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1、水汽输送的年代际变化及其对安徽降水的影响195水汽输送的年代际变化及其对安徽降水的影响田红刘勇(安徽省气象台，安徽合肥230031)关键词：气象学水汽输送水汽收支夏季降水1资料与计算本文所使用的资料包括：NCEPNCAR全球25。250逐日纬向风、经向风和比湿，垂直方向8层(1000，925，850，700，600，500，400，300hPa)，逐日地面气压，安徽区域内均匀分布于淮河流域、长江流域及两者之间的20个代表站夏季(68月)逐日降水量。资料年限为19582002年。单位气柱整层大气水汽输送通量矢量Q的计算公式如下：Q一城Vqdp(1)式中V为该单位气柱内各层大气的风速矢量，g是各层
2、大气的比湿，P。，只分别为大气柱下界气压(即地面气压)和上界气压(取300hPa)，g是重力加速度。矢量Q可以分解成纬向水汽通量Qa和经向水汽通量Q，。先利用全球19582002年逐日各层上的比湿和风场资料算出酝和Q，再算出月值，然后进行垂直向的整层积分，得到全球19582002年各月地面至300hPa整层大气的纬向水汽通量Q。和经向水汽通量Q。2夏季影响我国的水汽通道及其强度刻划从多年平均的夏季东亚季风区水汽输送矢量场(图略)可知向我国大陆输送水汽的有以下三个主要通道：一个由西南季风输送，到达我国西南边界，称之为西南通道；另一个由南海季风向北输送到我国南边界，称之为南海通道；第三个沿西太平洋
3、副高西南侧的东南季风向我国东南边界输送，称之为东南通道。这三支水汽流进入我国后，在大陆东部往东北方向输送，然后出境。安徽区域正是这种西南一东北方向的水汽输送。从多年平均的夏季水汽通量矢量模分布(图略)可以看出，在阿拉伯海和孟加拉湾各有一个高值中心，南海和西太平洋也各有一高值区，但相对弱一些。为了概要地了解夏季东亚季风区水汽输送的年际变化程度，计算了水汽输送的方差(图略)。很明显，图中最大方差区落在我国东部，表明这里的水汽输送量年际变化最大。这是与东部地区是中国夏季旱涝发生最频繁地区相一致的。其他方差较大区在孟加拉湾、南海南部、西北太平洋等地，分别与低纬地区三条水汽通道相对应。为了进一步定量分析
4、水汽输送特征，需要刻划水汽通道强度。首先，针对三条水汽通道分别取一定的计算区域。确定计算区域的标准如下：i1)区域内水汽输送的方向基本一致；(2)区域内水汽输送最强(即水汽通量矢量模最大)；(3)区域内水汽输送的方差较大。按照上述三条标准综合考虑，最后确定出三个计算区域的范围：西南通道(90。110。E，10。20。N)，南海通道(110。120。E，15。25。N)，东南通道(130。150。E，15。25。N)。分别对上述三个区域的19582002年逐年夏季(68月)的水汽通量矢量模(南海直接用经向通量)求面积平均，得到三组一维时间序列，将此定义为三条水汽通道的强度指数(图1)。196气候
5、变化与气候变异、生态一环境演变及可持续发展图119582002年夏季三条水汽通道强度指数(10kgm-1S_1)显然，图中西南通道最强(见表2平均值)，南海通道和东南通道则弱的多，强度刚超过西南通道的一半。标准差的情况与平均值类似，也是西南通道最大，南海通道和东南通道差不多，表明西南通道年际变化总体来说也最大。为了考察水汽通道确定的是否合理，计算了三组指数两两之间的相关系数(表1)。结果显示，三个相关系数几近为零，表明各条通道互不相关，独立性很好。由此看来水汽通道的确定是合适的。表1三条水汽通道的两两相关西南一南海西南一东南南海一东南0002005500283水汽输送的年代际变化及其对安徽降水
