雅魯藏布江河谷盛夏降水年際變化及其與環(huán)流的聯(lián)系

邊巴卓嘎 赤曲 周順武 吳萍 孫陽

摘要 基于近57 a（1961—2017年）西藏雅魯藏布江中游河谷地區(qū)（簡稱雅江河谷）4個站（拉薩、日喀則、澤當(dāng)和江孜）盛夏（7—8月）月平均降水和同期NCEP/NCAR再分析資料，采用合成、相關(guān)分析等統(tǒng)計診斷方法，分析了雅江河谷盛夏降水的年際變化特征及其與大氣環(huán)流的聯(lián)系。結(jié)果表明：1）近57 a雅江河谷盛夏降水無顯著線性趨勢，降水主要以3～4 a顯著周期的年際振蕩為主。2）雅江河谷盛夏降水年際波動與區(qū)域內(nèi)水汽收支的變化直接相關(guān)，其中印度半島-東南亞異常反氣旋引起的水汽輸送通量和水汽在高原腹地輻合上升的動力過程是盛夏降水年際變化的主要原因。3）對流層中低層印度半島-東南亞異常反氣旋環(huán)流是該地區(qū)盛夏降水年際異常的重要水汽輸送通道，該通道將西太平洋、南海和孟加拉灣等地水汽不斷輸送到高原，期間西太副高和伊朗高壓等大尺度系統(tǒng)異常對水汽輸送過程起到了重要作用，同時高原盛夏季風(fēng)低壓和南亞高壓異常給水汽在高原腹地輻合抬升提供了動力條件。

關(guān)鍵詞雅魯藏布江河谷;盛夏降水;年際變化;水汽輸送;大氣環(huán)流

青藏高原（下稱高原）是世界上海拔最高的高原，被稱為“世界屋脊”，有著眾多的冰川、湖泊及河流，其豐富的水資源素有“亞洲水塔”（Xu et al.，2008）和“濕池”（朱?？档?，2000）的美譽。降水作為高原水循環(huán)中的重要因素，其變化受到了人們的廣泛關(guān)注（Niu et al.，2004;朱艷欣和桑燕芳，2018;孫暢等，2019）。

雅魯藏布江（下稱雅江）是我國境內(nèi)最長的高原河流，也是世界上海拔最高的河流之一，其特殊的地理位置在高原氣候和生態(tài)環(huán)境中具有重要的意義。在全球變暖的背景下，洪旱等災(zāi)害因子的氣候變化，正影響著該流域水資源的演化（胡博亭等，2019）。以往許多學(xué)者針對高原降水的時空演變特征做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)高原降水存在顯著的區(qū)域性和季節(jié)性（齊文文等，2013;王傳輝等，2015;李曉英等，2016;Sang et al.，2016）。雅魯藏布江流域作為高原上對旱澇異常敏感的典型區(qū)域（赤曲等，2020;周順武等，2000），在全球變暖背景下該流域無論是年降水，或是夏季降水并無顯著線性趨勢（楊志剛等，2014;Sang et al.，2016;張文霞等，2016），而是以年際振蕩為主（Sang et al.，2016;張文霞等，2016）。

