14祁连山区低云量的气候变化与异常研究

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2006年6月文章编号:1000󰀁0534(2006)03󰀁0545󰀁04

高󰀁原󰀁气󰀁象

PLATEAUMETEOROLOGY

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

Vol.25󰀁No.3

June,2006

祁连山区低云量的气候变化与异常研究

陈少勇

1,2

,董安祥

1

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州󰀁730020;

2.白银市气象局,甘肃白银󰀁730900)

摘󰀁要:利用祁连山区周围34个测站1961!2000年历年1~12月低云量和降水量资料,采用EOF、REOF等方法,分析了40年来祁连山附近低云量的空间异常特征和时间变化规律。结果表明:EOF的前3个主成分可以较好地反映季低云量整体异常结构,即主体一致型、东西变化的󰀂+-+ 型、南北变化相反型。REOF的前3个载荷向量场可以较好地代表低云量的3个主要异常敏感区:柴达木盆地区、祁连山区、河西走廊区。柴达木盆地:各个季节低云量皆呈上升趋势,特别是1985年以后云量显著增加。河西走廊区:春、夏季低云量的变化趋势不显著,但20世纪90年代夏季低云量处于减少时期。祁连山区:春、秋季趋势不显著,但秋季从1991年后显著上升,夏季有显著的下降趋势。关键词:祁连山;低云量;气候变化中图分类号:P426.5+3

文献标识码:A

1󰀁引言

󰀁󰀁祁连山绵亘于青藏高原东北边缘,长达1000km,宽约200~500km,是由几条呈西北!东南走向的平行山岭和谷地组成。平均海拔4000~4500m,许多地方终年积雪,发育着现代冰川。谷地比较宽广,不仅发育了河流,而且还有湖泊,是青海省的主要农业区。祁连山也是甘肃河西石羊河、黑河、疏勒河3大水系的发源地,河西地区农业用水主要依靠祁连山内陆河来灌溉,而内陆河流量大部分来自祁连山区自然降水补给。如何开发空中水资源,已越来越受到人们的重视。人工增雨是解决这一问题的一个有效途径。要提高人工增雨的效益,就要了解云状况的区域特征。目前已有一些关于云的研究工作[1~10],但有关祁连山区云的研究工作尚不多见。因此我们探索祁连山区云量的时空异常特征,对于开展人工增雨,开发空中水资源,具有重要意义。

月的40年平均值曲线图可以看出(图略),各站低云量月际分布趋势是一致的。月平均低云量的分布明显有3个区域,按从多到少的顺序选择祁连、格尔木、高台三站绘制月平均低云量曲线(图1)。从图中可见,祁连山主体的低云量3~10月在20%以上,其中6~8月达到40%,而河西走廊区的低云量全年都在10%以下。柴达木盆地区的低云量只在6~8月达到20%。

图1󰀁祁连山及周围地区3个代表站的月平均低云量Fig.1󰀁Theaveragelowcloudatthreerepresentative

stationsinQilianmountainarea

2󰀁低云量分布的基本时空特征

2.1󰀁低云量的月分布特征

󰀁󰀁从各测站低云量(云覆盖天空的百分率)1~12

2.2󰀁低云量的季分布特征

󰀁󰀁从每个区中选择4个站按春(3~5月)、夏(6~

󰀁󰀁收稿日期:2004󰀁05󰀁21;改回日期:2004󰀁10󰀁08

󰀁󰀁基金项目:国家科技攻关计划󰀂人工增雨技术研究及示范 (2001BA610A06);甘肃省气象局󰀂云水资源及降水量时空分布的卫星遥感监

测研究 (2001人影-1-2)共同资助

󰀁󰀁作者简介:陈少勇(1959!),男,甘肃会宁人,高级工程师,主要从事气候预测研究.E󰀁mail:csy505@tom.com

󰀁546󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高󰀁󰀁原󰀁󰀁气󰀁󰀁象󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁25卷󰀁

