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中國(guó)三江源地區(qū)降水研究的進(jìn)展與展望

2022-10-22 12:12姚秀萍謝啟玉黃逸飛
大氣科學(xué)學(xué)報(bào) 2022年5期
關(guān)鍵詞:降水量三江水汽

姚秀萍,謝啟玉,黃逸飛

① 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081;② 青海省西寧市氣象臺(tái),青海 西寧 810016;③ 中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081

三江源地區(qū)通常指89°~103°E、31°~37°N范圍內(nèi)的區(qū)域,地處青海省南部,青藏高原腹地,是生態(tài)環(huán)境脆弱的典型區(qū)域,該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境與氣候變化對(duì)中國(guó)淡水資源的影響至關(guān)重要,也直接影響著高原甚至下游地區(qū)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(王根緒等,2001;李林等,2004)。此外,以三江源為代表的青藏高原陸地地表格局要素的變化也對(duì)中國(guó)區(qū)域氣候存在影響(丁鋒等,2009;張超等,2018)。

三江源地區(qū)包括三個(gè)子源區(qū),分別是位于西部的長(zhǎng)江源區(qū)、東部的黃河源區(qū)以及西南部的瀾滄江源區(qū)(圖1),是中華民族的母親河黃河、長(zhǎng)江以及國(guó)際河流瀾滄江-湄公河的發(fā)源地,冰川融化源源不斷地提供淡水資源,享有“中華水塔”的美譽(yù)。青藏高原特殊的地形和豐富的水資源共同構(gòu)成三江源“中華水塔”的重要背景,對(duì)青藏高原能量-水分循環(huán)的研究,特別是對(duì)其蒸散的研究是三江源地區(qū)水循環(huán)研究?jī)?nèi)容的重要組成部分,在氣候預(yù)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警和水資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面具有重大意義。

圖1 三江源地區(qū)地理位置及地形(強(qiáng)安豐等,2020a)Fig.1 Geographical position and topography of the Three-River-Source Region (Qiang et al.,2020a)

隨著全球氣候變暖,三江源地區(qū)的氣候也發(fā)生了變化。2005年之前氣候出現(xiàn)“暖干化”現(xiàn)象(胡良溫等,2007),同時(shí)與人為因素相疊置,使得三江源地區(qū)冰川萎縮,高原湖泊和濕地的水源補(bǔ)給減少,造成草原退化和土地沙漠化,對(duì)三江源及其下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響(廉麗姝等,2009;白曉蘭等,2017);而在2005年之后,隨著氣候變暖持續(xù)加劇,三江源地區(qū)冰川融水對(duì)徑流的補(bǔ)給增大,加之國(guó)家對(duì)三江源生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)水平不斷提高,先后成立三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和三江源國(guó)家公園,采取措施加大對(duì)三江源地區(qū)天氣氣候影響,如實(shí)施人工增雨雪(龔靜等,2020),三江源降水出現(xiàn)增加趨勢(shì)(姜永見(jiàn)等,2012;馬蓮等,2019),冰川融水對(duì)徑流的補(bǔ)給也增大(李林等,2012;姚檀棟等,2019),從而促進(jìn)了該地區(qū)的植被增長(zhǎng)(路云閣等,2010;蔣元春等,2020;朱寧等,2020),三江源地區(qū)氣候特征逐漸向“暖濕化”轉(zhuǎn)變(徐維新等,2012;靳錚等,2020)。

降水增加是氣候轉(zhuǎn)型和徑流增加最關(guān)鍵的途徑之一。張士鋒等(2011)指出,降水對(duì)三江源地區(qū)的徑流起正向的驅(qū)動(dòng)作用,徑流量的變化趨勢(shì)與降水是一致的。因此,深入研究三江源區(qū)降水的變化特征和成因,掌握三江源地區(qū)空中水資源分布和變化情況,并適時(shí)進(jìn)行人工影響天氣作業(yè),不僅可以增加該地區(qū)河流的徑流量,補(bǔ)充其水源,對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生直接影響,而且為下游社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障,甚至對(duì)全國(guó)氣候變化及生態(tài)平衡都會(huì)起到極其重要的作用。

