全球变暖背景下青藏高原夏季大气中水汽含量的变化特征

利用中国气象局提供的0. 5°×0. 5°降水和温度的日值资料,联合ERA-Interim、MERRA2(second M odern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)再分析资料以及全球陆面数据同化系统(Global Land surface Data Asimilation System,GLDAS-2. 0)资料,研究了全球变暖背景下青藏高原夏季地表气温及降水的变化特征,以及该地区大气中水汽含量及水汽输送特征。结果表明,1979—1998年期间,高原的地表气温呈增加趋势,降水呈减少趋势;而在全球增温减缓期间(1999—2010年),地表气温及降水较1979—1998年期间呈现更为显著的增加趋势。在青藏高原上空,大气中水汽含量在1979—2010年间整体呈增加趋势;然而,进一步分析表明,在此期间由外界向高原输送的水汽逐年降低,尤其在1998年后,由于西南季风强度的大幅减弱,使得外界向高原的净水汽输送量减少得更为显著;青藏高原地表蒸散量的分析表明,自1998年后,高原地表的蒸散量显著增加,成为高原地区大气中水汽增加的主要原因。     

西北干旱区空中水资源的时空变化特征及其原因分析

利用1979—2008年NCEP/NCAR月平均再分析资料,从大气可降水量、水汽输送及收支等方面分析西北干旱区空中水资源的时空变化特征,并揭示其主要原因。研究表明,1979—2008年西北干旱区整层年水汽含量略呈增加趋势,而夏季水汽总收入呈现显著增加趋势。区域空中水资源的变化与中纬度西风水汽输送密切相关。尽管区域西风指数的年代际减弱反映了西北干旱区东、西边界西风水汽输送的减弱趋势;但受区域特殊地形的影响,区域东边界水汽收支的减弱趋势远强于西边界,使得大量的水汽滞留于西北干旱区,从而导致该区域夏季水汽总收入呈现增加趋势。     

印度洋海温的偶极振荡与夏季青藏高原水汽输送的关系

本文应用1961-2005年近45年NCEP/NCAR月平均再分析资料,在分析夏季青藏高原水汽输送通量特征的基础上,研究印度洋偶极指数与夏季高原水汽输送的关系,分析表明：夏季高原水汽的输入主要是受高原南边界水汽输送通量的影响,并且夏季高原区域净水汽与南边界水汽输送通量45年来的趋势变化很一致：都表现出先增加（1961-1980年）后减少（1981-2005年）的趋势变化。印度洋海温的前期变化（前年12月至当年5月）对夏季高原水汽的输送有明显的影响,特别是在1-3月。春季印度洋偶极指数通过对孟加拉湾地区向北的水汽输送通量的影响,进而影响夏季青藏高原水汽输送的异常。     

局地蒸发和外部水汽输送对松花江流域夏季降水的贡献

本文基于Brubaker二元模型,采用JRA-55再分析资料定量研究了局地蒸发和外部水汽输送对松花江流域夏季气候态降水及其年际变率的相对贡献,并探讨了相应的物理机制。气候平均而言,外部水汽输送是松花江流域初夏（5～6月）和盛夏（7～8月）降水的最主要水汽源。受西风带影响,初夏自西边界进入松花江流域的水汽贡献占主导,外部水汽输送对当地降水的贡献为78.9%,源自蒸发的水汽贡献为21.1%。较之初夏,由于盛夏来自南边界的水汽输送加倍,外部水汽输送贡献增加,外部水汽输送和蒸发对降水贡献分别为86%和14%。JRA-55再分析资料可以合理再现观测降水演变,1961～2016年JRA-55再分析资料降水与观测在初夏与盛夏的相关系数分别可以达到0.73和0.83。研究发现,初夏,由于西南季风异常导致的南边界进入的水汽输送异常是松花江流域降水年际变率的主要原因,自西边界、北边界进入的水汽输送与降水呈现显著负相关,初夏局地蒸发的贡献不显著,该水汽输送异常对应的环流型易发生在El Ni?o衰减年初夏。盛夏来自南边界的水汽输送起主导作用,局地蒸发贡献与降水变化显著负相关,海温强迫作用对该环流异常的强迫并不显著,中高纬度大气内部变率影响占主导。由于盛夏降水与地表温度在盛夏期间显著负相关,盛夏时期降水偏少时,温度偏高,蒸发偏强,进而蒸发水汽对降水贡献增加。     

