气候变化对水文循环的影响

水文循环是地球上海洋、陆地和大气之间相互作用中最活跃且最重要的枢纽,受气候变化影响最为显著。本文回顾了气候变化对全球水文循环的影响,并对20世纪60年代以来中国降水、蒸散发、地表径流及大气水汽含量等陆地水文循环要素变化进行了评估。气候变暖使得全球水文循环加强,观测数据表明自1970年以来,全球对流层和地表水汽含量呈现增加趋势,但由于监测网络在空间覆盖和时间响应的限制,热带水汽增加与环流减弱之间相互影响,使得气候变化对区域水文循环的影响不确定性较大。在全球气候变化背景下,中国水文循环符合全球水循环变化的特征,又表现出更为复杂的区域特征,各个流域间空间差异增大。大气水汽含量在80年代后呈现上升的趋势;60年代以来,中国降水平均态虽然无明显变化但空间差异显著增加,实际蒸散发平均值微弱增加,空间差异增大,地表径流空间差异增大,某些流域呈现减少趋势。21世纪以来,由蒸散发再凝结形成的降水量增加,大气内循环活跃程度加大。     

气候变化背景下中国陆地水循环时空演变

水循环是气候系统各子系统相互作用过程中一个最活跃的枢纽,受气候变化影响显著。本文采用观测和多套再分析数据,系统分析了1979年以来中国及各大流域大气水汽含量、降水、蒸散发和地表径流等水循环要素年际变化。研究发现,1979-2018年,中国陆地整层大气水汽含量和水汽收支呈显著上升趋势;水汽收支除在松花江和西南诸河略有下降,其余流域均呈上升趋势;降水除西北诸河流域呈现显著上升趋势外,其余流域变化不显著;蒸散发整体呈微弱增加,但南方大部流域呈现显著的减小趋势;除西北诸河径流显著上升趋势外,北方大部分流域地表径流呈现减少趋势,而南方流域的径流变化趋势复杂多样。相对1979-2000年,21世纪以来中国年平均气温上升约0.63℃,年降水量、大气水汽含量分别增加0.5%和1.2%,水汽总输入和输出量均减小,降水再循环率增加10.9%。进入21世纪,中国陆地水资源一级分区内循环均较前20 a活跃,降水再循环率除松花江和辽河流域外,均有所增加。其中,海河、黄河、淮河和西北诸河流域的水汽和蒸发形成的降水都有所增加;辽河流域蒸发形成的降水有所增加,但输入水汽减少导致流域降水减少最多;松花江、长江、珠江和西南诸河流域蒸发形成的降水增加,输入水汽减少导致降水略有减少;东南诸河蒸发形成的降水略有增加,但整体变化不大。     

Contribution of external forcing to summer precipitation trends over the Qinghai-Tibet Plateau and Southwest China

在过去的60年中,全球气候经历了快速变暖和短暂的变暖停滞,而中国的区域降水也经历了多样而复杂的变化.本文分析了1961年至2014年外强迫因子对青藏高原和中国西南地区夏季降水趋势的影响.观测数据显示,青藏高原的夏季降水呈增加趋势,而中国西南地区的夏季降水呈减少趋势,这两个相邻地区的夏季降水变化趋势相反.利用CMIP6数据,本文研究了不同外强迫因子对两个区域夏季降水趋势的影响.结果表明,温室气体对青藏高原夏季降水的增加具有显著影响,而气溶胶在中国西南地区夏季降水减少中起主要作用.     

1979-2018年青藏高原不同地区积雪季极端降水水汽来源分析

水汽是青藏高原水文循环的重要组成部分,对青藏高原地区的降水、水资源等有着重要的影响。本文利用FLEXPART方法,研究了1979-2018年青藏高原4个区域（青藏高原北部NEQXP、西北地区NWQXP、东南地区SEQXP和西南地区SWQXP）积雪季极端降水的水汽来源及相对贡献。研究表明：（1）NEQXP、NWQXP和SWQXP的年极端降水量和年极端降水日数显著增加,而SEQXP则不显著。（2）青藏高原4个区域极端降水的水汽贡献存在明显差异,SEQXP和SWQXP极端降水主要由阿拉伯海和孟加拉湾的水汽控制,而对NEQXP极端降水贡献最多的是本地蒸发,中亚地区的水汽对NWQXP极端降水的贡献占据主导地位。（3）阿拉伯海孟加拉湾地区、地中海地区、北非阿拉伯半岛地区、SWQXP、中亚地区和NWQXP逐年持续的水汽供应,引起NWQXP逐年极端降水的增加;而NEQXP极端降水增加更多是因为NWQXP逐年水汽增加;SWQXP极端降水增加是因为中亚地区和SWQXP逐年持续水汽的供给导致。这些结果有助于加深对青藏高原内部水汽循环差异和极端降水事件的认识,并从水汽来源的角度解释当前极端降水逐年增加的机制。     

