楊 雪 ,張渝杰 ,孫 俊 ,張 敏 ,李 信 ,張 玲

（1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；2.四川省遂寧市氣象局，遂寧 627000；3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院四川分院，成都 610072）

引言

隨著全球變暖，極端降水事件呈現(xiàn)普遍增加趨勢[1]，有“世界屋脊”和“第三極”之稱的青藏高原也不例外[2]。青藏高原極端降水事件不僅衍生泥石流、滑坡等次生災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)造成重大損失，還通過環(huán)流系統(tǒng)對周邊及下游的天氣氣候產(chǎn)生顯著影響[3?11]。

青海省位于青藏高原東北側(cè)，是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，同時(shí)擁有我國面積最大的內(nèi)陸湖?青海湖。研究表明，青海極端降水事件不僅會(huì)影響當(dāng)?shù)厮Y源，同樣會(huì)對下游流域乃至全球水資源利用產(chǎn)生重要作用[12?13]。過去已經(jīng)對三江源流域和青海湖東北部地區(qū)的極端降水進(jìn)行了一些研究，結(jié)果表明：三江源極端降水的水汽主要來自印度洋，源于夏季西南風(fēng)輸送，同時(shí)與小尺度大氣環(huán)流有關(guān)[14?15]；2001～2050年高原三江源地區(qū)強(qiáng)降水呈增多趨勢[16]；青海湖水位的變化對其周邊的降水有直接影響，2004年至今青海湖水位呈上漲趨勢，對應(yīng)周邊氣象站的降水也呈現(xiàn)增多趨勢[17]。

眾所周知，極端降水事件的發(fā)生與大氣環(huán)流異常密切相關(guān)，西風(fēng)帶急流位置、南亞高壓強(qiáng)弱以及水汽路徑的改變均會(huì)對極端降水事件產(chǎn)生重大影響[18?22]。而過去對青海極端降水特征的研究多以統(tǒng)計(jì)分析為主，鮮少研究降水變化的天氣學(xué)成因。針對這一薄弱環(huán)節(jié)，本文擬利用41個(gè)氣象站逐日降水資料和ERA-Interim的0.5°×0.5°逐月再分析資料，采用Mann-Kendall線性趨勢和突變檢驗(yàn)、相關(guān)分析及合成分析等氣候診斷方法，揭示近38a青海夏季極端降水的時(shí)空變化特征，對比分析極端降水高發(fā)年和低發(fā)年的大氣環(huán)流背景，進(jìn)而探討極端降水的天氣學(xué)成因，以期為青藏高原第三次科學(xué)考察以及當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對極端氣候變化決策提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料選取

為了確保研究區(qū)域的站點(diǎn)多、時(shí)序長、站點(diǎn)穩(wěn)定性強(qiáng)，本文選用中國氣象局提供的“中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”中青海省41個(gè)站點(diǎn)（圖1）1981～2018年6～8月的逐日降水資料（Available online:http://data.cma.cn/），該數(shù)據(jù)集經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制，質(zhì)量良好。再分析資料選用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心提供的ERA-Interim逐月再分析資料，水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直方向14層，要素包括位勢高度、氣溫、風(fēng)、渦度、散度、垂直速度及相對濕度等。

圖1 青海省站點(diǎn)分布（陰影代表海拔高度，單位：m）

1.2 極端降水事件閾值定義

降水閾值是用于描述極端降水量的大小和極端降水事件發(fā)生頻次的重要參考。本文采用Easterling D R[23]在2000年提出的百分位相對指數(shù)法，將1981～2018年6～8月青海省41個(gè)氣象觀測站按照各站降水量≥0.1mm的數(shù)據(jù)作為一個(gè)序列，對該序列進(jìn)行升序排列。

式中：P為對應(yīng)百分位，m為該序列升序之后的序號(hào)，n為樣本長度。利用公式(1)計(jì)算各個(gè)測站整個(gè)降水序列第99個(gè)百分位值，將其定義為該站極端降水事件的閾值，大于閾值的日期為該站的極端降水日。

1.3 Mann-Kendall檢驗(yàn)

本文采用非參數(shù)的M-K檢驗(yàn)方法進(jìn)行變化趨勢的顯著性檢驗(yàn)，非參數(shù)檢驗(yàn)亦稱為無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要遵從一定的分布，也可不受異常值的干擾，計(jì)算方便。公式如下：

