歐亞春季植被對中國西北地區(qū)夏季大氣環(huán)流和氣候的影響

0注重對地表植被與氣候相互作用的研究中國西北地區(qū)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害是干旱。據(jù)說“三年中的兩次干旱”和“三年中的一次旱，十年中的一次旱”。特別是20世紀(jì)末以來，干旱災(zāi)害頻發(fā)，傳播范圍越來越大，影響越來越大，持續(xù)時間越來越長。干旱對中國西北地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸和人民生活有顯著影響。因此，對中國西北地區(qū)干旱原因的研究尤為重要。全球變暖背景下地表植被與氣候相互作用也是當(dāng)今地球科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一.理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果都表明,大氣和植被生態(tài)及土壤系統(tǒng)水文過程存在復(fù)雜相互作用,具有鮮明的多時間尺度現(xiàn)象然而目前對于前期植被同后期氣候的關(guān)系研究相對較少,事實(shí)上前期植被對后期氣候的影響也比較顯著.劉雅勤等1數(shù)據(jù)和方法1.1umdglcfgimms-ndvi資料植被狀況用歸一化植被指數(shù)(NDVI)表征,使用月最大值數(shù)據(jù)(UMDGLCFGIMMS-NDVI資料).該資料分辨率為8km×8km,已經(jīng)過大氣訂正等處理,具體技術(shù)細(xì)節(jié)可參考Tucker等1.2地表水分蒸發(fā)在全球變暖背景下傳統(tǒng)的利用降水作為干濕研究對象是不完善的,事實(shí)上溫度對地表水分的收支影響非常顯著,必須考慮溫度變化的影響才能較客觀地反映地表的水分狀況.所以,我們選擇了王鵬祥等式中:ΔR,ΔP潛在蒸發(fā)的計(jì)算方法有很多種,其中以Penman式中:d為每月的天數(shù)除以30;a2北西伯利亞地區(qū)的相關(guān)為了尋找歐亞大陸春季植被覆蓋狀況同中國西北地區(qū)同年夏季干濕特征的關(guān)系,取歐亞大陸春季(4—5月)NDVI指數(shù)距平場為左場,中國西北地區(qū)夏季(6—8月)干濕指數(shù)場為右場,左右場時間序列長度均為1982—2006年,首先對它們進(jìn)行了SVD耦合分析.圖1給出了歐亞大陸春季NDVI指數(shù)場同中國西北地區(qū)同年夏季干濕指數(shù)場之間SVD第一耦合模態(tài)同性相關(guān)系數(shù)空間分布以及時間系數(shù)演變,可以看出,西北地區(qū)夏季干濕指數(shù)場(圖1a)除了青海中北部及少部分區(qū)域表現(xiàn)為弱的負(fù)值外(相關(guān)系數(shù)最小為-0.2),其他區(qū)域表現(xiàn)出了一致的正值分布,其中顯著相關(guān)區(qū)位于新疆東部、甘肅、寧夏、陜西及內(nèi)蒙古西部地區(qū)(相關(guān)系數(shù)大于0.5).而從歐亞大陸春季NDVI指數(shù)場的分布來看(圖1b),整個歐亞大陸基本上表現(xiàn)為一致的負(fù)值分布,顯著相關(guān)區(qū)主要位于新疆北部、哈薩克斯坦北部向北一直到俄羅斯的蘇爾古特(相關(guān)系數(shù)大于0.5),其中新西伯利亞地區(qū)相關(guān)最顯著(相關(guān)系數(shù)大于0.7);另外在我國的陜西、河北一帶也是顯著相關(guān)區(qū).由于第一耦合模態(tài)的平方協(xié)方差解釋高達(dá)67.74%,所以第一模態(tài)反映了兩個場之間的最主要的耦合信息,而且左、右場之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.87,說明它們之間的相關(guān)顯著.另外,中國西北地區(qū)的干濕指數(shù)場第一模態(tài)的方差解釋為41.25%,這也說明該模態(tài)基本上包含了西北地區(qū)干濕指數(shù)場的大多數(shù)信息.