海溫變化對西北地區氣候“轉型”的影響

摘 要：基于1979—2010年中國臺站降水、GLDAS（Global Land Data Assimilation System）蒸發數據等，求取地表干濕指數SWI（Soil Water Index），對西北近30年干濕狀況進行分析，驗證近30年西北氣候轉型存在和延續的可能性，并通過經驗正交分解，對西北地區夏季降水和SWI的關系進行研究，探討熱帶太平洋海溫對西北地區氣候變化和氣候轉型的影響。得出結論：（1）近30年來，以新疆為代表的西北地區SWI呈明顯的上升趨勢，于1987年發生氣候突變，突變后降水量增加，新疆顯著變濕，表明西北地區在近30年確實存在由干到濕的轉型，且轉型仍在延續，關鍵區范圍及位置未發生變化。對西北地區夏季降水、SWI等進行EOF分解，結果進一步驗證了該結論。（2）太平洋夏季海溫趨勢變化與新疆、西北地區降水及SWI變化趨勢同步，北太平洋中部、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區對西北地區夏季SWI的多年平均變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區對西北地區夏季SWI的異常變化有顯著影響。

關鍵詞：西北地區；氣候轉型；SWI；海溫

中圖分類號：P467 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

施雅風等[1]發現自20世紀70年代開始，西北氣候發生了一系列的變化，通過對西北地區氣溫、降水量、冰川萎縮及冰川融水量、湖泊水位及面積、洪水災害頻次、沙塵暴日數等現象的研究，初步推斷從19世紀末期到20世紀70年代，西北地區可能存在從暖干趨勢向暖濕趨勢的轉變，提出了“西北氣候轉型”假說。

相關學者研究發現在歐亞大陸50°N地區存在一個降水顯著增加的緯向帶，其中原位于非洲地區25°N，

60°E以西的雨帶，沿著25°～30°N緯度帶的降水增加區北移，與此同時雨帶擴展，雨帶的南邊界移至30°N，北邊界跳至45°N，這正是中國西北的西部。因此，近20年中國西北部降水增加并不是一個孤立的局部現象，而是北半球氣候大范圍變化的一部分。

西北地區氣候轉型假說提出已有20年，氣象觀測技術的進步和多源數據的使用、數據分辨率的提高，使研究西北氣候轉型的問題有了更堅實的數據基礎。研究數據的豐富和研究方法的擴展使得對中國西北地區氣候由暖干向暖濕轉型的變化趨勢進一步進行驗證成為可能，其中涉及的關鍵問題包括西北氣候轉型在近30年是否延續、轉型關鍵年是否發生變化、關鍵區是否有擴展轉移等。

研究表明，海溫異常對降水的影響至關重要。西北地區雖地處內陸，但海溫異常仍會影響該地區降水。王澄海等[2]發現太平洋海溫變化與西北地區降水有良好的相關關系。當同期春季熱帶東太平洋海溫異常偏暖時，西北地區除青海高原外其余地區降水量偏少；當前期冬季熱帶東太平洋海溫異常偏暖時，翌年西北地區春季的降水量偏多。

使用近30年西北地區的降水和蒸發資料計算地表干濕指數（Soil Water Index，SWI），其優點在于綜合考慮了降水和地表氣溫等因素變化對地表干濕變化的影響。在進一步確定西北氣候轉型與否的基礎上，通過經驗正交方法分析西北地區SWI與太平洋海溫之間的關系，研究熱帶太平洋海溫對西北地區氣候轉型是否有影響，繼而探討熱帶太平洋對西北地區氣候轉型的影響。

1 研究數據和研究方法

1.1 數據

使用的數據包括1979—2010年中國2 000多個臺站月平均的降水、溫度，同期美國陸面同化數據GLDAS月平均的蒸發資料，Hadley中心月平均海溫。

1.2 研究方法

地表干濕指數（SWI）是表征氣候干濕變化的物理量，基本機理是考慮影響表面干濕變化的2個主要因素：降水變化（P）和地表潛在蒸發（E）確定某區域氣候干濕變化的趨勢[3]。年SWI可定義為：

SWI=P/E

其中，P為觀測年降水量，E是年潛在蒸發量，可以通過改進的Thornthwaite方法獲得。此處使用GLDAS提供的潛在蒸發與臺站月平均降水計算SWI。

2 結果與分析

2.1 新疆和西北地區近30年的氣候干濕變化

對新疆1979—2010年SWI、降水隨時間變化趨勢分析和檢驗，發現SWI和降水均呈先降后升趨勢，均于1987年發生突變，均位于1.96置信區間。20世紀初期以后，新疆SWI、降水增長的趨勢顯著，UF曲線超過0.05的顯著性水平，說明新疆近10年顯著變濕。SWI與降水變化一致也表明新疆的SWI變化主要受降水影響，降水是決定西北干濕變化狀況的關鍵因子[4]。

西北地區降水變化與新疆降水變化趨勢類似，但檢驗發現1987年后西北降水增加趨勢不顯著，UF統計量和UB統計量存在多個交點，無法準確判斷西北地區降水變化和氣候向暖濕變化的準確時間點，可能是由于年際波動大導致交點多，但西北地區確實出現了氣候轉型的信號。