次序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量UFk。公式如下：

式中：UF1=0，E(Sk)、var(Sk)分別是累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差。在X1，X2,...,Xn相互獨(dú)立，具有相同連續(xù)分布時(shí)，E(Sk) 和var(Sk)分別由下式算出：

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列X順序X1,X2,...,Xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平 α，查正態(tài)分布表，若|UFi|>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時(shí)間序列X逆序Xn,Xn?1,...,X1，再重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=?UFk(k=n,n?1,...,1),UB1=0。如果UFk>0，說明該時(shí)間序列表現(xiàn)為上升趨勢；如果UFk<0，說明該時(shí)間序列表現(xiàn)為下降趨勢；當(dāng)UFk超過了臨界線，說明時(shí)間序列的上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條相反序列曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線之間，則該交叉點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻即可確認(rèn)為突變的發(fā)生時(shí)刻。本文給定顯著性水平 α=0.05，則臨界值U0.05=±1.96； 顯著性水平 α=0.01，則臨界值U0.01=±2.58。

2 極端降水變化趨勢

2.1 極端降水時(shí)間變化

如圖2a所示，1981～2018年青海夏季極端降水發(fā)生頻次為7～55次，變化幅度大，其中1991年發(fā)生頻次最少(7次)，2018年發(fā)生頻次最多（55次）；近38a，青海夏季極端降水發(fā)生頻次呈明顯的增加趨勢，通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

如圖2b所示，1981～2018年青海6月極端降水發(fā)生頻次為0～9次，1980年6月未出現(xiàn)極端降水，2018年6月極端降水發(fā)生頻次最高（9次）；近38a，青海6月極端降水頻次呈弱增加趨勢，未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

如圖2c所示，1981～2018年青海7月極端降水發(fā)生頻次為1～22次，變化幅度大，1983年7月僅出現(xiàn)1次極端降水，2018年7月極端降水發(fā)生頻次最多（22次）；近38a，青海7月極端降水頻次呈增加趨勢，但未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

如圖2d所示，1981～2018年青海8月極端降水發(fā)生頻次為0～24次，變化幅度大，1984年8月未出現(xiàn)極端降水，2018年8月極端降水發(fā)生頻次最多（24次）；近38a，青海8月極端降水發(fā)生頻次呈顯著的增加趨勢，通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

如圖2e所示，1981～2018年青海夏季最大日降水量為33～119.9mm，除了2013年最大日降水量達(dá)到119.9mm以外，其余年份夏季最大日降水量在33～74mm，平均值為49.9mm；近38a，青海夏季最大日降水量呈上升趨勢，但未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

如圖2f所示，1981～2018年青海夏季極端降水閾值為12.7～26.7mm，呈弱下降趨勢，未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 1981～2018年青海夏季極端降水時(shí)間變化特征（a.夏季極端降水頻次，b.6月極端降水頻次，c.7月極端降水頻次，d.8月極端降水頻次，e.最大日降水量，f.極端降水閾值）

2.2 極端降水變化趨勢的空間分布

圖3給出了1981～2018年青海夏季極端降水變化趨勢的空間分布。如圖3a所示，最大日降水量呈增加趨勢的站點(diǎn)共34個(gè)，占測站總數(shù)的82.9%，其中3個(gè)站點(diǎn)呈顯著增加趨勢；最大日降水量呈減弱趨勢的站點(diǎn)主要出現(xiàn)在青海東南部，均未通過顯著性檢驗(yàn)。如圖3b所示，極端降水閾值呈增加趨勢的站點(diǎn)共31個(gè)，占測站總數(shù)的75.6%，其中4個(gè)站點(diǎn)呈顯著增加趨勢；極端降水閾值呈減少趨勢的站點(diǎn)主要出現(xiàn)在青海南部，均未通過顯著性檢驗(yàn)。如圖3c所示，極端降水頻次呈增加趨勢的站點(diǎn)共32個(gè)，占測站總數(shù)的78.0%，僅1個(gè)站點(diǎn)呈顯著增加趨勢；極端降水頻次呈減少趨勢的站點(diǎn)主要出現(xiàn)在青海南部和青海湖東部，均未通過顯著性檢驗(yàn)。以上分析結(jié)果與冀欽等[24]研究1961～2015年青藏高原降水量變化得出結(jié)論基本吻合。

