雅鲁藏布江河谷盛夏降水年际变化及其与环流的联系

边巴卓嘎 赤曲 周顺武 吴萍 孙阳

摘要 基于近57 a（1961—2017年）西藏雅鲁藏布江中游河谷地区（简称雅江河谷）4个站（拉萨、日喀则、泽当和江孜）盛夏（7—8月）月平均降水和同期NCEP/NCAR再分析资料，采用合成、相關分析等统计诊断方法，分析了雅江河谷盛夏降水的年际变化特征及其与大气环流的联系。结果表明：1）近57 a雅江河谷盛夏降水无显著线性趋势，降水主要以3～4 a显著周期的年际振荡为主。2）雅江河谷盛夏降水年际波动与区域内水汽收支的变化直接相关，其中印度半岛-东南亚异常反气旋引起的水汽输送通量和水汽在高原腹地辐合上升的动力过程是盛夏降水年际变化的主要原因。3）对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋环流是该地区盛夏降水年际异常的重要水汽输送通道，该通道将西太平洋、南海和孟加拉湾等地水汽不断输送到高原，期间西太副高和伊朗高压等大尺度系统异常对水汽输送过程起到了重要作用，同时高原盛夏季风低压和南亚高压异常给水汽在高原腹地辐合抬升提供了动力条件。

关键词雅鲁藏布江河谷;盛夏降水;年际变化;水汽输送;大气环流

青藏高原（下称高原）是世界上海拔最高的高原，被称为“世界屋脊”，有着众多的冰川、湖泊及河流，其丰富的水资源素有“亚洲水塔”（Xu et al.，2008）和“湿池”（朱福康等，2000）的美誉。降水作为高原水循环中的重要因素，其变化受到了人们的广泛关注（Niu et al.，2004;朱艳欣和桑燕芳，2018;孙畅等，2019）。

雅鲁藏布江（下称雅江）是我国境内最长的高原河流，也是世界上海拔最高的河流之一，其特殊的地理位置在高原气候和生态环境中具有重要的意义。在全球变暖的背景下，洪旱等灾害因子的气候变化，正影响着该流域水资源的演化（胡博亭等，2019）。以往许多学者针对高原降水的时空演变特征做了大量的研究，发现高原降水存在显著的区域性和季节性（齐文文等，2013;王传辉等，2015;李晓英等，2016;Sang et al.，2016）。雅鲁藏布江流域作为高原上对旱涝异常敏感的典型区域（赤曲等，2020;周顺武等，2000），在全球变暖背景下该流域无论是年降水，或是夏季降水并无显著线性趋势（杨志刚等，2014;Sang et al.，2016;张文霞等，2016），而是以年际振荡为主（Sang et al.，2016;张文霞等，2016）。

高原位于西风和季风两大环流系统的交汇区（姚檀栋等，2017;李秀美等，2019），两大环流的相互作用及强弱变化影响着高原降水的演变（李云康等，1991）。中纬度西风强度受北大西洋涛动（North Atlanta Oscillation，NAO）制约（Yang et al.，2004），而西风对高原动力作用和水汽输送影响着高原降水的变化，因此NAO为主的北大西洋大气活动是高原夏季降水时空演变原因之一（刘晓东和侯萍，1999;刘焕才和段克勤，2012）。高原夏季降水的水汽供应主要来自印度夏季风的活动，因此印度夏季风的活动对高原夏季降水有着重要影响（周顺武和假拉，2003;任倩等，2017;胡梦玲和游庆龙，2019;孙亦和巩远发，2019;汤秋鸿等，2020）。印度季风通过调整局地环流系统而导致水汽、动力等过程异常而影响高原夏季降水（孙亦和巩远发，2019）。夏季季风环流增强可导致高原南侧上升运动增强、南向输送高原的水汽和动力异常进而影响高原的降水（胡梦玲和游庆龙，2019）。印度夏季风活动不仅与高原整体降水有着密切联系，且对高原局地降水变化也起着重要的作用。季风区水汽输送强弱与高原夏季降水直接相关，发现季风加强有利于高原以南的水汽进入高原内部，认为大尺度环流变化是造成水汽输送和降水变化的主要原因（Gao et al.，2014），因此西藏高原汛期降水异常与印度季风水汽输送变化有着很好的关系（林志强等，2011），其中雅鲁藏布江流域夏季降水的年际变化是印度夏季风活动导致的异常水汽输送造成的（张文霞等，2016）。

