西亚副热带西风急流年际变化与三江源区夏季降水的关系

黄小梅， 齐冬梅， 李 笛， 孙 亦， 吕纯月

（1.中国气象局成都高原气象研究所，高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；2.四川省气象灾害防御技术中心，四川 成都 610072；3.四川省气象探测数据中心，四川 成都 610072）

西风急流是对流层上层的一种持续存在的行星尺度环流系统，对维持全球大气动量、能量的输送及平衡起着不容忽视的作用［1］。夏季副热带西风急流带位置在40°N 附近，东北太平洋上空风速减弱将其分为了亚洲急流（0°～150°W）和北美急流（120°W～0°）［2］。亚洲副热带西风急流80°E 以西和以东部分分别被称为西亚副热带西风急流（以下简称西亚急流）和东亚副热带西风急流（以下简称东亚急流）［3］。自20 世纪50 年代以来，许多研究表明东亚急流的位置和强度变化与东亚大气环流季节转换、亚洲夏季风爆发以及东亚梅雨的开始和结束有密切联系［4-11］。值得注意的是，由于6月初副热带西风急流的北跳不仅发生在东亚季风区，也发生在西亚干旱区。杨莲梅等［12-13］研究发现沿西亚急流传播的准静止波活动与新疆夏季降水异常有密切联系。Zhao 等［14］进一步研究表明西亚急流的南北位置对新疆夏季降水变化有重要影响，当急流位置偏南时，有利于引导来自低纬度的西南暖湿气流输送到新疆北部从而导致降水偏多。

三江源地区位于青藏高原腹地，是我国最重要两条母亲河长江、黄河以及澜沧江的发源地，一直以来，被誉为“中华水塔”［15］。该区域是我国极其重要的生态屏障，具有高寒生物资源丰富、生态环境脆弱以及对气候变化敏感的特征［16-19］。近些年来，受全球气候变暖和人为活动的影响，三江源区生态环境持续恶化，频发的高原地区干旱、极端干旱事件严重地影响着河流中下游地区水量供给和农业生产。因此，三江源区降水资源变化规律及其异常成因的研究备受关注［20-25］。不少研究指出，大尺度大气环流系统在影响三江源区降水变化方面发挥着重要的作用。例如，李夫星等［26］研究揭示了东亚夏季风强度与黄河流域中东部地区降水具有较好的正相关关系。王可丽等［27］研究表明长江源区年降水偏多与蒙古低压和西风风速减弱有密切联系。唐见等［28］研究发现南亚季风是影响长江源区夏季降水量较为重要的大气环流因子，其可以通过加强西南水汽输送从而引起长江源区降水偏多。

西亚急流作为重要的大尺度大气环流系统之一，与新疆地区夏季降水多寡关系密切。那么，它的变化对青藏高原三江源区夏季降水是否有明显影响呢?若有影响，其作用的物理机制又是什么呢？为了回答上述问题，本文通过研究西亚急流南北位置和强度年际变化与三江源区夏季降水异常的关系，并分析其中的物理过程，揭示大尺度环流因子对三江源区夏季降水变化的驱动机制，以期进一步提高区域旱涝灾害预测水平，为准确预测气候变化背景下三江源区未来水资源状况提供重要参考。

1 研究区概况

三江源区（31°39′～36°12′N，89°45′～102°23′E）位于青海省南部，平均海拔3500 m以上（图1），流域面积为3.631×106km2，其中长江源区、黄河源区、澜沧江源区和其他源区的面积分别为15.41×104km2、10.48×104km2、3.68×104km2、6.74×104km2［29］。行政区域包括玉树、果洛、海南、黄南4 个藏族自治州的16个县和格尔木市的唐古拉乡，约占青海省总面积的43%［30］。三江源区年平均气温在-11.8～8.3 ℃，年平均降水量为289.6～745.5 mm，年平均蒸发量为730～1700 mm［29］。属于典型的高原大陆性气候，表现为冷热两季交替、干湿两季分明、年温差小、日湿差大、日照时间长、辐射强烈、无四季区分的特征［29-30］。植被类型有针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌丛、草原、草甸等，并以草原和草甸所占面积最大［31］。

