中國西南地區(qū)地表感熱和潛熱通量時空變化特征

黃 珊， 楊 揚(yáng)，王含嘉，楊啟東

(1.云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院大氣科學(xué)系，云南 昆明 650504； 2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗氣象臺,內(nèi)蒙古 阿魯科爾沁旗 025550)

引 言

陸地作為大氣系統(tǒng)的下邊界，與大氣及其他圈層之間進(jìn)行的各種時空尺度的物質(zhì)能量交換過程，直接影響局地乃至全球大氣環(huán)流和氣候的基本特征[1-2]；氣候變化也會反作用于陸氣間物質(zhì)和能量交換過程，進(jìn)而影響陸地生態(tài)、水文過程等[3-4]。為此，研究地表與大氣間物質(zhì)和能量交換過程，進(jìn)而發(fā)展合理的陸面過程模式，對于氣候模式的改進(jìn)和研究氣候變化具有重要作用。鑒于陸面過程研究的重要性，眾多國際項目如世界氣候研究計劃、國際地圈生物圈計劃、全球土壤濕度計劃、全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)[5-7]等都十分重視陸面過程的研究，已經(jīng)獲得許多重要認(rèn)識。

中國西南地區(qū)位于青藏高原和中南半島之間的過渡帶，與孟加拉灣和中國南海相鄰，地處東亞和南亞夏季風(fēng)的交界面[8]，受季風(fēng)和印度洋水汽輸送影響明顯。這種特殊的地理位置和地形地貌共同造就該區(qū)域干濕季節(jié)明顯的氣候特征[9-10]。不僅如此，西南地區(qū)地形陡峭起伏，下墊面植被覆蓋度高，類型復(fù)雜多樣，其陸-氣相互作用具有鮮明特點，如陸氣間能量交換以潛熱通量為主、受季風(fēng)影響明顯等[11]，迥異于中國西北干旱半干旱區(qū)和青藏高原等其他地區(qū)[12-14]。西南地理位置的特殊性、地形地貌的復(fù)雜性，使其陸面過程可能對中國西南地區(qū)、長江流域的天氣氣候變化乃至東亞大氣環(huán)流的演變產(chǎn)生直接或間接的影響[15-16]。因此，研究該區(qū)域陸氣間的物質(zhì)能量交換對于改進(jìn)中國西南和東亞地區(qū)的天氣預(yù)報和氣候預(yù)測具有重要意義。

試驗觀測和數(shù)值模擬研究表明中國西南地區(qū)(低緯高原主體)為陸氣相互作用的“熱點”地區(qū)之一[17-18]，該區(qū)域全年均為大氣熱源，主要以潛熱的方式加熱大氣[11]，植被等下墊面狀況的變化導(dǎo)致空氣動力學(xué)粗糙度發(fā)生變化，使湍能分量(湍流動能、切變項和浮力項)強(qiáng)弱發(fā)生改變，進(jìn)而對對流云團(tuán)發(fā)生、發(fā)展有重要貢獻(xiàn)[19]。此外，全球氣候變化導(dǎo)致該區(qū)域凈輻射減少，參考蒸散發(fā)隨之下降，降水減少，導(dǎo)致干旱發(fā)生[20-21]。之前的研究已經(jīng)認(rèn)識到西南地區(qū)陸氣相互作用的重要性，尤其是對干旱、洪澇等極端氣候具有重要影響。然而，受限于觀測資料和模式模擬的不確定性，已有的研究大多基于單點、短期觀測或模擬結(jié)果，其時空代表性難以充分反映該地區(qū)陸氣相互作用的總體特征。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)、數(shù)值模式及同化技術(shù)的發(fā)展，目前的再分析資料是獲取高時空分辨率地表感熱和潛熱通量的有效手段。有研究表明NCEP-I感熱和ERA-Interim潛熱資料在青藏高原具有較好的代表性[22]。相對于NCEP/NCAR再分析資料，ERA-40再分析資料的感熱更接近于實際臺站觀測資料計算得到的感熱通量[23]。已有的研究利用再分析資料研究了中國西北干旱半干旱區(qū)、青藏高原等地區(qū)的地表能量通量及土壤濕度的變化特征[24-26]，但利用再分析資料對中國西南地區(qū)的陸面特征分析研究較少。

