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通讯作者:

王爱慧,E-mail:wangaihui@mail.iap.ac.cn

引用:王爱慧,缪月,陈玥,2020.1961—2016年中国西北地区陆地水分收支的年代际变化特征[J].大气科学学报,43(6):953-966.

Quote:Wang A H,Miao Y,Chen Y,2020.Interdecadal variation of land water budget in Northwest China from 1961 to 2016[J].Trans Atmos Sci,43(6):953-966.

目录contents

    摘要

    利用观测气象数据集(CN05.1)、地表水文数据集(VIC-CN05.1)以及大气再分析数据(JRA55)分析了我国西北地区1961—2016年暖季(5—9月)陆地水分收支的长期和年代际变化特征。通过对陆地水分收支(Land Water Availability,LWA)时间序列作Mann-Kendall突变检验,将1961—2016年划分为3个时段进行进一步分析(P1:1961—1978年;P2:1979—2008年;P3:2009—2016年)。主要结论如下:在1961—2016年间西北地区LWA呈上升趋势,区域平均的LWA时间序列具有明显的年代际特征。三个时段的LWA距平百分率分别为-5.45%、-0.46%和13.99%,总体表现为“减少-不变-增加”的特征,尤其是近些年地表水资源增加明显。三个时段的LWA距平百分率空间分布差异显著,尤其在新疆中部、甘肃东部和陕西。西北地区总体上水汽通量输送和垂直速度与降水年代际变化特征基本一致,且区域特征明显。西北地区蒸发受降水、向下长波辐射通量和风速变化影响显著。

    Abstract

    In recent decades,the “warming and wetting” in Northwest China has become the consensus of the scientific community,and much research has been conducted regarding water and heat transport between land and atmosphere.Station observations show that the annual precipitation has been increasing since the early 1980s under the land surface warming background.As a notable arid-semiarid regions,the social and economic developments in Northwest China is strongly dependent on water resources.The land water availability (LWA),which is the residual of precipitation and evaporation,typically denotes natural water resources.However,the long-term characteristics and decadal variability of LWA in Northwest China are not clear,due to the lack of a reliable and long-term evaporation dataset.In our previous work,a long-term 0.25 deg daily land surface hydrological and fluxes dataset (referred as to VIC-CN05.1) was developed,and has provided a high quality evaporation dataset for exploring LWA variability.In the present study,we analyze the long-term and decadal characteristics of the land water budget in the northwestern region during the1961—2016 warm season (May-September).The station observational meteorology dataset (CN05.1) VIC-CN05.1 and atmospheric reanalysis (JRA55) are used.The Mann-Kendal mutation test is adopted to test the LWA time series,and two abrupt change points in 1979 and 2008 are detected.Next,the studied period is divided into three sub-periods (P1:1961-1978;P2:1979-2008;P3:2009-2016) for further analysis.The main conclusions of the study are as follows:From 1961 to 2016,the LWA in the Northwest China warm season shows an upward tendency.The regional mean LWA time series exhibits obvious decadal characteristics,and the LWA anomaly percentage in the three periods are -5.45%,-0.46% and 13.99%,respectively,showing a general characteristic of “decreasing-invariable-increasing”.The spatial distributions of the LWA change are significantly different in the three periods,particularly in central Xinjiang,eastern Gansu and Shaanxi Provinces.Sufficient water vapor and rising motion are the necessary conditions for precipitation,and the atmospheric circulation has a major influence on precipitation change in Northwest China.The changes in water vapor flux transport and vertical velocity in Northwest China are basically consistent with the decadal variation characteristics of precipitation overall,with obvious regional difference distribution characteristics.Evaporation in Northwest China is closely related to near-surface meteorological elements,and is mainly affected by precipitation,downward longwave radiation and wind speed.It should be noted that we treat the Northwest China region as a whole,although this region exhibits a high degree of LWA spatially heterogeneity.In the future,it is necessary to analyze the LWA change in different sub-regions.Moreover,the effects of land use change and human activities on water resources must also be considered.

