北半球夏季地表潛熱通量時空分布與中國夏季降水之間的關系

顏玉倩， 高慶九， 朱克云， 張 杰

(1.成都信息工程大學大氣科學學院高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川成都610225;2.南京信息工程大學，江蘇南京210044;3.成都軍區(qū)空軍氣象中心，四川成都610041)

0 引言

大氣下墊面的的熱力變化會影響大氣熱源和水汽熱匯進而影響降水，造成天氣、氣候的異常。在眾多地面熱源的研究中，一般都采用潛熱和感熱表征地面的熱力狀況。他們是眾多前期預報、區(qū)域氣候模型的重要輸入參數，也是森林生態(tài)研究、城市綠地生態(tài)效應、農業(yè)生態(tài)研究的良好指標。

丹利等［1］分析全球潛熱通量的時空分布特征采用中國科學院大氣物理研究所(IAP/CAS)含有動態(tài)植被過程的海一陸一氣耦合模式AVIMGOALS并與ERA-40全球再分析潛熱通量場資料進行對比分析，結果表明:AVIM-GO ALS模擬潛熱通量的氣候態(tài)、季節(jié)變化等特征和ERA-40一致，潛熱通量從1～7月是一個從單峰型到雙峰型的轉變過程。潛熱通量的空間分布特征表明，潛熱通量高值區(qū)分布在南半球和北半球低緯地區(qū)，且在7月北半球潛熱通量值有所增大。

學者們普遍認為:中國夏季降水有明顯的年代際變化，在20世紀70年代中期發(fā)生了一次氣候突變［2-5］，1977～2000年長江下游和江淮流域的降水顯著增加，而黃河流域和華北地區(qū)和黃河流域夏季降水顯著減少，出現了嚴重干旱;西北地區(qū)從20世紀70年代降水開始增多。

地面熱力狀況與中國夏季降水的研究比較多［6-8］，李翠華等［9］認為東中國海潛熱通量的正異常會影響華南地區(qū)夏季降水偏多，東北和華北地區(qū)降水偏少;任雪娟等［10］通過分析南海地區(qū)的潛熱輸送與中國東部降水的關系也得出南海中部春季的潛熱輸送越強，長江以南到華南地區(qū)的降水也以正距平為主的結論。以上探討海表潛熱通量與中國降水的關系的居多，但陸地表面潛熱通量也會對氣候產生重大作用，就歐亞地表潛熱通量與中國降水展開討論，探討二者之間的關系。

1 資料選取與處理方法

1．1 數據資料

歐洲中心(ECWMF)全球地表潛熱通量逐月資料。選取的資料是從1961～2000年，共40年夏季(6～8月)的北半球(0°～180°)地表潛熱通量，簡稱(slhf)，水平分辨率為2.5°×2.5°，潛熱通量單位為W·s/m2。且規(guī)定當陸面(或海面)向大氣釋放能量時，潛熱通量值為負，當大氣向陸面(或海面)釋放能量時，潛熱通量值為正。

(2)由國家氣候中心整編的1961～2000年夏季6～8月中國160個測站的逐月降水資料。

(3)歐洲中心全球位勢高度場資料，時間范圍從1957年9月～2001年9月的逐月資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直分辨率 23層，采用的是 500hPa和850hPa位勢高度場。

1．2 分析方法

采用經驗正交函數展開(EOF)分析方法、遞進相關分析法和合成分析方法。其中，采用的遞進相關法是指先取夏季地表潛熱通量第一模態(tài)時間系數序列與中國夏季降水做相關，選出高相關區(qū)域做區(qū)域平均后再與夏季地表潛熱通量做相關。遞進相關分析法能更清晰探討和比較夏季地表潛熱通量和夏季降水之間的關系。

2 地表潛熱通量的空間分布及時間演變特征

表1給出了北半球夏季地表潛熱通量距平場經EOF分解后前4個模態(tài)的方差貢獻率。從表看出，夏季第一模態(tài)的方差貢獻率明顯大于后三個模態(tài)的方差貢獻率，表明收斂速度相對較快，能較好地解釋夏季地表潛熱通量的時空特征，下面分析前2個模態(tài)的空間和時間特征。