為此，本文基于1979—2017年歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF的ERA-Interim資料，研究中國西南地區(qū)感熱和潛熱通量的時空變化特征，加深對其變化規(guī)律的認(rèn)識，以期認(rèn)識中國不同區(qū)域陸氣相互作用特征的差異，更有利于今后研究該地區(qū)陸氣相互作用對區(qū)域天氣氣候、水文及生態(tài)等的影響。

1 資料和方法

1.1 資 料

使用ERA-Interim再分析資料(http://data.ecmwf.int)，有關(guān)該資料同化方案、數(shù)據(jù)源等的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[27]和[28]。已有研究表明，ERA-Interim再分析資料在中國具有較好的適用性[29-31]，因此選取 1979—2017年共39 a逐日的感熱和潛熱通量資料對中國西南地區(qū)地表感熱和潛熱通量時空變化特征開展研究。本文所指中國西南地區(qū)范圍為20°N—30°N、95°E—110°E，包含了云南、四川、貴州、廣西等省市(圖1)。由于西南地區(qū)春季(3—5月)為該地區(qū)典型干季，夏季(6—8月)為典型濕季，主要分析春、夏兩季感熱和潛熱通量，用于表征其干濕兩季變化特征。

圖1 研究區(qū)域示意圖(陰影為海拔高度，單位：m)Fig.1 The schematic map of the study area(the shaded for altitude, Unit: m)

1.2 方 法

經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)分解，也稱特征向量分析，是分析矩陣的結(jié)構(gòu)特征，提取主要數(shù)據(jù)特征量的一種方法。其基本原理是把隨時間變化的變量場分解為兩部分：一是不隨時間變化的空間函數(shù)，概括場的空間分布特點；二是只依賴時間變化的時間函數(shù)，即主分量部分[32]。主分量的前幾個場占有較大的方差貢獻(xiàn)率，其優(yōu)點是不需要固定的函數(shù)就能分解有限區(qū)域內(nèi)不規(guī)則分布的站點，使大量的數(shù)據(jù)較易被處理和研究[33]。使用EOF方法對中國西南地區(qū)春夏季感熱、潛熱通量進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得該地區(qū)的干濕季感熱、潛熱通量的空間分布和時間變化特征。

功率譜分析是研究變量周期性的方法，可以揭示復(fù)雜信號在其頻域上的變化規(guī)律，能夠?qū)?jīng)EOF計算的主分量時間序列進(jìn)行遞進(jìn)分析，其譜分析函數(shù)和信度區(qū)間的計算函數(shù)能夠更好地捕捉時間序列中的周期性特征。

2 春、夏季感熱和潛熱通量變化

2.1 氣候平均值

2.1.1 空間分布

圖2為1979—2017年中國西南地區(qū)春季、夏季平均感熱和潛熱通量空間分布?？梢钥闯觯杭舅拇ㄎ髂喜考霸颇系臇|北部出現(xiàn)很強(qiáng)的感熱中心，極大值出現(xiàn)在橫斷山脈處，感熱通量可達(dá)52 W·m-2。而潛熱通量與感熱通量變化特征相反，云南東南部和廣西等地是潛熱通量的高值區(qū)，極大值達(dá)90 W·m-2。夏季感熱通量自東北向西南方向遞減，潛熱通量自東南向西北方向遞減，廣西東南部潛熱通量輸送值達(dá)130 W·m-2以上。

圖3為1979—2017年中國西南地區(qū)春季與夏季平均感熱通量和潛熱通量差值空間分布?？梢钥闯?，春季感熱通量比夏季大，潛熱通量則是夏季較春季大，這與西南地區(qū)干濕季明顯的氣候特征相對應(yīng)。

圖2 1979—2017年中國西南地區(qū)春季(a、b)、夏季(c、d)平均感熱通量(a、c)和潛熱通量(b、d)空間分布(單位：W·m-2)Fig.2 The spatial distribution of mean sensible heat flux (a, c) and latent heat flux (b, d) in spring (a, b) and summer (c, d) in Southwest China during 1979-2017 (Unit: W·m-2)

