2016, Vol. 74
中国气象学会主办。
文章信息
- 夏阳, 万雪丽, 严小冬, 吴磊, 龙园 . 2016.
- XIA Yang, WAN Xueli, YAN Xiaodong, WU Lei, LONG Yuan . 2016.
- 中国西南地区春季降水的时空变化及其异常的环流特征
- Variations of spring precipitation over southwest China and characteristic circulations for precipitation anomalies
- 气象学报, 74(4): 510-524.
- Acta Meteorologica Sinica, 74(4): 510-524.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.038
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文章历史
- 2015-12-08 收稿
- 2016-04-11 改回
2. 贵州省山地气候与资源重点实验室, 贵阳, 550002;
3. 贵州省气象台, 贵阳, 550002;
4. 贵州省气候中心, 贵阳, 550002
2. Guizhou Key Lab of Mountainous Climate and Resources, Guiyang 550002, China;
3. Guizhou Meteorological Observatory, Guiyang 550002, China;
4. Guizhou Climate Center, Guiyang 550002, China
中国西南地区地处青藏高原东南部, 区域内地形地貌复杂, 具有独特的天气、气候特征。其旱季(11月—次年4月)时间长, 降水量小, 干旱事件极易发生, 季节性干旱, 特别是春旱十分严重。自2009年以来, 西南地区已经连续5 a发生冬春旱, 其中以2009—2010年的秋冬春连旱最为严重, 这次干旱耕地受旱面积、受灾人口和农村饮水困难情况都达到了近10年来该地区的最高水平, 受灾率和成灾率均为1943年以来的最大值, 干旱范围之广、时间之长、程度之深、损失之大均为历史少见。
李永华等(2010b)研究指出, 川渝地区的夏季降水除了具有全区一致分布型外, 还具有南北相反型和东西相反型。中南半岛的经向水汽输送异常和西北太平洋副热带高压(副高)的持续异常则与川渝地区持续伏旱和高温灾害关系密切(刘晓冉等, 2009)。利用区域性极端事件客观识别法(OITREE)共识别出1960—2010年中国西南地区有87次区域性气象干旱事件, 大致可分为东部型、南部型、西部型、北部型和全境型等5种分布类型(李韵婕等, 2014)。云南地区的春季干旱发生频率明显高于洪涝, 大气环流的距平波列以及纬向、经向异常低频气流型对当地春季旱涝的形成有重要影响(苗春生等, 2014；孙国武等, 2014)。北大西洋涛动(NAO)可以通过在亚-非副热带急流中传播的准定常波列以及波的反射分别影响南支槽波列和贝加尔湖高压脊系统, 从而对云南冬季降水产生影响(宋洁等, 2011)。太平洋海温及北极涛动(AO)异常与云南冬季降水存在密切关系, 如2009/2010年的西南地区秋冬春持续干旱是发生在中等强度的中部型厄尔尼诺背景下(王晓敏等, 2012；陶云等, 2014)。针对近年西南地区频发的干旱事件的研究表明, 当地干旱的发生与副高强度偏强、位置偏西、南支系统偏弱及冷空气活动路径偏北偏东等异常环流形势的存在有关(池再香等, 2012；黄荣辉等, 2012；Barriopedro et al, 2012；郑建萌等, 2014), 而青藏高原热源偏弱, 菲律宾附近地区对流异常活跃, 又是引起副高偏强偏北偏西的重要原因(李永华等, 2009)。
李崇银(2000)研究表明, 大范围异常天气的形成往往同异常的大气环流形势有关, 而大气环流的持续性异常与行星波活动有必然的联系。钱维宏等(2012)指出, 与西南地区冬春干旱相联系的大气环流中存在3种时间尺度的扰动：与ENSO冷暖事件有关的年际行星尺度扰动, 与赤道地区的30—50 d振荡有关的季节内行星尺度扰动, 还包括天气尺度的扰动；异常的温度平流以及热带太平洋与北大西洋激发的遥相关对西南地区降水的异常偏少具有重要作用(Feng et al, 2014)；静止罗斯贝波在向下游传播的过程中对阻塞高压及东亚大槽异常的形成具有重要作用(Nakamura, 1994; Nakamura et al, 1997; Naoe et al, 2002; 黄小梅等, 2013)；反过来, 阻塞形势对罗斯贝波的传播同样有影响(de Lima Nascimento et al, 2002; Enomoto et al, 2003)。而青藏高原的热力作用异常同样在影响周边西南地区乃至亚洲的气候异常分布方面具有重要作用(季国良等, 1986；刘晓冉, 2008；刘银峰等, 2009；齐冬梅等, 2010)。
