黃河上游徑流與海溫關(guān)系及大氣環(huán)流特征解析

王 丹，潘紅忠，白 鈺

(1.長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008)

在氣候變暖的大背景下,氣候變化是影響徑流變化的主要因素[1-2]。研究區(qū)域黃河上游地處青藏高原東緣，屬大陸性季風(fēng)氣候,氣候的區(qū)域性差異較大，是全球氣候變暖的顯著區(qū)域，氣溫升高和降水減少也是造成黃河流域徑流銳減的重要原因[3-5]。氣候異常對(duì)黃河流域的干旱和洪澇有著重大影響，許多研究也都表明海溫的異常變化對(duì)黃河流域的旱澇有著顯著的影響[6-8]。本文采用自然正交函數(shù)分解的方法，分析黃河上游徑流與海表溫的相關(guān)關(guān)系，找出海溫對(duì)黃河上游流域徑流影響區(qū)域，進(jìn)而在水文預(yù)報(bào)模型中加入海溫因子，可以取得滿(mǎn)意的預(yù)報(bào)效果。

1 研究區(qū)概況

本項(xiàng)目研究區(qū)域?yàn)辄S河上游龍羊峽以上流域。龍羊峽水庫(kù)建于1986年，為黃河流域庫(kù)容最大的水庫(kù)。水庫(kù)以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益，是黃河流域水沙調(diào)控的重要節(jié)點(diǎn)，在黃河防洪、防凌和水資源利用中占據(jù)著重要的地位。龍羊峽以上流域有大面積的草原、湖泊、沼澤，汛期地表較為濕潤(rùn)，相對(duì)濕度較大，年平均濕度在50%～70%；由于地處高寒區(qū)，水汽凝結(jié)高度低，以及群山起伏的地形易導(dǎo)致氣流垂直運(yùn)動(dòng)，故降水日數(shù)多，一般在100天以上，但由于氣溫低，絕對(duì)濕度不大，降雨量也不大，年降雨量在300～700 mm。

本文采用數(shù)據(jù)包括：月均海表溫?cái)?shù)據(jù)資料采用NOAA(美國(guó)國(guó)家海洋大氣局)重構(gòu)的長(zhǎng)時(shí)間序列海溫資料，空間分辨率為2.5°×2.5°；大氣環(huán)流資料采用NCEP/NCAR(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣研究中心)；降水?dāng)?shù)據(jù)使用的是CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)，空間分辨率為2.5°×2.5°；資料分析時(shí)段為1959—2018年。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]對(duì)汛期和雨季的定義，當(dāng)月降水量大于多年平均月降水量即為進(jìn)入汛期，而第一個(gè)小于多年平均月降水量的月份為汛期結(jié)束月。表1為龍羊峽以上流域逐月降水量，由表可見(jiàn)，龍羊峽以上流域5—10月為汛期，汛期降水量約占年降水量的91.1%以上。降水主要集中于夏季，春、秋季降水次多，其中5—9月降水量占全年降水均超過(guò)了10%，表明該區(qū)雨季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，5個(gè)月總降水量約為416.4 mm，占年降水量的85.2%。11月至次年2月降水偏少，降水總量?jī)H有13.1 mm，占年降水的2.6%，各月降水的比例均在年降水量的1%以下，其中12月僅占年降水量的0.3%。將12、1、2月劃為冬季，其降水量最少，僅占年降水量的1.8%。各月降水量變化特征表明龍羊峽以上流域雨季旱季分明，同時(shí)該區(qū)5月降水明顯偏多，說(shuō)明龍羊峽以上流域雨季開(kāi)始時(shí)間偏早。

表1 龍羊峽以上流域逐月降水量統(tǒng)計(jì)

