青藏高原汛期降水异常空间分布及水汽配置

王传辉,周顺武,杨玮,贲海荣,丁锋,张宇

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.安徽省公共气象服务中心,安徽 合肥 230031;

3.安徽省气候中心,安徽 合肥 230031;4.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心,山东 青岛 266003;

5.福建省永定县气象局,福建 永定 364100)

王传辉,周顺武,杨玮，等.2015.青藏高原汛期降水异常空间分布及水汽配置[J].大气科学学报,38(4):566-572.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140508002.

Wang Chuan-hui,Zhou Shun-wu,Yang Wei,et al.2015.Spatial patterns and moisture configurations of rainfall anomalies in flood season over the Tibetan Plateau[J].Trans Atmos Sci,38(4):566-572.(in Chinese).

青藏高原汛期降水异常空间分布及水汽配置

王传辉1,2,周顺武1,杨玮3,贲海荣1,丁锋4,张宇5

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.安徽省公共气象服务中心,安徽 合肥 230031;

3.安徽省气候中心,安徽 合肥 230031;4.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心,山东 青岛 266003;

5.福建省永定县气象局,福建 永定 364100)

摘要：青藏高原汛期(5—9月)降水具有南北反相的空间分布特征,利用青藏高原67个台站1967—2008年逐月降水资料,分别讨论了汛期各月降水的主要空间分布型以及初夏(5—6月)和盛夏(7—8月)对应的水汽配置和环流异常。结果表明:初夏高原降水以南北反相型(North-South Reverse Type,NSRT)为主,全区一致型(Whole Region Consistent Type,WRCT)次之;盛夏高原降水以WRCT为主。高原降水呈现NSRT分布时,初夏水汽由高原南部输向北部,而盛夏高原北部为水汽辐合区,南部为水汽辐散区。高原降水呈现WRCT分布时,初夏高原水汽主要来自西太平洋,盛夏水汽主要来自阿拉伯海向东转向的水汽输送,该水汽输送由高原西南地区进入高原。在500 hPa位势高度场上,初夏(盛夏)降水两种主要空间分布型的位势高度差异以经(纬)向差异为主,且影响高原降水异常分布的系统多为深厚系统。

关键词：青藏高原;初夏;盛夏;降水;水汽输送;环流特征

Spatial patterns and moisture configurations of rainfall anomalies

0引言

位于我国西南部的青藏高原(以下简称高原)是世界上最高的高原,其面积广阔,约占我国国土面积的1/4,平均海拔在4 000 m以上,素有“世界屋脊”和世界“第三极”之称。关于高原的高大地形对我国气候的影响,早在20世纪50年代初叶笃正先生就曾经提出高原的存在迫使西风急流分支绕流和汇合的观点(Yeh,1950;叶笃正等,1957)。此后,气象工作者在高原的动力作用和热力作用上做了大量研究工作(Wu,1984;王群等,2012),并取得了可人的成绩。高原通过动力和热力作用影响着我国及全球大气环流的变化,同时大气环流异常又对高原的气温、降水等气象要素产生重要的影响。

近年来,关于高原降水空间分布型已有许多研究(戴加洗,1990;乔全明和张雅高,1994;周顺武等,2000;韦志刚等,2003;丁治英等,2013)。高原降水主要集中在汛期(5—9月),除喜马拉雅山脉南麓和高原东南部外,大部分地区汛期降水量可占全年降水量的80%以上。由于高原地区地形复杂,影响降水的环流系统较多,导致其汛期降水的空间差异显著,呈现南北反相(North-South Reverse Type,NSRT)的变化特征(韦志刚等,2003;段克勤等,2008)。周顺武等(2011)基于台站降水资料,指出高原汛期降水存在NSRT变化的特征。段克勤等(2008)的研究指出,高原地区不仅在近几十年内降水呈NSRT变化的特征,在百年时间尺度上降水也存在该差异分布。

可见,高原汛期降水存在NSRT的变化特征已得到普遍认可。总结以往对高原降水的研究不难发现,以往研究主要存在以下问题:1)多数研究主要分析的是夏季(6—8月)(或四季)(杜军和马玉才,2004)或汛期(5—9月)(周顺武等,2000),也有分析的是年平均降水(林振耀和赵昕奕,1996;段克勤等,2008)的变化特征,而没有对高原降水集中的汛期进行细分来探讨;2)以往的许多研究发现了高原降水NSRT变化的特征(韦志刚等,2003;段克勤等,2008),但并未对其异常空间分布型的机理进行分析。近年来随着研究的深入,作为对降水产生重要影响的水汽越来越受到人们的重视(沙天阳等,2013)。

