影响青藏高原大气可降水量的因素及其变化特征

影响青藏高原大气可降水量的因素及其变化特征黄露;范广洲【摘要】利用1979-2015年ERA-Interim全球0.5°×0.5°月平均再分析资料,计算了青藏高原水汽收支方程中的水汽局地变化项、辐散项、平流项和垂直项的相对贡献,并分析了各项的变化特征.结果表明:①在整层和近地层,水汽辐合辐散项占大气可降水量变化项的比例最高;在中层和高层,水汽平流项占大气可降水量变化项的比例最高.水汽辐合辐散与大气可降水量有更好的相关性.②水汽辐合辐散的空间分布整体为低层辐合高层辐散;在整层和近地层,高原东部为湿平流,其余大部分区域为干平流,在中层湿平流区域面积扩大,高层几乎都为干平流.③水汽辐合辐散年际变化表现为增加趋势,其中整层、近地层和中层增加趋势最明显;水汽平流年际变化表现为各层都呈下降趋势,其中中层和高层下降趋势最明显.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2018(046)006【总页数】8页(P1172-1179)【关键词】青藏高原;大气可降水量;水汽辐合辐散;水汽平流【作者】黄露;范广洲【作者单位】成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室,成都610225;成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室,成都610225;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,南京210044【正文语种】中文【中图分类】P461引言大气可降水量是一个重要的气象参数，它可以表征大气中的水汽含量[1]，对于空气中的水分全部凝结成雨、雪、雹等降落所能形成的降水量以及气候变化等都有重要影响。

水汽变化是天气和气候变化的主要驱动力，大气可降水量是评估空中水资源的重要依据，而因为青藏高原的高海拔和复杂地形，其对全球变化的响应更加强烈。

青藏高原是全球系统的一个敏感区域，通过分析高原大气可降水量的变化可分析高原气候变化和对全球气候变化的响应。

青藏高原地区的气候变化已经引起了越来越多人的研究兴趣[2-4]。

Rangwala等[2]发现1961—2000年青藏高原地表湿度呈现增加的趋势，特别是在冬季和春季。

Lu等[3]利用ECWMF和MODIS数据分析了青藏高原地区上空大气可降水量分布和变化趋势(2000—2010年)，发现两种资料变化趋势一致，高原东部和西部可降水量增加，中部减少，相对高原周围高原可降水量变化趋势更明显。

Gao等[4]发现青藏高原相对湿润的东南部变得更湿润，相对干燥的西北部更加干燥，但总体变湿，主要原因是外来的水汽输送。

王可丽等[5]将中国西北地区上空的水汽汇聚过程分为了平流输送和辐合输送，研究表明中国西北大部分区域是水汽的净流失区，青藏高原的热力辐合作用使得水汽在高原辐合，水汽平流输送主要受西风带的影响，高原在强西风的影响下强度减弱，水汽辐合辐散输送主要和南亚夏季风有显著相关。

以往对水汽影响的研究中，多从某一个影响因子的角度出发，例如温度、降水等对可降水量的影响，或者研究水汽输送通道[6-9]。

本文从基本方程出发，将大气可降水量随时间的变化分为了局地变化项、水汽辐合辐散输送项、水汽平流项和垂直输送项研究，主要研究动力作用的影响，并从不同层次上研究了水汽辐合辐散项和水汽平流项的变化特征。

1 资料和方法本文选用的是ECMWF(European Center Medium-range Weather Foreasts)的EAR-Interim逐月再分析资料，时间为1979年1月至2015年12月，空间分辨率为0.5°×0.5°，范围为高原主体(25°～40°N、70°～105°E)，气象要素有地面气压ps、比湿q、u、v风场和垂直速度等月平均再分析资料。

大气可降水量pwv 的计算公式为[10]：(1)式中,g为重力加速度，q为比湿，pt为大气柱的顶层气压，ps为地面气压。

因为水汽含量在300 hPa以上就很少，所以本文pt取为300 hPa。

比湿随时间的个别变化等于局地变化、平流变化以及对流变化之和[11]：(2)(3)由式(1)、式(2)和式(3)可得：(4)由式(4)可知，大气可降水量随时间的变化等于水汽的局地变化项辐散项平流项和垂直项根据黄荣辉等[12]在夏季东亚季风区和南亚季风区水汽输送差别的研究中可知，式(4)中右边第2项是由风场辐合(辐散)所引起的水汽输送的辐合(辐散)，当此项为负表示风场辐合，对水汽辐合输送为正贡献，反之表示风场辐散，对水汽辐合输送为负贡献(以下称为水汽辐合辐散项)。

第3项即由水汽平流所引起的水汽输送辐合(辐散)，当此项为负时表示风由比湿高的区域流向比湿低的区域，称为湿平流，对水汽辐合输送为正贡献；反之为干平流，对水汽输送辐合有负贡献，(以下称为水汽平流项)。

本文定义地表至300 hPa为整层，地表至500 hPa为近地层，500～400 hPa为中层以及400～300 hPa为高层。

2 各项的贡献度由式(4)可知，大气可降水量的变化由水汽局地项、辐散项、平流项和垂直项组成，为了找出影响大气可降水量变化的主要因素，首先讨论各项所占大气可降水量的比例。

图1各项物理量的计算使用了1979—2015年年平均的比湿、地表气压、风场等资料，可看到，局地项和垂直项在整层、近地层、中层和高层中所占比例非常小，可忽略不计。

水汽辐合辐散项在整层和近地层所占比例最高，可分别达70%和80%左右。

随着高度增加，水汽平流项所占比例最高，在中、高层可分别达68%和90%。

图1 1979—2015年青藏高原年平均整层和各层水汽局地项、水汽辐合辐散项、水汽平流项和垂直项占比3 相关性分析3.1 水汽辐合辐散与大气可降水量的相关性以上分析表明，水汽辐合辐散项和平流项对大气可降水量变化的相对贡献度较高，为了更好的研究它们和大气可降水量的关系，将分别做两者与大气可降水量的空间相关性分析。

