青藏高原水汽變化特征及其對中國北方降水影響

張軍鵬，陳文博，劉騰嬌，辛亞男

（金昌市氣象局，甘肅 金昌 737100）

0 引言

青藏高原地處中低緯西風帶,其獨特的地理位置,讓它成了亞洲季風區(qū)內巨大的降水氣候的分水嶺。青藏高原是中國長江、黃河兩大河流的源流地區(qū)，對于中國西部地區(qū)的水系的形成具有最直接的作用，被稱作是“亞洲水塔”[1]。青藏高原的熱力、動力作用對東亞乃至全球的天氣氣候具有非常重要的影響，是亞洲季風活動及中國區(qū)域旱澇的強信號區(qū)[2-5]。青藏高原東南部的水汽“轉運站”效應是長江中下游流域洪澇以及北方夏季干旱異常的關鍵因子之一[6]，夏季高原水汽在熱源作用下表現(xiàn)為上升運動，與之相關在高原外圍為補償下沉運動，從而形成高原外圍的少雨帶，造成西北地區(qū)干旱[7]。

青藏高原地區(qū)位于孟加拉灣、南海、西太平洋地區(qū)向長江中下游、西北、華北地區(qū)輸送水汽的關鍵區(qū)域，青藏高原地區(qū)的水汽變化影響水汽通道的水汽輸送，它的水汽收支對于中國大面積區(qū)域的氣候和水資源有非常大的影響。研究者發(fā)現(xiàn)青藏高原地區(qū)的水汽分布特征是在總體上西部區(qū)域比較干，而東南區(qū)域比較濕，并且東南區(qū)域是很顯然的濕區(qū)[8]。周長艷等[9]利用歐洲中心的再分析資料分析研究了青藏高原東部地區(qū)及附近區(qū)域空中的水汽的變化特征，得出了1958—2001年該地區(qū)年大氣可降水總量表現(xiàn)為減少趨勢，總水汽收入也表現(xiàn)出減少趨勢的結論。

中國北方地區(qū)主要是溫帶大陸性氣候和溫帶季風性氣候。冬夏季溫差大，四季氣溫變化明顯。年降雨量少，季節(jié)分布不均，北方地區(qū)年降水量大多在400～800 mm，降水集中在7月和8月。每年春天很少下雨，而且經常干旱。近40年來，中國北方地區(qū)尤其是華北地區(qū)以及西北地區(qū)東部干旱化十分明顯[10-11]，而且華北和西北區(qū)的東部的夏季氣柱可降水量明顯減少[12]。近年來干旱對農業(yè)生產危害嚴重，并隨著全球氣候變暖而加劇。沙漠化，沙塵暴與旱災互為因果，共同肆虐，形成惡性循環(huán)。中國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將長期受到干旱的威脅，對中國經濟、農業(yè)等的發(fā)展造成了重大影響，而且北方地區(qū)大部分屬于干旱、半干旱和半濕潤偏旱地區(qū)，干旱自古橫行，降水對于這些地區(qū)非常重要，因而研究青藏高原水汽變化特征對中國北方降水的影響具有非常重要意義。

1 數(shù)據(jù)和方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)說明

文章所用的資料包括中國819個站點的1979—2018年觀測降水資料，美國國家環(huán)境預測中心（NCEP）的再分析資料，歐洲氣象中心的再分析資料ERA5，包括位勢高度、比濕、風速（u、v和omega）、水汽通量等數(shù)據(jù)。

1.2 方法介紹

選取青藏高原地區(qū)和中國北方地區(qū)作為研究對象，利用經驗正交函數(shù)分析方法（EOF）、最大協(xié)方差分析方法（MAC）、合成分析、相關分析統(tǒng)計法、奇異值分解方法（SVD）、高斯濾波方法、MK趨勢法等方法進行相關性研究。總的研究思路是：首先研究青藏高原地區(qū)水汽變化情況和分布特征，然后使用SVD分析方法對青藏高原地區(qū)的水汽通量場與中國北方地區(qū)降水作奇異值分析，由SVD分解得到一對（左，右）空間分布型反映了青藏高原水汽通量和中國北方降水場之間的空間遙相關性以及它們相互作用的關鍵區(qū)域，對應的時間序列則反映了各自空間型的時間演變特征；分析由SVD 分解所得的異性相關系數(shù)的時間或空間分布特征，找到影響中國北方地區(qū)降水水汽通量的分布型和關鍵區(qū)域；之后對青藏高原地區(qū)的水汽指數(shù)和中國北方的環(huán)流形勢進行分析，以期得到青藏高原地區(qū)水汽時空分布對于中國北方降水的影響。

