海溫變化對西北地區(qū)氣候“轉(zhuǎn)型”的影響

摘 要：基于1979—2010年中國臺站降水、GLDAS（Global Land Data Assimilation System）蒸發(fā)數(shù)據(jù)等，求取地表干濕指數(shù)SWI（Soil Water Index），對西北近30年干濕狀況進(jìn)行分析，驗證近30年西北氣候轉(zhuǎn)型存在和延續(xù)的可能性，并通過經(jīng)驗正交分解，對西北地區(qū)夏季降水和SWI的關(guān)系進(jìn)行研究，探討熱帶太平洋海溫對西北地區(qū)氣候變化和氣候轉(zhuǎn)型的影響。得出結(jié)論：（1）近30年來，以新疆為代表的西北地區(qū)SWI呈明顯的上升趨勢，于1987年發(fā)生氣候突變，突變后降水量增加，新疆顯著變濕，表明西北地區(qū)在近30年確實存在由干到濕的轉(zhuǎn)型，且轉(zhuǎn)型仍在延續(xù)，關(guān)鍵區(qū)范圍及位置未發(fā)生變化。對西北地區(qū)夏季降水、SWI等進(jìn)行EOF分解，結(jié)果進(jìn)一步驗證了該結(jié)論。（2）太平洋夏季海溫趨勢變化與新疆、西北地區(qū)降水及SWI變化趨勢同步，北太平洋中部、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的多年平均變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的異常變化有顯著影響。

關(guān)鍵詞：西北地區(qū)；氣候轉(zhuǎn)型；SWI；海溫

中圖分類號：P467 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

施雅風(fēng)等[1]發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)70年代開始，西北氣候發(fā)生了一系列的變化，通過對西北地區(qū)氣溫、降水量、冰川萎縮及冰川融水量、湖泊水位及面積、洪水災(zāi)害頻次、沙塵暴日數(shù)等現(xiàn)象的研究，初步推斷從19世紀(jì)末期到20世紀(jì)70年代，西北地區(qū)可能存在從暖干趨勢向暖濕趨勢的轉(zhuǎn)變，提出了“西北氣候轉(zhuǎn)型”假說。

相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在歐亞大陸50°N地區(qū)存在一個降水顯著增加的緯向帶，其中原位于非洲地區(qū)25°N，

60°E以西的雨帶，沿著25°～30°N緯度帶的降水增加區(qū)北移，與此同時雨帶擴(kuò)展，雨帶的南邊界移至30°N，北邊界跳至45°N，這正是中國西北的西部。因此，近20年中國西北部降水增加并不是一個孤立的局部現(xiàn)象，而是北半球氣候大范圍變化的一部分。

西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型假說提出已有20年，氣象觀測技術(shù)的進(jìn)步和多源數(shù)據(jù)的使用、數(shù)據(jù)分辨率的提高，使研究西北氣候轉(zhuǎn)型的問題有了更堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。研究數(shù)據(jù)的豐富和研究方法的擴(kuò)展使得對中國西北地區(qū)氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的變化趨勢進(jìn)一步進(jìn)行驗證成為可能，其中涉及的關(guān)鍵問題包括西北氣候轉(zhuǎn)型在近30年是否延續(xù)、轉(zhuǎn)型關(guān)鍵年是否發(fā)生變化、關(guān)鍵區(qū)是否有擴(kuò)展轉(zhuǎn)移等。

研究表明，海溫異常對降水的影響至關(guān)重要。西北地區(qū)雖地處內(nèi)陸，但海溫異常仍會影響該地區(qū)降水。王澄海等[2]發(fā)現(xiàn)太平洋海溫變化與西北地區(qū)降水有良好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)同期春季熱帶東太平洋海溫異常偏暖時，西北地區(qū)除青海高原外其余地區(qū)降水量偏少；當(dāng)前期冬季熱帶東太平洋海溫異常偏暖時，翌年西北地區(qū)春季的降水量偏多。

