中国三江源地区降水研究的进展与展望

姚秀萍,谢启玉,黄逸飞

① 中国气象局气象干部培训学院,北京 100081;② 青海省西宁市气象台,青海 西宁 810016;③ 中国气象科学研究院,北京 100081

三江源地区通常指89°～103°E、31°～37°N范围内的区域,地处青海省南部,青藏高原腹地,是生态环境脆弱的典型区域,该地区的生态环境与气候变化对中国淡水资源的影响至关重要,也直接影响着高原甚至下游地区的整个生态系统(王根绪等,2001;李林等,2004)。此外,以三江源为代表的青藏高原陆地地表格局要素的变化也对中国区域气候存在影响(丁锋等,2009;张超等,2018)。

三江源地区包括三个子源区,分别是位于西部的长江源区、东部的黄河源区以及西南部的澜沧江源区(图1),是中华民族的母亲河黄河、长江以及国际河流澜沧江-湄公河的发源地,冰川融化源源不断地提供淡水资源,享有“中华水塔”的美誉。青藏高原特殊的地形和丰富的水资源共同构成三江源“中华水塔”的重要背景,对青藏高原能量-水分循环的研究,特别是对其蒸散的研究是三江源地区水循环研究内容的重要组成部分,在气候预测、灾害预警和水资源的动态监测等方面具有重大意义。

图1 三江源地区地理位置及地形(强安丰等,2020a)Fig.1 Geographical position and topography of the Three-River-Source Region (Qiang et al.,2020a)

随着全球气候变暖,三江源地区的气候也发生了变化。2005年之前气候出现“暖干化”现象(胡良温等,2007),同时与人为因素相叠置,使得三江源地区冰川萎缩,高原湖泊和湿地的水源补给减少,造成草原退化和土地沙漠化,对三江源及其下游地区的生态环境产生了重大影响(廉丽姝等,2009;白晓兰等,2017);而在2005年之后,随着气候变暖持续加剧,三江源地区冰川融水对径流的补给增大,加之国家对三江源生态环境保护和建设水平不断提高,先后成立三江源国家级自然保护区和三江源国家公园,采取措施加大对三江源地区天气气候影响,如实施人工增雨雪(龚静等,2020),三江源降水出现增加趋势(姜永见等,2012;马莲等,2019),冰川融水对径流的补给也增大(李林等,2012;姚檀栋等,2019),从而促进了该地区的植被增长(路云阁等,2010;蒋元春等,2020;朱宁等,2020),三江源地区气候特征逐渐向“暖湿化”转变(徐维新等,2012;靳铮等,2020)。

降水增加是气候转型和径流增加最关键的途径之一。张士锋等(2011)指出,降水对三江源地区的径流起正向的驱动作用,径流量的变化趋势与降水是一致的。因此,深入研究三江源区降水的变化特征和成因,掌握三江源地区空中水资源分布和变化情况,并适时进行人工影响天气作业,不仅可以增加该地区河流的径流量,补充其水源,对当地的生态和经济建设产生直接影响,而且为下游社会和经济发展提供保障,甚至对全国气候变化及生态平衡都会起到极其重要的作用。

本文在对近几十年来三江源地区降水及与降水紧密联系的空中云水资源的空间分布与时间变化特征、降水的大气环流特征与成因、降水趋势预测方面的研究进展进行了回顾与总结,最后是降水相关研究的展望。

1 三江源地区降水的时空特征

1.1 空间分布特征

三江源地区平均海拔高度在4 000 m左右,降水的空间分布与海拔高度呈负相关关系(强安丰等,2020a),降水量随海拔高度的增加而减少,年平均降水量在空间上大致呈现出由东南向西北递减的分布特征(图2),东部海拔较低而降水较多,降水最大值中心经常出现在东南部,年平均降水量达到500 mm以上,西北部海拔最高而降水最少,年平均降水量在300 mm左右。三江源地区降水主要集中在6—9月,这几个月的降水量可占到全年降水量的85%,表明三江源地区的降水具在季节性集中的特征,而且干湿季节非常明显,夜雨量比例达65%(高顺年等,2006;王菊英,2007;刘晓琼等,2019)。三江源地区降水量大于等于10 mm的降水日数较少,以中等强度(小于10 mm)以下的降水日数为主(李仑格和孙安平,2004;李璠等,2016)。

