華北水資源年代際變化及其與全球變暖之間的關(guān)聯(lián)

張書萍 祝從文 周秀驥

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華北水資源年代際變化及其與全球變暖之間的關(guān)聯(lián)

張書萍 祝從文 周秀驥

中國氣象科學(xué)研究院，北京100081

本文利用1951～2011年期間中國臺站資料、東亞地區(qū)的探空資料、NCEP/NCAR和ERA40等大氣再分析資料，通過對水分平衡方程診斷探討了華北地區(qū)過去60年中水資源和可利用降水量的變化特征及其與大尺度環(huán)流變化之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)69%的降水量被蒸發(fā)，可利用降水僅僅為降水量的31%。夏季可利用降水是華北水資源的主要來源，華北夏季可利用降水量在80年代初發(fā)生突變減少，進(jìn)入21世紀(jì)初，伴隨蒸發(fā)量的增加該地區(qū)可利用降水量進(jìn)一步減少。西風(fēng)帶水汽與東亞夏季風(fēng)水汽是華北可利用降水的主要來源。NCAR/NCEP 和EAR40再分析資料的結(jié)果均顯示貝加爾湖一帶的位勢高度偏低和西太平洋高壓的偏強(qiáng)有利于該地區(qū)降水增多。利用探空資料進(jìn)一步證明，蒙古以及貝加爾湖地區(qū)的溫度在對流層低層變暖和位勢高度場的加強(qiáng)導(dǎo)致了過去幾十年華北可利用降水量減少。由于貝加爾湖地區(qū)溫度變化與全球變暖存在密切關(guān)聯(lián)，監(jiān)測該地區(qū)溫度的變化對預(yù)測華北水資源和東亞夏季風(fēng)的長期變化具有重要的意義。

華北水資源 可利用降水 年代際變化 全球變暖

1 引言

中國水資源的變化與東亞季風(fēng)的變化密切相關(guān)。大量的證據(jù)表明，伴隨全球變暖，東亞季風(fēng)發(fā)生了顯著的年代際調(diào)整，與此同時中國水資源在空間分布上也發(fā)生了明顯改變，這一改變不僅加劇了中國南澇北旱的空間格局，也引起了一系列社會和科學(xué)問題并受到各領(lǐng)域的科學(xué)家的廣泛關(guān)注。我國水資源系統(tǒng)對氣候變化的承受能力十分脆弱，多數(shù)河流的徑流對大氣降水變化非常敏感（任國玉等，2008）。水資源的重新分配將對我國農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)、航運(yùn)、水力發(fā)電等其他部門產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。事實(shí)表明，全球變化加劇我國水資源南北不平衡的現(xiàn)狀，華北大部、華東北部和東北東部降水均呈減少趨勢，干旱化嚴(yán)重，觀測顯示海河流域入海流量逐年減少，黃河在20 世紀(jì)90 年代后發(fā)生持續(xù)的嚴(yán)重斷流（葉柏生，2004）。而長江中下游地區(qū)及東南沿海一帶洪澇災(zāi)害出現(xiàn)頻繁，長江流域出現(xiàn)1998年特大洪澇災(zāi)害等（丁一匯和胡國權(quán)，2003）。這些災(zāi)害給人民的生命財產(chǎn)都帶來巨大威脅。中國水資源主要來自東亞夏季風(fēng)降水，而東亞季風(fēng)變異所引起降水的空間分布改變直接導(dǎo)致了水資源空間配置狀態(tài)的變化。華北地區(qū)是我國水資源十分貧乏的地區(qū)之一，夏季降水異常引起該地干旱化的問題一直是氣象學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。研究表明，華北地區(qū)夏季降水在1960年之后發(fā)生了持續(xù)性的減少，并且具有顯著的年際和年代際變率，其轉(zhuǎn)折性的干濕變化發(fā)生在上世紀(jì)70年代末，與 東亞夏季風(fēng)的持續(xù)減弱存在緊密聯(lián)系（黃榮輝 等，1999；周連童和黃榮輝，2003；徐桂玉等，2005；馬柱國和符淙斌，2006；徐康等，2011a；Zhu et al., 2012）。

天然降水中的一部分會通過蒸發(fā)的形式返回到大氣中，剩余的部分通過地表徑流的形式補(bǔ)充地下水。因此，天然降水雖然是水資源主要的補(bǔ)給來源，卻并不能等同于當(dāng)?shù)氐目衫盟Y源。由于蒸發(fā)的水分進(jìn)入大氣之后難以加以利用，因此降水中只有減去蒸發(fā)的部分才是可利用的水資源，也稱可利用降水量。宋正山等（1999）研究了華北的可利用降水量變化，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)年平均的80%左右的降水被蒸發(fā)掉，僅有20% 左右的降水滯留在 土壤、湖泊中或者可以成為河流的徑流中加以利用。研究發(fā)現(xiàn)，近幾十年來華北地區(qū)一方面降水急劇減少，另一方面由于氣溫不斷上升，潛在蒸發(fā)量明顯加大。特別是20世紀(jì)80年代以來，華北地區(qū)持續(xù)干旱導(dǎo)致該地區(qū)的水資源供需矛盾更加嚴(yán)重。

