长江流域水汽收支的时空变化与环流特征

J.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(6):[e-mail]©2008byJournalofLakeSciences长江流域水汽收支的时空变化与环流特征*张增信1,2,3,姜彤4,张金池2,张强1,4,刘宣飞5(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京210008)(2:南京林业大学江苏省林业生态工程重点实验室,南京210037)(3:中国科学院研究生院,北京100049)(4:中国气象局气候研究开放实验室,北京100081)(5:无锡工艺职业技术学院,无锡214220)摘要:通过分析1961-2005年长江流域水汽收支的时空变化及环流特征,发现:1)长江流域春季、秋季、冬季和年均水汽收支下降,而夏季增加;长江上游除夏季外均变化显著,中下游则只有春季、夏季和秋季变化显著;2)长江中下游各季节及年水汽收支与降水的关系都通过了显著性检验,其中夏季关系最好,而长江上游只有春季和秋季通过显著性检验;3)夏季长江流域水汽输送下降,但水汽收支却增加,可能与东亚夏季风减弱有关,而东亚夏季风的减弱可能与东亚大陆上空低层大气位势高度显著增强有关.关键词:水汽收支;趋势分析;大气环流;长江流域Spatial-temporalpropertiesofmoisturebudgetandassociatedlarge-scalecirculationintheYangtzeRiverBasinZHANGZengxin1,2,3,JIANGTong4,ZHANGJinchi2,ZHANGQiang1,4&LIUXuanfei5(1:NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)(2:JiangsuKeyLaboratoryofForestryEcologicalEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,P.R.China)(3:GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)(4:LaboratoryforClimateStudies,NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,P.R.China)(5:WuxiInstituteofArtsandTechnology,Wuxi214220,P.R.China)Abstract:Trendsofmoisturebudgetwereexploredduring1961to2005,usingsimplelinearregressionmethod,intheYangtzeRiverbasin,China.Theresultsindicatedthat:1)themoisturebudgetdecreasedinwinter,springandfall,butincreasedinsummer.ThetrendofmoisturebudgetwassignificantexceptforsummerintheupperYangtzeRiverbasin.Whilesignificanttrendscouldbeidentifiedinmoisturebudgetinspring,summerandautumninthemiddleandlowerYangtzeRiverbasin;2)thecorrelationbetweenmoisturebudgetandprecipitationwassignificantrelatedatalloftheseasonsinthemiddleandlowerYangtzeRiverbasin,andwassignificantrelatedinspringandautumnintheupperYangtzeRiverbasin;3)thesummermoisturetransportwasinsignificantdecreasingtrendintheYangtzeRiverbasin,whichmightbecloselyassociatedwithlowerlayergeopotentialheight.ThesummercirculationshowedincreasingcontinentalhighovernorthChina,whichweakenedthesouthwesterlysummermonsoonandlimitspropagationofthesummermonsoontonorthChina,resultinginmorewatervaporbudgetintheYangtzeRiverbasinandlessinnorthChina.Keywords:Moisturebudget;trend;circulation;theYangtzeRiverbasin近50年来,随着全球气候变暖,水循环的加快,长江流域降水也发生了明显变化:1961-2005年,长江流域夏季和冬季降水显著增加,而春季和秋季降水明显减少;1990s成为近50年长江流域夏季和冬季降水*中国气象局气候变化专项(CCSF2007-35)、淮河流域开放研究基金(HRM200708)“十一五”国家林业科技支撑项目(2006BAD03A1601)和江苏省自然科学基金(BK2006251)联合资助.2008-01-10收稿.2008-05-12收修改稿;张增信,男,1977年生,博士研究生;E-mail:[e-mail].