表明高原200hPa西風具有2～4a的周期,這一周期成分主要出現在20世紀50年代、70年代后期、80年代和90年代,小波功率譜的顯著性檢驗結果表明高原西風2～4a的周期在50年代及70年代末至80年代前期這兩個時段表現顯著,均超過了95%的信度檢驗。

圖3 1948～2009年7月青藏高原200hPa西風的小波分析(虛弧線為頭部影響)

圖4 1948～2009年7月青藏高原200hPa西風曼-肯德爾統計量曲線(虛直線為α=0.05顯著性水平臨界線)

2.4 突變分析

用曼-肯德爾法[26]檢測1948～2009年7月青藏高原200hPa緯向西風序列的突變情況,如圖4中所示,給定顯著性水平α=0.05,由UF曲線可見,自50年代后期,青藏高原200hPa緯向西風有一明顯的增強趨勢,且在60年代至90年代末高原西風的這種增強趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線,表明在這一時段高原西風增強趨勢是十分顯著的,與之前的分析結果一致。且根據UF和UB交點的位置確定高原200hPa西風在50年代的增強是一突變現象,具體從1954年開始,即青藏高原夏季200hPa緯向西風存在1954年的突變點。

3 青藏高原夏季200hPa西風異常與降水的關系

圖5為青藏高原7月200hPa緯向西風時間序列與中國160個測站7月降水量的同期相關分析,從圖5中可以看出當青藏高原夏季200hPa緯向西風增強時,在長江流域以北的中國大部分地區降水偏多,以江淮流域、川渝地區西部和東部省界以及中國西北、東北的部分地區表現顯著,長江流域以南的大部分地區降水偏少,其中華南沿海及中國西南地區西南部降水偏少更加明顯。

圖5 青藏高原7月200hPa西風時間序列與1951～2009年7月降水的同期相關系數(實線表示正相關,虛線表示負相關;陰影:信度超過90%、95%、99%的區域)

圖6 青藏高原7月200hPa西風時間序列與同期500hPa的U、V風場相關系數構造出來的矢量的流場和相對渦度場

4 青藏高原夏季200hPa西風異常與環流的關系

為了討論青藏高原夏季200hPa緯向西風異常與大氣環流的關系,把青藏高原7月200hPa緯向西風序列與7月500hPa的 U、V風場及對流層中低層的緯向水汽通量、經向水汽通量分別求相關系數,然后用由相關系數構造出來的矢量的流場、相對渦度場及水汽通量散度場的分布分別代表青藏高原夏季200hPa緯向西風增強所對應的流場、相對渦度場及水汽通量散度場的結構。

4.1 500hPa流場及相對渦度場

圖6為青藏高原7月200hPa西風時間序列與同期500hPa的U、V風場相關系數構造出來的矢量的流場和相對渦度場分布,圖中顯示當青藏高原夏季200hPa緯向西風增強時,西北、華北、東北的大部分地區主要受強大的氣旋式異常環流控制,環流中心及其對應的正渦度中心位于內蒙古地區東部上空,異常氣旋式環流的存在有利于北方地區低壓系統的產生與發展;中低緯度西太平洋、華南沿海及西南地區南部為一致的反氣旋式異常環流;占據北方大部分地區的強大的氣旋式異常環流與控制南方地區的反氣旋式異常環流之間的川渝地區西部-川渝地區東部省界-江淮地區一線盛行異常偏西氣流,使來自印度洋的暖濕氣流源源不斷的向這一線地區輸送,易于造成這些地區異常偏多的降水;另外,由于中低緯度西太平洋、華南沿海至西南地區南部的反氣旋式異常環流的存在,有利于使西太平洋副高的位置偏南偏西,進而不利于華南沿海及西南南部地區的降水。

4.2 水汽通量散度場

圖7中,分別對地面到500hPa的緯向水汽通量Qu、經向水汽通量Qv垂直積分,得到整個對流層中低層的水汽輸送狀況,計算青藏高原7月200hPa緯向西風與積分后的Qu、Qv相關系數并構造矢量,該矢量的散度反映了高原夏季200hPa西風增強所對應的某地水汽輻合、輻散狀況,正值區表示水汽輻散,負值區表示水汽輻合,其中數值大小只有相對意義。圖7中顯示,當青藏高原夏季200hPa西風增強時,在長江流域以北的北方地區以水汽輻合為主,其中江淮流域及川渝地區尤為明顯,而華南沿海地區為水汽輻散區,與降水場有較好的對應。

圖7 青藏高原7月200hPa西風時間序列與同期對流層中低層緯向水汽通量 Qu、經向水汽通量Qv相關系數構造矢量的散度分布(陰影:3000m以上的地形)

5 結論

通過以上的分析,可以得出以下結論:

(1)近62年青藏高原夏季200hPa西風整體呈現明顯增強趨勢,且增強趨勢由西向東遞增,高原東部地區增強趨勢最顯著;高原夏季200hPa西風在20世紀50年代前期偏弱,在50年代中后期開始增強,并于80年代出現近62年的最大值,90年代末高原高空西風略有減弱,但不明顯。

(2)青藏高原夏季200hPa西風存在2～4a的周期,這一周期成分在20世紀50年代及70年代末至80年代前期這兩個時段比較顯著;并且高原200hPa西風在1954年發生了較明顯的增強突變。

(3)青藏高原夏季200hPa西風增強時,在長江流域以北的大部分地區降水偏多,以江淮流域、川渝地區西部和東部省界以及西北、東北的部分地區表現顯著,長江流域以南的大部分地區降水偏少,其中華南沿海及西南地區西南部降水偏少更加明顯。

(4)青藏高原夏季200hPa西風增強時,東北、華北、西北的大部分地區受氣旋式異常環流控制;中低緯度西太平洋、華南沿海及西南地區南部為一致的反氣旋式異常環流;控制我國北方地區的強大的氣旋式異常環流與控制南方的反氣旋式異常環流之間的中國川渝地區西部-川渝地區東部省界-江淮地區一線盛行異常偏西氣流,使這一地區水汽充沛,在水汽通量散度場中表現為明顯的水汽輻合區。環流場與降水異常分布有較好的配置關系。

以上結論均由統計學方法得到,關于青藏高原夏季200hPa西風異常與降水及環流關系的物理機制尚不清楚,還需進一步展開相應的動力學分析及數值模擬。

致謝:感謝美國國家大氣研究中心(NCAR)的Christopher Torrence博士提供的小波分析程序;感謝成都信息工程學院校選基金(CRF201201)對本文的資助

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