青藏高原东部积雪异常与西南地区春季降水的关系

胡豪然

(中国气象局成都高原气象研究所，高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川　成都　610072)



青藏高原东部积雪异常与西南地区春季降水的关系

胡豪然

(中国气象局成都高原气象研究所，高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都610072)

摘要：选取1961/1962—2011/2012年青藏高原东部积雪和西南地区降水的测站资料，应用奇异值分解方法，结合相关分析和统计检验，分析前期积雪与春季降水的关系及其随时间的变化特征。结果表明：青藏高原东部12月、1月积雪对西南地区西南部春季降水有一定的指示意义；积雪影响关键区位于青藏高原东南缘的青南高原东南部、川西高原西北部和东部的藏东峡谷，分别以班玛、石渠、丁青为中心；春季降水以正响应为主，显著区域覆盖西南地区除滇西北和滇西南以外的整个西南部，以会理、华坪为中心的川滇交界周边地区最为突出；近50 a来，青藏高原东部关键区前期积雪异常与西南地区西南部春季降水间的关系始终保持正相关且表现出显著的年代际变化特征，根据滑动相关结果可分为3个阶段，各阶段之间的过渡均以气候突变的形式完成，1961—1984年相关低于95%置信水平，1985—1995年相关高于99%置信水平，1996—2011年相关介于95%与99%置信水平之间；两者间关系的年代际变化与高原东部冬季积雪的年代际变化基本一致，即高相关阶段对应积雪偏多期，反之亦然；近年来，两者间的相关稳定保持在95%的置信水平以上，较前一阶段略有下降，但仍可作为预测西南地区西南部春季降水的重要参考。

关键词：青藏高原；积雪异常；西南地区；春季降水

引言

青藏高原积雪是欧亚雪盖的重要组成部分，冬春季积雪日数多且持续性强，有些地方甚至终年不化，平均4 000 m左右的海拔使得积雪作为一种变化显著的陆面过程，其热力影响可直达对流层中部；同时，青藏高原所处纬度较低，高原积雪在一定程度上能改变海陆热力对比，从而对季风活动产生影响。自从19世纪末Blanford[1]揭示喜马拉雅山区单站冬季积雪与印度西部夏季雨量呈反相关，20世纪70年代末叶笃正等[2]建议把青藏高原雪盖作为我国长期预报的指标之一，随着观测资料和研究手段的丰富，前人在高原积雪的时空演变、影响区域气候的规律及其物理机制等方面进行了细致深入的研究[3-23]。研究普遍认为：积雪主要通过改变局地地气相互作用来影响大气环流系统，进而影响区域气候；高原积雪与长江中下游及新疆地区的夏季降水存在正相关关系，与华北、华南和西北地区呈负相关关系。在气候诊断和预测业务中，认为高原积雪是我国汛期气候“东、南、西、北、中”5大环流影响因子之一的西方因子，并得到广泛应用。

我国西南地区位于青藏高原东南部，地形地貌复杂多样，受到青藏高原、东亚和南亚季风的多重影响，具有独特的天气气候特征，天气、气候的影响因子和物理成因较东部地区更为复杂。我国气候学家通常倾向于研究自华南至华北汛期雨带的变动，对西南地区的关注不够，致使针对西南地区降水的预测手段和先兆信号相对缺乏。近年来，该地区极端气候事件频发，如2006年夏季特大干旱、2008年初持续低温雨雪冰冻灾害以及2010年以来连续4 a的部分地区特大干旱，严重威胁到当地的社会生产和人民生活。为此，加强对西南地区气候变率(尤其是降水异常)的研究非常必要且需求迫切。

综合已有工作，专门针对高原积雪异常与西南地区降水关系的研究并不多见，且多集中在夏季[5,18]，涉及春季降水的较少[21]，而这正是当前应关注的重点之一。本文分析青藏高原前期积雪与西南地区春季降水的关系及其随时间的变化特征，得到的一些有益结论可为西南地区短期气候预测提供一定参考。

