（自然地理学专业论文）青藏高原降水时空分布特征分析.pdf

摘要 过去的一百年，全球气候以超过其自然速率迅速变化着。这种变 化给人类带来的影响是非常深刻地。在全球气候变化的大背景下，区 域气候的变化特征、响应机制及其带来的影响成为了人类关注的重 点。青藏高原作为全球气候系统中的一个典型单元，它对全球气候变 化的响应具有敏感性和强烈性。因此，对青藏高原气候变化的研究具 有重要意义。本研究利用青藏高原上9 8 个地面气象站1 9 6 1 - 2 0 0 5 年 逐月降水量资料以及印度逐月降水量资料，采用经验正交函数、旋转 经验正交函数、线性回归、小波分析及相关分析等方法研究了高原降 水的特征场分布、分区特征、周期性和突变性、降水变化的区域差异、 雨季期间青藏高原与印度降水的关系，得到以下结论： ( 1 ) 通过对高原8 5 个具有较长序列站点的年降水资料进行经验正 交函数展开，发现高原年降水主要存在三种空间分布型：南北差异型、 全区一致型、东南一西北差异型。旋转后的8 个载荷向量场依次对应 雅鲁藏布江下游地区、三江源区、喜马拉雅山北麓区、柴达木盆地区、 川西、东羌塘高原区、高原东南区、青海湖区。 ( 2 ) 高原年降水呈不明显增加；高原冬春降水均呈显著增加，夏秋 降水基本保持不变。m o r l e t 小波分析表明高原年降水存在准2 年， 准5 年、准1 1 年和准2 2 年四个特征时间尺度，且以准1 1 年和准2 2 年两个时间尺度上的周期振荡为主；夏季降水的周期特征同年降水一 致；春季降水存在准4 年、准7 年、准1 1 年和2 8 年四个特征时间尺 度；秋季降水存在准4 年和准1 1 年二个特征时间尺度；冬季降水存 在三个特征时间尺度，依次为准2 年、准5 年和准1 1 年。 ( 3 ) 高原年降水量的变化趋势大致以东经1 0 2 度为界，此线以东降 水呈减少趋势，且减少趋势随经度递增而递增，中心位于川西；此线 以西降水呈增加趋势，表现为随纬度的递增而递减，中心位于雅鲁藏 布江中下游。高原中部、北部的年降水基本保持不变或微弱增加。春 季整个高原降水呈增加趋势，中心位于高原南部的雅鲁藏布江下游一 带；夏季高原南部、北部降水增加带，中部、川西降水减少；秋季高 原东北、川西呈减少趋势，雅鲁藏布江下游地区以及高原东南为增加， 高原中部、北部趋势不明显；冬季仅高原东南有一很小的减少区，其 他区域降水都在增加，高原中部及雅鲁藏布江下游地区增幅最大。 ( 4 ) 雨季，高原与印度降水相关情况如下：高原南部与印度东北 区正相关明显，与印度中、西部则呈负相关；高原北部与印度各气候 区多呈负相关：高原东部仅与印度东北区呈负相关，同其他区域均呈 正相关。 ( 5 高原冰川、湖泊及河流径流的变化对降水变化的响应是非常复 杂的。如，高原年降水增加区域里的冰川有退缩的、有稳定的、还有 前进的。因此，不能简单地由冰川的变化而断定某个气候因子的变化 情况。 关键词：青藏高原，降水，时空分布，区域差异，印度 u a sa l lw ek n o w , t h eg l o b a lc l i m a t ew h i c hh a sb e e nc h a n g i n ga t h i g h e rp a c et h a ni tu s e dt ob eh a sb r o u g h td e 印i n f l u e n c eo nh u m a n b e i n g si nt h ep a s to n eh u n d r e dy e a r s u n d e rt h eg l o b a lc l i m a t ec h a n g e ， t h er e g i o n a lc l i m a t ec h a n g ea t t r a c t sm u c ha t t e n t i o nt h et i b e t a np l a t e a u i sat y p i c a la r e ai nt h eg l o b a lc l i m a t es y s t e m , i t sc l i m a t ec h a n g ep o s s e s s s e n s i t i v er e s p o n s ea n ds t r o n ge f f e c tt ot h eg l o b a lc l i m a t ec h a n g e w i t h e o f , r e e f , l i n e a rr e g r e s s i o n , w a v e l e ta n a l y s i sa n dc o e f f i c i e n ta n a l y s i s ， t h es p a c e - t i m ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r e c i p i t a t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e