图1 三江源区地形图Fig.1 Topography of the Three River Source region

2 资料和方法

采用的资料主要包括：（1）1979—2018年ERAinterim再分析数据集［32］提供的水平分辨率为0.75°×0.75°的月平均纬向风、经向风、垂直速度、比湿、位势高度场等再分析资料。（2）针对三江源地区夏季（6—8月）降水，本文选取国家气象信息中心提供的中国地面逐月网格（0.5°×0.5°的分辨率，或称CN05）数据集V 2.0（1979—2018 年），该资料是中国2416个台站的降水观测资料的客观分析结果［33］，以及GPCP 月平均降水数据［34］。文中的气候平均值采用1981—2010年的平均值。

利用经验正交函数分解（EOF）［35-36］得到西亚急流位置和强度指数，一元线性回归分析法［37］研究西亚急流位置年际变化对三江源区夏季降水影响的可能物理机制。为了聚焦年际变化的研究，文中的变量在进行相关和回归计算之前均采用了9点高斯滤波方法去除了变量的年代际变化趋势。采用t检验进行统计显著性检验。

3 结果与分析

3.1 夏季西亚急流位置和强度的定义及变化特征

采用ERA-interim 再分析资料得到的夏季气候平均200 hPa纬向风分布（图2），由图2可见，夏季副热带西风急流位置在40°N附近，亚洲急流存在3个中心，分别位于50°E附近的里海上空、80°～100°E的中国西部地区和140°～160°E 的日本及其以东地区。这与研究学者采用NCEP/NCAR 再分析资料得出的结果［3,14］基本一致。

图2 气候平均夏季200 hPa 纬向风场Fig.2 The climatological summer 200 hPa zonal wind field

这里根据Zhao 等［14］对夏季西亚急流位置和强度的计算方法，采用1979—2018 年的ERA-interim再分析资料对（25°～55°N，40°～80°E）区域范围的200 hPa 纬向风异常场进行正交经验函数（EOF）分解，得出体现西亚急流异常变化的两个主模态。前两个EOF 模态解释方差分别为45.9%和20.3%，累积方差贡献达到66.2%，表明前两个模态可以体现该区域200 hPa 纬向风异常的主要特征。EOF 分解第一模态在空间场上表现为从低纬到高纬的南北反相分布特征，零线位于40°N附近（图3a）。由于气候态的夏季副热带西风急流轴线也位于40°N附近，因此这种沿西亚急流轴线南北两侧的西风异常指示了急流轴线的经向移动，这里将第一模态相应的时间系数PC1定义为西亚急流的位置指数。从时间系数PC1的变化可以发现西亚急流南北位置存在明显的年际和年代际变化特征，在2000s 之前急流表现为南北振荡变化特征，在2000s 及其以后以偏南为主（图3b）。EOF 分解第二模态空间场上表现为在里海以东附近为大值中心（图3c），大值中心与夏季西亚急流气候平均位置基本一致，因此第二模态相应的时间系数PC2 可以体现急流强度的变化，这里将PC2定义为西亚急流的强度指数。PC2随时间的变化表明西亚急流强度除包含明显的年际变化外，还在2000s 中期之后表现出明显的年代际减弱趋势（图3d）。

图3 夏季200 hPa纬向风异常EOF第一（a）和第二（c）模态空间分布以及相应的时间变化（b,d）Fig.3 Spatial pattern for the first(a)and second(c)EOF mode of summer zonal wind anomaly at 200 hPa and corresponding principal component(b,d)