综上，高原夏季降水的时空演变特征及机理研究已经取得了显著的成效;但大多数是针对整个高原，很少涉及高原上典型的区域。高原由于地形的复杂，降水的空间差异是显著的（李晓英等，2016;Sang et al.，2016;姚秀萍等，2019），同时也存在季节内的差异性（次仁央宗等，2016）。本文以西藏高原腹地对旱涝异常敏感的雅鲁藏布江中游河谷地区作为典型区域，着重探讨该地区盛夏（7—8月）降水年际变化规律，并从水汽、动力等条件及其背景环流的异常变化揭示该地区盛夏降水年际变化的可能的原因。

1 资料与方法

降水资料采用西藏气象局信息网络中心整编提供的西藏常规站点的月值降水资料。选取雅江河谷1961—2017年盛夏纬度、海拔高度和降水趋势系数相近（图1）的拉萨、日喀则、泽当和江孜4个代表站（图1中红色虚线方框内站点）的资料，并通过算术平均给出该地区盛夏降水序列。

大气环流资料选用同期美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP/NCAR）全球逐月再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，主要要素包括600 、500和100 hPa的位势高度，1 000～100 hPa共11层气压层的比湿、垂直速度以及水平风场等，其中比湿为1 000～300 hPa。

采用集合经验模态分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）（Huang and Wu，2008;Wu et al.，2008）、小波分析（魏凤英，2007）分析雅江盛夏降水年际变化特征。在分析雅江盛夏降水年际异常相联系的环流背景时使用了合成分析、相关分析和t检验等方法（魏凤英，2007;黄嘉佑和李庆祥，2015）。

2 雅江盛夏降水的年际变化

1961—2017年雅江盛夏降水距平序列（图2）显示，雅江盛夏降水所有基准年以10 a以下正负交替的趋势变化为主，年际波动特征明显，年际变率大（年际标准差为64.38 mm，占盛夏多年平均降水的20%），降水无显著线性趋势（0.323 mm·（10 a）-1）;小波分析也显示其存在显著的准3～4 a周期的年际振荡（图略）。

对雅江盛夏降水进行EEMD分解，得到了4个本征模态函数（Intrinsic Mode Function，IMF）（图3a、b、c、d），高频本征模态（年际信号）IMF1和IMF2的年際变率方差贡献达到了72.29%，而IMF3和IMF4低频本征模态（年代际和多年代际信号），方差贡献仅占27.7%。这进一步表明了雅江盛夏降水年际变化显著的特征。

综上，近57 a来雅江盛夏降水主要特征为显著的年际振荡。有研究指出高原降水的年际变率与异常的水汽输送相联系的环流背景有关（张宁瑾等，2018;孙畅等，2019）。以下从水汽输送及相联系环流特征出发，通过合成分析探讨雅江盛夏降水年际变化的可能原因。在合成分析时为了避免线性趋势对相关结果的影响，对雅江盛夏降水序列做了去线性趋势处理，并把去趋势后标准化序列定义为雅江盛夏降水指数（Midsummer Precipitation Index，MPI）。并将MPI大于（小于）1.2倍的标准差的值定义为雅江盛夏降水异常偏多（偏少）年，其中偏多年包括1962、1988、1998、2000、2014和2016年，偏少年为1967、1975、1982、1983、1994、1997和2006年。

3 雅江盛夏降水年际变化相联系的环流背景

3.1 雅江盛夏降水年际异常对应的水汽输送

水汽作为降水的必要条件，其输送与收支是影响区域降水的重要环节。分析雅江盛夏降水年际变化相联系的水汽收支情况，选取雅江所在80°～100°E、25°～35°N的空间范围作为关键区域（图4矩形区域），计算了57 a该区域平均整层水汽通量净辐合及各边界输入（或输出）的水汽通量（图4）。如图所示，关键区域水汽输入南边界（2 165.98 kg·m-1·s-1）远大于西边界（252.28 kg·m-1·s-1），而输出东边界（303.38 kg·m-1·s-1）大于北边界（46.19 kg·m-1·s-1），由此可以看出，关键区域盛夏水汽净辐合主要为经向水汽流的辐合。同时，该区域盛夏水汽净辐合去趋势后序列与MPI在年际变化上存在着显著的正相关（r=0.41，p<0.01）（图略），说明雅江盛夏降水年际变化与区域内水汽收支的多寡直接相关，而水汽主要来自南风水汽流的辐合。