高原位于西風(fēng)和季風(fēng)兩大環(huán)流系統(tǒng)的交匯區(qū)（姚檀棟等，2017;李秀美等，2019），兩大環(huán)流的相互作用及強弱變化影響著高原降水的演變（李云康等，1991）。中緯度西風(fēng)強度受北大西洋濤動（North Atlanta Oscillation，NAO）制約（Yang et al.，2004），而西風(fēng)對高原動力作用和水汽輸送影響著高原降水的變化，因此NAO為主的北大西洋大氣活動是高原夏季降水時空演變原因之一（劉曉東和侯萍，1999;劉煥才和段克勤，2012）。高原夏季降水的水汽供應(yīng)主要來自印度夏季風(fēng)的活動，因此印度夏季風(fēng)的活動對高原夏季降水有著重要影響（周順武和假拉，2003;任倩等，2017;胡夢玲和游慶龍，2019;孫亦和鞏遠發(fā)，2019;湯秋鴻等，2020）。印度季風(fēng)通過調(diào)整局地環(huán)流系統(tǒng)而導(dǎo)致水汽、動力等過程異常而影響高原夏季降水（孫亦和鞏遠發(fā)，2019）。夏季季風(fēng)環(huán)流增強可導(dǎo)致高原南側(cè)上升運動增強、南向輸送高原的水汽和動力異常進而影響高原的降水（胡夢玲和游慶龍，2019）。印度夏季風(fēng)活動不僅與高原整體降水有著密切聯(lián)系，且對高原局地降水變化也起著重要的作用。季風(fēng)區(qū)水汽輸送強弱與高原夏季降水直接相關(guān)，發(fā)現(xiàn)季風(fēng)加強有利于高原以南的水汽進入高原內(nèi)部，認為大尺度環(huán)流變化是造成水汽輸送和降水變化的主要原因（Gao et al.，2014），因此西藏高原汛期降水異常與印度季風(fēng)水汽輸送變化有著很好的關(guān)系（林志強等，2011），其中雅魯藏布江流域夏季降水的年際變化是印度夏季風(fēng)活動導(dǎo)致的異常水汽輸送造成的（張文霞等，2016）。

綜上，高原夏季降水的時空演變特征及機理研究已經(jīng)取得了顯著的成效;但大多數(shù)是針對整個高原，很少涉及高原上典型的區(qū)域。高原由于地形的復(fù)雜，降水的空間差異是顯著的（李曉英等，2016;Sang et al.，2016;姚秀萍等，2019），同時也存在季節(jié)內(nèi)的差異性（次仁央宗等，2016）。本文以西藏高原腹地對旱澇異常敏感的雅魯藏布江中游河谷地區(qū)作為典型區(qū)域，著重探討該地區(qū)盛夏（7—8月）降水年際變化規(guī)律，并從水汽、動力等條件及其背景環(huán)流的異常變化揭示該地區(qū)盛夏降水年際變化的可能的原因。

1 資料與方法

降水資料采用西藏氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心整編提供的西藏常規(guī)站點的月值降水資料。選取雅江河谷1961—2017年盛夏緯度、海拔高度和降水趨勢系數(shù)相近（圖1）的拉薩、日喀則、澤當(dāng)和江孜4個代表站（圖1中紅色虛線方框內(nèi)站點）的資料，并通過算術(shù)平均給出該地區(qū)盛夏降水序列。

大氣環(huán)流資料選用同期美國國家環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）全球逐月再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，主要要素包括600 、500和100 hPa的位勢高度，1 000～100 hPa共11層氣壓層的比濕、垂直速度以及水平風(fēng)場等，其中比濕為1 000～300 hPa。

采用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）（Huang and Wu，2008;Wu et al.，2008）、小波分析（魏鳳英，2007）分析雅江盛夏降水年際變化特征。在分析雅江盛夏降水年際異常相聯(lián)系的環(huán)流背景時使用了合成分析、相關(guān)分析和t檢驗等方法（魏鳳英，2007;黃嘉佑和李慶祥，2015）。

2 雅江盛夏降水的年際變化

1961—2017年雅江盛夏降水距平序列（圖2）顯示，雅江盛夏降水所有基準(zhǔn)年以10 a以下正負交替的趨勢變化為主，年際波動特征明顯，年際變率大（年際標(biāo)準(zhǔn)差為64.38 mm，占盛夏多年平均降水的20%），降水無顯著線性趨勢（0.323 mm·（10 a）-1）;小波分析也顯示其存在顯著的準(zhǔn)3～4 a周期的年際振蕩（圖略）。

對雅江盛夏降水進行EEMD分解，得到了4個本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）（圖3a、b、c、d），高頻本征模態(tài)（年際信號）IMF1和IMF2的年際變率方差貢獻達到了72.29%，而IMF3和IMF4低頻本征模態(tài)（年代際和多年代際信號），方差貢獻僅占27.7%。這進一步表明了雅江盛夏降水年際變化顯著的特征。