  • 陆地水分收支LWA(Land Water Availability,简称LWA)是实际降水与蒸发之差。在水量平衡方程中LWA=Pr-ET=RoTWS,其中:Ro为总产流;ΔTWS是地表水储量的变化。从长期(30 a以上)来说,ΔTWS可忽略不计,则TWS=Ro。而在年际尺度上,ΔTWS主要由土壤湿度的变化引起。LWA变化反映了气候变化背景下的陆地水资源多寡,与地表水储量、土壤水、地下水、湖泊等的变化有紧密联系。Peng and Zhou(2017)指出中国西北50%以上增加的降水是由地面蒸发引起的。徐栋等(2016)基于NCEP再分析数据研究发现,中国西北地区1961—2010年降水的增加主要是由蒸发增大和水汽辐合增强引起,外部水汽输送变化虽然也会影响降水但贡献较小。Yang et al.(2016)研究表明西北东部(黄土高原)1980—2000年的蒸发呈下降趋势,主要由降水和大气湿度减小引起。

  • 中国西北地区地处欧亚大陆的内陆地区,地理环境复杂,生态种类繁多,以温带大陆性气候为主,东部受东亚季风的影响,主要特征为少雨、日照强、蒸发大、气温日较差大。水资源短缺是制约西北地区经济发展的主要因素,该地区约占国土面积的30%,然而水资源占比不足全国5%(程国栋和王根绪,2006)。作为世界八大半永久性干旱半干旱区之一的中蒙干旱区的中心(Hulme and Marsh,1990),我国西北地区约82%的范围内多年平均雨量不到500 mm(钱正安等,2011),是典型的干旱半干旱区。西北地区是古丝绸之路的重要通道,具有很高的政治和经济地位。系统开展该地区气候、水文时空变化研究,深入了解其变化特征规律,可为该地区应对气候变化、合理的农业和水资源规划政策提供科学支撑和意见指导,也是当前“丝绸之路经济带”建设和发展的迫切需要。

  • 21 世纪初,施雅风院士关注到了西北黄河以西区域降水自1987年以来逐渐波动增加的气候变化信号,并提出了我国西北气候从“暖干”向“暖湿”转型的科学判断(施雅风等,2002)。在过去30多年间,在全球气候变暖的大背景下,西北地区气候温度升高,且区域趋势远超全球水平,降水总量增大,湖泊河流水量加大,地下水位抬升,“暖湿化”信号显著。针对此现象,我国科学家利用各种观测数据和模式模拟结果开展了多方面研究,取得一系列研究成果,并在媒体和科学杂志上进行了报道(刘毅,2019)。林婧婧和张强(2016)利用西北地区200个站点观测资料分析得到该地区1961—2018年平均气温趋势为0.33℃/(10 a),而降水从20世纪80年代中期以来呈现明显增加趋势(赵庆云等,2006)。Yang et al.(2017)分析了西北地区96个气象站点在1960—2013年观测的降水资料后指出,区域平均的年降水增加趋势为0.55 mm/a,而不同地区及不同季节降水变化差别较大,并指出从80年代中期开始降水增加较前期明显。Wen et al.(2017)分析甘肃29个气象站点观测降水和温度1951—2015年变化后发现,所有站点气温从70年代末期呈现显著的上升趋势,降水在甘肃西部增加,而在东部减小。因此,西北地区气候变化总体呈现出“暖湿化”特征,但又有明显的区域特征。

  • 通过分析各种观测数据、大气再分析数据及数值模式模拟结果,发现造成西北地区气候“暖湿化”的原因很多。有研究指出,20世纪80年代以来,在自然变率和人类活动作用下,西风带环流有加强趋势,更多的水汽从东部洋面输送到西北地区,增加了降水形成概率(俞亚勋等,2003;王可丽等,2005;张强,2020)。在全球变暖背景下,气温升高在海拔较高的地方相对于平原地区较显著(You et al.,2008),而西北地区除新疆塔里木盆地外,整体海拔较高,因此增暖趋势显著强于同纬度平原地区。山区,尤其是有冰川积雪地区,气温升高会导致冰川和积雪融化加快,引起径流增加,同时也为蒸发提供了充足的水源。而蒸发水汽进入大气,加大了大气比湿,使得可降水量增加,这是一个正反馈的过程。与此同时,温度升高也会使得大气达到饱和所需水量(潜在蒸发)增加,空气难以饱和,从这一角度来考虑,降水应更难形成。但是,实际上降水却是增加的,这就表明,西北地区大气平流及局地蒸发对大气可降水量的贡献,超过了满足潜在蒸发增加所需水量。

