黄河上游径流与海温关系及大气环流特征解析

2021-01-19潘红忠

人民珠江 2021年1期

王丹，潘红忠，白钰

(1.长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100；2.黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁 810008)

在气候变暖的大背景下,气候变化是影响径流变化的主要因素[1-2]。研究区域黄河上游地处青藏高原东缘，属大陆性季风气候,气候的区域性差异较大，是全球气候变暖的显著区域，气温升高和降水减少也是造成黄河流域径流锐减的重要原因[3-5]。气候异常对黄河流域的干旱和洪涝有着重大影响，许多研究也都表明海温的异常变化对黄河流域的旱涝有着显著的影响[6-8]。本文采用自然正交函数分解的方法，分析黄河上游径流与海表温的相关关系，找出海温对黄河上游流域径流影响区域，进而在水文预报模型中加入海温因子，可以取得满意的预报效果。

1 研究区概况

本项目研究区域为黄河上游龙羊峡以上流域。龙羊峡水库建于1986年，为黄河流域库容最大的水库。水库以发电为主，兼有防洪、灌溉、防凌、养殖、旅游等综合效益，是黄河流域水沙调控的重要节点，在黄河防洪、防凌和水资源利用中占据着重要的地位。龙羊峡以上流域有大面积的草原、湖泊、沼泽，汛期地表较为湿润，相对湿度较大，年平均湿度在50%～70%；由于地处高寒区，水汽凝结高度低，以及群山起伏的地形易导致气流垂直运动，故降水日数多，一般在100天以上，但由于气温低，绝对湿度不大，降雨量也不大，年降雨量在300～700 mm。

本文采用数据包括：月均海表温数据资料采用NOAA(美国国家海洋大气局)重构的长时间序列海温资料，空间分辨率为2.5°×2.5°；大气环流资料采用NCEP/NCAR(美国国家环境预测中心/国家大气研究中心)；降水数据使用的是CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)，空间分辨率为2.5°×2.5°；资料分析时段为1959—2018年。

根据文献[8-9]对汛期和雨季的定义，当月降水量大于多年平均月降水量即为进入汛期，而第一个小于多年平均月降水量的月份为汛期结束月。表1为龙羊峡以上流域逐月降水量，由表可见，龙羊峡以上流域5—10月为汛期，汛期降水量约占年降水量的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过了10%，表明该区雨季持续时间较长，5个月总降水量约为416.4 mm，占年降水量的85.2%。11月至次年2月降水偏少，降水总量仅有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月仅占年降水量的0.3%。将12、1、2月划为冬季，其降水量最少，仅占年降水量的1.8%。各月降水量变化特征表明龙羊峡以上流域雨季旱季分明，同时该区5月降水明显偏多，说明龙羊峡以上流域雨季开始时间偏早。

表1 龙羊峡以上流域逐月降水量统计

2 径流与海温相关分析

2.1 自然正交函数分解法

自然正交函数分解法是一种常用在天气、气候中的数学分析方法,用来对不同测点的气象要素分布特征进行分析。此法的优点是采用矩阵法进行数学分析，结果分析较为形象直观。地球表面上每个点在三维空间中都是唯一确定,其每个点受地理环境的制约，有着不同的气候特征及其变化规律。同时气象要素在这些不同点中的分布形态，其综合影响构成全球的气候特征。也就是对于一定点的某一确定的时间或时段内,各气象要素随时间序列的变化,也都有不同的分布形态。因此，结合空间概念的广义性和气候形成的相似性特点,本文采用自然正交函数分解海温距平场是最适当的[10-11]。

首先将某月海温距平场进行自然正交函数分解,选定区域的格点海温距平观测值Xij(i表示空间,j表示时间),看成由p个空间函数Vik和时间函数Ykj(k=1,2,…,p)的线性组合[12],即：

(1)

写成矩阵形式为：X=VY

(2)

然后，由上式可知：Y=V′X

(3)

其中，X为海温距平矩阵，V为空间函数矩阵，Y为时间函数矩阵，满足以下条件：

(4)

最后，选取与时间系数高相关的因子，以因子加上时间系数展开，预报时间系数，进而以特征向量和时间系数预报海温距平场。

图1给出5—8月海温距平第一特征向量场和对应的时间系数Y之间关系，由于受计算机容量限制，时间序列选取1959—1989年。图1表明，5月黄河上游海温偏暖的年份(Y>10)有1974、1978、1987年，气温偏冷的年份(Y<-10)有1972、1985年。6月黄河上游海温偏暖的年份(Y>10)有1962、1974、1978年，气温偏冷的年份(Y<-10)有1963、1966、1968、1979、1984年。7月黄河上游海温偏暖的年份(Y>10)有1963、1982、1985、1987年，气温偏冷的年份(Y<-10)有1967、1968、1976、1978年。8月黄河上游海温偏暖的年份(Y>10)有1979、1982、1983年，气温偏冷的年份(Y<-10)有1961、1981、1987年。9月黄河上游时间系数曲线(图略)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月黄河上游时间系数曲线(图略)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月图1 某月海温距平第一特征向量和对应的时间系数

2.2 影响黄河上游径流的海洋区域

本文采用自然正交函数浓缩海温信息的方法，分解海温距平场[12-14]，找到影响大范围天气系统的海温关键区。用北太平洋海域(10°S～50°N、120°E～80°W)月平均海表面温度资料进行分析，区域共286个经纬点的温度资料。利用自然正交分解法将北太平洋各月海温距平场进行自然正交分解，可得到若干个典型的距平场。一个典型场表示一定的海温距平分布形式，同时典型场的时间系数是随着时间变化，表明相应典型场对不同海温距平场方差贡献的变化。由于海温距平典型场每年的强度都会有所变化，其大小可以通过其时间系数来确定，几个时间系数序列排在最前面的典型场，可以综合体现整个区域海温距平场的主要变化特征[10]，典型场权重系数的大小体现其对距平场的作用的大小，权重系数较大的典型场对距平场的分布形式影响也较大。