1资料与方法

资料来源于国家气象信息中心提供的地面测站日值资料集，共753个中国基本、基准地面气象观测站及自动站，要素包括积雪深度、降水量、气温等。综合考虑高原站点分布和资料缺测情况，以海拔超过3 000 m、年代长且时间连续为原则(柴达木盆地和川西高原若干站点海拔在2 700～3 000 m之间)，选取87°E—103°E、27°N—39°N范围内57个站点代表青藏高原东部，资料时段为1961/1962—2011/2012共51 a。选取四川、云南、贵州和重庆4省市区域范围内共111个测站代表西南地区，资料时段为1962—2012年。月积雪日数是每月日积雪深度>0 cm的日数，月积雪深度是每月日积雪深度的累加。按照气候四季划分原则，冬季为12月至次年2月，春季为3—5月。

奇异值分解方法(Singular Value Decomposition，缩写为SVD)用于揭示积雪场与降水场的关系，Monte Carlo技术用于检验SVD模态的显著性[24]。SVD是研究2个气象变量场相关结构的诊断技术，由于计算简便，广泛应用于气候诊断分析与预测研究中。其中SCFk表示第k对SVD模态在总方差中所占权重，Rk表示第k对SVD模态空间分布型的相关程度，异性相关系数场用于揭示变量场间相互影响的关键区，同性相关系数场用于揭示变量场间的遥相关特征。多元线性回归是气候预测中应用广泛的统计方法，是处理随机变量之间相关关系的有效手段[24]。滑动相关方法用于考察2种要素序列间相关关系随时间的变化特征，一般以10～20 a为滑动窗口的效果较好[25]。

2高原东部积雪异常与西南地区春季降水的SVD分析

以青藏高原东部积雪日数、深度为左变量场，西南地区春季降水为右变量场，高原积雪取11月、12月、次年1月和2月，并尝试不同组合，分别与西南地区春季降水进行SVD分析，并用Monte Carlo技术检验其结果。

结合对异性相关系数场的分析，青藏高原东部12月和1月的积雪变化与西南地区春季降水的关系更为密切，均有较高的指示意义，结果见表1。

表1　高原东部积雪与西南地区春季降水的SVD第一模态相关指标

青藏高原东部12月积雪日数、深度与西南地区春季降水之间SVD分析第一模态的方差贡献分别为21.4%、22.5%，相关系数分别为0.62、0.64，均达到95%的置信水平，反映出变量场间相互关系的主要信息。图1给出SVD第一模态的异性相关系数场(阴影表示达到95%以上置信水平的区域)。可以看出，高原东部12月积雪日数影响西南地区春季降水的关键区位于青藏高原东南缘，以青南高原东南部的班玛、久治和川西高原西北部的石渠、德格为中心，极值+0.46出现在班玛地区；降水以正响应为主，显著区域位于西南地区的西南部，覆盖云南大部(除南部)和川西南地区，尤其是川滇交界的周边地区最为突出，以盐源、华坪、会泽为中心，极值+0.56出现在盐源和华坪地区；当青藏高原东南缘12月积雪日数偏多(少)时，云南大部(除南部)和川西南地区次年春季降水偏多(少)。高原东部12月积雪深度影响关键区同样位于青藏高原东南缘，以青南高原东南部的班玛和川西高原西北部的石渠为中心，极值+0.41出现在班玛地区；降水的响应以正反馈为主，显著区域位于西南地区的西南部，覆盖除西北、东北部以外的云南大部和川西南地区，同样是川滇交界的周边地区最为突出，以盐源、华坪、大理、楚雄为中心，极值+0.56出现在华坪地区；当青藏高原东南缘12月积雪深度偏大(小)时，除西北、东北部以外的云南大部和川西南地区次年春季降水偏多(少)。

青藏高原东部1月积雪日数、深度与西南地区春季降水之间的SVD分析第一模态的方差贡献分别为19.2%、18.6%，相关系数分别为0.66、0.65，均反映出变量场间相互关系的主要信息。从图2可以看出，高原东部1月积雪日数影响西南地区春季降水的关键区位于青藏高原东部，以藏东峡谷的丁青为中心，极值+0.43；降水以正响应为主，显著区域纵贯西南地区西部，呈南北向带状分布，覆盖了除西部以外的云南大部、川西地区中部和南部，尤其是川滇交界的周边地区最为突出，以西昌、会理、华坪为中心，极值+0.58出现在会理地区；当青藏高原东部1月积雪日数偏多(少)时，除西部以外的云南大部、川西地区中部和南部次年春季降水偏多(少)。高原东部1月积雪深度影响西南地区春季降水的关键区同样位于以丁青为中心的青藏高原东部，极值+0.39；降水的响应以正反馈为主，显著区域略有收缩，同样是以西昌、会理、华坪为中心的川滇交界周边地区最为突出，极值+0.58出现在会理地区；当青藏高原东部1月积雪深度偏大(小)时，除西部以外的云南大部、川西地区中部和南部次年春季降水偏多(少)。