區(qū)域降水的長期變化與大尺度環(huán)流背景下的水汽輸送特征和局地不穩(wěn)定度密切相連。大氣水汽含量的異常和水汽輸送的多寡是造成降水異常的重要因素之一。東亞季風(fēng)區(qū)是全球大氣含水量最高的地區(qū)之一，東亞季風(fēng)在全球大氣水分循環(huán)中起到了重要的作用。研究表明，中國東部地區(qū)夏季降水不僅受到來自低緯熱帶地區(qū)的印度西南季風(fēng)及南海季風(fēng)的影響，還受到西太平洋副熱帶西南季風(fēng)的影響。并且研究發(fā)現(xiàn)降水異常年對應(yīng)的水汽來源和正常年對應(yīng)的水汽來源明顯不同（Zhou and Yu，2005），其中華北降水異常偏多年對應(yīng)中緯度西風(fēng)帶異常輸送與副高西北側(cè)的西南氣流異常輸送在華北上空的輻合（田紅等，2002）。大尺度環(huán)流場在降水異常年中也有明顯的特征，有證據(jù)表明，旱澇過程主要發(fā)生在異常環(huán)流具有明顯持續(xù)性和穩(wěn)定性的時期，特別是干旱，常常是某種狀態(tài)的異常環(huán)流持續(xù)發(fā)展和長期穩(wěn)定的結(jié)果。張慶云等（1999）研究表明，華北降水的年際和年代際變化始于夏季東亞—西太平洋地區(qū)上空500 hPa位勢高度場以及西太平洋副熱帶高壓脊線位置的年際和年代際變化。Wang（2001）揭示了1970年代末對流層溫度和風(fēng)場發(fā)生的轉(zhuǎn)變，在這次轉(zhuǎn)變之后亞洲和非洲的季風(fēng)環(huán)流減弱，降水也發(fā)生了相應(yīng)的變化。郭其蘊(yùn)等（2003）研究了東亞夏季風(fēng)的年代際變率對中國氣候的影響，指出了東亞夏季風(fēng)在1970年代中期發(fā)生了年代際減弱，華北的降水也隨之由多變少。宇如聰（2008）等指出，華北干旱和長江流域多雨的趨勢是東亞對流層高層變冷造成的，變冷與對流層和平流層相互作用相關(guān)。最近的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國夏季降水南澇北旱格局的長期變化與溫室氣體導(dǎo)致的貝加爾湖地區(qū)地表增溫存在密切聯(lián)系（Zhu et al., 2012）。

華北地區(qū)地處東亞夏季風(fēng)的北緣地帶，東亞季風(fēng)水汽對其水資源的變化起著重要的作用。在最近幾十年全球變暖長期變化背景下，華北地區(qū)的可利用水資源發(fā)生了怎樣的變化？導(dǎo)致這種變化的環(huán)流特征是什么？為此，本文首先利用中國臺站觀測的降水和溫度資料，結(jié)合現(xiàn)有的大氣再分析資料和臺站探空資料，通過分析華北地區(qū)空中水資源的垂直分量即降水與蒸發(fā)的變化特征，揭示出華北地區(qū)可利用水資源的變化特征及其與全球變暖之間的關(guān)聯(lián)。

2 資料與方法

本文用到的資料有1951～2011年的NCEP/ NCAR再分析月平均資料（Kalnay et al., 1996）、歐洲數(shù)值預(yù)報中心的大氣再分析資料（Uppala et al., 2005）。兩套資料的水平分辨率為2.5°×2.5°。除此之外，本文還用到了國家信息中心提供的1951～2011年臺站觀測的逐日降水和溫度資料以及亞洲地區(qū)1951～2007年月平均探空資料集。本文利用1971～2000年30年的平均值代表氣候態(tài)特征。顯著性檢驗(yàn)采用檢驗(yàn)方法。

我們利用探空資料計算了大氣的水汽通量。水汽平衡方程表示如下：

緯向和經(jīng)向水汽輸送矢量Q與Q的計算公式分別表示為

, （3）

其中，為該單位氣柱各層大氣的風(fēng)速矢量，和分別為東西風(fēng)和南北風(fēng)分量，是該單位氣柱各層大氣的比濕，為地面氣壓。

整層大氣的水汽輸送通量的散度計算公式表示為

將水汽通量輻合項(xiàng)進(jìn)行離散化，則局地的水汽收支可以通過如下公式計算得出：

（6）

其中，σ為單位面積，分別代表南邊界、北邊界、東邊界、西邊界的格距長度。由于水汽在300 hPa以上含量很小可以忽略，因此在本文中計算和水汽相關(guān)的物理量整層累加值，=300 hPa。

對于較長時間（月、年），較大范圍的平均狀況而言，大氣的局地水汽儲存率非常小，較之其他項(xiàng)要小一個量級，可以忽略不計，因此水汽方程可以簡化為

上式說明了某個地區(qū)某一個季節(jié)或者某一個月內(nèi)的降水主要來源為同季節(jié)時段中流經(jīng)該區(qū)水汽的輻合以及在此地區(qū)的蒸發(fā)而來的水汽的總和。