綜上，近57 a來雅江盛夏降水主要特征為顯著的年際振蕩。有研究指出高原降水的年際變率與異常的水汽輸送相聯(lián)系的環(huán)流背景有關(guān)（張寧瑾等，2018;孫暢等，2019）。以下從水汽輸送及相聯(lián)系環(huán)流特征出發(fā)，通過合成分析探討雅江盛夏降水年際變化的可能原因。在合成分析時為了避免線性趨勢對相關(guān)結(jié)果的影響，對雅江盛夏降水序列做了去線性趨勢處理，并把去趨勢后標(biāo)準(zhǔn)化序列定義為雅江盛夏降水指數(shù)（Midsummer Precipitation Index，MPI）。并將MPI大于（小于）1.2倍的標(biāo)準(zhǔn)差的值定義為雅江盛夏降水異常偏多（偏少）年，其中偏多年包括1962、1988、1998、2000、2014和2016年，偏少年為1967、1975、1982、1983、1994、1997和2006年。

3 雅江盛夏降水年際變化相聯(lián)系的環(huán)流背景

3.1 雅江盛夏降水年際異常對應(yīng)的水汽輸送

水汽作為降水的必要條件，其輸送與收支是影響區(qū)域降水的重要環(huán)節(jié)。分析雅江盛夏降水年際變化相聯(lián)系的水汽收支情況，選取雅江所在80°～100°E、25°～35°N的空間范圍作為關(guān)鍵區(qū)域（圖4矩形區(qū)域），計算了57 a該區(qū)域平均整層水汽通量凈輻合及各邊界輸入（或輸出）的水汽通量（圖4）。如圖所示，關(guān)鍵區(qū)域水汽輸入南邊界（2 165.98 kg·m-1·s-1）遠大于西邊界（252.28 kg·m-1·s-1），而輸出東邊界（303.38 kg·m-1·s-1）大于北邊界（46.19 kg·m-1·s-1），由此可以看出，關(guān)鍵區(qū)域盛夏水汽凈輻合主要為經(jīng)向水汽流的輻合。同時，該區(qū)域盛夏水汽凈輻合去趨勢后序列與MPI在年際變化上存在著顯著的正相關(guān)（r=0.41，p<0.01）（圖略），說明雅江盛夏降水年際變化與區(qū)域內(nèi)水汽收支的多寡直接相關(guān)，而水汽主要來自南風(fēng)水汽流的輻合。

進一步由MPI偏多年和偏少年整層水汽通量合成差值場（圖5）發(fā)現(xiàn)，赤道以北5°～30°N之間存在緯向帶狀分布的異常反氣旋水汽輸送通量，其底部異常東風(fēng)將西太平洋、南海等地的水汽輸送到孟加拉灣-印度半島一帶，并在此分成兩支氣流，一支在中南半島以南-澳大利亞異常氣旋西側(cè)偏北風(fēng)的作用下經(jīng)印度洋向赤道以南輸送，另一支繼續(xù)穿過印度半島到達阿拉伯海，期間相繼攜帶孟加拉灣和阿拉伯海的水汽，并在印度半島-孟加拉灣附近反氣旋切變的作用下轉(zhuǎn)向通過高原西南側(cè)進入高原腹地，此異常水汽輸通道均通過了95%置信度的顯著性水平檢驗。正是這樣一條顯著異常的水汽輸送通道將西太平洋、南海、孟加拉灣和阿拉伯海等地水汽源源不斷地輸送到高原上空，期間赤道以北的異常東風(fēng)和孟加拉灣-印度半島附近異常反氣旋起到了至關(guān)重要的作用。

降水的出現(xiàn)不僅要有充足水汽輸送，同時要具備水汽輻合上升的動力條件。分析MPI偏多年和偏少年對流層中低層平均水汽通量散度合成差值場（圖略）發(fā)現(xiàn)，高原腹地對流層中低層存在異常的水汽強輻合中心。同時，由MPI偏多年和偏少年30°～32.5°N（雅江緯度跨度區(qū)）平均緯向垂直環(huán)流和垂直速度合成差值場（圖6）可知，雅江地區(qū)（85°～100°E）對流層整層存在異常的垂直上升運動區(qū)，而對流層中高層300 hPa以上該地區(qū)兩側(cè)異常的偏西風(fēng)和偏東南風(fēng)在此輻合而產(chǎn)生強的上升區(qū)，從而致使低層空氣不斷抽吸到高層而維持該異常的上升支;并產(chǎn)生了顯著異常的垂直速度負的大值中心（虛線，通過95%置信度的顯著性水平檢驗）。

