西北地区大气水汽含量时空分布及其输送研究

利用ECMWF和NCEP/NCAR 1979-2016年逐月再分析资料,分析了我国西北地区大气水汽含量的时空分布及其输送特征。结果表明：（1）西北地区水汽含量在20世纪80年代中期至90年代末呈增多趋势,从90年代开始至21世纪初呈减少趋势。就季节而言,西北地区夏季水汽含量最多,占年平均水汽含量的46.6%。（2）西北地区水汽分布与降水分布具有一致性,水汽含量主要集中在西北地区东部及其西部的天山山脉、塔里木盆地东部一带,达12～30 mm,中部水汽含量较少,不足10 mm,水汽含量的空间分布呈现出“两边高中间低”的分布形式。（3）西北地区水汽输送以西风和季风两大环流系统为主,纬向西风水汽输送可达100～500 kg·m^-1·s^-1,在全年水汽输送中占主要地位,夏季从印度洋来的强度可达100～200 kg·m^-1·s^-1的西南季风水汽输送对西北地区东部影响较显著。（4）西北地区水汽源主要位于新疆天山山脉、青海中东部、甘肃河西走廊中西段、宁夏和陕西北部等地区,而水汽汇则位于甘肃南部、陕西南部一带。     

东北地区大气水汽输送和收支

利用1948-2006年NCEP逐日再分析资料(纬向风速、经向风速和比湿),计算了东北地区大气水汽输送和收支及其年代际变化.东北地区大气水汽输送主要集中在夏季.夏季水汽输送主要以西南风和南风为主,影响水汽输送的两个主要天气系统是西北太平洋副热带高压和东北冷涡.分析水汽通量散度的计算值,发现东北地区是明显的水汽汇集区.东北地区水汽输送和收支有明显的年际变化,并存在13-18 a周期的年代际变化特征.目前,东北地区处于大气水汽净收入低值时期,水汽输送和收支减少的趋势与21世纪以来东北地区连续出现的干旱有着密切的联系.     

夏季东亚地区水汽输送年代际变化特征及其对中国东部降水的影响

利用经验正交函数(EOF)分析方法和1951-2004年NCEP/NCAR月平均再分析资料及160个中国地面测站月降水资料,对夏季东亚地区水汽输送的年代际变化特征及其对中国东部降水的影响进行分析.研究结果表明:20世纪70年代中后期至90年代初期,中国东部夏季降水以"南北旱中间涝"分布型为主,90年代初期之后则以"南涝北旱"分布型为主,呈现出显著的年代际变化特征,即20世纪90年代后雨带南移的特征开始明显:夏季整层水汽输送通量主模态的空间结构及其时间系数可以较好地反映出近50年来东亚大陆东部经向水汽输送从1974年起由强变弱的"转折点"特征及其年代际减弱变化趋势:印度大陆和孟加拉湾北部、长江中下游地区、南海以及热带西太平洋地区纬向水汽输送从1973年起由弱变强的"转折点"特征及年代增强变化趋势.揭示了东亚夏季水汽输送年代际分量主模态的时空演变造成中国东部夏季降水从"南北旱中间涝"分布型转向"南涝北旱"分布型,即中国东部夏季雨带呈现出南移年代际变化特征的关键因素之一.     

1960-2010年中国降水区域分异及年代际变化特征

利用1960-2010年中国1840个台站年降水量数据,采用经验正交函数(EOF)和旋转经验正交函数分解方法(REOF)对降水进行分区,并对各区降水的变化特征进行了研究.结果表明:基于多站点资料结合REOF方法实现的降水分区与中国降水实际区域分异特征比较符合,并与中国气候区划相一致.中国各区降水变化特征分析表明,东部各区降水在20世纪70年代末、80年代末-90年代初和21世纪初发生雨带的南北移动过程,其中夏季雨带的移动主要受东亚夏季风和大气环流年代际变化的影响.西北地区降水以1985/1986年为突变年,西北西部地区降水由前期偏少转为偏多,主要与来自阿拉伯海和里海异常偏多的水汽输送有关;西北东部地区降水由前期偏多转为偏少,主要与季风的年代际减弱有关.东北地区降水在80年代初由前期接近正常转为偏多,90年代末降水由前期偏多转为偏少,主要与季风和西北太平洋水汽输送的年代际变化相关.西南部各区降水阶段性变化明显,2000年以前西南东北部地区降水与西部地区基本呈反向变化,主要受青藏高原地形、东亚季风和副热带高压等因素的影响,降水阶段性变化明显、成因复杂.     