nt h e t i b e t a np l a t e a ua n di n d i aa r es t u d i e db yu s i n gt h em o n t h l yp r e c i p i t a t i o n d a t ad u r i n g1 9 6 1 2 0 0 5f r o m9 8s t a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) t h e r ea r et w op a r c r n so f a n n u a lp r e c i p i t a t i o n , d r y - w e td i f f e r e n c e a n dd r y - w e tc o n s i s t e n c e d t y - w e td i f f e r e n c ei n c l u d e st w ok i n d sa sf o l l o w ： d r y ( w e t ) i n s o u t ha n dw e t ( d r y ) i nn o r t h , d r y ( w e t ) i ns o u t h e a s ta n d w e t ( d r y ) i nn o r t h w e s t t h e f i r s t e i g h tr o t a t e dl o a d i n g v e c t o rf i e l d s r e p r e s e n te i g h tp r i n c i p a la n n u a lp r e c i p i t a t i o na n o m a l y a r e a s ( 2 ) t h e r ei sa 1 1o b v i o u s l yp o s i f f v et r e n dw i t ht h ep r e c i p i t a t i o nd u r i n g s p r i n ga n dw i n t e r , a n dn oo b v i o u st r e n di ns 1 l r n l l e r , a u t u m na n da n n u a l w ef o u n dt h a tt h e r ea r e2 - y e a r , 7 - y e a r , 11 - y c 鸱2 2 - y e a rt i m es c a l e sa n d m a i np e r i o d so fa n n u a lp r e c i p i t a t i o n 钾e a t , 7 - y e a r , 11 - y e a r , 2 8 - y e a ro f s p r i n gp r e c i p i t a t i o n 4 - y e a r , ll - y e a ro fa u t u m np r e c i p i t a t i o n 3 - y e a r , l 5 - y e a r , 1 1 - y e a r o f w i n t e r p r e c i p i t a t i o n ( 3 ) t h et r e n d so fp r e c i p i t a t i o nh a v ea no b v i o u sr e g i o n a ld i f f e r e n c e f o re x a m p l e ，ad e c r e a s i n gt r e n da p p e a r si nt h es o u t h e a s to ft h et i b e t a n p l a t e a ub u ta l li n c r e a s i n gt r e n di nt h er e m a i n i n ga r e ai nw i n t e r ( 4 ) t h ec o r r e l a t i o n so f r a i n ys e a s o np r e c i p i t a t i o nb e t w e e nt h e t i b e t a n p l a t e a ua n di n d i aa sf o l l o w s ：t h e r ei sp o s i t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h es o u t h o ft h ep l a t e a ua n dn o r t h e a s to f i n d i a , n e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn o r t h o ft h ep l a t e a ua n dm o s ta r e ao fi n d i a ，a l s oe a s