西北地區(qū)水汽輸送特征及其年際、年代際變化*

張雪梅，江志紅，蘭博文

(1.哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱150080;2.南京信息工程大學(xué)/氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044)

0 引言

中國西北是全球同緯度最干旱的地區(qū)之一。董安祥等［1］研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)干旱主要是春旱，其次為初夏旱、伏旱，秋冬連旱也會出現(xiàn)。一個地區(qū)降水量的多寡不但和該地區(qū)的地理位置有關(guān)，也和大尺度環(huán)流背景下的水汽輸送特征密切相連。水汽輸送及其輻合的變化直接影響到旱澇的發(fā)生。水汽輸送季節(jié)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時段、關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵征兆對于跨季度預(yù)報至關(guān)重要。

以往的研究多集中在對于西北地區(qū)或西北局部地區(qū)年平均或季節(jié)平均水汽輸送特征的研究［2－5］，對于候平均水汽輸送特征研究較少;而且，由于以往觀測資料缺乏等原因，計算大氣整層水汽輸送時，多忽略了地面氣壓的變化，統(tǒng)一規(guī)定為1 000 hPa，這樣對于地形比較復(fù)雜的西北地區(qū)而言，研究結(jié)果肯定會有很大的誤差;另外，對西北地區(qū)降水異常的7個關(guān)鍵地區(qū)水汽輸送特征的研究更是少見。因此，本文將對西北地區(qū)降水異常的7個關(guān)鍵地區(qū)候平均水汽輸送特征及其年際、年代際變化特征等進(jìn)行分析，以期為防災(zāi)減災(zāi)措施的制定和短期氣候預(yù)測提供氣候背景，為促進(jìn)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

1 資料

1950－2002年NCAR/NCEP再分析逐日平均資料，包括高空水平緯向風(fēng)uwnd、經(jīng)向風(fēng)vwnd、比濕shum，地表面氣壓pres。其中uwnd、vwnd場在垂直方向有17層(1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa)，單位為m·s－1;shum場在垂直方向有8層(1 000～300 hPa)，單位為kg/kg;pres的單位為Pa;各資料場的水平精度均為2.5°×2.5°。

2 資料處理方法

在P坐標(biāo)系中，單位時間通過垂直于風(fēng)向的，底為單位長度，高為整層大氣柱的面積上的總的水汽通量Q(垂直積分的水汽通量)的計算方式［6－11］如下:

緯向水汽輸送通量:

經(jīng)向水汽輸送通量:

式中:Qλ和Qφ的單位為kg·m－1·s－1;ps為地表面氣壓;p取300 hPa;g為重力加速度。公式中變量與NCEP/NCAR逐日平均再分析資料的對應(yīng)關(guān)系是:u對應(yīng)uwnd，v對應(yīng)vwnd，q對應(yīng)shum，ps對應(yīng)pres/100(單位由Pa換算成hPa)，dp對應(yīng)1 000、925、850、700、600、500、400、300 hPa的位勢高度間隔。整層積分時，地形以下等壓面的值不作累加，由地形以上最接近的標(biāo)準(zhǔn)等壓面開始積分至300 hPa高度，如某一地形的地表面氣壓低于300 hPa，則該地形處地表面氣壓低于300 hPa的格點(diǎn)的水汽輸送通量為0。

3 水汽輸送推進(jìn)過程的氣候特征

王寶鑒等［12］選取中國西北五省(區(qū))(陜、甘、寧、青、新)168個測站1961－2000年6－9月月降水，運(yùn)用EOF、REOF方法對西北區(qū)6－9月降水量場進(jìn)行分析，得到降水量的7個主要空間異常氣候區(qū)，即渭水流域中上游區(qū)、河西走廊區(qū)、高原東北側(cè)區(qū)、北疆區(qū)、高原區(qū)、陜南區(qū)和南疆區(qū)，這是我國西北地區(qū)降水異常的7個關(guān)鍵地區(qū)。本章將重點(diǎn)討論這7個關(guān)鍵區(qū)各候的水汽輸送通量特征。由于水汽輸送通量場是格點(diǎn)資料，因此本文選取的7個關(guān)鍵區(qū)的范圍略有調(diào)整(圖1)。