以上分析可知，雅江盛夏降水的年際波動與區(qū)域內(nèi)水汽的凈輻合的變化直接相關(guān)，而水汽凈輻合主要來自南邊界輸送。高原南部印度半島-東南亞一帶異常反氣旋水汽通量輸送場是雅江盛夏降水年際異常的重要水汽輸送通道，該通道將西太平洋、南海和孟加拉灣等地的水汽源源不斷地輸送到高原腹地。高原腹地對流層低層異常的水汽強幅合中心及整層異常顯著的垂直上升區(qū)，為水汽輻合抬升提供了動力條件。

3.2 雅江盛夏降水年際異常對應(yīng)環(huán)流特征

水汽等物理量的平流輸送和局地輻合抬升是由大尺度大氣環(huán)流變化造成的。圖7給出了MPI年際異常對應(yīng)的對流層高低層環(huán)流合成差值場。如圖所示，500 hPa環(huán)流場（圖7a）位勢高度大體表現(xiàn)為經(jīng)向的“+-+”的異常波列，對應(yīng)風(fēng)場（圖7c）上為反氣旋和氣旋的交替出現(xiàn)。具體來看，印度半島至東南亞地區(qū)存在異常的反氣旋環(huán)流，這與整層水汽通量的分布相一致（圖5），說明對流層中低層環(huán)流異常是引起水汽輸送異常的主要原因。而在反氣旋底部，赤道以北5°～20°N一帶存在異常的東風(fēng)氣流，此氣流正是西太平洋、南海等地水汽向東輸送的重要紐帶。

另外，西太平洋副熱帶地區(qū)位勢高度異常偏高，西太平洋副熱帶高壓（下稱西太副高）偏西偏強;MPI偏多（少）年對應(yīng)的西太副高脊線（5 880 gpm線）有顯著差異（圖7a中的等值線），MPI偏多年西太副高脊線位置偏西范圍更廣，西太副高偏強偏西有利于其南側(cè)東風(fēng)偏強偏西，有利于水汽輸送相聯(lián)系的東風(fēng)氣流的持續(xù)維持。同時，伊朗高壓的強度和位置始終沒有明顯的變化，其穩(wěn)定維持對東風(fēng)氣流遇它而轉(zhuǎn)向上高原的過程也起到了一定的作用。

與對流層中低層環(huán)流相對應(yīng)的高層（100 hPa）環(huán)流場（圖7b）上，西太平洋地區(qū)受異常氣旋環(huán)流控制，位勢高度偏低;對應(yīng)500 hPa上副高，高層輻合，低層輻散，有利于該地區(qū)產(chǎn)生下沉運動，從而促使低層西太副高的偏強。而高原上空位勢高度偏高，以異常的反氣旋控制，說明南亞高壓偏強，中心位于高原之上，高層的抽吸作用加強，這種作用疊加在中低層異常氣旋性環(huán)流之上，有利于中低層水汽幅合上升，從而導(dǎo)致降水偏多。

此外，蒙古高原附近反氣旋底部的偏東風(fēng)氣流和印度半島-東南亞異常反氣旋前部西南氣流在高原匯合而形成局地的氣旋式環(huán)流，此氣旋環(huán)流給輸送至此的水汽提供了輻合上升的動力條件，加之高層南亞高壓的強抽吸作用，從而致使雅江等地降水偏多。為了驗證此結(jié)論，本文參照湯懋蒼等（1987）計算高原季風(fēng)指數(shù)的方法，選取高原地形中心點（90°E，32.5°N）和周圍四個點（80°E、32.5°N，90°E、25°N，100°E、32.5°N，90°E、40°N），將周圍四點和4倍的中心點500 hPa位勢高度距平差表征此氣旋環(huán)流的強度（Cyclone Intensity，CI），并去趨勢后標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果與MPI年際變化上做對比分析（圖8）。結(jié)果兩者有較一致的年際變化，呈顯著正相關(guān)（r=0.55，p<0.01）。說明，高原盛夏季風(fēng)低壓對雅江盛夏降水年際變化起到了重要的作用。