本文将高原汛期各月降水空间分布型分别进行分析,通过对各月两种空间分布型的相似性和随时间演变的相关性进行分析,并对空间分布相似和时间演变一致的月份进行归类,讨论不同时段降水分布型所对应的水汽输送及环流场存在显著差异。

1资料与方法

基于国家气象信息中心气象资料室提供的高原地区(包括青海、西藏全部,甘肃、四川以及云南部分高海拔地区)建站至2008年的逐月降水资料,同时考虑到高原西部站点稀少且建站较晚,选取站点时在保证有足够长时间序列的前提下,尽可能包括高原西部站点,选取自1967年以来至2008年共42 a的67个气象台站(站点位置见图1中的▲)(周顺武等,2011)。分析水汽输送和位势高度场所使用的是1967—2008年NCEP/NCAR再分析格点u、v风场、比湿和位势高度场资料(Kalnay et al.,1996),其水平分辨率为2.5°×2.5°。在计算水汽输送通量时积分上限取300 hPa。

主要利用经验正交分解、奇异值分解、相关(似)分析和回归分析等方法,所采用的显著性检验均为t检验。

2青藏高原初夏和盛夏降水阶段的划分

高原降水主要集中在汛期(5—9月),平均情况下汛期降水占全年降水的80%以上(戴加洗,1990;乔全明和张雅高,1994),高原区域平均汛期降水占年降水的82.71%。各月降水占年降水的比例见表1,可见,汛期各月降水均占年降水的10%以上,其中7月最多,占到年平均降水的21.04%。考虑到高原地形复杂,不同月份降水受到不同的环流系统影响,故首先分别分析高原各月降水的主要分布型。对5—9月高原汛期降水距平场分别做EOF分析(以下涉及到EOF分析的部分不特别说明的均是指距平场),得出高原汛期各月的主要空间分布型,将各分布型按照空间差异进行分类,发现各月均存在NSRT和WRCT(Whole Region Consistent Type,全区一致型)的空间分布,其中5—6月和9月的第一模态为NSRT,5—6月的第二模态为WRCT分布,7—8月第一模态为WRCT,第二模态为NSRT,而9月第二模态为高原中东部与其他区域反相型分布,第三模态为WRCT分布(图略),各月EOF分解后各模态的解释方差见表1。

表1青藏高原汛期各月降水量占年平均降水量的百分比及两种主要空间分布型在各月所占的方差贡献率

Table 1The precipitation percentage of each month and the variance contribution of the two principal spatial patterns in each month during flood period over the Tibetan Plateau

%

注：1)代表该月降水的EOF第一模态;2)代表第二模态;3)代表第三模态.

为反映高原汛期降水各月份相同类型模态之间的相似程度,给出两种主要空间分布型汛期各月之间的相似系数(表略)。各月NSRT的空间分布间均存在明显的相似关系,相似系数均通过0.01信度的显著性检验。相对来讲,5月与其他各月之间的相似性相对较差,这可能主要是因为5月高原正处于冬夏过渡时期,受冬半年环流系统的影响仍然较强的缘故。

为了进一步揭示高原各月主要空间分布型时间演变之间的联系程度,表2分别给出了两种主要空间分布型时间系数之间的相关关系。可见,在NSRT空间分布型的时间演变中5月与6月和9月相关关系较好,通过了0.05信度的显著性检验,7月与8月间的相关系数达0.39,通过了0.05信度的显著性检验。表明5月和6月及7月和8月的演变具有较好的一致性,而5月和9月表现出显著的反相变化的关系。在WRCT空间分布型的时间演变中,仅有5月和6月的相关关系通过了0.05信度的显著性检验。另外,7月和8月的相关性相对较强,相关系数为0.21,同时注意到5、6月分别与7月呈现负相关关系。

表2青藏高原汛期各月降水主要异常空间分布型时间系数之间的相关系数

Table 2Correlation coefficients in time coefficients of the principal spatial patterns between every two months during flood period over the Tibetan Plateau

NSRTWRCT5月6月7月8月5月6月7月8月6月0.321)0.311)7月0.110.14-0.21-0.138月0.09-0.090.391)0.190.050.219月-0.341)-0.0700.170.200.020.130.20

注：1)表示通过0.05信度的显著性检验.