西北干旱区夏季水汽收支特征及对气温异常的响应

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的1979—2016年ERA-Interim再分析资料分析了西北干旱区（35°N～48°N，80°E～106°E）夏季水汽收支特征，并通过环流合成分析进一步揭示了气温异常对西北干旱区水汽收支的影响。结果表明：西北干旱区夏季大气水汽含量和水汽净收入均为增加趋势。气温和东边界、北边界以及南边界的水汽通量均在20世纪90年代后期发生显著调整。升温主要使西北干旱区东、南边界的水汽支出减少，进而导致水汽含量增加。气温异常调整环流异常，从而使对流层中下层风速变化，进一步影响西北干旱区各边界的水汽输送。其可能影响机制为气温偏高时，印度西南季风加强，使南边界偏北风减弱，导致水汽支出减少；蒙古异常反气旋加强使东边界、南边界东部和北边界的中低层风速减小，导致东边界、南边界东部水汽支出和北边界水汽收入减少。     

山西春季典型干湿年份水汽输送特征差异

应用山两62个气象站1961—2008年春季降水资料,同期NCEP/NCAR月平均再分析资料,用合成分析等方法探讨了山西春季典型干湿年份水汽输送特征差异。研究发现：春季典型干旱年,青藏高原南侧副热带偏西风及其在进入我国东部长江以南地区转向的西南风水汽输送减弱,高原北侧西风带水汽输送亦减弱,而西太平洋副高北侧西风水汽输送显著加强,西侧偏南风水汽输送减弱,使江南西南风向华北的水汽输送显著减少,山西偏北风水汽输送加大出现春旱;同时我国东部长江流域及向北到黄河流域、我国东部沿海水汽通量辐散加强,而华南及沿海水汽通量辐合加强;春季典型湿润年则相反。春季典型干旱年山西西风水汽通量减少和北风水汽通量增加量级相当,典型湿润年山西南风水汽通量增加明显大于西风水汽通量的增加。     

低纬高原地区水汽资源的气候变化特征

用1948—2009年NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析低纬高原地区对流层不同层次水汽输送特征。结果表明,地面～300 hPa每年从西边界、南边界流入低纬高原的水汽分别有344.0×1010 t和115.0×1010 t,有341.5×1010 t和73.5×1010 t水汽分别从东边界和北边界流出,水汽净流入达44.0×1010 t。水汽净收入主要集中在对流层低层,以西边界的水汽输入最多;但经向上的水汽输送对低纬高原地区的净收入贡献相对较大,并且纬向水汽输送与经向水汽输送量呈反相关。夏季水汽输送净收入占全年的67.5%,其对流层低、中、高层均为水汽净流入。西边界水汽输入呈增加趋势,东边界水汽输出量呈减少趋势,南、北边界水汽输入、输出呈减少趋势,均在1980年代末发生突变,突变后南边界的水汽输入明显减少,北边界的输出呈下降趋势。年净水汽和夏季净水汽呈减少趋势。低纬高原地区水汽净收入在1978年发生突变,突变后水汽呈减少趋势。      

青藏高原南缘关键区夏季水汽输送特征及其与高原降水的关系

青藏高原南缘水汽输送和聚散过程决定着高原及其邻域的降水分布特征,在提出"青藏高原南缘水汽输送关键区"(简称南缘关键区)概念的基础上,利用NCEP/NCAR再分析资料分析了1979-2010年南缘关键区夏季水汽输送过程与收支变化,并根据台站降水量观测资料探讨了南缘关键区各边界水汽收支与高原夏季降水分布的关系。结果表明,孟加拉湾偏南风水汽流进入南缘关键区后,在印度热低压与青藏高原大地形制约下,形成了3条进入高原的水汽输送通道。这使得南缘关键区整体为多年平均水汽辐散区,除南边界外,其余均为水汽输出边界。南缘关键区各边界水汽收支年内与年际变化明显,且东、西边界水汽输出强度变化特征相反。而各边界水汽收支与印度热低压和南海夏季风活动关系密切,输出边界的水汽支出异常则直接影响着青藏高原乃至周边季风区的降水异常分布以及极端旱涝事件的发生、发展。此外,NCEP/NCAR与JRA-25再分析资料之间的对比验证表明,这两种再分析资料在青藏高原南缘水汽输送过程的定性研究中是可靠的。     

华北夏季大气水汽输送特征及其与夏季旱涝的关系

本文利用ECMWF再分析资料ERA40和中国160站的降水资料,分析了我国华北地区1958年-2002年夏季的大气水汽含量和水汽输送的基本气候特征,研究了华北夏季旱涝年的大气水汽含量和水汽输送异常情况,最后利用线性回归的方法探讨了该地区大气水汽含量和水汽输送的变化趋势.结果表明:华北地区夏季降水的大气水汽来源主要有3支:来自孟加拉湾的水汽、来自我国南海和西太平洋的水汽以及中高纬西风带的水汽输送.华北地区对流层低层以经向水汽输送通量为主,到了中高层则以纬向输送通量为主;与华北地区夏季旱涝密切相关的异常水汽输送主要是南海和西太平洋以及西风带水汽输送异常,华北地区南边界水汽输入异常和东边界水汽输出异常是造成华北夏季旱涝年水汽收支异常的主要原因;近半个世纪以来,伴随着华北干旱化的加剧,华北地区南边界输入的大气水汽呈现显著的减少趋势.     