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。     

峨眉山及其周边地区降水气候特征研究

基于1959-2016年峨眉山、峨眉市、乐山市及夹江县气象站逐日降水数据和1964-2016年6-9月逐时降水数据,应用统计诊断分析方法,研究了峨眉山及其周边地区降水量、雨日和降水频次的多时间尺度变化特征。结果表明,峨眉山及其周边地区年代降水变化趋势基本一致,但随海拔具有一定差异性,高海拔峨眉山趋势更明显。峨眉山与其周边地区年降水量和年雨日均在20世纪90年代后显著减少,且峨眉山年雨日比其周边地区减少更快。汛期峨眉山及其周边地区降水量、雨日变化均强于其年代和年降水量、雨日变化,较其他时段更突出;高海拔峨眉山冬季、秋季和夏季降水量减少趋势显著,而周边地区夏季和秋季降水量减少趋势明显;峨眉山及其周边地区四季雨日都呈减少趋势,但峨眉山减少程度大于其周边地区。峨眉山及其周边地区月降水量和雨日都呈减少趋势,但峨眉山更明显。峨眉山降水量日变化呈单峰单谷结构,而峨眉市则在清晨出现次峰值,两地夜雨特征突出,夜间降水量远大于白天,且两地降水量峰值出现时间都存在提前的变化特征;峨眉山小时降水频次最大值出现时间存在提前的变化特征,但峨眉市相反,具有延后的变化特征。在全球气候变暖下,峨眉山及其周边地区气候响应主要为降水减少,高海拔地区降水减少的趋势大于低海拔地区。峨眉山及其周边地区这种区域气候响应的一致性与差异性,可能与区域温度响应与水汽状况差异有关。     

青藏高原气候变化及其对水资源影响的研究进展

回顾总结了近20年、特别是近10年来青藏高原气候变化的特征、变化的原因及其对高原水资源的影响方面的最新研究进展。1960年以来青藏高原地区总体气温显著升高,升温趋势存在明显的海拔依赖性,温室气体、冰雪反照率反馈、云-水汽-辐射反馈、局地强迫等是影响高原气温上升具有海拔依赖性的重要因素。总体上青藏高原降水呈现增加趋势,变化的区域性和季节性差异比气温变化的时空差异更强;降水空间变化主要分为南北偶极型、东西偶极型、中部和边缘差异型和多元型;夏季降水增加最为显著。受气候变化和人为气溶胶排放等影响,青藏高原水资源特别是冰冻圈水资源发生剧烈的变化,大部分冰川加速退缩、冰川径流增加、湖泊严重扩张,导致青藏高原上水循环加强和气候偏暖湿化;青藏高原积雪的变化具有明显的年代际特征。最后提出未来需要进一步开展的研究方向和政策建议。     

基于SPEI的中国干湿变化趋势归因分析

选用1960—2012年中国气象站点资料,利用标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),研究了中国干湿变化趋势及其原因。过去52 a,中国干湿变化由西北向东南呈现"+-+"的空间分布状况,其中黄河流域、长江流域西部、西南流域东南及珠江流域西部显著变干;淮河流域中西部和西北流域大部显著变湿;通过数值试验,定量计算了参考蒸散发及降水对干湿趋势的贡献状况。就中国总体而言,年平均参考蒸散发显著减少抵消了由年降水量减少导致的干化趋势,呈微弱变湿趋势;其次,降水仍然是多数区域干湿变化的主导因素(黄河流域中部、长江流域、西南流域、珠江流域及东南流域);同时,参考蒸散的影响值得引起注意,其在辽河流域、海河流域、淮河流域及西北流域对干湿趋势的贡献均超过降水贡献。     