2 青藏高原水汽變化特征

2.1 1979—2018年青藏高原水汽的氣候分布特征

青藏高原的水汽具有空間分布不均勻性。從水汽的多年氣候平均（氣候態(tài)：1979—2018）的空間分布（圖1）可以看出，對于青藏高原地區(qū)，水汽主要分布在27.5°N～32.5°N、90°E～105°E的區(qū)域內，即青藏高原東部和南部區(qū)域，此外在青藏高原北部的一小部分區(qū)域也是水汽通量值比較大的區(qū)域，青藏高原的其他區(qū)域水汽全年分布比較均勻，并且相比東南區(qū)域水汽比較少。

圖1 1979—2018年青藏高原水汽的年平均空間分布

青藏高原的水汽具有顯著的季節(jié)不平均性。從青藏高原地區(qū)的區(qū)域平均水汽年循環(huán)（圖2）可以看出，青藏高原地區(qū)水汽變化呈先上升后下降的趨勢。8月和9月水汽通量值最大，而11月、12月和次年1月水汽通量值最小，即冬季水汽最少，夏季水汽最多，而水汽最大值出現(xiàn)在秋季。

圖2 青藏高原區(qū)域平均水汽的年循環(huán)

從圖3可以看出不同季節(jié)青藏高原水汽的季節(jié)分布特征，春季水汽分布圖中可以發(fā)現(xiàn)水汽主要集中在青藏高原的東南部，有很少一部分在青藏高原的北部地區(qū)；相比春季，夏季的水汽明顯增多，而且水汽通量的大值區(qū)變大，而且東部地區(qū)的水汽通量有了明顯的增大，北方水汽通量大的地區(qū)增大；相比夏季，秋季的水汽通量有一定的下降，而且北方地區(qū)的大值區(qū)水汽通量下降得很明顯，覆蓋范圍以外明顯變小；對于冬季，水汽通量相對于秋季的變化不是很明顯。總的來說，該地區(qū)的水汽分布是夏季水汽最多，且分布面積最廣，春季最少，秋冬季水汽分布的變化不大。并且水汽分布的區(qū)域大體上相同，位于青藏高原的東南部區(qū)域以及北方有一小部分區(qū)域，且全年大部分區(qū)域水汽都較少。

圖3 水汽季節(jié)分布（a）春季（b）夏季（c）秋季（d）冬季

2.2 1979—2018年青藏高原水汽的趨勢分布特征

由圖4可以看出，1979—2018年青藏高原水汽年平均的趨勢分布情況：高原東南部區(qū)域以及北方的一小部分區(qū)域水汽通量呈現(xiàn)降低的趨勢，而西部地區(qū)以及東北地區(qū)的水汽通量則是呈現(xiàn)增加趨勢；使用MK趨勢分析對于計算結果進行檢驗，發(fā)現(xiàn)西北、西南、東北、東南以及北部的水汽變化的趨勢是很明顯的，通過了95%的顯著性檢驗，表明青藏高原地區(qū)的年平均水汽通量在1979—2018年間有顯著的變化。

圖4 1979—2018年青藏高原水汽的趨勢分布（“+”代表通過95%的顯著性檢驗年平均分布）

2.3 青藏高原區(qū)域的水汽的年平均變化特征

圖5為1979—2018年高原年平均水汽通量距平的隨時間變化曲線，則是11年高斯濾波平滑后的曲線。研究發(fā)現(xiàn)，高原水汽具有明顯的年際變化特征。此外，水汽還具有年代際變化特征，總體上表現(xiàn)為增加趨勢，有一定的周期性變化。其中1989年和2010年的年平均水汽通量有最大值，1990年年平均水汽通量有最小值。