  • 西北“暖湿化”已成为科学界的共识,主要表现为降水、蒸发和径流的增加。那么,LWA的变化又如何呢?其变化的主要原因又是什么?回答上述问题将有助于加深对西北地区水循环变化的理解。目前,关于LWA的研究相对较少,主要原因是缺乏可靠的蒸发、土壤湿度、径流的观测资料。西北地区地形复杂,气象站点分布稀疏且空间代表性差,给水文气象研究带来了很大的不确定性(杨大文等,2018)。在基于观测的大气强迫数据和土壤数据的驱动下,先进的陆面水文模式可以模拟产生一系列高质量、时空连续的地表水文变量(Miao and Wang,2020a),可为西北地区LWA的研究提供数据支撑。因此,本文将利用基于站点观测的气象数据集、陆面水文模式模拟的地表水文数据集以及大气再分析数据研究西北地区1961—2016年暖季LWA的变化特征并分析其可能原因。

  • 因此,本文将高质量加密站点观测的气象水文数据与先进的水文模式模拟结果结合起来,研究LWA长期和年代际变化特征,着重对比“暖湿化”前后时段的LWA。

  • 1 研究区域、数据和方法

  • 1.1 研究区域

  • 本研究关注区域为我国西北地区(图1),包括陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区以及新疆维吾尔自治区,面积304.56万平方公里,7 048万多人。该地区平均海拔为2 458.20 m,其中最高海拔地区位于7 228 m,最低地区为-156 m,位于塔里木盆地。西北地区下垫面复杂,包括盆地、沙漠、戈壁、农田和森林等,如有河西走廊的沙漠绿洲,又有祁连山、天山常年积雪山脉,东部位于东亚季风边缘地区,而中、西部为内陆地区,西北年平均降水量为255.91 mm,季节变化明显,其中暖季节(5—9月)降水量占全年总降水量的78%。

  • 1.2 数据

  • 本文采用了基于站点观测构建的格点化气象数据集(CN05.1)、陆面水文模式模拟的地表水文数据集(VIC-CN05.1)以及大气再分析数据(JRA55)。其中,降水(Pr)、平均气温、风速和相对湿度来自1961—2016年0.25°×0.25°中国区域逐日观测数据集(CN05.1)。CN05.1是基于中国2 400多个气象台站的逐日观测资料插值而成的(吴佳和高学杰,2013),现已广泛应用于评估气候模式、分析气候变化和驱动陆面模式等(Miao and Wang,2020a)。而蒸散发(ET)、土壤湿度(0~10 cm)、入射长/短波辐射则来自一套格点化(0.25°×0.25°)的1961—2016年逐日地表水文数据集(VIC-CN05.1)。Miao and Wang(2020a)利用CN05.1气象数据和高精度土壤数据集驱动陆面水文模式VIC4.2.d(Variable Infiltration Capacity)模拟构建了VIC-CN05.1并采用多源数据集进行评估,结果表明该数据集较好的重现蒸散发、径流和土壤湿度等地表水文变量的时空分布(Miao and Wang,2020b)。

  • 图1 西北五省及其海拔高度(单位:m)

  • Fig.1 Elevation of Northwest China(unit:m)

  • 大气再分析产品是将多要素观测通过数据同化方法融入气候数值模式后产生的时空连续气候要素及大气环流场数据集。日本气象厅提供1958年开始到现在的全球1.25°×1.25°的大气再分析资料(JRA55,Kobayashi and Iwasaki,2015),能较好描述中国西北地区降水特征(Peng and Zhou,2017)。本文使用JRA55产品中的大气水汽通量和垂直速度来描述西北地区大气环流。

  • 1.3 研究方法

  • 利用Mann-Kendall(M-K)非参数统计检测方法对1961—2016年西北地区区域平均的LWA时间序列进行突变检验(魏凤英,2007)。其中,UFk和UBk分别代表时间序列正序和逆序计算出的统计量。UFk为正时,序列呈上升趋势,反之则为下降趋势。而UFk和UBk两条曲线在置信区间内(通常给定p=0-05)的交点则为突变点。

  • 由于西北地区的降水和蒸发具有明显的季节变化,暖季的降水和蒸发均约占全年总量的80%左右,所以本文着重研究西北地区暖季的水循环特征。后文中的年平均皆为每年5—9月的平均值,区域平均皆为面积加权平均值,距平则是相对于1961—2016年多年平均值而言,年代际时间序列用9 a滑动平均值来表示。

