青藏高原全區(qū)與東西部各分區(qū)大氣熱源的變化規(guī)律對比

李 超，李躍清，蔣興文

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;2.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都610072)

0 引言

青藏高原因其特殊的地形、動力作用、熱力作用，不僅在高原地區(qū)形成了特殊的天氣氣候系統(tǒng)，而且對中國、東亞甚至北半球的大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生重要影響。正是由于高原大氣熱源作為這種影響機(jī)制中很重要的一部分，因此深入研究青藏高原大氣熱源特征及其變化規(guī)律對了解全球氣候變化規(guī)律和東亞氣候特征具有重要意義。早在20世紀(jì)50年代，葉篤正等[1]就發(fā)現(xiàn)青藏高原冬季是大氣的冷源，夏季是大氣的熱源，并進(jìn)而奠定了青藏高原氣象學(xué)的基礎(chǔ)。趙平等[2]發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)大氣熱源年際變化明顯，其中春季和秋季高原地區(qū)熱量源匯的變率最大，并且水平分布很不均勻。鐘珊珊等[3]指出自1979年后，各季節(jié)高原熱源變化均表現(xiàn)出1990年前后的氣候轉(zhuǎn)變信號。夏季，高原熱源變率表現(xiàn)為南北反位相型，其他季節(jié)為高原的中部東北部與高原東南部反位相型。岑思弦等[4]分析研究了1950～2005年青藏高原大氣熱源氣候特征和變化特征，發(fā)現(xiàn)夏季青藏高原東部大氣熱源的強(qiáng)度明顯較西部大，青藏高原全區(qū)、東部、西部逐年平均的大氣熱源有明顯不同的變化特征。

關(guān)于高原大氣熱源的研究已取得一些卓有成效的成果，由于所選取的原始資料有差別，因此，導(dǎo)致最后的結(jié)論有一些出入，但很多方面都是一致的。文中將運(yùn)用不同的統(tǒng)計(jì)方法分析青藏高原不同分區(qū)熱源的變化規(guī)律、突變、周期等幾個方面的特征。

1 資料選取及處理方法

使用的原始資料是1948年1月至2011年4月的溫度場、比濕場、風(fēng)場、高度場的NCEP月平均再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，再利用‘倒算法’[5－6]計(jì)算得到青藏高原地區(qū)的大氣熱源資料。利用上述大氣熱源原始資料，計(jì)算得到高原全區(qū)(28°N～40°N、75°E～105°E)和東西部各分區(qū)(高原西部 28°N～40°N、75°E～90°E，高原東部 28°N～40°N、90°E～105°E)大氣熱源的時間序列，對比分析對應(yīng)的大氣熱源年際和年代際變化特征，利用統(tǒng)計(jì)方法研究青藏高原大氣熱源不同季節(jié)的空間分布、周期、突變情況。

2 青藏高原大氣熱源年際變化特征和年代際變化特征

利用逐月平均大氣熱源格點(diǎn)資料計(jì)算得到逐年平均的青藏高原地區(qū)以及東西各分區(qū)大氣熱源資料(用面積平均來表示)，分析青藏高原全區(qū)及東西各分區(qū)大氣熱源年際特征(圖1)，可以得出以下結(jié)論。

圖1 青藏高原全區(qū)及東西部各分區(qū)大氣熱源的時間序列

高原全區(qū)及各分區(qū)大氣熱源波動明顯，高原全區(qū)1948～1991年主要表現(xiàn)出熱源的特征，1991～2004年主要表現(xiàn)出熱匯的特征，2004年重新表現(xiàn)出熱源的特征。高原西部地區(qū)大氣熱源的波動比東部地區(qū)大，高原西部地區(qū)1976年前主要表現(xiàn)出熱源特征，1976～2003年主要表現(xiàn)出熱匯特征，2003年重新表現(xiàn)出熱源的特征。高原東部地區(qū)1948～1991年主要表現(xiàn)出熱源的特征，之后熱源熱匯特征交替出現(xiàn)。高原全區(qū)大氣熱源時間序列經(jīng)歷了3次波動性質(zhì)顯著不同的時期，1975年左右以前大氣熱源振蕩較大，1975年左右至1990年左右振蕩相對較小，1990年左右以后大氣熱源振蕩重新變大。東部和西部地區(qū)振蕩的變化區(qū)間與全區(qū)的變化區(qū)間類似，只是位相上有一些差異。

