中国西北地区东部地处内陆, 位于青藏高原东北侧, 大部分地区处于干旱半干旱气候区, 是气候变化敏感的地区之一。其降水的异常变化不仅直接影响该地区的工农业生产, 而且对中国东部地区日益突出的生态环境和水资源问题也具有重要影响(任宏利等, 2004)。中国西北东部的降水受季风和西风带的影响, 全年降水分布很不均匀, 降水量自东南向西北减少(徐国昌和张志银, 1983)。而近年来的研究表明, 在全球气候变暖之后, 我国西北地区西部和中部降水偏多, 而其东部则逐渐转为暖干型(施雅风等, 2003; 靳立亚等, 2005; 陈冬冬等, 2009), 且夏季干旱显著加剧(杨建玲等, 2013)。而感热输送通过非绝热效应加热或冷却大气, 通过能量交换对后期大气环流的建立和维持产生影响(李崇银等, 1993; Wu et al, 1998; Xue et al, 2004)。很多研究也分析了地表感热异常的效应, 李栋梁等(1997, 2003a, 2003b)发现青藏高原下垫面不同的热力异常空间型导致了北半球大气环流的异常, 从而引起中国天气气候的异常。毕宝贵等(2006)发现中国陕西南部地表热通量对陕南强降水有重要影响。周连童和黄荣辉(2008)通过分析我国西北干旱半干旱区感热与中国夏季降水的关系, 发现西北春季感热输送与我国夏季降水有很好的相关。周长春等(2009)发现中亚感热异常与我国西北降水的相关显著。Wang et al (2011)表明中国西北地区感热通量异常会影响中国夏季降水。陈圣劼等(2012)发现北亚洲大陆冬季地表感热较强时, 我国江淮梅雨期降水偏多, 出梅偏晚。吴荷等(2015)发现欧亚中高纬春季地表感热异常会影响我国长江中下游夏季降水。

目前, 针对欧亚大陆中高纬地区感热通量异常的影响研究不是很多, 其影响机制也不十分清楚。而我国西北东部位于欧亚大陆中高纬的下游, 其夏季的降水必然受感热引起的环流异常的影响。那么, 欧亚大陆中高纬地区感热通量异常与中国西北东部降水之间是否存在一定关系？怎样解释感热影响降水的物理机制？基于以上考虑, 本文将重点分析欧亚大陆中高纬地区地表感热通量与中国西北东部地区夏季降水的关系, 并通过相应环流异常特征分析, 初步探讨其影响西北东部地区夏季降水的物理机制。

采用的降水资料为宁夏气候中心提供的1961-2012年中国西北东部地区156站逐日降水观测资料, 其站点分布如图 1所示。地面感热通量属于C类模式资料, 与实际观测之间可能存在一定的偏差, 且不同模式运算所得的结果也不尽相同。目前应用较为广泛的两套再分析资料分别来源于NCEP/NCAR和ECMWF。很多研究都表明(苏志侠等, 1999; 宋敏红等, 2000; 魏丽等, 2003), 在目前缺少更好的代用资料的情况下, NCEP/NCAR资料不失为较可靠的地面通量资料。因此感热资料选取1979年1月至2012年12月NCEP/DOE地表感热净通量再分析资料。大气环流各要素场的数据均取自分辨率为2.5°×2.5°的NCEP/ NCAR再分析资料。

图 1(Figure 1)

图 1 中国西北东部156个观测站点位置分布 Figure 1 The distribution of 156 stations in Eastern Partof Northwest China

通过中国西北东部156个站点位置分布可以看出(图 1), 研究区域的气象观测站点分布不均匀, 尤其是内蒙、青海的站点较少, 而陕西、甘肃站点较多。若利用站点资料, 不考虑面积因子, 必定会使测站少的地区信息比重下降, 测站多的地区信息比重加大。故采用面积加权法, 使测站少的区域信息权重加大, 在一定程度上可以有效的修正站点分布非均匀性, 从而较为准确的反映整个区域的气候变化特征(赵庆云等, 2006)。

本文所分析的中国西北东部自然区域总面积为81×10⁴ km², 记为Q, 它由39个地州(市)子区域面积构成, 每个子区域面积为Q_r(r=1, 2, …, 39), 每个子区域所选站数并不相等, 设为m_r, 全区域内总共有站点数m, 即$m=\sum\limits_{r=1}^{R}{{}}{{m}_{r}}=156$, 第r个子区域的面积权重a_r可定义为:

对某一子区域的降水记录值x_ir, 面积加权后写为:

式中:下标r表示第r个区域。不同子区域a_r不同, 而同一子区域中a_r相同。各行政区域面积来自相关省人民政府网。

利用中国西北东部156个站点面积加权平均夏季降水量序列与NCEP/DOE和ERA40这两套资料的欧亚大陆中高纬冬季(1月)地表感热通量分别进行相关分析, 发现这两套资料计算结果相似, 欧亚大陆中高纬冬季感热与中国西北东部夏季降水存在显著的相关, 图 2即为中国西北东部面积加权平均夏季降水量与NCEP/DOE冬季(1月)感热资料的相关系数分布。由图 2可以看出, 中国西北东部夏季降水与欧亚大陆中高纬冬季(1月)地面感热存在一个显著的负相关区, 且相关系数最大值通过99%的显著性检验。由于欧亚中高纬冬季地面感热常年为负值, 其感热绝对值越大, 说明大气向地表输送感热值越大, 即当冬季欧亚大陆中高纬大气向地表感热输送通量偏大(小)时, 有利于中国西北东部夏季降水量偏多(少)。选取图 2中的相关显著区(61°N-67°N, 53°E-68°E)作为冬季欧亚大陆中高纬感热影响中国西北东部夏季降水的异常关键区, 并根据此关键区的平均感热标准化距平序列, 选取大于1.2个标准差的感热通量(大气向地表输送)偏小年即1985年、1986年、1999年、2002年和2006年, 和小于-1.2个标准差的感热通量偏大年即1981年、1988年、1993年、1995年和2007年, 重点关注该区域冬季地表感热异常与中国西北东部夏季降水的可能联系。

图 2(Figure 2)

图 2 中国西北东部夏季面积加权平均降水与欧亚大陆中高纬度前期冬季(1月)地表感热通量的相关系数分布 深浅阴影区分别表示通过了95%、90%的置信检验, 黑色矩形框内为冬季欧亚大陆中高纬感热异常关键区 Figure 2 The distribution of correlation coefficients between the summer precipitation over the Eastern Part of Northwest China and surface sensible heat flux over the mid-high latitudes of the Eurasian continent. Dark and light shaded area represent the valueshave passed the significances level at 95% and 90%, respectively. The area of the black rectangle is the repres-entative region of surface sensible heat flux anomalies over the mid-high latitudes of the Eurasian continent

从冬季欧亚大陆中高纬关键区地表感热与后期夏季中国西北东部各月降水的相关系数可以看出(表略), 关键区感热与7月、8月降水量呈显著的负相关, 均达到95%的置信度, 其中8月的相关系数-0.45达到了99%的置信度, 说明冬季欧亚大陆中高纬感热影响中国西北东部夏季降水的敏感时段主要是7-8月的盛夏时期。在欧亚大陆中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大年, 中国西北东部除青海的同德, 陕南的安康、旬阳、白河, 内蒙古的包头、东胜、伊金霍洛旗等地盛夏降水偏少外, 大部分地方降水偏多, 尤其是甘肃东部的环县、西峰等地降水偏多最为明显(图 3a); 而欧亚大陆中高纬冬季大气向地表感热输送值偏小年, 中国西北东部盛夏降水在青海的久治、河南, 甘肃中部、宁夏中部等地偏多, 而其他大部分地区降水偏少, 尤其是陕南、陕北和内蒙古的巴彦诺尔公等地降水偏少最为明显(图 3b)。

图 3(Figure 3)

图 3 中国西北东部盛夏降水距平百分率合成(单位: %) (a)大气向地表感热输送值偏大年, (b)大气向地表感热输送值偏小年 Figure 3 Composition of precipitation anomaly percentage over the Eastern Part of Northwest China in summer. (a) and (b) represent the sensible heat flux transportation from atmosphere to the land surface of strong and weak year, respectively

从中国西北东部面积加权平均夏季降水量的标准化距平及其9点滑动平均可以看出(图 4a), 中国西北东部夏季降水存在明显的年代际变化特征。20世纪80年代降水略微有增长, 90年代呈减少趋势, 21世纪初至今降水又有增加的趋势; 从标准化降水距平的10年滑动t检验值上可以看出, 中国西北东部夏季降水在1996年发生突变, 突变后降水偏少。那么, 欧亚中高纬冬季地表感热与中国西北东部夏季降水在年代际尺度上是否存在着联系？

图 4(Figure 4)