(湖泊科学),2008,20(6)734最多,秋季降水最少时期;但长江上游和中下游地区的降水有明显的地区差异,上游年降水下降显著,而中下游年降水却在增加[1-5].长江流域径流也有明显变化,冬季、夏季径流增加,春季、秋季径流减少,上游宜昌站年径流在下降,而下游大通站年径流在增加,特别是年最大径流量变化更是如此[6-7].长江流域是欧亚大陆上空水汽输送的主要通道之一,长江流域上空水汽年输入量中,有28.2%形成降水,71.8%形成过境水流出境外,年总蒸发量中,14.1%形成降水重返陆地,年总降水量中,93.5%是境外输入的水汽形成的,6.5%是流域内蒸发的水汽形成的,从而可以看出水汽收支是影响长江流域降水的最重要因素[8].陈隆勋等指出,中国大陆夏季降水的水汽属于外界输送进入的主要来自南海,其次是孟加拉湾的西南季风,再次是副热带高压的东南季风[9].长江上游的水汽,夏季主要来源于孟加拉湾和南海,秋季主要来源于西太平洋,而长江中下游地区主要来源于孟加拉湾和华南[10-11].Yasunari等对季风区水汽收支的研究指出水汽输送通量及其散度取决于大气环流背景,并有非常明显的区域性和季节性[12].苗秋菊等利用“箱体”模型边界的整层水汽输送特征描述长江流域梅雨带水汽收支总体效应,揭示了长江流域洪涝过程上游高原周边关键区水汽输送不同分量间的“转换”特征,并且发现区域汽收支与夏季降水关系很好[13].赵瑞霞等用实测资料计算了长江流域的水分平衡,并全面评估NCAR/NCEP资料对长江流域水分循环的描述能力,结果认为:季节循环方面,NCAR/NCEP中长江流域由平均流输送所造成的水汽辐合及大气含水量的季节循环均与实际接近;年际变化方面,由平均流输送造成的水汽辐合、总水汽辐合及大气可降水量的年际变化均与对应实测要素有较好的一致性,总水汽辐合与实测降水的年际变化也比较一致,可以用于这些要素年际变化的以及水汽辐合对于降水年际变化贡献的研究[14].大气中的水汽收支与大气环流有着密切的内在联系,两者作为能量和水分循环过程的重要一环对区域水分平衡起着至关重要的作用,大气中的水汽虽仅占1%-3%,但却是旱涝灾害的直接驱动因子[8].正确估计水汽收支对于大气环流形成和演变以及进一步理解天气和气候变化及水文循环过程具有重要意义,此问题多年来备受国内外水文学家和气象学家的广泛关注[15-20].长江流域水汽输送不仅年际、季节变化突出,而且上游和中下游水汽输送的空间差异也非常大.因而,要从机理上分析长江流域降水、径流等变化的原因,就需要分析长江流域水汽收支的时空变化及对应的环流特征.1资料与方法1.1资料本文使用的资料主要有:(1)1961-2005年NCEP/NCAR再分析资料中逐日的纬向风(u)、经向风(v)、比湿(q)及地面气压(ps)等资料;(2)1961-2005年中国气象局提供的1961-2005年长江流域147个气象站的日降水资料.整层大气水汽通量Q(垂直积分的水汽通量)的计算方式如下:纬向水汽输送通量:∫=sppptpyxutpyxqgtyxQd),,,(),,,(1),,(u(1)经向水汽输送通量:∫=sppptpyxvtpyxqgtyxQd),,,(),,,(1),,(v(2)式中,Q单位为g/(cm⋅s),ps为地表面气压,p取值为300hPa,q为比湿,g为重力加速度.用“箱体”模型描述长江流域水汽收支季节变化特征,分别定义(25°-35°N,100°-110°E)、(25°-35°N,110°-120°E)区域为长江上游和长江中下游地区整层水汽收支“箱体”模型计算范围,长江上游和中下游地区“箱体”模型边界水汽收支效应由下式计算[21-22]:21Wu1(,,)QQytϕϕλ=∑(3)21Eu2(,,)QQytϕϕλ=∑(4)张增信等:长江流域水汽收支的时空变化与环流特征73521Sv1(,,)QQxtλλϕ=∑(5)21Nv2(,,)QQxtλλϕ=∑(6)NSEWTQQQQQ−+−=(7)式中,QW,QE,QS,QN分别为长江流域西、东、南、北4个边界水汽收支;QT为区域边界总体水汽收支;λ1,λ2,φ1,φ2分别为各边界对应的纬度和经度.1.2方法本文采用的研究方法主要有一元线性回归及相关系数法,文中显著性检验都为95%的置信度水平.研究数据的均一性采用计算VonNeumannratio(N),Cumulativedeviations(Q/n-0.5,R/n-0.5),Bayesianprocedures(U,A)等三种统计量的方法.分别对长江流域147个气象站降水数据做均一性检验,检验结果表明所分析序列在95%的置信度水平上是具有一致性[23].2长江流域水汽收支特征2.1长江流域水汽收支的长期变化水汽收支是一个地区某一段时间内水汽的净收入,它的多少直接影响着流域降水和流量的多寡,决定了流域的旱涝情况,因而,大气水分循环对于流域水分循环起着至关重要的作用.长江上游,夏季水汽收支最高,其次为秋季和春季,冬季最少;而长江中下游地区最高出现在夏季,其次是春季和冬季,秋季最少.冬季,长江上游和中下游水汽收支都出现下降,其中上游下降显著,中下游未通过显著性检验;春季,上游和中下游水汽收支都下降显著,中下游下降趋势略高于上游地区.夏季,上游和中下游地区水汽收支都出现增加,中下游地区增加显著,而上游只有微弱增加;秋季,水汽收支都出现下降,而且下降显著,长江中下游地区下降幅度超过上游地区(图1).长江上游和中下游地区年水汽收支都出现下降,上游水汽收支下降显著,中下游地区水汽收支也出现下降,但未通过显著性检验.图11961-2005年长江上游和中下游水汽收支的线性趋势(虚线表示通过95%的显著性检验)Fig.1LineartrendsofwatervaporbudgetintheYangtzeRiverbasin(thedashlinesdenotethe95%significancelevel)2.2长江流域水汽边界输送与水汽收支长江流