計(jì)算青藏高原全區(qū)和各個分區(qū)大氣熱源累積異常，從中能夠發(fā)現(xiàn)全區(qū)和各個分區(qū)大氣熱源在年代際時間尺度上的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2能夠看出高原全區(qū)大氣熱源從1948～2010年經(jīng)歷了2次較大起伏變化。青藏高原全區(qū)大氣熱源20世紀(jì)70年代以前大氣熱源逐漸增強(qiáng)。20世紀(jì)70年代初到20世紀(jì)90年代初這段時間大氣熱源基本維持不變，20世紀(jì)90年代初以后大氣熱源逐漸減小。將全區(qū)與分區(qū)大氣熱源累積異常曲線對比發(fā)現(xiàn)，起伏變化的起止時間略有不同。高原西部地區(qū)20世紀(jì)70年代中后期以前大氣熱源逐漸增強(qiáng)，20世紀(jì)70年代中后期以后，大氣熱源逐漸減弱。而高原東部地區(qū)20世紀(jì)50年代初到20世紀(jì)60年代初熱源基本維持不變，20世紀(jì)60年代初到20世紀(jì)90年代初熱源逐漸增強(qiáng)，20年代初以后熱源逐漸減弱。

圖2 青藏高原全區(qū)和東西部各分區(qū)大氣熱源累積異常圖

3 青藏高原地區(qū)大氣熱源最大熵譜估計(jì)

最大熵譜的基本思想[7]是以信息論中熵的概念為基礎(chǔ)，選擇這樣一種譜估計(jì)——在外推已知時間序列的自相關(guān)函數(shù)時，其外推原則是使相應(yīng)的序列在未知點(diǎn)上取值的可能性具有最大的不確定性，也就是不對結(jié)果做人為主觀的干預(yù)，因而所得信息最多。最大熵譜估計(jì)是與確定時間序列的參數(shù)模式——自回歸模型有關(guān)的方法，是一種參數(shù)譜估計(jì)。

圖3 最大熵譜密度圖

利用最大熵譜估計(jì)提取1948～2010年青藏高原全區(qū)和各個分區(qū)大氣熱源年際變化時間序列中的周期，將最大熵譜估計(jì)的計(jì)算結(jié)果繪制成最大熵譜密度圖如圖3所示。

從圖3可以看出，高原東部地區(qū)大氣熱源熵譜圖最高峰值對應(yīng)在16年周期上，高原西部地區(qū)大氣熱源熵譜圖最高峰值對應(yīng)在8年周期上，高原全區(qū)大氣熱源熵譜圖最高峰值對應(yīng)在14年周期上。因此，高原全區(qū)和各個分區(qū)大氣熱源變化的周期各不相同。

4 青藏高原東西部地區(qū)大氣熱源時間序列的相關(guān)系數(shù)分析

計(jì)算高原東部地區(qū)和西部地區(qū)大氣熱源時間序列的相關(guān)系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果繪制成圖，如圖4所示。

圖4 高原東西部地區(qū)大氣熱源時間序列的相關(guān)系數(shù)

從圖4看出，1989年相關(guān)系數(shù)經(jīng)歷了一次明顯的正相關(guān)向負(fù)相關(guān)的轉(zhuǎn)變，1989年以前高原東西部地區(qū)大氣熱源以正相關(guān)為主，表明高原東西部地區(qū)大氣熱源變化趨勢相同，在1989年以后高原東西部地區(qū)大氣熱源以負(fù)相關(guān)為主，表明高原東西部地區(qū)大氣熱源變化趨勢相反。1955年、1998年、2004年經(jīng)歷了3次不明顯由負(fù)相關(guān)向正相關(guān)的轉(zhuǎn)變。