2 徑流與海溫相關(guān)分析

2.1 自然正交函數(shù)分解法

自然正交函數(shù)分解法是一種常用在天氣、氣候中的數(shù)學(xué)分析方法,用來(lái)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的氣象要素分布特征進(jìn)行分析。此法的優(yōu)點(diǎn)是采用矩陣法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，結(jié)果分析較為形象直觀(guān)。地球表面上每個(gè)點(diǎn)在三維空間中都是唯一確定,其每個(gè)點(diǎn)受地理環(huán)境的制約，有著不同的氣候特征及其變化規(guī)律。同時(shí)氣象要素在這些不同點(diǎn)中的分布形態(tài)，其綜合影響構(gòu)成全球的氣候特征。也就是對(duì)于一定點(diǎn)的某一確定的時(shí)間或時(shí)段內(nèi),各氣象要素隨時(shí)間序列的變化,也都有不同的分布形態(tài)。因此，結(jié)合空間概念的廣義性和氣候形成的相似性特點(diǎn),本文采用自然正交函數(shù)分解海溫距平場(chǎng)是最適當(dāng)?shù)腫10-11]。

首先將某月海溫距平場(chǎng)進(jìn)行自然正交函數(shù)分解,選定區(qū)域的格點(diǎn)海溫距平觀(guān)測(cè)值Xij(i表示空間,j表示時(shí)間),看成由p個(gè)空間函數(shù)Vik和時(shí)間函數(shù)Ykj(k=1,2,…,p)的線(xiàn)性組合[12],即：

(1)

寫(xiě)成矩陣形式為：X=VY

(2)

然后，由上式可知：Y=V′X

(3)

其中，X為海溫距平矩陣，V為空間函數(shù)矩陣，Y為時(shí)間函數(shù)矩陣，滿(mǎn)足以下條件：

(4)

最后，選取與時(shí)間系數(shù)高相關(guān)的因子，以因子加上時(shí)間系數(shù)展開(kāi)，預(yù)報(bào)時(shí)間系數(shù)，進(jìn)而以特征向量和時(shí)間系數(shù)預(yù)報(bào)海溫距平場(chǎng)。

圖1給出5—8月海溫距平第一特征向量場(chǎng)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)Y之間關(guān)系，由于受計(jì)算機(jī)容量限制，時(shí)間序列選取1959—1989年。圖1表明，5月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1974、1978、1987年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1972、1985年。6月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1962、1974、1978年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1963、1966、1968、1979、1984年。7月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1963、1982、1985、1987年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1967、1968、1976、1978年。8月黃河上游海溫偏暖的年份(Y>10)有1979、1982、1983年，氣溫偏冷的年份(Y<-10)有1961、1981、1987年。9月黃河上游時(shí)間系數(shù)曲線(xiàn)(圖略)上Y>10的偏暖年份有1961、1974、1977年。Y<-10的偏冷年份有1963、1968、1976年。10月黃河上游時(shí)間系數(shù)曲線(xiàn)(圖略)上Y>10的偏暖年份有1979、1981年，Y<-10的偏冷年份有1962、1982、1988年。

a)5月

b)6月

c)7月

d)8月圖1 某月海溫距平第一特征向量和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

2.2 影響黃河上游徑流的海洋區(qū)域

本文采用自然正交函數(shù)濃縮海溫信息的方法，分解海溫距平場(chǎng)[12-14]，找到影響大范圍天氣系統(tǒng)的海溫關(guān)鍵區(qū)。用北太平洋海域(10°S～50°N、120°E～80°W)月平均海表面溫度資料進(jìn)行分析，區(qū)域共286個(gè)經(jīng)緯點(diǎn)的溫度資料。利用自然正交分解法將北太平洋各月海溫距平場(chǎng)進(jìn)行自然正交分解，可得到若干個(gè)典型的距平場(chǎng)。一個(gè)典型場(chǎng)表示一定的海溫距平分布形式，同時(shí)典型場(chǎng)的時(shí)間系數(shù)是隨著時(shí)間變化，表明相應(yīng)典型場(chǎng)對(duì)不同海溫距平場(chǎng)方差貢獻(xiàn)的變化。由于海溫距平典型場(chǎng)每年的強(qiáng)度都會(huì)有所變化，其大小可以通過(guò)其時(shí)間系數(shù)來(lái)確定，幾個(gè)時(shí)間系數(shù)序列排在最前面的典型場(chǎng)，可以綜合體現(xiàn)整個(gè)區(qū)域海溫距平場(chǎng)的主要變化特征[10]，典型場(chǎng)權(quán)重系數(shù)的大小體現(xiàn)其對(duì)距平場(chǎng)的作用的大小，權(quán)重系數(shù)較大的典型場(chǎng)對(duì)距平場(chǎng)的分布形式影響也較大。