为验证高原汛期降水5月与6月,7月与8月变化的一致性,利用SVD分析方法,分别以5月降水为左场和6月降水为右场,以7月降水为左场和8月降水为右场,分析5月与6月及7月和8月降水的主要空间分布型之间的关系及时间演变特征,所得结果支持前面的结论。故以下将5、6月称为初夏,7、8月称为盛夏,分别对其降水的时空分布特征以及与之配合水汽输送和环流场进行探讨。

3青藏高原汛期降水异常分布

3.1　青藏高原初夏和盛夏降水主要空间分布型

从高原初夏和盛夏降水EOF分解前8模态的解释方差和累计方差分布看(表略),无论初夏还是盛夏方差收敛均较慢,表明高原降水的复杂性。前8模态累计方差分别达68.22%和70.19%,基本能反映高原降水的主要空间分布形态。

初夏和盛夏前两模态累计方差分别为37.80%和40.23%,前两模态为高原初夏和盛夏降水最主要的空间分布型。以下将对这两个最主要的降水空间分布型进行分析。

图1　青藏高原初夏降水EOF第一(a)和第二(b)模态及盛夏降水EOF第一(c)和第二(d)模态的空间分布(▲为站点位置;灰色粗曲线为雅鲁藏布江;图中数值均放大至100倍)Fig.1　Spatial distributions of (a,c)the first and (b,d)second EOF modes of precipitation in (a,b)the early summer and (c,d)midsummer over the Tibetan Plateau(▲ stand for meteorological stations;the gray thick curve represents Brahmaputra;values are multiplied by 100)

3.2　青藏高原初夏及盛夏降水主要模态空间分布

图1分别给出了高原初夏及盛夏降水EOF分解第一和第二模态空间分布,这4个模态通过了North准则检验(North et al.,1982),高原初夏降水以NSRT分布为主(图1a),北部的大值中心位于青海的兴海站。南部存在2个大值区,分别位于雅鲁藏布江中游地区和西藏东部到川西高原。南北两部分的最小(大)值为-0.19(0.19),表明这两地区降水反相分布具有明显的年际变化特征。由图1b可见,高原初夏降水大致为WRCT变化的降水分布,大值中心位于高原腹地的唐古拉山脉中段。表明WRCT的空间分布型变化最显著的区域位于高原的腹地附近。从图1c可以看出,在盛夏降水最主要的空间分布型为WRCT,年际变化最显著区域位于高原中部的唐古拉山脉到川西高原一带。由盛夏降水的NSRT空间分布(图1d)中可见,高原北部正值中心位于青海与四川的交界处,而南部的负值中心位于雅鲁藏布江中下游地区。比较初夏和盛夏的NSRT分布,盛夏比初夏的0线偏南,正负值中心不完全重合。在WRCT的空间分布型中,初夏和盛夏高值中心均位于高原中部,但盛夏较初夏中心位置更加偏东一些。

3.3　青藏高原初夏及盛夏降水主要模态时间演变

虽然高原初夏降水第一模态和盛夏第二模态的空间分布型较为相似,均为NSRT分布,但时间系数演变并不一致(图2a),分析其相关性发现其相关系数仅为0.10,相关性不显著。同样,高原初夏降水第二模态和盛夏第一模态的空间分布型较为相似,均为WRCT分布,但时间系数的变化也不一致(图2b)。这表明当初夏降水出现NSRT(WRCT)分布时,盛夏降水则不一定为NSRT(WRCT)的空间分布,它们之间存在较强的独立性。

在NSRT演变的周期特征中(图略),从年代际上看,初夏以9～10 a的周期为主,而在盛夏13～15 a的周期较为显著,与拉萨地区同期降水周期相一致。在年际变化上,初夏在20世纪80年代中期到90年代末以5～6 a的周期最为显著,这与卢鹤立等(2007)得出的高原夏季降水东南部类型存在的5.3 a周期结论相一致。盛夏在20世纪80年代以前准3 a的周期为显著周期。高原初夏和盛夏降水WRCT的周期特征上(图略),初夏在20世纪80年代以准4 a周期为主,而90年代以2～3 a周期较为显著。在盛夏,以准5 a的年际振荡为主,这与汛期整体降水WRCT的周期较为一致,在20世纪90年代为准2～3 a的显著周期。

图2　青藏高原初夏和盛夏降水NSRT(a)及WRCT(b)的时间系数Fig.2　Time series of (a)NSRT and (b)WRCT in the early summer and midsummer over the Tibetan Plateau