5 青藏高原地區(qū)大氣熱源分季節(jié)進(jìn)行REOF分析

分別對各季節(jié)(此處春季默認(rèn)為每年的3月至5月，以后各個季節(jié)依次遞推，冬季默認(rèn)為前一年的12月至來年的2月)進(jìn)行REOF分析，根據(jù)對數(shù)特征值圖確定旋轉(zhuǎn)前6項(xiàng)特征向量，計(jì)算載荷向量矩陣，進(jìn)一步作方差極大正交旋轉(zhuǎn)。第一旋轉(zhuǎn)空間模對總方差的貢獻(xiàn)最大，因此，保留第一旋轉(zhuǎn)空間模及其對應(yīng)的時間系數(shù)(圖5，圖6)，對其進(jìn)行分析。

圖5 高原大氣熱源第一旋轉(zhuǎn)空間模

從圖5看出第一旋轉(zhuǎn)空間模很好地展示了青藏高原地區(qū)各個季節(jié)熱源的分布狀況，不難從中發(fā)現(xiàn)其區(qū)域分布特征明顯。這是青藏高原大氣熱源各個季節(jié)的典型分布結(jié)構(gòu)。

春季，第一旋轉(zhuǎn)空間模表現(xiàn)為高原大部分地區(qū)為正值，高原西部出現(xiàn)明顯的熱源加熱中心，這是由于春季高原西部地區(qū)冰川和積雪開始融化，地表水汽蒸發(fā)，在高層重新凝結(jié)，當(dāng)?shù)卮髿猥@得大量的凝結(jié)潛熱加熱。夏季，大氣熱源中心明顯東移，位于高原東部地區(qū)，熱源強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，這是由于此時正值高原季風(fēng)建立，高原東部地區(qū)開始進(jìn)入雨季，頻繁的對流運(yùn)動給當(dāng)?shù)卮髿鈳泶罅康哪Y(jié)潛熱加熱。秋季，青藏高原地區(qū)東部為負(fù)值，但是并沒有出現(xiàn)閉合的冷源中心。高原西部大氣熱源仍然有加熱作用，這是因?yàn)榇藭r高原地區(qū)大氣環(huán)流處于轉(zhuǎn)換時期，高原東部大氣熱匯(冷源)作用并沒有完全建立。冬季，高原西部出現(xiàn)大氣熱源中心，而高原東部出現(xiàn)冷源中心，冬季整個高原地區(qū)大氣應(yīng)該以表現(xiàn)熱匯作用(冷源作用)為主。但是高原西側(cè)因氣旋性擾動，地形強(qiáng)迫抬升和有利的偏南風(fēng)水汽輸送，造成冬季高原西部降水較之東部多。降水給當(dāng)?shù)卮髿鈳泶罅康哪Y(jié)潛熱加熱。

圖6對時間系數(shù)曲線作5年滑動平均，并將滑動平均后得到的曲線與原始曲線同時繪于同一坐標(biāo)軸上。

圖6 第一模態(tài)對應(yīng)時間系數(shù)變化曲線(空心點(diǎn)對應(yīng)原始時間系數(shù)曲線，實(shí)心點(diǎn)為平滑后的曲線)

從圖6的4個季節(jié)第一空間模對應(yīng)時間系數(shù)曲線以及5年滑動平均，總體上能夠看出這種分布結(jié)構(gòu)的青藏高原大氣熱源具有明顯的年際振蕩和年代際變化特征，而且這種特征在4個季節(jié)均有體現(xiàn)。

春季，大氣熱源總體變化趨勢較為平穩(wěn)。圖中呈現(xiàn)出3個強(qiáng)熱源時期和3個強(qiáng)冷源時期，熱源時期分別在20世紀(jì)60年代中期、20世紀(jì)80年代初到90年代初、21世紀(jì)初。冷源時期分別在20世紀(jì)60年代初、70年代初到80年代初、90年代初到90年代末。夏季，大氣熱源總體上呈現(xiàn)減弱的趨勢。圖中有2個強(qiáng)熱源時期，2個強(qiáng)冷源時期，熱源時期分別在20世紀(jì)70年代初期、80年代初期，冷源時期分別在20世紀(jì)70年代中期，80年代末。秋季，大氣熱源總體上呈上升趨勢，圖中的時間滑動平均曲線反映出這種上升趨勢并不是始終維持的，而是分階段體現(xiàn)出來的。冬季，大氣熱源總體上呈現(xiàn)減弱的趨勢，然而時間滑動平均曲線反映出大氣熱源在20世紀(jì)80年代初到90年代后期經(jīng)歷一次劇烈的起伏。