图2(彩页)为大气可降水量和水汽辐合辐散的相关系数分布图。

在整层和近地层，高原主体大部分地区呈明显的正相关且正相关系数最高可达0.8以上，说明高原中部风场辐合越强，有利于可降水量的增加，高原南北部边缘区域呈负相关，负相关系数最大达到-0.6，说明高原边缘的风场辐散越强，可降水量越少。

在中层和高层，两者的相关性相对于整层和近地层有所减弱。

在中层，高原东北为正相关，在中西部大面积区域为显著的负相关。

在高层，除喜马拉雅山脉为负相关外，其他区域相关系数和中层近似，中部负相关系数的区域有所增加。

3.2 水汽平流与大气可降水量的相关性图3(彩页)为大气可降水量和水汽平流的空间相关系数分布图，大气可降水量和水汽平流的相关系数与大气可降水量和水汽辐合辐散的相关系数相比减弱，说明水汽平流对大气可降水量影响更小。

在整层和近地层，高原东部和中部呈负相关且负相关系数最大约-0.6，说明水汽干平流越强，可降水量越少，高原西南地区呈正相关，说明高原西南边缘的水汽湿平流越强，可降水量越多。

在中层和高层，高原西北大部分区域为负相关，南部较小区域为正相关。

图2 1979—2015年青藏高原大气可降水量和由风场辐散引起的水汽辐合辐散的相关系数：(a)整层，(b)近地层，(c)中层，(d)高层(打点区域通过95%的信度检验) 图3 1979—2015年青藏高原大气可降水量和水汽平流的相关系数：(a)整层，(b)近地层，(c)中层，(d)高层(打点区域通过95%的信度检验)4 年平均空间分布4.1 水汽辐合辐散的年平均空间分布图4(彩页)是由风场辐散所引起的水汽辐合辐散的空间分布。

在整层，高原中部大部分地区为弱的水汽辐合区，其中辐合大值中心在高原东部。

高原周围边缘为水汽辐散区域，南部边缘的喜马拉雅山附近是辐散的高值区，柴达木盆地和昆仑山脉附近也为弱水汽辐散区域。

近地层水汽辐合辐散的空间分布和整层近似，中部水汽辐合区域范围略微增大。

在中层，高原主体和喜马拉雅山脉上游出现了水汽辐散的大值区，水汽辐散从在低层的高原南部区域移到了高原中部，说明随着高度的增加，地形对水汽输送的阻挡作用减弱，水汽辐合区域在喜马拉雅下游区域和东南部。

而在高层，水汽辐合辐散项量值很小，高原主体的水汽辐散面积更大，只有高原东南部很小区域和喜马拉雅山脉为水汽的辐合区。

4.2 水汽平流的年平均空间分布图5(彩页)为水汽平流输送的空间分布。

在整层和近地层，高原主体大部分区域为干平流，是水汽源区，尤其在高原西南和南部边缘区域为干平流的大值区。

大范围的干平流表明，高原收到来自上游地区的水汽输送很少，小于本地向其他地区的水汽输送量，东南部和西北部的少部分区域为湿平流，是水汽汇区，对水汽输送通量辐合有正贡献。

在中层，水汽受高原地形阻挡作用减少，湿平流区域向高原中部扩大延伸。

在高层，虽然水汽平流输送量值很小，但高原整体几乎被干平流所覆盖。

5 年平均时间变化5.1 水汽辐合辐散年平均时间变化图6(彩页)为1979—2015年高原大气可降水量和由风场辐散所引起的水汽辐合辐散年际变化，水汽辐合辐散在1979—1983年左右呈下降趋势，90年代前期呈上升趋势并在1995年达到一个高值状态,此后又呈下降趋势。

在中层水汽辐合辐散的量级减小，在90年代中期之前为上升趋势，平均值呈现低值状态，在90年代中期后为平均值的高值状态，和大气可降水量的年际变化吻合度很高，对于高层，水汽辐合辐散的量值极小，2005年前呈略微上升趋势，此后为下降趋势。

整体来看，从1979—2015年各层水汽辐合辐散都呈增加趋势。

5.2 水汽平流年平均时间变化由图7(彩页)可知，水汽平流的年际变化波动和大气可降水量吻合度较低，在整层和近地层，2005年左右之前，呈略微上升趋势且处于平均值较高的状态，在90年代左右达到最高值，接着在2005年后迅速下降且平均值处于低值状态。

在中层，2000年之前水汽平流呈略微下降趋势但处于平均值的高值状态，1993年后开始呈现迅速下降的趋势，2006年后虽然有逐渐上升的趋势，但处于平均值较低的状态。

在高层，年际变化又小了一个量级，变化趋势大致和中层相同。

整体来看，从1979—2015年各层水汽平流都呈下降趋势。

6 EOF分析6.1 整层水汽辐合辐散的EOF分析图8(彩页)为37年整层水汽辐合辐散的EOF分析。

取前两个特征向量作为基本空间分布型。

前两个模态方差贡献率分别为15.2%，13%，收敛速度较慢，原因在于影响水汽辐合辐散的因子较复杂。

第1模态的空间分布，从高原南部到北部表现为“-+-”的特征，负值大值中心在喜马拉雅山脉地区，正值大值中心在昆仑山脉附近。

时间系数，2000年左右之前，时间系数总体为正，2000年之后时间系数逐渐变为负值。