图2 三江源地区年平均降水量的空间分布(单位:mm;强安丰等,2020a)Fig.2 Spatial distribution of annual average precipitation in the Three-River-Source Region (units:mm;Qiang et al.,2020a)

对三个子源区降水特征的研究表明,澜沧江源区受西南季风的影响最为强烈,相较于其他两个子源区而言属相对多雨区;其次为黄河源区,区内的久治县为降水最稳定区;而长江源区的平均海拔最高,降雨相对最少,但降水的增加率最高(刘晓琼等,2019),主要是强降水的影响(李璠等,2016)。

综上,三江源区降水大致呈现出由东南向西北递减的空间分布,具有季节性集中的特征。

1.2 时间演变特征

1.2.1 年际演变

近50年来三江源地区年降水量整体呈增加趋势,并伴随一定的振荡(Yi et al.,2013)。2005年是三江源地区气候甚至生态系统明显发生变化的转折点:2005年之前三江源地区年降水量呈减少趋势,根据不同资料分析得出的减少率不同,大约在2.0～7.0 mm/(10 a)(唐红玉等,2007;严异德和李林,2009);2005年之后三江源地区年降水量呈增加趋势,增长率大致在7.0～10.0 mm/(10 a)(李珊珊等,2012;郭佩佩等,2013;魏永亮等,2015;强安丰等,2018)。各子源区降水量均呈现增加趋势,其中长江源区和澜沧江源区的年降水量增加趋势比黄河源区更明显(刘光生等,2010;周明园等,2020)。

三江源地区年降水日数在2005年也发生了突变,2005年之前呈现较为明显的减少趋势,递减率超过2.0 d/(10 a)(唐红玉等,2007),夏季强降水的下降趋势更显著(Hu et al.,2012);2005年之后弱强度(小于0.72 mm/d)的降水日数呈下降趋势,其余强度的降水日数呈上升趋势(李璠等,2016)。

总之,三江源地区年降水量和年降水日数均以2005年为突变点,在2005年以前年降水量和年降水日数均呈现出下降的趋势,2005年之后除年降水日数中的弱强度降水日数继续下降,年降水量和其余降水日数表现为上升趋势。

1.2.2 年代际演变

三江源地区年降水量具有较明显的年代际变化特征。自20世纪60年代起,年降水量总体呈波动上升的趋势,2000年后年降水量迎来了一个显著的上升期(李珊珊等,2012;李璠等,2016;刘晓琼等,2019)。其中,20世纪60至70年代的年降水量偏少,80年代年降水量显著偏多,90年代年降水量回落至均值以下,2000年后再次表现为显著偏多的情况(李珊珊等,2012;丁生祥和郭连云,2015;刘晓琼等,2019)。

对于三个子源区降水的年代际变化,高顺年等(2006)利用SPSS划分方法、陈芳等(2007)用统计方法、赵志平等(2017)用修正的Penman-Monteith模型和Thornthwaite方法分别进行了研究,结果表明:长江源区降水在20世纪80年代和21世纪以来明显偏多,而在1961—2004年之间呈明显减少趋势;黄河源区的降水同样仅在20世纪80年代表现为偏多的状态,且降水呈现出不显著的下降趋势;澜沧江源区的降水只在20世纪80年代中位于降水量均值以上,其余时段均表现为偏少的情况。

综上,三江源地区的降水总体上呈现出上升的趋势,自2000年以来三江源地区的降水显著增加。不同子源区的演变趋势不尽相同,表现为一定的空间差异性。

1.2.3 周期

三江源地区降水主要有2～8 a和13 a的年际周期,这与ENSO事件影响的2～7 a周期和太阳黑子11 a周期密切相关(刘晓琼等,2019)。三个子源区的周期特征较为复杂,不仅三个子源区之间存在周期特征的空间差异,各子源区内部也存在多个显著的降水周期(李珊珊等,2012)。其中,长江源区的降水存在3 a、5 a和13 a的周期特征,并以13 a的周期最为显著;黄河源区的降水同样包含三个显著周期,分别为6 a、13 a以及20 a,以6 a的周期最明显;澜沧江源区的降水则存在4个周期,分别为4 a、8 a、13 a以及20 a,而4 a的周期信号最强。但总体上,三个子源区的2～8 a和13 a年际周期都是明显存在的。