本文在對(duì)近幾十年來(lái)三江源地區(qū)降水及與降水緊密聯(lián)系的空中云水資源的空間分布與時(shí)間變化特征、降水的大氣環(huán)流特征與成因、降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧與總結(jié),最后是降水相關(guān)研究的展望。

1 三江源地區(qū)降水的時(shí)空特征

1.1 空間分布特征

三江源地區(qū)平均海拔高度在4 000 m左右,降水的空間分布與海拔高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(強(qiáng)安豐等,2020a),降水量隨海拔高度的增加而減少,年平均降水量在空間上大致呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的分布特征(圖2),東部海拔較低而降水較多,降水最大值中心經(jīng)常出現(xiàn)在東南部,年平均降水量達(dá)到500 mm以上,西北部海拔最高而降水最少,年平均降水量在300 mm左右。三江源地區(qū)降水主要集中在6—9月,這幾個(gè)月的降水量可占到全年降水量的85%,表明三江源地區(qū)的降水具在季節(jié)性集中的特征,而且干濕季節(jié)非常明顯,夜雨量比例達(dá)65%(高順年等,2006;王菊英,2007;劉曉瓊等,2019)。三江源地區(qū)降水量大于等于10 mm的降水日數(shù)較少,以中等強(qiáng)度(小于10 mm)以下的降水日數(shù)為主(李侖格和孫安平,2004;李璠等,2016)。

圖2 三江源地區(qū)年平均降水量的空間分布(單位:mm;強(qiáng)安豐等,2020a)Fig.2 Spatial distribution of annual average precipitation in the Three-River-Source Region (units:mm;Qiang et al.,2020a)

對(duì)三個(gè)子源區(qū)降水特征的研究表明,瀾滄江源區(qū)受西南季風(fēng)的影響最為強(qiáng)烈,相較于其他兩個(gè)子源區(qū)而言屬相對(duì)多雨區(qū);其次為黃河源區(qū),區(qū)內(nèi)的久治縣為降水最穩(wěn)定區(qū);而長(zhǎng)江源區(qū)的平均海拔最高,降雨相對(duì)最少,但降水的增加率最高(劉曉瓊等,2019),主要是強(qiáng)降水的影響(李璠等,2016)。

綜上,三江源區(qū)降水大致呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的空間分布,具有季節(jié)性集中的特征。

1.2 時(shí)間演變特征

1.2.1 年際演變

近50年來(lái)三江源地區(qū)年降水量整體呈增加趨勢(shì),并伴隨一定的振蕩(Yi et al.,2013)。2005年是三江源地區(qū)氣候甚至生態(tài)系統(tǒng)明顯發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn):2005年之前三江源地區(qū)年降水量呈減少趨勢(shì),根據(jù)不同資料分析得出的減少率不同,大約在2.0~7.0 mm/(10 a)(唐紅玉等,2007;嚴(yán)異德和李林,2009);2005年之后三江源地區(qū)年降水量呈增加趨勢(shì),增長(zhǎng)率大致在7.0~10.0 mm/(10 a)(李珊珊等,2012;郭佩佩等,2013;魏永亮等,2015;強(qiáng)安豐等,2018)。各子源區(qū)降水量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中長(zhǎng)江源區(qū)和瀾滄江源區(qū)的年降水量增加趨勢(shì)比黃河源區(qū)更明顯(劉光生等,2010;周明園等,2020)。

三江源地區(qū)年降水日數(shù)在2005年也發(fā)生了突變,2005年之前呈現(xiàn)較為明顯的減少趨勢(shì),遞減率超過(guò)2.0 d/(10 a)(唐紅玉等,2007),夏季強(qiáng)降水的下降趨勢(shì)更顯著(Hu et al.,2012);2005年之后弱強(qiáng)度(小于0.72 mm/d)的降水日數(shù)呈下降趨勢(shì),其余強(qiáng)度的降水日數(shù)呈上升趨勢(shì)(李璠等,2016)。

總之,三江源地區(qū)年降水量和年降水日數(shù)均以2005年為突變點(diǎn),在2005年以前年降水量和年降水日數(shù)均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),2005年之后除年降水日數(shù)中的弱強(qiáng)度降水日數(shù)繼續(xù)下降,年降水量和其余降水日數(shù)表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。