為了進一步探討異常環(huán)流引起雅江盛夏降水年際變化的熱力和動力條件。分別計算了MPI異常對應(yīng)的對流層高低層異常風(fēng)引起的溫度平流和相對渦度平流。圖9給出了MPI偏多年和偏少年500和100 hPa溫度（等值線）和溫度平流合成差值場。由圖可以看出，高原腹地低層500 hPa溫度為正異常，對應(yīng)高層100 hPa為負異常，這種下暖上冷的溫度層結(jié)有利于產(chǎn)生對流不穩(wěn)定而引起上升運動。溫度平流結(jié)合環(huán)流場（圖7）來看，500 hPa上高原腹地有蒙古高原異常反氣旋底部偏東風(fēng)帶來的冷平流和印度半島-東南亞異常反氣旋前部西南風(fēng)帶來的暖平流在此匯合;低層冷暖氣流的匯合利于產(chǎn)生熱力輻合抬升機制，促使低層低值系統(tǒng)的發(fā)展。高層100 hPa對應(yīng)的是明顯的暖平流，有利于暖性的南亞高壓進一步加強，同時高層的暖蓋結(jié)構(gòu)可促進熱力上升運動。這種環(huán)流異常造成的溫度垂直層結(jié)和平流的異常是雅江盛夏降水年際變化的重要熱力原因。

從MPI年際異常的高低層相對渦度及相對渦度平流差值場來看（圖10），500 hPa上高原受正的渦度（等值線）控制，對應(yīng)低層的氣旋環(huán)流（圖7），并不斷有正渦度平流輸送，有助于高原腹地低層氣旋環(huán)流進一步加強。而高層100 hPa對應(yīng)的是南亞高壓的負渦度區(qū)，并有風(fēng)異常引起的負渦度平流輸送，可促使南亞高壓進一步增強。這種局地渦度變化受環(huán)流異常引起的渦度平流的作用是雅江盛夏降水年際變化的重要動力原因。

綜上，雅江盛夏降水年際變化是大氣環(huán)流異常造成的。對流層中低層印度半島-東南亞異常反氣旋是雅江盛夏降水年際波動的重要的水汽輸送通道;期間西太副高的異常和伊朗高壓的穩(wěn)定維持都對這條水汽輸送起到了重要的作用。高原季風(fēng)低壓給低層水汽輻合抬升提供了動力條件，南亞高壓的抽吸加促了這種作用。同時異常環(huán)流引起溫度平流和相對渦度平流對與雅江盛夏降水年際振蕩相聯(lián)系的系統(tǒng)變化起到了至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)論與討論

本文以青藏高原腹地雅魯藏布江中游河谷地區(qū)作為典型的研究區(qū)域，分析了近57 a來該地區(qū)盛夏降水的年際變化特征，并初步探討了年際變化可能的原因。主要結(jié)論歸納如下：

1）近57 a來雅江盛夏降水無顯著的線性趨勢（0.322 mm·（10 a）-1，未通過顯著性檢驗），以3 a左右顯著周期的年際振蕩為主，且年際變率大（年際標(biāo)準(zhǔn)差為64.34 mm）。

2）雅江盛夏降水的年際變化與區(qū)域內(nèi)水汽收支多寡直接相關(guān)，水汽主要來自經(jīng)向風(fēng)的輻合。高原南部印度半島-東南亞異常反氣旋水汽輸送通量場將西太平洋、南海和孟加拉灣等地的水汽源源不斷地輸送到高原腹地。高原腹地低層異常的水汽強幅合中心及整層異常顯著的垂直上升區(qū)，為水汽提供了動力抬升。