可见,三江源地区的降水周期与ENSO事件和太阳活动影响周期密切相关,其三个子源区的周期表现出一定的空间差异性。

2 三江源地区云水资源特征

2.1 云资源分布特征

三江源地区云量的高值区处于31°～34°N,这与降水量高值区的位置范围是一致的。总云量、低云量均以长江源区为高值中心,围绕中心分别沿西北和东北向部地区伸展(强安丰等,2020a)。低云量在总云量中所占比率超过60%,降水也主要来自低云(强安丰等,2020a)。同时,三江源地区总云量年际变化率只有3%(陈少勇和董安祥,2006),低云量年际变化率小于15%(高蓉等,2007),总云量在年际变化上比低云量更稳定。

三江源地区的云状主要表现为层状云、积状云、地形积云和混合云,不同的季节占主导的云状也不同。其中层状云主要出现在春季,夏季则是积状云占主导,占夏季所有云系的82%;地形积云常沿山脉分布,也主要在夏季出现;而混合云出现的频率很小,只有5%(李仑格和孙安平,2004)。

图3 三江源地区平均降水效率的空间分布(单位:%;强安丰等,2020a)Fig.3 Spatial distribution of average precipitation efficiency in the Three-River-Source Region (units:%;Qiang et al.,2020a)

三江源地区降水自5月到9月，由阴雨为主逐渐转变为以对流云降水,7月出现阴雨天日数最多;三江源地区每年(5—9月)存在1～2次的长达30 d的连续阴雨时段,从而形成极其丰富的云水资源(李仑格和孙安平,2004)。

总之,三江源地区以低云为主,云状主要有层状云、积状云、地形积云和混合云,具有极其丰富的云水资源。

2.2 大气可降水量特征

三江源地区大气可降水量(PWV)在空间上的分布由东南向西北逐渐递减,且南部高于北部,东部远大于西部地区,也表现出随海拔升高而减少的特征(强安丰等,2019a)。1971—2010年,三江源地区PWV呈现较明显的上升趋势,达到44.0 mm/(10 a);其中最大可降水量出现在1989年,最小值在1984年,突变发生在1993年(校瑞香等,2014)。PWV与水汽平流及水汽辐合辐散相关性较高(王可丽等,2006a;黄露和范广州,2018),且水汽辐合辐散的贡献率最高,其中水汽平流与西风带相关,辐合辐散则受季风显著影响。

三江源地区水汽主要集中于近地层,在4—9月期间600～500 hPa的水汽约占50%,降落到地面的自然降水量只占当月空中云水量的8%～24%,空中云水有很大的增雨潜力(李仑格和孙安平,2004)。王光谦等(2016)对黄河源区的空中水资源进行详细研究,认为黄河源区空中水资源的丰度较高,总水汽输入量和空中水资源量具有很高的相关性。

近年来,应用GPS水汽反演理论对三江源地区PWV研究发现,不同的模型如E模型与H模型(陈香萍等,2018)、GPT2对流层模型(乔禛等,2019)本地化后可作为PWV反演的补充,从而加速了水汽遥感资料的使用进程。

总之,三江源地区水汽主要集中于近地层,呈现较明显的上升趋势,水汽辐合对大气可降水量的贡献率最高。

2.3 降水效率特征

三江源地区平均降水效率为24.6%,高值区分布在34°N以南,降水效率高值中心出现在黄河源区和澜沧江源区,并以黄河源区为最高,而长江源区最低(强安丰等,2020a);黄河流域空中水资源和降水的相关系数为0.5,自然降水转化率比较稳定(王光谦等,2016)。

降水效率虽然在三江源地区区域间的差异较大,但整个空间分布表现为自东南向西北方向递减(图3),这与云量和降水的分布是一致的。由于降水效率越低其开发潜力越大,三江源地区空中云水资源的开发潜力是由东南向西北逐渐增加的(强安丰等,2019b;强安丰等,2020a)。