图 4 中国西北东部面积加权平均夏季降水量的标准化距平(a)、欧亚大陆中高纬关键区冬季地表感热通量标准化距平(b)及两者的11年滑动相关(c) Figure 4 Standardized precipitation anomaly of eastern part of Northwest China during summer (a), standardized surface sensible heat flux anomaly of mid-high latitudes of the Eurasian continent during winter (b) and 11-years sliding correlation coefficients between the two variables (c)

通过冬季欧亚大陆中高纬关键区地表感热通量标准化距平及其9点滑动平均可以看出(图 4b), 冬季关键区感热通量也存在明显的年代际变化特征, 且与中国西北东部夏季降水的年代际变化存在很好的对应关系。在20世纪80年代初期, 冬季欧亚大陆中高纬大气向地表感热输送偏大, 随后感热输送有所减小, 中国西北东部夏季降水在这段时间内略有减少。在90年代感热输送有一次显著减小的过程, 从感热标准化距平的10年滑动t检验值上可以看出, 冬季关键区感热在1996年发生突变, 与中国西北东部夏季降水突变年份一致, 在突变后欧亚大陆中高纬大气向地表感热输送偏小, 对应的中国西北东部夏季降水偏少。21世纪初欧亚大陆中高纬大气向地表感热输送又开始增大, 而此时中国西北东部夏季降水也开始增加。从11年滑动相关(图 4c)上也可以看出两者在年代际尺度上表现为负相关, 其中20世纪90年代初到21世纪00年代后期的相关最为显著。

从欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大、偏小年的后期春、夏季500 hPa距平风差值场可以看出(图 5a、b), 欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值异常偏大年, 后期春季乌拉尔山一带出现反气旋式的距平风场, 表明乌拉尔山高压脊在春季已经开始增强(图 5a); 到了夏季, 乌山脊前的偏北风显著增强, 表明从西北方向南下的冷空气显著增强, 冷空气经过气旋式环流进入我国西北地区, 而此时来自热带西太平洋的显著异常偏东风在孟加拉湾附近转为西南风, 吹向中国西北东部地区, 冷暖空气的交汇有利于中国西北东部夏季降水偏多(图 5b)。

图 5(Figure 5)

图 5 大气向地表输送感热值偏大减偏小年春季(a)、夏季(b)500 hPa距平风合成差值场(单位: m·s-1), 大气向地表输送感热值偏大(c)、偏小(d)年夏季500 hPa高度距平合成场(单位: gpm)及副高5880 gpm位置(e) 阴影区表示通过95%置信检验 Figure 5 The difference of wind (unit: m·s-1) on 500 hPa in spring (a) and summer (b) between the composite anomalous years, geopotential height anomaly on 500 hPa (unit: gpm) of sensible heat flux transportation from atmosphere to land surface in strong (c), weak (d) year and the position of the subtropical high (e, use the line of 5880 gpm to represent the subtropical high) during summer. The shaded area represents values have passed confidence level of 95%

从冬季欧亚中高纬大气向地表感热输送值偏大、偏小年的后期夏季500 hPa高度距平场也可以看出(图 5c、d), 在欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大年(图 5c), 后期夏季乌拉尔山以东、鄂霍茨克海以西的位势高度场为显著的正距平, 乌拉尔山高压脊显著增强, 贝加尔湖、蒙古一带的位势高度场为显著负距平, 蒙古低压加深, 有利于冷空气南下; 副热带地区为显著正距平, 副高增强, 范围扩大, 强度增强, 主体位置偏西至110°E附近(图 5e), 有利于暖湿气流向内陆地区输送。由于中国西北东部处于蒙古气旋底部和副高外围, 在冬季欧亚中高纬大气向地表感热输送值偏大年, 后期夏季的北方冷空气与南方暖湿空气在西北东部交汇, 容易形成降水。在欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏小年(图 5d), 乌拉尔山以东、鄂霍茨克海以西的高度场为显著负距平, 乌山脊减弱, 而贝加尔湖、蒙古一带的高度场为显著正距平, 使得蒙古低压减弱, 不利于双阻塞形势的发展和冷空气的南下, 西太平洋副热带高压偏弱偏东, 不利于南方水汽输送到中国内陆地区, 因此中国西北东部夏季降水偏少。