蒸發(fā)是一個很難估算的分量，由于其在實(shí)際觀測中很難得到，很多學(xué)者都用經(jīng)驗(yàn)公式來估算實(shí)際蒸發(fā)量。研究發(fā)現(xiàn)，高橋浩一郎經(jīng)驗(yàn)公式在干旱與半 干旱地區(qū)對蒸發(fā)的估算較為準(zhǔn)確（宋正山等，1999）。因此，本文采用高橋浩一郎的經(jīng)驗(yàn)公式來計算實(shí)際蒸散發(fā)（高橋浩一郎，1979），公式表示如下：

3 華北氣候和空中水資源的季節(jié)變化特征

為了對華北地區(qū)全區(qū)的水資源的氣候演變特征有一個整體的認(rèn)識，我們首先對華北地區(qū)全區(qū)平均的年平均氣溫、年降水量、年蒸發(fā)量以及年可利用降水量的變化特征進(jìn)行分析討論。本文利用全國722個臺站降水、溫度資料數(shù)據(jù)集，選取的華北地區(qū)范圍及降水站點(diǎn)（見圖1）。其中，華北地區(qū)的范圍定義為（35°～42.5°N，110°～120°E）區(qū)域，利用該區(qū)域平均降水代表華北降水量，計算華北降水量同全國其他站點(diǎn)降水量的相關(guān)，發(fā)現(xiàn)華北降水量的變化同內(nèi)蒙古中東部、東北西部及華北地區(qū)的降水變化為正相關(guān)，相關(guān)性超過顯著性檢驗(yàn)，表明所選范圍降水量變化的一致。

由于可利用水資源為降水量與蒸發(fā)量之差，而蒸發(fā)量又受到溫度變化的影響，因此，對可利用水資源的各分量的研究也至關(guān)重要。圖2表示可利用水資源及其各分量的季節(jié)變化，表1為各個分量季節(jié)平均的統(tǒng)計量。華北地區(qū)全區(qū)氣候的平均狀況是：氣候平均溫度為10.3°C，并具有顯著的夏高冬低的季節(jié)分布特征。平均降水量為552 mm，夏季占全年降水量的65%，為358 mm；隨后依次為秋季101 mm，占全年18%；春季77 mm，占全年14%；冬季降水量最小，為16 mm，僅占全年的3%。顯而易見，華北地區(qū)夏季降水是全年降水量的主要來源。

圖1 華北全區(qū)平均降水量與周邊臺站觀測的降水量的相關(guān)系數(shù)分布。陰影部分為通過95%顯著性檢驗(yàn)

圖2 華北全區(qū)1971～2000年氣候平均（a）溫度、降水量、蒸發(fā)量以及（b）蒸發(fā)系數(shù)和可利用降水系數(shù)逐月變化

表1 1951～2010年華北地區(qū)季節(jié)和年平均降水量（P）、蒸發(fā)量（E）、可利用降水量（P?E）、蒸發(fā)系數(shù)（α）和可利用降水系數(shù)（β）

本文利用蒸發(fā)和可利用降水系數(shù)分別表示大氣蒸發(fā)量和可利用降水相對于大氣降水量的大小。其中，蒸發(fā)系數(shù)定義為：；可利用降水系數(shù)定義為：（宋正山等，1999）。因此，蒸發(fā)愈多，可利用的降水資源愈少。

分析可以發(fā)現(xiàn)：華北地區(qū)區(qū)域平均的蒸發(fā)量總量為379 mm，冬夏季節(jié)差異較大，7月為最大蒸發(fā)月份。從季節(jié)平均來看，其夏季蒸發(fā)量為231 mm，占全年蒸發(fā)總量的61%，其次為秋季73 mm，占全年19%；春季62 mm，占全年16%；冬季蒸發(fā)最小，為13 mm，占全年3%。夏季蒸發(fā)最多，為主要蒸發(fā)季節(jié)。

多年氣候平均來看，華北地區(qū)區(qū)域平均的蒸發(fā)系數(shù)為0.69，可利用降水系數(shù)為0.31，表明華北地區(qū)全年降水量中有69%被蒸發(fā)返還到大氣中，可利用降水量僅為全年降水的31%。因此華北地區(qū)當(dāng)?shù)亟邓康囊欢喟胗糜谡舭l(fā)消耗，而無法被人們使用。而從蒸發(fā)系數(shù)的季節(jié)變化中可以發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)最小的蒸發(fā)系數(shù)發(fā)生在夏季，僅為0.65，冬季、春季反而較高，最高為0.81。這一數(shù)據(jù)表明，夏季降水較多，伴隨的蒸發(fā)量也較高，但是對可利用降水的影響卻是最小。相反，在春、秋季雖然是蒸發(fā)總量不高的季節(jié)，但是蒸發(fā)的影響反而更大。也就是說：降水少的季節(jié)，蒸發(fā)的損失也就大。華北地區(qū)地面蒸發(fā)這一特征恰好加劇水資源的供需矛盾，特別是當(dāng)?shù)卮杭菊钱?dāng)?shù)啬敛莘登?、作物生長的時節(jié)，春灌等農(nóng)事活動又非常需要水資源，較大的蒸發(fā)量引發(fā)可利用降水減少，引起更加嚴(yán)重的干旱災(zāi)害（宋正山等，1999）。

