青藏高原水汽变化特征及其对中国北方降水影响

张军鹏，陈文博，刘腾娇，辛亚男

（金昌市气象局，甘肃 金昌 737100）

0 引言

青藏高原地处中低纬西风带,其独特的地理位置,让它成了亚洲季风区内巨大的降水气候的分水岭。青藏高原是中国长江、黄河两大河流的源流地区，对于中国西部地区的水系的形成具有最直接的作用，被称作是“亚洲水塔”[1]。青藏高原的热力、动力作用对东亚乃至全球的天气气候具有非常重要的影响，是亚洲季风活动及中国区域旱涝的强信号区[2-5]。青藏高原东南部的水汽“转运站”效应是长江中下游流域洪涝以及北方夏季干旱异常的关键因子之一[6]，夏季高原水汽在热源作用下表现为上升运动，与之相关在高原外围为补偿下沉运动，从而形成高原外围的少雨带，造成西北地区干旱[7]。

青藏高原地区位于孟加拉湾、南海、西太平洋地区向长江中下游、西北、华北地区输送水汽的关键区域，青藏高原地区的水汽变化影响水汽通道的水汽输送，它的水汽收支对于中国大面积区域的气候和水资源有非常大的影响。研究者发现青藏高原地区的水汽分布特征是在总体上西部区域比较干，而东南区域比较湿，并且东南区域是很显然的湿区[8]。周长艳等[9]利用欧洲中心的再分析资料分析研究了青藏高原东部地区及附近区域空中的水汽的变化特征，得出了1958—2001年该地区年大气可降水总量表现为减少趋势，总水汽收入也表现出减少趋势的结论。

中国北方地区主要是温带大陆性气候和温带季风性气候。冬夏季温差大，四季气温变化明显。年降雨量少，季节分布不均，北方地区年降水量大多在400～800 mm，降水集中在7月和8月。每年春天很少下雨，而且经常干旱。近40年来，中国北方地区尤其是华北地区以及西北地区东部干旱化十分明显[10-11]，而且华北和西北区的东部的夏季气柱可降水量明显减少[12]。近年来干旱对农业生产危害严重，并随着全球气候变暖而加剧。沙漠化，沙尘暴与旱灾互为因果，共同肆虐，形成恶性循环。中国农业的可持续发展将长期受到干旱的威胁，对中国经济、农业等的发展造成了重大影响，而且北方地区大部分属于干旱、半干旱和半湿润偏旱地区，干旱自古横行，降水对于这些地区非常重要，因而研究青藏高原水汽变化特征对中国北方降水的影响具有非常重要意义。

1 数据和方法介绍

1.1 数据说明

文章所用的资料包括中国819个站点的1979—2018年观测降水资料，美国国家环境预测中心（NCEP）的再分析资料，欧洲气象中心的再分析资料ERA5，包括位势高度、比湿、风速（u、v和omega）、水汽通量等数据。

1.2 方法介绍

选取青藏高原地区和中国北方地区作为研究对象，利用经验正交函数分析方法（EOF）、最大协方差分析方法（MAC）、合成分析、相关分析统计法、奇异值分解方法（SVD）、高斯滤波方法、MK趋势法等方法进行相关性研究。总的研究思路是：首先研究青藏高原地区水汽变化情况和分布特征，然后使用SVD分析方法对青藏高原地区的水汽通量场与中国北方地区降水作奇异值分析，由SVD分解得到一对（左，右）空间分布型反映了青藏高原水汽通量和中国北方降水场之间的空间遥相关性以及它们相互作用的关键区域，对应的时间序列则反映了各自空间型的时间演变特征；分析由SVD 分解所得的异性相关系数的时间或空间分布特征，找到影响中国北方地区降水水汽通量的分布型和关键区域；之后对青藏高原地区的水汽指数和中国北方的环流形势进行分析，以期得到青藏高原地区水汽时空分布对于中国北方降水的影响。

2 青藏高原水汽变化特征

2.1 1979—2018年青藏高原水汽的气候分布特征

青藏高原的水汽具有空间分布不均匀性。从水汽的多年气候平均（气候态：1979—2018）的空间分布（图1）可以看出，对于青藏高原地区，水汽主要分布在27.5°N～32.5°N、90°E～105°E的区域内，即青藏高原东部和南部区域，此外在青藏高原北部的一小部分区域也是水汽通量值比较大的区域，青藏高原的其他区域水汽全年分布比较均匀，并且相比东南区域水汽比较少。