1.2.2 年代際演變

三江源地區(qū)年降水量具有較明顯的年代際變化特征。自20世紀(jì)60年代起,年降水量總體呈波動(dòng)上升的趨勢(shì),2000年后年降水量迎來(lái)了一個(gè)顯著的上升期(李珊珊等,2012;李璠等,2016;劉曉瓊等,2019)。其中,20世紀(jì)60至70年代的年降水量偏少,80年代年降水量顯著偏多,90年代年降水量回落至均值以下,2000年后再次表現(xiàn)為顯著偏多的情況(李珊珊等,2012;丁生祥和郭連云,2015;劉曉瓊等,2019)。

對(duì)于三個(gè)子源區(qū)降水的年代際變化,高順年等(2006)利用SPSS劃分方法、陳芳等(2007)用統(tǒng)計(jì)方法、趙志平等(2017)用修正的Penman-Monteith模型和Thornthwaite方法分別進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:長(zhǎng)江源區(qū)降水在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)以來(lái)明顯偏多,而在1961—2004年之間呈明顯減少趨勢(shì);黃河源區(qū)的降水同樣僅在20世紀(jì)80年代表現(xiàn)為偏多的狀態(tài),且降水呈現(xiàn)出不顯著的下降趨勢(shì);瀾滄江源區(qū)的降水只在20世紀(jì)80年代中位于降水量均值以上,其余時(shí)段均表現(xiàn)為偏少的情況。

綜上,三江源地區(qū)的降水總體上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),自2000年以來(lái)三江源地區(qū)的降水顯著增加。不同子源區(qū)的演變趨勢(shì)不盡相同,表現(xiàn)為一定的空間差異性。

1.2.3 周期

三江源地區(qū)降水主要有2~8 a和13 a的年際周期,這與ENSO事件影響的2~7 a周期和太陽(yáng)黑子11 a周期密切相關(guān)(劉曉瓊等,2019)。三個(gè)子源區(qū)的周期特征較為復(fù)雜,不僅三個(gè)子源區(qū)之間存在周期特征的空間差異,各子源區(qū)內(nèi)部也存在多個(gè)顯著的降水周期(李珊珊等,2012)。其中,長(zhǎng)江源區(qū)的降水存在3 a、5 a和13 a的周期特征,并以13 a的周期最為顯著;黃河源區(qū)的降水同樣包含三個(gè)顯著周期,分別為6 a、13 a以及20 a,以6 a的周期最明顯;瀾滄江源區(qū)的降水則存在4個(gè)周期,分別為4 a、8 a、13 a以及20 a,而4 a的周期信號(hào)最強(qiáng)。但總體上,三個(gè)子源區(qū)的2~8 a和13 a年際周期都是明顯存在的。

可見(jiàn),三江源地區(qū)的降水周期與ENSO事件和太陽(yáng)活動(dòng)影響周期密切相關(guān),其三個(gè)子源區(qū)的周期表現(xiàn)出一定的空間差異性。

2 三江源地區(qū)云水資源特征

2.1 云資源分布特征

三江源地區(qū)云量的高值區(qū)處于31°~34°N,這與降水量高值區(qū)的位置范圍是一致的??傇屏?、低云量均以長(zhǎng)江源區(qū)為高值中心,圍繞中心分別沿西北和東北向部地區(qū)伸展(強(qiáng)安豐等,2020a)。低云量在總云量中所占比率超過(guò)60%,降水也主要來(lái)自低云(強(qiáng)安豐等,2020a)。同時(shí),三江源地區(qū)總云量年際變化率只有3%(陳少勇和董安祥,2006),低云量年際變化率小于15%(高蓉等,2007),總云量在年際變化上比低云量更穩(wěn)定。

三江源地區(qū)的云狀主要表現(xiàn)為層狀云、積狀云、地形積云和混合云,不同的季節(jié)占主導(dǎo)的云狀也不同。其中層狀云主要出現(xiàn)在春季,夏季則是積狀云占主導(dǎo),占夏季所有云系的82%;地形積云常沿山脈分布,也主要在夏季出現(xiàn);而混合云出現(xiàn)的頻率很小,只有5%(李侖格和孫安平,2004)。

圖3 三江源地區(qū)平均降水效率的空間分布(單位:%;強(qiáng)安豐等,2020a)Fig.3 Spatial distribution of average precipitation efficiency in the Three-River-Source Region (units:%;Qiang et al.,2020a)