西北地区东部夏季水汽输送特征及其与降水的关系

采用ERA Interim 再分析资料和160 站逐月站点降水资料,运用经验正交函数（EOF）分析、合成分析等方法揭示了西北东部3 个分区的水汽输送的区域气候特征、与降水EOF气候模态相对应的整层水汽输送特征以及降水偏多（少）年的水汽输送异常特征。结果表明：西北地区东部夏季经向水汽输送的大值区处于900 hPa~800 hPa 高度上;纬向水汽输送大值位于700 hPa~500 hPa 高度上。对西北东部降水做EOF 分析,第一模态为全区一致型,与降水相对应的西风影响区主要盛行西风水汽输送,季风边缘区的南部盛行西南风水汽输送;第二模态为东南-西北型,东风、东北风水汽输送流入西北东部地区;第三模态为东北－西南型,西风和西北风水汽输送将水汽带到西风影响区内。     

伊犁河流域水汽含量时空变化及其和降水量的关系

利用1976-2006年伊宁探空站的实测资料计算了逐月水汽含量,结合地面水汽压建立适合于伊犁河流域的W-e模型,结合DEM重建了1961-2009年伊犁河流域的月均水汽含量,利用EOF和交叉谱方法分析水汽含量和降水量的时空分布特征,并分析夏季干湿年、典型强降水过程中水汽输送特征。结果表明：大气水汽含量在空间分布上表现为西部多于东部、平原多于山地、迎风坡大于背风坡,下游平原及上游河谷地带是高值区,水汽含量在13～15 mm,这与地形和绿洲城镇的分布有关;在850 hPa至700 hPa的高度上存在一个最大水汽含量带,对应海拔约2 000 m。水汽含量年代际变化呈上升趋势,夏季增加明显（0.48 mm/10a）。降水量和水汽含量标准化场EOF分解表明两者的时空分布极为相似,存在气候振动的一致性和河谷南北相反的分布型式。雨季水汽含量源地以热带海洋为主,同时也受北冰洋为源地的西北向水汽输送的影响。     

基于标准化降水指数的1960—2011年中国不同时间尺度干旱特征

利用1960—2011年中国566个气象站逐日降水资料,采用标准化降水指数对近52年中国的干旱特征进行了详细分析。结果表明：近52年来,中国存在一条由东北向西南延伸的干旱趋势带,东北、内蒙古中东部、华北、西北地区东部以及西南地区东部趋于干旱,而西北地区西部的北疆地区、青海中部以及西藏中北部等地呈显著变湿趋势;华北地区干旱化主要是夏季趋于干旱引起的,东北和西南地区的干旱化主要是夏、秋季趋于干旱引起的,西北地区东部和长江中下游地区主要是春、秋季趋于干旱。东北地区20世纪70年代和2000年后轻旱以上日数较多,60年代干旱日数最少;华北地区和西北地区东部90年代最多,60—80年代旱日较少;西南地区东部2000年后干旱日数最多,60—70年代较少;长江中下游地区60年代和21世纪后干旱日数偏多,80年代较少。60年代,易旱区主要位于西北地区中、西部以及长江中下游部分地区;70年代,西北西部和东北地区是干旱的高发区;80年代,易旱区位于华北、黄淮、内蒙古中西部以及西南东部等地;90年代,易旱区转移到中部,西北地区东南部、华北、黄淮、江淮以及江汉等地是干旱的高发区;进入21世纪后,东北、内蒙古东部、西北地区东部、西南东部以及长江中下游的部分地区干旱高发。     