因此,第一對耦合模態(tài)表明,如果新疆北部、哈薩克斯坦北部向北一直到俄羅斯的蘇爾古特以及我國的山西、河北一帶春季植被覆蓋狀況好,則我國的新疆東部、甘肅、寧夏、陜西及內(nèi)蒙古西部地區(qū)同年夏季有偏干傾向,反之亦然.另外,從時間系數(shù)變化曲線(圖1c)可以發(fā)現(xiàn)近25a來歐亞大陸,特別是新疆北部、哈薩克斯坦北部向北一直到俄羅斯的蘇爾古特以及我國的山西、河北一帶春季植被狀況逐漸轉(zhuǎn)好,后期夏季新疆東部、甘肅、寧夏、陜西及內(nèi)蒙古西部地區(qū)表現(xiàn)為干旱化趨勢.從第一對模態(tài)的時間系數(shù)變化(圖1c)可以看出,二者均存在顯著的減少趨勢,是不是由于大氣環(huán)流等其他因素的顯著變化引起了歐亞大陸春季植被和我國西北地區(qū)夏季干濕特征的顯著變化,而歐亞大陸春季植被與我國西北地區(qū)夏季干濕特征之間并非存在因果關(guān)系.為了進(jìn)一步搞清楚該問題,我們首先扣除兩個場的線性趨勢項(xiàng),然后再對兩個場進(jìn)行SVD耦合分析.圖2給出了歐亞大陸春季NDVI指數(shù)場同中國西北地區(qū)同年夏季干濕指數(shù)場在分別扣除線性趨勢項(xiàng)后的SVD第一耦合模態(tài)及同性相關(guān)系數(shù)空間分布,可以看出,西北地區(qū)夏季干濕指數(shù)場(圖2a)的空間分布同扣除線性趨勢項(xiàng)前非常相似,顯著相關(guān)區(qū)位于新疆東部、甘肅、寧夏、陜西及內(nèi)蒙古西部地區(qū).而歐亞大陸春季NDVI場(圖2b)扣除趨勢項(xiàng)前、后略有變化,整個歐亞大陸仍表現(xiàn)為一致的負(fù)值分布,不過相關(guān)系數(shù)比扣除前更大,而且顯著相關(guān)區(qū)略有所西伸南撤,該對模態(tài)的平方協(xié)方差解釋從扣除線性趨勢項(xiàng)前的67.74%變?yōu)?0.12%,而且模態(tài)間相關(guān)系數(shù)也從扣除線性趨勢項(xiàng)前的0.87變?yōu)?.75.由于第二對耦合模態(tài)的平方協(xié)方差解釋僅為10.36%,明顯小于第一對耦合模態(tài),因此第一對耦合模態(tài)也反映了兩個場之間的主要耦合關(guān)系.通過分析扣除線性趨勢項(xiàng)后歐亞大陸春季NDVI指數(shù)場同中國西北同年夏季干濕指數(shù)場的耦合關(guān)系,發(fā)現(xiàn)歐亞大陸春季NDVI指數(shù)場對中國西北同年夏季干濕指數(shù)場確實(shí)存在著顯著的影響關(guān)系,而且歐亞大陸春季植被覆蓋狀況影響中國西北同年夏季干濕特征的關(guān)鍵區(qū)主要位于巴爾喀什湖以北以哈薩克斯坦首都阿斯塔納為中心的區(qū)域(60°~94°E,48°~56°N)(圖2b),以下稱阿斯塔納關(guān)鍵區(qū).3阿斯塔納春季植被異常影響中國西北春季干旱的可能原因?yàn)榱吮容^阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被覆蓋異常對大氣環(huán)流,乃至中國西北地區(qū)同年夏季干濕的影響,首先對扣除線性趨勢項(xiàng)后兩個場SVD第一模態(tài)NDVI場時間系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后分別選取大于-σ和小于σ的年份為阿斯塔納春季植被覆蓋異常少年和多年,最后選取1989、1993、1996、2003年為異常少年,1990、1991、19971年為異常多年.考慮到異常多年樣本偏少,我們也選取了標(biāo)準(zhǔn)差為-0.93σ的2001年也為異常少年.以下主要通過合成分析來尋找阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)的春季植被異常影響中國西北地區(qū)同年夏季干濕的可能原因.3.1地面植被異常地表植被覆蓋狀況的好壞同它吸收太陽的短波輻射密切相關(guān),如果地面接受到的太陽短波輻射發(fā)生異常,進(jìn)而通過感熱和潛熱陸面過程對局地或區(qū)域的大氣環(huán)流產(chǎn)生異常.