进一步由MPI偏多年和偏少年整层水汽通量合成差值场（图5）发现，赤道以北5°～30°N之间存在纬向带状分布的异常反气旋水汽输送通量，其底部异常东风将西太平洋、南海等地的水汽输送到孟加拉湾-印度半岛一带，并在此分成两支气流，一支在中南半岛以南-澳大利亚异常气旋西侧偏北风的作用下经印度洋向赤道以南输送，另一支继续穿过印度半岛到达阿拉伯海，期间相继携带孟加拉湾和阿拉伯海的水汽，并在印度半岛-孟加拉湾附近反气旋切变的作用下转向通过高原西南侧进入高原腹地，此异常水汽输通道均通过了95%置信度的显著性水平检验。正是这样一条显著异常的水汽输送通道将西太平洋、南海、孟加拉湾和阿拉伯海等地水汽源源不断地输送到高原上空，期间赤道以北的异常东风和孟加拉湾-印度半岛附近异常反气旋起到了至关重要的作用。

降水的出现不仅要有充足水汽输送，同时要具备水汽辐合上升的动力条件。分析MPI偏多年和偏少年对流层中低层平均水汽通量散度合成差值场（图略）发现，高原腹地对流层中低层存在异常的水汽强辐合中心。同时，由MPI偏多年和偏少年30°～32.5°N（雅江纬度跨度区）平均纬向垂直环流和垂直速度合成差值场（图6）可知，雅江地区（85°～100°E）对流层整层存在异常的垂直上升运动区，而对流层中高层300 hPa以上该地区两侧异常的偏西风和偏东南风在此辐合而产生强的上升区，从而致使低层空气不断抽吸到高层而维持该异常的上升支;并产生了显著异常的垂直速度负的大值中心（虚线，通过95%置信度的显著性水平检验）。

以上分析可知，雅江盛夏降水的年际波动与区域内水汽的净辐合的变化直接相关，而水汽净辐合主要来自南边界输送。高原南部印度半岛-东南亚一带异常反气旋水汽通量输送场是雅江盛夏降水年际异常的重要水汽输送通道，该通道将西太平洋、南海和孟加拉湾等地的水汽源源不断地输送到高原腹地。高原腹地对流层低层异常的水汽强幅合中心及整层异常显著的垂直上升区，为水汽辐合抬升提供了动力条件。

3.2 雅江盛夏降水年际异常对应环流特征

水汽等物理量的平流输送和局地辐合抬升是由大尺度大气环流变化造成的。图7给出了MPI年际异常对应的对流层高低层环流合成差值场。如图所示，500 hPa环流场（图7a）位势高度大体表现为经向的“+-+”的异常波列，对应风场（图7c）上为反气旋和气旋的交替出现。具体来看，印度半岛至东南亚地区存在异常的反气旋环流，这与整层水汽通量的分布相一致（图5），说明对流层中低层环流异常是引起水汽输送异常的主要原因。而在反气旋底部，赤道以北5°～20°N一带存在异常的东风气流，此气流正是西太平洋、南海等地水汽向东输送的重要纽带。

另外，西太平洋副热带地区位势高度异常偏高，西太平洋副热带高压（下称西太副高）偏西偏强;MPI偏多（少）年对应的西太副高脊线（5 880 gpm线）有显著差异（图7a中的等值线），MPI偏多年西太副高脊线位置偏西范围更广，西太副高偏强偏西有利于其南侧东风偏强偏西，有利于水汽输送相联系的东风气流的持续维持。同时，伊朗高压的强度和位置始终没有明显的变化，其稳定维持对东风气流遇它而转向上高原的过程也起到了一定的作用。