to ft h ep l a t e a ua n d ( 5 ) t h er e s p o n d so f g l a c i e r s ，l a k e sa n dr u n o f f st ot h ep r e c i p i t a t i o ni n t h et i b e t a np l a t e a ua r es oc o m p l e xt h a tw ec a n ts i m p l yc o n c l u d ew h i c h l e a d st ot h ec h a n g e k e yw o r d s ：t h et i b e t a np l a t e a u ，p r e c i p i t a t i o n , s p a c e t i m ec h a r a c t e r i s t i c s , i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：；多氐l 1 年b 月b 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阕。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书 2 、不保密团。 作者签名凑。乏张雀警搿j 以 锄签够；f 午嗍：1 “川 li 青藏高原降水时空分布特征分析 1 绪论 1 1 引言 2 0 世纪8 0 年代发展起来的以气候系统、各子系统内部以及各子 系统之间的相互作用为研究对象的全球变化科学，其核心问题和重要 内容便是全球气候变化。因全球气候变化的影响具有多尺度、全方位、 多层次，正面和负面影响并存，且负面影响突出的特点n 1 ，它也越来 越受到人类的重视。2 0 0 7 年2 月2 日，联合国政府间气候变化专门 委员会( i p c c ) 第一工作组在巴黎通过决议，接受i p c c 第四次评估报 告第一卷气候变化2 0 0 7 ：自然科学基础的“决策者摘要”。这是 继1 9 9 0 、1 9 9 5 、2 0 0 1 年先后发表了第一、二，三次评估报告之后， i p c c 发表的第四次评估报告中的第一工作组评估部分，主要回答了 气候变化观测结果、科学成因等问题。第四次评估报告所包括的第二、 三工作组的评估内容将分别回答气候变化影响评价、脆弱性评估和适 应问题以及减缓气候变化的社会经济影响评价问题，它们将于今年晚 些时候陆续得到发表。在全球气候变化的大背景下，区域气候的变化 特征、响应机制及其所带来的影响等成为科学界研究的热点。青藏高 原作为全球气候系统中的一个敏感地区，它的气候变化有着重要的意 义。 青藏高原位于我国西南，广义的青藏高原是指海拔在30 0 0m 以 上的区域，其东西相距30 0 0k m ，南北最宽处约为16 0 0k r a ，面积 达2 9 1 0 6 k m z 。研究表明，高原高大整体能产生显著地动力作用和 硕士学位论文 热力作用3 ，不但对东亚和北半球环流有重要影响，而且在夏季还可 以影响到赤道以南睛1 。进一步研究发现高海拔地区比低海拔地区对全 球气候变化反应更敏感、更强烈。如青藏高原气候变化的位相比我国 东部位相提前睁1 1 1 。研究还发现，青藏高原的气候变化对中国乃至世 界气候变化具有指示性意义。高原降水变化在其气候变化中又占有着 特别的地位。就高原本身而言，青藏高原大部分地区属半干旱、干旱 区，高原生态系统十分脆弱，特别是高原西部地区，降水对生态系统 有着重要意义；另一方面，青藏高原被誉为亚洲的“水塔”，它是众 多外流河，如长江、黄河、怒江、澜沧江、雅鲁藏布江的发源地，并 且高原北部和西部的内流河则是当地重要的水资源。再有，高原降水 对这里的冰川发育也有着重要影响。因此，青藏高原地区的降水不但 维系着高原自身的发展，而且还影响到中国以及东南亚、南亚各国的 水资源安全。 1 2 研究动态 近几十年来，我国科学工作者对中国过去及现代的气候变化、形 成机制及影响评估做了大量研究。由于我国气象台站多设立于1 9 5 0 年代、1 9 6 0 年代，自那时起才有了丰富的地面观测资料。因此，多 数工作集中在现代气候的研究上。有关降水变化的研究表明，中国近 几十年降水主要表现在西部、东南部、东北西部增加，东北地区东部 及华北等地减少；东部地区夏季降水在增加，秋冬降水却在减少，西 部降水增加主要发生在冬季“”。中国西部在2 0 世纪后5 0 年降水增 加十分明显n 6 ，其中西北地区自1 9 8 7 年来降水增加尤为突出n ”。 2 青藏高原降水时空分布特征分析 西部的青藏高原地区，地面气象台站稀少，观测资料缺乏。这在很大 程度上制约了对该区气候变化的研究。另外，青藏高原异常复杂的地 形致使其降水也非常复杂。受上述因素的影响，对青藏高原地区降水 的变化趋势还存在争议n 蝴3 。马晓波等n 钔通过分析青藏高原8 4 个台 站自建站至2 0 0 1 年的气象资料，发现近4 0 年来高原年降水有所增加， 最大为l o 2 。