三江源地區(qū)降水自5月到9月,由陰雨為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?duì)流云降水,7月出現(xiàn)陰雨天日數(shù)最多;三江源地區(qū)每年(5—9月)存在1~2次的長(zhǎng)達(dá)30 d的連續(xù)陰雨時(shí)段,從而形成極其豐富的云水資源(李侖格和孫安平,2004)。

總之,三江源地區(qū)以低云為主,云狀主要有層狀云、積狀云、地形積云和混合云,具有極其豐富的云水資源。

2.2 大氣可降水量特征

三江源地區(qū)大氣可降水量(PWV)在空間上的分布由東南向西北逐漸遞減,且南部高于北部,東部遠(yuǎn)大于西部地區(qū),也表現(xiàn)出隨海拔升高而減少的特征(強(qiáng)安豐等,2019a)。1971—2010年,三江源地區(qū)PWV呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢(shì),達(dá)到44.0 mm/(10 a);其中最大可降水量出現(xiàn)在1989年,最小值在1984年,突變發(fā)生在1993年(校瑞香等,2014)。PWV與水汽平流及水汽輻合輻散相關(guān)性較高(王可麗等,2006a;黃露和范廣州,2018),且水汽輻合輻散的貢獻(xiàn)率最高,其中水汽平流與西風(fēng)帶相關(guān),輻合輻散則受季風(fēng)顯著影響。

三江源地區(qū)水汽主要集中于近地層,在4—9月期間600~500 hPa的水汽約占50%,降落到地面的自然降水量只占當(dāng)月空中云水量的8%~24%,空中云水有很大的增雨潛力(李侖格和孫安平,2004)。王光謙等(2016)對(duì)黃河源區(qū)的空中水資源進(jìn)行詳細(xì)研究,認(rèn)為黃河源區(qū)空中水資源的豐度較高,總水汽輸入量和空中水資源量具有很高的相關(guān)性。

近年來(lái),應(yīng)用GPS水汽反演理論對(duì)三江源地區(qū)PWV研究發(fā)現(xiàn),不同的模型如E模型與H模型(陳香萍等,2018)、GPT2對(duì)流層模型(喬禛等,2019)本地化后可作為PWV反演的補(bǔ)充,從而加速了水汽遙感資料的使用進(jìn)程。

總之,三江源地區(qū)水汽主要集中于近地層,呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢(shì),水汽輻合對(duì)大氣可降水量的貢獻(xiàn)率最高。

2.3 降水效率特征

三江源地區(qū)平均降水效率為24.6%,高值區(qū)分布在34°N以南,降水效率高值中心出現(xiàn)在黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū),并以黃河源區(qū)為最高,而長(zhǎng)江源區(qū)最低(強(qiáng)安豐等,2020a);黃河流域空中水資源和降水的相關(guān)系數(shù)為0.5,自然降水轉(zhuǎn)化率比較穩(wěn)定(王光謙等,2016)。

降水效率雖然在三江源地區(qū)區(qū)域間的差異較大,但整個(gè)空間分布表現(xiàn)為自東南向西北方向遞減(圖3),這與云量和降水的分布是一致的。由于降水效率越低其開(kāi)發(fā)潛力越大,三江源地區(qū)空中云水資源的開(kāi)發(fā)潛力是由東南向西北逐漸增加的(強(qiáng)安豐等,2019b;強(qiáng)安豐等,2020a)。

三江源地區(qū)降水效率的年際變化呈弱增加趨勢(shì),瀾滄江源區(qū)增幅最明顯而黃河源區(qū)卻呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)(強(qiáng)安豐等,2019a;強(qiáng)安豐等,2019b;強(qiáng)安豐等,2020a)。三江源地區(qū)降水效率年內(nèi)變化呈雙峰分布,兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在6月和9月,降水效率在第一個(gè)峰值較高,為24.4%;第二個(gè)峰值略低,為20.3%(校瑞香等,2014)。