為了搞清楚阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被異常對同期局地的垂直環(huán)流的影響,圖3給出了關(guān)鍵區(qū)植被異常年份同期春季60°~94°E平均經(jīng)圈偏差環(huán)流.可以看出,在植被異常多年50°~58°N范圍內(nèi)在300hPa以下基本表現(xiàn)為異常的下沉氣流,而在植被異常少年400hPa以下在50°~58°N范圍內(nèi)表現(xiàn)出了異常上升運(yùn)動,不過400hPa以上表現(xiàn)出了下沉運(yùn)動.我們知道,地面植被覆蓋好時,地面吸收的太陽短波輻射將會增多,一方面由于通過感熱的方式使得局地溫度升高,這樣可能導(dǎo)致異常的上升氣流;而另一方面,吸收較多的太陽短波輻射后植被表面的蒸騰作用將會增強(qiáng),這樣可能會由于蒸發(fā)潛熱過程吸收熱量,使得局地溫度降低,從而導(dǎo)致異常的下沉氣流.而從以上的分析看出,在阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)植被增多以后可能是潛熱過程起了主要的作用,從而導(dǎo)致產(chǎn)生了異常的下沉運(yùn)動.3.2關(guān)鍵區(qū)春季植被異常:正-負(fù)-正-負(fù)局地的垂直運(yùn)動往往會引起大氣環(huán)流發(fā)生調(diào)整,前面的分析發(fā)現(xiàn)阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被異常導(dǎo)致局地垂直運(yùn)動發(fā)生了顯著的變化,那么它又會對大氣環(huán)流產(chǎn)生怎樣的影響.為了搞清楚以上問題,圖4給出了春季關(guān)鍵區(qū)植被異常年份500hPa的高度距平場,我們發(fā)現(xiàn),在阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被異常多年同期春季500hPa高度距平場在關(guān)鍵區(qū)上空以及我國北方表現(xiàn)出了正距平,在50°E以西表現(xiàn)為負(fù)距平,而在同年夏季波列發(fā)生了明顯的變化,從歐洲到東亞呈現(xiàn)出“正-負(fù)-正-負(fù)”的分布特點(diǎn).反之在關(guān)鍵區(qū)春季植被異常少年,同期春季在關(guān)鍵區(qū)上空表現(xiàn)為負(fù)距平,而同年夏季高度距平場表現(xiàn)出同植被異常多年完全相反的特征,即從歐洲到東亞呈現(xiàn)出“負(fù)-正-負(fù)-正”的分布特點(diǎn).從以上的分析發(fā)現(xiàn),在阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被異常多年,同期春季500hPa高度場在關(guān)鍵區(qū)上空呈現(xiàn)顯著的正異常,而隨著波列的傳播同年夏季在歐亞上空呈現(xiàn)出“正-負(fù)-正-負(fù)”的分布特點(diǎn).這樣夏季新疆脊明顯偏強(qiáng),從而使得我國西北地區(qū)夏季降水偏少,溫度偏高,氣候干旱,反之亦然.3.3關(guān)鍵區(qū)春季植被異常特征低層風(fēng)場可以反映出季風(fēng)環(huán)流的變化,而季風(fēng)環(huán)流的異常也是引起西北地區(qū)干濕的主要原因.為了進(jìn)一步分析關(guān)鍵區(qū)春季植被異常對西北地區(qū)同年夏季干濕的影響,圖5給出了關(guān)鍵區(qū)春季植被異常年份同年夏季850hPa距平風(fēng)場,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)春季植被異常多年,同年夏季850hPa距平風(fēng)場(圖5a)在俄羅斯和我國東南沿海地區(qū)均表現(xiàn)為異常氣旋式環(huán)流,而我國西北東北部表現(xiàn)為異常的偏南、偏西風(fēng).這說明從北方下滑的冷空氣較弱,同時東亞夏季風(fēng)異常偏弱,我國西北地區(qū)由于缺乏異常的水汽輸送降水偏少,溫度偏高,氣候偏干.