圖3 1979—2017年中國西南地區(qū)春季與夏季平均感熱通量(a)和潛熱通量(b)差值空間分布(單位：W·m-2)Fig.3 The spatial distribution of difference of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b) between spring and summer in Southwest China during 1979-2017 (Unit: W·m-2)

2.1.2 年際變化

圖4為1979—2017年中國西南地區(qū)春季、夏季感熱通量及潛熱通量距平年際變化及其趨勢。可以看出，2000年以前大多數(shù)年份春季感熱通量為正距平，但之后明顯減小，為持續(xù)性負(fù)距平；春季潛熱通量從2000年以后開始顯著增大。20世紀(jì)80年代到90年代初期大多數(shù)年份夏季感熱通量距平為正值，但從1992年開始出現(xiàn)負(fù)距平，特別是1998—2005年減弱非常顯著，而2006年后距平又增大為正值， 2012年之后再次減弱。2000年以前，大部分年份夏季潛熱通量為負(fù)距平，2001年后顯著增強(qiáng)為正距平。

2.2 基于EOF分析的春、夏季感熱和潛熱通量

2.2.1 時空變化

1979—2017年中國西南地區(qū)春季感熱通量EOF分解前3個模態(tài)的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)60.9%且通過NORTH等[34]準(zhǔn)則檢驗，表明前3個模態(tài)是有物理意義的信號。因此圖5給出1979—2017年中國西南地區(qū)春季感熱通量EOF分解前3個模態(tài)空間型及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)。可以看出，第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為33.5%，空間型表現(xiàn)為東正西負(fù)，正負(fù)中心分別位于廣西南部和云南中部。相應(yīng)的時間系數(shù)在2000年前大多為負(fù)值，表明2000年以前春季感熱通量的空間分布主要為西北多東南少，而在2000年以后，時間系數(shù)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，表明春季感熱通量的空間分布轉(zhuǎn)為西北少東南多，感熱通量在西南地區(qū)東部由弱變強(qiáng)，西部由強(qiáng)變?nèi)?。?模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為15.7%，空間型與第一模態(tài)相同，呈西北—東南向的“-+”偶極子分布特征，西北區(qū)域的負(fù)值中心位于云南東南部，東南區(qū)域正值中心仍位于廣西南部。第3模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為11.7%，其空間型為全區(qū)一致正值且云南北部和貴州西南部分別是很強(qiáng)的感熱中心。第3模態(tài)時間系數(shù)從2003年開始大部分年份為正值，表明西南地區(qū)春季感熱通量從2003年開始有一致增強(qiáng)趨勢。

圖4 1979—2017年中國西南地區(qū)春季(a、b)、夏季(c、d)感熱通量(a、c)及潛熱通量(b、d)距平年際變化及其趨勢Fig.4 Inter-annual variations of sensible heat flux (a, c) and latent heat flux (b, d) anomolies in spring (a, b) and summer (c, d) and their climate trends in Southwest China during 1979-2017

圖5 1979—2017年中國西南地區(qū)春季感熱通量EOF分解前3個模態(tài)空間型(左)及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)(右)Fig.5 Spatial patterns (the left) and standardized time coefficients (the right) of the first three modes of EOF analysis of sensible heat flux in Southwest China in spring during 1979-2017

1979—2017年中國西南地區(qū)春季潛熱通量EOF分解前3個模態(tài)的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)59.4%且通過NORTH等[34]準(zhǔn)則檢驗，圖6給出1979—2017年中國西南地區(qū)春季潛熱通量EOF分解前3個模態(tài)空間型及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)?？梢钥闯?，第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為29.6%，其空間型基本為正值，說明春季潛熱通量空間分布為全區(qū)一致型，并在云南西南部有很強(qiáng)的潛熱中心。時間系數(shù)在20世紀(jì)90年代后期由負(fù)值變?yōu)檎?，并逐漸增大，表明該區(qū)域在20世紀(jì)90年代后期春季潛熱通量一致增多。第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為17.0%，其空間分布呈西正東負(fù)，當(dāng)時間系數(shù)為正時，表示潛熱通量西正東負(fù)的變化，并在西南角和東南角分別存在正負(fù)變化最大值中心。第3模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為12.8%，其空間型以云南北部為中心向四周遞減。時間系數(shù)在2008年由正值變?yōu)樨?fù)值，說明第3模態(tài)的空間分布型的顯著性在減弱。春季潛熱通量在西南大部分區(qū)域由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>