中国西南地区处于南亚季风与东亚季风的过渡地带(Wang et al, 2002), 而春季作为北半球冬、夏季风的过渡时期及旱季的最后阶段, 其当季降水在承接西南地区前期冬季旱涝异常分布中起到重要作用。近年来, 中国西南地区冬春干旱频发, 其发生强度大, 影响范围广, 持续时间长, 给国民经济和人民生命财产带来无法估量的损失。但针对西南地区春季异常降水及其可能成因方面的研究仍然较少, 其中涉及到波扰动能量传播在欧亚地区大气环流形势异常分布中的作用仍不明确, 且目前关于西南地区春季异常降水前期信号方面的研究还较为匮乏。因此, 本研究将在对中国西南地区春季降水时空分布特征进行分析的基础上, 对西南地区春季降水异常的环流成因及波扰动能量在其中所具有的作用进行分析, 并试图探讨其与青藏高原热力作用存在的可能关系。以期加强对西南地区春季降水分布特征及旱涝成因的认识, 从而为当地旱涝灾害的预测提供线索。
2 资料与方法采用的资料包括：(1)中国气象局国家气象信息中心提供的中国756站逐日观测资料, 选取其中的1961—2013年共53 a无缺测的西南地区97站春季日降水资料；(2)美国NCEP/NCAR月平均再分析资料集(Kalnay et al, 1996), 垂直方向17层, 要素包括风、位势高度、海平面气压、垂直速度、比湿等, 水平分辨率2.5°×2.5°；(3)青藏高原热力作用的表征采用李栋梁(2006)计算的青藏高原地面加热场距平指数, 时间跨度为1961—2013年。
由于旱涝灾害对于人口密集、经济较为发达的地区带来的影响更甚, 因此仅将近年来春季干旱事件发生频率较高的四川、重庆、云南、贵州及广西等5省(市、自治区)所在的西南地区作为研究区域, 而并未包含西藏, 研究范围为(21°—35°N, 97°—112°E)。采用的方法主要有经验正交函数(EOF)分解、相关分析、合成差值以及统计检验等。研究时段为1961—2013年的春季(3—5月)。除特别说明外, 文中的气候态均指1981—2010年春季3个月平均的多年平均。
青藏高原地面加热场强度距平指数的计算式(李栋梁, 2006)为
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式中, b(Ts-Ta)RKZ和c(Ts-Ta)YS分别为青藏高原上日喀则站和玉树站的月平均地面(0 cm)温度与百叶箱温度之差, 单位为℃；Δ(B-H)p即为青藏高原地面加热场强度距平指数, 单位为W/m2, 其中B为地面净辐射, H为进入土中的土壤热通量, 而B-H称为地面加热场强度；a、b、c为系数, M为两站地面加热场强度气候平均值。
3 中国西南地区降水的时空分布特征 3.1 气候态分布受两支季风的共同影响, 中国西南地区冬干夏湿的水资源分布特征十分显著, 如贵州夏、秋两季(6—11月)的降水便占到全年降水的68.6%(伍红雨等, 2003)。图 1a显示, 作为东亚冬季风与夏季风的过渡阶段, 中国西南地区的春季降水呈西北向东南逐渐增多的分布特征。降水低值位于云南中北部及四川西部的高海拔山区, 在四川盆地、云南西部边缘地带及广西中东部为西南地区春季降水的高值区域, 其中云南西部山区的降水高值区与来自孟加拉湾地区异常活跃的水汽输送有关。而西南地区春季降水年际变率的分布(图略)与降水的分布相似, 即降水多的区域, 其年际变率亦较大。此外, 图 1b给出了西南地区区域平均降水与区域内各站点降水的相关分布, 由图可见, 除了在四川北部及重庆东部等少部分区域外, 包括云贵高原、广西、四川盆地在内的绝大部分区域的相关系数通过了99%置信度的显著性检验, 四川盆地附近亦达到了95%, 而四川北部、尤其是西北部地区的相关较差, 可能是由于当地的海拔较高, 季风系统对其影响与其余地区有差别所致, 但这并不影响其余绝大部分地区之间降水的一致性。因此可以认为, 所选西南地区的区域范围内的降水变化存在较为显著的一致性, 该区域范围的选择是合理的。