8月)、秋(9~11月)、冬(12月~2月)的时段分别统计低云量的40年平均值,分析低云量的季度分布状况(表略)。低云量最多的是夏季,其次是春季、秋季,最少是冬季。大多数测站低云量夏季为20%~45%,春季为10%~30%,秋季为10%~25%,冬季不足10%。祁连山区主体部分的大多数测站低云量夏季比春季高17%左右,比周围地区高20%左右。因此,在山区实施人工增雨作业,具有一定的可行性。

大值0.84出现在恰卜恰站。

󰀁󰀁第二载荷向量场春季、夏季、秋季基本相似,分别占总方差的14.86%、14.60%和17.04%。柴达木盆地和河西走廊为正区,祁连山区为负区。这种󰀂+-+ 的异常结构说明了祁连山区的低云量与相邻的地区具有相反变化的差异。

󰀁󰀁第三载荷向量场春、夏季呈󰀂北负南正 、秋季为󰀂北正南负 的异常结构,它们分别占总方差的14.86%、14.60%和17.04%。

3.2󰀁低云量的主成分PC与环流特征量的关系󰀁󰀁分析第一主成分PC1与环流特征量的相关系数,主要有:春季4月份印度副热带高压面积强度指数(0.45)和5月份北半球极涡面积指数(-0.46);夏季普遍与副热带高压的各项特征量呈显著的正相关,相关最好的有7月份南海副热带高压面积指数(0.59)等,与6月份北半球极涡强度指数呈极显著的负相关(-0.62),与8月份印缅槽呈极显著的正相关(0.62)。因此可以认为祁连山区云的形成主要受副热带高压、极涡和印缅槽的影响所致。副热带高压弱导致东亚东南季风弱,与极涡的负相关表明极涡面积向南扩大、强度增强会阻止偏南季风北上,夏季印缅槽弱则西南气流弱,甚至不能到达祁连山区上空,因而使祁连山区低云量减少,反之则相反。由于东南季风和高原季风在春季和秋季活动较弱,整个祁连山区及周围地区主要受西风带大尺度天气系统的影响,因而LV1的区域较大,低云量变化的一致性较高。而夏季东南季风活动较为频繁,且影响的区域不尽一致。另外高原在暖季是一个热源,近地面大气层易出现热低压,对流促使低云量增多。因这种热低压控制区域的异常,使得夏季祁连山区低云量变化的一致性降低。3.3󰀁低云量和降水量的关系

󰀁󰀁计算祁连山区台站各季各年低云量和降水量的距平,再按三个载荷向量场对1961!2000年低云量实况进行分析,得到3种异常类型场出现的频数(表1只列出夏季的情况)。选取各型载荷向量最大值所对应的站为代表站,分析低云量和降水量距平

3󰀁低云量变化的空间异常特征

3.1󰀁低云量场的自然正交函数分解

󰀁󰀁EOF分解能够把随时间变化的气象要素场分解为不随时间变化的空间函数部分和时间函数部分。空间函数对应特征向量或载荷向量(LV);时间函数部分由空间点的线性组合所构成,称为主分量(PC)。对祁连山区附近34个测站40年春、夏和秋季低云量的标准化距平值分别进行EOF展开(冬季因其云量少,故未考虑),其载荷量LV能够较好地反映云量的整体空间异常特征[11]。

󰀁󰀁春、夏及秋季前三个载荷向量场的空间分布形式基本相似,第一个为主体一致型;第二个为东西差异型,即柴达木盆地、祁连山区、河西走廊的󰀂+-+ 结构;第三个为南北差异型。其中主体一致型所占方差最大,春季为33.02%,夏季为24.04%,秋季为39.50%。每个季节前三个载荷向量场所占总体方差分别为55.79%、51.31%、64.21%(图略)。

