青藏高原与同纬度东部平原汛期降水的关系

孔德璿，杨春艳，谢佳君，肖艳林，龙 园

(1.贵州省六盘水市气象局，贵州 贵阳 553000；2.南京信息工程大学，江苏 南京 210044)



青藏高原与同纬度东部平原汛期降水的关系

孔德璿1，杨春艳2，谢佳君1，肖艳林1，龙 园1

(1.贵州省六盘水市气象局，贵州 贵阳 553000；2.南京信息工程大学，江苏 南京 210044)

基于青藏高原(以下简称高原)39个及同纬度东部平原(以下简称平原)129个地面气象观测站逐月降水量资料和英国Hadley中心提供的海表温度(SST)数据。利用EOF、SVD以及相关分析等方法，分析了同纬度的高原与平原汛期降水量分布特征。结果显示：高原与平原汛期降水量均呈现出由东南向西北递减的空间分布特征，但高原地区空间差异更为显著；EOF揭示出两地区汛期降水量均存在南北反相和全区一致的空间分布特征，其中南北反相型的空间分布两者时间系数并不一致变化，全区一致型的空间分布两者具有较好的一致性。SVD揭示出两者全区一致型变化的时间系数在不同年代存在明显差异，1969—1989年相关系数处于相对低值时段，而1990—2010年处于相对高值时段，海温异常对其年代际差异的影响可能起到较为关键的作用。

青藏高原；东部平原；汛期降水；空间分布；对比分析

1 引言

青藏高原包括西藏、青海、云南、四川、新疆、甘肃等省份，地处中低纬西风带。高原的动力和热力作用对东亚乃至全球的天气气候具有重要的影响[1-4]。高原降水主要集中在汛期(5—9月)，雨季干季分明。近年来，对于高原汛期降水的时空特征研究较少[5]，而对于高原夏季降水的时空特征研究已有不少成果[6-7]。周顺武等[5]研究了高原汛期降水的气候和时空特征发现，高原汛期降水的气候特征整体上表现为由东南向西北逐步减少的空间分布特征，通过经验正交函数(EOF)方法进一步研究发现，高原汛期降水主要呈南北反向分布、全区一致分布、东南—西北分布和高原东部从南向北呈现“+-+”的空间分布特征。卢鹤立等[6]采用经验正交函数(EOF)方法研究了高原夏季(6—8月)降水特点，把高原夏季降水类型按前3空间模态的空间分布分为高原东南部类型场、高原东北部类型场和三江源类型场，并确定33°N为高原东南部类型场和高原东北部类型场的分界线，指出这一分界线可能是大气环流和高原地形共同作用的结果。冯蕾等[7]对高原夏季降水的研究也有类似的结果，差别在于冯蕾等[7]还考虑了高原夏季降水的第4空间模态，该模态对应于高原夏季降水偏北型类型场。青藏高原同纬度东部平原(以下简称平原)主要包括山西、山东、河北、河南、湖北、湖南、江苏、安徽、浙江、江西10个省份，处于中低纬西风带上，是我国旱涝发生比较频繁的地区。东部平原暴雨频繁，大部分降水集中于汛期，受季风影响明显，时空特征显著[8-9]。王勇等[8]利用江淮地区逐日降水资料，通过经验正交函数(EOF)方法对江淮地区1956—2005年6—7月降水进行了分析，得到了全区一致型和南北反向型的降水空间分布特征。这与竺夏英等[9]在研究江淮梅雨期经向非均匀分布的结果是类似的。多数研究主要关注于夏季(6—8月)降水，而没有对前后的5月和9月降水进行分析[6-14]。因此，对于高原和平原汛期降水的对比研究有重要意义。

本文根据高原和平原气象台站地面观测逐月降水资料，对比分析高原和平原汛期降水的空间分布特征，并找到了对两地区汛期降水全区一致型变化的年代际差异具有指示意义的因子，得出了一些有意义的结论。