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| 图 1 中国西南地区春季气候态降水(a，单位：mm，等值线间隔50)及区域平均降水的时间序列与区域内各站点降水的相关分布(b，不同大小圆点表示通过不同置信度水平显著性的统计t检验) Figure 1 (a) Precipitation climatology in Southwest China during March, April and May (unit:mm, contour interval:50), and (b) distribution of correlation coefficient between regional average precipitation and precipitation at each individual station. Different sizes of dots indicate different significance levels using a t-test |
为进一步分析西南地区春季降水的时空分布特征, 对该地区1961—2013年的春季降水进行了经验正交函数分解。表 1为前5个模态的方差贡献及累计方差贡献分布, 可见该5个模态共解释西南地区春季降水总方差的51.6%, 其中, 第1模态最大, 解释了总方差的20.6%, 第2模态次之, 为10.6%, 其余3个模态的方差贡献率均低于10%。5个模态亦通过了North准则(North, 1990)的检验, 其所代表的空间分布型也能较完整地体现西南地区春季降水的典型分布结构。
| 序号 | λi | 方差贡献(%) | 累计方差贡献(%) | λi-λi+1 | ei |
| 1 | 1058.08 | 20.6 | 20.6 | 512.49 | 205.54 |
| 2 | 545.59 | 10.6 | 31.2 | 106.00 | 105.98 |
| 3 | 439.59 | 8.6 | 39.8 | 102.43 | 85.39 |
| 4 | 337.16 | 6.6 | 46.4 | 70.57 | 65.50 |
| 5 | 266.59 | 5.2 | 51.6 | 62.59 | 51.79 |
从方差贡献最大的第1模态特征向量分布及其对应的时间系数(图 2)可见。第1模态(图 2a)空间型呈现为西南地区全区域一致的降水分布特征。其中, 在云南中部至四川南部一带以及广西中北部存在大值中心, 说明滇中及川南边缘地区的春季降水年际变化较大, 而川东及重庆地区的春季降水相对稳定少变。将第1模态的时间系数(图 2b)与空间分布联系起来可见, 西南地区春季降水在近半个多世纪以来逐渐增多, 且在荷载值相对较高的云南中部与广西北部降水量的增大较其余地区明显。从11 a滑动平均可见, 第1模态时间系数还表现出明显的年代际变化特征, 从20世纪60年代初期至21世纪最初10年的中期经历了负-正-负-正的变化, 其中, 20世纪70年代以前及80年代中期至90年代中期为西南地区降水的偏少时期, 而70年代至80年代初及90年代末至21世纪初期为降水的偏多期, 2008年以后又开始呈现下降趋势。此外, 第2模态(图略)呈现为西南地区降水东西反位相的分布特征, 其时间系数(图略)在1987年以前基本上呈正位相, 而在这之后则以负位相居多, 近51年来表现出了显著的下降趋势, 相关系数(r=-0.54)亦通过了99.9%的显著性t检验。而第3、第4模态(图略)则显示西南地区春季降水还存在南北反位相型及西北至东南一带与西南东北反位相型的分布特征。
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| 图 2 中国西南地区春季降水经验正交函数分解第1模态(a)及其对应的时间系数(b，实心柱表示正位相，空心柱表示负位相，实线代表线性趋势，虚线为11 a滑动平均) Figure 2 The first EOF mode (a) and corresponding time coefficients (b, Grey bars are for positive phase, white bars are for negative phase, the black solid line indicates the linear trend, the dotted line shows 11-year running mean) of spring precipitation over Southwest China |