󰀁󰀁第一载荷向量场在秋季和春季表现较突出,分别占总方差的39.5%和33.02%,夏季相对较弱占24.04%。春季、夏季和秋季祁连山区附近大多数区域皆为一致的正值区,但载荷向量的最大值中心位置不相同。春季,LV最大值0.84出现在河西中部的民乐站,最小值-0.21出现在祁连山中段的野牛沟站;夏季,LV最大值0.88出现在柴达木盆地的诺木洪站,最小值-0.21出现在祁连山东南部的景泰站;秋季,最大中心在祁连山中部,LV最

表1󰀁1961!2000年间夏季祁连山区低云量各类型出现的频数

Table1󰀁ThefrequenciesoflowcloudamountoverQilianmountainareainsummerof1961!2000

󰀁󰀁类

型

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁年

份

主体一致型东、中、西相反型南北相反型

1961!1966,1969,1970,1975,1978,1980,1983,1985,1988,1989,1992,1993,1996,1998,19991971,1973,1976,1979,1981,1994,1997,20001967,1968,1977,1982

󰀁3期

陈少勇等:祁连山区低云量的气候变化与异常研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁547󰀁󰀁

符号一致率,结果夏季第一型符号一致率为75%,

第二型为63%,第三型为50%。春、秋季第一型的符号一致率分别为55%、75%,第二型的符号一致率分别为83%、45%(第三型样本少,故未统计)。我们又计算了春、夏、秋各季低云量的第一主成分PC1与代表站降水的相关系数分别为0.31、0.38、0.37,置信度达95%,降水量和低云量相关显著。这也证实了上面对低云量分析的合理性。3.4󰀁低云量场的旋转自然正交函数分解

󰀁󰀁用旋转自然正交分解(REOF),得到旋转后的载荷向量(RLV)和主成分(RPC),分析祁连山区低云量分布的区域特征。取前3个载荷向量场分析低云量旋转前后PC和RPC对总方差的贡献率,其旋转主成分的累积方差春季为39.06%,夏季为48.17%,秋季为46.74%;按载荷向量值的大小,得出祁连山区低云量异常的主要区域,图2给出夏季低云量的前三个旋转载荷向量场。

󰀁󰀁春季低云量分为三个异常区:第一载荷向量场,除祁连山区南部甚小区域为负值,其余皆为正值,中心在河西走廊西部,以玉门为最大中心,RLV值为0.73;第二载荷向量场都是正值,大值区在柴达木盆地,以大柴旦为最大中心,RLV值为0.63;第三载荷向量场的大值区在祁连山中南部,以西宁为最大中心,RLV值为0.67。

󰀁󰀁夏季低云量分为三个异常区:柴达木盆地区,以诺木洪为最大中心,RLV值为0.95;祁连山中北部地区,以门源为最大中心,RLV值为-0.78;河西走廊中北部区,以张掖为最大中心,RLV值为-0.76。

󰀁󰀁秋季低云量分为三个异常区:祁连山中南部地区,以恰卜恰为最大中心,RLV值为0.83;祁连山西部以茶卡、都兰为最大中心,RLV值为-0.61;柴达木盆地以格尔木为最大中心,RLV值为0.71。

4󰀁低云量异常的时间变化特征

󰀁󰀁对祁连山区低云量经REOF分解后的主成分RPC反映了所对应的空间异常区的低云量时间变化。故用RPC序列配合RLV值研究云量场随时间变化的规律。为求得其基本趋势,分别用一、二阶时间趋势方程拟合云量随时间的变化趋势,并通过相关系数检验趋势的显著性。从图中可以看出(图略),不同气候区低云量的异常变化具有不同的演变特征。

󰀁󰀁春季:河西走廊西部低云量无明显的变化趋势,围绕平均值呈波动状态;柴达木盆地低云量略有上升趋势,1985年是一个转折点,之后云量增加;祁连山中南部低云量略有不显著的上升趋势,但有显著的二阶趋势,1985年之后云量呈减少状态。