圖3 1981～2018年青海夏季極端降水變化趨勢的空間分布（a.最大日降水量，b.極端降水閾值，c.極端降水頻次，紅色空心圓圈表示增加趨勢，黑色空心圓圈表示減少趨勢，紅色實(shí)心圓表示通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)）

2.3 極端降水頻次突變分析

氣候突變是存在于氣候變化中的重要現(xiàn)象。圖4a是1981～2018年青海夏季極端降水頻次的M-K檢驗(yàn)結(jié)果。如圖所示，近38a，青海夏季極端降水頻次總體呈上升趨勢，2006年發(fā)生由少到多的突變，之后上升趨勢愈發(fā)顯著。駱成鳳等[17]研究指出8月青海湖面積在2004年前后發(fā)生了由少到多的突變，與青海8月極端降水頻次的時(shí)間變化特征（圖4b）基本一致，這在一定程度上說明了青海8月極端降水具有重要影響。本文2.1小節(jié)的分析也表明，青海8月極端降水頻次在整個(gè)夏季中占比最高，起到了主要貢獻(xiàn)。因此，本文接下來將重點(diǎn)針對青海省8月極端降水成因進(jìn)行研究。

圖4 1981～2018年青海（a）夏季極端降水頻次的M-K檢驗(yàn)、（b）8月極端降水頻次的時(shí)間變化

3 8月極端降水成因分析

造成極端降水的分布不均有諸多因素，如氣候變暖，環(huán)流背景的改變以及地形差異等。從2.3小節(jié)分析可以看到，青海湖面積與極端降水頻次之間的變化趨勢一致，說明當(dāng)?shù)厮麠l件的變化是影響極端降水增加的重要原因。因此，分析8月比濕、500hPa位勢高度、近地面溫度與青海8月極端降水頻次，閾值以及最大日降水量之間的相關(guān)性是非常必要的。

從表1可以看出，海拔高度、500hPa比濕、500hPa位勢高度、近地面溫度分別與8月極端降水頻次、日最大降水、極端降水閾值之間存在一定的相關(guān)性。海拔高度和極端降水頻次之間存在顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，表明海拔越高則極端降水發(fā)生頻次越多，這與甘文強(qiáng)等[25]的研究結(jié)果一致。而海拔高度與最大日降水量、極端降水閾值之間均為負(fù)相關(guān)，表明海拔越低則最大日降水量和極端降水閾值越大。500hPa比濕與最大日降水量為顯著的正相關(guān)(P<0.01)，與極端降水頻次為較顯著的正相關(guān)(P<0.05)，表明比濕越大降水越強(qiáng)且越利于產(chǎn)生極端降水。500hPa位勢高度和最大日降水量為顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，表明高度場偏高有利于強(qiáng)降水發(fā)生。近地面溫度和最大日降水量為顯著的正相關(guān)(P<0.01)，表明近地面溫度越高，能量越強(qiáng)，越容易產(chǎn)生強(qiáng)降水。極端降水閾值除了和海拔高度存在?0.47的負(fù)相關(guān)之外，與上述指標(biāo)均沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

表1 極端降水頻次、最大日降水量、極端降水閾值和各氣象要素之間的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步分析青海8月極端降水變化的成因，本文把極端降水頻次突變年作為分界，2006年之前為極端降水低發(fā)年，2006年之后為極端降水高發(fā)年，取1994～2005年和2007～2018年8月ERA-Interim再分析資料對環(huán)流形勢、能量傳播及水汽輸送等做合成分析。

3.1 環(huán)流異常對比

從圖5a可以看到，極端降水高發(fā)年，青海位于200hPa高空西風(fēng)急流前側(cè)輻散區(qū)，超過32m/s的急流范圍從70°E到100°E。副高586線位于青海省南部，副高位置偏北，利于副高北部的西南氣流北上影響青海地區(qū)。從圖5b可以看到，極端降水低發(fā)年，青海雖然也位于高空西風(fēng)急流前側(cè)，但超過32m/s的急流范圍比高發(fā)年明顯偏小，最大中心范圍從78°E到96°E。副高586線位于青海南側(cè)，和極端降水多發(fā)年比，副高位置更偏南，不利于北側(cè)南風(fēng)往青海輸送。