此外,李家葉等(2018)定義白水概念(由于大氣中的水物質(zhì)并非都能轉(zhuǎn)化為降水,因此定義無(wú)法轉(zhuǎn)化為降水的水物質(zhì)為背景水汽,余下均擁有形成降水可能的水物質(zhì)部分即為白水),指出三江源具有最高的白水降水效率,但其白水輸送路徑的等效長(zhǎng)度較短,白水難以及時(shí)在三江源地區(qū)內(nèi)大量轉(zhuǎn)化為降水,白水降水轉(zhuǎn)化率僅為22%。

綜上,三江源地區(qū)平均降水效率為24.6%,高值區(qū)分布在34°N以南,降水效率的年際變化呈弱增加趨勢(shì)。

2.4 降水氣溶膠、云物理特征

三江源地區(qū)氣溶膠的變化主要通過(guò)人為活動(dòng)和遠(yuǎn)距離輸送會(huì)產(chǎn)生,而氣溶膠在降水的云物理過(guò)程中起重要作用。沈志寶等(1997)認(rèn)為三江源地區(qū)隨雨季的到來(lái)會(huì)出現(xiàn)海洋氣溶膠,這是由季風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送的,其濃度變化與降水強(qiáng)度有較好的關(guān)系;而冬春季節(jié)多吹風(fēng)天氣,大風(fēng)將沙塵攜帶進(jìn)入會(huì)影響氣溶膠性質(zhì),從而影響降水。

王黎俊等(2013)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),三江源地區(qū)在秋季云系呈現(xiàn)出多層層狀結(jié)構(gòu),在液態(tài)水和冰相粒子的混合態(tài)云中,液態(tài)過(guò)冷水含量較豐富,這是人工影響天氣領(lǐng)域特別受關(guān)注的方面,也是為人工增雨提供參考的極為重要的大氣物理參數(shù)。趙仕雄等(2003)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得出三江源地區(qū)層積云中常出現(xiàn)對(duì)流性云系,暖云降水微物理機(jī)制獨(dú)立于冷云機(jī)制,并且起重要作用。

3 三江源地區(qū)降水機(jī)制

3.1 大尺度環(huán)流特征

三江源地區(qū)降水的大氣環(huán)流場(chǎng)上,在多雨年與少雨年時(shí)高度距平場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和溫度距平場(chǎng)及青藏高原輻合線位置均有相反的變化(王可麗等,2006b;劉彩紅等,2009)。其中多雨年時(shí),高度場(chǎng)距平上,低層500 hPa與高層200 hPa分別為異常低壓與異常高壓兩種相反的氣壓系統(tǒng)控制,加強(qiáng)整層大氣的垂直上升運(yùn)動(dòng);風(fēng)場(chǎng)上,三江源地區(qū)低層氣旋式輻合區(qū)上疊置高層反氣旋式輻散環(huán)流區(qū),易出現(xiàn)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定而加強(qiáng)上升氣流;溫度距平場(chǎng)上,亞洲北部至青藏高原西部地區(qū)呈現(xiàn)由正至負(fù)的距平分布,即冷空氣先在高緯度堆積,隨著天氣系統(tǒng)的引導(dǎo)從西北方向進(jìn)入三江源地區(qū),遇到因青藏高原輻合線偏北而持續(xù)向北輸送的暖濕氣流,這兩種溫濕屬性差異大的氣流匯合易造成該地區(qū)持續(xù)降水。

3.2 水汽因素

水汽輸送是決定降水的重要因素,過(guò)去有不少研究使得人們對(duì)青藏高原及其周邊地區(qū)降水的水汽來(lái)源和變化特征有了清晰的認(rèn)知(湯秋鴻等,2020);同時(shí),也有一些研究重點(diǎn)關(guān)注了三江源地區(qū)的水汽輸送特征??傮w而言,進(jìn)入三江源地區(qū)的水汽輸送路徑主要有三條(黃玉霞等,2006;權(quán)晨等,2016):水汽短時(shí)輸送(6 h)主要分布于青藏高原及其西北側(cè),即來(lái)自西邊界和中緯度西風(fēng)帶中的西北氣流,這是黃河源區(qū)降水的最主要水汽源地(朱麗等,2019);而更長(zhǎng)時(shí)間(8~10 h)主要來(lái)自南邊界的孟加拉灣、西北太平洋等遠(yuǎn)距輸送,即南支槽及西太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)帶來(lái)的西南和東南暖濕氣流是三江源地區(qū)主要水汽來(lái)源。這三種大尺度的氣流受青藏高原異常的熱力作用與復(fù)雜的地形動(dòng)力作用的驅(qū)動(dòng)在三江源地區(qū)匯集,形成水汽輻合,也使三江源地區(qū)成為低渦、切變線等低值天氣系統(tǒng)頻發(fā)的地區(qū),為降水創(chuàng)造了有利的水汽、動(dòng)力、熱力條件。