图1　青藏高原东部12月积雪日数(a,b)和深度(c,d)与西南地区

图2　青藏高原东部1月积雪日数(a,b)、深度(c,d)与西南地区

综上所述，青藏高原东部12月、1月的积雪变化与西南地区西南部春季降水的关系十分密切，尤其是班玛12月和丁青1月的积雪变化可能对以会理、华坪为中心的川滇交界周边地区的春季降水有较好的指示意义。

3高原东部积雪对西南地区春季降水的预测意义

根据上述分析，如果以降水为预报对象，积雪为预报因子，选择当年12月班玛与次年1月丁青地区的积雪日数或深度来预测西南地区次年春季降水可能会取得最佳效果。需要说明的是，积雪日数与深度分析得到的结论基本一致，下面仅用积雪日数表征积雪变化。

图3给出当年12月班玛、次年1月丁青地区的积雪日数与次年西南地区春季降水的相关系数分布，可以看出其主要特征与SVD分析的结果极其类似。班玛地区12月积雪日数与西南地区春季降水的关系最为密切，高正相关区覆盖了除滇西北、滇西南以外的云南大部和川西南地区，尤其是川滇交界周边地区最为显著，正相关系数≥0.5的站点共3个，分别是会理、华坪、会泽，极值+0.63出现在会理；丁青地区1月积雪日数与西南地区春季降水的关系次之，高正相关区同样集中在川滇交界周边地区，正相关系数≥0.4的站点共3个，分别是会理、华坪、楚雄，极值+0.47出现在华坪。

从上述分析结果来看，班玛地区12月积雪日数对西南地区春季降水的指示意义好于丁青地区1月积雪日数。为了检验是否有必要引入丁青地区的数据，科学合理地构造用于预测西南地区春季降水的前期积雪指数，运用多元线性回归方法，以华坪、会理、楚雄等高相关站点的春季降水作为因变量，班玛12月和丁青1月的积雪日数作为自变量，构建相应的回归方程。通过比较后发现，引入丁青1月的积雪日数后，回归方程对于大多数站点春季降水的解释方差均有不同程度的提高，2个自变量对方程的贡献均达到95%的置信水平，平均来看，班玛12月积雪日数的相对贡献约占2/3。以华坪为例，班玛12月积雪日数作为单一因子能解释春季降水29.3%的变化特征，拟合度达到99.9%的置信水平；引入丁青1月积雪日数后，2个自变量能解释降水34%的变化特征，拟合度达到99.9%的置信水平，班玛12月积雪日数的相对贡献约为61%。

根据上述分析，选择班玛当年12月与丁青次年1月的积雪日数构造前期积雪指数I=(2X1+X2)/3，其中X1、X2分别表示班玛当年12月、丁青次年1月积雪日数的标准化序列，进一步考察高原东部前期积雪变化对西南地区春季降水的预测意义。图4a是前期积雪指数与西南地区春季降水的相关系数分布，可以看出，高相关区覆盖除滇西北和滇西南以外的整个西南地区，尤其是川滇交界周边地区最为显著，正相关系数≥0.5的站点增加到7个，分别是会理、华坪、木里、盐源、会泽、元谋、楚雄，极值+0.65出现在会理。为了更直观地考察前期积雪指数与春季降水的相关关系，提取正相关系数≥0.5的7个站点春季降水之和的标准化序列，代表西南地区春季降水高响应区的时间变化特征。图4b给出该降水指数序列与西南地区春季降水的相关系数分布，可以看出该指数能在一定程度上表征除滇西北以外的云南大部和川西南地区春季降水的时间变化特征。

