黃河上游徑流與海溫關(guān)系及大氣環(huán)流特征解析

王 丹，潘紅忠，白 鈺

(1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海 西寧 810008)

在氣候變暖的大背景下,氣候變化是影響徑流變化的主要因素[1-2]。研究區(qū)域黃河上游地處青藏高原東緣，屬大陸性季風(fēng)氣候,氣候的區(qū)域性差異較大，是全球氣候變暖的顯著區(qū)域，氣溫升高和降水減少也是造成黃河流域徑流銳減的重要原因[3-5]。氣候異常對黃河流域的干旱和洪澇有著重大影響，許多研究也都表明海溫的異常變化對黃河流域的旱澇有著顯著的影響[6-8]。本文采用自然正交函數(shù)分解的方法，分析黃河上游徑流與海表溫的相關(guān)關(guān)系，找出海溫對黃河上游流域徑流影響區(qū)域，進而在水文預(yù)報模型中加入海溫因子，可以取得滿意的預(yù)報效果。

1 研究區(qū)概況

本項目研究區(qū)域為黃河上游龍羊峽以上流域。龍羊峽水庫建于1986年，為黃河流域庫容最大的水庫。水庫以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益，是黃河流域水沙調(diào)控的重要節(jié)點，在黃河防洪、防凌和水資源利用中占據(jù)著重要的地位。龍羊峽以上流域有大面積的草原、湖泊、沼澤，汛期地表較為濕潤，相對濕度較大，年平均濕度在50%～70%；由于地處高寒區(qū)，水汽凝結(jié)高度低，以及群山起伏的地形易導(dǎo)致氣流垂直運動，故降水日數(shù)多，一般在100天以上，但由于氣溫低，絕對濕度不大，降雨量也不大，年降雨量在300～700 mm。

本文采用數(shù)據(jù)包括：月均海表溫數(shù)據(jù)資料采用NOAA(美國國家海洋大氣局)重構(gòu)的長時間序列海溫資料，空間分辨率為2.5°×2.5°；大氣環(huán)流資料采用NCEP/NCAR(美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心)；降水數(shù)據(jù)使用的是CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)，空間分辨率為2.5°×2.5°；資料分析時段為1959—2018年。

根據(jù)文獻[8-9]對汛期和雨季的定義，當月降水量大于多年平均月降水量即為進入汛期，而第一個小于多年平均月降水量的月份為汛期結(jié)束月。表1為龍羊峽以上流域逐月降水量，由表可見，龍羊峽以上流域5—10月為汛期，汛期降水量約占年降水量的91.1%以上。降水主要集中于夏季，春、秋季降水次多，其中5—9月降水量占全年降水均超過了10%，表明該區(qū)雨季持續(xù)時間較長，5個月總降水量約為416.4 mm，占年降水量的85.2%。11月至次年2月降水偏少，降水總量僅有13.1 mm，占年降水的2.6%，各月降水的比例均在年降水量的1%以下，其中12月僅占年降水量的0.3%。將12、1、2月劃為冬季，其降水量最少，僅占年降水量的1.8%。各月降水量變化特征表明龍羊峽以上流域雨季旱季分明，同時該區(qū)5月降水明顯偏多，說明龍羊峽以上流域雨季開始時間偏早。

表1 龍羊峽以上流域逐月降水量統(tǒng)計

2 徑流與海溫相關(guān)分析

2.1 自然正交函數(shù)分解法

自然正交函數(shù)分解法是一種常用在天氣、氣候中的數(shù)學(xué)分析方法,用來對不同測點的氣象要素分布特征進行分析。此法的優(yōu)點是采用矩陣法進行數(shù)學(xué)分析，結(jié)果分析較為形象直觀。地球表面上每個點在三維空間中都是唯一確定,其每個點受地理環(huán)境的制約，有著不同的氣候特征及其變化規(guī)律。同時氣象要素在這些不同點中的分布形態(tài)，其綜合影響構(gòu)成全球的氣候特征。也就是對于一定點的某一確定的時間或時段內(nèi),各氣象要素隨時間序列的變化,也都有不同的分布形態(tài)。因此，結(jié)合空間概念的廣義性和氣候形成的相似性特點,本文采用自然正交函數(shù)分解海溫距平場是最適當?shù)腫10-11]。

首先將某月海溫距平場進行自然正交函數(shù)分解,選定區(qū)域的格點海溫距平觀測值Xij(i表示空間,j表示時間),看成由p個空間函數(shù)Vik和時間函數(shù)Ykj(k=1,2,…,p)的線性組合[12],即：

(1)

寫成矩陣形式為：X=VY

(2)

然后，由上式可知：Y=V′X

(3)

其中，X為海溫距平矩陣，V為空間函數(shù)矩陣，Y為時間函數(shù)矩陣，滿足以下條件：

(4)

