西北地区水汽输送特征及其年际、年代际变化*

张雪梅，江志红，兰博文

(1.哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨150080;2.南京信息工程大学/气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044)

0 引言

中国西北是全球同纬度最干旱的地区之一。董安祥等［1］研究发现，该地区干旱主要是春旱，其次为初夏旱、伏旱，秋冬连旱也会出现。一个地区降水量的多寡不但和该地区的地理位置有关，也和大尺度环流背景下的水汽输送特征密切相连。水汽输送及其辐合的变化直接影响到旱涝的发生。水汽输送季节转换的关键时段、关键区域和关键征兆对于跨季度预报至关重要。

以往的研究多集中在对于西北地区或西北局部地区年平均或季节平均水汽输送特征的研究［2－5］，对于候平均水汽输送特征研究较少;而且，由于以往观测资料缺乏等原因，计算大气整层水汽输送时，多忽略了地面气压的变化，统一规定为1 000 hPa，这样对于地形比较复杂的西北地区而言，研究结果肯定会有很大的误差;另外，对西北地区降水异常的7个关键地区水汽输送特征的研究更是少见。因此，本文将对西北地区降水异常的7个关键地区候平均水汽输送特征及其年际、年代际变化特征等进行分析，以期为防灾减灾措施的制定和短期气候预测提供气候背景，为促进西部地区经济发展做出积极贡献。

1 资料

1950－2002年NCAR/NCEP再分析逐日平均资料，包括高空水平纬向风uwnd、经向风vwnd、比湿shum，地表面气压pres。其中uwnd、vwnd场在垂直方向有17层(1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa)，单位为m·s－1;shum场在垂直方向有8层(1 000～300 hPa)，单位为kg/kg;pres的单位为Pa;各资料场的水平精度均为2.5°×2.5°。

2 资料处理方法

在P坐标系中，单位时间通过垂直于风向的，底为单位长度，高为整层大气柱的面积上的总的水汽通量Q(垂直积分的水汽通量)的计算方式［6－11］如下:

纬向水汽输送通量:

经向水汽输送通量:

式中:Qλ和Qφ的单位为kg·m－1·s－1;ps为地表面气压;p取300 hPa;g为重力加速度。公式中变量与NCEP/NCAR逐日平均再分析资料的对应关系是:u对应uwnd，v对应vwnd，q对应shum，ps对应pres/100(单位由Pa换算成hPa)，dp对应1 000、925、850、700、600、500、400、300 hPa的位势高度间隔。整层积分时，地形以下等压面的值不作累加，由地形以上最接近的标准等压面开始积分至300 hPa高度，如某一地形的地表面气压低于300 hPa，则该地形处地表面气压低于300 hPa的格点的水汽输送通量为0。

3 水汽输送推进过程的气候特征

王宝鉴等［12］选取中国西北五省(区)(陕、甘、宁、青、新)168个测站1961－2000年6－9月月降水，运用EOF、REOF方法对西北区6－9月降水量场进行分析，得到降水量的7个主要空间异常气候区，即渭水流域中上游区、河西走廊区、高原东北侧区、北疆区、高原区、陕南区和南疆区，这是我国西北地区降水异常的7个关键地区。本章将重点讨论这7个关键区各候的水汽输送通量特征。由于水汽输送通量场是格点资料，因此本文选取的7个关键区的范围略有调整(图1)。

图17 个关键区分布图

3.1 各候水汽输送的空间分布

取72.5°～112.5°E、30°～50°N范围内的逐候多年平均水汽输送通量，来分析我国西北地区逐候水汽输送的空间分布特征，如图2所示:第1候(1月第1候)至第10候(2月第4候)，西北地区没有明显的水汽输送;第11候(2月第5候)至第15候(3月第3候)，弱的偏西风水汽输送一直维持在陕南;第16候(3月第4候)，偏西风水汽输送进入高原东北侧东部，而陕南转为西南风水汽输送;第21候(4月第3候)，北疆和河西走廊的偏西风水汽输送开始建立;第27候(5月第3候)，西南风水汽输送进入渭水流域中上游;直至第36候(6月第6候)，偏西风和西南风水汽输送同时加强，大值区分别位于北疆中部、河西走廊北部和陕南，而且西南风水汽输送进入高原东北侧;第42候(7月第6候)，陕南的西南风水汽输送开始减弱;第45候(8月第3候)，北疆和河西走廊的偏西风水汽输送也开始减弱;第49候(9月第1候)，河西走廊的偏西风水汽输送带开始北移，西南风水汽输送与偏西风水汽输送在陕南和高原东北侧东部交汇，致使该处的水汽输送再次加强，而且偏西风水汽输送出现在高原东北侧西部，这种状况一直维持到第55候(10月第1候);第56候(10月第2候)，高原东北侧西部偏西风水汽输送消失，高原东北侧东部的水汽输送减弱;第63候(11月第3候)，北疆和河西走廊的偏西风水汽输送带消失，高原东北侧东部和陕南还有弱的偏西风水汽输送;第68候(12月第2候)，高原东北侧东部和陕南的偏西风水汽输送也消失，直至第72候(12月第6候)。