表1 地表潛熱通量各EOF模態(tài)的方差貢獻/%

圖1(a)是第一模態(tài)空間特征向量，其方差貢獻率為21.52%，明顯大于第二模態(tài)第三模態(tài)的方差貢獻，從空間特征向量分布來看，低緯以負值為主，中高緯以正值主，海洋以負值為主，陸地則以正值為主，基本呈“南正北負”的變化。但在地中海附近地區(qū)仍為負值;其正極大值區(qū)分別出現在亞洲東部，貝加爾湖地區(qū)及貝加爾湖以南，負極小值區(qū)出現在紅海附近，阿拉伯海附近，孟加拉灣及太平洋中部。圖2(a)是第一模態(tài)時間系數序列，從圖2(a)看出，它整體呈一個顯著下降的長期變化趨勢，以20世紀70年代中后期年為界，70年代中后期年以前，時間系數為正，70年代中后期年以后時間系數為負。時間系數為正時，低緯及太平洋洋面上為負距平，中高緯度為正距平;時間系數為負時，低緯地區(qū)及洋面上為正距平，而中高緯度地表潛熱通量為負距平。而且第一模態(tài)時間系數序列也能反映一定的年際變化，70年代以前，時間系數變化比較平緩，而從90年代中期開始有明顯上升。

圖1(b)是第二模態(tài)空間特征向量分布圖，可以看到，海洋上還是負值，但陸地上負值的區(qū)域和范圍與第一模態(tài)相比都有明顯的增大，整個區(qū)域內都呈現負值的狀態(tài)，而且在巴爾喀什湖以南出現了較大的負值中心。圖2(b)是第二模態(tài)時間系數序列，趨勢也是非常明顯的，該模態(tài)時間系數序列以20世紀70年代中期為谷底，表現出“單谷”變化特征。結合第二模態(tài)空間特征，表明從1961～1977年，潛熱通量值隨時間增大，從1978～2000年潛熱通量值隨時間減小。

圖1 夏季地表潛熱通量空間分布

經過以上討論得知，在20世紀70年代年前后，潛熱通量值發(fā)生了明顯氣候突變。這個時間與中國夏季降水發(fā)生突變的時間相一致，由于潛熱主要由蒸發(fā)過程提供，伴隨著水汽相變以及水汽輻合上升等過程，所以潛熱通量對大氣環(huán)流和氣候有著非常重要的作用。而且春季大陸上的數值比較小，而到了夏季大陸上數值增加，有可能是夏季降水對潛熱通量的貢獻。

劉娜等［11-12］認為潛熱通量是熱量通過陸地(或海洋)表面進入大氣的重要方式，潛熱通量大小的改變會使得大氣中的水汽含量發(fā)生改變，由于水汽也是一種溫室氣體，它含量的改變會進一步改變大氣的熱量;反過來，陸地(或海洋)表面溫度的變化會通過影響陸氣(或海氣)的濕度差，加強或減弱潛熱通量。所以將會進一步研究討論夏季潛熱通量與中國夏季降水之間的關系。

圖2 夏季地表潛熱通量時間系數

3 夏季潛熱通量與中國夏季降水之間的關系

3．1 北半球夏季潛熱通量與中國夏季降水之間的關系

為了清楚的了解北半球地表潛熱通量時空變化與中國夏季降水之間的關系，用夏季潛熱通量EOF第一模態(tài)時間系數序列與中國160站夏季降水做相關分析(圖3)。

圖3中，北半球夏季潛熱通量與中國夏季降水的相關系數分布以西北地區(qū)為界，分為兩大特征:西北地區(qū)表現為全區(qū)為負，其余地區(qū)從南向北表現為“+ -+-”的分布。長江以南、華北地區(qū)以及云貴高原地區(qū)為正相關區(qū)，長江到淮河流為顯著負相關區(qū)域。這表明當北半球大陸上夏季潛熱通量在40年間由正距平變?yōu)樨摼嗥綍r，即在20世紀70年代中期以前，國范圍內地表潛熱通量為正值，長江以南、華北地區(qū)及云貴高原降水偏多，長江到淮河流域降水偏少，70年代中期以后，長江以南、華北地區(qū)及云貴高原降水偏少，而淮河流域降水偏多。與楊修群［13］等在研究華北地區(qū)降水年代際變化特征中也得70年代中期前華北地區(qū)降水偏多70年代中期以后降水偏少的結果相一致。

圖3 夏季地表潛熱通量EOF第一模態(tài)時間系數與中國降水的相關分布

3．2 中國江淮流域地區(qū)夏季降水與北半球夏季潛熱通量之間的關系

為更深入討論中國夏季降水與地表潛熱通量之間的聯系，在圖3中選出高相關區(qū)域，即通過顯著性檢驗的區(qū)域江淮地區(qū)，對江淮地區(qū)的24個測站40年降水的區(qū)域平均，將該平均序列與夏季潛熱通量值再做相關，以考察高相關區(qū)域降水和夏季地表潛熱通量的關系。圖6是中國江淮地區(qū)1961～2000年24站區(qū)域平均降水序列與夏季潛熱通量的相關系數圖。