三江源地區(qū)來(lái)自不同水汽輸送路徑對(duì)降水的貢獻(xiàn)率不同(Zhang et al.,2019),西北路徑在極端降水事件和中度降水事件分別占18.4%和32.2%;東南路徑的占比分別為25.9%、28.5%;西南路徑則主要是極端降水事件的水汽輸送源(14.9%)。

此外,三江源地區(qū)經(jīng)向水汽輸送強(qiáng)于緯向。其中北邊界水汽輸送為負(fù),南邊界上水汽輸送為正,且正值遠(yuǎn)大于負(fù)值,表明經(jīng)向上為水汽凈收入;西邊界、東邊界上水汽輸送均為正,但西邊界上的水汽輸送小于東邊界,因此緯向水汽凈收入為負(fù)值,即水汽存在緯向凈輸出。總體上,南邊界為主要的經(jīng)向水汽輸入邊界,東邊界則為主要的緯向水汽輸出邊界(強(qiáng)安豐等,2019a;Qiang et al.,2020b)。三江源地區(qū)降水變化是由主要水汽輸入邊界的水汽變化所決定的,即由南邊界凈水汽輸入的變化所引起的(李生辰等,2009)。

有學(xué)者還應(yīng)用同位素水文學(xué)方法,通過(guò)δD和δO與水汽來(lái)源或水汽循環(huán)之間很好的相關(guān)關(guān)系(章新平和姚檀棟,1996;田立德等,2001),發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)水汽輸送以唐古拉山為界,南部主要受季風(fēng)影響來(lái)自海洋,這對(duì)應(yīng)著西南和東南路徑,而北側(cè)則是由內(nèi)陸水汽循環(huán)過(guò)程造成,這是西北路徑的體現(xiàn)。

總之,三江源地區(qū)經(jīng)向水汽輸送強(qiáng)于緯向,水汽來(lái)源主要有西邊界的西北氣流、南邊界的西南和東南暖濕氣流,而降水變化主要是南邊界的凈水汽輸入所引起的。

3.3 降水機(jī)制

三江源地區(qū)位于中緯度西風(fēng)帶環(huán)流控制區(qū),同時(shí)也是亞洲季風(fēng)北邊緣影響區(qū),降水主要受西風(fēng)帶和季風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制(黃玉霞等,2006;李夫星等,2015;唐見(jiàn),2018;張宇等,2019),在不同的時(shí)段,這兩者的主導(dǎo)作用不同,使得水汽輸送路徑不同,從而引起降水增加的子源區(qū)也不同。當(dāng)三江源地區(qū)西風(fēng)帶主導(dǎo)時(shí),西風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng),水汽輸送方向?yàn)槲鞅甭窂?水汽以平流為主,南邊界的水汽輸送強(qiáng)度較弱,瀾滄江源區(qū)及黃河源區(qū)東部降水顯著增加、長(zhǎng)江源區(qū)西部降水減少;當(dāng)季風(fēng)控制三江源地區(qū)時(shí),經(jīng)向風(fēng)速增強(qiáng),水汽輸送方向?yàn)槲髂虾蜄|南路徑,南邊界的水汽輸送強(qiáng)度明顯增大,水汽輻合也明顯加強(qiáng),造成長(zhǎng)江源區(qū)及黃河源區(qū)偏北區(qū)域的降水明顯增加。而且,楊建平等(2004)、陳曉光等(2009)指出溫室氣體濃度的顯著變化、下墊面狀況差異引起的陸-氣相互作用差異也是三江源地區(qū)降水區(qū)域性特征的成因。