通过对初夏和盛夏降水相同空间分布型时间系数的年际变化及周期特征可见,相同的空间分布型在不同阶段(初夏或盛夏)表现出不同的变化特征,进一步表明了高原同类空间分布型在初夏和盛夏是相互独立的。

图3　青藏高原同期水汽输送对初夏(a)和盛夏(b)降水NSRT主成分的回归(深浅阴影区分别表示通过0.01和0.05信度的显著性检验;单位:kg·m-1·s-1)Fig.3　Simultaneous regression of moisture transport to principal components of NSRT of precipitation in (a)the early summer and (b)midsummer over the Tibetan Plateau(Dark and light shadings are significant at 99% and 95% confidence levels,respectively;units:kg·m-1·s-1)

4青藏高原汛期降水两种主要空间型的水汽输送特征

水汽输送异常是影响降水多少的重要因素,图3分别给出了同期整层水汽输送对高原初夏和盛夏降水NSRT空间分布时间系数的回归。由图3a可见,初夏NSRT在5—6月沿60°E附近乌拉尔山存在南下的水汽与来自红海的水汽汇合向东输送,成为高原南部水汽的主要来源。而我国东部洋面存在一个较强的气旋性水汽输送,在气旋西北侧向西南的水汽输送与来自苏门答腊岛附近向北的水汽输送在高原南部汇合,向西北输送影响高原北部。同时,可以看出在高原上存在较强的向高原北部的水汽输送,使得高原南部很大一部分输向高原北部,致使高原南部水汽偏少而高原北部水汽偏多。

从图3b中可以看出,在7—8月西伯利亚地区存在大范围的水汽南下,一部分水汽输送到巴尔喀什湖附近发生气旋性偏转,沿昆仑山北侧边缘向东进入高原北部,成为高原北部的主要水汽来源。而此时副高异常偏强偏北,我国东部存在一个反气旋性的水汽输送环流,与沿昆仑山北侧边缘进入高原的水汽输送交汇于高原东北部,该水汽输送形势有利于青海高原降水偏多。印度半岛北部存在一气旋式环流,不利于印度洋向高原南部的水汽输送。此时,高原南部处于水汽辐散区,水汽沿昆仑山南侧向东进入高原北部。

图4　青藏高原同期水汽输送对初夏(a)和盛夏(b)降水WRCT主成分的回归(深浅阴影区分别表示通过0.01和0.05信度的显著性检验;单位:kg·m-1·s-1)Fig.4　Simultaneous regression of moisture transport to principal components of WRCT of precipitation in (a)the early summer and (b)midsummer over the Tibetan Plateau(Dark and light shadings are significant at 99% and 95% confidence levels,respectively;units:kg·m-1·s-1)

图4分别给出了高原初夏和盛夏降水WRCT变化的时间系数对同期水汽输送的回归分布。由图4a可见,在我国东北地区存在向南的水汽输送,到40°N附近该水汽输送分为两支,一支向西输送,影响高原北部地区,另一支向我国华南地区输送,到中南半岛后由高原南侧进入高原。高原上存在由高原东南部向西北部的水汽输送,但强度相对较弱。同时,索马里急流异常偏强,使得印度半岛以偏东的水汽输送为主。

从图4b可以看出,在10°N附近南亚地区存在向西的较强水汽输送受阿拉伯半岛和伊朗高原的阻挡,转而向东输送,并与来自东欧中纬度地区经里海向印度半岛输送的水汽汇合,输送过程中逐渐加强,由高原南麓向高原输送水汽,水汽输送异常一直延伸到高原北部。在我国华北地区到日本以东洋面存在一个较强的气旋式水汽输送,在气旋西北侧向西南的水汽输送与由高原南部向北的水汽输送在高原北部相遇,并形成气旋式的水汽输送,成为高原北部水汽的主要来源。

5青藏高原汛期降水两种主要空间型的高度场特征

大范围的降水异常一定是在大范围的环流异常的影响下发生的,从同期500 hPa高度场对初夏和盛夏NSRT时间系数的回归系数分布(图略)可见,最显著的特征是乌拉尔山以西、以东、黄土高原和鄂霍次克海呈现“+-+-”的波列。同时印度半岛为正高度场,这种环流形势有利于高原东部降水的偏多。盛夏在我国东部存在一个高压异常,高压中心位于淮河流域,向西延伸到高原南侧边缘,阻挡了孟加拉湾向高原南部的水汽通道。

