SVD分析青藏高原冬春积雪异常与西北地区春、夏季降水的相关关系

SVD分析青藏高原冬春积雪异常与西3北地区春、夏季降水的相关关系王芝兰;李耀辉;王劲松;陈录元【摘要】基于19712010年青藏高原70余个气象台站逐日积雪深度资料和西北地区春、夏季降水日资料，利用奇异值分解(SVD)方法分析了高原冬春积雪深度分别与西北地区春季、夏季降水的关系.结果表明:高原冬春积雪异常与西北地区春、夏季降水存在显著相关,冬春积雪深度的变化对后期春、夏季西北地区降水有指示和预测意义.高原冬春积雪深度异常对西北地区春、夏季降水主要以正反馈为主,但影响的关键区有所不同.高原冬春积雪中部偏多时,春季降水在陇东南、宁夏及陕西地区显著偏多;夏季降水在陇东南及宁夏西部显著偏多.从高原多雪年与少雪年的角度出发,分析了西北地区降水的差异,表明高原冬春积雪偏多,春季西北大部地区降水偏多,北疆偏少;夏季在南疆、甘肃中部、青海大部及陕西降水偏多,尤其陕西南部地区增多显著,北疆、肃北及陇东部分地区降水偏少.期刊名称】干旱气象年(卷),期】2015(033)003【总页数】8页(P363-370)【关键词】冬春积雪深度清藏高原;奇异值分解(SVD);西北地区降水作者】王芝兰;李耀辉;王劲松;陈录元【作者单位】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,中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020;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,中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020;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,中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020;中国人民解放军94195部队气象台,甘肃临洮730500【正文语种】中文【中图分类】P468.0+25我国西北地区位于青藏高原东北侧，深居欧亚大陆腹地，远离海洋，水汽来源匮乏，气候干燥，降水在该地区显得尤为重要1。诸多研究对西北地区不同时间尺度、不同地域的降水分布及变化特征进行分析，研究表明：西北年降水量自西北向东南递增，形成3种典型气候区，其中新疆、甘肃河西走廊、青海柴达木盆地、内蒙古中西部与宁夏中北部为干旱区，甘肃河东、宁夏南部、陕北等地为半干旱区，陇东南和陕南地区为半湿润及湿润气候区2。由于地形复杂，导致西北干旱气候空间差异大，降水稳定性差3。西北大部分区域年降水主要集中在夏季，但西北地区西部，特别是北疆和天山的降水除了夏季降水量较多外，其余各季的降水也占有较大的比例4-10。韦志刚等11分析了中国西北地区降水量的演变趋势和年际变化指出，西北地区1960年代初多雨，1970年代初演变为少雨，1980年代又多雨，1990年代少雨，主要存在准8a、5a、准34a和准5.1a的低频振荡。还有许多学者，采用EOF、REOF、周期分析、小波分析等方法对西北地区各季节降水的异常特征、时间演变及周期变化等特征进行详细对比，得到了一些很有意义的结果12-18。西北地区干旱的形成与永久性的西北干旱及西北区相对干、湿年的年际变化有关。深居内陆和青藏高原（下称高原）大地形的地理环境造就了西北干旱的背景；高原的热力、动力作用和环流特征的逐年间差异造成了西北地区降水的年际变化，干、湿年转换19。研究表明10-12月、14月青藏高原上空100hPa高度场与高原东侧地区68月降水场有显著的联系20；同期、前期10-12月和3-5月500hPa高度场与西北地区降水场均存在相关关系21。白虎志等22分析了高原季风指数与西北地区月降水的遥相关关系，发现1月高原冬季风指数与西北地区年降水和夏季月降水相关显著。高原季风异常可能与高原下垫面热力异常有关，从而推测冬季风异常是通过高原这个巨大热载体影响夏季风异常的。积雪作为高原下垫面的一个重要特征，一方面改变地面反照率及辐射收支，另一方面融雪过程中改变热量平衡和水分平衡，引起大气环流变化，进而对区域或全球气候产生影响23-25。早在1884年Blanford26根据少量观测资料揭示出喜马拉雅山区冬春季积雪与印度夏季风降水之间的反相关关系。