三江源地区降水效率的年际变化呈弱增加趋势,澜沧江源区增幅最明显而黄河源区却呈现负增长趋势(强安丰等,2019a;强安丰等,2019b;强安丰等,2020a)。三江源地区降水效率年内变化呈双峰分布,两个峰值分别出现在6月和9月,降水效率在第一个峰值较高,为24.4%;第二个峰值略低,为20.3%(校瑞香等,2014)。

此外,李家叶等(2018)定义白水概念(由于大气中的水物质并非都能转化为降水,因此定义无法转化为降水的水物质为背景水汽,余下均拥有形成降水可能的水物质部分即为白水),指出三江源具有最高的白水降水效率,但其白水输送路径的等效长度较短,白水难以及时在三江源地区内大量转化为降水,白水降水转化率仅为22%。

综上,三江源地区平均降水效率为24.6%,高值区分布在34°N以南,降水效率的年际变化呈弱增加趋势。

2.4 降水气溶胶、云物理特征

三江源地区气溶胶的变化主要通过人为活动和远距离输送会产生,而气溶胶在降水的云物理过程中起重要作用。沈志宝等(1997)认为三江源地区随雨季的到来会出现海洋气溶胶,这是由季风远距离输送的,其浓度变化与降水强度有较好的关系;而冬春季节多吹风天气,大风将沙尘携带进入会影响气溶胶性质,从而影响降水。

王黎俊等(2013)观测发现,三江源地区在秋季云系呈现出多层层状结构,在液态水和冰相粒子的混合态云中,液态过冷水含量较丰富,这是人工影响天气领域特别受关注的方面,也是为人工增雨提供参考的极为重要的大气物理参数。赵仕雄等(2003)通过实验观测得出三江源地区层积云中常出现对流性云系,暖云降水微物理机制独立于冷云机制,并且起重要作用。

3 三江源地区降水机制

3.1 大尺度环流特征

三江源地区降水的大气环流场上,在多雨年与少雨年时高度距平场、风场和温度距平场及青藏高原辐合线位置均有相反的变化(王可丽等,2006b;刘彩红等,2009)。其中多雨年时,高度场距平上,低层500 hPa与高层200 hPa分别为异常低压与异常高压两种相反的气压系统控制,加强整层大气的垂直上升运动;风场上,三江源地区低层气旋式辐合区上叠置高层反气旋式辐散环流区,易出现强烈的不稳定而加强上升气流;温度距平场上,亚洲北部至青藏高原西部地区呈现由正至负的距平分布,即冷空气先在高纬度堆积,随着天气系统的引导从西北方向进入三江源地区,遇到因青藏高原辐合线偏北而持续向北输送的暖湿气流,这两种温湿属性差异大的气流汇合易造成该地区持续降水。

3.2 水汽因素

水汽输送是决定降水的重要因素,过去有不少研究使得人们对青藏高原及其周边地区降水的水汽来源和变化特征有了清晰的认知(汤秋鸿等,2020);同时,也有一些研究重点关注了三江源地区的水汽输送特征。总体而言,进入三江源地区的水汽输送路径主要有三条(黄玉霞等,2006;权晨等,2016):水汽短时输送(6 h)主要分布于青藏高原及其西北侧,即来自西边界和中纬度西风带中的西北气流,这是黄河源区降水的最主要水汽源地(朱丽等,2019);而更长时间(8～10 h)主要来自南边界的孟加拉湾、西北太平洋等远距输送,即南支槽及西太平洋副热带高压系统带来的西南和东南暖湿气流是三江源地区主要水汽来源。这三种大尺度的气流受青藏高原异常的热力作用与复杂的地形动力作用的驱动在三江源地区汇集,形成水汽辐合,也使三江源地区成为低涡、切变线等低值天气系统频发的地区,为降水创造了有利的水汽、动力、热力条件。

三江源地区来自不同水汽输送路径对降水的贡献率不同(Zhang et al.,2019),西北路径在极端降水事件和中度降水事件分别占18.4%和32.2%;东南路径的占比分别为25.9%、28.5%;西南路径则主要是极端降水事件的水汽输送源(14.9%)。