2 资料与方法

本文使用中国气象局国家气象信息中心气象资料室提供的高原及平原建站至2010年的台站地面观测月平均降水资料。从中选取了高原39个及平原129个测站1961—2010年共50 a汛期(5—9月)的逐月降水量资料。个别站点由于缺测导致的数据缺失，以本站该月多年平均值进行简单插补。海表温度(SST)数据采用英国Hadley中心提供的1961—2010年共50 a 5—9月的月平均再分析数据。

利用经验正交函数(EOF)方法[16]分析高原及平原降水的空间分布特征。采用奇异值分解(SVD)[16]以及相关分析方法分析高原与平原降水空间分布的关系和高原与平原一致型变化的年代际差异与海表温度(SST)的关系。

3 高原与平原降水的气候特征

图1 高原(a)及平原(b)汛期降水的气候特征(单位：mm)

高原1961—2010年共50 a汛期区域平均降水量为319.86 mm，平原为645.02 mm，大致为高原的2倍。

由图1a可见，高原和平原的汛期降水整体表现均为由东南向西北逐步减少的空间分布特征。高原东南部(主要是四川西部、西藏东部、青海南部部分地区)降水量在400 mm以上，这主要是由于夏半年高原东南部受西太平洋副热带高压(以下简称副高)西侧和印度季风东北部的暖湿气流影响，这与周顺武等[5]研究结果一致。高原南部存在两个汛期降水大值中心，一个是位于东南部的西藏嘉黎站(599.61 mm)，另一个是位于雅鲁藏布江中游地区的日喀则站(426.66 mm)。高原西北部汛期降水量最少，主要是由于夏半年高原西北部位于中东高压东北部，受西北气流影响，加之海拔较高，距离较远，高原东南部的暖湿气流难以输送至西北部，导致西北部降水量偏少[5]，其中位于青海的冷湖站只有14.89 mm，为全区乃至全国最少[17]。在青海的中部和东北部，南北降水量梯度较大，而在四川西部以及西藏西部，降水量空间分布较为均匀。

由图2b可见，平原汛期降水量超过800 mm的区域主要是平原东南部，即江西北部、浙江南部一带，一个大值中心位于江西庐山站(1 201.83 mm)，平原东南部夏半年位于副高的西北侧，受西南暖湿气流影响，水汽输送充足，降水量较大。平原汛期降水量最少的地区位于平原西北部，主要是山西的大部分地区和河北西北部部分地区，有11个站汛期降水量不足400 mm，其中以河北蔚县站最小(333.09 mm)，这主要是由于平原西北部夏半年水汽条件较东南部差一些。平原等雨量线全区都较为均匀。总而言之，虽然高原与平原汛期降水均表现为由东南向西北逐渐减少的空间分布特征，但是高原由于其特殊的地理环境，降水的空间差异较平原更为显著。

4 高原与平原降水的时空分布特征

4.1 EOF分解

对高原39个站点1961—2010年共50 a汛期降水量进行经验正交函数(EOF)分解，并对前2个模态进行分析。

表1 高原汛期降水EOF前8模态方差贡献(%)

由表1看出前2个模态的累计方差贡献率为38.18%，为高原汛期降水的主要空间分布型。

图2a给出了高原汛期降水量的第1模态的空间分布。从第1模态来看，其特点是大致以33°N纬线为分界线，高原北部地区与高原南部地区呈反相变化，2个正值中心分别位于西藏中南部和四川西部，2个负值中心分别出现在青海西北部和东部，这反映出高原汛期降水分布的南北差异，即高原南部地区汛期降水偏多时，高原北部地区汛期降水偏少，反之亦然。这种南北反相型空间分布特征可能与青藏高原地形和副高的位置有关[18]。从相应的时间系数来看(图3a)，近10 a来，此分布型有较强的下降趋势，表明北部降水增多，南部降水减少。图2b给出了高原汛期降水第2模态的空间分布。由图可见，高原大部分地区表现为一致性的正值，以唐古拉山脉为正值中心向周围逐步减小，这反映了高原整体降水量呈现全区一致型变化，即高原汛期降水表现为整体降水量一致偏多或偏少。这种全区一致型空间分布特征可能与夏半年青藏高压的强弱有关[19]。其相应的时间系数(图3b)反映，近10 a这一空间模态有缓慢的上升趋势。这一研究结果与周顺武等[5]的研究结果类似。