圖17 個關(guān)鍵區(qū)分布圖

3.1 各候水汽輸送的空間分布

取72.5°～112.5°E、30°～50°N范圍內(nèi)的逐候多年平均水汽輸送通量，來分析我國西北地區(qū)逐候水汽輸送的空間分布特征，如圖2所示:第1候(1月第1候)至第10候(2月第4候)，西北地區(qū)沒有明顯的水汽輸送;第11候(2月第5候)至第15候(3月第3候)，弱的偏西風(fēng)水汽輸送一直維持在陜南;第16候(3月第4候)，偏西風(fēng)水汽輸送進(jìn)入高原東北側(cè)東部，而陜南轉(zhuǎn)為西南風(fēng)水汽輸送;第21候(4月第3候)，北疆和河西走廊的偏西風(fēng)水汽輸送開始建立;第27候(5月第3候)，西南風(fēng)水汽輸送進(jìn)入渭水流域中上游;直至第36候(6月第6候)，偏西風(fēng)和西南風(fēng)水汽輸送同時加強(qiáng)，大值區(qū)分別位于北疆中部、河西走廊北部和陜南，而且西南風(fēng)水汽輸送進(jìn)入高原東北側(cè);第42候(7月第6候)，陜南的西南風(fēng)水汽輸送開始減弱;第45候(8月第3候)，北疆和河西走廊的偏西風(fēng)水汽輸送也開始減弱;第49候(9月第1候)，河西走廊的偏西風(fēng)水汽輸送帶開始北移，西南風(fēng)水汽輸送與偏西風(fēng)水汽輸送在陜南和高原東北側(cè)東部交匯，致使該處的水汽輸送再次加強(qiáng)，而且偏西風(fēng)水汽輸送出現(xiàn)在高原東北側(cè)西部，這種狀況一直維持到第55候(10月第1候);第56候(10月第2候)，高原東北側(cè)西部偏西風(fēng)水汽輸送消失，高原東北側(cè)東部的水汽輸送減弱;第63候(11月第3候)，北疆和河西走廊的偏西風(fēng)水汽輸送帶消失，高原東北側(cè)東部和陜南還有弱的偏西風(fēng)水汽輸送;第68候(12月第2候)，高原東北側(cè)東部和陜南的偏西風(fēng)水汽輸送也消失，直至第72候(12月第6候)。

3.2 偏西風(fēng)和西南風(fēng)水汽輸送推進(jìn)與撤退的時間演變

通過上一節(jié)的討論發(fā)現(xiàn)，北疆和河西走廊為偏西風(fēng)水汽輸送，渭水流域中上游、高原東北側(cè)東部和陜南為偏西風(fēng)和西南風(fēng)水汽輸送共同作用區(qū)域。圖3描繪了102.5°～110°E偏西風(fēng)和西南風(fēng)水汽輸送建立與消失的時間特征，圖中等值線所圍的區(qū)域?yàn)槠巷L(fēng)水汽輸送，陰影部分為偏西風(fēng)水汽輸送。下面以圖中連續(xù)的0.3 kg·m－1·s－1的水汽輸送線作為偏南風(fēng)水汽輸送特征線和0.5 kg·m－1·s－1的水汽輸送線作為偏西風(fēng)水汽輸送特征線來對其特征進(jìn)行討論。

