西北地區水汽輸送特征及其年際、年代際變化*

張雪梅，江志紅，蘭博文

(1.哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱150080;2.南京信息工程大學/氣象災害省部共建教育部重點實驗室，江蘇南京210044)

0 引言

中國西北是全球同緯度最干旱的地區之一。董安祥等［1］研究發現，該地區干旱主要是春旱，其次為初夏旱、伏旱，秋冬連旱也會出現。一個地區降水量的多寡不但和該地區的地理位置有關，也和大尺度環流背景下的水汽輸送特征密切相連。水汽輸送及其輻合的變化直接影響到旱澇的發生。水汽輸送季節轉換的關鍵時段、關鍵區域和關鍵征兆對于跨季度預報至關重要。

以往的研究多集中在對于西北地區或西北局部地區年平均或季節平均水汽輸送特征的研究［2－5］，對于候平均水汽輸送特征研究較少;而且，由于以往觀測資料缺乏等原因，計算大氣整層水汽輸送時，多忽略了地面氣壓的變化，統一規定為1 000 hPa，這樣對于地形比較復雜的西北地區而言，研究結果肯定會有很大的誤差;另外，對西北地區降水異常的7個關鍵地區水汽輸送特征的研究更是少見。因此，本文將對西北地區降水異常的7個關鍵地區候平均水汽輸送特征及其年際、年代際變化特征等進行分析，以期為防災減災措施的制定和短期氣候預測提供氣候背景，為促進西部地區經濟發展做出積極貢獻。

1 資料

1950－2002年NCAR/NCEP再分析逐日平均資料，包括高空水平緯向風uwnd、經向風vwnd、比濕shum，地表面氣壓pres。其中uwnd、vwnd場在垂直方向有17層(1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa)，單位為m·s－1;shum場在垂直方向有8層(1 000～300 hPa)，單位為kg/kg;pres的單位為Pa;各資料場的水平精度均為2.5°×2.5°。

2 資料處理方法

在P坐標系中，單位時間通過垂直于風向的，底為單位長度，高為整層大氣柱的面積上的總的水汽通量Q(垂直積分的水汽通量)的計算方式［6－11］如下:

緯向水汽輸送通量:

經向水汽輸送通量:

式中:Qλ和Qφ的單位為kg·m－1·s－1;ps為地表面氣壓;p取300 hPa;g為重力加速度。公式中變量與NCEP/NCAR逐日平均再分析資料的對應關系是:u對應uwnd，v對應vwnd，q對應shum，ps對應pres/100(單位由Pa換算成hPa)，dp對應1 000、925、850、700、600、500、400、300 hPa的位勢高度間隔。整層積分時，地形以下等壓面的值不作累加，由地形以上最接近的標準等壓面開始積分至300 hPa高度，如某一地形的地表面氣壓低于300 hPa，則該地形處地表面氣壓低于300 hPa的格點的水汽輸送通量為0。

3 水汽輸送推進過程的氣候特征

王寶鑒等［12］選取中國西北五省(區)(陜、甘、寧、青、新)168個測站1961－2000年6－9月月降水，運用EOF、REOF方法對西北區6－9月降水量場進行分析，得到降水量的7個主要空間異常氣候區，即渭水流域中上游區、河西走廊區、高原東北側區、北疆區、高原區、陜南區和南疆區，這是我國西北地區降水異常的7個關鍵地區。本章將重點討論這7個關鍵區各候的水汽輸送通量特征。由于水汽輸送通量場是格點資料，因此本文選取的7個關鍵區的范圍略有調整(圖1)。

圖17 個關鍵區分布圖

3.1 各候水汽輸送的空間分布

取72.5°～112.5°E、30°～50°N范圍內的逐候多年平均水汽輸送通量，來分析我國西北地區逐候水汽輸送的空間分布特征，如圖2所示:第1候(1月第1候)至第10候(2月第4候)，西北地區沒有明顯的水汽輸送;第11候(2月第5候)至第15候(3月第3候)，弱的偏西風水汽輸送一直維持在陜南;第16候(3月第4候)，偏西風水汽輸送進入高原東北側東部，而陜南轉為西南風水汽輸送;第21候(4月第3候)，北疆和河西走廊的偏西風水汽輸送開始建立;第27候(5月第3候)，西南風水汽輸送進入渭水流域中上游;直至第36候(6月第6候)，偏西風和西南風水汽輸送同時加強，大值區分別位于北疆中部、河西走廊北部和陜南，而且西南風水汽輸送進入高原東北側;第42候(7月第6候)，陜南的西南風水汽輸送開始減弱;第45候(8月第3候)，北疆和河西走廊的偏西風水汽輸送也開始減弱;第49候(9月第1候)，河西走廊的偏西風水汽輸送帶開始北移，西南風水汽輸送與偏西風水汽輸送在陜南和高原東北側東部交匯，致使該處的水汽輸送再次加強，而且偏西風水汽輸送出現在高原東北側西部，這種狀況一直維持到第55候(10月第1候);第56候(10月第2候)，高原東北側西部偏西風水汽輸送消失，高原東北側東部的水汽輸送減弱;第63候(11月第3候)，北疆和河西走廊的偏西風水汽輸送帶消失，高原東北側東部和陜南還有弱的偏西風水汽輸送;第68候(12月第2候)，高原東北側東部和陜南的偏西風水汽輸送也消失，直至第72候(12月第6候)。

