海溫變化對西北地區(qū)氣候“轉(zhuǎn)型”的影響

摘 要：基于1979—2010年中國臺站降水、GLDAS（Global Land Data Assimilation System）蒸發(fā)數(shù)據(jù)等，求取地表干濕指數(shù)SWI（Soil Water Index），對西北近30年干濕狀況進(jìn)行分析，驗(yàn)證近30年西北氣候轉(zhuǎn)型存在和延續(xù)的可能性，并通過經(jīng)驗(yàn)正交分解，對西北地區(qū)夏季降水和SWI的關(guān)系進(jìn)行研究，探討熱帶太平洋海溫對西北地區(qū)氣候變化和氣候轉(zhuǎn)型的影響。得出結(jié)論：（1）近30年來，以新疆為代表的西北地區(qū)SWI呈明顯的上升趨勢，于1987年發(fā)生氣候突變，突變后降水量增加，新疆顯著變濕，表明西北地區(qū)在近30年確實(shí)存在由干到濕的轉(zhuǎn)型，且轉(zhuǎn)型仍在延續(xù)，關(guān)鍵區(qū)范圍及位置未發(fā)生變化。對西北地區(qū)夏季降水、SWI等進(jìn)行EOF分解，結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論。（2）太平洋夏季海溫趨勢變化與新疆、西北地區(qū)降水及SWI變化趨勢同步，北太平洋中部、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的多年平均變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的異常變化有顯著影響。

關(guān)鍵詞：西北地區(qū)；氣候轉(zhuǎn)型；SWI；海溫

中圖分類號：P467 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

施雅風(fēng)等[1]發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)70年代開始，西北氣候發(fā)生了一系列的變化，通過對西北地區(qū)氣溫、降水量、冰川萎縮及冰川融水量、湖泊水位及面積、洪水災(zāi)害頻次、沙塵暴日數(shù)等現(xiàn)象的研究，初步推斷從19世紀(jì)末期到20世紀(jì)70年代，西北地區(qū)可能存在從暖干趨勢向暖濕趨勢的轉(zhuǎn)變，提出了“西北氣候轉(zhuǎn)型”假說。

相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在歐亞大陸50°N地區(qū)存在一個(gè)降水顯著增加的緯向帶，其中原位于非洲地區(qū)25°N，

60°E以西的雨帶，沿著25°～30°N緯度帶的降水增加區(qū)北移，與此同時(shí)雨帶擴(kuò)展，雨帶的南邊界移至30°N，北邊界跳至45°N，這正是中國西北的西部。因此，近20年中國西北部降水增加并不是一個(gè)孤立的局部現(xiàn)象，而是北半球氣候大范圍變化的一部分。

西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型假說提出已有20年，氣象觀測技術(shù)的進(jìn)步和多源數(shù)據(jù)的使用、數(shù)據(jù)分辨率的提高，使研究西北氣候轉(zhuǎn)型的問題有了更堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。研究數(shù)據(jù)的豐富和研究方法的擴(kuò)展使得對中國西北地區(qū)氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的變化趨勢進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證成為可能，其中涉及的關(guān)鍵問題包括西北氣候轉(zhuǎn)型在近30年是否延續(xù)、轉(zhuǎn)型關(guān)鍵年是否發(fā)生變化、關(guān)鍵區(qū)是否有擴(kuò)展轉(zhuǎn)移等。

研究表明，海溫異常對降水的影響至關(guān)重要。西北地區(qū)雖地處內(nèi)陸，但海溫異常仍會(huì)影響該地區(qū)降水。王澄海等[2]發(fā)現(xiàn)太平洋海溫變化與西北地區(qū)降水有良好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)同期春季熱帶東太平洋海溫異常偏暖時(shí)，西北地區(qū)除青海高原外其余地區(qū)降水量偏少；當(dāng)前期冬季熱帶東太平洋海溫異常偏暖時(shí)，翌年西北地區(qū)春季的降水量偏多。