姚莉等“钔在对高原1 5 站1 9 6 9 1 9 9 8 年降水资料分析 后指出高原的年降水量在1 9 8 0 年代中期之前为偏少，1 9 8 0 年代中期 之后为偏多。杜军等汹1 ，吴绍洪等叫1 研究发现，1 9 7 1 - 2 0 0 0 年青藏高 原大部分地区年降水量变化为正趋势。但也有不少研究指出高原降水 在减少陪“。如陈隆勋掣删研究表明青藏高原自1 9 6 0 年起年降水量 是轻度减少的，夏季减少最大，冬季反而是增加的；朱西德等幽1 对青 藏高原近3 0 年来年降水分析发现高原年降水也呈减少趋势。另外； 宽广的高原上，降水变化的区域差异应是十分明显，但这部分工作还 很薄弱”。如韦志刚等啪1 研究表明，藏东和海南地区冬春降水增加， 高原北部减少。冯松1 通过对高原和周边7 5 个站点1 9 5 8 1 9 9 6 年的 资料分析指出高原冬春两季降水增加主要发生在高原中东部，夏季高 原南部减少强烈，秋季高原中部、东南部为降水增加区，高原西南部 和东北部为降水减少区。可以看到两人的研究结论也有出入。 1 3 本文主要研究工作 本研究通过对青藏高原地面气象站的降水资料以及印度降水资 料分析，揭示了青藏高原近几十年中降水的时空变化特征以及高原降 水与印度降水的关系。本研究主要内容如下： ， 硕士学位论文 ( 1 ) 分析高原年、季节降水的空间分布特征、空间分布型以及 降水异常区。 ( 2 ) 分析高原降水的变化趋势、周期特征以及降水变化的区域 性差异。 ( 3 ) 探讨印度季风系统和青藏高原季风系统雨季降水的关系。 ( 4 ) 综述高原冰川、湖泊和河流径流的变化对高原降水的响应。 1 4 研究方法与资料处理 1 。4 1 资料 本文根据青藏高原9 8 个地面气象观测站( 图1 - 1 ) 1 9 6 1 - 2 0 0 5 年 逐月降水量资料进行分析。对缺测月的降水量采用克里金( k i r g i n g ) 插值进行了插补。克里金插值充分吸收了地理统计的思想，认为任何 在空间连续性变化的属性是非常不规则的，不能用简单的平滑数学函 数进行模拟，可以用随机表面给予恰当地描述，其内插值或局部均值 与数据点上的值一致溉”。这部分工作在地理信息系统软件 h r c g i s 9 0 中完成。考虑到尼木、普兰、改则、安多、拉孜、聂木拉、 错那、洛隆、左贡、察隅、黄南、果洛等共计1 2 站的缺澳十值较多， 没有对它们进行插值补充，这些站点只参与平均降水量场的绘制。 印度降水资料来源子印度热带气象研究所( i i t m ) 。资料包括了 全印度的核心季风区、东北区、中东北区、西中区、半岛、西北区自 1 8 7 1 年到2 0 0 5 年的月降水量。印度降水分区见第五章 青藏高原降水时空分布特征分析 7 5 8 08 59 0 9 5 1 0 0 1 0 5 e 一 沁 舻 一 蕊 鹆、 毛飞 。+ _ 。 、丧_ 母黔 瑚 移 、矿叱 图1 - 1 青藏高原9 8 个气象站分布 f i g 1 - 1d i s t r i b u t i o n o f 9 8 m e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n s 0 1 1 t h e t i b e t a n p l a t e a u 1 4 2 方法 1 4 2 1 线性回归 线性回归是研究长期气候变化的最常用方法，它可以估计气候变 化的趋势。在一元线性回归分析中用而表示样本量为刀的某一气候变 量，如表示对应的时间，而与玉之间的一元线性回归模型为： 毫= a + b t j ( i l l ，2 ，以) ( 卜1 ) 式中a 为回归常数，b 为回归系数，它们可用最小二乘法进行估计： 其中 a = i b i 撑啪一( 再) ( ) 6 = 生了上2 l 刀乍一( ) 2 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) i = 丢喜而f = 丢喜 。一4 ， 时间 与变量而之间的相关系数为r 计算公式如下： 硕士学位论文 ( 1 5 ) 回归系数b 的符号表示气候变量x 的线性趋势倾向。当b o 时， 说明随时间t 的增加，x 呈上升趋势；当b o 【o 国s o ( 卜6 ) 对时间序列阳，其小波变换为： 即，6 ) = 去c ，( 堋争出 ( 1 - 7 ) 晰，剀为小波分解系数，其中口为伸缩因子，6 为平移因子。 将小波系数的平方在b 域上积分，即得小波方差 。) = 妒似酬2 如 ( 1 8 ) 小波方差可以更准确地判断序列的显著周期。 青藏高原降水时空分布特征分析 因m o f l e t 小波函数是一个周期函数并经一个g a u s s i a n 函数平滑 而得到的，所以，它的伸缩尺度a 与傅里叶分析中的周期丁有一一对 应的关系： 肚。 q + 4 2 1 r + q ： a = - 讹 。一9 ， ( 2 ) m e x h 小波 m e x h 子波的母函数是 v ( x ) = ( 1 - x 2 ) 矿 它是对g a s s i a n 函数 g = 矿 求二阶导数取负所得。 