通過(guò)自然正交函數(shù)分解法分析發(fā)現(xiàn)，黃河上游流域汛期6—10月的徑流與海溫相關(guān)性比較好，而其他月份相關(guān)性較差，則不建議作為預(yù)報(bào)。因此，利用北太平洋各月平均海面溫度距平前3個(gè)典型場(chǎng)的時(shí)間系數(shù)序列，分別與黃河上游流域龍羊峽水文站的汛期6—10月平均流量進(jìn)行相關(guān)分析,得到相關(guān)性比較好的幾個(gè)典型場(chǎng)。從這些典型場(chǎng)的數(shù)據(jù)分布來(lái)看，發(fā)現(xiàn)西太平洋赤道附近、南太平洋中部、北太平洋中部及南印度洋中部，這4個(gè)區(qū)域的數(shù)值絕對(duì)值較大，而其他區(qū)域的數(shù)值大多為0或接近0。結(jié)果表明，西太平洋赤道附近、南太平洋中部、北太平洋中部及南印度洋中部的海溫變化，是影響黃河上游流域汛期流量豐枯的4個(gè)關(guān)鍵區(qū)。

2.3 徑流和海溫關(guān)鍵區(qū)的相關(guān)系數(shù)

通過(guò)相關(guān)分析[15-16]計(jì)算，圖2表示某月全球海溫與汛期龍羊峽入庫(kù)徑流相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，黃河上游汛期月徑流量與前期海溫有較高(信度大于0.05)的相關(guān)關(guān)系，這也說(shuō)明前期海溫是影響黃河上游月徑流量的重要因子之一。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)西太平洋赤道附近海溫升高時(shí)，黃河上游流域汛期流量減少，反之則增加。表2顯示了龍羊峽6、7、8、9、10月徑流與全球海溫的相關(guān)系數(shù)分布，不同月份徑流量相關(guān)密切的海溫區(qū)域和超前的月份各不相同，有以下發(fā)現(xiàn)。

a)6月徑流與3月海溫相關(guān)系數(shù)

b)7月徑流與上一年12月海溫相關(guān)系數(shù)

c)8月徑流與1月海溫相關(guān)系數(shù)

d)9月徑流與1月海溫相關(guān)系數(shù)

e)6—8月徑流與上一年10—12月海溫相關(guān)系數(shù)

f)7—9月徑流與上一年10—12月海溫相關(guān)系數(shù)圖2 某月全球海溫與汛期龍羊峽入庫(kù)徑流相關(guān)系數(shù)

表2 龍羊峽6—10月徑流與全球海溫的分布區(qū)域及相關(guān)系數(shù)

6月份徑流影響區(qū)域?yàn)槲魈窖蟪嗟栏浇嚓P(guān)海溫月份為3月，相關(guān)性為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.65；7月份徑流影響區(qū)域?yàn)槟咸窖笾胁浚嚓P(guān)海溫月份為12月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.66；8月份徑流影響區(qū)域?yàn)楸碧窖笾胁浚嚓P(guān)海溫月份為1月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.54；9月份徑流影響區(qū)域有2個(gè)，一是北太平洋中部，相關(guān)海溫月份為1月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.52；二是南印度洋中部，相關(guān)性為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.55；10月份徑流影響區(qū)域?yàn)闁|太平洋中部，相關(guān)海溫月份為1月，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.53。洪水期6—8、7—9、8—10月季度平均徑流影響區(qū)域分別為南太平洋中部，南太平洋中部，北太平洋中部，相關(guān)系數(shù)分別大于0.69、0.60、0.57。6—10月平均徑流的影響區(qū)域有2個(gè)，一是北太平洋中部，相關(guān)海溫月份為10—12月平均海溫，相關(guān)性為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.62；二是南印度洋中部，相關(guān)性為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.52。