此外,三江源地区经向水汽输送强于纬向。其中北边界水汽输送为负,南边界上水汽输送为正,且正值远大于负值,表明经向上为水汽净收入;西边界、东边界上水汽输送均为正,但西边界上的水汽输送小于东边界,因此纬向水汽净收入为负值,即水汽存在纬向净输出。总体上,南边界为主要的经向水汽输入边界,东边界则为主要的纬向水汽输出边界(强安丰等,2019a;Qiang et al.,2020b)。三江源地区降水变化是由主要水汽输入边界的水汽变化所决定的,即由南边界净水汽输入的变化所引起的(李生辰等,2009)。

有学者还应用同位素水文学方法,通过δD和δO与水汽来源或水汽循环之间很好的相关关系(章新平和姚檀栋,1996;田立德等,2001),发现三江源地区水汽输送以唐古拉山为界,南部主要受季风影响来自海洋,这对应着西南和东南路径,而北侧则是由内陆水汽循环过程造成,这是西北路径的体现。

总之,三江源地区经向水汽输送强于纬向,水汽来源主要有西边界的西北气流、南边界的西南和东南暖湿气流,而降水变化主要是南边界的净水汽输入所引起的。

3.3 降水机制

三江源地区位于中纬度西风带环流控制区,同时也是亚洲季风北边缘影响区,降水主要受西风带和季风的转换控制(黄玉霞等,2006;李夫星等,2015;唐见,2018;张宇等,2019),在不同的时段,这两者的主导作用不同,使得水汽输送路径不同,从而引起降水增加的子源区也不同。当三江源地区西风带主导时,西风风速增强,水汽输送方向为西北路径,水汽以平流为主,南边界的水汽输送强度较弱,澜沧江源区及黄河源区东部降水显著增加、长江源区西部降水减少;当季风控制三江源地区时,经向风速增强,水汽输送方向为西南和东南路径,南边界的水汽输送强度明显增大,水汽辐合也明显加强,造成长江源区及黄河源区偏北区域的降水明显增加。而且,杨建平等(2004)、陈晓光等(2009)指出温室气体浓度的显著变化、下垫面状况差异引起的陆-气相互作用差异也是三江源地区降水区域性特征的成因。

三江源地区降水还与太平洋海温具有超前的遥相关关系(刘青春等,2007)。冬季太平洋海温的变化通过改变西太平洋副热带高压的位置而影响三江源地区降水,不同区域海温变化影响降水的时间不同。当西太平洋海温偏高时,西太平洋副热带高压偏北会造成三江源地区春季降水偏多,反之亦然;当赤道太平洋中部海温偏高时,西太平洋副热带高压偏南会造成三江源地区夏季降水偏少,反之亦然。由NAO引起的自西北向东南传播的波列对三江源冬季降水量有一定的影响作用(王腾,2021)。此外,ENSO的海温调节作用,在海洋上开尔文波诱发埃克曼辐散机制,通过与亚洲季风之间的海-气相互作用,产生异常的全球波列进而影响三江源地区的降水(Yuan et al.,2016;Sun et al.,2018,2019;Wang et al.,2021)。

地形因素对降水事件发生频次的空间变化有着较为显著的影响(李林等,2007)。但地形对降水的影响过程也是比较复杂的,首先,由于高原地形的加热强迫和抬升作用(特别是95°E处的高原陡峭地形)(吴国雄等,2005;王奕丹等,2021),影响大气静力稳定度,使三江源地区多对流活动,因而对降水产生重要影响(叶笃正和高由禧,1979;赵平等,2018);其次,在大环流背景(海温、季风及西风带)的控制下,受高原地形“热源柱”影响及水汽凝结潜热释放,形成了低层辐合而高层辐散的反馈机制——CISK机制(Xu et al.,2014),这是三江源地区空中降水云系形成的重要动力机制;再次,地形加热也在低层出现气旋式环流,而高层出现反气旋式环流,使三江源地区成为水汽辐合、切变线和低涡形成的集中区域(Xu et al.,2002;徐祥德和陈联寿,2006),容易出现降水。严异德和李林(2009)指出三江源地区不同区域降水性质也受其地形的影响:巴颜喀拉山脉的地形效应使得西南部和东北部的降水出现差异性,东南部地形陡峭,容易出现对流性降水,而西北地区地势相对较为平坦,多为系统性降水。