圖5 青藏高原年平均水汽隨時間的變化特征（曲線為經過11年高斯低通濾波平滑的曲線）

3 青藏高原的水汽與中國北方降水的相關性分析

3.1 青藏高原地區(qū)水汽通量與中國北方年降水SVD分解

由青藏高原地區(qū)水汽通量與北方降水SVD解釋方差圖6可以看出，前3個模態(tài)的累積方差貢獻占據(jù)了總解釋方差貢獻率的81%，其中第一模態(tài)的方差占據(jù)總解釋方差的45%，第二模態(tài)的方差占據(jù)總解釋方差的24%，第三模態(tài)的方差占據(jù)總解釋方差的12%，前3個模態(tài)基本上就可以解釋2個場的空間遙相關性和時空演變特征，只需要分析水汽通量和年降水場的前3個空間模態(tài)的相關特征即可。

圖6 水汽通量與北方年降水SVD分解解釋方差

3.2 青藏高原水汽通量與北方年降水SVD分解第一模態(tài)

由圖7可以看出，在左奇異場分布型中，正相關區(qū)域為青藏高原西部以及東北部，這2個區(qū)域的相關系數(shù)都＞0.4，達到了α=0.01的顯著性水平，相關性特別明顯；對應的右奇異場中正相關區(qū)域為新疆西南部和西北部，以及青海大部分區(qū)域，而負相關區(qū)域只有內蒙古東部一小部分區(qū)域；當青藏高原西部以及東北部的水汽通量增加時，新疆西南部和西北部以及青海大部分區(qū)域的年降水同樣會增加。兩序列的變化趨勢基本是保持一致，總體上表現(xiàn)為上升趨勢。

圖7 水汽通量與北方年降水SVD分解第一模態(tài)

3.3 青藏高原水汽通量與北方年降水SVD分解第二模態(tài)

由圖8可以看出，在左奇異場分布型中，正相關區(qū)域為青藏高原西南部到中部的區(qū)域，相關系數(shù)都＞0.4，達到了α=0.01的顯著性水平；負相關區(qū)域為高原東北部，相關系數(shù)絕對值大于0.4，達到了α=0.01的顯著性水平；對應的右奇異場中正相關區(qū)域為青海小部分區(qū)域，而負相關區(qū)域為新疆西北部，以及華北的小部分區(qū)域。當高原西南部到中部的區(qū)域水汽通量增加時，青藏高原東北部水汽減少，新疆西北部以及華北的小部分區(qū)域的年降水同樣會減少。兩時間序列的變化趨勢基本是保持一致，少數(shù)年份為相反變化趨勢，總體上表現(xiàn)為下降趨勢。

圖8 水汽通量與我國北方年降水SVD分解第二模態(tài)

3.4 青藏高原水汽通量與北方年降水SVD分解第三模態(tài)

由圖9可以看出，在左奇異場分布型中，負相關區(qū)域為高原東部，這個區(qū)域的相關系數(shù)絕對值＞0.4，達到了α=0.01的顯著性水平；對應的右奇異場中正相關區(qū)域為新疆小部分區(qū)域，而負相關區(qū)域為甘肅東部和北部的小部分區(qū)域；當高原東部的區(qū)域水汽通量減少時，甘肅東部和北部的小部分區(qū)域的年降水同樣會減少。兩時間序列的變化趨勢波動幅度很大，但基本上保持變化步調一致，總體上表現(xiàn)為先上升后下降趨勢，2010年之后的下降趨勢十分明顯，表明高原東部的水汽通量在2010年以后是逐漸減少的，同樣甘肅東部地區(qū)的年降水也在減少。

圖9 水汽通量與北方年降水SVD分解第三模態(tài)

4 青藏高原的水汽影響中國北方降水的大氣環(huán)流特征

4.1 基于夏季青藏高原水汽回歸位勢高度場

對比高原地區(qū)全年的水汽分布和夏季的水汽分布可以發(fā)現(xiàn)，高原水汽通量在夏季的時候最大，占據(jù)全年水汽大部分份額，所以只需探討高原夏季的水汽對于中國北方地區(qū)降水機制的影響即可，根據(jù)1979—2018年夏季多年平均的整層水汽通量即高原指數(shù)與不同位勢高度間的回歸系數(shù)進行相關分析，回歸系數(shù)越大，表示青藏高原指數(shù)對于位勢高度的影響越大。

