华北空中水资源年代际变化及其与大尺度海—陆温度变化的关系

【摘要】：中国水资源严重短缺,伴随着全球变暖过去几十年我国华北地区降水量持续减少,导致该地区的水资源进一步缺乏。华北水资源供给不足严重制约了当地的经济发展,并引起政府的高度关注。夏季空中水是华北可利用水资源的重要源泉,深入认识华北空中水资源的时空变化及其成因是制定未来国家水资源应对策略的重要前提。为此,本论文利用东亚探空资料,全国722个台站的降水、温度资料,以及NCEP/NCAR和ECMWF大气再分析资料,详细分析了1951-2010年华北地区空中水资源各分量(包括降水、蒸发、可利用降水等垂直分量,大气可降水量,水汽输送、水汽收支等水平分量)的季节和年代际尺度变化特征,利用探空资料对比和分析了两套再分析资料对华北水汽输送描述的差异。除此之外,借助环流分析讨论了海陆温度长期变化对华北可利用降水的影响。主要结论如下: (1)华北地区气候平均温度,降水,蒸发和可利用降水季节变化表现为单峰特征,夏季高于冬季。年降水量的69%被蒸发损耗,冬春两个季节的蒸发远大于夏季,夏季可利用降水是华北地区水资源的主要来源。华北夏季可利用降水与夏季降水年代际尺度变化基本同步,表现为在上世纪70-80年代以及90年代至21世纪初发生两次突变性减少,突变时间分别为1979年和1996年。 (2)分析发现,NCEP/NCAR和ECMWF资料所描述的华北地区水资源分量的气候特征与探空资料基本一致。但是,NCEP/NCAR资料反映的水资源年际变化在1965年之前的结果异常偏高,1965年之后的结果同ECMWF资料和探空资料的变化比较一致。夏季大气可降水量分别在上世纪70年代末与90年代初发生显著减少,且最近十年出现连续负距平。其中,纬向水汽输送通量在上世纪80年代末期开始减少,并在21世纪初进一步减少。然而,经向水汽输送通量70年代和80年代末期均发生减少,而在21世纪初相对于90年代略有增加。 (3)华北夏季水汽输送来源有两支,分别是东亚夏季西南风和西风带通过偏南和偏西边界水汽输送。气候平均而言,华北夏季水汽收支为正,水汽汇主要位于低层,而中高层为水汽源。比较发现,西边界和南边界整层输送量值相当,但南边界输送主要集中在700hPa以下,而西边界输送垂直分布均匀。年代际之间的差异主要表现为上世纪60年代水汽收支偏多,而70-80年代持续减少,90年代略有增加,21世纪初水汽收支再次增加。NCEP资料显示上世纪70年代末的水汽输入减少主要是两个边界水汽输入量共同减少导致的结果,但80年代的水汽减少主要由于南边界输入减少导致,而90年代的减少为两个边界同时减少导致的结果,但是西边界减少数值要大于南边界。进入21世纪初,南边界水汽增加,而西边界水汽输入略有减少。 (4)夏季蒙古上空的气旋和东亚夏季风西南季风是影响华北可利用降水的两个关键环流系统。利用NCEP大气再分析和探空资料分析发现:伴随贝加尔湖地区的地表气温变暖,蒙古上空的500hPa温度、位势高度表现出持续性变暖增强趋势,并在该地区上空形成了异常暖性反气旋环流。该异常反气旋导致了向华北输送水汽的偏西风和东亚西南夏季风的减弱,从而导致华北空中水资源的持续减少。 (5)大尺度海-陆温度长期变化对华北水资源的长期变化存在显著影响。分析发现,华北可利用降水分别与亚洲北部大陆的地表气温和同期的赤道东太平洋和印度洋西部的海表温度表现出显著的负相关。滑动相关分析,海温与华北可利用降水负相关系随时间变化稳定,但是自90年代中期之后相关系数发生逆转。去掉线性趋势后,大陆地表温度仅在70年代和90年代负相关超显著,但时间恰好对应华北可利用降水的年代际转折阶段,预示着大尺度陆地温度的变化对华北可利用降水的年代际尺度突变具有重要的影响。