由上可知，蒸發(fā)量損失占當(dāng)?shù)亟邓恐械谋壤龢O大，單憑當(dāng)?shù)亟邓縼砻枋鋈A北水資源的整體變化并不十分恰當(dāng)。本文用可利用降水量表示華北水資源的變化，可利用降水量為降水與蒸發(fā)之差計算得到，在水分平衡公式（公式7）中，可利用降水量代表水資源的垂直分量，其變化特征具有很大的研究價值。分析發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)的全區(qū)年平均可利用降水量為173 mm，其中夏季可利用降水量占全年的73%；依次為秋季、春季分別占全年的16%與9%；冬季最小，可利用降水量僅有3 mm，占全年的2%。由此可見，受到蒸發(fā)的影響，華北地區(qū)的可利用降水進(jìn)一步集中在夏季，夏季可利用降水量已成為華北地區(qū)水資源的主要來源。然而，伴隨全球變暖和東亞夏季風(fēng)的持續(xù)減弱，華北夏季潛在蒸發(fā)量不斷增加，與之相反的是華北夏季降水量持續(xù)減少，這一反向變化直接導(dǎo)致華北地區(qū)可利用降水量進(jìn)一步減少，也使得水資源不平衡狀況更加明顯。

我們注意到，華北全區(qū)降水量、蒸發(fā)量以及可利用降水量的區(qū)域分布并不一致。由于夏季可利用降水是華北地區(qū)可利用降水量的主要來源，因此本文重點(diǎn)分析夏季的可利用水資源分布特征。圖3表示的是華北地區(qū)多年平均夏季蒸發(fā)、降水、可利用降水量以及蒸發(fā)系數(shù)等分量的區(qū)域分布特征。如圖所示，華北地區(qū)夏季降水明顯具有西北—東南的階梯分布特征，其分布的水平梯度并不均勻，東南部梯度大，西北部梯度小，但是在京津唐地區(qū)卻有一個小的高值中心。華北地區(qū)夏季蒸發(fā)的分布特征同降水相似，但緯向分布性比降水量區(qū)域分布均勻，這同蒸發(fā)量是選取經(jīng)驗(yàn)公式計算值有關(guān)，因此同實(shí)際情況必然存在一定誤差。華北可利用降水量也顯示出東南—西北遞減的分布形式，同降水量的分布比較一致，表明華北東南地區(qū)的蒸發(fā)雖然較多，但是其降水量也同樣偏多，可利用降水量相對于西北地區(qū)仍然充足。華北西北地區(qū)，特別是內(nèi) 蒙古中部的可利用降水量不足50 mm，蒸發(fā)系數(shù)卻能達(dá)到0.8以上，可利用降水量稀少，水資源十分匱乏。

圖3 華北地區(qū)1971～2010年夏季平均：（a）降水量；（b）蒸發(fā)量；（c）可利用降水量；（d）蒸發(fā)系數(shù)的區(qū)域分布

4 華北氣候和水資源年代際變化特征

眾多研究表明，華北地區(qū)年平均溫度持續(xù)升高，同全球氣候變暖一致，降水量持續(xù)減少，并具有顯著的年代際變化。為了更清楚理解華北地區(qū)的可利用水資源在全球變暖背景下的年代際變化特征，本文分別計算了每10年間各分量的統(tǒng)計平均值，并結(jié)合氣溫、降水、蒸發(fā)以及可利用降水的逐年變化討論華北氣候和空中水資源年代際變化特征。圖4a表示的是華北地區(qū)不同季節(jié)區(qū)域平均氣溫的年代際變化。如圖所示，華北年平均氣溫波動升高，1950～1980年代均低于氣候平均值。然而1990年代，華北氣溫驟然升高，10年平均氣溫升高0.76°C，高于氣候平均值，轉(zhuǎn)為正距平。21世紀(jì)初華北氣溫繼續(xù)攀升，達(dá)到1960年來歷史最高值。M-K突變檢驗(yàn)顯示，華北地區(qū)溫度出現(xiàn)突變升高，突變發(fā)生在1995年左右（圖略）。我們注意到，華北地區(qū)溫度變化在各個季節(jié)表現(xiàn)不盡相同。春季增溫發(fā)生在1980年代，持續(xù)到21世紀(jì)初達(dá)到最大，其升溫幅度為四個季節(jié)中最大。夏季增溫發(fā)生在1990年代，1980年代反而出現(xiàn)氣溫降低趨勢同其他季節(jié)表現(xiàn)不同，似乎有先抑后揚(yáng)的現(xiàn)象。秋季增溫自1960年代起出現(xiàn)，升溫平穩(wěn)緩慢，并無大起大落的現(xiàn)象。冬季華北溫度自1960年代后也持續(xù)平穩(wěn)上升，增幅高于秋季，而在1990年代起增溫明顯。綜上所述，華北地區(qū)全區(qū)年平均溫度逐年升高由春、秋、冬三季貢獻(xiàn)，其中1950～1960年代溫度除春季外各季節(jié)均有一定程度的下降趨勢，溫度變化最大的轉(zhuǎn)折發(fā)生在1980年代。1960年代的增溫，冬季增暖為主要的貢獻(xiàn)，1980～1990年代的增溫為四個季節(jié)同時溫度變暖，冬季增溫幅度最大，其次為夏季、春季、秋季。這次四季同時變化的形勢很可能是一次氣候的突變情況。而在1990年代到21世紀(jì)初的增暖主要是由于春季增暖而引起的，這進(jìn)一步加劇了春季水資源的矛盾需求。