由于西南地区春季降水经验正交函数分解第1模态的时间系数存在明显的年(代)际变化特征, 为进一步的提取第1模态中的周期变化特征, 对该模态的时间系数的小波方差及全时域功率谱进行了分析(图 3)。帽子小波分析(Torrence et al, 1998)结果显示, 西南地区春季降水在20世纪60年代中后期与80年代初以及90年代初存在2—3.5 a的显著周期, 在80年代至90年代以准5 a的活动周期为主。此外, 从70年代至90年代末, 还表现出一定的准8 a周期。而全时域功率谱的分析结果与小波分析较为一致, 即西南地区春季降水的第1模态存在显著的2—3.5 a及准5 a的变化周期, 而8 a的活动周期较弱。值得注意的是, 在小波分析及功率谱分析的结果中均显示存在一个超过16 a的变化周期, 但该周期处于受边界影响的区域内, 可信度较低。
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| 图 3 中国西南地区春季降水经验正交函数分解第１模态时间系数的帽子小波分析及全时域功率谱（小波分析中阴影部分表示通过90%置信度水平检验，交叉斜杠区域表示小波变换受边界影响的区域；功率谱中实线为方差分布） Figure 3 Morlet wavelet analysis and power spectrum analysis of the time coefficients corresponding to the first EOF mode of spring precipitation over Southwest China(shaded areas are for values at and above the 0.1 significance level and the thick solid line is for variance) |
从前文的分析中可知, 西南地区春季降水主模态存在显著的波动周期, 其中在20世纪60年代、80年代后期至90年代为相对少雨时段, 多雨时段主要集中在20世纪70年代至80年代初、90年代后期至21世纪初期。为分析西南地区春季主模态降水在异常偏多及偏少时的环流背景差异及其成因, 根据经验正交函数第1模态时间系数的标准差(σ=4.51), 选取绝对值大于1倍σ的年为西南地区春季降水的典型异常年, 分别得到典型多雨年8 a(1973、1974、1978、1981、1990、2001、2002和2004年)；典型少雨年8 a(1963、1969、1979、1986、1987、1988、1991和1995年)。接下来对降水异常典型年份的有关气象要素进行合成差值分析(除特别说明, 均为降水偏多年减去偏少年)。
4.1 水汽输送异常能否产生降水尤其是大范围强降水, 这与是否存在充足水汽向相关区域输送密切相连。蒋兴文等(2007)、李永华等(2010a)指出, 影响西南地区降水的水汽主要来源于青藏高原、孟加拉湾及中国南海地区, 且由于大气中的水汽含量大值区集中在850—700 hPa(李秀珍等, 2010), 同时考虑到西南地区的地势高度, 因此仅对与西南地区同异常降水相联系的700 hPa及整层的水汽通量和水汽通量散度进行分析。在计算整层水汽通量时考虑到大气中的水汽含量及水汽输送主要位于300 hPa以下(Zhou, 2003), 水汽通量的积分仅从地表(ps)计算至高空300 hPa。
从东亚地区对流层低层700 hPa(图 4a)及整层大气积分(图 4b)水汽通量、水汽通量散度的合成差值上可见, 在青藏高原南侧中南半岛西北部以及西北太平洋上空均存在异常的气旋式环流, 前者的存在加强了春季常年位于孟加拉湾地区的南支槽前西南气流, 从而有利于将低纬度热带地区的暖湿气流向西南内陆地区输送。位于西北太平洋上空的异常气旋则减弱了副高北侧的水汽输送作用, 阻塞了南方水汽向中国东部地区的输送, 而当地上空亦为水汽通量的辐散区, 于是中国东部水汽通道作用的减弱反而促进了来源于热带海洋上空的水汽在西南地区的堆积, 与此同时, 在整层大气的水汽通量上还观察到中高纬度的偏北气流携带北方水汽向南输送, 驱动北方中低层大气中的冷空气南下渗透, 此时两个异常气旋间的区域成为两股暖湿气流的交汇地带, 为西南地区降水的产生提供了有利条件。而该水汽输送的异常形势与华南地区的降水亦有密切联系(常越等, 2006)。从水汽通量散度的异常分布上亦可看到, 除四川东北及重庆北部的部分区域外, 西南地区大部分区域均存在显著的水汽通量辐合。700 hPa与整层大气中的水汽通量辐合中心均位于贵州西部, 其中700 hPa等压面上辐合中心的水汽通量散度大小为-1.75×10-6g/(cm2·hPa·s), 整层水汽通量散度则达到-0.04 g/(cm2·hPa·s)。