根據(jù)標準化的青藏高原指數(shù)回歸的不同高度的位勢高度場圖10（850 hPa）和圖11（500 hPa）可以看出，當青藏高原水汽增多時，在烏拉爾山地區(qū)出現(xiàn)一個異常的高壓中心，貝加爾湖以東-中國東北地區(qū)出現(xiàn)一個低壓中心；低層大氣中，高原的東部在一個弱的異常低壓控制下；在對流層中層，該低壓中心位置偏西。

圖10 基于夏季高原水汽回歸850 hPa位勢高度場

圖11 基于夏季高原水汽回歸500 hPa位勢高度場

4.2 基于夏季青藏高原回歸500 hPa垂直速度場

為了研究高原水汽和對北方夏季降水的影響，對高原水汽指數(shù)和500 hPa位勢風場的垂直速度之間做回歸分析，回歸系數(shù)如圖12所示，在500百帕位勢風場中，水汽指數(shù)的變化引起位勢風場垂直速度的變化。當水汽指數(shù)增加時，中國西北地區(qū)西部的大部地區(qū)，包括新疆西南部和東北部地區(qū)的出現(xiàn)了負值異常，通過了顯著性檢驗，表明該地區(qū)的垂直風速會顯著增強；此外寧夏和甘肅的東南區(qū)域垂直速度也出現(xiàn)增強，但沒有通過顯著性檢驗；相反的是內蒙古北部的區(qū)域，以及華北東部的區(qū)域垂直運動會減弱，只有內蒙古北部區(qū)域通過了顯著性檢驗。

圖12 基于夏季青藏高原水汽回歸500 hPa垂直速度場

5.3 基于夏季青藏高原水汽回歸和水汽輸送場

中國北方地區(qū)的降水的多寡與周圍地區(qū)的水汽輸送有密切的關系。對高原水汽指數(shù)和周邊地區(qū)的水汽輸送作回歸分析，回歸系數(shù)如圖13所示，青海和高原地區(qū)屬于正值區(qū)，日本以東的地區(qū)也屬于正值區(qū)，其中高原地區(qū)有一個大值區(qū)，此外的大部分地區(qū)包括印度洋地區(qū)，孟加拉灣地區(qū)西伯利亞地區(qū)，以及太平洋部分區(qū)域都是負值區(qū)，其中的太平洋地區(qū)和孟加拉灣地區(qū)以及印度洋地區(qū)也有絕對值的大值區(qū)，水汽指數(shù)的變化對大值區(qū)域影響比較大。表明當高原水汽指數(shù)增加一個標準差時，正值區(qū)的水汽輸送會加強，而負值區(qū)的水汽輸送會減弱。由圖13中的水汽輸送方向可以發(fā)現(xiàn)，青藏高原水汽增加，會導致東北和華北地區(qū)降水增多，而青海、西藏地區(qū)以及新疆南部的降水也會增多，但是新疆西北地區(qū)降水會減少。

圖13 青藏高原水汽和500 hPa水汽輸送間的回歸系數(shù)

5 結論

（1）青藏高原的水汽總體上表現(xiàn)為年平均水汽通量增加趨勢，有一定的周期性變化。具有空間分布不均勻性，以及顯著的季節(jié)不平均性。水汽主要集中在高原的東部和南部區(qū)域。其他區(qū)域水汽全年分布比較均勻，并且相比東南區(qū)域水汽比較少；夏季水汽最多，且分布面積最廣；春季最少；秋冬季水汽分布的變化不大，并且水汽分布的區(qū)域大體上相同。

（2）青藏高原地區(qū)水汽通量與中國北方年降水SVD分解的前3個模態(tài)的累積方差貢獻占據(jù)了總解釋方差貢獻率的81%，分析前3個模態(tài)發(fā)現(xiàn)，影響我國北方年降水的關鍵區(qū)域為青藏高原西部，西南部到中部的區(qū)域以及東北部區(qū)域。

（3）從青藏高原和周邊地區(qū)的水汽輸送發(fā)現(xiàn)當青藏高原水汽指數(shù)增加一個標準差時，即青藏高原水汽增加時，會導致東北和華北地區(qū)降水增多，而青海和西藏地區(qū)的降水也會增多，但是新疆西北部地區(qū)降水會減少。