3.2 西亚急流位置和强度年际变化与三江源区夏季降水的关系

为了分析西亚急流位置和强度年际变化与三江源区夏季降水异常之间的关系，计算了去掉年代际变化后的1979—2018 年夏季西亚急流位置和强度指数与同期三江源区降水的相关系数场（图4），可见，西亚急流位置指数与三江源区夏季降水在大部分地区都呈显著的正相关，高相关区主要位于长江源区，中心相关系数超过0.5，通过了95%信度的显著性检验（图4a）。说明夏季西亚急流位置偏南（北）容易造成同期三江源区降水偏多（少），且在长江源区表现最为明显。西亚急流强度指数与三江源区夏季降水的相关并不显著（图4b），表明，在年际时间尺度上，西亚急流南北位置对三江源区夏季降水的影响比急流强度更加明显。

图4 西亚急流位置（a）和强度（b）指数与同期三江源区降水量的相关系数场Fig.4 Simultaneous correlation of the detrended West Asian Jet position(a)and strength(b)index with the detrended precipitation over the Three River Source region

为了进一步论证西亚急流位置年际变化与三江源区夏季降水的关系，计算了1979—2018 年（31.5°～36.5°N，89.5°～102.5°E）区域平均的夏季降水量，并将其定义为三江源区夏季降水指数。图5给出了去掉年代际变化的夏季降水指数回归的同期200 hPa 纬向风场，结果发现，在（42°～52°N，48°～88°E）区域为明显的纬向风负异常区，而（30°～40°N，50°～110°E）为明显的纬向风正异常区。表明当三江源区夏季降水偏多时，对应同期西亚急流南侧加强，北侧减弱，急流中心位置明显偏南，反之亦然。由此可知，夏季西亚急流南北位置年际变化与三江源区降水多寡有密切联系。

图5 气候平均夏季200 hPa纬向风场和降水指数回归的200 hPa纬向风场Fig.5 The climatological summer 200 hPa zonal wind field and pattern of regression of 200 hPa zonal wind against the detrended precipitation index

3.3 西亚急流位置年际变化对三江源区夏季降水的影响机制

图6给出了夏季西亚急流位置指数去掉年代际变化后回归的同期100 hPa 和500 hPa 位势高度场。由图6 可见，在西亚急流位置偏南年，100 hPa负高度异常中心位于里海至巴尔喀什湖和东北亚地区，正高度异常位于青藏高原东部及其以南的低纬度地区（图6a），表明南亚高压位置明显偏东偏南。500 hPa 位势高度异常场上（图6b），乌拉尔山附近为显著的正高度异常区，里海以东至青藏高原中部和日本海附近为显著的负高度异常区，表明中高纬地区乌拉尔山阻塞高压加强，有利于北方冷空气南下。中纬度沿里海自西向东存在“-+-”位势高度异常分布，表明中纬度西风急流上Rossby波活跃。低纬度自阿拉伯半岛经印度半岛至西北太平洋均为显著的正高度异常，表明印度季风低压偏弱，西太平洋副热带高压偏西偏强，有利于来自热带海洋的水汽向北输送至高原东部。三江源区位于里海以东至青藏高原的负高度异常区东部，位势高度明显偏低，这种异常环流形势有利于高原低涡、高原切变线等低值系统的活动，从而造成区域夏季降水偏多。在西亚急流位置偏北年，则情况相反。

图6 西亚急流位置指数回归的同期100 hPa（a）和500 hPa（b）位势高度场Fig.6 Patterns of regressions of 100 hPa(a),and 500 hPa(b)geopotential height against the detrended West Asian Jet position index

从夏季西亚急流位置指数去掉年代际变化后回归的同期500 hPa 风场和GPCP 降水场（图7a）可以发现，在西亚急流位置偏南年，对流层中层中纬度地区自西向东存在两个强大的异常气旋性环流系统，一个位于里海至青藏高原东部，另一个位于朝鲜半岛至日本以东地区，三江源区位于里海至青藏高原东部异常气旋性环流的东部，上空存在明显的异常偏南风，有利于来自低纬的暖湿气流输入，导致区域降水偏多。而当急流位置偏北时，则情况相反。