圖5 極端降水高發(fā)年（左）和低發(fā)年（右）合成的8月環(huán)流形勢（a、b.500hPa位勢高度（黑色等值線，單位：gpm）和200hPa高空急流（陰影，單位：Pa/s）；c、d.100hPa位勢高度距平（等值線，單位：gpm）和溫度距平（陰影，單位：℃）；e、f.500hPa位勢高度距平（等值線，單位：gpm）和溫度距平（陰影，單位：℃））

從極端降水高發(fā)年合成的100hPa位勢高度和溫度距平場（圖5c）可以看出，75°E以東為溫度負(fù)距平，75°E東西兩側(cè)溫差大，青海位于強(qiáng)冷中心；位勢高度場的正距平對應(yīng)溫度負(fù)距平，正距平中心強(qiáng)度超過3.2hPa，表明100hPa環(huán)流形勢有利于冷高壓發(fā)展，高層冷高壓將導(dǎo)致抽吸作用加強(qiáng)，增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。從極端降水低發(fā)年合成的100hPa位勢高度和溫度距平場（圖5d）可以看出，整個(gè)歐亞大陸的中高緯度地區(qū)基本位于溫度負(fù)距平中，但溫度負(fù)距平的絕對值和位勢高度場正距平的數(shù)值均較極端降水高發(fā)年明顯偏小，表明極端降水低發(fā)年100hPa高層冷高壓的發(fā)展較弱。

從極端降水高發(fā)年合成的500hPa位勢高度和溫度距平場（圖5e）可以看出，亞洲中高緯的位勢高度和溫度均呈“東高西低”的態(tài)勢，80°E以東為位勢高度和溫度正距平，青海位于溫度正距平的大值區(qū)；500hPa青藏高原夏季以暖高壓為主，位勢高度和溫度距平為正，表明500hPa環(huán)流形勢有利于暖高壓加強(qiáng)；而500hPa暖高壓的加強(qiáng)則有利于大陸高壓和副熱帶高壓之間低值系統(tǒng)的發(fā)展。從極端降水低發(fā)年合成的500hPa位勢高度和溫度距平場（圖5f）可以看出，80°E以東的亞洲中高緯溫度場為正距平，其強(qiáng)度較極端降水高發(fā)年明顯偏弱，最大溫度正距平區(qū)位于青海北側(cè)，青海地區(qū)溫度距平接近常年平均值；對應(yīng)的位勢高度場正距平也較極端降水高發(fā)年偏弱，且中心更偏北。

從上述分析可知，無論是高空急流的范圍，還是100hPa、500hPa位勢高度和溫度距平場的強(qiáng)度和大值中心范圍，極端降水高發(fā)年均強(qiáng)于極端降水低發(fā)年，表明其更有利于對流發(fā)展的大氣環(huán)流異常。

3.2 波能傳播對比

已有研究[26]表明，斜壓波組織成波包向下游傳播可使下游系統(tǒng)迅速發(fā)展，西風(fēng)帶中東傳的波包會(huì)給所經(jīng)地區(qū)帶來不同程度的天氣影響。根據(jù) Takaya等[27]提出的T-N通量，以30年8月平均流場作為基本場，對極端降水高發(fā)年和低發(fā)年進(jìn)行月平均地轉(zhuǎn)風(fēng)場合成，然后再計(jì)算T-N通量的水平分量。從極端降水高發(fā)年合成的8月500hPa的T-N通量（圖6a）可以看出，青海上游新疆東部和南部有較強(qiáng)的擾動(dòng)能量輻合，上游的波能擾動(dòng)直接影響下游青海的降水天氣，對應(yīng)青海也有較強(qiáng)的波能擾動(dòng)輻合。而極端降水低發(fā)年（圖6b），青海上游沒有強(qiáng)的擾動(dòng)波能輻合，同時(shí)青海的擾動(dòng)波能輻合也較極端降水高發(fā)年明顯偏弱。

圖6 極端降水高發(fā)年（a）和低發(fā)年（b）合成的8月500hPa波作用通量（箭矢，單位：m2/s2）及波作用通量散度（陰影，單位：10?6m/s2）