3 汛期大氣環(huán)流特征分析

從大氣環(huán)流的層面進(jìn)一步驗(yàn)證徑流和全球海溫的分布區(qū)域之間的關(guān)系，根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)龍羊峽以上汛期(5—10月)500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行分析，并對(duì)500 hPa水汽通量進(jìn)行討論。

3.1 汛期500 hPa環(huán)流

從500 hPa環(huán)流場(chǎng)看(圖3)，汛期龍羊峽以上主要受西風(fēng)槽影響，同時(shí)還受高原槽、印緬槽以及西太平洋副高等系統(tǒng)影響。影響龍羊峽以上降水的高空槽分為短波槽和長(zhǎng)波槽2種。短波槽多出現(xiàn)在平直西風(fēng)環(huán)流形勢(shì)下，越上高原后，或與印緬槽結(jié)合，或與西太平洋副熱帶高壓配合。影響龍羊峽以上的長(zhǎng)波槽在烏拉爾山附近形成，之后東移，受到高原影響發(fā)生斷裂，分為南北兩支，還有一種大槽是高原南北兩支短波槽在高原中部疊加而成。

汛期青藏高原地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的500 hPa切變線(xiàn)，是龍羊峽以上另一個(gè)重要的降水系統(tǒng)。高原切變線(xiàn)一般分為橫切變線(xiàn)和豎切變線(xiàn)2種，以前者出現(xiàn)次數(shù)偏多。橫切變線(xiàn)大多出現(xiàn)在30°N～35°N，是高原南部的西南氣流與高原北部東北氣流之間風(fēng)場(chǎng)不連續(xù)線(xiàn)。豎切變線(xiàn)形成與高原北側(cè)西風(fēng)帶長(zhǎng)波槽發(fā)展東移和伊朗高壓進(jìn)入高原有關(guān)，呈現(xiàn)南—北走向或東北—西南走向。

a)5月圖3 汛期500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線(xiàn)，單位：dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

b)6月

c)7月

d)8月

e)9月

f)10月續(xù)圖3 汛期500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線(xiàn)，單位：dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)

3.2 汛期500 hPa水汽通量

從500 hPa水汽通量和水汽通量散度的分布看，龍羊峽以上區(qū)域南側(cè)有一支南風(fēng)氣流，將西太平洋水汽輸送至研究區(qū)，高緯冷空氣南下，冷暖空氣在研究區(qū)交匯，產(chǎn)生降水。這支南風(fēng)氣流在汛期各月均比較明顯。特別是在7、8月份，研究區(qū)上空會(huì)形成水汽通量輻合的大值區(qū)，中心位于瑪多附近。另一支水汽來(lái)自北太平洋中部和南印度洋中部，從9、10月份水汽通量圖上看，明顯有一支偏東氣流在中南半島附近匯入北太平洋中部的南風(fēng)氣流，共同將水汽輸送至研究區(qū)，這與副高9月開(kāi)始南撤、西伸密不可分。從月平均水汽通量圖上還可以看到，研究區(qū)的一部分水汽自西風(fēng)帶，相比南風(fēng)和東風(fēng)氣流，這支水汽輸送較弱。

4 結(jié)語(yǔ)

a)研究發(fā)現(xiàn)，黃河上游徑流量與海溫關(guān)系十分密切，采用自然正交函數(shù)對(duì)北太平洋海溫距平場(chǎng)進(jìn)行正交分解，找出影響大范圍天氣系統(tǒng)的海溫關(guān)鍵區(qū)。這些關(guān)鍵區(qū)域的變化，對(duì)黃河流域汛期水量豐枯、東亞大氣環(huán)流的變化有一定的指示意義。

b)通過(guò)全球海溫與某地徑流相關(guān)分析找到了相關(guān)系數(shù)較高的結(jié)果，說(shuō)明在海溫與徑流之間存在一定的關(guān)聯(lián)。因此，在對(duì)黃河上游徑流預(yù)報(bào)模型中加入海溫因子，可以提高預(yù)報(bào)模型的精確度，從而提高水庫(kù)的發(fā)電效益和水資源利用效率，使水庫(kù)發(fā)揮最大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。