伴隨華北溫度變暖，該地區(qū)的年平均降水量持續(xù)減少，與溫度的變化趨勢恰好相反（見圖4b）。如圖所示，全年平均降水量1950～1970年代均高于氣候平均值，1980年代突然減少轉(zhuǎn)為負(fù)距平，10年平均減少了41.7 mm。伴隨降水量持續(xù)減少，21世紀(jì)初達(dá)到降水量的氣候最低值。M-K突變檢驗(yàn)顯示，華北地區(qū)降水量持續(xù)減少，突變發(fā)生在上世紀(jì)1970年代末和1980年代初。同樣，華北降水變化各個季節(jié)表現(xiàn)不盡相同。春季降水波動變化，并未有較大減少現(xiàn)象，1970年代為降水量最低時期。夏季降水量變化同全年基本一致，1980年代突變減少為負(fù)距平，此后持續(xù)降低，并在21世紀(jì)初進(jìn)一步減少。秋季降水波動減少，趨勢并不明顯。冬季降水量值最小，相對其他季節(jié)變化并不明顯。由此可見，華北地區(qū)全區(qū)夏季降水量逐年減少對年降水的影響至關(guān)重要。從全年降水變化來看，1970年代降水量的減少主要是由于春季降水大幅度減少導(dǎo)致，全年降水在21世紀(jì)初減少主要由于夏季降水大幅度減少的貢獻(xiàn)，而春、秋季降水反而有所增加。

圖4 華北區(qū)域平均的氣候要素每10年距平變化：（a）溫度；（b）降水量；（c）蒸發(fā)量；（d）可利用降水量

蒸發(fā)受到降水量和溫度的共同影響，其年代際變化表現(xiàn)出獨(dú)有的特征（見圖4c）。從10年平均來看，1950年代蒸發(fā)量最高，1960年代發(fā)生急劇減少，1970年代略增，1980年代蒸發(fā)再一次劇減至負(fù)距平，而21世紀(jì)初蒸發(fā)反而增加，同降水量的變化趨勢相反，同溫度變化趨勢相同。除此之外，我們發(fā)現(xiàn)，華北蒸發(fā)變化各個季節(jié)表現(xiàn)不盡相同。春季蒸發(fā)量自1970年代劇減后一直波動增加。夏季蒸發(fā)量波動減少，而在21世紀(jì)初不降反增。秋季蒸發(fā)在1950～1970年代高于氣候平均值，1980年代劇減9 mm，低于氣候平均值，隨后又持續(xù)增加，21世紀(jì)初達(dá)到正距平。冬季蒸發(fā)波動變化，21世紀(jì)略有增加轉(zhuǎn)為正距平。由此可見，蒸發(fā)量的量值小于降水量，其變化趨勢同降水量有相似之處，但是并非完全一致。由于夏、秋、冬季蒸發(fā)的共同減少導(dǎo)致了蒸發(fā)量在1980年代的大幅度減少，但是同時期的春季蒸發(fā)卻有增多的趨勢。在21世紀(jì)初，蒸發(fā)量具有顯著增多的變化，同降水量的變化趨勢相反，這一增多趨勢在四個季節(jié)均有體現(xiàn)，最大的增多貢獻(xiàn)是春季的蒸發(fā)量的增加。蒸發(fā)量的增加會導(dǎo)致可利用降水量進(jìn)一步減少。分析可利用降水的變化可以發(fā)現(xiàn)（圖4d），華北地區(qū) 1950～1960年代增加了14.1 mm，從1960年代開始，可利用降水量持續(xù)減少，分別在1960～1970年代減少了29.4 mm，1970～1980年代減少了33 mm，1990年代至21世紀(jì)初減少了20.7 mm?？衫媒邓康母鱾€季節(jié)的年代際變化趨勢特征同降水量非常一致，并且夏季的可利用降水量的變化幾乎決定了全年的整體變化特征，其他季節(jié)的可利用降水量的貢獻(xiàn)基本可以忽略不計。夏季的可利用降水量從1950年代開始持續(xù)減少，其減少量最大的兩個階段分別是1970～1980年代，減少33.6 mm，以及1990年代至21世紀(jì)初，減少27.6 mm。其他季節(jié)的可利用降水量的年代際變化特征并不明顯。可以看出，華北水資源的嚴(yán)重減少主要是由于其夏季可利用水資源的年代際減少而引起的。