1979-2016年祁连山地区大气水汽含量时空特征及其与降水的关系

采用1979-2016年ECMWF1.5°×1.5°逐月再分析资料及同期37个气象站点的降水资料,利用一元线性回归、累积距平、Kriging及IDW（反距离加权）等方法分析了祁连山地区大气水汽含量时空分布特征、降水转化率空间变化规律以及风场分布规律,并对比分析了中国西部不同地区降水转化率的变化趋势。结果表明：（1）1979-2016年祁连山地区大气水汽含量整体呈增加趋势,且季节变化明显。其中夏季是各层大气水汽含量最多的季节,高达329.24 mm,占多年平均大气水汽含量的48.1%。（2）近38 a来,祁连山地区的大气水汽含量呈东南多、西北少的空间分布,且随海拔的升高而逐渐减少,整层大气水汽主要集中在5 000 m以下。（3）祁连山地区的降水转化率从空间上表现出由东向西递减的趋势,说明该地区空中云水资源的开发潜力自东向西逐渐增强,空中云水资源的开发潜力区域差异明显;季风所携带的水汽对其影响区域的降水贡献率较高,西风所携带的水汽则对其影响区域的降水贡献率较低。（4）中国西部地区降水转化率呈向心式递减的趋势,且区域空间波动较大。     

长沙大气水汽、降水中稳定同位素季节变化及与水汽输送关系

基于2010年1月至2012年12月长沙降水事件同位素资料和搭载在Aura卫星上的TES观测仪所反演的2010年3月至2011年12月全球日大气中HDO、H2O资料,对长沙大气水汽、降水中稳定同位素的变化特征以及它们的关系,不同水汽来源及输送强度变化对降水中同位素的影响进行了研究。结果表明:水汽中同位素值随高度增加而贫化,水汽中同位素较降水中同位素大为贫化,降水中同位素为冬春富集、夏秋贫化,水汽中同位素则表现出春夏富集、秋冬贫化,水汽、降水中同位素存在着较大波动。通过对长沙冬、夏季所有降水事件的水汽输送轨迹的分析发现:夏季降水的水汽主要来源于西南季风和东南季风输送的海洋性气团,降水中同位素贫化;冬季降水的水汽主要来源于西风带输送的大陆性气团,降水中同位素富集。另外,长沙2010~2012年夏季的水汽输送通量与降水同位素的关系再次证明环流效应是可信的。     

西藏高原降水变化趋势的气候分析

利用西藏1971~2000年月降水量、降水日数资料,分析了近30年高原降水的变化趋势。结果发现,西藏大部分地区年降水量变化为正趋势,降水倾向率为1.4~66.6 mm/10a,而阿里地区呈较为明显的减少趋势。年降水日数变化阿里地区、林芝地区东部为负趋势,正趋势以那曲地区中西部、昌都地区北部最为明显。20世纪70年代高原西部为正距平、东部为负距平,20世纪80年代大部分地区为负距平,20世纪90年代高原西部为负距平,东部为正距平。近30年来西藏高原平均年、四季降水量均呈增加趋势,年降水量以19.9 mm/10a的速率增加,尤其是20世纪90年代增幅较大,1992年以来春、夏季降水明显增加。阿里地区出现了暖干化趋势。年降水异常偏涝年主要出现在20世纪80和90年代。     