6、的影响31水汽通道强度的年代际变化及其对降水的影响为讨论三条水汽通道的特征，计算了其强度指数的几个特征量，见表2。表中带有“”的表示通过005信度检验，带有“”的表示通过001信度检验。线性趋势系数表明，西南和南海通道强度几十年来呈较显著的下降趋势，其中西南通道下降程度更大一些，东南通道则呈不显著的增长趋势。表2水汽通道强度指数的几个统计量最大滑动突变前(19581975)突变后(19762002)平均值标准差线性趋势系数对应年份t一检验值平均强度指数平均强度指数西南通道87124一O2733419759284南海通道4873一O1642019755245东南通道4485003450o1974
7、4245线性趋势仅反映了变量的一种渐变特征。事实上，变量在几十年的变化中有可能是不连续的。因此，有必要进行年代际突变分析，这也是气候变化研究中不可缺少的内容。采用滑动一检验法对三组水汽通道强度指数进行突变检测。为提高计算结果的可靠性，经反复变动子序列长度进行试验比较，最后确定子序列长度为5年。计算结果表明，三条水汽通道强度均在19741975年发生突变，以东南通道最显著，南海通道次之。西南和南海通道由强变弱，东南通道则由弱变强。这一结果使人联想到ENSO、副高及亚洲季风基本一致的年代际振荡。已有许多研究O6173显示，1976年以来西太平洋副高显著增强，其海洋背景是E1Nino事件的频率增大，
8、海温的异常分布减弱了亚洲夏季风。可以推测，副高增强意味着副高主体庞大，西伸明显，其西南侧的东南季风加强，导致东南通道的水汽输送加大。亚洲夏季风减弱，则作为亚洲夏季风主体的西南季风和南海季风必然减弱，导致西南通道和南海通道的水汽输送减小。关于三条水汽通道强度年代际变化的深层原因有待于另作研究。为了分析水汽输送的变化对安徽省降水的影响，计算了水汽通道强度突变前后水汽输送矢量场的差异以及安徽降水场的差异(图2)，即突变后(19762002年)27年平均值一突变前(19581975年)18年平均值。左图中，与气候平均的水汽输送场相反，在中国东部是一支东北一西南向的矢水汽输送的年代际变化及其对安徽降水的
9、影响197量差，延伸到孟加拉湾和南海地区仍为这种方向，但强度较弱，只有在西北太平洋是向西的矢量差，与气候场一致，表明突变以后由西南季风和南海季风输送的水汽有所减弱，而东南季风输送的水汽比突变前有所增强，在中国东部(包括安徽)一贯往东北方向的水汽输送也比突变前减弱了。这与三条水汽通道强度指数的突变特征是一致的。右图中，零线(图中粗线)基本上位于淮河流域，其北为负，其南为正，表明突变后淮北降水比突变前减少，而淮河以南降水增加了。文献17指出，从1976年以后热带中东太平洋海水明显增暖，呈现出“年代际的E1Nino现象”，这种海温异常分布减弱了贬洲夏季风，从而减弱了季风气流从中印半岛和我国南海向我国
10、东部的水汽输送，大量水汽只输送到长江流域，并使得从西太平洋输送过来的水汽只能在长江流域辐合，引起长江流域降水明显增加。本文的工作与这一结论是一致的，只是长江流域的北缘在本文的工作中确定为淮河。图2气候突变前后水汽输送之差(左，10kgrn“s1)及安徽省降水量之差(右，ram)(右图中方框及箭头为安徽区域水汽收支示意图)32水汽收支的年代际变化及其对降水的影响选取115。120。E，30。35。N作为安徽区域(图2右)，计算出19582002年夏季通过东、南、西、北四条边界的水汽通量，再将经向收支(南边界输入一北边界输出)和纬向收支(西边界输入一东边界输出)相加得到整个区域的水汽总收支。为了和
11、水汽收支对应，降水的计算也取同样的区域，为区域平均值(由于全省只有淮北降水趋势不同于其他大部分地区，但下降趋势不明显并且代表站很少，故可以将淮北归人全省考虑)。结果表明，1958年以来安徽区域的水汽经向收支呈显著上升趋势(见表3中气候趋势系数)，大约从1964年以后经向收支基本为正值，表明经向以收入为主；纬向收支相应地呈显著下降趋势(两者相关为095)，1964年以后绝大多数年份为负值，表明纬向以支出为主；整个区域的水汽总收支也呈上升趋势，与降水的趋势一致。表3计算了安徽区域水汽收支的一些特征，表中“”及“”的意义同前。表3水汽收支及降水量的几个统计量经向收支纬向收支水汽总收支降水量平均值33