有研究表明(方晓洁等, 2009), 当东亚夏季200 hPa西风急流偏北时, 中国西北东部降水偏多, 长江流域降水偏少; 当急流偏南时, 中国西北东部降水偏少, 长江流域降水偏多。那么欧亚中高纬冬季感热异常是否会通过影响西风急流的位置, 从而影响中国西北东部的降水?通过7-8月200 hPa纬向距平风差值场(图 6a, 大气向地表感热输送值偏大年与偏小年的差值)可以看出, 欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大年, 沿急流轴北侧40°N-45°N纬度带西风异常偏强, 南侧20°N-35°N纬度带西风异常偏弱, 在东北地区上空的急流出口区, 急流轴北侧纬向西风增强导致急流轴东段向东北方向倾斜, 表明沿急流轴西风异常偏强, 急流位置偏北, 从而使得中国西北东部降水偏多, 大气向地表感热输送值偏小年则相反。100 hPa位势高度场上, 欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大年(图 6b), 后期盛夏南亚高压中心位于尼泊尔、西藏上空, 呈明显的东部型, 且其脊线位置在28°N附近, 较感热输送值偏小年(图 6c)脊线位置偏南, 而当南亚高压脊线偏南时, 中国西北东部上空对流层中高层往往盛行西风带长波槽活动, 导致中国西北东部多雨; 欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏小年(图 6c), 后期盛夏100 hPa位势高度场上, 南亚高压中心位置偏西, 为明显的西部型, 且其脊线位于32°N附近, 位置偏北。从以上分析可知, 欧亚大陆中高纬冬季感热异常能引起南亚高压位置的异常, 从而影响中国西北东部降水, 这与张琼等(1997)的分析结果基本一致。

图 6(Figure 6)

图 6 盛夏200 hPa纬向风差值场(a, 单位: m·s-1)及大气向地表感热输送值偏大(b)、偏小年(c)100 hPa位势高度合成场(单位: dagpm) 阴影区表示通过95%置信检验 Figure 6 The difference of zonal wind on 200 hPa (a, unit: m·s-1) in summer (from July to August) between the composite anomalous years, composition of geopotential height anomaly on 100 hPa (unit: dagpm) in strong (b) and weak (c) year of sensible heat flux transportation from atmosphere to land surface. The shaded area represents values have passed confidence level of 95%

由前文可知, 在欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大年, 夏季高空西风急流在40°N附近增强, 位置偏北, 中国西北东部位于急流出口区的南侧, 急流变化引起的次级环流异常有利于这里的上升运动增强, 而垂直上升运动也是直接影响降水的因子之一。进而从冬季大气向地表感热输送值偏大、偏小年中国西北东部(32.5°N-40°N平均)垂直速度差值剖面(图 7a)可以看到, 冬季大气向地表感热输送值偏大、偏小年垂直速度差值最大达-1.5×10^-2Pa·s^-1, 中国西北东部(100°E-111°E)对流层上升运动显著。结合前文4.1对流层中、低层风场的异常变化可知, 来自西北方向侵入的冷空气与南方的暖湿空气在中国西北东部交汇, 有利于在该地区形成降水。

图 7(Figure 7)

图 7 中国西北东部(32.5°N40°N平均)夏季垂直速度差值剖面(a, 单位: 10-2Pa·s-1)及感热输送偏大(b)、偏小年(c)整层水汽通量散度场(单位: kg·m-1·s-1) 阴影区表示通过95%置信检验 Figure 7 The vertical cross-section of vertical speed (unit: 10-2 Pa·s-1) of eastern part of Northwest China (mean of 32.5°N-40°N), moisture flux and vapor flux divergence (unit: kg·m-1·s-1) during summer in strong (b) and weak (c) year of sensible heat flux transportation from atmosphere to land surface. The shaded area represents values have passed confidence level of 95%

从整层水汽通量及散度上(图 7b)也可以看出, 欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大年, 中国西北东部夏季来源于孟加拉湾、南海及热带西太平洋的西南水汽通量异常增强, 且在该地区有水汽的辐合, 有利于中国西北东部降水产生; 欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏小年(图 7c), 孟加拉湾和西太平洋水汽通量较弱, 且输送不到中国西北东部, 该地区有水汽辐散, 不利于中国西北东部夏季降水产生。

由以上分析可知, 欧亚中高纬冬季冷源异常引起了夏季大气环流的异常, 从而影响中国西北东部夏季的降水, 但冬季的感热是如何通过春季进而对夏季大气环流产生影响的呢？以下将对其可能的影响机制进行分析。

