青藏高原全區與東西部各分區大氣熱源的變化規律對比

李 超，李躍清，蔣興文

(1.成都信息工程學院大氣科學學院，四川成都610225;2.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都610072)

0 引言

青藏高原因其特殊的地形、動力作用、熱力作用，不僅在高原地區形成了特殊的天氣氣候系統，而且對中國、東亞甚至北半球的大氣環流和氣候產生重要影響。正是由于高原大氣熱源作為這種影響機制中很重要的一部分，因此深入研究青藏高原大氣熱源特征及其變化規律對了解全球氣候變化規律和東亞氣候特征具有重要意義。早在20世紀50年代，葉篤正等[1]就發現青藏高原冬季是大氣的冷源，夏季是大氣的熱源，并進而奠定了青藏高原氣象學的基礎。趙平等[2]發現高原地區大氣熱源年際變化明顯，其中春季和秋季高原地區熱量源匯的變率最大，并且水平分布很不均勻。鐘珊珊等[3]指出自1979年后，各季節高原熱源變化均表現出1990年前后的氣候轉變信號。夏季，高原熱源變率表現為南北反位相型，其他季節為高原的中部東北部與高原東南部反位相型。岑思弦等[4]分析研究了1950～2005年青藏高原大氣熱源氣候特征和變化特征，發現夏季青藏高原東部大氣熱源的強度明顯較西部大，青藏高原全區、東部、西部逐年平均的大氣熱源有明顯不同的變化特征。

關于高原大氣熱源的研究已取得一些卓有成效的成果，由于所選取的原始資料有差別，因此，導致最后的結論有一些出入，但很多方面都是一致的。文中將運用不同的統計方法分析青藏高原不同分區熱源的變化規律、突變、周期等幾個方面的特征。

1 資料選取及處理方法

使用的原始資料是1948年1月至2011年4月的溫度場、比濕場、風場、高度場的NCEP月平均再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，再利用‘倒算法’[5－6]計算得到青藏高原地區的大氣熱源資料。利用上述大氣熱源原始資料，計算得到高原全區(28°N～40°N、75°E～105°E)和東西部各分區(高原西部 28°N～40°N、75°E～90°E，高原東部 28°N～40°N、90°E～105°E)大氣熱源的時間序列，對比分析對應的大氣熱源年際和年代際變化特征，利用統計方法研究青藏高原大氣熱源不同季節的空間分布、周期、突變情況。

2 青藏高原大氣熱源年際變化特征和年代際變化特征

利用逐月平均大氣熱源格點資料計算得到逐年平均的青藏高原地區以及東西各分區大氣熱源資料(用面積平均來表示)，分析青藏高原全區及東西各分區大氣熱源年際特征(圖1)，可以得出以下結論。

圖1 青藏高原全區及東西部各分區大氣熱源的時間序列

高原全區及各分區大氣熱源波動明顯，高原全區1948～1991年主要表現出熱源的特征，1991～2004年主要表現出熱匯的特征，2004年重新表現出熱源的特征。高原西部地區大氣熱源的波動比東部地區大，高原西部地區1976年前主要表現出熱源特征，1976～2003年主要表現出熱匯特征，2003年重新表現出熱源的特征。高原東部地區1948～1991年主要表現出熱源的特征，之后熱源熱匯特征交替出現。高原全區大氣熱源時間序列經歷了3次波動性質顯著不同的時期，1975年左右以前大氣熱源振蕩較大，1975年左右至1990年左右振蕩相對較小，1990年左右以后大氣熱源振蕩重新變大。東部和西部地區振蕩的變化區間與全區的變化區間類似，只是位相上有一些差異。

計算青藏高原全區和各個分區大氣熱源累積異常，從中能夠發現全區和各個分區大氣熱源在年代際時間尺度上的變化規律，計算結果如圖2所示。

從圖2能夠看出高原全區大氣熱源從1948～2010年經歷了2次較大起伏變化。青藏高原全區大氣熱源20世紀70年代以前大氣熱源逐漸增強。20世紀70年代初到20世紀90年代初這段時間大氣熱源基本維持不變，20世紀90年代初以后大氣熱源逐漸減小。將全區與分區大氣熱源累積異常曲線對比發現，起伏變化的起止時間略有不同。高原西部地區20世紀70年代中后期以前大氣熱源逐漸增強，20世紀70年代中后期以后，大氣熱源逐漸減弱。而高原東部地區20世紀50年代初到20世紀60年代初熱源基本維持不變，20世紀60年代初到20世紀90年代初熱源逐漸增強，20年代初以后熱源逐漸減弱。