三江源地區(qū)降水還與太平洋海溫具有超前的遙相關(guān)關(guān)系(劉青春等,2007)。冬季太平洋海溫的變化通過(guò)改變西太平洋副熱帶高壓的位置而影響三江源地區(qū)降水,不同區(qū)域海溫變化影響降水的時(shí)間不同。當(dāng)西太平洋海溫偏高時(shí),西太平洋副熱帶高壓偏北會(huì)造成三江源地區(qū)春季降水偏多,反之亦然;當(dāng)赤道太平洋中部海溫偏高時(shí),西太平洋副熱帶高壓偏南會(huì)造成三江源地區(qū)夏季降水偏少,反之亦然。由NAO引起的自西北向東南傳播的波列對(duì)三江源冬季降水量有一定的影響作用(王騰,2021)。此外,ENSO的海溫調(diào)節(jié)作用,在海洋上開(kāi)爾文波誘發(fā)??寺椛C(jī)制,通過(guò)與亞洲季風(fēng)之間的海-氣相互作用,產(chǎn)生異常的全球波列進(jìn)而影響三江源地區(qū)的降水(Yuan et al.,2016;Sun et al.,2018,2019;Wang et al.,2021)。

地形因素對(duì)降水事件發(fā)生頻次的空間變化有著較為顯著的影響(李林等,2007)。但地形對(duì)降水的影響過(guò)程也是比較復(fù)雜的,首先,由于高原地形的加熱強(qiáng)迫和抬升作用(特別是95°E處的高原陡峭地形)(吳國(guó)雄等,2005;王奕丹等,2021),影響大氣靜力穩(wěn)定度,使三江源地區(qū)多對(duì)流活動(dòng),因而對(duì)降水產(chǎn)生重要影響(葉篤正和高由禧,1979;趙平等,2018);其次,在大環(huán)流背景(海溫、季風(fēng)及西風(fēng)帶)的控制下,受高原地形“熱源柱”影響及水汽凝結(jié)潛熱釋放,形成了低層輻合而高層輻散的反饋機(jī)制——CISK機(jī)制(Xu et al.,2014),這是三江源地區(qū)空中降水云系形成的重要?jiǎng)恿C(jī)制;再次,地形加熱也在低層出現(xiàn)氣旋式環(huán)流,而高層出現(xiàn)反氣旋式環(huán)流,使三江源地區(qū)成為水汽輻合、切變線和低渦形成的集中區(qū)域(Xu et al.,2002;徐祥德和陳聯(lián)壽,2006),容易出現(xiàn)降水。嚴(yán)異德和李林(2009)指出三江源地區(qū)不同區(qū)域降水性質(zhì)也受其地形的影響:巴顏喀拉山脈的地形效應(yīng)使得西南部和東北部的降水出現(xiàn)差異性,東南部地形陡峭,容易出現(xiàn)對(duì)流性降水,而西北地區(qū)地勢(shì)相對(duì)較為平坦,多為系統(tǒng)性降水。

可見(jiàn),三江源地區(qū)降水時(shí)空差異基本原因和機(jī)制是:受西風(fēng)帶和季風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制,大尺度環(huán)流系統(tǒng)與高原地形加熱和動(dòng)力強(qiáng)迫作用相互協(xié)調(diào),影響了進(jìn)入三江源地區(qū)的水汽輸送,尤其是南邊界的凈水汽輸入,使得CISK反饋機(jī)制形成了“大氣水塔”,并與溫室氣體濃度、下墊面狀況差異引起的陸-氣相互作用響應(yīng),從而制約降水產(chǎn)生;NAO、ENSO通過(guò)海-氣相互作用的調(diào)制季風(fēng)系統(tǒng)和副熱帶高壓變化(劉屹岷等,2020)來(lái)影響三江源地區(qū)不同子源區(qū)和時(shí)段的降水。

4 降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)

許吟隆等(2007)用驅(qū)動(dòng)區(qū)域氣候模式系統(tǒng)PRECIS模擬三江源地區(qū)2071—2100年氣候變化,認(rèn)為夏季升溫達(dá)到3.0 ℃以上,降水呈減少趨勢(shì)。夏季氣溫的升高和降水量的減少會(huì)使三江源地區(qū)氣候向暖干化方向發(fā)展,導(dǎo)致水源補(bǔ)給不足。