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| 图 4 东亚地区春季700 hPa(a，虚线为地形)与整层大气(b)水汽通量(箭矢，加粗箭头表示通过95%显著性t检验)及水汽通量散度(色阶，其中700 hPa上已人为放大106倍，打点区域表示通过95%显著性t检验)的合成差值 Figure 4 Composite differences in vapor flux (vectors) as well as the divergence of the flux (shaded) at 700 hPa (a, divergence of the flux multiplied by 106) and vertically integrated water vapor flux from the surface up to 300 hPa (b). The thick vectors and dotted areas are respectively for the water vapor flux as well as it's divergence significant at and above the 0.05 significance level using a t-test |
异常的降水与水汽输送往往同异常的水平环流及天气系统相联系, 如南支槽、热低压、西风带北支高压脊以及热带大气中的马登-朱利安振荡(MJO)等均是影响中国西南地区春季降水的重要天气系统(王斌等, 2010；吕俊梅等, 2012；杨静等, 2013；张永莉等, 2014；Fan et al, 2015)。为分析西南地区春季降水异常时期的大气环流异常背景, 将对流层不同层次的东亚地区春季风场的辐散分量与旋转分量、散度、垂直速度以及海平面气压等有关气象要素进行了合成差值分析(图 5)。
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| 图 5 海平面气压(等值线，单位：hPa，红色虚线表示负值，蓝色实线表示正值，红色粗线为0值；交叉斜线区域为海平面气压通过95%显著性t检验的区域)、500 hPa垂直速度(色阶)(a)及700 hPa风场(b，粗虚线表示地形高于3000 m的区域)、200 hPa风场(c)的合成差值(b，c中矢线为辐散风，流线为旋转风；色阶为散度，交叉斜线区域表示通过95%显著性t检验) Figure 5 Composite differences in sea level pressure anomalies (contours, the zero contour line is bolded, uints:hPa) and vertical velocity at 500 hPa (shaded) in (a), the rotational (streamlines) and divergent (arrows) components of wind as well as wind divergence (shaded) at 700 hPa (b, thick dotted lines for the 3000m topography) and at 200hPa (c). The cross-hatched areas are forvalues of divergence significant at and above the 0.05 significance level using a t-test |
海平面气压的合成差值(图 5a)显示, 包括西南地区在内的中国中西部地区为海平面气压的正异常, 正值中心位于青海东南部与四川交界地带, 中心值超过了2.5 hPa, 而除中国中西部以外其余地区均呈现为海平面气压的负异常, 而在青藏高原东南侧及日本海上空分别存在两个低于-1 hPa的显著负异常中心。同多年平均的东亚春季海平面气压场(图略)分布相比可知, 该种异常形势使得位于阿留申群岛东侧的低压强度均有所增强, 蒙古的冷高压位置南移, 且海陆间气压梯度增大, 使得北方冷空气活动强度及频率增大, 路径较往常偏南, 西南地区能更多地受到由北方扩散而下的冷空气影响, 从而有利于当地降水的产生(陶云等, 2014)。对流层中层500 hPa垂直速度上, 包括西南地区在内的中国西部及中南半岛均处于明显的异常强上升气流控制区域。