通过自然正交函数分解法分析发现，黄河上游流域汛期6—10月的径流与海温相关性比较好，而其他月份相关性较差，则不建议作为预报。因此，利用北太平洋各月平均海面温度距平前3个典型场的时间系数序列，分别与黄河上游流域龙羊峡水文站的汛期6—10月平均流量进行相关分析,得到相关性比较好的几个典型场。从这些典型场的数据分布来看，发现西太平洋赤道附近、南太平洋中部、北太平洋中部及南印度洋中部，这4个区域的数值绝对值较大，而其他区域的数值大多为0或接近0。结果表明，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温变化，是影响黄河上游流域汛期流量丰枯的4个关键区。

2.3 径流和海温关键区的相关系数

通过相关分析[15-16]计算，图2表示某月全球海温与汛期龙羊峡入库径流相关系数。结果表明，黄河上游汛期月径流量与前期海温有较高(信度大于0.05)的相关关系，这也说明前期海温是影响黄河上游月径流量的重要因子之一。具体来说，当西太平洋赤道附近海温升高时，黄河上游流域汛期流量减少，反之则增加。表2显示了龙羊峡6、7、8、9、10月径流与全球海温的相关系数分布，不同月份径流量相关密切的海温区域和超前的月份各不相同，有以下发现。

a)6月径流与3月海温相关系数

b)7月径流与上一年12月海温相关系数

c)8月径流与1月海温相关系数

d)9月径流与1月海温相关系数

e)6—8月径流与上一年10—12月海温相关系数

f)7—9月径流与上一年10—12月海温相关系数图2 某月全球海温与汛期龙羊峡入库径流相关系数

表2 龙羊峡6—10月径流与全球海温的分布区域及相关系数

6月份径流影响区域为西太平洋赤道附近，相关海温月份为3月，相关性为负相关，相关系数绝对值大于0.65；7月份径流影响区域为南太平洋中部，相关海温月份为12月，相关性为正相关，相关系数绝对值大于0.66；8月份径流影响区域为北太平洋中部，相关海温月份为1月，相关性为正相关，相关系数绝对值大于0.54；9月份径流影响区域有2个，一是北太平洋中部，相关海温月份为1月，相关性为正相关，相关系数绝对值大于0.52；二是南印度洋中部，相关性为负相关，相关系数绝对值大于0.55；10月份径流影响区域为东太平洋中部，相关海温月份为1月，相关性为正相关，相关系数绝对值大于0.53。洪水期6—8、7—9、8—10月季度平均径流影响区域分别为南太平洋中部，南太平洋中部，北太平洋中部，相关系数分别大于0.69、0.60、0.57。6—10月平均径流的影响区域有2个，一是北太平洋中部，相关海温月份为10—12月平均海温，相关性为正相关，相关系数绝对值大于0.62；二是南印度洋中部，相关性为负相关，相关系数绝对值大于0.52。

3 汛期大气环流特征分析

从大气环流的层面进一步验证径流和全球海温的分布区域之间的关系，根据研究结果，对龙羊峡以上汛期(5—10月)500 hPa月平均位势高度场和风场特征进行分析，并对500 hPa水汽通量进行讨论。

3.1 汛期500 hPa环流

从500 hPa环流场看(图3)，汛期龙羊峡以上主要受西风槽影响，同时还受高原槽、印缅槽以及西太平洋副高等系统影响。影响龙羊峡以上降水的高空槽分为短波槽和长波槽2种。短波槽多出现在平直西风环流形势下，越上高原后，或与印缅槽结合，或与西太平洋副热带高压配合。影响龙羊峡以上的长波槽在乌拉尔山附近形成，之后东移，受到高原影响发生断裂，分为南北两支，还有一种大槽是高原南北两支短波槽在高原中部叠加而成。

汛期青藏高原地区经常出现的500 hPa切变线，是龙羊峡以上另一个重要的降水系统。高原切变线一般分为横切变线和竖切变线2种，以前者出现次数偏多。横切变线大多出现在30°N～35°N，是高原南部的西南气流与高原北部东北气流之间风场不连续线。竖切变线形成与高原北侧西风带长波槽发展东移和伊朗高压进入高原有关，呈现南—北走向或东北—西南走向。

a)5月图3 汛期500 hPa月平均位势高度场(等值线，单位：dagpm)和风场(风羽，单位：m·s-1)

b)6月

c)7月

d)8月

e)9月

f)10月续图3 汛期500 hPa月平均位势高度场(等值线，单位：dagpm)和风场(风羽，单位：m·s-1)

3.2 汛期500 hPa水汽通量

从500 hPa水汽通量和水汽通量散度的分布看，龙羊峡以上区域南侧有一支南风气流，将西太平洋水汽输送至研究区，高纬冷空气南下，冷暖空气在研究区交汇，产生降水。这支南风气流在汛期各月均比较明显。特别是在7、8月份，研究区上空会形成水汽通量辐合的大值区，中心位于玛多附近。另一支水汽来自北太平洋中部和南印度洋中部，从9、10月份水汽通量图上看，明显有一支偏东气流在中南半岛附近汇入北太平洋中部的南风气流，共同将水汽输送至研究区，这与副高9月开始南撤、西伸密不可分。从月平均水汽通量图上还可以看到，研究区的一部分水汽自西风带，相比南风和东风气流，这支水汽输送较弱。