可见,三江源地区降水时空差异基本原因和机制是:受西风带和季风的转换控制,大尺度环流系统与高原地形加热和动力强迫作用相互协调,影响了进入三江源地区的水汽输送,尤其是南边界的净水汽输入,使得CISK反馈机制形成了“大气水塔”,并与温室气体浓度、下垫面状况差异引起的陆-气相互作用响应,从而制约降水产生;NAO、ENSO通过海-气相互作用的调制季风系统和副热带高压变化(刘屹岷等,2020)来影响三江源地区不同子源区和时段的降水。

4 降水趋势预测

许吟隆等(2007)用驱动区域气候模式系统PRECIS模拟三江源地区2071—2100年气候变化,认为夏季升温达到3.0 ℃以上,降水呈减少趋势。夏季气温的升高和降水量的减少会使三江源地区气候向暖干化方向发展,导致水源补给不足。

但刘玲等(2009)用FVGCM全球模式嵌套Regcm区域气候模式预计21世纪三江源地区气温、降水量均呈增加趋势;同时王玉琦等(2019)利用CMIP5模式对青藏高原2006—2100年的气候变化进行预测模拟,显示出三江源地区未来整体变暖湿,并指出是热动力因子的作用和植被对气候的正反馈作用对该区的变湿均有正贡献所致。

可见,不同的模式对于三江源地区未来降水的模拟结果是不同的,这也是气候预测难以把握的问题(高艳红等,2020)。但其中也有相同的一点,就是模式对气温的升高趋势均有一致的反映,这与青藏高原近年来表现的显著变暖一致(李菲等,2021)。

5 结论与展望

本文回顾和总结了三江源地区降水和空中云水资源的时空分布及其演变特征、降水影响机制,得到以下结论:

1)三江源地区气候逐渐由“暖干化”转向“暖湿化”,降水增加是气候转型和径流增加最关键的途径之一。

2)三江源地区降水大致呈现出由东南向西北递减的空间分布,具有季节性集中的特征。2005年之前三江源地区降水量与降水日数呈减少趋势;2005年之后降水量呈增加趋势。不同子源区的演变趋势不尽相同,表现出一定的空间差异性。

3)三江源地区具有极其丰富的云水资源,降水多由低云所致。平均降水效率为24.6%,高值区分布在34°N以南;降水效率的年际变化呈弱增加趋势,并且澜沧江源区增幅最明显。水汽辐合辐散对大气可降水量的贡献率最高。

4)受西风带和季风的转换控制,大尺度环流系统与高原地形加热和动力强迫作用的相互协调,制约水汽输入和CISK动力反馈机制,通过影响三江源地区的“大气水塔”效应来影响降水的产生;海-气相互作用、陆气相互作用也是影响降水的重要因素。

基于目前的研究进展,认为如下方面值得进一步研究:

1)多源资料融合研究。近年来,很多学者采用了多源融合降水数据(李琼等,2016;张昂等,2017;李宏宇等,2020),得出了更为精细的结果。多源融合资料的使用给研究带来实质的改变,进行融合资料的适用性检验及其与特殊观测资料结合使用的研究也很有必要。

2)降水的多尺度天气系统特征研究。次天气尺度和中小尺度系统在降水中扮演重要角色。然而,对三江源地区降水成因主要从大尺度环流、海温和地形等方面进行了研究,而对于直接产生降水的中尺度对流系统(MCSs)方面的研究涉及较少。此外,多尺度天气系统的协同作用对极端降水的产生也有重要作用,应当予以重视。

3)数值天气预报模式预测降水的研究。不同数值天气预报模式对三江源地区未来降水的预测存在很大不一致性和不确定性,值得进一步研究,并加强数值模式输出结果的检验。

值得说明的是,本文三江源地区降水的相关研究进展进行梳理与总结,其中涉及的文献,是该方面的主要文献,无法做到全面,遗漏难免,欢迎各位读者一起探讨交流。