3）雅江盛夏降水年際波動與大氣環(huán)流異常直接相關(guān)。對流層中低層印度半島-東南亞異常反氣旋是雅江盛夏降水年際振蕩的重要的水汽輸送通道;期間西太副高的異常和伊朗高壓的穩(wěn)定維持都對這條水汽輸送起到了重要的作用。高原季風(fēng)低壓給低層水汽輻合抬升提供了動力條件，南亞高壓的抽吸加促了這種作用。同時異常環(huán)流引起溫度平流和相對渦度平流對與水汽動力抬升相聯(lián)系的系統(tǒng)變化起到了重要的作用。水汽異常相聯(lián)系的環(huán)流背景是造成雅江盛夏降水年際變化的根本原因。

本文在探討雅江盛夏降水年際變化的成因時發(fā)現(xiàn)對流層中低層印度半島-東南亞異常的反氣旋的作用不容忽視。通過對MPI偏少年和偏多年86°～100°E平均經(jīng)向垂直環(huán)流合成差值場分析（圖11），發(fā)現(xiàn)雅江盛夏降水偏少時高原腹地為異常顯著的下沉區(qū)，而北印度夏季風(fēng)活動區(qū)（10°～20°N）為異常顯著的上升區(qū)。而且雅江盛夏降水與印度半島盛夏季風(fēng)降水序列（資料來自印度熱帶氣象研究所）呈反相關(guān)（r=-0.19），與盛夏北印度季風(fēng)降水（印度半島西北部）呈顯著的負相關(guān)（r=-0.26，p<0.05）。那么印度盛夏季風(fēng)活動異常是否對雅江盛夏降水的年際變化有重要作用呢？背后的機制如何？值得下一步進行深入的探討。青藏高原區(qū)域大、下墊面特征復(fù)雜，具有豐富的氣候特征，導(dǎo)致高原降水的變化特征的區(qū)域和季節(jié)差異性，受不同的天氣系統(tǒng)和環(huán)流系統(tǒng)控制，降水的變化特征，有必要從時間和空間上進行精細化分析，這樣可提供更有價值的氣候信息。本文僅針對高原雅江河谷地區(qū)降水異常進行研究，后期有必要分析高原上不同區(qū)域上降水異常的影響機理，為降水預(yù)測提供理論依據(jù)。

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Interannual variations of midsummer precipitation in the Yarlung Zangbo River valley area and its relationship with circulation

BIANBA Zhuoga1，2，CHI Qu1，2，ZHOU Shunwu1，WU Ping3，SUN Yang1

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change（ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster（CIC-FEMD）/Joint Center for Data Assimilation Research and Applications，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Meteorological Observatory of Tibet Autonomous Region，Lhasa 850000，China;

3National Climate Centre，Beijing 100081，China

In this study，based on the average precipitation of the summer （July—August） and the NCEP/NCAR atmospheric circulation data of four stations （Lhasa，Shigatse，Zedang and Jiangzi） in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River in the hinterland of the Tibet Plateau over the past 57 years （1961—2017），synthesis，correlation analysis and other methods are used to analyze the interannual variation characteristics of summer precipitation in the region，along with its possible causes.The results show the following：1） There is no significant linear trend in the summer precipitation in the region during the past 57 years，and the interannual oscillations of the significant period around 3 a are dominant.2） The interannual variation of summer precipitation in the region is directly related to the amount of the water vapor budget in the region.The anomalous anti-cyclonic water vapor flux transport in the Indian Peninsula-Southeast Asia and the dynamic process of water vapor in the plateau hinterland are the main reasons for the interannual oscillations of midsummer precipitation.3） The troposphere in the bottom of the Indian Peninsula-Southeast Asia anomalous anticyclonic circulation is an important water vapor transport channel for the interannual anomalies of midsummer precipitation in the region.The channel continuously transports water vapor to the plateau in the western Pacific，South China Sea and Bay of Bengal.During this period，large-scale system anomalies，such as the West Pacific subtropical high and the Iranian high pressure，played an important role in the water vapor transport process.At the same time，the plateau and the summer monsoon low pressure and South Asia high pressure provided the dynamic conditions for the water vapor to rise and rise in the plateau hinterland.

Yarlung Zangbo River valley;midsummer precipitation;interannual variations;water vapor transport;atmospheric circulation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201010005

（責(zé)任編輯：劉菲）