从700 hPa风场(图 5b)可见, 在15°—30°N的副热带地区存在一个异常气旋式环流波列, 3个气旋中心分别位于印度西部、中南半岛及菲律宾岛北岸, 3个气旋北侧的偏东气流形成了一条从西北太平洋经中国南方地区延伸至北印度洋的异常偏东气流, 青藏高原北侧的异常反气旋东南侧的偏北气流与其在西南地区上空交汇形成显著的辐合中心。位于中南半岛的异常气旋东南部的偏南气流则将孟加拉湾、中国南海地区洋面上空的暖湿气流向中国内陆输送, 为西南地区的降水提供充足的水汽, 同时, 西北太平洋上空异常气旋西北侧的东北气流对西南地区向外的水汽输送形成了阻挡作用, 从而造成水汽在西南地区上空汇集, 而在中国东部地区形成异常的辐散区, 中国西南地区上空700 hPa存在的辐合中心以及500 hPa上的异常上升运动同样表明水汽在当地具有明显的辐合及抬升过程, 促进当地降水的形成。此外, 在700 hPa, 中国南海上空以及西太平洋上空仍存在显著的辐合中心, 周边大气中有气流向上述两个区域及中国西南地区上空辐合。
在对流层高层(200 hPa, 图 5c), 热带海洋性大陆区域上空存在明显的辐散中心, 而在西亚帕米尔高原及中国北方存在较强的辐合, 气流从热带海洋性大陆区域向外辐散, 在帕米尔高原及中国北方辐合下沉, 补充低层流失的大气。同时, 中国西南地区上方为较强的辐散区, 抽吸作用使得当地低层大气产生较强的辐合上升运动, 配合充足的水汽供应, 为西南地区降水的形成提供了充足的动力条件。此外, 在中国地区上空存在较强的气旋式异常环流, 其东西两侧分别存在反气旋式异常环流。该异常环流波列的出现可能与热带地区强烈的辐合上升运动带来的涡度源强迫有关(Gill, 1980; Sardeshmukh et al, 1988; Rodwell et al, 1996)。
4.3 异常垂直环流为分析西南地区产生异常降水及水汽输送的垂直环流原因, 给出了西南地区主体所在区域(25°—30°N, 100°—110°E)的垂直剖面环流特征。从25°—30°N平均的纬向环流合成差值(图 6a)可见, 在110°E附近的高空(400 hPa)大气中存在异常的环流圈, 西南地区东部上空中低层大气位于异常环流圈中心下部, 受其低层异常偏东下沉气流影响较大, 偏东气流随地形抬升, 使得西南地区西部的大部分地区为明显的异常上升气流控制, 垂直速度中心位于102°E上空对流层中层500 hPa附近, 中心值达到-2.5×10-2 Pa/s。此外, 100°—110°E平均的经向环流合成差值(图 6b)显示, 西南地区存在明显偏北风异常和上升运动异常, 上升运动中心位于对流层中层(500—400 hPa), 且一直向上延伸至高层100 hPa, 西南地区南侧还出现明显的偏南暖湿气流。与多年平均(图略)相比可知, 在西南地区春季降水偏多的年, 由于西北太平洋及中南半岛上空异常气旋式环流的存在, 受到东侧来源于太平洋与中南半岛的水汽输送以及北方冷空气活动的共同影响, 西南地区上空整个对流层受原本就存在的上升气流得到加强, 伴随冷暖空气的相互作用, 有利于当地降水的形成。
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| 图 6 中国西南地区典型涝、旱年春季25°—30°N平均的纬向环流(a)及100°—110°E平均的经向环流(b)垂直剖面的合成差值(流线为异常垂直环流，阴影为ω，其量级已放大100倍，单位：10-2 Pa/s，红色虚线为ω通过95%显著性t检验的区域，黑色虚线表示地形，红色方框为西南地区) Figure 6 Composite differences in zonal circulation (stream) averaged from 25°-30°N (a) and meridional circulation (stream) averaged from 100°-110°E (b) (Shaded are for vertical velocity (multiplied by 100) and the red dashed lines indicate the values are significant at and above the 0.05 confidence level using a t-test, and double black dotted lines indicate the topography. The red rectangular boxes denote the study region of Southwest China) |