而關(guān)鍵區(qū)植被異常少年,同年夏季850hPa距平風(fēng)場(圖5b)同異常多年環(huán)流特征幾乎相反,即在俄羅斯以及我國東南沿海地區(qū)表現(xiàn)為氣旋式環(huán)流,而蒙古國和我國西北東北部一帶表現(xiàn)為異常的氣旋式環(huán)流,我國西北地區(qū)東北部盛行異常的偏北風(fēng),同時西南地區(qū)及東部地區(qū)表現(xiàn)為異常的西南風(fēng)和東南風(fēng).這也說明北方多冷空氣活動,而且東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng),我國西北地區(qū)由于較強(qiáng)的夏季風(fēng)輸送水汽及較頻繁的冷空氣活動,降水偏多,溫度偏低,氣候偏濕.另外我們也分析500hPa和200hPa風(fēng)場(圖略),發(fā)現(xiàn)同850hPa風(fēng)場表現(xiàn)出相似的特點(diǎn),這也說明在關(guān)鍵區(qū)春季植被異常年同年夏季風(fēng)場表現(xiàn)出了近似正壓特征.以上的分析表明,在關(guān)鍵區(qū)春季植被異常年,我國西北地區(qū)同年夏季的冷空氣活動比較異常,而且東亞季風(fēng)的異常使得到達(dá)我國西北地區(qū)的水汽也表現(xiàn)為異常,從而使得干濕也表現(xiàn)出異常特征.3.4季植被異常情況為了進(jìn)一步分析阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被異常對同年夏季中緯度冷空氣活動的影響,圖6給出了關(guān)鍵區(qū)春季植被異常年份同年夏季200hPa緯向風(fēng)距平場,我們發(fā)現(xiàn),在關(guān)鍵區(qū)春季植被異常多年(圖6a),從巴爾喀什湖到貝加爾湖表現(xiàn)為異常正距平,說明我國西北地區(qū)以北西風(fēng)帶較常年偏強(qiáng),阻止了高緯度冷空氣的南下;而在關(guān)鍵區(qū)春季植被異常少年(圖6b),200hPa距平風(fēng)場幾乎表現(xiàn)出相反特征,這也說明西風(fēng)帶異常偏弱,有利于中高緯度氣流的經(jīng)向交換,即有利于較高緯度冷空氣的南下.因此,在阿斯塔納春季關(guān)鍵區(qū)植被異常多年,同年夏季中高緯度西風(fēng)帶偏強(qiáng),阻止了中高緯度冷空氣的南下,我國西北地區(qū)由于缺乏冷空氣而降水偏少,氣溫偏高,氣候偏干,而異常少年正好相反.4阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被覆蓋異常影響我國西北治療組通過比較歐亞大陸春季植被指數(shù)同中國西北地區(qū)同年夏季干濕指數(shù)場扣除線性趨勢項(xiàng)前、后的耦合關(guān)系發(fā)現(xiàn),歐亞大陸春季植被覆蓋狀況同我國西北地區(qū)同年夏季的干濕特征均存在很好的關(guān)系,表明歐亞大陸春季植被覆蓋狀況對預(yù)測我國西北地區(qū)同年夏季的干濕特征具有較明確的指示意義.而且關(guān)鍵區(qū)主要在阿斯塔納地區(qū),如果阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被覆蓋好,我國西北地區(qū)同年夏季具有偏干傾向,反之亦然.另外,通過對阿斯塔納關(guān)鍵區(qū)春季植被扣除線性趨勢項(xiàng)后其異常年份的合成分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)關(guān)鍵區(qū)春季植被覆蓋好,可能是由于蒸發(fā)潛熱過程的主導(dǎo)作用,在阿斯塔納附近同期春季表現(xiàn)為異常下沉氣流,使得500hPa高度距平場在關(guān)鍵區(qū)上空表現(xiàn)為顯著的正距平,同年夏季歐亞中緯度表現(xiàn)為“正-負(fù)-正-負(fù)”距平特征,對應(yīng)影響我國西北地區(qū)的新疆脊偏強(qiáng).另外,從風(fēng)場看出,同年夏季我國西北地區(qū)從對流層低層到高層表現(xiàn)為異常東南風(fēng),200hPa西風(fēng)帶偏強(qiáng)進(jìn)一步阻止了高緯度冷空氣