m e x h 小波变换中的伸缩尺度a 与周期r 的关系为“阳： t ；3 9 7 4 a( 1 一l o ) 降水序列小波变换计算过程如下： 1 将原始降水序列进行距平处理，滤去一年的自然周期； 2 采用对称延伸法将距平序列进行延伸，以消除小波变换时边界效应； 对称延伸法即分别以边界线为对称轴，将原序列以对称轴为镜而复 制。如果原序列是： “力( 1 - = - 1 ，2 ，) 则以点为对称轴的对称延伸序列为： f ( k ) = f ( 2 n - k ) ( k = - n + l ，+ 2 ，2 n ) 3 将对称延伸的距平序列代入小波变换的f o r t r a n 程序进行计算，得 到小波变换系数以及小波方差； 硕士学位论文 4 在m a t l a b 中绘出小波变换系数的二维等值线图，从图中得出尺度信 息。 注意：对称延伸的序列进行小波变换后，须去掉两端延伸的小波变换 值，余下的便是原有资料所对应的变换值。 1 4 2 4 相关分析 本文用p e a r s o n 相关系数2 3 来定量描述青藏高原降水与印度降水 线性相关的程度。设有两个变量x l ，恐，x n ；y l ，y 2 ，o o j , 。此 时相关系数的计算公式为： “一i 地- y ) ( 1 - 1 1 ) 相关系数r 的取值在一1 0 + 1 0 之间。当r o 时，表明两变量 呈正相关，越接近1 0 ，正相关越显著；当r r 口时，我们认为在给定的a 的显著性水 平上，相关系数是显著的；反之则认为相关系数不显著。 1 0 青藏高原降水时空分布特征分析 另外为定量分析两幅图的相似程度，采用的相似系数的计算公式 如下： 而y l c o s o , 22 ( 1 - 1 2 ) 式中：m 为气象站数；c o s s l 2 为两幅图相似程度的定量指标，称为相 似系数。相似系数的取值范围是一j s c 傩岛2 9 ，两幅图的c o s2 取正值 越大越相似，取负值越小越相反。 硕士学位论文 2 青藏高原降水的空间分布特征 2 1 年降水 2 1 1 高原年降量分布 根据高原地面9 8 个气象站资料绘出了高原多年平均年降水量的 空间分布( 图2 - 1 ) 。由图可见，青藏高原年平均降水量表现出由东 南向西北递减的趋势。高原东南部年降水量多在10 0 0m m 以上。最 高在贡山，全年降水量达l7 3 7 7m 所。而高原西北地区的年降水量只 有几十毫米。最低在冷湖，全年降水量仅1 6 1 m m 。高原年降水场可 分出七个多雨区和四个少雨区。多雨区分布在高原西南、雅鲁藏布江 下游、高原东南、川西、三江源区、青海湖区、巴颜喀拉山以东松藩 地区；少雨区分布在柴达木盆地、怒江以东地区、喜马拉雅山北麓和 羌塘高原。 ? 7 5晒 9 0 9 51 0 01 0 5 8 八 裂甥b ，穸卜驾 勃j厂 辜多j _ f扔 德彰 疆，z 鹰魁i 奴 u 声 遵燃缈 、 翟2 - 1 霄藏焉原年降水量分布 f i 9 2 1s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f a n n u a lp r e c i p i t a t i o no v e rt h et i b e t a np l a t e a u 2 1 2 年降水量的空间分布型 由于经验正交函数对站点分布有均匀的要求，文中将高原西部仅 有的狮泉河一站剔除，并对高原8 5 个站的年降水量进行e o f 分解， 1 2 青藏高原降水时空分布特征分析 得到前1 0 个主成分。然后，对这1 0 个主成分进行最大方差旋转，得 到旋转后的1 0 个主成分。表2 - 1 给出了旋转前后主成分p c 和r p c ， 它们分别代表降水量场总方差的贡献率和累积贡献率。 表2 - 1 青藏高原年降水载荷向量的方差贡献( ) t a b l e 2 - 1 v a r i a n c e p e r c e n t a g e ( ) o f e o f c o m l x ) n e n t o f a n n u a l p r e c i p i t a t i o n o v e r t h e t i b e 恤 p l a t e a u 利用特征值误差范围检验发现，前三个特征向量有显著的物理意 义，它们的累积贡献达4 3 4 0 0 5 。图2 - 2 给出了前三个特征场，它们 分别揭示了青藏高原年降水量三种主要的空间分布型。 第一特征场( 图2 - 2 a ) 反映高原年降水分布的南北差异，即高原 年降水南多北少或北多南少。降水量的负值中心位于青海湖南部地 区，中心值达一o 7 5 。高原南部的正值中心位于雅鲁藏布江中、下游 地区以及横断山脉以东。这种分布与高原地形及西太平洋副热带高原 的位置有关。南北差异的分界线为唐古拉山脉。一般年份，来自印度 洋的湿润水汽难以翻越该山脉，从而降水出现南多北少；有些年份， 当夏季西太平洋副热带高原北跳时，高原北部降水通常是增加的哺1 ， 相关研究也证实了东亚夏季季风与高原东北侧区的旱涝呈正相关“”， 硕士学位论文 这时降水并出现北多南少。 