󰀁󰀁夏季:柴达木盆地低云量有显著的单调上升趋势,特别是1980年达到最低点后上升趋势更加剧烈;祁连山中北部地区低云量呈显著的下降趋势;河西走廊中北部区低云量一阶趋势不显著,二阶趋势很显著,1981年是一个转折年份,1981年之前低云量增加,之后低云量减少。

󰀁󰀁秋季:祁连山中南部地区一阶变化趋势不显著,但有显著的二阶趋势,1985年后云量增加;祁连山西部变化趋势不显著,从1991年后显著上升;柴达木盆地低云量有显著的单调上升趋势。

图2󰀁祁连山区夏季低云量的前三个旋转载荷向量

(a)第一载荷向量,(b)第二载荷向量,(c)第三载荷向量

Fig.2󰀁Thefirst(a),second(b)andthird(c)loadingvectorsoflowcloudamountoverQilianmountainarea5󰀁小结

󰀁󰀁(1)󰀁祁连山及周围地区低云量最多的是夏季,󰀁548󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高󰀁󰀁原󰀁󰀁气󰀁󰀁象󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

初步分析[J].气象,2003,29(1):7-11

󰀁󰀁25卷󰀁

其次是春季、秋季,最少是冬季。祁连山区主体部分的大多数测站低云量夏季比春季高17%左右,比周围地区高20%左右。

󰀁󰀁(2)󰀁对祁连山及附近测站低云量进行EOF展开,得到了3种主要的空间分布:主体一致型、东西变化的󰀂+-+ 型及南北变化相反型。󰀁󰀁(3)󰀁祁连山附近地区春、夏和秋季低云量有3个主要异常敏感区:柴达木盆地区、祁连山区、河西走廊区。其中祁连山主体低云量异常变化又分为春季为祁连山中南部、夏季为祁连山中北部、秋季为祁连山南部及东部。

󰀁󰀁(4)󰀁不同区域低云量时间变化特征:柴达木盆地,各个季节低云量皆呈上升趋势,特别是1985年后云量显著增加;河西走廊,春、夏季低云量的变化趋势不显著,但1990年代夏季低云量处于减少时期;祁连山区,夏季有显著的下降趋势,春、秋季趋势不显著,但秋季从1991年后显著上升。参考文献

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StudyonClimaticChangeandAnomalyofLowCloud

AmountoverQilianMountainArea

CHENShao󰀁yong

1,2

,󰀁DONGAn󰀁xiang

1

(1.KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince,LanzhouAridMeteorologyInstitute,ChineseMeteorologicalAdministration;Lanzhou730020,China;2.MeteorologicalBureauofBaiyin,Baiyin730900,China)

󰀁󰀁Abstract:Usingthelowcloudamountof34observationalstationsoverQilianmountainareafromJan󰀁uarytoDecemberintheperiodof1961!2000,thespatialanomalyfeaturesandtimeevolutionruleoflowamountfor40yearswereanalyzedwithEOFandREOFmethods.Theresultsshowthefirstthreeprinci󰀁palcomponentscanreflectthewholeanomalystructureofseasonlowcloudamount,namelytheconsistenttypeinthewhole,󰀂+-+ typeofeastandwestchanges,northandsouthchangecontrarytype.ThefirstthreeloadingvectorfieldsofREOFcanrepresentthethreeprincipalamountanomalyareas:Chaid󰀁amubasin,QilianmountainareaandHexicorridor.Itsturnintohavethedifferenttrends,Chaidamuba󰀁sin∀scloudamounthadincreasedtrendineachseason,especiallytheamountofcloudnotableincreasedaf󰀁ter1985.Hexicorridor∀scloudamounttrendhadn∀tobviouslychangedinspringandsummer,butin1990∀stheamountobviouslydecreasedinsummer.Qilianmountainarea∀strenddidn∀tobviouslychangeinspringandautumn,buttheautumn∀samounttrendincreasedin1990∀sanddecreasedinsummer.

Keywords:Qilianmountain;Lowcloudamount;Climaticchange