夏季怒江流域水汽输送多支特征及对降水影响

基于高空间分辨率0.25°的ERA-Interim再分析资料、TRMM 3B43 Version7数据、气象站点实测数据等多源数据,本文采用一种新的流域边界水汽通量概化和提取方法,揭示了夏季怒江流域水汽输送多支特征,并分析了其对降水时空分异的影响。研究表明,在高黎贡山南部、北部,伯舒拉岭北部及念青唐古拉山中部,有4支区域性水汽输送高值区,多年平均输送通量分别达102.6 kg/(m·s)、66.3 kg/(m·s)、39.7 kg/(m·s)和41.3 kg/(m·s)。多支水汽输送不仅深刻影响流域水汽输送格局,而且对降水时空分异也有不同程度影响。年际变化上,中下游横断山区水汽输送对降水的影响较小,上游青藏高原区影响较大,尤其以那曲—比如—索县一带影响最为显著。空间分布上,流域降水与水汽输送通量呈显著正相关,受多支水汽输送影响形成多个区域性多雨带。     

塔克拉玛干地区气候变化对全球变暖的响应

从地面水汽压(大气含水量)、平均风速、湿润指数、相对湿度和气压的角度分析在全球变暖的情况下,塔克拉玛干地区气候的年和季节变化特征,结果表明:①年和四季平均风速呈阶梯式下降趋势,具有显著减小的线性趋势,并于1973年发生了由大到小的突变。②夏、秋、冬季和年地面水汽压(大气含水量)自20世纪80年代以来呈较大幅度波动式上升,具有显著的线性增加趋势。夏、秋季地面水汽压于1969年和1973年发生了由少到多的突变。秋、冬季大气含水量的显著增加并没有导致降水量的增加,降水量的变化不能充分反映大气含水量的变化。③夏季湿润指数有显著增加趋势,春季有微弱的上升趋势,而降水量夏季和年有显著增加趋势,春季有微弱的上升趋势,说明综合反映气候干湿变化的湿润指数变化与单用降水量表示的气候干湿变化不完全一致。④夏、秋季和年相对湿度呈波动式上升趋势,夏季和年相对湿度分别于1970年和1974年发生了由低到高的突变。⑤年和四季的平均气压40a来无变化。     

Water vapor transport over China and its relationship with drought and flood in Yangtze River Basin

The characteristics of water vapor transport (WVT) over China and its relationship with precipitation anomalies in the Yangtze River Basin (YRB) are analyzed by using the upper-air station data in China and ECMWF reanalysis data in summer from 1981 to 2002. The results indicate that the first mode of the vertically integrated WVT is significant whose spatial distribution presents water vapor convergence or divergence in the YRB. When the Western Pacific Subtropical High (WPSH) is strong and shifts southward and westward, the Indian Monsoon Low Pressure (IMLP) is weak, and the northern part of China stands behind the middle and high latitude trough, a large amount of water vapor from the Bay of Bengal (BOB), the South China Sea (SCS) and the western Pacific forms a strong and steady southwest WVT band and meets the strong cold water vapor from northern China in the YRB, thus it is likely to cause flood in the YRB. When WPSH is weak and shifts northward and eastward, IMLP is strong, and there is nearly straight west wind over the middle and high latitude, it is unfavorable for oceanic vapor extending to China and no steady and strong southwest WVT exists in the region south of the YRB. Meanwhile, the cold air from northern China is weak and can hardly be transported to the YRB. This brings on no obvious water vapor convergence, and then less precipitation in the YRB.     

1960-2010年中国西北地区水分盈亏量时空特征

基于1960-2010年中国西北地区126个国家气象站点实测数据,应用Morlet小波函数、Kendall趋势系数、Mann-Kendall突变检验等方法分析西北地区水分盈亏量时空变化特征。结果表明:西北地区大部分区域水分盈亏量为负值,呈由东南和西北两侧向中部逐渐减小的空间格局。在研究时段内水分盈亏量总体呈上升趋势,但各季节水分盈亏量变化存在一定的差异性,其中春夏冬三个季节水分盈亏量呈上升趋势,而在秋季呈下降趋势。西北地区水分盈亏量变化存在3.5~5 a左右的主周期,其中夏季周期变化以强振荡为主,年际波动大,而其它三个季节以弱振荡周期为主。位于西风带气候区与高原气候区的站点水分盈亏量呈上升趋势,且多发生突变;水分盈亏量呈下降趋势的站点主要位于东南季风区及其边缘区。     