  • 2 西北地区陆地水分收支(LWA)变化特征

  • 2.1 西北地区陆地水分收支(LWA)长期变化特征

  • 图2给出了1961—2016年西北地区暖季LWA、降水和蒸发的多年平均值、年际变率和线性趋势的空间分布。降水和蒸发对地形有一定的依赖性,如塔里木盆地的降水和蒸发较小(图1、2)。西北暖季平均降水为1.32 mm/d,空间差异大。东南部受东亚夏季风影响,暖季年平均降水超过459 mm,而西部地区暖季年平均降水不足100 mm(图2d)。西北地区大气水汽含量低,空气干燥,日照时间长,潜在蒸发大(Xie and Wang,2020)。西北暖季平均蒸发为1.05 mm/d,空间分布与降水相似(图2g)。西北暖季平均LWA为0.26 mm/d,大部分地区暖季平均值在0~0.5 mm/d之间。LWA在新疆西北部为负值,表明该区域的蒸发大于降水,地表净水量处于亏缺状态。用变异系数CV(标准差/均值)表示LWA、降水和蒸发的年际变率。降水和蒸发暖季CV的空间分布一致,区域平均值分别为0.24和0.21,塔里木盆地的CV略高于其他地区(图2e和2h)。西北的LWA年际变化明显,区域平均CV(0.64)高于降水和蒸发(图2b)。

  • 1961—2016年西北暖季LWA、降水和蒸发整体呈增加趋势(图2c、2f和2i),降水的上升幅度(1.03 mm/a)大于蒸发(0.84 mm/a)。降水和蒸发趋势的空间分布相似,新疆西北部和甘肃东部的趋势为负值,其他地方为正值,尤其是青海东北部(超过3 mm/a)。而暖季LWA的区域平均趋势为0.22 mm/a,仅在新疆西部和青海北部增加趋势显著。综上所述,自20世纪60年代以来,西北地区LWA为正,年际变率较大,地表净水量整体呈增加趋势,区域差异明显。

  • 图2 1961—2016年西北暖季(5—9月)陆地水分收支(a、b、c)、降水(d、e、f)和蒸发(g、h、i)的统计量:(a,d,g)均值(单位:mm/d)(打点区域的趋势通过了95%的显著性检验,右上角为面积加权的区域平均值);(b,e,h)年际变异系数(CV,标准差/均值);(c,f,i)线性趋势(单位:mm/a)

  • Fig.2 Statistical metrics for(a,b,c)LWA,(d,e,f)Pr,and(g,h,i)ET in warm months(May-September) during1961—2016 in Northwest China.(a,d,g)The first column is the climatological mean values(mm/d),(b,e,h)the second column is the coefficients of variation(CV) of annual time series,and(c,f,i)the third column is the long-term linear trends(mm/a).The black dots indicate the corresponding trends passing the significant level(p=0.05) testing,and the values in the right corner represent the areaweighted mean metrics

  • 2.2 西北地区陆地水分收支(LWA)年代际变化特征

  • 本文将西北地区看作一个整体,图3展现了1961—2016年暖季LWA、降水和蒸发的距平序列。三者的年际变化相似,标准差分别为0.11、0.07和0.06 mm/d。20世纪60、70年代的LWA主要为负距平,2000年以后大多为正距平,而中间时段正负距平交错出现。进一步,利用M-K非参数检验法对1961—2016年西北暖季LWA序列进行突变检验,突变点分别出现在1979和2009年(图4a)。鉴于此,本文将1961—2016年划分为三个时段:1961—1978年(P1,18 a)、1979—2008年(P2,30 a)和2009—2016年(P3,8 a),然后对各时段分别进行对比分析讨论。图4b分别为LWA、降水和蒸发在三个时段的距平百分率。P1时段的距平百分率均为负值,从-5.45%(LWA)到-4.43%(蒸发),表明该时段的LWA、降水和蒸发均小于1961—2016年的气候态;P2时段的距平百分率接近于0,分别为-0.46%(LWA)、0.06%(降水)和1.06%(蒸发);而P3时段的距平百分率均为正值,从5.98%(蒸发)到13.99%(LWA),意味着近些年来西北地区LWA相对于气候态增加明显。总体上说,三个时段的降水、蒸发和LWA的距平百分率平均值均表现为“减少-不变-增加”的变化特征。

  • 图3 1961—2016年西北暖季(5—9月)区域平均降水(Pr)、蒸发(ET)和陆地水分收支(LWA)的距平值(单位:mm/d)

  • Fig.3 Annual time series of Pr,ET,and LWA anomalies(mm/d) in warm months(May-September) during1961—2016 in Northwest China