1979—2017年中國西南地區(qū)夏季感熱通量EOF分解前2個模態(tài)的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)48.4%且通過NORTH等[34]準(zhǔn)則檢驗，圖7給出1979—2017年中國西南地區(qū)夏季感熱通量EOF分解前2個模態(tài)空間型及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)?？梢钥闯觯?模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為29.2%，其空間型表現(xiàn)為負(fù)的全區(qū)基本一致型。第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為19.2%，其空間型表現(xiàn)為正的全區(qū)一致型，時間系數(shù)在21世紀(jì)初之前為正值，之后轉(zhuǎn)為負(fù)值，表明夏季感熱通量第2模態(tài)空間型在1980—1990年代一致增強(qiáng)，進(jìn)入21世紀(jì)后減弱，存在明顯的年代際變化特征。

圖6 1979—2017年中國西南地區(qū)春季潛熱通量EOF分解前3個模態(tài)空間型(左)及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)(右)Fig.6 Spatial patterns (the left) and standardized time coefficients (the right) of the first three modes of EOF analysis of latent heat flux in Southwest China in spring during 1979-2017

圖7 1979—2017年中國西南地區(qū)夏季感熱通量EOF分解前2個模態(tài)空間型(左)及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)(右)Fig.7 Spatial patterns (the left) and standardized time coefficients (the right) of the first two modes of EOF analysis of sensible heat flux in Southwest China in summer during 1979-2017

1979—2017年中國西南地區(qū)夏季潛熱通量EOF分解前2個模態(tài)的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)48.7%且通過NORTH等[34]準(zhǔn)則檢驗，表明前2個模態(tài)是有物理意義的信號。圖8給出1979—2017年中國西南地區(qū)夏季潛熱通量EOF分解前2個模態(tài)空間型及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)?？梢钥闯觯?模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為29.4%，其空間型表現(xiàn)為正的全區(qū)一致型，且在貴州有很強(qiáng)的正值中心。2000年之前時間系數(shù)除1988—1990年及1992年為正外，其余年份均為較大負(fù)值，2003年后變?yōu)檎担砻飨募緷摕嵬坑扇珔^(qū)一致減弱轉(zhuǎn)為增強(qiáng)的變化趨勢，年代際變化顯著。第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為19.3%，其空間型表現(xiàn)為西北—東南的反向變化特征，特征向量值由西北向東南呈梯形逐步增加。時間系數(shù)在20世紀(jì)90年代末期由負(fù)值變?yōu)檎担砻骺臻g變化增減趨勢的轉(zhuǎn)變，夏季潛熱通量存在明顯的年際變化特征。

2.2.2 周期分析

圖9為1979—2017年中國西南地區(qū)春季感熱通量和潛熱通量EOF分解前3個模態(tài)時間系數(shù)的功率譜?？梢钥闯?，春季感熱通量第1模態(tài)時間系數(shù)功率譜沒有通過95%和90%的置信水平。第2模態(tài)時間系數(shù)存在3 a周期且通過95%的置信水平。第3模態(tài)時間系數(shù)存在7 a周期，且通過95%的置信水平。表明春季感熱通量存在3 a和7 a的顯著周期變化。西南地區(qū)春季潛熱通量第2模態(tài)的5 a周期和第3模態(tài)的13 a周期通過了90%的置信水平，表明該地區(qū)春季潛熱通量存在5 a、10 a以上顯著周期。綜上所述，西南地區(qū)春季感熱通量存在顯著的年際變化特征，潛熱通量存在年際和年代際變化特征。

圖8 1979—2017年中國西南地區(qū)夏季潛熱通量EOF分解前2個模態(tài)空間型(左)及標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)(右)Fig.8 Spatial patterns (the left) and standardized time coefficients (the right) of the first two modes of EOF analysis of latent heat flux in Southwest China in summer during 1979-2017