近几十年青藏高原热源影响西南地区夏季降水的研究进展

本文对近几十年关于青藏高原热源、西南地区降水变化以及二者之间的影响研究进行了回顾。结果表明:1)青藏高原热源的变化存在明显的区域性、季节性和时间阶段性。不同来源和时间长度的资料,对热源计算结果有一定影响,但对于夏季热源的结论都比较一致。2)西南川渝地区的降水,在川西高原、云南中部以北高海拔地区年总降水量呈明显增加趋势,而在四川盆地、贵州东部丘陵地区年降水量呈减少趋势。降水的减少和增加存在明显的时空分布特征,区域性和季节性变化明显。3)青藏高原热源与西南地区降水之间有明显的关联。但对于不同热源区对于西南地区降水的影响研究较少。     

澜沧江-湄公河流域径流与气候因子变化的季节差异特征研究

根据DELWARE温度和降水数据、GLDAS蒸散发数据和湄公河干流9个水文站的实测径流,采用回归分析、均值T检验和低通滤波,分析了该流域气候和径流在1950-2017年间的变化情况,经分析表明流域内气候和径流在研究时段内有较大变化,而且在不同的月份呈现不同的变化特征。流域年平均温度整体呈增加趋势,2008年后的平均温度相对2008年前平均温度有显著增加;流域年平均降水的变化幅度不大;流域平均蒸散发在12月-次年2月呈下降趋势,其他月份呈增加趋势,2008-2017年月平均蒸散发与1950-2007年月平均蒸散发相比大幅提升,尤其是在6-10月;湄公河流域年径流没有显著变化,但径流在12月-次年4月呈上升趋势,7-10月呈下降趋势,其中,上升趋势比下降趋势显著,1-4月径流上升趋势在2008年之后更为显著;最小径流在2008年后有显著增加趋势,最大径流在2008年后呈下降趋势;年流量逆转次数自20世纪90年代起有明显升高趋势。通过比较温度、降水、蒸散发和径流在不同时间段的变化情况,可以看出径流在2008年后变化趋势和气候自然变化关系不显著,但可能跟大坝蓄水能力显著提高等人为活动有较大关系。     

中国东南部冬季降水变化及其环流特征

利用1951-2011年中国160站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东南部冬季降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征。结果表明:中国东南部冬季降水年际差异较明显,当降水异常偏多(少)时,蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高),而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上,巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);高层东亚西风急流异常偏弱(强),中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20~30°N出现显著异常上升(下沉)运动,低纬度地区出现异常下沉(上升)运动。影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支:来自西风带绕高原的南支气流,经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽;来自低纬西太平洋,经南海向中国西南的水汽输送。此外,东亚冬季风与中国东南部冬季降水关系密切。     

拉格朗日水汽源诊断方法在三江源区的应用

以NCEP/NCAR每日4次的GFS (Global Forecast System) 再分析资料驱动大气三维输送模式FLEXPART (Flexible Particle Model), 借助于拉格朗日水汽输送和源区识别技术, 在考虑了空气块输送过程中的比湿变化基础上, 诊断三江源区大气的水汽来源、输送途径及其空间结构特征。结果表明:夏季三江源区短时输送 (6 d内) 的水汽主要来自于青藏高原以及其西北侧陆地区域, 而更长时间 (8~10 d) 的来源可追踪到阿拉伯海和孟加拉湾等远距离海洋区域; 水汽输送通道主要有两支, 第1支为沿着索马里海到阿拉伯海的跨赤道水汽输送, 第2支为在西风控制下从中亚乃至西亚地区向三江源区的输送。定量分析亦显示:6月青藏高原西侧的水汽输送贡献最大, 7月阿拉伯海成为了主要水汽来源, 8月阿拉伯海水汽输送贡献减小。     