但劉玲等(2009)用FVGCM全球模式嵌套R(shí)egcm區(qū)域氣候模式預(yù)計(jì)21世紀(jì)三江源地區(qū)氣溫、降水量均呈增加趨勢(shì);同時(shí)王玉琦等(2019)利用CMIP5模式對(duì)青藏高原2006—2100年的氣候變化進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬,顯示出三江源地區(qū)未來(lái)整體變暖濕,并指出是熱動(dòng)力因子的作用和植被對(duì)氣候的正反饋?zhàn)饔脤?duì)該區(qū)的變濕均有正貢獻(xiàn)所致。

可見(jiàn),不同的模式對(duì)于三江源地區(qū)未來(lái)降水的模擬結(jié)果是不同的,這也是氣候預(yù)測(cè)難以把握的問(wèn)題(高艷紅等,2020)。但其中也有相同的一點(diǎn),就是模式對(duì)氣溫的升高趨勢(shì)均有一致的反映,這與青藏高原近年來(lái)表現(xiàn)的顯著變暖一致(李菲等,2021)。

5 結(jié)論與展望

本文回顧和總結(jié)了三江源地區(qū)降水和空中云水資源的時(shí)空分布及其演變特征、降水影響機(jī)制,得到以下結(jié)論:

1)三江源地區(qū)氣候逐漸由“暖干化”轉(zhuǎn)向“暖濕化”,降水增加是氣候轉(zhuǎn)型和徑流增加最關(guān)鍵的途徑之一。

2)三江源地區(qū)降水大致呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的空間分布,具有季節(jié)性集中的特征。2005年之前三江源地區(qū)降水量與降水日數(shù)呈減少趨勢(shì);2005年之后降水量呈增加趨勢(shì)。不同子源區(qū)的演變趨勢(shì)不盡相同,表現(xiàn)出一定的空間差異性。

3)三江源地區(qū)具有極其豐富的云水資源,降水多由低云所致。平均降水效率為24.6%,高值區(qū)分布在34°N以南;降水效率的年際變化呈弱增加趨勢(shì),并且瀾滄江源區(qū)增幅最明顯。水汽輻合輻散對(duì)大氣可降水量的貢獻(xiàn)率最高。

4)受西風(fēng)帶和季風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制,大尺度環(huán)流系統(tǒng)與高原地形加熱和動(dòng)力強(qiáng)迫作用的相互協(xié)調(diào),制約水汽輸入和CISK動(dòng)力反饋機(jī)制,通過(guò)影響三江源地區(qū)的“大氣水塔”效應(yīng)來(lái)影響降水的產(chǎn)生;海-氣相互作用、陸氣相互作用也是影響降水的重要因素。

基于目前的研究進(jìn)展,認(rèn)為如下方面值得進(jìn)一步研究:

1)多源資料融合研究。近年來(lái),很多學(xué)者采用了多源融合降水?dāng)?shù)據(jù)(李瓊等,2016;張昂等,2017;李宏宇等,2020),得出了更為精細(xì)的結(jié)果。多源融合資料的使用給研究帶來(lái)實(shí)質(zhì)的改變,進(jìn)行融合資料的適用性檢驗(yàn)及其與特殊觀測(cè)資料結(jié)合使用的研究也很有必要。

2)降水的多尺度天氣系統(tǒng)特征研究。次天氣尺度和中小尺度系統(tǒng)在降水中扮演重要角色。然而,對(duì)三江源地區(qū)降水成因主要從大尺度環(huán)流、海溫和地形等方面進(jìn)行了研究,而對(duì)于直接產(chǎn)生降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCSs)方面的研究涉及較少。此外,多尺度天氣系統(tǒng)的協(xié)同作用對(duì)極端降水的產(chǎn)生也有重要作用,應(yīng)當(dāng)予以重視。

3)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式預(yù)測(cè)降水的研究。不同數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式對(duì)三江源地區(qū)未來(lái)降水的預(yù)測(cè)存在很大不一致性和不確定性,值得進(jìn)一步研究,并加強(qiáng)數(shù)值模式輸出結(jié)果的檢驗(yàn)。

值得說(shuō)明的是,本文三江源地區(qū)降水的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與總結(jié),其中涉及的文獻(xiàn),是該方面的主要文獻(xiàn),無(wú)法做到全面,遺漏難免,歡迎各位讀者一起探討交流。

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