  • 图4 (a)1961—2016年西北地区暖季陆地水分收支(LWA)的Mann-Kendall突变检验(红色虚线为p=0.05水平临界值;突变年份分别为1979和2009年);(b)西北地区暖季陆地水分收支(LWA)、降水(Pr)和蒸发(ET)在三个时间段(P1、P2和P3)的距平百分率(距平/气候态,%)

  • Fig.4 (a)Mann-Kendall test for annual LWA in warm months during1961—2016 in Northwest China(the red dotted lines indicate significance level of p=0.05;two abrupt changes are shown to occur in 1979 and 2009,respectively);(b)Percentage of LWA,Pr,and ET anomalies during three periods(%)

  • 三个时间段LWA的距平百分率的空间分布差异明显(图5)。P1时段内,除了甘肃东部、宁夏、陕西和新疆部分地区外,LWA距平百分率在大部分地区为负值(面积占比为77%),距平百分率绝对值在新疆西北部相对较大。P2时段内,LWA距平百分率在-25%~25%(正负距平面积各占一半),正值主要出现在新疆中东部、青海西部、甘肃西部和陕西南部。而P3时段的距平百分率明显大于P1和P2时段,负值主要出现在新疆中部、青海西南部、宁夏和甘肃东部(面积占比为35%);且青海省北部、甘肃省南部以及新疆西南部LWA的年代际变化超过了年际变化(|距平|> 标准差)。上述结果表明,近些年(P3时段),西北地区LWA显著上升,地表湿化明显,水资源增加。与LWA相比,三个时段降水和蒸发的距平百分率空间分布特征与其相似,但量值略小。在P1时段,大部分地区降水和蒸发为负距平,面积占比分别为92%和89%,量值在-25%~0;在P2时段,降水和蒸发的距平百分率在-10%~10%之间,其中正距平的面积占比分别为68%和74%,主要分布在西北中西部;在P3时段,也是正距平面积占比较多,分别为73%和75%,但量值远大于P2时段,且正、负距平分布区域与P2时段大致相反。

  • 3 西北地区陆地水分收支(LWA)年代际变化可能原因

  • 一个地区大气中水汽变化主要取决于局地地表蒸发和大气平流带来的区域外的水汽,而大气整层水汽通量的变化通常是与该地区降水变化是一致的。西北地区大气水汽源地主要是来自孟加拉湾、南海和热带太平洋北上的水汽输送(申红艳等,2017)。张庆云等(2007)研究表明新疆地区夏季降水年代际变化与大气内部动力过程和中纬度西风带扰动动能年代际变化有关,且与后者关系更密切。

  • 图5 西北地区暖季陆地水分收支(a、d、g)、降水(b、e、h)和蒸发(c、f、i)在三个时间段(P1(a、b、c)、P2(d、e、f)和P3(g、h、i))距平百分率的空间分布(单位:%;右上角数值代表正/负距平的面积占比;打点区域距平的绝对值超过了1961—2016年的年际变率)

  • Fig.5 Spatial patterns of percentage of(a,d,g)LWA,(b,e,h)Pr,and(c,f,i)ET anomaly(unit:%) during three periods((a,b,c)P1,(d,e,f)P2 and(g,h,i)P3) in Northwest China.The values in the right corner represent area fractions of positive(+sign) and negative(-sign) anomalies,respectively.The black dots indicate that the corresponding absolute anomalies are higher than the standard deviation of annual LWA during1961—2016