6 M-K檢驗(yàn)

符淙斌等[13]指出氣候突變現(xiàn)象及其理論的研究是近代氣候?qū)W一個新興的研究領(lǐng)域，其研究內(nèi)容是氣候突變研究評述的第一部分，著重討論了突變，主要是氣候突變的定義和氣候突變信號的各種檢測方法。把氣候突變歸納為4類，即均值突變、變率突變、轉(zhuǎn)折突變和翹翹板突變。文中采用M-K檢驗(yàn)和滑動T檢驗(yàn)來證實(shí)高原地區(qū)大氣熱源時間序列突變的存在與否。

圖7為青藏高原全區(qū)和東西部各個分區(qū)大氣熱源時間序列M-K檢驗(yàn)圖，正序列UF曲線與逆序列UB曲線交點(diǎn)即是突變點(diǎn)，檢驗(yàn)臨界標(biāo)準(zhǔn)值為|α0|＜1.645，即突變點(diǎn)處于這個閾值以內(nèi)表示突變是顯著的。圖7(a)高原全區(qū)大氣熱源在1984年左右發(fā)生突變，說明此時高原全區(qū)大氣由以熱源作用為主變?yōu)橐岳湓?熱匯)作用為主。此外，從正序列UF曲線變化圖中看出，大氣熱源1970年以前維持波動增強(qiáng)的趨勢，1970年以后開始逐漸減弱。圖7(b)高原西部地區(qū)大氣熱源在1976年左右發(fā)生突變，說明此時西部地區(qū)大氣由以熱源作用為主變?yōu)橐岳湓?熱匯)作用為主。同樣從正序列UF曲線變化圖中看出，大氣熱源1963年以前維持波動增強(qiáng)的趨勢，1963年以后開始逐漸減弱。圖7(c)高原東部地區(qū)大氣熱源在1990年左右發(fā)生突變，說明此時東部地區(qū)大氣由以熱源作用為主變?yōu)橐岳湓?熱匯)作用為主。同樣從正序列UF曲線變化圖中看出，大氣熱源1970年以前維持波動增強(qiáng)的趨勢，1970年以后開始逐漸減弱。

圖7 M-K檢驗(yàn)圖(空心點(diǎn)表示UF曲線，實(shí)心點(diǎn)表示UB曲線)

7 結(jié)論

通過上述NCEP再分析資料計(jì)算得到的63年青藏高原地區(qū)大氣熱源的原始數(shù)據(jù)的研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)青藏高原全區(qū)和東西各分區(qū)的大氣熱源均表現(xiàn)出明顯的年際振蕩特征，但是時間序列的振蕩過程中熱源與熱匯轉(zhuǎn)換時間節(jié)點(diǎn)不同，年代際尺度上熱源變化趨勢的起訖時間節(jié)點(diǎn)也不同。

(2)計(jì)算全區(qū)和各分區(qū)大氣熱源發(fā)現(xiàn)，青藏高原全區(qū)大氣熱源存在14年的顯著周期，高原東部地區(qū)大氣熱源存在16年的顯著周期，高原西部地區(qū)大氣熱源存在8年的顯著周期。

(3)青藏高原西部地區(qū)和東部地區(qū)1989年以前，大氣熱源變化趨勢相同，1989年以后，大氣熱源變化趨勢相反。

(4)研究各季節(jié)青藏高原大氣熱源的空間分布發(fā)現(xiàn)，青藏高原全區(qū)大氣熱源各個季節(jié)熱源熱匯分布特征不同，春季西部地區(qū)出現(xiàn)熱源中心，夏季東部地區(qū)出現(xiàn)熱源中心，秋季東部地區(qū)出現(xiàn)熱匯中心，冬季出現(xiàn)西部地區(qū)熱源中心和東部地區(qū)熱匯中心共存。

(5)M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明青藏高原全區(qū)大氣熱源在1984年左右存在顯著的突變，西部地區(qū)大氣熱源1976年左右存在顯著的突變，東部地區(qū)大氣熱源在1990年左右存在顯著的突變。

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