12、231517标准差3872831471586线性趋势系数176一152“024035+最大滑动t一检验值一426”545无突变无突变对应年份19741974突变前(19581975)平均收支71925474突变后(19762002)平均收支50一1634546降水量与各项相关O56一046+。O571由表3可见：从气候意义上讲，安徽区域水汽平均经向收支为正，表明水汽从南边界进入安徽省后，在安徽省境内因降水而损耗，从北边界输出时减小了；平均纬向收支为负，表明水汽从西边界输198气候变化与气候变异、生态一环境演变及可持续发展人后，从东边界输出的通量加大了。在水汽总收支中，经向收支占了绝大部分比例，
13、或者说，水汽总收支的大小主要取决于经向收支，两者相关达079；标准差的大小表明，经向收支的年际变化最大，其次是纬向收支，总收支相对来说波动较小；突变检测结果显示，经向及纬向收支均在1974年前后发生突变，与前述水汽通道强度的突变时间基本一致。突变后平均经向收支比突变前增长了430kgm-1S，而平均纬向收支减少了350kgm_1S，平均总收支及降水量分别增加了90kgm_1S-1和72mm；由降水量与各项水汽收支的相关系数可以看出，降水量与经向收支及总收支成正比，与纬向收支成反比。4异常旱涝年的水汽收支特征安徽省大早年有1966、1967、1978、1985及1994年，大涝年有1969、19
14、80、1991、1996及1999年。分析这些年份的水汽收支情况，发现其共同特征是，大旱年安徽省经向水汽收支都为正的小值，纬向收支也如此，水汽总收支也都很小。大涝年经向收支都为正的大值，只有1999年稍小。对通过各边界的水汽通量(图略)分析表睨，其他大涝年基本为南边输人大、北边输出小且输入输出都为正值一种情况，只有1999年南边输入较小、而北边输出为负值，表明经向有一个明显的水汽辐合。另外，其他大涝年都是全省或大部分地区降水异常偏多，只有1999年降水主要在安徽省南部，北部是偏少的。为了更细致地分析，用325。N线将图2(右)中的方块再分为南、北两个区，分别计算各年两个区的水汽收支，发现其他大
15、涝年南区、北区经向收支都较大，只有1999年南区经向收支较大，但北区经向收支为零。大涝年全省纬向收支均为负值，表明西边界输入的水汽通量从东边界输出时加大了。与经向收支类似，全省水汽总收支除1999年以外都很大，1999年主要是由于经向收支小导致总收支较小，其中南区的总收支为正，而北区为负，正好对应南部降水偏多和北部偏少。这是1999年不同于其他大涝年的特点。由此可见，全省或区域性大涝年相应范围内水汽收支一般来说都是正的大值，且以大的经向收入为主。5小结(1)夏季影响中国降水的主要有来自低纬的三条水汽通道：西南、南海和东南通道，其中西南通道最强，年际变化最剧烈；南海、东南通道的强度及年际变化差不
16、多。1958年以来西南、南海通道强度呈显著下降趋势，东南通道则呈不显著的增长趋势。三条水汽通道均在19741975年发生突变，与ENSO、副高及亚洲季风的年代际变化基本一致。(2)突变以后西南通道和南海通道强度比突变前有所减弱，而东南通道有所增强，在中国东部(包括安徽)一贯往东北方向输送的水汽也比突变前减弱了。相应地，安徽省淮河以北地区降水比突变前减少，而淮河以南降水增加了，表明主要水汽通道的减弱使季风输送的水汽只能到达淮河，造成淮河以南降水增加。(3)平均来说，安徽区域水汽的经向收支为正，纬向收支为负。经向收支不仅在水汽总收支中占据绝大部分比例，其年际变化也最大，是造成降水及其年际变化的主要收支项。经向收支越大，水汽总收支就越大，降水量也就越大；反之亦然。(4)1958年以来安徽区域的水汽经向收支呈显著上升趋势，纬向收支呈显著下降趋势，两者互为反相关关系；整个区域的水汽总收支也呈显著上