同期500 hPa位势高度距平场对初夏和盛夏WRCT分布的时间系数回归分布(图略)可以看出,初夏在亚欧大陆里海、西伯利亚及鄂霍次克海“-+-”的高度分布。盛夏东亚地区由低纬向高纬为“+-+”的波列,副高脊线位于20°N附近,高压中心异常偏西偏北,该类型位势高度场异常有利于高原降水的偏多。

6结论

通过对青藏高原汛期(5—9月)各月降水EOF分解后发现,在高原地区各月降水均存在南北反相型(NSRT)和全区一致型(WRCT)的空间分布。对汛期降水各月两种空间分布(时间序列)的相似(相关)分析发现,在初夏(5—6月)高原各月降水均以NSRT为主,WRCT次之,盛夏(7—8月)正好相反,各月降水均以WRCT为主,NSRT次之。同时利用SVD进一步证实了高原5、6月降水主要的空间分布型变化具有一致性,7、8月也是如此。分别将初夏和盛夏作为两个独立的时间段讨论其降水时空变化特征,能够更加合理揭示高原降水异常分布的变化特征。

高原降水NSRT空间分布异常时,在初夏是由于高原南部大量的水汽输向高原北部,导致南北水汽分布不均,在盛夏是由于高原北部处于三条水汽的汇合区,高原南部处于水汽的辐散区。无论在初夏还是盛夏WRCT降水的水汽来源都不是单一的,均是由南北两侧进入高原,不同的是在初夏高原水汽主要来自西北太平洋,由高原东南部进入高原。而在盛夏水汽主要来自由阿拉伯海向东转向的水汽输送,由高原西南地区进入高原,一直向东北方向输送到高原北部。同一种空间分布型在初夏和盛夏对应不同的水汽输送特征,可见,在初夏和盛夏的同一种降水异常空间分布是由不同的水汽输送特征引起的。在500 hPa位势高度场上,初夏两种主要的空间分布型以经向差异为主,而盛夏以纬向差异为主,且影响高原降水异常分布的系统多为深厚系统。

需要指出的是,尽管本文在站点选择的时候尽量考虑高原西部站点,但是在高原西部,尤其是90°E以西的区域站点仍尤为稀少,这对本文的分析结果有一定影响。另外,在分析高原汛期降水异常分布的成因时,由于导致初夏和盛夏不同阶段高原降水异常分布的因素存在着本质差异,所以需分阶段讨论。

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(责任编辑：刘菲)

in flood season over the Tibetan Plateau

WANG Chuan-hui1,2,ZHOU Shun-wu1,YANG Wei3,BEN Hai-rong1,

DING Feng4,ZHANG Yu5

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Anhui Public Weather Service Center,Hefei 230031,China;3.Anhui Climate Center,Hefei 230031,China;

4.Qingdao Engineering Technology Research Center of Meteorological Disaster Prevention,Qingdao 266003,China;

5.Yongding Meteorological Bureau of Fujian,Yongding 364100,China)

Abstract:There is a north-south reverse pattern in precipitation in flood season(May to September) over the Tibetan Plateau.Based on the monthly rainfall data of 67 stations over the plateau from 1967 to 2008,this paper studies the principal spatial patterns of monthly rainfall during the flood season,and the moisture configurations and circulation anomalies in the early summer(May to June) and midsummer(July to August),respectively.It is found that there are two main patterns in summer,but they are different between the early summer and midsummer.The former has an advantage in north-south reverse type(NSRT),while the latter exceeds in whole region consistent type(WRCT).When the rainfall shows NSRT,the moisture transport comes from south to north Tibetan Plateau in the early summer,and the convergence(divergence) of water vapor locates in north(south) Tibetan Plateau in the midsummer.While the rainfall shows WRCT,the moisture transport comes from western Pacific in the early summer.In the midsummer,it comes from the eastward ransport of water vapor from Arabian Sea,which enters the plateau from its southwest areas.At 500 hPa,the meridional(zonal) geopotential height differences between the two patterns are predominant in the early summer(midsummer),and the circulation systems impacting distributions of precipitation anomalies are mostly deep.

Key words:Tibetan Plateau;early summer;midsummer;precipitation;moisture transport;circulation characteristics

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130717008

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0566-07P426.6

文献标志码：A

通信作者：周顺武,博士,教授,研究方向为区域气候变化,zhou@nuist.edu.cn.

基金项目:中国气象局气象关键技术集成与应用项目(CMAJG2013M28);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB955204);山东省气象局课题(2014sdqx01);江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ110608);青岛市气象局课题(2014qdqxz02)

收稿日期：2013-07-17；改回日期：2013-09-20