5 影響夏季華北水資源的水汽和環(huán)流特征

從大氣水分平衡公式中可以發(fā)現(xiàn)，空中水資源的垂直分量需要其水平分量的補(bǔ)償。因此，華北地區(qū)夏季可利用降水量與同期水汽輸送有著密切的關(guān)系。為了描述這種關(guān)系，本文利用華北地區(qū)夏季可利用降水量與同期的水汽通量合成矢量進(jìn)行了相關(guān)計算（見圖5）。由于NCEP/NCAR資料顯示上世紀(jì)70年代以前水汽輸送存在異常偏大情況（圖略），本文的資料選取1971～2010年，此處限于ERA-40的資料的長度，下圖相關(guān)選取了兩套資料的共同長度1971～2000年。

圖5a表示的是利用NCEP/NCAR大氣再分析資料計算結(jié)果，圖中發(fā)現(xiàn)同華北地區(qū)夏季可利用降水量相關(guān)的水汽輸送矢量顯著相關(guān)有兩部分：一部分為以蒙古高原為中心的逆時針?biāo)斔屯肯嚓P(guān)系數(shù)，表示當(dāng)華北夏季可利用降水量增加時，蒙古地區(qū)出現(xiàn)一個逆時針?biāo)斔铜h(huán)流，顯著的相關(guān)系數(shù)分布表明西風(fēng)帶水汽從新疆等西北地區(qū)向華北地區(qū)輸送的水汽通量增加；另一部分顯著相關(guān)的地區(qū)是由孟加拉灣北上的水汽，匯合了西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的水汽輸送通量，共同由南向北輸送到華北，同樣對應(yīng)了華北地區(qū)的夏季可利用降水量偏多時期。圖5b表示的是基于ERA-40大氣再分析資料計算結(jié)果，對比NCEP/NCAR資料所得到的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：ERA- 40結(jié)果同樣出現(xiàn)了西風(fēng)帶上從新疆經(jīng)內(nèi)蒙古到達(dá)華北的西風(fēng)帶水汽輸送的高相關(guān)系數(shù)區(qū)，表明華北夏季可利用降水量增大同這一帶狀區(qū)域中的水汽輸送通量增大相關(guān)，但是其在蒙古以北地區(qū)的相關(guān)并不顯著。與NCEP資料比較一致，華北南部出現(xiàn)了由南向北的高水汽輸送相關(guān)區(qū)，但是其孟加拉灣水汽的相關(guān)也沒有NCEP資料計算結(jié)果顯著。

圖5 1971～2000年華北全區(qū)夏季可利用降水量與同期水汽輸送通量相關(guān)系數(shù)矢量：（a）NCEP/NCAR計算結(jié)果；（b）EAR-40計算結(jié)果。陰影為通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

圖6表示的是1971～2010華北夏季可利用降水量與同期大氣環(huán)流之間的相關(guān)系數(shù)。從500 hPa位勢高度的相關(guān)系數(shù)場發(fā)現(xiàn)：顯著的負(fù)相關(guān)中心位于貝加爾湖西南部的蒙古地區(qū)，與之對應(yīng)的為北極地區(qū)以泰梅爾半島為中心的正相關(guān)中心。同時超過顯著性檢驗(yàn)的負(fù)相關(guān)系數(shù)區(qū)覆蓋低緯度的大部分地區(qū)，而在日本南部出現(xiàn)了正相關(guān)中心，但是未通過顯著性檢驗(yàn)。這一相關(guān)分布表明，影響華北地區(qū)最主要的是以蒙古為中心的位勢高度異常，當(dāng)華北地區(qū)水資源增加時，以蒙古地區(qū)為中心的位勢高度偏低。反之，這一帶的位勢高度偏高對應(yīng)同期華北可利用降水量偏少。

圖6 1971～2010華北夏季可利用降水量與同期（a）500hPa位勢高度場、（b）200hPa緯向風(fēng)場、（c）700hPa風(fēng)矢量場、（d）110°E～120°E平均的垂直速度場的相關(guān)系數(shù)。陰影部分為通過顯著性檢驗(yàn)