图2 青藏高原汛期降水EOF第1模态(a)和第2模态(b)空间分布

图3 青藏高原汛期降水EOF第1模态(a)和第2模态(b)时间系数

模态12345678方差176315901162622594456295272累计方差17633353451551385731618764826754

采用经验正交函数(EOF)分解方法对平原129个站点1961—2010年共50 a汛期降水量前2个模态进行分析。表2给出了前8个模态的方差贡献率和累计方差贡献率。由表2可见，前2个模态的方差贡献率为33.53%，为平原汛期降水量的主要空间分布型。图4和图5分别给出了平原汛期降水量的前2个模态的空间分布和相应的时间系数。

图4 平原汛期降水EOF第1模态(a)和第2模态(b)空间分布

图4a给出了平原汛期降水的第1空间模态。由图可见，平原大部分地区呈现出一致性的正值，以湖北东部为正值中心向四周逐渐减小，该模态反映了平原汛期降水量的整体同位相变化特点，即平原汛期降水表现为整体降水一致偏多或偏少。这种全区一致型的空间分布特征说明东部平原夏季一般受相同的天气系统控制。从图5a可以看出，近10 a此模态对应的时间系数有较弱的上升趋势。图4b给出了平原汛期降水第2空间模态。从第2模态来看，该模态反映了平原汛期降水量呈南北反相变化的空间分布特征，即平原南部汛期降水量偏多，平原北部汛期降水量则偏少，反之亦然，其分界线大致位于31°N附近，呈东北—西南走向，正值中心位于河南、安徽、江苏及山东四省交界处，2个负值中心分别位于浙江北部和江西中部。王勇等[8]认为这种南北反向型空间分布特征主要是因为季风以及副高的南北移动和西伸东进。从图5b可以看出，此模态在近10 a有较强的下降趋势。这一研究结果与王勇等[8]的研究结果一致，差别在于研究的月份不同。

由以上讨论可知，高原与平原汛期降水都存在南北反相型和全区一致型的空间分布，并且两种空间分布所对应的时间系数也有类似的变化趋势，即近10 a南北反相型对应的时间系数呈较强的下降趋势，而全区一致型对应的时间系数呈较弱的上升趋势，这表明近10 a高原与平原汛期降水南北反相型的空间分布有所减弱，而全区一致型的空间分布有所增强。

4.2 SVD分解

图5 平原汛期降水EOF第1模态(a)和第2模态(b)时间系数分布

图6 高原(a)与平原(b)SVD第1对特征向量

为了更好地了解高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的关系，进一步通过奇异值分解(SVD)方法揭示二地区全区一致型空间分布的关系。

由图6a看出，数值绝对值大于0.28的区域通过0.05的显著性水平检验，大于0.36的区域通过0.01的显著性水平检验，是相关显著区域。图6a给出了第1对特征向量左场的异性相关系数分布。由图6a还可以看出，第1对特征向量左场大部分地区为一致的正相关区，相关显著区域主要位于西藏北部沿西藏、青海交界线至新疆境内，最大相关系数绝对值超过0.5。

由图6b可见，第1对特征向量右场大部分地区也为大面积的正相关区，相关显著区域主要位于湖北、河南中南部、安徽以及江苏中部，最大相关系数绝对值超过0.4。由此可见，高原汛期降水全区一致型空间分布的变化与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化呈正相关关系，即高原汛期降水表现为整体降水一致偏多或偏少，则平原汛期降水也表现为整体降水一致偏多或偏少。

图7 高原与平原SVD第1对特征向量的时间系数的标准化距平场

图7给出了高原与平原SVD第1对特征向量的时间系数的标准化距平场。由图可见，高原与平原汛期多雨年中1963、1979、1997、2002年与这一对特征向量对应。高原与平原汛期少雨年中1977、1994、1996与这一对特征向量对应。