圖4 中國江淮地區(qū)1961～2000年24站區(qū)域平均降水序列與夏季潛熱通量的相關系數(陰影區(qū)為通過顯著性水平α=0.1檢驗的區(qū)域)

從圖4可以看出，通過顯著性檢驗的負相關區(qū)主要分布在鄂霍次克海以北的陸地上、日本以東的洋面上，巴爾喀什湖以北;正相關區(qū)域主要分布在中國江淮流域、中國南海地區(qū)、及孟加拉灣。表明當中國江淮地區(qū)在20世紀70年代中期以前降水偏少時，對應中國南海、江淮地區(qū)、以及孟加拉灣潛熱通量異常偏少，當中國江淮地區(qū)在70年代中期以后降水偏多時，對應中國南海、江淮地區(qū)、以及孟加拉灣潛熱通量異常偏多。從江淮地區(qū)本身就可以看出，夏季潛熱通量與夏季降水有很好的相關:某地區(qū)潛熱通量減少對應地區(qū)的降水也會相應偏少。

降水是大氣中水的相變過程，水汽由源地水平輸送到降水區(qū)是降水形成不可或缺的條件，研究表明，夏季水汽輸送的結構、路徑及水汽流的強弱會影響中國夏季雨帶的位置及降水強度的變化。而夏季6～8月一般是中國江淮流域的梅雨季節(jié)，孟加拉灣和南海是水汽輸送的重要源地，當孟加拉灣、中國南海地區(qū)的水汽輸送也比較充足時，海表的潛熱通量值也異常偏大，而中國江淮流域降水偏多;當孟加拉灣以及中國南海地區(qū)的水汽供應不足，海表的潛熱通量值也異常偏小，中國江淮流域地區(qū)降水偏少。

相反地，當20世紀70年代中期以前，中國江淮流域降水偏少時，鄂霍次克海以北，日本以東以及巴爾喀什湖以北的地區(qū)夏季潛熱通量異常偏大;中國江淮流域降水偏多時，上述區(qū)域夏季潛熱通量異常偏小。為此，選擇通過顯著性檢驗的高負相關區(qū):鄂霍次克海以北的陸地地區(qū)(140°E ～160°E，55°N ～65°N)，對該區(qū)域內40年的夏季潛熱通量做區(qū)域平均，得到該區(qū)域40年夏季潛熱通量的距平序列(圖5)，從圖5可以看出，該區(qū)域內夏季潛熱通量值有著明顯的年代際變化。以20世紀80年代中期為界，在80年代中期以前，夏季潛熱通量為正距平，在80年代中期以后，夏季潛熱通量為負距平。圖6(a)，圖6(b)給出了對應上面2個時段內中國夏季降水合成圖。

圖5 鄂霍次克海北部地區(qū)1961～2000年夏季潛熱通量距平序列

圖6 中國160站夏季降水距平合成(陰影區(qū)域表示降水距＜-20 mm或＞20 mm)

由圖6(a)可以看出，中國西北、東北地區(qū)降水與同年相比，均屬正常。而除了中國華北、西南的少數地區(qū)外，中國長江流域、華南地區(qū)均處于負距平，即在這25年，降水值異常偏少。其中降水的負異常中心就位于江淮地區(qū)，降水距平值都在50 mm以下。這些表明，當鄂霍次克海以北的潛熱通量值為正時，中國長江中下游地區(qū)、江淮地區(qū)和華南地區(qū)降水都偏少。從圖6(b)可以看出，從1986～2000年這15年間，中國降水明顯增多，其分布情況完全與前25年相反:除西南和華北少數地區(qū)外，其他地區(qū)的降水都是正距平，在江淮流域正距平最大值可達到80 mm以上;表明從1985～2000年這15年間，鄂霍次克海北部陸地的地表潛熱通量值為負時，中國大部分地區(qū)，尤其是江淮流域，降水值異常偏多。這個結果是合理的，經過上面的分析，以江淮流域作為代表，得出夏季潛熱通量與江淮流域的降水成反相關的關系。