第二特征场( 图2 - 2 b ) 反映高原年降水干湿变化的一致性。相对 变化率以怒江、澜沧江、长江上游为中心向四周逐渐减小。这种分布 与青藏高压的强弱有关。青藏高压强的年份，高原主体雨季开始时间 平均推迟一旬左右，高原降水偏少；青藏高压弱的年份，雨季开始时 间平均提前一旬左右，高原降水偏多吲。 第三特征场( 图2 - 2 c ) 反映高原年降水量的东南一西北差异。正值 中心位于川西，负值中心在柴达木盆地。这种分布主要受地形的影响， 来自印度洋的湿润气流从高原东南向西北输送，沿途受高大山脉的阻 挡而难以抵达遥远的高原西北，从而形成这种东南与西北的差异。 仑 。交燎 毛 、 簇粼 ，一 j _ 。 f - 、 满嘲 令 ，飞7 弋玖 乃，、 毛篷釜嬲 、 心磊莩乡 、叫 b 令 。鋈粪眺 喜 蠢繇器鞭 、 心湖谶 爹 图2 - 2 青藏高原年降水第一特征场c a ) 、第二特征场( b ) 、第三特征场( c ) f i g2 - 2d i s t r i b u t i o n so f t h ef n s t ( a ) , t b es e c o n d c o ) a n dt h et h i r d ( c ) e i g e n v e c t o rf i e l do f a n n u a l p r e c i p i t a t i o no v a t h et i b e t a n p l a t e a u 这里选取旋转后的前八个载荷向量场代表高原年降水量场，并按 载荷绝对值大于0 5 的高载荷区将青藏高原分为八个降水异常区：雅 鲁藏布江下游地区、三江源区、喜马拉雅山北麓区、柴达木盆地区、 1 4 青藏高原降水时空分布特征分析 川西、东羌塘高原区、高原东南区、青海湖区。图2 3 给出了这八个 旋转载荷向量场。 第一旋转载荷向量场主要位于雅鲁藏布江下游。这一区域是高原 降水异常的敏感地区，也是高原的一个多雨区。 第二旋转载荷向量场位于三江源区。西南季风水汽通道上的湿润 气流沿三江河谷向高原内部输送，因受北面、西面的高大山脉阻挡而 难以继续深入，从而在这里形成较多降水。 第三旋转载荷向量场位于喜马拉雅山北麓，这里受喜马拉雅山脉 大的地形及山脉背风坡的局部地形影响，形成了一个少雨区。 第四旋转载荷向量场位于柴达木盆地。该盆地被阿尔金山脉、祁 连山脉、巴颜喀拉山脉和昆仑山脉所包围，水汽难以到达，因此形成 了一个极端少雨区。 第五旋转载荷向量场位于川西，受松潘低涡东移和西太平洋副高 北跳的影响降水也比较多。 第六旋转载荷向量场位于东羌塘高原，这一区域南有双重东西走 向的高大山脉( 喜马拉雅山脉和冈底斯山脉) 对南来水汽的阻挡，因 此降水较少。 第七旋转载荷向量场位于高原东南，来自孟加拉湾的丰沛水汽沿 着河谷向北输送，形成丰沛降水。 第八旋转载荷向量场位于青海湖及其周围地区，这里受湖陆风以 及某些年份西太平洋副高西伸北跳的影响，形成了高原北部干旱区中 的一个湿岛。由于高原西部( 8 5 e 以西) 缺少降水资料，这里是否存 硕士学位论文 在降水异常区，有待进一步研究。 令 忒赐氯 毒 簇羹豁 、 厂。 磷紫镧 爹 仝 ， 滚勿 o y7 、 毛 塾 b 锄添 、 蠕可崤 眵 仝 ，吓腌玎9 ：5 j 毛 奄粼堕婆 、1 s 繇 p 、v b ，满鲣塾 气 喜 1媾 耄荭 举h 、 厂 迷 多 叫， d “ 仝， 气蠢朔翰 毛么纤孺熏蘸 飞 蛳溯 粼黟 仑 一 广螺缭l t 毛 羝憋黝麓 、 鸪群鼬 矽 b 仝 久遘 习7 办、缓 亭 圹7 鬓纛义 、 出筏梦 、叫 图2 - 5 青藏高原冬季降水第一特征场( a ) 、第二特征场( b ) 、第三特征场( c ) f i g2 - 5d i s t r i b u t i o n so f t h er u s t ( a ) ，t h es e c o n d ( b ) a n dt h e 吐1 i r d ( c ) e i g e n v e c t o rf i e l do f w i n t e r p r e c i p i t a t i o no v e rt h et i 妇p l a t e a u 图2 喝是高原冬季降水的前四个旋转载荷向量场。它们对应的分 区依次为高原中部区、高原东部区、高原东南区、高原北部区。其中 9 硕士学位论文 高原东部区和东南区降水较多，高原中部区和高原北部降水较少。 令 7弋 时暨 “，一 亭 錾蘩舀 、 剖心乡 叼 令 ，1 、， 之 、 喜 k s 、 乇 梦 、叫 一、 令 _ gi 孵0 毛 i危恭舅 、 、 础踊眵 、1 ， 令 一 矿八 f 弋 毛 j 蔼 3 、 5r念 、 l ， 哉岁 、_ 1 厂、， b 令 冬蛰栽， 喜 淤 良肇趔 、 磁嵇n 多 d 仑 气 7 一万i 廖 k娶 毛 是嫠勃粼 、 坞戮 讯岁 f 图2 - 8 青藏高原春季降水前六个c a - f ) 旋转载衙向量场分布 f i g2 - 8d i s t r i b u t i o n so f t h ee i g e n v e c t o rf i e l do f r e o fo f s p r i n gp r e c i p i t a t i o no v c rt h et i b e t a n p l a t e a u 图2 _ 9 给出了夏季降水的前三个特征场。