最后，選取與時間系數(shù)高相關(guān)的因子，以因子加上時間系數(shù)展開，預(yù)報時間系數(shù)，進而以特征向量和時間系數(shù)預(yù)報海溫距平場。

圖1給出5—8月海溫距平第一特征向量場和對應(yīng)的時間系數(shù)Y之間關(guān)系，由于受計算機容量限制，時間序列選取1959—1989年。圖1表明，5月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1974、1978、1987年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1972、1985年。6月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1962、1974、1978年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1963、1966、1968、1979、1984年。7月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1963、1982、1985、1987年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1967、1968、1976、1978年。8月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1979、1982、1983年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1961、1981、1987年。9月黃河上游時間系數(shù)曲線(圖略)上Y>10的偏暖年份有1961、1974、1977年。Y<-10的偏冷年份有1963、1968、1976年。10月黃河上游時間系數(shù)曲線(圖略)上Y>10的偏暖年份有1979、1981年，Y<-10的偏冷年份有1962、1982、1988年。

a)5月

b)6月

c)7月

d)8月圖1 某月海溫距平第一特征向量和對應(yīng)的時間系數(shù)

2.2 影響黃河上游徑流的海洋區(qū)域

本文采用自然正交函數(shù)濃縮海溫信息的方法，分解海溫距平場[12-14]，找到影響大范圍天氣系統(tǒng)的海溫關(guān)鍵區(qū)。用北太平洋海域(10°S～50°N、120°E～80°W)月平均海表面溫度資料進行分析，區(qū)域共286個經(jīng)緯點的溫度資料。利用自然正交分解法將北太平洋各月海溫距平場進行自然正交分解，可得到若干個典型的距平場。一個典型場表示一定的海溫距平分布形式，同時典型場的時間系數(shù)是隨著時間變化，表明相應(yīng)典型場對不同海溫距平場方差貢獻的變化。由于海溫距平典型場每年的強度都會有所變化，其大小可以通過其時間系數(shù)來確定，幾個時間系數(shù)序列排在最前面的典型場，可以綜合體現(xiàn)整個區(qū)域海溫距平場的主要變化特征[10]，典型場權(quán)重系數(shù)的大小體現(xiàn)其對距平場的作用的大小，權(quán)重系數(shù)較大的典型場對距平場的分布形式影響也較大。

通過自然正交函數(shù)分解法分析發(fā)現(xiàn)，黃河上游流域汛期6—10月的徑流與海溫相關(guān)性比較好，而其他月份相關(guān)性較差，則不建議作為預(yù)報。因此，利用北太平洋各月平均海面溫度距平前3個典型場的時間系數(shù)序列，分別與黃河上游流域龍羊峽水文站的汛期6—10月平均流量進行相關(guān)分析,得到相關(guān)性比較好的幾個典型場。從這些典型場的數(shù)據(jù)分布來看，發(fā)現(xiàn)西太平洋赤道附近、南太平洋中部、北太平洋中部及南印度洋中部，這4個區(qū)域的數(shù)值絕對值較大，而其他區(qū)域的數(shù)值大多為0或接近0。結(jié)果表明，西太平洋赤道附近、南太平洋中部、北太平洋中部及南印度洋中部的海溫變化，是影響黃河上游流域汛期流量豐枯的4個關(guān)鍵區(qū)。

2.3 徑流和海溫關(guān)鍵區(qū)的相關(guān)系數(shù)

通過相關(guān)分析[15-16]計算，圖2表示某月全球海溫與汛期龍羊峽入庫徑流相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，黃河上游汛期月徑流量與前期海溫有較高(信度大于0.05)的相關(guān)關(guān)系，這也說明前期海溫是影響黃河上游月徑流量的重要因子之一。具體來說，當西太平洋赤道附近海溫升高時，黃河上游流域汛期流量減少，反之則增加。表2顯示了龍羊峽6、7、8、9、10月徑流與全球海溫的相關(guān)系數(shù)分布，不同月份徑流量相關(guān)密切的海溫區(qū)域和超前的月份各不相同，有以下發(fā)現(xiàn)。

a)6月徑流與3月海溫相關(guān)系數(shù)

b)7月徑流與上一年12月海溫相關(guān)系數(shù)

c)8月徑流與1月海溫相關(guān)系數(shù)

d)9月徑流與1月海溫相關(guān)系數(shù)

e)6—8月徑流與上一年10—12月海溫相關(guān)系數(shù)

f)7—9月徑流與上一年10—12月海溫相關(guān)系數(shù)圖2 某月全球海溫與汛期龍羊峽入庫徑流相關(guān)系數(shù)

表2 龍羊峽6—10月徑流與全球海溫的分布區(qū)域及相關(guān)系數(shù)