图1 1979—2018年青藏高原水汽的年平均空间分布

青藏高原的水汽具有显著的季节不平均性。从青藏高原地区的区域平均水汽年循环（图2）可以看出，青藏高原地区水汽变化呈先上升后下降的趋势。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，而水汽最大值出现在秋季。

图2 青藏高原区域平均水汽的年循环

从图3可以看出不同季节青藏高原水汽的季节分布特征，春季水汽分布图中可以发现水汽主要集中在青藏高原的东南部，有很少一部分在青藏高原的北部地区；相比春季，夏季的水汽明显增多，而且水汽通量的大值区变大，而且东部地区的水汽通量有了明显的增大，北方水汽通量大的地区增大；相比夏季，秋季的水汽通量有一定的下降，而且北方地区的大值区水汽通量下降得很明显，覆盖范围以外明显变小；对于冬季，水汽通量相对于秋季的变化不是很明显。总的来说，该地区的水汽分布是夏季水汽最多，且分布面积最广，春季最少，秋冬季水汽分布的变化不大。并且水汽分布的区域大体上相同，位于青藏高原的东南部区域以及北方有一小部分区域，且全年大部分区域水汽都较少。

图3 水汽季节分布（a）春季（b）夏季（c）秋季（d）冬季

2.2 1979—2018年青藏高原水汽的趋势分布特征

由图4可以看出，1979—2018年青藏高原水汽年平均的趋势分布情况：高原东南部区域以及北方的一小部分区域水汽通量呈现降低的趋势，而西部地区以及东北地区的水汽通量则是呈现增加趋势；使用MK趋势分析对于计算结果进行检验，发现西北、西南、东北、东南以及北部的水汽变化的趋势是很明显的，通过了95%的显著性检验，表明青藏高原地区的年平均水汽通量在1979—2018年间有显著的变化。

图4 1979—2018年青藏高原水汽的趋势分布（“+”代表通过95%的显著性检验年平均分布）

2.3 青藏高原区域的水汽的年平均变化特征

图5为1979—2018年高原年平均水汽通量距平的随时间变化曲线，则是11年高斯滤波平滑后的曲线。研究发现，高原水汽具有明显的年际变化特征。此外，水汽还具有年代际变化特征，总体上表现为增加趋势，有一定的周期性变化。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。

图5 青藏高原年平均水汽随时间的变化特征（曲线为经过11年高斯低通滤波平滑的曲线）

3 青藏高原的水汽与中国北方降水的相关性分析

3.1 青藏高原地区水汽通量与中国北方年降水SVD分解

由青藏高原地区水汽通量与北方降水SVD解释方差图6可以看出，前3个模态的累积方差贡献占据了总解释方差贡献率的81%，其中第一模态的方差占据总解释方差的45%，第二模态的方差占据总解释方差的24%，第三模态的方差占据总解释方差的12%，前3个模态基本上就可以解释2个场的空间遥相关性和时空演变特征，只需要分析水汽通量和年降水场的前3个空间模态的相关特征即可。

图6 水汽通量与北方年降水SVD分解解释方差

3.2 青藏高原水汽通量与北方年降水SVD分解第一模态

由图7可以看出，在左奇异场分布型中，正相关区域为青藏高原西部以及东北部，这2个区域的相关系数都＞0.4，达到了α=0.01的显著性水平，相关性特别明显；对应的右奇异场中正相关区域为新疆西南部和西北部，以及青海大部分区域，而负相关区域只有内蒙古东部一小部分区域；当青藏高原西部以及东北部的水汽通量增加时，新疆西南部和西北部以及青海大部分区域的年降水同样会增加。两序列的变化趋势基本是保持一致，总体上表现为上升趋势。

图7 水汽通量与北方年降水SVD分解第一模态

3.3 青藏高原水汽通量与北方年降水SVD分解第二模态

由图8可以看出，在左奇异场分布型中，正相关区域为青藏高原西南部到中部的区域，相关系数都＞0.4，达到了α=0.01的显著性水平；负相关区域为高原东北部，相关系数绝对值大于0.4，达到了α=0.01的显著性水平；对应的右奇异场中正相关区域为青海小部分区域，而负相关区域为新疆西北部，以及华北的小部分区域。当高原西南部到中部的区域水汽通量增加时，青藏高原东北部水汽减少，新疆西北部以及华北的小部分区域的年降水同样会减少。两时间序列的变化趋势基本是保持一致，少数年份为相反变化趋势，总体上表现为下降趋势。