曾有研究(段长春等, 2007；夏阳等, 2015)指出, 影响云贵高原晚秋前冬及汛期降水的环流系统异常可能与热带强迫源激发大尺度准定常波的传播有关。那北半球中高纬度西风带中罗斯贝波列的传播对欧亚地区异常环流形势的产生与维持所具有的作用又是怎样的呢？下文给出了不同对流层高度(700、500和200 hPa)上西南地区典型旱涝年位势高度的合成差值以及T-N通量(Takaya et al, 1997, 2001)(图 7)。
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| 图 7 700 hPa(a)、500 hPa(b)、200 hPa(c)位势高度平均场(黑色实线)与合成差值场(阴影为位势高度异常，细虚线为0线；交叉斜线区域表示通过95%显著性t检验；矢线为T-N通量；粗虚线为纬向风0线) Figure 7 Climatology of geopotential height (contours) along with the composite difference in geopotential height anomalies (shaded), and corresponding T-N wave activity fluxes (arrows) at 700 hPa (a), 500 hPa (b), and 200 hPa (c). The cross-hatched areas show values of geopotential height anomalies significant at and above the 0.05 significance level using a t-test |
从对流层低层700 hPa位势高度场的合成差值场(图 7a)可见, 西欧沿岸及中亚至白令海峡一带为位势高度的正异常区, 而在乌拉尔山地区及南亚至西北太平洋一带为位势高度的显著负异常。与气候态的春季位势高度相比可知, 东亚大槽的强度有所减弱, 位置偏南, 位于青藏高原北侧的高压脊有所增强, 且向东倾斜, 东亚地区上空经向环流增大, 偏北气流活动旺盛。此外, 在西欧沿岸的对流层低层, 有较强的波作用量通量沿北支西风气流向东传播至东亚地区附近, 能量在乌拉尔山地区及东亚地区上空辐合, 产生并维持当地上空的位势高度异常。
在对流层中高层(图 7b、c)亦观察到与低层相类似的分布, 即位势高度异常在欧亚大陆中高纬度地区呈现出“+-+-”的分布型, 表明位于上述地区的位势高度扰动在垂直方向上均为深厚系统。在T-N通量的传播上, 200 hPa与对流层中低层的路径有所不同, 波扰动能量虽均来自于西欧沿岸及地中海地区, 但能明显地观察到其分为南、北两支分别沿中高纬度及副热带西风急流向下游地区频散, 其中南支能量在中国地区上空辐合堆积, 维持当地对流层高层位势高度的负异常中心。此外, 对流层中低层的南支波作用量通量并没有高层明显, 此可能与青藏高原大地形的阻挡作用有关。
5 中国西南地区春季降水与前期青藏高原热力作用的关系拥有“世界第三极”之称的青藏高原在影响亚洲乃至世界的气候格局分布方面扮演重要角色。下文采用1月青藏高原地面加热场距平指数来表征青藏高原前期冬季的加热作用, 并给出了1961—2013年1月的青藏高原地面加热场强度距平指数时间序列及其与西南地区春季降水的相关(图 8), 试图探索前期青藏高原主体的加热作用与西南地区的降水的可能关系。
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| 图 8 1961—2013年1月青藏高原地面加热场距平指数时间序列(a，粗实线表示地面加热场距平指数，虚线为长期线性趋势，点虚线为11 a滑动平均，单位：W/m2)及其与中国西南地区春季降水的相关(b，深、浅色阴影分别表示通过95%、90%显著性检验) Figure 8 Time-series of the surface heating anomaly index on the Tibetan Plateauin in January from 1961 to 2013(a) with the thick line for the index and the dotted line for the linear trend and the pecked line for 11-year-running-mean. The correlation between the heating anomaly index and spring rainfall over Southwest China is shown in (b), in which areas shaded in dark (shallow) grey are for values at and above the 0.05(0.1) level of confidence using a t-test |