可以看到，夏季降水、 年降水的空间分布型是一致的( 计算表明高原夏季降水场和年降水场 相似系数高达0 9 9 ) ，分别为南北差异、全区一致型、东南一西北的 差异。这是由于夏季降水是全年降水的主要贡献者。 图2 - 1 0 给出了高原夏季降水的前八个旋转载荷向量场，对应的 2 1 硕士学位论文 异常区依次为三江源区、喜马拉雅山北麓、高原东南、松潘地区、柴 达木盆地、青海湖区、川西、雅鲁藏布江中下游地区。可以看到，高 原夏季降水与年降水的异常区大致相同，只是一些异常区对年、夏季 降水场的方差贡献率有些差异，并且夏季高原东部的一带的松潘区取 代了年降水的东羌塘高原区。 j 蜴翁q _ ，诞 。 广 毛 f | 式 眺谚 、 心霜 乡 、1 ， 、 b 仑 “ 勒戮、厂 毛 、 、 毯骊 跫 l 、f 、 斟弋梦 、叫 图2 9 青藏高原夏季降水第一特征场( a ) 、第二特征场( b ) 、第三特征场( c ) f i g2 - 9d i s t r i b u t i o n so f t h ef i r s t ( a ) , t h es e c o n d ( b ) a n dt h et h i r d ( c ) e i g e n v e c t o rf i e l do f s u m m e r p r e c i p i t a t i o no v e a t h et i b e t a np l a t e a u 令 ，氕焱崾 狲 h 毛 、i蔟蠢翰 、 鹄蕊 罗 、 仝 八、 毛 一 斗 、 1 l 乱、 、1 形心礴 、1 ， ，必 、 么轳 毛 鎏 彰f：! 0 苡丝藤 、 蟠酃灌姆 b、 仑 ，-滞 苞鱼 毛 、 麓纂戮 、1钬 多 i 青藏高原降水时空分布特征分析 令 五 溯囊羚 毒 一 艄，叠 毛 s | 飞 心裂 兰1 、 、 l 岁 、1 ， f 令 ，一 秀，d 毛 # 匕泰叼1 书 l 、 、占铡 渺 - 图2 - 1 0 青藏高原夏季降水前八个( a - h ) 旋转载荷向量场分布 f i g2 - 1 0 d i s t r i b u t i o n so f t h ee i g e n v e c t o rf i e l do f r e o fo f s p r e c i p i t a t i o no v e rt h et i b e t a n 图2 1 1 显示高原秋季降水的前三个特征场依次为南北差异型、 全区一致型、中部一东西差异型。 仑 、道莎基 毛 二 灌蒸湍 、 名 澄壤 爹 令 1巡寥盆 毛 i 淤菸鬻k c 、飞 埘斟 、 秒 n 弋 b 令 气厂 、 、0 v 。一 莎狲 、一 毒 芦 温丧释尘 、 斟撼循梦 图2 1 2 青藏高原秋季降水前四个( a - d ) 旋转载荷向量场分布 f i g2 - 1 2d i s t r i b u t i o n so f t h ee i g e n v e c t o rf i e l do f r e o fo f a u u t m np r e c i p i t a t i o no v e , rt h et i b e t a n p l a t e a u 青藏高原降水时空分布特征分析 3 青藏高原降水的时间变化特征 3 1 年降水 3 1 1 年降水量的变化趋势 图3 - 1 是1 9 6 1 - 2 0 0 5 年青藏高原8 6 站合计的年平均降水量距平 的逐年变化。可以看到，统计时段内，年平均降水量呈不显著增加趋 势。5 年滑动平均显示，4 5 年中，高原降水经历了6 0 年代的下降， 7 0 年代至9 0 年代初的波动增加，9 0 年代完成了一个减少到增加的过 程，本世纪前五年依然保持着上世纪9 0 年代末的增加趋势。从总体 上来看，上世纪6 0 到7 0 年代降水为负距平，8 0 年代降水多为正距 平，9 0 年代降水负距平为多，本世纪前5 年则表现为正距平。高原 年降水倾向率为5 1 9 m m 1 0 a 。 ； ：、钏加瓦棚讼“，0 - 一棚f 煅a 州 ：_ 。v 1 v v 吣 v 1 9 0 01 9 0 b 1 9 7 u1 9 7 b1 9 8 0i 9 t 1 5l 删1 9 9 52 0 0 0z 0 0 5 年份 图3 - 1 青藏高原s 6 站合计年平均降水量距平逐年变化 f i 9 3 - i i n t e n m n u a l v a r i a t i o n o f p i 螂伽a l l o l 试e s o v e r t h e t i b e t a n p l a t e a u 为了进一步了解高原年降水在年代际上的区域差异，图3 - 2 给出 了高原在不同年代际降水量距平百分率的分布。