使用近30年西北地區(qū)的降水和蒸發(fā)資料計(jì)算地表干濕指數(shù)（Soil Water Index，SWI），其優(yōu)點(diǎn)在于綜合考慮了降水和地表氣溫等因素變化對地表干濕變化的影響。在進(jìn)一步確定西北氣候轉(zhuǎn)型與否的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)驗(yàn)正交方法分析西北地區(qū)SWI與太平洋海溫之間的關(guān)系，研究熱帶太平洋海溫對西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型是否有影響，繼而探討熱帶太平洋對西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的影響。

1 研究數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

使用的數(shù)據(jù)包括1979—2010年中國2 000多個(gè)臺站月平均的降水、溫度，同期美國陸面同化數(shù)據(jù)GLDAS月平均的蒸發(fā)資料，Hadley中心月平均海溫。

1.2 研究方法

地表干濕指數(shù)（SWI）是表征氣候干濕變化的物理量，基本機(jī)理是考慮影響表面干濕變化的2個(gè)主要因素：降水變化（P）和地表潛在蒸發(fā)（E）確定某區(qū)域氣候干濕變化的趨勢[3]。年SWI可定義為：

SWI=P/E

其中，P為觀測年降水量，E是年潛在蒸發(fā)量，可以通過改進(jìn)的Thornthwaite方法獲得。此處使用GLDAS提供的潛在蒸發(fā)與臺站月平均降水計(jì)算SWI。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆和西北地區(qū)近30年的氣候干濕變化

對新疆1979—2010年SWI、降水隨時(shí)間變化趨勢分析和檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SWI和降水均呈先降后升趨勢，均于1987年發(fā)生突變，均位于1.96置信區(qū)間。20世紀(jì)初期以后，新疆SWI、降水增長的趨勢顯著，UF曲線超過0.05的顯著性水平，說明新疆近10年顯著變濕。SWI與降水變化一致也表明新疆的SWI變化主要受降水影響，降水是決定西北干濕變化狀況的關(guān)鍵因子[4]。

西北地區(qū)降水變化與新疆降水變化趨勢類似，但檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1987年后西北降水增加趨勢不顯著，UF統(tǒng)計(jì)量和UB統(tǒng)計(jì)量存在多個(gè)交點(diǎn)，無法準(zhǔn)確判斷西北地區(qū)降水變化和氣候向暖濕變化的準(zhǔn)確時(shí)間點(diǎn)，可能是由于年際波動(dòng)大導(dǎo)致交點(diǎn)多，但西北地區(qū)確實(shí)出現(xiàn)了氣候轉(zhuǎn)型的信號。

西北地區(qū)主要是新疆地區(qū)于1987年發(fā)生氣候突變，1987年后降水顯著增加，地表更濕潤。除此之外，在20世紀(jì)90年代和20世紀(jì)初期，新疆地區(qū)也處于顯著變濕的時(shí)期，通過0.05的顯著性水平。表明近30年，在1987年前后，以新疆為代表的西北地區(qū)確實(shí)存在由干到濕的氣候轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，轉(zhuǎn)型仍在持續(xù)且轉(zhuǎn)型顯著。

氣候轉(zhuǎn)型假說指出，西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的顯著轉(zhuǎn)型區(qū)位于新疆北部、青海和甘肅交界地區(qū)，現(xiàn)對西北地區(qū)SWI的空間分布進(jìn)行分析，研究近30年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)是否發(fā)生變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1979—1986年在新疆北部、青海和甘肅交界處等地區(qū)存在SWI的高數(shù)值區(qū)，1987年后在以上區(qū)域SWI的高值仍存在，與施雅風(fēng)等的研究結(jié)果類似，但顯著性更高，表明這些區(qū)域在轉(zhuǎn)型后更濕潤，變濕的可能性更強(qiáng)。圖1c進(jìn)一步說明了這個(gè)情況。由圖1d表明，新疆北部、青海、甘肅、內(nèi)蒙古西部的SWI在近30年均呈上升趨勢，且多數(shù)地區(qū)通過95%的顯著性檢驗(yàn)，即西北地區(qū)大部分地區(qū)存在顯著變濕趨勢。