陕西4次台风远距离暴雨过程的水汽条件对比

利用NCEP再分析资料和常规观测资料,对比分析了陕西省4次台风远距离暴雨过程期间的水汽输送、水汽收支和水汽含量特征。结果表明：远距离台风用直接和间接2种方式影响热带低纬地区水汽向陕西方向的输送,中高纬度地区西风槽与高压系统直接参与暴雨区附近水汽的输送与再分配过程。远距离台风出现时,暴雨区南边界始终存在水汽的输入,占净输入的68%,西边界多为水汽的输出方,东边界上水汽收支变化趋势与台风移动路径密切相关。川东地区西南涡维持、发展并向东北向移动时,陕西水汽总收支成倍增大。台风远距离暴雨出现前12 h左右,暴雨中心低层比湿出现极大值,对应的风场辐合中心一般出现在比湿增加之后。     

青藏高原近40年的降水变化及水汽输送分析

利用中国青藏高原地区1961—2000年56个气象站的逐月降水资料,分析了青藏高原地区1961—2000年的降水量变化趋势及水汽输送。结果表明,青藏高原40 a降水量呈增加趋势,线性增长率为1.12 mm/a。高原南区年降水量呈增加的趋势,线性增长率为1.97 mm/a;北区年降水量变化较小。青藏高原降水量在1978年由少雨期转为多雨期,青藏高原夏季降水与孟加拉湾的水汽输送及副高的水汽输送关系密切。     

东疆地区蒸发量变化趋势及气象影响因子研究

对东疆地区1961-2001年小型蒸发皿蒸发量及其相关气象影响因子进行了分析,结果表明,东疆地区蒸发量呈显著下降趋势,蒸发量1970年代至1980年代初期的增多和1980年代中期至21世纪初的减少是突变现象;6种气象因子对蒸发的决定程度相对湿度>水汽压>气温>风速>日照时数>净地表辐射,风速与日照时数、相对湿度与水汽压、气温与水汽压、气温与相对湿度的协同作用对蒸发量的决定作用很大.相对湿度的显著增加是导致东疆地区蒸发量逐年减少的重要原因.     

那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。     

近50a江淮地区梅雨期水汽输送特征研究

利用1958—2007年ERA再分析风场及气压场资料和APHRO高分辨率逐日降水资料,对近50 a来梅雨期水汽输送的时空特征及其与江淮地区降水的关系进行了研究,发现各条水汽通道对江淮地区梅雨期降水强度及范围的影响程度均不同。梅雨期影响我国降水的水汽输送有显著的年际变化,并且水汽输送强弱年对应江淮地区降水强度也有明显差异。相关分析及合成差值的结果显示,西太平洋水汽输送贡献更大,且西太平洋水汽输送(东南通道)增强时,江淮地区降水增多。印度洋水汽输送的加强会减弱太平洋的水汽输送从而使得江淮少雨。在全球变暖的背景下,西太平洋的水汽输送对降水的增强作用有所减弱而印度洋输送所导致降水强度减弱的范围则明显扩大。自1980年起,江淮降水出现缓慢增多的趋势与全球变暖所导致的东亚环流异常进而影响水汽输送异常相关。     

关于我国夏季气候年代际变化特征及其可能成因的研究

利用我国160个台站1951～2000年夏季(6～8月)降水和气温观测资料,以及NCEP/NCAR海温、风场和水汽的再分析资料,分析了我国夏季风降水和气温的年代际变化特征及其可能成因.分析结果表明,我国夏季降水有明显的年代际变化,在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,从1977年到2000年夏季长江流域的降水明显增加,而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重干旱.分析结果还表明,我国西北地区降水的振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5～8年,华北地区气候年代际时间尺度变化是从1977年起降水减少,气温上升;但西北地区从20世纪70年代开始,则温度升高,降水增多.此外,分析结果也表明我国气温同样有年代际变化,但不如降水年代际变化明显.作者还从热带太平洋SST(海面温度)的年代际变化及其对中印半岛和东亚上空水汽输送的影响,分析了上述我国气候年代际变化的可能成因.分析结果表明,热带中东太平洋的SST也有明显的年代际变化,从1976年以后热带中东太平洋海水明显增暖,出现了明显的"类似El Nino型"的SST距平分布,呈现出"年代际的El Nino现象".这种海温异常分布减弱了亚洲夏季风,从而减弱了从热带太平洋、中国南海和孟加拉湾向东亚的水汽输送,造成水汽输送在长江流域辐合,使到达华北地区的水汽大大减弱,因此引起长江流域降水明显增加,而华北地区明显减少,出现了持续性严重干旱.     