3.2 偏西风和西南风水汽输送推进与撤退的时间演变

通过上一节的讨论发现，北疆和河西走廊为偏西风水汽输送，渭水流域中上游、高原东北侧东部和陕南为偏西风和西南风水汽输送共同作用区域。图3描绘了102.5°～110°E偏西风和西南风水汽输送建立与消失的时间特征，图中等值线所围的区域为偏南风水汽输送，阴影部分为偏西风水汽输送。下面以图中连续的0.3 kg·m－1·s－1的水汽输送线作为偏南风水汽输送特征线和0.5 kg·m－1·s－1的水汽输送线作为偏西风水汽输送特征线来对其特征进行讨论。

第21候(4月第3候)，高原东北侧的偏西风水汽输送平均值加大，结合图2可以看出，水汽输送强度并没有加强，说明面积西扩了;第26候(5月第2候)，渭水流域中上游和陕南的西南风水汽输送开始加强，但是西风分量大于南风分量;第33候(6月第3候)，偏南风水汽输送特征线在渭水流域中上游和陕南出现，说明南风分量开始加大，并迂回向北延伸;第40候(7月第4候)，偏西风水汽输送特征线快速北移至陕北，同时偏南风水汽输送特征线也快速北移至陕北，并于第43候(8月第1候)到达38°N附近的北界，说明此时高原东北侧大部分区域盛行西南风水汽输送;随后两条特征线均快速南撤，偏西风水汽输送特征线于第48候(8月第6候)撤至南界，偏南风水汽输送特征线于第59候(10月第5候)撤至南界并消失，说明渭水流域中上游和陕南的西南风水汽输送逐渐减弱，并被偏西风水汽输送所取代;第65候(11月第5候)，偏西风水汽输送特征线快速消失，转为冬季的形势。

图2 1950－2002年西北地区多年平均逐候整层垂直积分水汽输送通量分布图

图3 西北地区102.5°～110°E平均逐候多年平均整层垂直积分水汽输送通量时间—纬度剖面图

4 年际、年代际变化

图4a中，渭水流域中上游1950年代后期－1960年代初西南风水汽输送旺盛，尤其是8月中旬－10月上旬;随后水汽输送逐渐减弱，到21世纪初，仅9－10月上旬有水汽输送大值区。高原东北侧(图4b)以偏西风水汽输送为主;1960年代中期以前，水汽输送每年集中在4－10月中旬，而且1950年代后期－1960年代初期的6月下旬－8月偏西风水汽输送旺盛;1960年代中期－20世纪末，水汽输送逐渐减少;到21世纪初，水汽输送大值区几乎消失。1970年代以前，高原东北侧(图4c)4月就开始有明显的偏西风水汽输送了，1950年代中后期－1960年代初期的6月中旬－10月上旬西南风水汽输送旺盛;1970年代以后，水汽输送维持较弱;20世纪末期－21世纪初期，水汽输送明显减少。北疆(图4d)盛行偏西风水汽输送，其年代变化不大，仅于1950年代中后期的7月和1980年代前期的7月末－8月上旬出现强水汽输送中心;高原(图4e)和南疆(图4g)的水汽输送常年都很弱，高原的偏西风水汽输送大值区出现在1970年代中期以前的6月中旬－10月上旬，南疆的偏西风水汽输送大值区出现在1960年代中期以前的4－9月。在我国西北地区，陕南(图4f)的水汽输送远远强于其它地区，1950年代后期－1970年代中期的西南风水汽输送较强，尤其是1950年代后期－1960年代初期西南风水汽输送最旺盛;1970年代中期以后，西南风水汽输送减弱，偏西风水汽输送持续的时间也缩短。

对比7个关键区的水汽输送，可以看出，水汽输送都是在逐渐减弱的，大值区开始的时间都是在逐渐拖后，结束的时间变化不大，春季的水汽输送明显减少。

图4 各“关键区”候平均水汽输送逐年演变图

5 结论

(1)北疆和河西走廊常年为偏西风水汽输送，渭水流域中上游、陕南和高原东北侧偏西风和西南风水汽输送交替出现，高原和南疆的水汽输送常年都很弱;

(2)西南风水汽输送主要集中在6－10月，8月达到38°N附近的北界;

(3)我国西北地区水汽输送在逐渐减弱，大值区开始的时间在逐渐拖后，结束的时间变化不大，春季的水汽输送明显减少。

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