3.3 水汽異常對比

從極端降水高發(fā)年合成的8月500hPa水汽通量及散度距平（圖7a）可以看出，青海地區(qū)有較強(qiáng)的水汽通量異常輻合，輻合大值中心位于三江源和青海湖東側(cè)，說明青海大型水體是夏季極端降水的水汽來源之一。在極端降水低發(fā)年（圖7b），青海水汽通量散度的輻合較弱，主要大值中心位于長江源頭，其余地方水汽通量輻合接近常年，青海湖附近沒有強(qiáng)的水汽通量輻合異常。

從極端降水高發(fā)年合成的8月500hPa比濕距平和風(fēng)場疊加圖（圖7c）可以看到，青海位于比濕正距平中心，最大正距平超過0.4g/kg，存在明顯的南風(fēng)攜帶異常強(qiáng)的水汽往青海地區(qū)輸送。而極端降水低發(fā)年(圖7d)，青海地區(qū)比濕基本同常年相當(dāng)，三江源地區(qū)僅有弱的正距平，同時(shí)也沒有明顯的南風(fēng)攜帶異常水汽輸送到青海。

圖7 極端降水高發(fā)年（左）和低發(fā)年（右）合成的8月500hPa水汽輸送特征（a、b.水汽通量（箭矢，單位：kg·m?1·s?1）和水汽通量散度距平（陰影，單位：cm2·hPa·s)；c、d.風(fēng)場（箭矢，單位：m/s）和比濕距平（陰影，單位：g/kg））

3.4 動(dòng)力場異常對比

從極端降水高發(fā)年合成的8月500hPa垂直速度和渦度距平場（圖8a）可以看到，包括青海湖東側(cè)和三江源地區(qū)在內(nèi)的青海大部均位于垂直上升異常和較強(qiáng)的正渦度擾動(dòng)區(qū)，有利于低值系統(tǒng)發(fā)展。而極端降水低發(fā)年（圖8b），青海地區(qū)垂直上升異常擾動(dòng)較弱，青海湖東側(cè)和三江源地區(qū)均處在下沉運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)區(qū)，且正渦度擾動(dòng)較高發(fā)年明顯偏弱，不利于低值系統(tǒng)發(fā)展。

圖8 極端降水高發(fā)年（a）和低發(fā)年（b）合成的8月500hPa垂直速度距平（填色，單位：Pa/s）和渦度距平（等值線，單位：10?5s?1）

4 結(jié)論

本文利用1981～2018年青海41個(gè)氣象站逐日降水資料和ERA-Interim逐月再分析資料，分析了夏季極端降水的時(shí)空變化特征及其天氣學(xué)成因，得到以下主要結(jié)論：

（1）1981～2018年青海夏季和8月極端降水頻次均呈顯著的增加趨勢，最大日降水量和極端降水閾值變化不顯著。青海極端降水高發(fā)期出現(xiàn)在7月和8月，最大日降水主要出現(xiàn)在8月。青海75%以上站點(diǎn)的極端降水頻次、最大日降水量及極端降水閾值均呈增加趨勢，呈減少趨勢的站點(diǎn)主要出現(xiàn)在青海南部。青海極端降水頻次在2006年發(fā)生了由少到多的突變，之后上升趨勢愈發(fā)顯著。

（2）海拔高度和極端降水頻次之間存在顯著的正相關(guān)性（P<0.01），日最大降水與500hPa比濕、500hPa位勢高度和近地面溫度存在顯著的正相關(guān)性（P<0.01）。極端降水閾值除了與海拔高度存在?0.47的負(fù)相關(guān)外，與其余幾個(gè)指標(biāo)沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

（3）極端降水高發(fā)年的8月，200hPa上西風(fēng)急流范圍從70°E擴(kuò)展到100°E，100hPa位勢高度正距平中心>3.2hPa，高層冷高壓的發(fā)展偏強(qiáng)，500hPa青藏高原以暖高壓為主，位勢高度和溫度距平異常偏高，大氣環(huán)流異常更有利于極端降水的產(chǎn)生；青海及上游區(qū)域有較強(qiáng)的擾動(dòng)能量輻合，強(qiáng)度達(dá)?1×10?6m/s2，同時(shí)青海區(qū)域水汽通量異常輻合且比濕異常偏高，比濕正距平超過0.4g/kg，青海地區(qū)存在異常南風(fēng)對水汽的輸送；此外，極端降水高發(fā)年的垂直速度異常擾動(dòng)和渦度異常擾動(dòng)均明顯強(qiáng)于極端降水低發(fā)年。