分析200 hPa緯向風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)場發(fā)現(xiàn)，緯向風(fēng)場表示高空西風(fēng)急流對華北地區(qū)降水的影響，從相關(guān)系數(shù)場中看到，環(huán)貝加爾湖地區(qū)的風(fēng)場表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)，在里海到新疆地區(qū)風(fēng)場表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，這種特征還表現(xiàn)在東北地區(qū)。而在日本南部海域則表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)。從相關(guān)系數(shù)分布可以推斷，當(dāng)華北降水偏多時，位于中國北方地區(qū)的西風(fēng)帶增強(qiáng)，其南邊與北邊的西風(fēng)帶均減弱，對應(yīng)于500 hPa位勢高度場出現(xiàn)的低位勢高度，華北降水偏少時對應(yīng)的緯向風(fēng)場特征與之相反。分析700 hPa風(fēng)矢量場的相關(guān)系數(shù)場發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速相關(guān)矢量場顯示出同位勢高度場一致的特征。即在以貝加爾湖西南為中心的區(qū)域出現(xiàn)逆時針風(fēng)場相關(guān)，表示當(dāng)以貝加爾湖西南為中心的區(qū)域出現(xiàn)逆時針風(fēng)場時候，其攜帶的西風(fēng)帶水汽也向華北地區(qū)輸送增多，夏季華北降水偏多。同時顯著相關(guān)風(fēng)場還包括由南海向北輸送的分量，表明當(dāng)華北可利用降水偏多時，東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，夏季風(fēng)水汽輸送也偏強(qiáng)。華北地區(qū)夏季可利用降水偏少時，風(fēng)場反之。分析華北夏季可利用降水同110°E～120°E平均的垂直速度的相關(guān)系數(shù)場發(fā)現(xiàn)：對應(yīng)華北地區(qū)可利用降水偏多，華北地區(qū)垂直速度場出現(xiàn)整層的垂直上升的增加，同時其南部出現(xiàn)垂直上升減弱。

研究發(fā)現(xiàn)，以貝加爾湖南部為中心的區(qū)域位勢高度異常對華北地區(qū)的降水存在較強(qiáng)的影響（徐康等，2011a，2011b）。因此，我們利用華北可利用降水同垂直的溫度以及環(huán)流特征相關(guān)來研究垂直環(huán)流與華北可利用降水之間的關(guān)系。圖7表示的是基于NCEP/NCAR大氣再分析資料計算的華北可利用降水指數(shù)與110°E～120°E平均的大氣環(huán)流場的相關(guān)系數(shù)，陰影為通過顯著性檢驗(yàn)的部分。分析可以發(fā)現(xiàn)，華北可利用降水同華北及其以北地區(qū)的低層溫度為負(fù)相關(guān)，而在同樣緯度的700 hPa以上高層為正相關(guān)（圖7a），并且這一正相關(guān)區(qū)域隨高度的降低而南偏，在低層覆蓋我國江南地區(qū)。這一特征表明，高緯度溫度變化具有高低層反向變化的特征，高緯度蒙古以及貝加爾湖地區(qū)低層溫度升高，同華北可利用降水變化反向，而在高層溫度降低，同華北可利用降水變化一致。圖7b為同一區(qū)域的位勢高度的相關(guān)關(guān)系，從圖中看到，華北可利用降水同高度場呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)區(qū)域在華北北部地區(qū)從低層到300 hPa層，而在華北當(dāng)?shù)厣峡?00 hPa為中心出現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，表明這一地區(qū)的位勢高度同降水變化相一致，為降低趨勢。圖7c為同緯向風(fēng)場的相關(guān)，從圖中看到，緯向風(fēng)場出現(xiàn)了和位勢高度場相應(yīng)一致的變化，在位勢高度場的最大相關(guān)中心的南、北兩側(cè)，分別出現(xiàn)了西風(fēng)的正相關(guān)與負(fù)相關(guān)區(qū)域，表明當(dāng)華北降水減少，位勢高度升高，在變化的最大中心南部出現(xiàn)緯向風(fēng)的加速，在其北部出現(xiàn)緯向風(fēng)的減弱。圖7d為同經(jīng)向風(fēng)場的相關(guān)關(guān)系，圖中看到，華北可利用降水同經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)關(guān)系從21°N以北全部為負(fù)相關(guān)，并且通過顯著性檢驗(yàn)，表明經(jīng)向風(fēng)由南向北均為減弱趨勢。

圖7 基于NCEP/NCAR大氣再分析資料計算的華北夏季可利用降水與110°E～120°E平均的（a）溫度場、（b）位勢高度場、（c）緯向風(fēng)場、（d）經(jīng)向風(fēng)場相關(guān)的緯度—高度剖面。陰影為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

我們注意到，大氣再分析資料的可靠性一直以來存在爭議（李建等，2010）。為了檢驗(yàn)NCEP/ NCAR資料的準(zhǔn)確性，我們利用中國臺站探空資料進(jìn)行了類似的分析（見圖8）。由于探空資料對風(fēng)速的觀測是在1980年之后，因此風(fēng)場相關(guān)的時段為1980～2007年。如圖8所示，探空資料出現(xiàn)了同NCEP資料幾乎一致的變化，因此，采用NCEP/ NCAR大氣再分析資料所描述的影響華北的環(huán)流和水汽特征具有較高的可信度。

圖8 探空資料計算華北夏季可利用降水與110°E～120°E平均的（a）溫度場、（b）位勢高度場、（c）緯向風(fēng)場、（d）經(jīng)向風(fēng)場相關(guān)的緯度—高度剖面。陰影為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

6 結(jié)論和討論

本文利用1951～2010年中國華北地區(qū)臺站降水、溫度資料、NCEP/NCAR 和ERA-40再分析格點(diǎn)資料等，根據(jù)高橋浩一郎（1979）給出蒸發(fā)計算的經(jīng)驗(yàn)公式，計算和分析了近幾十年華北地區(qū)氣候和水資源年代際變化，揭示了影響華北可利用降水的水汽輸送和環(huán)流變化。主要結(jié)論如下：