图3　12月班玛(a)与次年1月丁青(b)积雪日数与西南地区次年春季降水的相关系数分布

图4　前期积雪指数(a)、春季降水指数(b)与西南地区春季降水的相关系数分布

图5a给出前期积雪指数和春季降水指数的标准化时间曲线(年份以前期积雪指数为准，例如1989年前期积雪指数对应的是1990年春季降水)，两者相关系数为+0.615，达到99.9%的置信水平。可以看出，积雪与降水2条序列多表现为同位相变化，尤其是1980年代以来，关系似乎更为密切，其中前期积雪指数对川滇交界周边地区的春季降水在1990、2001、2007年异常偏多和2009、2012年异常偏少的情况均有所指示，尤其与1990、2001年该地区春季降水极端偏多的情况对应较好，值得关注。

为了尽可能详细地揭示前期积雪指数与春季降水相关关系随时间的变化特征，应用滑动相关方法，以11 a为滑动窗口，计算得到的滑动相关值R记在窗口第6年，其逐年变化曲线如图5b所示。滑动相关结果显示，1961—2011年期间，两者始终保持正相关关系，其长期变化特征可根据不同置信水平分为“不显著—极显著—较显著”3个阶段，各阶段之间的过渡均以气候突变的形式来完成：1961—1983年低于95%置信水平，基本呈持续上升趋势；1984—1995年高于99%置信水平，呈先升后降趋势，变化幅度较小，1990年达到极值+0.92；1996—2011年介于95%与99%置信水平之间，在前半段呈先降后升趋势，2000年代以来基本保持稳定，变化幅度极小。由此可见，1979年以来(由1984年前推5 a)，青藏高原东部关键区前期积雪异常与西南地区西南部春季降水有很好的联系，尤其是1985—1995年最为密切；此后，两者相关关系虽略有下降，但始终保持在95%的置信水平以上，且较为稳定，高原东部关键区的前期积雪异常仍可作为预测西南地区西南部春季降水的重要参考。需要指出的是，两者相关关系“不显著—极显著—较显著”的年代际变化规律与高原东部冬季积雪“少—多—较少”的年代际变化特征基本对应[22-23]，这是否预示年代际时间尺度上高原东部冬季积雪的多寡在一定程度上影响高原东部关键区前期积雪异常与西南地区西南部春季降水间相关关系的优劣。

图5　前期积雪指数和春季降水指数的标准化时间曲线(a)

根据已有研究[26-27]，西南地区西南部春季降水(尤其是云南5月降水)的显著年际变化与热带印度洋至孟加拉湾地区水汽输送的强弱密切相关，水汽输送偏强对应降水偏多，反之亦然。为了对青藏高原东部关键区前期积雪异常影响西南地区西南部春季降水的关系有更直观的认识，图6给出1979—2011年前期积雪指数与春季水汽输送的相关矢量场。由于春季降水响应区域内多个站点海拔在1 500 m以上，因此选取850 hPa和700 hPa水汽输送作为考察对象。如图6所示，前期积雪指数与春季850 hPa、700 hPa水汽输送的相关矢量场的特征基本一致，当高原东部关键区前期积雪偏多(少)时，索马里附近的越赤道气流、热带印度洋至孟加拉湾地区的西南风和西南地区西南部的南来水汽输送偏强(弱)，构成西南地区西南部春季降水偏多(少)的环流背景。根据已有研究[28]，给出前期积雪指数与冬春季海温的相关分布(图7)，当高原东部关键区前期积雪偏多(少)时，南印度洋马达加斯加附近海温偏低(高)，马斯克林高压的相应增强(减弱)导致索马里附近越赤道气流偏强(弱)，在一定程度上影响了热带印度洋至孟加拉湾地区的西南风水汽输送，进而导致西南地区西南部的南来水汽输送偏强(弱)。

图6　前期积雪指数与850 hPa(a)、700 hPa(b)春季水汽输送的相关矢量

图7　前期积雪指数与冬(a)、春(b)季海温的相关分布

4结论与讨论

(1)青藏高原东部12月、1月积雪对西南地区西南部春季降水有很好的指示意义。积雪影响关键区位于青藏高原东南缘的青南高原东南部、川西高原西北部和东部的藏东峡谷，分别以班玛、石渠、丁青为中心。春季降水以正响应为主，显著区域覆盖西南地区除滇西北和滇西南以外的整个西南部，以会理、华坪为中心的川滇交界周边地区最为突出。