由欧亚中高纬1-8月感热与后期中国西北东部夏季降水的逐月相关可知(图 8a), 中国西北东部夏季降水与欧亚中高纬前冬感热为负相关, 而与同期夏季感热则转变为正相关, 在春季4月相关发生改变, 即欧亚中高纬冬季大气向地表感热输送值偏大(小)、夏季地表向大气感热输送值偏大(小)时, 中国西北东部夏季降水偏多(少)。那么, 欧亚中高纬感热的持续性如何？其冬季感热强弱与夏季感热强弱之间是否有联系？故分析了欧亚中高纬感热逐月之间的相关(图 8b, 横坐标1-2代表欧亚中高纬1月感热与2月感热相关, 依次类推), 由图 8可知, 3月欧亚中高纬感热与4月感热的相关系数为负, 其余各月之间为正相关, 即感热的持续性在春季4月发生了变化, 因此1月感热与2、3月感热为正相关, 而与4-8月感热为负相关, 说明冬季大气向地表的感热传输值越大(小), 4月以后地面向大气的感热传输值就越大(小)。综合以上分析可知, 当欧亚中高纬冬季大气向地表感热传输值偏大(小)时, 春、夏季地表向大气感热输送值偏大(小), 而感热异常引起了乌山脊、蒙古低压、急流、南亚高压等(4.2节所分析的环流异常)有(不)利于中国西北东部夏季降水的环流异常, 使中国西北东部夏季降水偏多(少)。

图 8(Figure 8)

图 8 中国西北东部夏季降水与欧亚中高纬1-8月感热相关(a)及欧亚中高纬感热逐月相关(b) 虚线表示90%置信度, 图(b)中横坐标表示求相关的月份, 如12表示1月感热与2月感热相关 Figure 8 The correlations between precipitation of eastern Part of Northwest China during summer and surface sensible heat flux of mid-high latitudes in the Eurasian continent from January to August (a), and the correlations of surface sensible heat flux month by month (b). The dashed lines denotes the reliability values of 90%. In Fig. 8b, the abscissa is the two months between which the correlation coefficient of sensible heat flux is calculated, i. e, 1-2 represents correlations between January and February

地表感热通过非绝热效应加热或冷却大气, 通过与大气能量交换对后期大气环流的建立和维持产生影响, 从而影响区域气候异常。通过分析欧亚大陆中高纬(61°N-67°N, 53°E-68°E)冬季地表感热对中国西北东部夏季降水的影响及可能机制, 得到如下主要结论:

(1) 冬季欧亚大陆中高纬感热为负值, 其地表感热通量与中国西北东部夏季降水存在显著相关, 即当冬季欧亚大陆中高纬大气向地表的感热输送值偏大(小)时, 后期夏季中国西北东部降水偏多(少)。两者的相关在20世纪90年代初到21世纪00年代后期最为显著。

(2) 冬季欧亚大陆中高纬地表感热通量通过春、夏季大气环流影响中国西北东部夏季降水。当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏大时, 春季乌拉尔山阻塞高压开始增强, 夏季乌山阻高增强更为显著, 蒙古低压加深, 西太平洋副热带高压强度偏强, 主体位置偏西, 中国西北东部位于蒙古高压底部和副高外围, 西风急流位置偏北, 南亚高压呈东部型, 且脊线位置偏南, 中国西北东部受辐合上升气流控制, 水汽输送条件较好, 使得中国西北东部夏季降水偏多。当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表感热输送值偏小时, 情况则大致相反, 使得中国西北东部夏季降水偏少。

(3) 冬季欧亚中高纬感热影响中国西北东部夏季降水的可能机制是, 冬季欧亚大陆中高纬大气向地表输送感热值偏大(小), 引起了春、夏季地表向大气输送感热值偏大(小), 春、夏季地表感热偏强(弱), 引起有(不)利于中国西北东部夏季降水的环流系统, 导致中国西北东部夏季降水偏多(少)。

值得注意的是, 欧亚大陆冬季地表感热异常不是唯一引起环流异常的原因, 如欧亚大陆常年被积雪覆盖, 而积雪对气候的异常也有重要影响, 同时冬季西伯利亚高压的变化也可能通过大气环流的作用影响中高纬度感热通量, 因此积雪、感热、西伯利亚高压、大气环流异常之间的相互影响有待进一步研究。此外, 影响中国西北东部夏季降水的因素很多, 陆气相互作用以及大气运动过程较为复杂, 本文利用统计分析诊断了欧亚大陆中高纬感热影响西北东部降水的过程, 仍有待于借助数值模拟进一步予以验证。