冬季青藏高原湿中心区域水汽收支及其与中国降水的关系

利用ERA-Interim再分析资料(0.5°×0.5°)、探空观测资料及中国降水月值格点数据分析了冬季青藏高原(以下简称高原)大气水汽含量平均特征、高原湿中心区域的水汽收支特征及其与中国降水的关系。结果发现:冬季高原东南部地区存在湿中心,对应着水汽含量标准差大值中心;高原湿中心区域的水汽从西、南边界输入,东、北边界输出,净水汽收支多年平均为水汽"盈余";该区域冬季净水汽收入、支出34 a总趋势是增加的,而净水汽收支是减少的,但三者均存在4~6 a左右的周期;冬季该区域净水汽收入对南疆、高原东部—四川盆地及云贵高原的降水有较好的指示性,净水汽支出对西南—华南的我国南方大部分地区降水有较好的指示性,净水汽收支则可表征高原东部及邻近地区、长江中游地区的降水;冬季该区域异常多(少)水汽支出年时,我国南方大部分地区的降水偏少(多),水汽输送场不(有)利于水汽向我国南方的输送及辐合,即其水汽支出的强弱反映了水汽输送的强弱和我国降水的分布,体现出水汽收支通过环流对降水产生重要影响。     

西藏近35年地表湿润指数变化特征及其影响因素

利用1971-2005年西藏25个气象站月平均最高气温、最低气温、风速、相对湿度、日照时数、降水量等资料,应用Penman-Monteith模犁计算了最大潜在蒸散、地表湿润指数,分析了其空间分布、年际变化特征及季节差异,并讨论了影响地表湿润指数变化的气象因子.研究表明:近35年,西藏年降水量表现为显著的增加趋势,增幅为15.0 mm/(10 a);年最大潜在蒸散呈不同程度的减小趋势,为-4.6--71.6 mm/(10 a).阿里地区西南部、聂拉木年地表湿润指数为不显著的减小趋势,其他各地均呈增大趋势,增幅为0.02-0.09.就西藏平均而言,年地表湿润指数以0.04/10 a的速率显著增大,尤其足近25年增幅更为明显.各季节地表湿润指数也表现为增大趋势,以夏季增幅最明显.20世纪70年代剑80年代主要表现为以低温低湿为主的年际变化特征,进入90年代后,气温持续升高,地表湿润指数明显增加,呈现山暖湿型的气候特征.降水量和相对湿度的明显增加,以及平均气温日较差的显著减小是地表湿润指数显著增加的主要原因,平均风速和日照时数的明显减少,在湿润指数增加趋势中也起着重要作用.     

1961—2000年塔里木盆地夏季空中水汽的变化

利用1961--2000年塔里木盆地内36个地面气象站的降水资料以及美国NCEP／NCAR6__9月再分析资料对盆地上空的水汽变化进行了分析。结果显示,塔里木盆地全年或夏季的降水都呈现增长趋势,明显增湿的转折年份为1991年;盆地的东、西边界为水汽的主要输入、输出边界,且水汽输送量呈减少趋势,而南、北边界的水汽输送量略有增加;夏季水汽收支多年来没有发生显著变化,并与降水存在较好的相关性;在多雨和少雨的夏季,水汽输送方向恰好相反,多雨夏季,来自东方的水汽对盆地降水贡献最大;综合水汽收支、降水、冰川、径流、温度等多种因素的气候变化趋势来看,塔里木盆地增湿的两个可能重要因素为：一是盆地内部参与每次降水过程的水汽增加了,二是垂直上升运动增强了。     

气温变化对中国夏季云水量的影响

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979-2016年ERA-Interim再分析资料分析了中国4个地区夏季大气水循环变量和气温时空特征,并通过相关分析、SVD方法及环流场合成分析进一步揭示了气温变化对云水含量的影响。结果表明:中国夏季云水含量空间分布从东南向西北减少。高原区云水含量与气温正相关,其他地区为显著负相关。西北地区升温使西风带水汽输送减弱和蒙古东部异常反气旋环流维持,北方地区升温使东北至蒙古异常反气旋和东南沿海异常气旋维持,西北太平洋副热带高压(副高)东撤,二者均使200 hPa西风急流减弱,水汽输送和上升运动减弱,云水含量减少。南方地区升温使黄海异常反气旋和南海异常气旋维持,副高东撤,200 hPa西风急流偏北,不利于水汽输送和上升运动,云水含量减少。高原地区升温使西风带南支和高原西部异常气旋加强,副高西伸北抬,高原北侧西风急流和南亚高压增强,促进水汽输送和低层辐合上升,使云液水含量增加。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。