圖2 青藏高原全區和東西部各分區大氣熱源累積異常圖

3 青藏高原地區大氣熱源最大熵譜估計

最大熵譜的基本思想[7]是以信息論中熵的概念為基礎，選擇這樣一種譜估計——在外推已知時間序列的自相關函數時，其外推原則是使相應的序列在未知點上取值的可能性具有最大的不確定性，也就是不對結果做人為主觀的干預，因而所得信息最多。最大熵譜估計是與確定時間序列的參數模式——自回歸模型有關的方法，是一種參數譜估計。

圖3 最大熵譜密度圖

利用最大熵譜估計提取1948～2010年青藏高原全區和各個分區大氣熱源年際變化時間序列中的周期，將最大熵譜估計的計算結果繪制成最大熵譜密度圖如圖3所示。

從圖3可以看出，高原東部地區大氣熱源熵譜圖最高峰值對應在16年周期上，高原西部地區大氣熱源熵譜圖最高峰值對應在8年周期上，高原全區大氣熱源熵譜圖最高峰值對應在14年周期上。因此，高原全區和各個分區大氣熱源變化的周期各不相同。

4 青藏高原東西部地區大氣熱源時間序列的相關系數分析

計算高原東部地區和西部地區大氣熱源時間序列的相關系數，并將計算結果繪制成圖，如圖4所示。

圖4 高原東西部地區大氣熱源時間序列的相關系數

從圖4看出，1989年相關系數經歷了一次明顯的正相關向負相關的轉變，1989年以前高原東西部地區大氣熱源以正相關為主，表明高原東西部地區大氣熱源變化趨勢相同，在1989年以后高原東西部地區大氣熱源以負相關為主，表明高原東西部地區大氣熱源變化趨勢相反。1955年、1998年、2004年經歷了3次不明顯由負相關向正相關的轉變。

5 青藏高原地區大氣熱源分季節進行REOF分析

分別對各季節(此處春季默認為每年的3月至5月，以后各個季節依次遞推，冬季默認為前一年的12月至來年的2月)進行REOF分析，根據對數特征值圖確定旋轉前6項特征向量，計算載荷向量矩陣，進一步作方差極大正交旋轉。第一旋轉空間模對總方差的貢獻最大，因此，保留第一旋轉空間模及其對應的時間系數(圖5，圖6)，對其進行分析。

圖5 高原大氣熱源第一旋轉空間模

從圖5看出第一旋轉空間模很好地展示了青藏高原地區各個季節熱源的分布狀況，不難從中發現其區域分布特征明顯。這是青藏高原大氣熱源各個季節的典型分布結構。

春季，第一旋轉空間模表現為高原大部分地區為正值，高原西部出現明顯的熱源加熱中心，這是由于春季高原西部地區冰川和積雪開始融化，地表水汽蒸發，在高層重新凝結，當地大氣獲得大量的凝結潛熱加熱。夏季，大氣熱源中心明顯東移，位于高原東部地區，熱源強度顯著增強，這是由于此時正值高原季風建立，高原東部地區開始進入雨季，頻繁的對流運動給當地大氣帶來大量的凝結潛熱加熱。秋季，青藏高原地區東部為負值，但是并沒有出現閉合的冷源中心。高原西部大氣熱源仍然有加熱作用，這是因為此時高原地區大氣環流處于轉換時期，高原東部大氣熱匯(冷源)作用并沒有完全建立。冬季，高原西部出現大氣熱源中心，而高原東部出現冷源中心，冬季整個高原地區大氣應該以表現熱匯作用(冷源作用)為主。但是高原西側因氣旋性擾動，地形強迫抬升和有利的偏南風水汽輸送，造成冬季高原西部降水較之東部多。降水給當地大氣帶來大量的凝結潛熱加熱。

圖6對時間系數曲線作5年滑動平均，并將滑動平均后得到的曲線與原始曲線同時繪于同一坐標軸上。

圖6 第一模態對應時間系數變化曲線(空心點對應原始時間系數曲線，實心點為平滑后的曲線)