中国西北地区东部雨日的气候特征及其与低空风场的相关性研究

利用中国西北地区东部61个气象站1960-2009年逐日降水资料,分析了雨日数的演变特征。研究发现：200 mm年降水量等值线的两侧存在明显差异,南部半干旱区处于夏季风北部边缘地带,受季风影响,雨日数年际波动大;北部干旱区年雨日数较少且相对稳定。在气旋性风切变辨识算法支持下,本文运用NCEP全球再分析资料风场资料,研究了近50年西北地区东部低空气旋性风切变的演变特征。分析发现,雨日数和低空气旋性风场切变数存在较为显著的正相关,但这种相关性存在明显的季节差异,秋、冬、春3季相关显著,夏季较差。进一步研究发现：水汽条件在雨日数和低空气旋性风切变的关系中起着重要的作用,特别在春、夏两季影响更为明显;秋季青藏高原北部绕流水汽输送带的强弱也直接决定低空气旋性风切变和雨日数的相关性的高低。     

中国地区水汽输送异常特征及其 与长江流域旱涝的关系

利用中国地区1981-2002 年的常规观测资料和ECMWF 再分析资料, 研究了中国地区水汽输送的异常特征、水汽输送异常与长江流域降水的关系及其环流特征。研究表明: 中国地区水汽输送异常存在一些主要的模态, 其中第一模态最为显著, 其空间分布表现为在长江流域的水汽辐合或辐散, 其变化与长江流域的降水存在很好的关系。当西太平洋副热带高压偏南偏西偏强, 印度季风低压偏弱, 我国北方地区处于中高纬度槽后时, 大量来自孟加拉湾、南海、西太平洋的水汽在长江以南形成强大的西南风水汽, 与我国北方的冷空气在长江流域辐合, 容易导致长江流域降水偏多。当西太平洋副热带高压偏北偏东偏弱, 印度季风低压偏 强, 中高纬为平直西风气流时, 不利于引导低纬海洋水汽进入我国, 长江流域以南没有稳定的西南风水汽输送, 我国北方冷空气偏弱, 不易南下到长江流域, 导致在长江流域没有明显的水汽辐合, 降水容易偏少。     

中国区域水汽输送异常与长江流域旱涝的关系

The characteristics of water vapor transport (WVT) over China and its relationship with precipitation anomalies in the Yangtze River Basin (YRB) are analyzed by using the upper-air station data in China and ECMWF reanalysis data in summer from 1981 to 2002. The results indicate that the first mode of the vertically integrated WVT is significant whose spatial distribution presents water vapor convergence or divergence in the YRB. When the Western Pacific Subtropical High (WPSH) is strong and shifts southward and westward, the Indian Monsoon Low Pressure (IMLP) is weak, and the northern part of China stands behind the middle and high latitude trough, a large amount of water vapor from the Bay of Bengal (BOB), the South China Sea (SCS) and the western Pacific forms a strong and steady southwest WVT band and meets the strong cold water vapor from northern China in the YRB, thus it is likely to cause flood in the YRB. When WPSH is weak and shifts northward and eastward, IMLP is strong, and there is nearly straight west wind over the middle and high latitude, it is unfavorable for oceanic vapor extending to China and no steady and strong southwest WVT exists in the region south of the YRB. Meanwhile, the cold air from northern China is weak and can hardly be transported to the YRB. This brings on no obvious water vapor convergence, and then less precipitation in the YRB. Foundation: International Technology Cooperation Project of the Ministry of Science and Technology of China, No. 2007DFB20210; Application Technology Research and Development Project of Sichuan Province, No. 2008NG0009; Basic Research Foundation of Institute of Chengdu Plateau, China Meteorological Administration, No.BROP2000802 Author: Jiang Xingwen (1983–), specialized in the study of climate diagnosis.