圖9 1979—2017年中國西南地區(qū)春季感熱通量(a、b、c)和潛熱通量(d、e、f)EOF分解的第1(a、d)、第2(b、e)、第3(c、f)模態(tài)時間系數(shù)的功率譜Fig.9 Power spectrum of time coefficient of the first (a, d), the sencond (b,e) and the third (c, f) mode of EOF analysis of sensible heat flux (a, b, c) and latent heat flux (d, e, f) in Southwest China in spring during 1979-2017

圖10為1979—2017年中國西南地區(qū)夏季感熱通量和潛熱通量EOF分解的第1、2模態(tài)時間系數(shù)功率譜。夏季感熱通量第1模態(tài)時間系數(shù)存在3 a和20 a以上的周期且通過95%的置信水平，且20 a以上的周期較顯著。西南地區(qū)夏季潛熱通量第1模態(tài)時間系數(shù)存在19 a周期，且通過了95%的置信水平。綜上所述，西南地區(qū)夏季感熱通量存在3 a和20 a以上的顯著周期，表明該地區(qū)夏季感熱通量存在年際和年代際變化特征，且其年代際變化信號強(qiáng)于年際變化信號。西南地區(qū)夏季潛熱通量第1模態(tài)的時間系數(shù)存在10 a以上周期的年代際變化特征。

圖10 1979—2017年中國西南地區(qū)夏季感熱通量(a、b)和潛熱通量(c、d)EOF分解的第1(a、c)、2(b、d)模態(tài)時間系數(shù)的功率譜Fig.10 Power spectrum of time coefficient of the first (a, c), the sencond (b, d) mode of EOF analysis of sensible heat flux (a, b) and latent heat flux (c, d) in summer in Southwest China during 1979-2017

3 結(jié)論與討論

(1)中國西南地區(qū)春季感熱通量比夏季大，潛熱通量則是夏季高于春季。春季和夏季感熱通量都存在明顯的年代際變化特征。春季感熱通量在2000年前后有明顯的躍變，從1999年開始明顯減弱；而夏季感熱通量從20世紀(jì)90年代后期開始明顯減弱。該地區(qū)春季和夏季潛熱通量的年代際變化特征明顯，均從2000年開始顯著增強(qiáng)。

(2)中國西南地區(qū)春季感熱通量存在3種模態(tài)空間型，主要表現(xiàn)為東西反向、全區(qū)一致和“-+”偶極子分布。相應(yīng)的時間系數(shù)表現(xiàn)為2000年春季感熱通量發(fā)生變化，年代際和年際變化特征明顯。夏季感熱通量存在2種模態(tài)空間分布型，表現(xiàn)為空間分布一致型，相應(yīng)時間系數(shù)表明夏季感熱通量較強(qiáng)的年際和年代際變化特征。春季潛熱通量存在3種模態(tài)空間型，主要表現(xiàn)為全區(qū)一致、東西反向和由中心向外遞減分布；夏季潛熱通量存在2種模態(tài)空間型，第1模態(tài)空間型表現(xiàn)為一致型分布；第2模態(tài)空間型表現(xiàn)為由西北向東南呈梯形逐步增強(qiáng)。時間系數(shù)的變化說明春夏季潛熱通量均有顯著的年代際和年際變化特征。

(3)中國西南地區(qū)春季和夏季感熱通量主要有3 a左右和10 a以上的顯著周期變化，即存在顯著的年際和年代際變化特征，且年代際變化信號強(qiáng)于年際變化信號。中國西南地區(qū)春季和夏季潛熱通量主要存在10 a以上的年代際變化特征。

中國西南地區(qū)的陸面過程具有顯著特點，且對該地區(qū)乃至東亞地區(qū)的氣候具有重要影響，然而目前對該地區(qū)地表通量的時空變化研究仍然較少，制約了該地區(qū)陸氣相互作用的相關(guān)研究。由于中國西南地區(qū)觀測站點稀少，數(shù)據(jù)缺乏，僅僅使用再分析資料進(jìn)行分析存在一定的局限，而且文中使用的EOF分解和功率譜方法等只具有統(tǒng)計意義，因此本文的研究結(jié)果與方法選擇有關(guān)，與實際狀況存在一定的誤差，也沒有進(jìn)一步討論引起時空變化的物理機(jī)制，在以后的工作中需結(jié)合其他數(shù)據(jù)進(jìn)一步改進(jìn)和完善。