1970年代末，陈烈庭等27分析了高原冬春积雪与中国华南夏季降水有正相关关系，随后展开一系列有关欧亚或高原冬春季积雪与后期不同时段中国各地环流及降水联系的研究，研究表明青藏高原积雪的异常变化对中国降水和气候会产生影响，并初步得到其影响机理24,27-31，高原积雪成为汛期降水预测中的一个重要信号。吴统文等19对高原地区多、少雪年地面热状况及与西北干旱区后期降水量的关系进行分析表明，高原冬春季积雪与后期西北干旱区雨量呈弱的反相关关系,积雪异常造成5-9月雨量值达同期常年雨量值的1-2成。王澄海等32指出高原积雪与西北春季降水存在弱的相关关系，高原南部积雪多,西北春季降水少，高原积雪对西北春季降水的影响是一个相对较慢的过程，多雪年与少雪年,高原东北侧、河西西部的春季降水差异最为显著。周浩等33使用奇异值分解(SVD)分析了青藏高原冬、春季积雪日数资料和西南地区夏季降水的关系，表明冬春季高原积雪对西南地区夏季旱涝有重要的影响，且冬季高原积雪的异常变化比春季对西南地区夏季降水的影响更为显著。已有研究多数针对高原积雪异常对中国东部、南部的雨季降水的影响，对西北地区降水的影响还比较少。本文在已有研究的基础上，采用SVD方法，分析了近40a青藏高原冬春积雪深度异常与我国西北地区降水的关系，深入探讨了高原积雪对其相邻的西北地区春、夏季降水的影响,详细讨论了高原积雪异常与不同季节降水的相关程度及对应的敏感区，以期为进一步揭示西北地区的干旱成因提供科学依据，也为西北地区春夏季降水的预测提供重要依据。1.1资料来源选取缺测较少的青藏高原地区71个地面气象台站19712010年逐日积雪深度资料，当年冬春积雪是指前一年11月至当年3月积雪深度的累积。西北地区降水资料主要来自新疆、青海、甘肃、陕西和宁夏5省（自治区）的135个地面气象台站逐日降水量，春季为35月，夏季为68月。1.2研究方法奇异值分解（SingularValueDecomposition，简称SVD）是以2个要素场之间最大协方差为基础进行展开的，是研究2个场相关结构的有效诊断分析方法，适用于气候诊断分析及大尺度气象场的遥相关方面34-35。SVD方法优于典型相关分析方法，能够最大限度地分离出相互独立的耦合分布型和各自满足的正交性，揭示2个气象场存在的时域相关性的空间联系，找到真正的遥相关型和关键区。模态异性相关分布表示左（右）场展开系数所反映右（左）场时间变化程度大小的分布特征，其显著相关区代表2个场相互影响的“关键区”；模态同性相关分布则反映展开系数序列表示自身场时间变化程度大小的地理分布，在一定程度上代表了左、右场的遥相关型；模态相关系数能够表现出在自身气象场的贡献及在另一个气象场中的贡献，计算简便，物理解释清晰34-38。下述公式（1）对相关系数进行显著性检验。当样本n=40时,a=0.1和0.05，对应的临界相关系数Rc分别为0.263和0.311。文中以青藏高原冬春积雪深度为左场，分别以后期西北地区春季、夏季降水场为右场。此SVD分解是为了分析前期高原冬春积雪异常对后期西北地区春季和夏季降水的具体影响。图1是高原冬春积雪年际变化，可以看出，高原冬春积雪年际波动较大，19701990年代的波动振幅比2000年代大。19712010年积雪深度变化趋势不明显以-2.53cm（10a）-1的速率下降，但未通过显著性水平检验），总体呈现先增后减的趋势。19701990年代高原冬春积雪深度有增加趋势，1989年、1996年出现异常大值；19962010年高原冬春积雪呈下降趋势，尤其在19992007年期间，积雪连续9a低于均值，处于偏少时期，这与文献39-40啲结论一致。通过SVD方法对19712010年青藏高原冬春积雪深度与我国西北地区降水进行统计分析，表1为前5对主分量模态总方差贡献率及相关系数。结果表明，前5对奇异向量之间的相关系数均在0.73以上，明显超过0.01（a0.01=0.402）显著性水平，累积方差贡献率达到62.33%；第一、二模态相关系数分别为0.73和0.78，方差贡献率分别为29.64%和11.74%，反映出两场关系的主要特征，所以本文主要对前2个模态的相关特征进行分析。图2为青藏高原冬春积雪深度与西北地区春季降水SVD分析的第一模态，可以看出，青藏高原地区冬春积雪深度场与西北地区后期春季降水场之间存在显著耦合模态，相关系数达到0.73。对应的时间序列（图2a）可以看出，两场的时间系数均有明显的年际波动，变化趋势较一致，降水的年际间波动幅度比积雪深度大。积雪在19701990年代表现为缓慢增多趋势，进入21世纪有减少趋势。