6月份徑流影響區(qū)域為西太平洋赤道附近，相關(guān)海溫月份為3月，相關(guān)性為負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.65；7月份徑流影響區(qū)域為南太平洋中部，相關(guān)海溫月份為12月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.66；8月份徑流影響區(qū)域為北太平洋中部，相關(guān)海溫月份為1月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.54；9月份徑流影響區(qū)域有2個，一是北太平洋中部，相關(guān)海溫月份為1月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.52；二是南印度洋中部，相關(guān)性為負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.55；10月份徑流影響區(qū)域為東太平洋中部，相關(guān)海溫月份為1月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.53。洪水期6—8、7—9、8—10月季度平均徑流影響區(qū)域分別為南太平洋中部，南太平洋中部，北太平洋中部，相關(guān)系數(shù)分別大于0.69、0.60、0.57。6—10月平均徑流的影響區(qū)域有2個，一是北太平洋中部，相關(guān)海溫月份為10—12月平均海溫，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.62；二是南印度洋中部，相關(guān)性為負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.52。

3 汛期大氣環(huán)流特征分析

從大氣環(huán)流的層面進一步驗證徑流和全球海溫的分布區(qū)域之間的關(guān)系，根據(jù)研究結(jié)果，對龍羊峽以上汛期(5—10月)500 hPa月平均位勢高度場和風(fēng)場特征進行分析，并對500 hPa水汽通量進行討論。

3.1 汛期500 hPa環(huán)流

從500 hPa環(huán)流場看(圖3)，汛期龍羊峽以上主要受西風(fēng)槽影響，同時還受高原槽、印緬槽以及西太平洋副高等系統(tǒng)影響。影響龍羊峽以上降水的高空槽分為短波槽和長波槽2種。短波槽多出現(xiàn)在平直西風(fēng)環(huán)流形勢下，越上高原后，或與印緬槽結(jié)合，或與西太平洋副熱帶高壓配合。影響龍羊峽以上的長波槽在烏拉爾山附近形成，之后東移，受到高原影響發(fā)生斷裂，分為南北兩支，還有一種大槽是高原南北兩支短波槽在高原中部疊加而成。

汛期青藏高原地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的500 hPa切變線，是龍羊峽以上另一個重要的降水系統(tǒng)。高原切變線一般分為橫切變線和豎切變線2種，以前者出現(xiàn)次數(shù)偏多。橫切變線大多出現(xiàn)在30°N～35°N，是高原南部的西南氣流與高原北部東北氣流之間風(fēng)場不連續(xù)線。豎切變線形成與高原北側(cè)西風(fēng)帶長波槽發(fā)展東移和伊朗高壓進入高原有關(guān)，呈現(xiàn)南—北走向或東北—西南走向。

a)5月圖3 汛期500 hPa月平均位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

b)6月

c)7月

d)8月

e)9月

f)10月續(xù)圖3 汛期500 hPa月平均位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

3.2 汛期500 hPa水汽通量

從500 hPa水汽通量和水汽通量散度的分布看，龍羊峽以上區(qū)域南側(cè)有一支南風(fēng)氣流，將西太平洋水汽輸送至研究區(qū)，高緯冷空氣南下，冷暖空氣在研究區(qū)交匯，產(chǎn)生降水。這支南風(fēng)氣流在汛期各月均比較明顯。特別是在7、8月份，研究區(qū)上空會形成水汽通量輻合的大值區(qū)，中心位于瑪多附近。另一支水汽來自北太平洋中部和南印度洋中部，從9、10月份水汽通量圖上看，明顯有一支偏東氣流在中南半島附近匯入北太平洋中部的南風(fēng)氣流，共同將水汽輸送至研究區(qū)，這與副高9月開始南撤、西伸密不可分。從月平均水汽通量圖上還可以看到，研究區(qū)的一部分水汽自西風(fēng)帶，相比南風(fēng)和東風(fēng)氣流，這支水汽輸送較弱。

4 結(jié)語

a)研究發(fā)現(xiàn)，黃河上游徑流量與海溫關(guān)系十分密切，采用自然正交函數(shù)對北太平洋海溫距平場進行正交分解，找出影響大范圍天氣系統(tǒng)的海溫關(guān)鍵區(qū)。這些關(guān)鍵區(qū)域的變化，對黃河流域汛期水量豐枯、東亞大氣環(huán)流的變化有一定的指示意義。

b)通過全球海溫與某地徑流相關(guān)分析找到了相關(guān)系數(shù)較高的結(jié)果，說明在海溫與徑流之間存在一定的關(guān)聯(lián)。因此，在對黃河上游徑流預(yù)報模型中加入海溫因子，可以提高預(yù)報模型的精確度，從而提高水庫的發(fā)電效益和水資源利用效率，使水庫發(fā)揮最大的社會效益和經(jīng)濟效益。