使用近30年西北地區(qū)的降水和蒸發(fā)資料計算地表干濕指數(shù)（Soil Water Index，SWI），其優(yōu)點在于綜合考慮了降水和地表氣溫等因素變化對地表干濕變化的影響。在進(jìn)一步確定西北氣候轉(zhuǎn)型與否的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)驗正交方法分析西北地區(qū)SWI與太平洋海溫之間的關(guān)系，研究熱帶太平洋海溫對西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型是否有影響，繼而探討熱帶太平洋對西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的影響。

1 研究數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

使用的數(shù)據(jù)包括1979—2010年中國2 000多個臺站月平均的降水、溫度，同期美國陸面同化數(shù)據(jù)GLDAS月平均的蒸發(fā)資料，Hadley中心月平均海溫。

1.2 研究方法

地表干濕指數(shù)（SWI）是表征氣候干濕變化的物理量，基本機(jī)理是考慮影響表面干濕變化的2個主要因素：降水變化（P）和地表潛在蒸發(fā)（E）確定某區(qū)域氣候干濕變化的趨勢[3]。年SWI可定義為：

SWI=P/E

其中，P為觀測年降水量，E是年潛在蒸發(fā)量，可以通過改進(jìn)的Thornthwaite方法獲得。此處使用GLDAS提供的潛在蒸發(fā)與臺站月平均降水計算SWI。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆和西北地區(qū)近30年的氣候干濕變化

對新疆1979—2010年SWI、降水隨時間變化趨勢分析和檢驗，發(fā)現(xiàn)SWI和降水均呈先降后升趨勢，均于1987年發(fā)生突變，均位于1.96置信區(qū)間。20世紀(jì)初期以后，新疆SWI、降水增長的趨勢顯著，UF曲線超過0.05的顯著性水平，說明新疆近10年顯著變濕。SWI與降水變化一致也表明新疆的SWI變化主要受降水影響，降水是決定西北干濕變化狀況的關(guān)鍵因子[4]。

西北地區(qū)降水變化與新疆降水變化趨勢類似，但檢驗發(fā)現(xiàn)1987年后西北降水增加趨勢不顯著，UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量存在多個交點，無法準(zhǔn)確判斷西北地區(qū)降水變化和氣候向暖濕變化的準(zhǔn)確時間點，可能是由于年際波動大導(dǎo)致交點多，但西北地區(qū)確實出現(xiàn)了氣候轉(zhuǎn)型的信號。

西北地區(qū)主要是新疆地區(qū)于1987年發(fā)生氣候突變，1987年后降水顯著增加，地表更濕潤。除此之外，在20世紀(jì)90年代和20世紀(jì)初期，新疆地區(qū)也處于顯著變濕的時期，通過0.05的顯著性水平。表明近30年，在1987年前后，以新疆為代表的西北地區(qū)確實存在由干到濕的氣候轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，轉(zhuǎn)型仍在持續(xù)且轉(zhuǎn)型顯著。

氣候轉(zhuǎn)型假說指出，西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的顯著轉(zhuǎn)型區(qū)位于新疆北部、青海和甘肅交界地區(qū)，現(xiàn)對西北地區(qū)SWI的空間分布進(jìn)行分析，研究近30年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)是否發(fā)生變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1979—1986年在新疆北部、青海和甘肅交界處等地區(qū)存在SWI的高數(shù)值區(qū)，1987年后在以上區(qū)域SWI的高值仍存在，與施雅風(fēng)等的研究結(jié)果類似，但顯著性更高，表明這些區(qū)域在轉(zhuǎn)型后更濕潤，變濕的可能性更強(qiáng)。圖1c進(jìn)一步說明了這個情況。由圖1d表明，新疆北部、青海、甘肅、內(nèi)蒙古西部的SWI在近30年均呈上升趨勢，且多數(shù)地區(qū)通過95%的顯著性檢驗，即西北地區(qū)大部分地區(qū)存在顯著變濕趨勢。