图7 西亚急流位置指数回归的同期500 hPa风场及GPCP降水场（a）和整层积分水汽通量及其散度场(b)Fig.7 Patterns of regressions of(a)500 hPa wind and GPCP precipitation,(b)vertically integrated water vapor flux and its divergence against the detrended West Asian Jet position index

为了反映急流南北位置变化对应的水汽输送异常分布情况，这里进一步计算了夏季西亚急流位置指数去掉年代际变化后回归的同期整层积分水汽输送通量及其散度场（图7b）。由图7b可见，在急流位置偏南年，整层积分水汽输送通量异常与500 hPa 风场异常形势对应较好，从里海至青藏高原地区和东北亚地区均为明显的异常气旋性环流，低纬印度半岛北部经中南半岛至我国南海地区为强大的异常反气旋性环流，这个反气旋性环流异常有助于将低纬度热带海洋的水汽不断输送到高原地区。三江源区位于里海至青藏高原的异常气旋性环流东部，整层积分水汽通量异常辐合，有利于产生降水。当急流位置偏北年，则情况相反。

众所周知，较强的上升运动和充沛的水汽来源是降水产生的两个必要条件。下面进一步分析了夏季西亚急流南北位置年际变化对应的垂直速度异常情况，从西亚急流位置指数去掉年代际变化后回归的500 hPa垂直速度场（图8）可以发现，在急流位置偏南年，对流层中层青藏高原中部大部分地区存在明显的上升运动异常，仅在边缘的小部分区域为下沉运动异常。三江源全区基本为显著的上升运动异常，这种大尺度的垂直上升运动异常可以促进水汽抬升凝结过程，有利于降水的产生。而在急流位置偏北年，则情况相反。

图8 西亚急流位置指数回归的同期500 hPa垂直速度场Fig.8 Patterns of regressions of 500 hPa vertical velocity against the detrended West Asian Jet position index

4 结论

利用ERA-interim 逐月再分析资料和中国地面逐月降水量网格数据集，在分析夏季西亚急流位置和强度年际和年代际变化特征的基础上，研究了急流南北位置年际变化对三江源区夏季降水的影响及其物理机制，得到以下主要结论：

（1）1979—2018年夏季西亚急流位置和强度均具有明显的年际和年代际变化特征。急流位置在2000s之前表现为南北振荡变化特征，在2000s及其以后以偏南为主。急流强度在2000s中期之后表现出明显的年代际减弱趋势。

（2）在年际时间尺度上，西亚急流南北位置对三江源区夏季降水的影响比急流强度更加明显。西亚急流位置与三江源区夏季降水存在显著的正相关关系，当急流位置偏南（北）时，三江源区夏季降水偏多（少）。

（3）在西亚急流位置偏南年，高层南亚高压位置明显偏东偏南，三江源区位于南亚高压东部的正高度异常和中层里海以东至青藏高原的负高度异常控制区，全区存在显著的上升运动异常，有利于高原低值系统活动。对流层中低层里海至青藏高原为异常气旋性环流，三江源区位于该异常气旋性环流东部，上空存在明显的偏南风异常，整层积分水汽通量异常辐合，有利于来自热带海洋的暖湿气流输入，导致降水偏多，反之偏少。

本文主要分析了夏季西亚急流位置和强度的年际变化特征及其与同期三江源区降水异常的关系，重点讨论了急流南北位置年际变化影响三江源区夏季降水的可能机理，可为提高区域旱涝灾害预测水平提供理论依据。但是，由于影响三江源区夏季降水变化的因素很多，比如南亚季风、高原季风和高原热力作用等，仅从西风急流的角度来探讨三江源区夏季降水的变化和成因是不够的，未来还需要结合其他影响因子进行综合研究。