由图 8a可见, 1月的加热场距平指数具有明显的年(代)际波动, 近53年来, 最高值出现在2012年, 达到了15.99 W/m2, 最低值为2001年的-17.02 W/m2。其中, 1月青藏高原地面加热场强度在前40年间逐渐减弱, 直到2001年达到极低值, 这也与李栋梁(2006)针对冬季青藏高原地面加热场强度变化的研究结论一致。尽管从长期线性趋势上来看, 近53年的指数具有明显的下降趋势, 但自2001年以来, 该指数开始出现明显的上升, 近10年的趋势系数甚至超过了20 W/(m2·10 a), 青藏高原地面加热场强度上升明显。
为探究前期青藏高原加热作用与西南地区降水的关系, 将1月青藏高原地面加热场距平指数同西南地区当年春季降水进行了相关分析(图 8b)。由图可见, 在西南地区西部与南部的广大地区为负相关, 负相关中心主要位于云南中部、西北部地区, 该区域相关系数超过-0.3, 通过了95%的显著性检验。而在包括贵州、重庆、四川东北部在内的地区为正相关区域, 正相关中心位于重庆东部, 相关系数中心值超过0.25, 通过了90%的显著性检验。由此可知, 与西南地区主模态降水为全区域一致的分布特征不同, 青藏高原前期地面加热场与西南地区降水的关系整体上表现为东北—西南反位相的分布特征, 即当青藏高原地面加热场偏强时, 西南地区的西部及南部易出现降水异常偏少, 而中部及东北部则易出现降水异常偏多, 反之亦然。因此, 前期1月青藏高原地面加热场的异常变化, 可以作为西南地区后期春季旱涝异常的一个前兆信号, 但为何会形成西南地区异常降水东北—西南反位相的分布特征值得进一步的关注。
6 结论与讨论对中国西南地区的春季降水时空分布特征进行了分析, 并从动力作用的角度出发, 研究了西南地区春季降水异常时的环流背景, 得到以下结论：
(1)西南地区春季降水呈西北向东南逐渐增多。降水低值区与高值区分别位于高海拔山区与广西东部。此外, 在四川盆地及云南的西部边缘地带出现了降水的次高值区域。
(2)西南地区春季降水经验正交函数分解第1模态解释了总方差的20.6%, 其空间型呈现为西南地区全区域一致的分布特征。西南地区春季降水主模态在近53年来呈逐渐增多的趋势, 但并不显著；此外, 其还具明显的年(代)际变化特征, 变化周期以2.5—3.5 a及准5 a为主。
(3)西南地区春季降水异常的形成与对流层中低层副热带地区强烈的异常气旋式环流波列有关。存在于副热带地区的3个异常气旋北侧偏东气流带与位于中南半岛地区异常气旋东南部的偏南气流相配合, 将海洋上空的水汽向西南地区输送, 并沿地形向上抬升, 在西南地区东侧对流层中低层产生异常的纬圈环流, 加强当地上空原本就强盛的上升运动。同时, 异常偏南的蒙古冷高压造成中高纬度地区中低层大气中的冷空气活动强度及频率增大, 使得西南地区更多地受到北方冷空气南下的渗透影响, 从而有利于冷暖空气在西南地区交汇, 促进当地降水的形成。此外, 西南地区、热带地区的异常辐合/辐散运动造成的位涡扰动能量与中高纬度波扰能量下欧亚大陆下游地区的频散及辐合, 对维持对流层位势高度的异常扰动具有重要作用, 亦为对流层中低层的环流异常提供了能量来源。
(4)冬季1月的青藏高原地面加热场可作为预测后期西南地区春季降水异常变化的一个前期信号。当青藏高原地面加热作用偏强(弱)时, 西南地区的西部及南部易出现降水的异常偏少(多), 而中部及东北部则易出现降水的异常偏多(少)。
以前的研究(叶笃正等, 1957；Yeh et al, 1983；张顺利等, 2001)表明, 陆面过程具有数月的记忆, 且青藏高原的感热作用能够通过季尺度低频波的传播影响到下游地区后期时段的气候特征。但前期青藏高原的热力分布与后期春季西南地区降水异常之间如何通过季节尺度的低频传播引发大气环流的响应从而产生联系, 是否与冬季青藏高原热力作用的异常影响到亚洲冬夏季风的季节转变进程有关, 以及为何造成西南地区异常降水的东—西反位相分布还需要进一步的分析。
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