图8 高原与平原SVD第1对特征向量左右场时间系数的11 a滑动相关系数

为更清楚地了解高原汛期降水全区一致型空间分布的变化与平原汛期一致型空间分布的变化在各时段的相关程度，进一步对高原与平原SVD第1对特征向量左右场的时间系数做11 a滑动相关系数(图8)。由图8可见，1969—1989年相关系数处在相对低值时段，而1990—2010的21 a里处在相对高值时段。因此，高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的时间系数在1990—2010的21 a里相关性较好，而在1969—1989年的21 a里相关性较差一些，这表明在1990—2010的21 a里高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化具有更好的一致性，而在1969—1989年的21 a里两者变化的一致性较差一些。

5 高原与平原一致性变化与海温的关系

高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的时间系数在不同年代存在明显差异，为了寻找对其年代际差异具有指示意义的因子，分别计算了1969—1989年和1990—2010年2个时段高原与平原SVD第1对特征向量的时间系数与同期海表温度(SST)的相关系数。图9和图10分别给出了1969—1989年和1990—2010年高原与平原SVD第1对特征向量的时间系数与同期海表温度(SST)的相关系数分布。

图9 1969—1989年高原(a)与平原(b)SVD第1对特征向量的时间系数与同期海温相关系数分布

图9a和图9b分别给出了1969—1989年高原与平原SVD第1对特征向量的时间系数与同期海表温度(SST)的相关系数分布。由图9a和图9b可见，相关系数在3个关键海域均很小，没有明显的相关性。这表明当高原与平原全区一致型空间分布的变化的相关系数处在低值时段时，3个关键海域海表温度(SST)对高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化没有明显的指示意义。

图10a和图10b分别给出了1990—2010年高原与平原SVD第1对特征向量的时间系数与同期海表温度(SST)的相关系数分布。由图10a和图10b可见，相关系数在北印度洋和澳大利亚东部海域均呈显著的负相关关系，在Monika相关系数呈显著的正相关关系，且高原的时间系数与Monika海表温度(SST)的相关性更为显著。这表明当高原与平原汛期全区一致型空间分布的变化的相关系数处于相对高值时段时，3个关键海域海表温度(SST)对高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化具有指示意义，即当北印度洋和澳大利亚东部海域海表温度(SST)异常偏低，Monika海表温度(SST)异常偏高时，高原与平原汛期降水均表现为整体降水一致偏多。

图10 1990—2010年高原(a)与平原(b)SVD第1对特征向量的时间系数与同期海温相关系数分布

6 结论与讨论

①平原汛期降水量大致为高原的2倍。高原与平原汛期多年平均降水量大致呈由东南向西北逐步减少的空间分布特征。高原由于其特殊的地理环境，其降水的空间差异较平原更为显著。

②高原汛期降水具有南北反相型和全区一致型的空间分布特征，南北反相型空间分布在近10 a有较强的减弱趋势，而全区一致型有缓慢的增强趋势。平原汛期降水的空间分布特征与高原类似，也具有南北反相型和全区一致型的空间分布特征，在对应的时间系数的特征上也与高原有类似的结论。

③高原与平原汛期降水南北反相型空间分布的变化二地区并不一致，而全区一致型空间分布的变化二地区具有较好的一致性。SVD揭示高原汛期降水全区一致型空间分布的变化与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化呈正相关关系，即高原汛期降水表现为整体降水一致偏多或偏少，则平原汛期降水也表现为整体降水一致偏多或偏少。

④高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化的相关系数存在年代际差异，在1990—2010的21 a里处在相对高值时段，而在1969—1989年的21 a里处在相对低值时段。当高原与平原汛期全区一致型空间分布的变化的相关系数处于相对高值时段时，北印度洋、Monika和澳大利亚东部海域海表温度(SST)异常对高原与平原汛期降水全区一致型空间分布的变化可能起到较为关键的作用。

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2014-02-12

孔德璿(1990—)，男，助工，主要从事短期天气预报、预测工作。

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