与对流层中低层环流相对应的高层（100 hPa）环流场（图7b）上，西太平洋地区受异常气旋环流控制，位势高度偏低;对应500 hPa上副高，高层辐合，低层辐散，有利于该地区产生下沉运动，从而促使低层西太副高的偏强。而高原上空位势高度偏高，以异常的反气旋控制，说明南亚高压偏强，中心位于高原之上，高层的抽吸作用加强，这种作用叠加在中低层异常气旋性环流之上，有利于中低层水汽幅合上升，从而导致降水偏多。

此外，蒙古高原附近反气旋底部的偏东风气流和印度半岛-东南亚异常反气旋前部西南气流在高原汇合而形成局地的气旋式环流，此气旋环流给输送至此的水汽提供了辐合上升的动力条件，加之高层南亚高压的强抽吸作用，从而致使雅江等地降水偏多。为了验证此结论，本文参照汤懋苍等（1987）计算高原季风指数的方法，选取高原地形中心点（90°E，32.5°N）和周围四个点（80°E、32.5°N，90°E、25°N，100°E、32.5°N，90°E、40°N），将周围四点和4倍的中心点500 hPa位势高度距平差表征此气旋环流的强度（Cyclone Intensity，CI），并去趋势后标准化结果与MPI年际变化上做对比分析（图8）。结果两者有较一致的年际变化，呈显著正相关（r=0.55，p<0.01）。说明，高原盛夏季风低压对雅江盛夏降水年际变化起到了重要的作用。

为了进一步探讨异常环流引起雅江盛夏降水年际变化的热力和动力条件。分别计算了MPI异常对应的对流层高低层异常风引起的温度平流和相对涡度平流。图9给出了MPI偏多年和偏少年500和100 hPa温度（等值线）和温度平流合成差值场。由图可以看出，高原腹地低层500 hPa温度为正异常，对应高层100 hPa为负异常，这种下暖上冷的温度层结有利于产生对流不稳定而引起上升运动。温度平流结合环流场（图7）来看，500 hPa上高原腹地有蒙古高原异常反气旋底部偏东风带来的冷平流和印度半岛-东南亚异常反气旋前部西南风带来的暖平流在此汇合;低层冷暖气流的汇合利于产生热力辐合抬升机制，促使低层低值系统的发展。高层100 hPa对应的是明显的暖平流，有利于暖性的南亚高压进一步加强，同时高层的暖盖结构可促进热力上升运动。这种环流异常造成的温度垂直层结和平流的异常是雅江盛夏降水年际变化的重要热力原因。

从MPI年际异常的高低层相对涡度及相对涡度平流差值场来看（图10），500 hPa上高原受正的涡度（等值线）控制，对应低层的气旋环流（图7），并不断有正涡度平流输送，有助于高原腹地低层气旋环流进一步加强。而高层100 hPa对应的是南亚高压的负涡度区，并有风异常引起的负涡度平流输送，可促使南亚高压进一步增强。这种局地涡度变化受环流异常引起的涡度平流的作用是雅江盛夏降水年际变化的重要动力原因。

综上，雅江盛夏降水年际变化是大氣环流异常造成的。对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋是雅江盛夏降水年际波动的重要的水汽输送通道;期间西太副高的异常和伊朗高压的稳定维持都对这条水汽输送起到了重要的作用。高原季风低压给低层水汽辐合抬升提供了动力条件，南亚高压的抽吸加促了这种作用。同时异常环流引起温度平流和相对涡度平流对与雅江盛夏降水年际振荡相联系的系统变化起到了至关重要的作用。

4 结论与讨论

本文以青藏高原腹地雅鲁藏布江中游河谷地区作为典型的研究区域，分析了近57 a来该地区盛夏降水的年际变化特征，并初步探讨了年际变化可能的原因。主要结论归纳如下：

1）近57 a来雅江盛夏降水无显著的线性趋势（0.322 mm·（10 a）-1，未通过显著性检验），以3 a左右显著周期的年际振荡为主，且年际变率大（年际标准差为64.34 mm）。