青藏高原西部春季降水年代际变化趋势

利用ERA-Interim和APHRO_MA资料分析了1979～2007年间青藏高原西部春季（3～5月）降水的年代际变化趋势及可能原因。结果表明,青藏高原西部局部区域春季降水呈显著减少趋势,降水的变化趋势与其西南部辐合上升运动及阿拉伯海北部水汽含量变化存在联系。发现研究区春季降水增加时伴随其西南部显著的辐合上升异常,同时高层（500 hPa）位势高度场负异常中心与环流的气旋式正异常中心一致,而低层（850 hPa）的辐合上升异常相对较弱;研究区春季降水增加同时伴随阿拉伯海北部至研究区西南部的高、低层比湿正异常,其中低层的比湿正异常更为显著,其正异常中心均位于阿拉伯海北部。上述区域的水汽输送能解释研究区春季降水55.3%的变化,同时两者的变化趋势具有很好相关性。研究显示1979～2007年间研究区春季降水呈下降趋势主要是由阿拉伯海北部低层向印度次大陆水汽输送减少,以及研究区南部高层辐合上升运动减弱造成的。青藏高原西部春季降水变化趋势和相关区域水汽变化的一致性,可以为分析高原气候变化提供依据。     

Water vapor transport around the Tibetan Plateau and its effect on summer rainfall over the Yangtze River valley

The water vapor transport around the Tibetan Plateau(TP) and its effect on the rainfall in the Yangtze River valley(YRV) in summer are investigated by decomposing the moisture transport into rotational and divergent components.Based on the ERA-Interim and PREC/L(Precipitation Reconstruction over Land) data from 1985 to 2014,the vertically integrated features of the two components are examined.The results show that the divergent part dominates the western TP while the rotational part dominates the rest of the TP,implying that moisture may be mostly locally gathered in the western TP but could be advected to/from elsewhere over the rest of the TP.The divergent and rotational moisture fluxes exhibit great temporal variability along the southern periphery of the TP,showing sensitivity of water vapor to the steep topography there.Correlation analysis reveals that it is over the southeastern corner of the TP and to its south that a significant correlation between rotational zonal moisture transport and summer rainfall in the YRV appears,suggesting that the southeastern corner of the TP may serve as a moisture transport bridge between the South Asian(Indian) monsoon and the East Asian monsoon.Further composite analysis indicates that anomalous eastward(westward) zonal water vapor transport from the South Asian monsoon via the southeastern corner of the TP favors more(less) precipitation in the YRV in summer.     

夏季青藏高原东南部水汽收支气候特征及其影响

采用1961—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 研究了夏季青藏高原东南部水汽收支的气候特征及其影响效应。结果表明:夏季青藏高原东南部总体上是一个水汽汇区, 平均总收入为39.9×106 kg/s。东亚夏季风的建立、推进对青藏高原东南部的水汽输入有重要影响, 而青藏高原东南部的水汽输出则与夏季我国东部雨带的推进过程密切相关。该区对周边地区的水汽收支有重要影响, 是向我国西北地区东部、长江中下游地区输送水汽的重要通道, 青藏高原东南部的水汽“转运站”效应是长江中下游流域洪涝和北方夏季干旱异常的关键因子之一。青藏高原东南部东、北边界夏季水汽收支均具有准两年周期振荡特征, 并分别与长江中下游、西北地区东部夏季降水的准两年振荡特征具有一定的联系。     

Spatiotemporal Variation of Water Vapor Budget over the Tibetan Plateau and Its Regulation on Precipitation

The spatiotemporal variations of water vapor budget (Bt) and their relationships with local precipitation over the Tibetan Plateau (TP) are critical for understanding the characteristics of spatial distributions and evolutions of water resources over the TP. Based on a boundary of the TP, this paper explored the spatiotemporal characteristics of Bt over the TP using the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts interim (ERA-Interim) reanalysis datasets. On the climatological mean, the TP is a water vapor sink throughout four seasons and the seasonal variation of Bt is closely associated with the water vapor budget at the southern boundary of the TP. The transient water vapor transport is quasi meridional in the mid- and high-latitude areas and plays a leading role in winter Bt but contributes little in other seasons. At the interannual timescale, the variation of Bt is mainly determined by anomalous water vapor transports at the western and southern boundaries. The Bay of Bengal, the North Arabian Sea, and mid-latitude West Asia are the main sources of excessive water vapor for a wetter TP. At the southern and western boundaries, the transient water vapor budget regulates one-third to four-fifths of Bt anomalies. Moreover, the variability of the TP Bt is closely associated with precipitation over the central-southern and southeastern TP in summer and winter, which is attributed to the combined effect of the stationary and transient water vapor budgets. Given the role of the transient water vapor transport, the linkage between the TP Bt and local precipitation is tighter.     