(2)近50 a来，青藏高原东部关键区前期积雪异常与西南地区西南部春季降水间的关系始终保持正相关且表现出显著的年代际变化特征，根据滑动相关结果可分为3个阶段，各阶段之间的过渡均以气候突变的形式来完成：1961—1984年相关低于95%置信水平；1985—1995年相关高于99%置信水平；1996—2011年相关介于95%与99%置信水平之间。

(3)近年来，青藏高原东部关键区前期积雪异常与西南地区西南部春季降水间的相关稳定保持在95%的置信水平以上，较前一阶段略有下降，仍可作为预测西南地区西南部春季降水的重要参考。

(4)青藏高原东部关键区前期积雪异常与西南地区西南部春季降水间相关关系随时间的变化与高原东部冬季积雪的年代际变化特征基本一致，即高相关阶段对应高原东部冬季积雪偏多期，反之亦然。

(5)当高原东部关键区前期积雪偏多(少)时，索马里附近的越赤道气流、热带印度洋至孟加拉湾地区的西南风和西南地区西南部的南来水汽输送偏强(弱)，构成西南地区西南部春季降水偏多(少)的环流背景。

必须指出的是，为何仅青南高原及川西高原西北部12月、1月积雪变化与西南地区西南部春季降水联系紧密，而藏北高原作为高原东部另一多雪且变率显著区域与西南地区春季降水的关系并不显著，以及年代际时间尺度上的积雪多寡是否导致其两者间相关关系发生相应突变的可能原因，其物理机制应该如何解释，这一系列问题还需要在后续工作中深入研究。

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Relationship Between Snow Anomaly in East of Qinghai-Tibet Plateau and Spring Rainfall in Southwest China

HU Haoran

(InstituteofPlateauMeteorology,CMA;HeavyRainandDrought-FloodDisastersinPlateauBasinKeyLaboratoryofSichuanProvince,Chengdu610072,China)

Abstract:Based on the data set of snow in east of Qinghai-Tibet Plateau and spring rainfall in Southwest China from 1961/1962 to 2011/2012, the relationship and its temporal variations between snow anomaly in prophase and spring rainfall in Southwest China were analyzed by using methods such as SVD, linear regression analysis, sliding correlation analysis, etc. The results indicate that snow in December and January in east of Qinghai-Tibet Plateau had a good indicative significance to spring rainfall in the Southwest region of Southwest China, and the key region of snow effect located at the southeast of Southern Qinghai Plateau, the north of western Sichuan Plateau and eastern Tibet gorge, with Banma, Shiqu and Dingqing as center, respectively. The main response of spring rainfall was positive, the remarkable regions covered almost the whole Southwest of Southwest China except the northwest and Southwest of Yunnan, especially the juncture region of Sichuan and Yunnan, with Huili and Huaping as center. By using sliding correlation analysis, it was found that the relationship between the prophase snow anomaly in the key area and spring rainfall in the Southwest region of Southwest China always kept positive correlation and its interdecadel change was significant. The period from 1961 to 2011 could be separated into three stages. The first stage from 1961 to 1984 was below 95% confidence level, the second stage from 1985 to 1995 was above 99% confidence level, and the third stage from 1996 to 2011 was between 95% and 99% confidence level. There happened an obvious shift when one stage changed to the next. The interdecadal variation characteristics of the correlationship were close agreement with winter snow in east of Qinghai-Tibet Plateau. In recent years, the correlationship showed the slight decline compared with the previous stage, but still stablely remained above 95% confidence level and could be taken as an important reference for spring rainfall prediction in the Southwest region of Southwest China.

Key words:Qinghai-Tibet Plateau；snow anomaly；Southwest China；spring rainfall

收稿日期：2016-03-04；改回日期：2016-05-10

基金项目：国家自然科学基金项目(41205068)及四川省气象局科学技术研究开发课题(川气课题2011-开发-03)共同资助

作者简介：胡豪然(1977-)，男，博士，副研究员，主要从事气候变化研究. E-mail:hhr@pku.org.cn

文章编号：1006-7639(2016)-03-08-0423

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0423

中图分类号：P461

文献标识码：A

胡豪然.青藏高原东部积雪异常与西南地区春季降水的关系[J].干旱气象，2016，34(3)：423-430, [HU Haoran. Relationship Between Snow Anomaly in East of Qinghai-Tibet Plateau and Spring Rainfall in Southwest China[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):423-430], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0423