對SWI（已進(jìn)行中心化）做EOF分解能更好地展示西北干濕轉(zhuǎn)變的時(shí)空分布特征。圖2給出了西北地區(qū)夏季SWI前2個(gè)模態(tài)的空間分布特征。由SWI的第一模態(tài)發(fā)現(xiàn)1987年發(fā)生氣候突變，由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變，與前文所得結(jié)論一致。分析第二特征向量場發(fā)現(xiàn)，沿西藏東部、青海南部、甘肅南部、陜西南部SWI南北呈反位相變化，反映了青藏高原對SWI空間分布的影響。

由西北地區(qū)夏季降水的第一二模態(tài)發(fā)現(xiàn)（圖略），轉(zhuǎn)型關(guān)鍵地區(qū)于1987年降水發(fā)生突變，在轉(zhuǎn)型年前1985—1986年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)降水減少，1987—1989年的降水增多，與SWI變化一致。同時(shí)由降水第一時(shí)間系數(shù)圖可知2004年后新疆降水增加。研究發(fā)現(xiàn)，SWI前3個(gè)特征向量場與降水的特征向量場分布基本一致，進(jìn)一步說明SWI變化主要受降水影響，降水是決定西北干濕變化狀況的關(guān)鍵因子。

2.2 海溫對西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的影響

分析熱帶東太平洋夏季海溫序列變化，發(fā)現(xiàn)熱帶東太平洋夏季海溫1979—1986年呈下降趨勢，1987—2010年呈現(xiàn)上升趨勢，與新疆、西北地區(qū)的降水和SWI的變化趨勢一致。預(yù)示著熱帶太平洋海溫變化與西北夏季降水和干濕變化存在一定內(nèi)在聯(lián)系。

為探討太平洋海溫與西北干濕變化及西北氣候轉(zhuǎn)型的關(guān)系，計(jì)算經(jīng)EOF分解后西北地區(qū)夏季SWI的第一、二、三、四時(shí)間系數(shù)與太平洋海溫之間的相關(guān)性并進(jìn)行檢驗(yàn)（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)：北太平洋中部、熱帶西太平洋、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的多年平均狀態(tài)變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的異常變化有顯著影響。

3 結(jié)論

新疆、西北地區(qū)降水和SWI在1979—1986年呈下降趨勢，1987—2010年新疆、西北地區(qū)的降水和SWI呈現(xiàn)上升趨勢。太平洋夏季海溫變化趨勢與新疆、西北地區(qū)的降水、SWI變化趨勢同步。進(jìn)一步對西北地區(qū)夏季降水進(jìn)行EOF分析，由降水第一模態(tài)發(fā)現(xiàn)1979—1986年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)降水減少，1987—1989年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)降

水增加，為1987年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)發(fā)生氣候突變提供了論據(jù)。對西北地區(qū)夏季SWI進(jìn)行EOF分析，發(fā)現(xiàn)1985—1986年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)地表干旱，1987年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)地表濕潤，能證明轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)于1987年發(fā)生氣候突變，由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型。通過分析太平洋夏季海溫與西北地區(qū)夏季SWI前4個(gè)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)北太平洋中部、熱帶西太平洋、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的多年平均狀態(tài)變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的異常變化有顯著影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 施雅風(fēng)，沈永平，李棟梁，等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢探討[J].第四紀(jì)研究，2003（2）：152-164.

[2] 王澄海，王式功，楊德保，等.中國西北春季降水與太平洋海溫相關(guān)特征的研究[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2002（4）：374-382.

[3] 張志華，陳幸榮，蔡怡.中國近海海溫年際年代際振蕩關(guān)鍵海區(qū)分析研究[J].海洋預(yù)報(bào)，2012，29（4）：1-6.

[4] 黃山江.西北地區(qū)春季和夏季降水異常及其與赤道中東太平洋海溫異常的關(guān)系[D].南京：南京氣象學(xué)院，2004.

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：趙璐（1998—），女，青海化隆人，助理工程師，主要從事短期、短臨氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作。#通信作者：張少晨（1997—），男，青海同仁人，助理工程師，主要從事綜合觀測、氣象信息網(wǎng)絡(luò)方面管理工作，E-mail：1003082991@qq.com。