西北地区1970年代表现为少雨，1980年代多雨，1990年代除1998年外表现为少雨，2000年代除2002、2003年及2010年降水较多以外，其余年份表现为少雨，这与韦志刚等11的研究结果一致。1983年和1998年的降水和积雪深度均异常多。从SVD第一模态异性相关系数（图2b）可以看出，高原积雪深度自身的异常变化高值区也是与西北春季降水相关程度的高值区。从第一模态高原积雪场来看，除高原北部、南部边缘及东部部分地区为负值外，高原西部、中部、中东部及东北部分地区均为正值，高值中心位于高原西部及中部地区，即为影响西北地区春季降水的关键区。相应的西北地区春季降水场在新疆南部、青海等地为负值，北疆、甘肃大部、宁夏、陕西等地均为正值区，高相关区位于西北东部的陕西、宁夏及陇东南地区（图2c）。由于第一模态相关系数为0.73，表明高原冬春积雪深度与西北大部分地区春季降水存在正相关关系，即高原西部、中部、中东部及东北部分地区冬春积雪偏多时，后期春季北疆、河西走廊、陇东南地区、陕西、宁夏等地降水偏多，青海大部偏少，反之亦然。图3为青藏高原冬春积雪深度与西北地区春季降水SVD分析的第二模态。时间序列如图3a所示，可以看出两场的时间系数变化趋势较一致，降水和积雪深度均呈增加趋势，降水变化波动大于积雪。高原冬春积雪深度场和西北春季降水场的第二模态空间分布与第一模态有显著差异。高原冬春积雪深度场在高原呈西北东南反位相分布，高原西北部为正值区，东南部为负值区，高值中心位于高原西北部和东南部地区。西北地区春季降水场约以103E为界，以西为正异常区，以东为负异常区，高相关区在南疆西部、青海北部地区、陕西北部及汉中地区。第二模态相关系数为0.78，高原冬春积雪呈现高原西北部偏多、东南部偏少的典型分布时，新疆、青海、甘肃大部春季多雨，而宁夏、陕西、陇南等地少雨。第一、二模态作为SVD分析最主要模态，均反映出西北地区春季降水与青藏高原冬春积雪深度存在密切相关关系，高原积雪深度发生变化对后期西北地区春季降水会产生影响。同时也反映出西北地区春季降水的一致性较差，降水在东、西向存在反相变化，南、北向（南疆、北疆）也存在显著差异。青藏高原冬春积雪异常对西北春季降水的变化主要以正反馈为主，高原积雪整体偏多时，西北地区春季降水偏多，陇南、宁夏及陕西地区表现尤其显著。西北地区80%的年降水集中在夏半年（59月），仅78月降水量占全年雨量的42%2-3。表2为19712010年青藏高原冬春积雪深度与我国西北地区夏季降水的前5对主分量模态总方差贡献率及相关系数。可以看出前5对模态相关系数均在0.72以上，达到95%的置信水平，累积方差贡献率达到57.31%。图4为青藏高原冬春积雪深度与西北地区夏季降水SVD分析的第一模态，青藏高原地区冬春积雪场与西北地区后期夏季降水场之间存在显著耦合模态。对应的时间序列如图4a所示，高原冬春积雪与西北夏季降水年际变化显著，变化趋势较一致，且比春季的时间系数变化对应得更好。西北地区夏季降水1970年代有所增加，19801990年代末变化不显著，1998年以后降水有所减少。图4b为高原冬春积雪场的分布，冬春积雪深度在高原大部分地区表现为正值区，而高原南部边缘、青海南部和川西部分地区呈负值区，高相关区位于西藏中部及青海西部地区。相应的西北地区夏季降水场（图4c）在北疆、甘肃大部、宁夏、陕西等地为正值区，南疆和青海等地为负值区，高相关区位于河西以东、宁夏及陕西地区。第一模态相关系数达到0.72，分析表明当高原冬春积雪深度在西部、中部及东北部地区偏多，高原南部、青海南部等地偏少时，后期西北地区夏季北疆、甘肃大部、宁夏、陕西等地降水偏多，而南疆西部、青海降水偏少。图5为青藏高原冬春积雪深度与西北地区夏季降水SVD分析的第二模态，可以看出，青藏高原地区冬春积雪场与西北地区后期夏季降水场的相关系数达到0.75。图5a给出了对应的时间序列，积雪深度与夏季降水的变化非常一致。图5b可以看出高原冬春积雪场在高原东北部（青海大部及川西地区）为负值区，西藏大部为正值区，相关高值区位于高原中部一南部地区。图5c为相应的西北夏季降水场，在北疆、陇南、宁夏及陕西北部呈负值区，南疆、河西地区及陕西南部为正值区。反映出高原东北部冬春积雪偏少，西藏大部积雪偏多时，夏季南疆、甘肃的河西地区及陕西南部地区降水偏多，而在北疆、陇南、宁夏及陕西北部地区降水偏少。青藏高原冬春积雪深度与西北地区夏季降水的第一、二模态，也反映出西北夏季降水与高原冬春积雪存在密切关系。