西北地區主要是新疆地區于1987年發生氣候突變，1987年后降水顯著增加，地表更濕潤。除此之外，在20世紀90年代和20世紀初期，新疆地區也處于顯著變濕的時期，通過0.05的顯著性水平。表明近30年，在1987年前后，以新疆為代表的西北地區確實存在由干到濕的氣候轉型現象，轉型仍在持續且轉型顯著。

氣候轉型假說指出，西北地區氣候轉型的顯著轉型區位于新疆北部、青海和甘肅交界地區，現對西北地區SWI的空間分布進行分析，研究近30年轉型關鍵區是否發生變化。結果發現，1979—1986年在新疆北部、青海和甘肅交界處等地區存在SWI的高數值區，1987年后在以上區域SWI的高值仍存在，與施雅風等的研究結果類似，但顯著性更高，表明這些區域在轉型后更濕潤，變濕的可能性更強。圖1c進一步說明了這個情況。由圖1d表明，新疆北部、青海、甘肅、內蒙古西部的SWI在近30年均呈上升趨勢，且多數地區通過95%的顯著性檢驗，即西北地區大部分地區存在顯著變濕趨勢。

對SWI（已進行中心化）做EOF分解能更好地展示西北干濕轉變的時空分布特征。圖2給出了西北地區夏季SWI前2個模態的空間分布特征。由SWI的第一模態發現1987年發生氣候突變，由暖干向暖濕轉變，與前文所得結論一致。分析第二特征向量場發現，沿西藏東部、青海南部、甘肅南部、陜西南部SWI南北呈反位相變化，反映了青藏高原對SWI空間分布的影響。

由西北地區夏季降水的第一二模態發現（圖略），轉型關鍵地區于1987年降水發生突變，在轉型年前1985—1986年轉型關鍵區降水減少，1987—1989年的降水增多，與SWI變化一致。同時由降水第一時間系數圖可知2004年后新疆降水增加。研究發現，SWI前3個特征向量場與降水的特征向量場分布基本一致，進一步說明SWI變化主要受降水影響，降水是決定西北干濕變化狀況的關鍵因子。

2.2 海溫對西北地區氣候轉型的影響

分析熱帶東太平洋夏季海溫序列變化，發現熱帶東太平洋夏季海溫1979—1986年呈下降趨勢，1987—2010年呈現上升趨勢，與新疆、西北地區的降水和SWI的變化趨勢一致。預示著熱帶太平洋海溫變化與西北夏季降水和干濕變化存在一定內在聯系。

為探討太平洋海溫與西北干濕變化及西北氣候轉型的關系，計算經EOF分解后西北地區夏季SWI的第一、二、三、四時間系數與太平洋海溫之間的相關性并進行檢驗（圖3）。研究發現：北太平洋中部、熱帶西太平洋、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區對西北地區夏季SWI的多年平均狀態變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區對西北地區夏季SWI的異常變化有顯著影響。

3 結論

新疆、西北地區降水和SWI在1979—1986年呈下降趨勢，1987—2010年新疆、西北地區的降水和SWI呈現上升趨勢。太平洋夏季海溫變化趨勢與新疆、西北地區的降水、SWI變化趨勢同步。進一步對西北地區夏季降水進行EOF分析，由降水第一模態發現1979—1986年轉型關鍵區降水減少，1987—1989年轉型關鍵區降

水增加，為1987年轉型關鍵區發生氣候突變提供了論據。對西北地區夏季SWI進行EOF分析，發現1985—1986年轉型關鍵區地表干旱，1987年轉型關鍵區地表濕潤，能證明轉型關鍵區于1987年發生氣候突變，由暖干向暖濕轉型。通過分析太平洋夏季海溫與西北地區夏季SWI前4個時間系數的相關性，發現北太平洋中部、熱帶西太平洋、熱帶太平洋中部、加利福尼亞海流區對西北地區夏季SWI的多年平均狀態變化有顯著影響，北太平洋西部和加利福尼亞海流區對西北地區夏季SWI的異常變化有顯著影響。

參考文獻

[1] 施雅風，沈永平，李棟梁，等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的特征和趨勢探討[J].第四紀研究，2003（2）：152-164.

[2] 王澄海，王式功，楊德保，等.中國西北春季降水與太平洋海溫相關特征的研究[J].熱帶氣象學報，2002（4）：374-382.

[3] 張志華，陳幸榮，蔡怡.中國近海海溫年際年代際振蕩關鍵海區分析研究[J].海洋預報，2012，29（4）：1-6.

[4] 黃山江.西北地區春季和夏季降水異常及其與赤道中東太平洋海溫異常的關系[D].南京：南京氣象學院，2004.

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：趙璐（1998—），女，青海化隆人，助理工程師，主要從事短期、短臨氣象預報預警服務工作。#通信作者：張少晨（1997—），男，青海同仁人，助理工程師，主要從事綜合觀測、氣象信息網絡方面管理工作，E-mail：1003082991@qq.com。