  • 3.1 大气水汽通量的年代际变化特征

  • 俞亚勋等(2003)指出,西北地区的水汽主要分布在西北地区东部和西部的天山北部及塔里木河流域,中部水汽相对较少。夏季西风气流中的水汽输送到青藏高原,在地形作用下分流为南北两支,使得西北地区水汽输送分布形势呈现“一高一中夹一低”的东西向带状分布(王可丽等,2005)。李江林等(2012)基于NCEP再分析资料分析了西北地区1990—2000年间水汽通量时空变化特征后指出,大气整层水汽变化与降水变化一致,西风带扰动是造成水汽输送变化的主要原因。为了探究西北地区LWA年代际变化特征,首先分析了水汽输送在不同时段的变化特征。图6给出了三个时段暖季平均的整层水汽通量矢量距平,可以发现三个时段水汽通量距平存在明显差异。P1时段,西北地区水汽输送通量距平以负值为主,尤其是从新疆南部到西藏西部一带出现明显偏东风水汽输送,而在青海及甘肃东部一带水汽则从西北地区向东部方向输送,这种环流形势阻碍了外部水汽进入西北地区。在P2时段,西北范围内水汽通量输送呈现微弱的负距平,来自西伯利亚来的干燥偏北气流也不利于水汽向西北输送。P3阶段内,在西南风气流主导下整个西北地区水汽通量距平为正,来自印度洋的大量水汽在偏西风作用下经阿拉伯半岛东南部从新疆东南部进入西北地区,同时有自孟加拉湾经青藏高原东南部进入青海南部的水汽和自大西洋经华北进入西北东部的水汽作为补充。上述结果很好体现出了西北地区大气水汽含量的年代际变化特征。对比图5和图6可知,西北地区总体上降水的年代际变化特征与整层大气水汽通量变化一致。何金海等(2005)指出,西北地区夏季降水多寡年降水空间分布与对应水汽输送距平场基本一致,这一结论支持了本研究的结果。

  • 3.2 大气垂直速度的年代际变化特征

  • 降水产生必要条件之一为存在上升运动,为此本研究也分析了大气垂直速度(单位:Pa·s-1)的变化特征。图7给出了三个时段内沿70°~115°E经度带平均大气垂直速度距平值的沿纬度和气压层的分布,其中,负(正)异常表明上升运动相比较气候态增强(减弱),也意味着可能产生降水的条件增强(减弱)。在P1时段,西北中部以40°N为中心为负距平,随着气压降低距平值逐渐减小,此阶段垂直运动有利于降水增强。而以35°N为中心青藏高原北部和45°N左右的新疆北部附近是明显正距平,且正距平一直从大气底层持续到200 hPa层,在700 hPa以上逐渐向东扩展到整个西北区域,该下沉运动不利于相应区域内的降水的产生。在P2时段,在整个西北区域垂直速度基本为弱正距平,不利于降水形成。与P1阶段相反,西北地区南部和北部对流层中低层出现异常上升运动,是该时段降水微弱正距平(图2b,图5e)原因之一。在P3时段,在40°~45°N近地面附近出现一个正距平中心,表明下沉运动剧烈,而在35°N附件出现上升运动中心,且在对流层中上层逐渐向南范围扩大。此时段内除西北地区中部;40°N附近有小范围的下沉运动外,垂直运动异常分布均有利于降水形成。与前两个时段相比,垂直速度距平分布在P3时段与P1时段符号相反,与P2时段分布相似,但量值要大得多。

  • 图6 P1(1961—1978年;a)、P2(1979—2008年;b)和P3(2009—2016年;c)时段内西北地区暖季(5—9月)平均的整层水汽通量矢量距平(单位:kg·m-1·s-1;其中阴影表示量级,箭头表示方向)

  • Fig.6 The vector anomaly of mean integral water vapor flux(units:kg·m-1·s-1) in the warm season(May-September) during(a)P1(1961—1978),(b)P2(1979—2008) and(c)P3(2009—2016)(the shadded indicates the magnitude,and the arrow is the direction)

  • 图7 P1(1961—1978年;a)、P2(1979—2008年;b)和P3(2009—2016年;c)时段内暖季(5—9月)沿70°~115°E经度带平均垂直速度的距平随气压的分布(单位:Pa·s-1;灰色阴影去除掉了平均地形)

  • Fig.7 The mean vertical velocity anomaly along70°—115 °E longtitudal belt in the warm season(May-September) during(a)P1(1961—1978),(b)P2(1979—2008) and(c)P3(2009—2016)(units:Pa·s-1;the average terrestial elevation is marked in gray)

  • 前面分析发现西北地区在P1和P3时段,降水和水汽通量距平符号截然相反,为了更清晰表示这一特征,图8计算了P3和P1时段整层水汽通量差值和垂直速度差值。由图8可知,与P1时段相比,P3时段内西北南部和新疆北部两个东西带状地区的水汽输送明显增强。P3时段来自孟加拉湾的西南气流相对于P1时段显著增强,到达高原后分为南北两支,北支沿高原西北侧绕流的偏西风将水汽正异常输送到新疆南部。南支爬升到高原南坡后沿偏南风将水汽正异常向青海和甘肃南部输送。南亚夏季风的变化通过环流结构调整影响西风带的波动,进而影响西风带对中国西北地区的水汽输送,而西风的年际变化对西北地区的风场辐合辐散的影响是我国西北地区水汽输送变化的主要原因(俞亚勋等,2003;王可丽等,2005)。从垂直速度的差异来看,P3时段内水汽输送增强的两个带状区域内上升运动增强,有利于产生降水。而45°N附近塔里木盆地上空在西风减弱,水汽输送减弱,且下沉运动明显增强,不利于降水的产生。