2）雅江盛夏降水的年际变化与区域内水汽收支多寡直接相关，水汽主要来自经向风的辐合。高原南部印度半岛-东南亚异常反气旋水汽输送通量场将西太平洋、南海和孟加拉湾等地的水汽源源不断地输送到高原腹地。高原腹地低层异常的水汽强幅合中心及整层异常显著的垂直上升区，为水汽提供了动力抬升。

3）雅江盛夏降水年际波动与大气环流异常直接相关。对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋是雅江盛夏降水年际振荡的重要的水汽输送通道;期间西太副高的异常和伊朗高压的稳定维持都对这条水汽输送起到了重要的作用。高原季风低压给低层水汽辐合抬升提供了动力条件，南亚高压的抽吸加促了这种作用。同时异常环流引起温度平流和相对涡度平流对与水汽动力抬升相联系的系统变化起到了重要的作用。水汽异常相联系的环流背景是造成雅江盛夏降水年际变化的根本原因。

本文在探讨雅江盛夏降水年际变化的成因时发现对流层中低层印度半岛-东南亚异常的反气旋的作用不容忽视。通过对MPI偏少年和偏多年86°～100°E平均经向垂直环流合成差值场分析（图11），发现雅江盛夏降水偏少时高原腹地为异常显著的下沉区，而北印度夏季风活动区（10°～20°N）为异常显著的上升区。而且雅江盛夏降水与印度半岛盛夏季风降水序列（资料来自印度热带气象研究所）呈反相关（r=-0.19），与盛夏北印度季风降水（印度半岛西北部）呈显著的负相关（r=-0.26，p<0.05）。那么印度盛夏季风活动异常是否对雅江盛夏降水的年际变化有重要作用呢？背后的机制如何？值得下一步进行深入的探讨。青藏高原区域大、下垫面特征复杂，具有丰富的气候特征，导致高原降水的变化特征的区域和季节差异性，受不同的天气系统和环流系统控制，降水的变化特征，有必要从时间和空间上进行精细化分析，这样可提供更有价值的气候信息。本文仅针对高原雅江河谷地区降水异常进行研究，后期有必要分析高原上不同区域上降水异常的影响机理，为降水预测提供理论依据。

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Interannual variations of midsummer precipitation in the Yarlung Zangbo River valley area and its relationship with circulation

BIANBA Zhuoga1，2，CHI Qu1，2，ZHOU Shunwu1，WU Ping3，SUN Yang1

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change（ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster（CIC-FEMD）/Joint Center for Data Assimilation Research and Applications，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Meteorological Observatory of Tibet Autonomous Region，Lhasa 850000，China;

3National Climate Centre，Beijing 100081，China

In this study，based on the average precipitation of the summer （July—August） and the NCEP/NCAR atmospheric circulation data of four stations （Lhasa，Shigatse，Zedang and Jiangzi） in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River in the hinterland of the Tibet Plateau over the past 57 years （1961—2017），synthesis，correlation analysis and other methods are used to analyze the interannual variation characteristics of summer precipitation in the region，along with its possible causes.The results show the following：1） There is no significant linear trend in the summer precipitation in the region during the past 57 years，and the interannual oscillations of the significant period around 3 a are dominant.2） The interannual variation of summer precipitation in the region is directly related to the amount of the water vapor budget in the region.The anomalous anti-cyclonic water vapor flux transport in the Indian Peninsula-Southeast Asia and the dynamic process of water vapor in the plateau hinterland are the main reasons for the interannual oscillations of midsummer precipitation.3） The troposphere in the bottom of the Indian Peninsula-Southeast Asia anomalous anticyclonic circulation is an important water vapor transport channel for the interannual anomalies of midsummer precipitation in the region.The channel continuously transports water vapor to the plateau in the western Pacific，South China Sea and Bay of Bengal.During this period，large-scale system anomalies，such as the West Pacific subtropical high and the Iranian high pressure，played an important role in the water vapor transport process.At the same time，the plateau and the summer monsoon low pressure and South Asia high pressure provided the dynamic conditions for the water vapor to rise and rise in the plateau hinterland.

Yarlung Zangbo River valley;midsummer precipitation;interannual variations;water vapor transport;atmospheric circulation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201010005

（責任编辑：刘菲）