第21候(4月第3候)，高原東北側(cè)的偏西風(fēng)水汽輸送平均值加大，結(jié)合圖2可以看出，水汽輸送強(qiáng)度并沒有加強(qiáng)，說明面積西擴(kuò)了;第26候(5月第2候)，渭水流域中上游和陜南的西南風(fēng)水汽輸送開始加強(qiáng)，但是西風(fēng)分量大于南風(fēng)分量;第33候(6月第3候)，偏南風(fēng)水汽輸送特征線在渭水流域中上游和陜南出現(xiàn)，說明南風(fēng)分量開始加大，并迂回向北延伸;第40候(7月第4候)，偏西風(fēng)水汽輸送特征線快速北移至陜北，同時偏南風(fēng)水汽輸送特征線也快速北移至陜北，并于第43候(8月第1候)到達(dá)38°N附近的北界，說明此時高原東北側(cè)大部分區(qū)域盛行西南風(fēng)水汽輸送;隨后兩條特征線均快速南撤，偏西風(fēng)水汽輸送特征線于第48候(8月第6候)撤至南界，偏南風(fēng)水汽輸送特征線于第59候(10月第5候)撤至南界并消失，說明渭水流域中上游和陜南的西南風(fēng)水汽輸送逐漸減弱，并被偏西風(fēng)水汽輸送所取代;第65候(11月第5候)，偏西風(fēng)水汽輸送特征線快速消失，轉(zhuǎn)為冬季的形勢。

圖2 1950－2002年西北地區(qū)多年平均逐候整層垂直積分水汽輸送通量分布圖

圖3 西北地區(qū)102.5°～110°E平均逐候多年平均整層垂直積分水汽輸送通量時間—緯度剖面圖

4 年際、年代際變化

圖4a中，渭水流域中上游1950年代后期－1960年代初西南風(fēng)水汽輸送旺盛，尤其是8月中旬－10月上旬;隨后水汽輸送逐漸減弱，到21世紀(jì)初，僅9－10月上旬有水汽輸送大值區(qū)。高原東北側(cè)(圖4b)以偏西風(fēng)水汽輸送為主;1960年代中期以前，水汽輸送每年集中在4－10月中旬，而且1950年代后期－1960年代初期的6月下旬－8月偏西風(fēng)水汽輸送旺盛;1960年代中期－20世紀(jì)末，水汽輸送逐漸減少;到21世紀(jì)初，水汽輸送大值區(qū)幾乎消失。1970年代以前，高原東北側(cè)(圖4c)4月就開始有明顯的偏西風(fēng)水汽輸送了，1950年代中后期－1960年代初期的6月中旬－10月上旬西南風(fēng)水汽輸送旺盛;1970年代以后，水汽輸送維持較弱;20世紀(jì)末期－21世紀(jì)初期，水汽輸送明顯減少。北疆(圖4d)盛行偏西風(fēng)水汽輸送，其年代變化不大，僅于1950年代中后期的7月和1980年代前期的7月末－8月上旬出現(xiàn)強(qiáng)水汽輸送中心;高原(圖4e)和南疆(圖4g)的水汽輸送常年都很弱，高原的偏西風(fēng)水汽輸送大值區(qū)出現(xiàn)在1970年代中期以前的6月中旬－10月上旬，南疆的偏西風(fēng)水汽輸送大值區(qū)出現(xiàn)在1960年代中期以前的4－9月。在我國西北地區(qū)，陜南(圖4f)的水汽輸送遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其它地區(qū)，1950年代后期－1970年代中期的西南風(fēng)水汽輸送較強(qiáng)，尤其是1950年代后期－1960年代初期西南風(fēng)水汽輸送最旺盛;1970年代中期以后，西南風(fēng)水汽輸送減弱，偏西風(fēng)水汽輸送持續(xù)的時間也縮短。

對比7個關(guān)鍵區(qū)的水汽輸送，可以看出，水汽輸送都是在逐漸減弱的，大值區(qū)開始的時間都是在逐漸拖后，結(jié)束的時間變化不大，春季的水汽輸送明顯減少。

圖4 各“關(guān)鍵區(qū)”候平均水汽輸送逐年演變圖

5 結(jié)論

(1)北疆和河西走廊常年為偏西風(fēng)水汽輸送，渭水流域中上游、陜南和高原東北側(cè)偏西風(fēng)和西南風(fēng)水汽輸送交替出現(xiàn)，高原和南疆的水汽輸送常年都很弱;

(2)西南風(fēng)水汽輸送主要集中在6－10月，8月達(dá)到38°N附近的北界;

(3)我國西北地區(qū)水汽輸送在逐漸減弱，大值區(qū)開始的時間在逐漸拖后，結(jié)束的時間變化不大，春季的水汽輸送明顯減少。

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