西南地区东部夏季旱涝的水汽输送特征

利用1959-2006年两南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了西南地区东部夏季旱涝年的水汽输送特征.结果表明,西南地区东部水汽来源主要有两个:第1条主要来自青藏高原转向孟加拉湾经缅甸和云南进入西南地区东部,第2条水汽经由孟加拉湾南部,强大的水汽输送带继续向东输送至中南半岛及南海,与南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部,而由四太平洋副热带高压西侧转向的偏南水汽对向西南地区东部水汽输送也有影响.与西南地区东部夏季降水相联系的水汽通道中,印度洋水汽通道强度最强,太平洋水汽通道强度最弱.在印度季风区,偏北的高原南侧水汽通道(经向)强度远小于偏南的印度洋水汽通道.东亚季风区夏季水汽输送经向输送大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则是纬向输送大于经向输送.西南地区东部夏季降水与纬向通道的强度变化关系密切,而与经向通道的水汽输送强度变化关系不明显.当印度季风区南支水汽输送偏弱时,印度季风区北支(高原南侧)和东亚季风区向西的水汽输送偏强,使得以纬向输送为主的印度季风区经向水汽输送加大,而以经向输送为主的东亚季风区纬向水汽输送加大,从而使东亚地区的水汽输送带偏西,西南地区东部夏季降水偏多,可能出现洪涝,反之则可能出现干旱.西南地区东部夏季水汽有弱的净流出,是一个弱的水汽源区,南边界流入水汽量最多,干旱年整个区域水汽流出较常年明显,而洪涝年则有弱的净流入.夏季水汽通道水汽输送强弱变化与同期500 hPa高度场和SST场的分布形势密切相关.     

两次台风远距离暴雨过程的对比分析

利用常规高空、地面气象观测资料以及NCEP／NCAR1°×1°逐6h再分析资料,对2010年7月23—24日和2011年9月17—18日两次台风远距离暴雨进行对比分析。结果表明：两次暴雨过程虽然都受台风影响,但影响方式截然不同。前着台风直接通过低空急流将其附近的水汽、能量输送到暴雨区,降水效率高、强度大。后着台风作为扰动源,产生了类东风扰动并向西传播,在四川东部和青藏高原东部与西风带系统相遇,增大暴雨区气压梯度,诱发低空急流,增强暴雨区水汽辐合,同时延长西风带系统在暴雨区的停滞时间,造成降水时间延长。     

青藏高原夏季降水的区域特征及其与周边地区水汽条件的配置

使用青藏高原地区97个测站1961-2005年6～8月降水总量及同期NCEP/NCAR月平均 u, v风、比湿和300 hPa位势高度等再分析资料, 首先使用旋转经验正交函数分解方法得到青藏高原夏季降水的4种主要分布类型, 之后利用相关分析方法, 分析了与4种降水类型匹配的水汽输送以及相应的环流背景, 最后使用合成分析对高原异常旱涝年的水汽输送和环流形势的差异进行了分析.结果表明, 青藏高原夏季降水的主要气候特征是南部与北部降水异常呈现相反分布的特征, 其水汽输送和环流形势配置差异显著.如果孟加拉湾海区向北的水汽输送和东部海洋向西的水汽输送加强, 同时乌拉尔山阻高强盛, 东亚从低纬至高纬呈现 " - "位势高度环流形势时, 有利于西南水汽输送并与来自东部海洋的水汽形成辐合, 造成高原夏季降水偏多, 反之降水则偏少.     

特殊大地形背景下塔里木盆地夏季降水过程及其大气水分循环结构

对塔里木盆地夏季降水过程和复杂的大气水分循环结构进行了分析,采用常规气象观测、探空及其不同网格NCEP等再分析数据,通过塔里木盆地视热源、水汽汇、涡度、散度三维动力结构以及相关小波周期分析、水汽输送通道相关矢量场及其Fluxpart轨迹模型等各类方法,综合剖析该区域大气热源与夏季降水过程及其水分循环结构特征。计算分析结果表明塔里木盆地沙漠边界层辐射强日变化叠加上周边C型大地形“山谷风”效应,导致高山环抱盆地及沙漠区的独特水、热过程与局地环流特征。