图8 水汽通量与我国北方年降水SVD分解第二模态

3.4 青藏高原水汽通量与北方年降水SVD分解第三模态

由图9可以看出，在左奇异场分布型中，负相关区域为高原东部，这个区域的相关系数绝对值＞0.4，达到了α=0.01的显著性水平；对应的右奇异场中正相关区域为新疆小部分区域，而负相关区域为甘肃东部和北部的小部分区域；当高原东部的区域水汽通量减少时，甘肃东部和北部的小部分区域的年降水同样会减少。两时间序列的变化趋势波动幅度很大，但基本上保持变化步调一致，总体上表现为先上升后下降趋势，2010年之后的下降趋势十分明显，表明高原东部的水汽通量在2010年以后是逐渐减少的，同样甘肃东部地区的年降水也在减少。

图9 水汽通量与北方年降水SVD分解第三模态

4 青藏高原的水汽影响中国北方降水的大气环流特征

4.1 基于夏季青藏高原水汽回归位势高度场

对比高原地区全年的水汽分布和夏季的水汽分布可以发现，高原水汽通量在夏季的时候最大，占据全年水汽大部分份额，所以只需探讨高原夏季的水汽对于中国北方地区降水机制的影响即可，根据1979—2018年夏季多年平均的整层水汽通量即高原指数与不同位势高度间的回归系数进行相关分析，回归系数越大，表示青藏高原指数对于位势高度的影响越大。

根据标准化的青藏高原指数回归的不同高度的位势高度场图10（850 hPa）和图11（500 hPa）可以看出，当青藏高原水汽增多时，在乌拉尔山地区出现一个异常的高压中心，贝加尔湖以东-中国东北地区出现一个低压中心；低层大气中，高原的东部在一个弱的异常低压控制下；在对流层中层，该低压中心位置偏西。

图10 基于夏季高原水汽回归850 hPa位势高度场

图11 基于夏季高原水汽回归500 hPa位势高度场

4.2 基于夏季青藏高原回归500 hPa垂直速度场

为了研究高原水汽和对北方夏季降水的影响，对高原水汽指数和500 hPa位势风场的垂直速度之间做回归分析，回归系数如图12所示，在500百帕位势风场中，水汽指数的变化引起位势风场垂直速度的变化。当水汽指数增加时，中国西北地区西部的大部地区，包括新疆西南部和东北部地区的出现了负值异常，通过了显著性检验，表明该地区的垂直风速会显著增强；此外宁夏和甘肃的东南区域垂直速度也出现增强，但没有通过显著性检验；相反的是内蒙古北部的区域，以及华北东部的区域垂直运动会减弱，只有内蒙古北部区域通过了显著性检验。

图12 基于夏季青藏高原水汽回归500 hPa垂直速度场

5.3 基于夏季青藏高原水汽回归和水汽输送场

中国北方地区的降水的多寡与周围地区的水汽输送有密切的关系。对高原水汽指数和周边地区的水汽输送作回归分析，回归系数如图13所示，青海和高原地区属于正值区，日本以东的地区也属于正值区，其中高原地区有一个大值区，此外的大部分地区包括印度洋地区，孟加拉湾地区西伯利亚地区，以及太平洋部分区域都是负值区，其中的太平洋地区和孟加拉湾地区以及印度洋地区也有绝对值的大值区，水汽指数的变化对大值区域影响比较大。表明当高原水汽指数增加一个标准差时，正值区的水汽输送会加强，而负值区的水汽输送会减弱。由图13中的水汽输送方向可以发现，青藏高原水汽增加，会导致东北和华北地区降水增多，而青海、西藏地区以及新疆南部的降水也会增多，但是新疆西北地区降水会减少。

图13 青藏高原水汽和500 hPa水汽输送间的回归系数

5 结论

（1）青藏高原的水汽总体上表现为年平均水汽通量增加趋势，有一定的周期性变化。具有空间分布不均匀性，以及显著的季节不平均性。水汽主要集中在高原的东部和南部区域。其他区域水汽全年分布比较均匀，并且相比东南区域水汽比较少；夏季水汽最多，且分布面积最广；春季最少；秋冬季水汽分布的变化不大，并且水汽分布的区域大体上相同。

（2）青藏高原地区水汽通量与中国北方年降水SVD分解的前3个模态的累积方差贡献占据了总解释方差贡献率的81%，分析前3个模态发现，影响我国北方年降水的关键区域为青藏高原西部，西南部到中部的区域以及东北部区域。

（3）从青藏高原和周边地区的水汽输送发现当青藏高原水汽指数增加一个标准差时，即青藏高原水汽增加时，会导致东北和华北地区降水增多，而青海和西藏地区的降水也会增多，但是新疆西北部地区降水会减少。