（1）華北地區(qū)降水量69%被蒸發(fā)損耗，可利用降水僅占全年降水的31%。近60年以來華北空中水資源表現(xiàn)出明顯的減少趨勢。雖然最近10年該地區(qū)春季以及秋季降水增加，但全年降水依然表現(xiàn)出減少趨勢。華北地區(qū)蒸發(fā)量與降水量變化趨勢基本一致，蒸發(fā)在夏、秋、冬季均表現(xiàn)出顯著 減少趨勢，但1980年代之后春季的蒸發(fā)卻有所增多。進(jìn)入21世紀(jì)，該地區(qū)的大氣蒸發(fā)量顯著增多。其中，春季蒸發(fā)量的增加是對這一趨勢的最大貢獻(xiàn)。

（2）華北夏季可利用降水量基本代表全年可利用降水量的變化特征。夏季及年平均的可利用降水量自1950年代起便持續(xù)減少，減少量最大的兩個階段是70～80年代（減少33.6 mm）以及90年代到21世紀(jì)初（減少27.6 mm）。華北水資源的嚴(yán)重減少主要是由于夏季可利用水資源的年代際減少而引起的。

（3）西風(fēng)帶水汽與東亞夏季風(fēng)水汽是華北可利用降水的主要來源，其中蒙古地區(qū)的東亞高緯度環(huán)流異常對華北夏季降水具有重要的影響。當(dāng)華北地區(qū)可利用降水減少時，以蒙古地區(qū)為中心的位勢高度場異常偏強(qiáng)，西風(fēng)急流在華北地區(qū)減弱，低緯度風(fēng)場出現(xiàn)順時針環(huán)流特征，垂直速度場也出現(xiàn)下沉氣流。反之，當(dāng)該地區(qū)位勢高度異常偏弱時，西風(fēng)急流在華北地區(qū)增強(qiáng)，低緯度風(fēng)場出現(xiàn)逆時針環(huán)流，垂直速度場表現(xiàn)為上升運(yùn)動增強(qiáng)，對應(yīng)同期華北可利用降水量增多。

已有研究表明，蒙古以及貝加爾湖地區(qū)的溫度在低層變暖與全球變暖存在密切關(guān)聯(lián)。我們注意到，該地區(qū)700 hPa以上出現(xiàn)變冷趨勢，且變冷趨勢一致延伸到我國江南地區(qū)。同樣，位勢高度場在蒙古以及貝加爾湖地區(qū)增高，但是在華北上空300 hPa為中心出現(xiàn)位勢高度場的降低。緯向風(fēng)場出現(xiàn)同位勢高度一致的變化，在位勢高度升高中心的南北兩側(cè)分別出現(xiàn)了東風(fēng)異常和西風(fēng)異常，而經(jīng)向風(fēng)表現(xiàn)出南北一致的減弱趨勢。因此，監(jiān)測該地區(qū)溫度的變化對預(yù)測華北水資源和東亞夏季風(fēng)的長期趨勢具有重要的意義。

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Decadal Variability of Water Resources in North China and Its Linkage to Global Warming

ZHANG Shuping, ZHU Congwen, and ZHOU Xiuji

,100081

On the basis of the water budget equation, we discuss the decadal variability of water resources and available precipitation in North China, and address its link to boreal large-scale circulation and global warming between 1951 and 2011. The data sets utilized include monthly station-observed surface air temperature and precipitation, sounding-observed air temperature and geopotential height, and NCEP/NCAR and ERA40 reanalyzed atmospheric components. Our results suggest that annual average evaporation accounts for 69% of the total water resource in contrast to 31% by the available precipitation in North China. Most of North China’s water resources come from the East Asian summer monsoon (EASM) season. The water resources in this region exhibit an obvious decadal decrease around the 1980s, and drops further in the first decade of 21st century with the increase of local evaporation. Analysis suggests that westerly winds and the EASM jointly supply the water resources in North China, and the lower and higher geopotential height (GPH) around Lake Baikal and the western North Pacific may enhance water resources in this region. This is clearly supported by the NCEP/NCAR and ERA40 reanalyzed data sets, but also by the atmospheric sounding over East Asia. Evidence indicates that the global warming-related low-level warming that caused an anomalous anti-cyclone around Lake Baikal resulted in a decrease in water resources in North China. Therefore monitoring the surface air temperature around Lake Baikal may provide a good indicator for long-term forecasting of water resources and the EASM.

Water resource in North China, Available precipitation, Decadal variability, Global warming

1006?9895(2014)05?1005?12

P467

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13231

2013?07?30，2014?01?24 收修定稿

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41221064，中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目Z2010Z001、Z2010Z003、2013Z002，中國科學(xué)院碳專項(xiàng)XDA05090408

張書萍，女，1986年出生，碩士研究生，主要從事氣候變化及東亞季風(fēng)研究。E-mail: zsp_1986@126.com

祝從文，E-mail: tomzhu@cams.cma.gov.cn