3．3 同期環(huán)流場特征

從以上的分析可以看到，北半球夏季潛熱通量與中國夏季降水之間確實存在著一定的聯系，楊蓮梅等［14］曾較為細致地研究了高原地面潛熱的氣候變化特征、空間分布狀況和其對北半球大氣環(huán)流和中國南疆地區(qū)降水異常的影響。H·Z·Wang等［15］將大氣環(huán)流作為二者的媒介進一步理解潛熱通量如何通過大氣環(huán)流影響中國夏季降水。P·Zhao等［16］研究了大氣對高原加熱，而引起北半球大氣環(huán)流的變化以及相應的氣候變化特征。可見，大氣環(huán)流是潛熱通量和降水的中間介質。根據以上分析結果，為更好的尋找1961～2000年前25年江淮地區(qū)降水距平合成偏少而后15年江淮地區(qū)降水距平合成偏多與大氣環(huán)流之間的關聯，以下將分析北半球500 hPa和850 hPa夏季平均位勢高度場及1961～2000年前25年和后15年的位勢高度差。

圖7(a)是500 hPa 40年夏季平均位勢高度場，中高緯度以平直西風氣流為主，西太平洋副熱帶高壓位置較為明顯。為更加清楚的表示前25年和后15年位勢高度的微小差距，圖8(a)用1985～2000年這15年500 hPa平均位勢高度場減去1961～1985年這25年500 hPa平均位勢高度場，可得全區(qū)基本以正值為主，即表明從1985年以后隨著地表潛熱通量的減小，500 hP位勢高度有所升高，夏季亞洲東部的低壓有所減弱，造成東亞夏季風減弱，導致中國江淮流域的降水減弱。其差值的最大值位于鄂霍次克海附近，表明此地區(qū)的潛熱通量異常偏低對應位勢高度異常升高。反映出地表潛熱通量與位勢高度場有著良好的相關關系。圖7(b)是850 hPa 40年夏季平均位勢高度分布，高值中心在西太平洋的洋面上，低值中心位于印度半島北部。圖8(b)為用1985～2000年這15年850 hPa平均位勢高度場減去1961～1985年這25年850 hPa平均位勢高度場得到的差值分布場，與500 hPa類似，除高緯少部分地區(qū)外全區(qū)也是以正值為主，表明后15年與前25年相比，850 hPa位勢高度有所增加，即當北半球地表潛熱通量減弱時，北半球的低壓有所減弱，高壓有所增強，大值中心位于中國西南地區(qū)、新疆北部以及中國華北地區(qū)，這樣的環(huán)流場分布恰好解釋了后15年，中國西南地區(qū)、華北地區(qū)的降水偏少，進一步證明潛熱通量與中國夏季降水的關系。

圖8 1961～1985與1986～2000年夏季位勢高度合成差值分布

4 結束語

(1)夏季潛熱通量第一模態(tài)空間分布呈“南負北正”型，第一模態(tài)時間序列以20世紀70年代中期為界，表現出年代際變化特征;夏季潛熱通量第二模態(tài)空間分布表現為“全區(qū)一致”型，第二模態(tài)時間系數序列以70年代中期為谷底，表現出“單谷”變化特征。

(2)北半球夏季潛熱通量第一模態(tài)時間序列與中國夏季降水相關系數以西北地區(qū)為界，分為兩大特征:西北地區(qū)表現為全區(qū)為負，其余地區(qū)從南向北表現為“正負正負”的分布，表明70年代中期以前(后)，北半球中高緯度潛熱通量為正(負)，西南地區(qū)及華北地區(qū)降水偏多(少)，江淮流域地區(qū)降水偏少(多)。

(3)中國江淮地區(qū)夏季40年平均降水序列與北半球夏季地表潛熱通量相關系數表明正相關區(qū)域分布在中國長江中下游、孟加拉灣及中國南海地區(qū);負相關區(qū)分布在鄂霍次克海以北的洋面上、日本以東的洋面及巴爾喀什湖以北地區(qū)。對鄂霍次克海以北的大陸區(qū)域的夏季潛熱通量做區(qū)域平均后，得出1985年前為正潛熱通量值，1985年后為負潛熱通量值。

(4)由1961～1985前25年和1986～2000后15年中國夏季降水距平合成圖和對應的500 hPa、850 hPa環(huán)流場比較得知，前25年中國東部降水偏少，其他地區(qū)降水正常。后15年中國大部均降水偏多，且與前25年相比，500 hPa、850 hPa位勢高度有所增加的結果。

通過以上分析，證實了北半球夏季潛熱通量對中國夏季降水有很好的相關關系，可以作為中國夏季降水預測的重要參考因素，當然影響中國夏季降水的因素有很多，不同因子之間還有互相影響。所以，這些物理過程仍有待于進一步研究。

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