對SWI（已進(jìn)行中心化）做EOF分解能更好地展示西北干濕轉(zhuǎn)變的時空分布特征。圖2給出了西北地區(qū)夏季SWI前2個模態(tài)的空間分布特征。由SWI的第一模態(tài)發(fā)現(xiàn)1987年發(fā)生氣候突變，由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變，與前文所得結(jié)論一致。分析第二特征向量場發(fā)現(xiàn)，沿西藏東部、青海南部、甘肅南部、陜西南部SWI南北呈反位相變化，反映了青藏高原對SWI空間分布的影響。

由西北地區(qū)夏季降水的第一二模態(tài)發(fā)現(xiàn)（圖略），轉(zhuǎn)型關(guān)鍵地區(qū)于1987年降水發(fā)生突變，在轉(zhuǎn)型年前1985—1986年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)降水減少，1987—1989年的降水增多，與SWI變化一致。同時由降水第一時間系數(shù)圖可知2004年后新疆降水增加。研究發(fā)現(xiàn)，SWI前3個特征向量場與降水的特征向量場分布基本一致，進(jìn)一步說明SWI變化主要受降水影響，降水是決定西北干濕變化狀況的關(guān)鍵因子。

2.2 海溫對西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的影響

分析熱帶東太平洋夏季海溫序列變化，發(fā)現(xiàn)熱帶東太平洋夏季海溫1979—1986年呈下降趨勢，1987—2010年呈現(xiàn)上升趨勢，與新疆、西北地區(qū)的降水和SWI的變化趨勢一致。預(yù)示著熱帶太平洋海溫變化與西北夏季降水和干濕變化存在一定內(nèi)在聯(lián)系。

為探討太平洋海溫與西北干濕變化及西北氣候轉(zhuǎn)型的關(guān)系，計算經(jīng)EOF分解后西北地區(qū)夏季SWI的第一、二、三、四時間系數(shù)與太平洋海溫之間的相關(guān)性并進(jìn)行檢驗（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)：北太平洋中部、熱帶西太平洋、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的多年平均狀態(tài)變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的異常變化有顯著影響。

3 結(jié)論

新疆、西北地區(qū)降水和SWI在1979—1986年呈下降趨勢，1987—2010年新疆、西北地區(qū)的降水和SWI呈現(xiàn)上升趨勢。太平洋夏季海溫變化趨勢與新疆、西北地區(qū)的降水、SWI變化趨勢同步。進(jìn)一步對西北地區(qū)夏季降水進(jìn)行EOF分析，由降水第一模態(tài)發(fā)現(xiàn)1979—1986年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)降水減少，1987—1989年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)降

水增加，為1987年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)發(fā)生氣候突變提供了論據(jù)。對西北地區(qū)夏季SWI進(jìn)行EOF分析，發(fā)現(xiàn)1985—1986年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)地表干旱，1987年轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)地表濕潤，能證明轉(zhuǎn)型關(guān)鍵區(qū)于1987年發(fā)生氣候突變，由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型。通過分析太平洋夏季海溫與西北地區(qū)夏季SWI前4個時間系數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)北太平洋中部、熱帶西太平洋、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的多年平均狀態(tài)變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區(qū)對西北地區(qū)夏季SWI的異常變化有顯著影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 施雅風(fēng)，沈永平，李棟梁，等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢探討[J].第四紀(jì)研究，2003（2）：152-164.

[2] 王澄海，王式功，楊德保，等.中國西北春季降水與太平洋海溫相關(guān)特征的研究[J].熱帶氣象學(xué)報，2002（4）：374-382.

[3] 張志華，陳幸榮，蔡怡.中國近海海溫年際年代際振蕩關(guān)鍵海區(qū)分析研究[J].海洋預(yù)報，2012，29（4）：1-6.

[4] 黃山江.西北地區(qū)春季和夏季降水異常及其與赤道中東太平洋海溫異常的關(guān)系[D].南京：南京氣象學(xué)院，2004.

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：趙璐（1998—），女，青?；∪?，助理工程師，主要從事短期、短臨氣象預(yù)報預(yù)警服務(wù)工作。#通信作者：張少晨（1997—），男，青海同仁人，助理工程師，主要從事綜合觀測、氣象信息網(wǎng)絡(luò)方面管理工作，E-mail：1003082991@qq.com。