高原积雪异常对南部（南疆、青海大部及河西地区）和北部（北疆）的降水影响存在差异。从高原冬春积雪深度与西北春季、夏季降水的第一模态来看，高原冬春积雪对西北地区春季、夏季降水的影响有相同之处，高原积雪场的典型分布均在高原西部、中部地区为正值，西北地区降水场的典型分布均为北疆甘肃宁夏陕西一带为正值区，南疆和青海地区为负值区，但影响的关键区有所不同。前期高原冬春积雪中西部偏多时，春季在陇东南、宁夏及陕西降水显著偏多，夏季在陇东南及宁夏西部降水偏多。为了尽可能放大高原积雪异常对西北地区降水的影响，选取多雪年和少雪年，分析西北地区降水的变化。韦志刚等41按照1:2:1为正异常：正常：负异常的原则来确定多、少雪年，钟爱华等42对比前人的结果发现根据积雪资料的种类及来源不同，统计出的多、少雪年并不一致。本文重点并非多、少雪年的确定，而是讨论多、少雪年西北地区降水的特征，所以本文按积雪深度由大到小将19712010年按序排列，选取前5年和后5年分别定义为多雪年（1996年、1989年、1998年、1982年、1978）和少雪年（1971年、1999年、1984年、2004年、2000年）。图6为西北地区多雪年与少雪年降水量差值的空间分布。可以看出，冬春高原积雪偏多，春季除北疆地区外，西北大部地区降水偏多，尤其在陕西南部地区，多雪年比少雪年降水多达50mm以上；夏季北疆、肃北地区及陇东部分地区降水偏少，南疆、甘肃中部、青海大部及陕西降水偏多，尤其陕西南部地区多雪年比少雪年降水多达80mm。（1）高原积雪深度年际波动大，变化趋势不明显，总体呈现先增后减的趋势，19701990年代有增加趋势，19962010年呈下降趋势。（2）高原冬春积雪深度与西北地区春、夏季降水存在显著相关关系，冬春积雪深度的变化对后期春、夏季西北地区降水有指示和预测意义。高原冬春积雪深度异常对西北地区春、夏季降水的变化主要以正反馈为主，但影响的关键区有所不同：高原冬春积雪中部偏多时，春季降水在陇东南、宁夏及陕西地区显著偏多；夏季降水在陇东南及宁夏西部显著偏多。(3) 从青藏高原多雪年与少雪年西北地区降水的差异来看，当青藏高原冬春积雪偏多时，春季降水北疆偏少，西北大部地区降水偏多；而夏季北疆、肃北地区及陇东部分地区降水偏少，南疆、甘肃中部、青海大部及陕西降水偏多，尤其陕西南部地区最为显著。【相关文献】1董安祥，白虎志，雷小斌中国西北地区干旱气侯学的新进展及其主要科学问题J.干旱气象，2006,24(4)：57-62.2钱正安，吴俊文，宋敏江干旱灾害和我国西北干旱气候的研究进展及回顾J地球科学进展，2001，16(1)：28-38.3徐国昌中国干旱半干旱区气候变化M.北京:气象出版社，1997.19-65.4李栋梁，谢金南，王文中国西北夏季降水特征及其异常研究J.大气科学，1997,21(3):331-340.谢金南，周嘉陵西北地区中、东部降水趋势的初步研究J.高原气象，2001,20(4):362-367.王劲松，李耀辉,王润元，等我国气象干旱研究进展评述J.干旱气象,2012,30(4):497-508.7宋连春，张存杰.20世纪西北地区降水量变化特征J.冰川冻土，2003,25(2):143-148.8张强，张存杰,白虎志，等西北地区气候变化新动态及干旱环境的影响J.干旱气象,2010,28：1-7.9魏锋中国西北地区降水的长期变化特征及其可能影响因子研究叨南京：南京信息工程大学,2005.10杨金虎，王鹏祥，白虎志，等中国西北降水年内非均匀性特征分析J.气候变化研究进展，2007,3(5):276-281.11韦志刚，董文杰，惠小英中国西北地区降水的演变趋势和年际变化J.气象学报，2000,58(2):234-243.12蔡晓军，李栋梁，姚辉中国西北地区春末夏初降水异常的时空变化特征J.高原气象，1998,17(2):170-181.13李耀辉，李栋梁，谢金南中国西北地区秋季降水异常的特征分析J.高原气象，2001,20(2):158-164.14李久生.北方地区干旱变化趋势分析J.干旱地区农业研究，2001,19:42-51.15 张智，梁旭，尚永生，等西北地区近40年旱涝变化分析A.中国西北干旱气候变化与预测研究C.北京:气象出版社，2000.845-350.16 朱炳瑗，林纾，陆登荣，等甘肃省气候的年代际变化特征A中国西北于旱气候变化与预测研究C.北京:气象出版社，2000.74-75.17 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