1 9 6 0 年代、1 9 7 0 年 代，高原多数站点降水为负距平，川西多数站点降水为正距平；1 9 8 0 年代高原南部的雅鲁藏布江流域降水为负距平，高原中部、北部和川 o5； v蛰_耋 硕士学位论文 西绝大多数站点降水为正距平；1 9 9 0 年代高原中部、南部降水为正 距平，高原北部和川西多数站点表现为负距平。 图3 - 2 青藏高原年降水量年代际变化趋势的空同分布 f i g 3 - 2s p a 虹a ld i s t r i b u t i o no f l i n e a rv a r i a t i o nt r e n do f d v c a d a l a n n u a lp r e c i p i t a t i o no v c 2 t h e t i b e t a np l a t e a u 3 1 。2 高原年降水量的特征时间尺度和周期性特征 对青藏高原年平均降水量的距平序列进行m o r l e t 小波变换，得 到小波系数实部等值线图( 图3 3 ) 。图中实线代表正值或零，对应多 雨时段；虚线代表负值，对应少雨时段。图3 - 3 显示青藏高原年降水 量存在四个特征时间尺度，分别为准2 年、准5 年、准1 1 年和准2 2 年。4 5 年中，高原年降水量的准2 年周期振荡始终存在。在准5 年 的时间尺度上，1 9 8 0 年代初之前表现为6 年的特征尺度，1 9 8 0 年代 初至1 9 9 0 年代末转变为5 年特征尺度，1 9 9 0 年代末以来则表现为7 年特征尺度。在准1 1 年特征时间尺度上，周期振荡非常明显。在2 2 年特征时间尺度上，4 5 年中大致经历了2 个千湿转变周期。可以看 到1 9 6 0 年代初至1 9 6 0 年代中期降水偏多，1 9 6 0 年代中期至1 9 7 0 年 2 6 青藏高原降水时空分布特征分析 代末降水偏少，1 9 7 0 年代末至1 9 8 0 年代末降水偏多，1 9 8 0 年代末至 1 9 9 0 年代末降水偏少，本世纪初又进入一降水丰沛期。可以预测2 0 0 5 年后的若干年高原年降水仍将偏多。对比发现，准2 2 年尺度上的干 湿变化状况与图3 - 1 中的年降水变化非常吻合。需要指出的是准2 年 周期振荡与平流层大气环流的准2 年周期振荡( q b o ) 存在一致性关 系。平流层q b o 通过纬向风的垂直切变来影响对流层顶乃至对流层， 平流层的q b o 改变着对流层的大气环流形势从而影响着对流层中的 降水过程。高耸于对流层中的青藏高原，其大气环流受平流层q b o 的影响显著，因而其降水形成了准2 年的周期振荡；准5 年的周期则 与e n s o 事件的3 - 7 年的准周期相联系，说明e n s o 事件一定程度 上影响高原降水；准1 1 年、准2 2 年的周期与太阳活动的准1 1 年和 准2 2 年周期相吻合，说明青藏高原降水受太阳活动影响明显。 图3 - 3 青藏高原年降水量m o n c t 小波系数实部 f i g3 - 3t h ec 哪o i 腮o f t h er e a lp a r to f m o f l e tw a v e l e tc o e f l i c i e n bo f a n n u a lp r e d p i t a t i o no v 盯 f i l et i b e t a ap l a t e a u 图3 - 4 是青藏高原年平均降水量的小波方差图。十分清楚，青藏 高原年平均降水量的小波方差存在四个明显的峰值，分别对应着准2 年、准5 年、准1 1 年和准2 2 年的周期，其中以准1 1 年和准2 2 年 硕士学位论文 周期最为突出。 1 6 1 2 璎o 8 鲻 七0 4 0 o z 4 6芍l ul z 1 4l l j1 8z u z z z 4z 6 z 83 0 3 z 周期 图3 - 4 青藏高原年降水量小波方差 f i 9 3 - 4 。w a v e l e tv a r i a n c eo f a r m u a lp r e c i p i r a t i o no v c l t h et i b e t a np l a t e a u 由上面分析可以看n d , 波分析揭示出的周期都可从大气环流的 振荡周期中找到对应。这一方面说明青藏高原的降水受制于不同时间 尺度大气环流的强迫，另一方面表明小波分析作为计算工具具有很强 的揭示物理现象能力。 3 1 3 高原年降水量特征时间尺度下的转折分析 不同时间尺度下的小波系数反映系统在该时间尺度下的变化特 征。小波系数的正值对应降水偏多期，负值对应降水偏少期，零值则 对应降水量由多到少或由少到多的转折点。图3 5 分别是青藏高原年 降水量在准5 年、准1 1 年和准2 2 年尺度上的单尺度墨西哥帽小波变 换系数曲线。由图可见，在准5 年尺度上，降水干湿态转换频繁，4 5 年中大致经历了8 个干湿转变周期，平均转变周期约为6 年；在准 1 1 年尺度上，经历了1 9 6 7 年、1 9 7 4 年、1