從圖6的4個季節第一空間模對應時間系數曲線以及5年滑動平均，總體上能夠看出這種分布結構的青藏高原大氣熱源具有明顯的年際振蕩和年代際變化特征，而且這種特征在4個季節均有體現。

春季，大氣熱源總體變化趨勢較為平穩。圖中呈現出3個強熱源時期和3個強冷源時期，熱源時期分別在20世紀60年代中期、20世紀80年代初到90年代初、21世紀初。冷源時期分別在20世紀60年代初、70年代初到80年代初、90年代初到90年代末。夏季，大氣熱源總體上呈現減弱的趨勢。圖中有2個強熱源時期，2個強冷源時期，熱源時期分別在20世紀70年代初期、80年代初期，冷源時期分別在20世紀70年代中期，80年代末。秋季，大氣熱源總體上呈上升趨勢，圖中的時間滑動平均曲線反映出這種上升趨勢并不是始終維持的，而是分階段體現出來的。冬季，大氣熱源總體上呈現減弱的趨勢，然而時間滑動平均曲線反映出大氣熱源在20世紀80年代初到90年代后期經歷一次劇烈的起伏。

6 M-K檢驗

符淙斌等[13]指出氣候突變現象及其理論的研究是近代氣候學一個新興的研究領域，其研究內容是氣候突變研究評述的第一部分，著重討論了突變，主要是氣候突變的定義和氣候突變信號的各種檢測方法。把氣候突變歸納為4類，即均值突變、變率突變、轉折突變和翹翹板突變。文中采用M-K檢驗和滑動T檢驗來證實高原地區大氣熱源時間序列突變的存在與否。

圖7為青藏高原全區和東西部各個分區大氣熱源時間序列M-K檢驗圖，正序列UF曲線與逆序列UB曲線交點即是突變點，檢驗臨界標準值為|α0|＜1.645，即突變點處于這個閾值以內表示突變是顯著的。圖7(a)高原全區大氣熱源在1984年左右發生突變，說明此時高原全區大氣由以熱源作用為主變為以冷源(熱匯)作用為主。此外，從正序列UF曲線變化圖中看出，大氣熱源1970年以前維持波動增強的趨勢，1970年以后開始逐漸減弱。圖7(b)高原西部地區大氣熱源在1976年左右發生突變，說明此時西部地區大氣由以熱源作用為主變為以冷源(熱匯)作用為主。同樣從正序列UF曲線變化圖中看出，大氣熱源1963年以前維持波動增強的趨勢，1963年以后開始逐漸減弱。圖7(c)高原東部地區大氣熱源在1990年左右發生突變，說明此時東部地區大氣由以熱源作用為主變為以冷源(熱匯)作用為主。同樣從正序列UF曲線變化圖中看出，大氣熱源1970年以前維持波動增強的趨勢，1970年以后開始逐漸減弱。

圖7 M-K檢驗圖(空心點表示UF曲線，實心點表示UB曲線)

7 結論

通過上述NCEP再分析資料計算得到的63年青藏高原地區大氣熱源的原始數據的研究，得到以下幾點結論:

(1)青藏高原全區和東西各分區的大氣熱源均表現出明顯的年際振蕩特征，但是時間序列的振蕩過程中熱源與熱匯轉換時間節點不同，年代際尺度上熱源變化趨勢的起訖時間節點也不同。

(2)計算全區和各分區大氣熱源發現，青藏高原全區大氣熱源存在14年的顯著周期，高原東部地區大氣熱源存在16年的顯著周期，高原西部地區大氣熱源存在8年的顯著周期。

(3)青藏高原西部地區和東部地區1989年以前，大氣熱源變化趨勢相同，1989年以后，大氣熱源變化趨勢相反。

(4)研究各季節青藏高原大氣熱源的空間分布發現，青藏高原全區大氣熱源各個季節熱源熱匯分布特征不同，春季西部地區出現熱源中心，夏季東部地區出現熱源中心，秋季東部地區出現熱匯中心，冬季出現西部地區熱源中心和東部地區熱匯中心共存。

(5)M-K檢驗結果表明青藏高原全區大氣熱源在1984年左右存在顯著的突變，西部地區大氣熱源1976年左右存在顯著的突變，東部地區大氣熱源在1990年左右存在顯著的突變。

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