  • 3.3 降水和蒸发与其他近地面气象要素的关系

  • 近地面气象要素变化影响地表水热过程,而地表通过蒸发反馈改变大气热量和水汽含量。蒸发由土壤表面蒸发、植被叶面截留蒸发和植被根系层的蒸腾作用三部分组成。一个地区的实际蒸发量取决于供水条件和能量大小。陆-气能量平衡是指地表的净辐射通量(短波和长波)与感热、潜热和土壤热通量之间的平衡,因此蒸发所需能量取决于净辐射通量。蒸发所需要的水分,一部分来自植物叶面截留的降水,与植被种类和叶面积指数有关,另一部分来自土壤水。西北大部分地区植被稀少,土壤水是蒸发的主要来源。张强等(2018)研究指出我国北方蒸散发的增温倾向率随气候类型的变化而变化,蒸发在湿润区随温度升高而增加,在干旱区则相反,而在干湿过渡带两者的关系复杂。近几十年来,中国近地面风速呈减小趋势且被认为是蒸发皿蒸发下降的主要原因(Guo et al.,2011;祁添垚等,2015;谢睿恒等,2020)。蒸发的水分改变近地面大气中水汽含量,从而在一定程度上也能影响未来降水(徐栋等,2016;Peng and Zhou,2017)。因此,为了研究LWA年代际变化的原因,分别计算了降水和蒸发与关键近地面气象要素(温度、相对湿度、风速、入射长波/短波辐射通量以及1~10 cm土壤湿度)在年代际和年际尺度上的相关系数,同时计算了各要素在P3与P1时段的差值及长期趋势(表1,2)。如前1.3所述,首先将各要素时间序列做9 a滑动平均,以此来表示年代际变化,然后再计算其年代际相关系数。

  • 图8 整层大气水平水汽通量(a;单位:kg·m-1·s-1)和沿70°~115°E经度带平均的垂直速度在P3(2009—2016年)与P1(1961—1978年)时段的差值(b;单位:kg·m-1·s-1)

  • Fig.8 Differences of the(a)integral of horizontal water vapor flux(units:kg·m-1·s-1) and(b)vertical velocity(units:kg·m-1·s-1) along70°—115 °E belt between P3(2009—2016) and P1(1961—1978)

  • 表1 1961—2016年西北暖季大气要素在P3与P1时段的差值、线性趋势

  • Table1 Stastistics of meteorological variables:magnitude differences between P3 and P1 periods,linear trends during 1961—2016 in Northwest China

  • 注:入射长/短波辐射均向下为正;1)表示相应统计量通过了p=0.05的显著性检验.

  • 从表1,2可以看出,1961—2016年间,西北暖季降水增加(1.03 mm/a)、蒸发增加(0.79 mm/a)、气温升高(0.02℃/a)、0~10 cm土壤变湿(0.01 mm3/mm3/a)、入射长波辐射增加(0.19 W/m2/a),而入射短波辐射通量(-0.07 W/m2/a)、风速(-0.01m/s/a)和相对湿度(-0.01%/a)则减小。在年际尺度上,除了风速和入射短波辐射,蒸发和降水与其他气象要素的相关系数均为正值。其中,除了与温度相关系数较小,降水与风速相关系数为-0.25且不显著性外,其余相关系数均通过显著性检验。上述结果与前人研究一致,干旱区辐射大,能量充足,水分是蒸发的主要限制因素(Seneviratne et al.,2010)。对年代际时间序列而言,蒸发与风速和入射短波辐射为显著负相关,相关系数均为-0.79,而与其他气象要素相关均为正值,其中与降水(0.86)、温度(0.69)、入射长波辐射(0.78)、0~10 cm土壤湿度(0.90),均通过α=0.05显著性检验,但蒸发与相对湿度相关较小且不显著(0.08);与蒸发类似,降水与风速也呈反向变化,与温度(0.54)、0~10 cm土壤湿度(0.78)和入射长波辐射(0.62)显著正相关。但与蒸发变化不同的是,降水与相对湿度呈现出显著的负相关关系(-0.29)。与此同时,相对P1时段,P3时段的温度增加了0.95℃,风速减小了-0.51 m/s,入射长波辐射增加7.65 W/m2,入射短波辐射减小了1.87 W/m2,0~10 cm土壤湿度增加了0.01 mm3/mm3,除了入射短波辐射,其他要素在P3和P1时段的差值均通过α=0.05显著性检验。这些变量的年代际变化一定程度上解释了三个时段降水、蒸发和LWA的“减小-不变-增加”的变化特征,即近些年来,西北降水和蒸发以及LWA的增加是多气象要素共同作用的结果。其中降水增加、入射长波辐射通量增加、温度升高以及风速减小是蒸发正异常的主要原因,而增加的蒸发进一步促使了降水的发生。总体上,降水增加量超过蒸发量,使得LWA在近些年呈现出正异常。