3.2 偏西風和西南風水汽輸送推進與撤退的時間演變

通過上一節的討論發現，北疆和河西走廊為偏西風水汽輸送，渭水流域中上游、高原東北側東部和陜南為偏西風和西南風水汽輸送共同作用區域。圖3描繪了102.5°～110°E偏西風和西南風水汽輸送建立與消失的時間特征，圖中等值線所圍的區域為偏南風水汽輸送，陰影部分為偏西風水汽輸送。下面以圖中連續的0.3 kg·m－1·s－1的水汽輸送線作為偏南風水汽輸送特征線和0.5 kg·m－1·s－1的水汽輸送線作為偏西風水汽輸送特征線來對其特征進行討論。

第21候(4月第3候)，高原東北側的偏西風水汽輸送平均值加大，結合圖2可以看出，水汽輸送強度并沒有加強，說明面積西擴了;第26候(5月第2候)，渭水流域中上游和陜南的西南風水汽輸送開始加強，但是西風分量大于南風分量;第33候(6月第3候)，偏南風水汽輸送特征線在渭水流域中上游和陜南出現，說明南風分量開始加大，并迂回向北延伸;第40候(7月第4候)，偏西風水汽輸送特征線快速北移至陜北，同時偏南風水汽輸送特征線也快速北移至陜北，并于第43候(8月第1候)到達38°N附近的北界，說明此時高原東北側大部分區域盛行西南風水汽輸送;隨后兩條特征線均快速南撤，偏西風水汽輸送特征線于第48候(8月第6候)撤至南界，偏南風水汽輸送特征線于第59候(10月第5候)撤至南界并消失，說明渭水流域中上游和陜南的西南風水汽輸送逐漸減弱，并被偏西風水汽輸送所取代;第65候(11月第5候)，偏西風水汽輸送特征線快速消失，轉為冬季的形勢。

圖2 1950－2002年西北地區多年平均逐候整層垂直積分水汽輸送通量分布圖

圖3 西北地區102.5°～110°E平均逐候多年平均整層垂直積分水汽輸送通量時間—緯度剖面圖

4 年際、年代際變化

圖4a中，渭水流域中上游1950年代后期－1960年代初西南風水汽輸送旺盛，尤其是8月中旬－10月上旬;隨后水汽輸送逐漸減弱，到21世紀初，僅9－10月上旬有水汽輸送大值區。高原東北側(圖4b)以偏西風水汽輸送為主;1960年代中期以前，水汽輸送每年集中在4－10月中旬，而且1950年代后期－1960年代初期的6月下旬－8月偏西風水汽輸送旺盛;1960年代中期－20世紀末，水汽輸送逐漸減少;到21世紀初，水汽輸送大值區幾乎消失。1970年代以前，高原東北側(圖4c)4月就開始有明顯的偏西風水汽輸送了，1950年代中后期－1960年代初期的6月中旬－10月上旬西南風水汽輸送旺盛;1970年代以后，水汽輸送維持較弱;20世紀末期－21世紀初期，水汽輸送明顯減少。北疆(圖4d)盛行偏西風水汽輸送，其年代變化不大，僅于1950年代中后期的7月和1980年代前期的7月末－8月上旬出現強水汽輸送中心;高原(圖4e)和南疆(圖4g)的水汽輸送常年都很弱，高原的偏西風水汽輸送大值區出現在1970年代中期以前的6月中旬－10月上旬，南疆的偏西風水汽輸送大值區出現在1960年代中期以前的4－9月。在我國西北地區，陜南(圖4f)的水汽輸送遠遠強于其它地區，1950年代后期－1970年代中期的西南風水汽輸送較強，尤其是1950年代后期－1960年代初期西南風水汽輸送最旺盛;1970年代中期以后，西南風水汽輸送減弱，偏西風水汽輸送持續的時間也縮短。

對比7個關鍵區的水汽輸送，可以看出，水汽輸送都是在逐漸減弱的，大值區開始的時間都是在逐漸拖后，結束的時間變化不大，春季的水汽輸送明顯減少。

圖4 各“關鍵區”候平均水汽輸送逐年演變圖

5 結論

(1)北疆和河西走廊常年為偏西風水汽輸送，渭水流域中上游、陜南和高原東北側偏西風和西南風水汽輸送交替出現，高原和南疆的水汽輸送常年都很弱;

(2)西南風水汽輸送主要集中在6－10月，8月達到38°N附近的北界;

(3)我國西北地區水汽輸送在逐漸減弱，大值區開始的時間在逐漸拖后，結束的時間變化不大，春季的水汽輸送明顯減少。

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