  • 表2 1961—2016年西北暖降水和蒸发与其他气象要素年际距平和年代际序列的相关系数

  • Table2 Stastistics of meteorological variables:their correlation coefficents with precipitation evporation during 1961—2016 in Northwest China

  • 注:入射长/短波辐射均向下为正;1)表示相应统计量通过了p=0.05的显著性检验.

  • 4 结论与讨论

  • 本文利用基于站点观测的气象数据集(CN05.1)、陆面水文模式模拟的地表水文数据集(VIC-CN05.1)以及大气再分析数据(JRA55)分析了西北地区1961—2016年暖季(5—9月)陆地水分收支(LWA=Pr-ET)的长期和年代际特征。并采用Mann-Kendall非参数统计检测法对LWA时间序列进行突变检验,将1961—2016划分为三个时段(P1:1961—1978年;P2:1979—2008年;P3:2009—2016年)。随后,研究了三个时段LWA、降水和蒸发的时空分布,并通过分析大气水汽通量和垂直速度来解释降水的年代际特征。最后,研究分析了蒸发与近地面气象要素场的关系。主要结论如下:

  • 1) 1961—2016年西北暖季降水和蒸发都呈增加趋势,但降水趋势大于蒸发,使得LWA的趋势也为正值。区域平均的LWA时间序列具有明显的年代际特征。三个时段的LWA距平百分率分别为-5.45%、-0.46%和13.99%,总体表现为“减少-不变-增加”的特征。三个时段的LWA距平百分率空间分布差异明显,尤其在新疆中部、甘肃省东部和陕西省。

  • 2) 通过分析三个时段大气整层水汽通量和大气垂直速度变化后发现,西北地区总体上水汽通量输送与降水变化基本一致,但区域分布特征明显,自孟加拉湾、南海和热带太平洋至西北地区的水汽输送都存在年代际变化特征。P3时段与P1时段相比,输入西北上空的水汽通量显著增加,引起该地区可降水量的增加。大气上升运动是产生降水的必要条件之一,西北上空大气垂直速度也表现出年代际变化特征,尤其是在对流层中上层,其中P3时段相对于P1时段,在35°N左右出现垂直上升的正异常,而40°N附近地区则出现异常下沉,使得P3时段更有利于降水的形成。

  • 3)蒸发与近地面气象要素关系密切。1961—2016年西北蒸发、降水、气温、入射长波辐射以及0~10 cm土壤湿度呈上升趋势,而近地面风、相对湿度和入射短波辐射呈下降趋势。在年代际尺度上,蒸发与降水、气温、土壤湿度、入射长波辐射呈显著正相关,而与风速和入射短波辐射呈显著负相关。在年际尺度上,除了以上关系外,蒸发还与相对湿度呈显著正相关。前人研究结果也表明,西北蒸发增加的主要原因是降水和大气向下长波辐射通量增加以及风速和入射短波辐射呈减小,其中水分是限制蒸发主要因子,西北气象条件和地理环境差别大,降水、蒸发以及LWA空间差异明显(Peng and Zhou,2017)。西北东南部受东亚季风影响,降水较多且年际变率大(李栋梁和彭素琴,1992;Wang et al.,2017)。而西北中部受灌溉形成的沙漠绿洲影响,暖季蒸发大(赵文智和常学礼,2014)。

  • 本文将西北当作一个整体分析,忽略了西北的区域差异性且未考虑植树造林、地下水开采和灌溉等人类活动的影响(Changnon and Semonin,1979)。因此,将来研究西北地区地表水资源变化,需要考虑区域尺度差异和人类活动的作用。

  • 参考文献

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