李 超，李跃清，蒋兴文

(1.成都信息工程学院大气科学学院，四川成都610225;2.中国气象局成都高原气象研究所，四川 成都610072)

0 引言

青藏高原因其特殊的地形、动力作用、热力作用，不仅在高原地区形成了特殊的天气气候系统，而且对中国、东亚甚至北半球的大气环流和气候产生重要影响。正是由于高原大气热源作为这种影响机制中很重要的一部分，因此深入研究青藏高原大气热源特征及其变化规律对了解全球气候变化规律和东亚气候特征具有重要意义。早在20世纪50年代，叶笃正等[1]就发现青藏高原冬季是大气的冷源，夏季是大气的热源，并进而奠定了青藏高原气象学的基础。赵平等[2]发现高原地区大气热源年际变化明显，其中春季和秋季高原地区热量源汇的变率最大，并且水平分布很不均匀。钟珊珊等[3]指出自1979年后，各季节高原热源变化均表现出1990年前后的气候转变信号。夏季，高原热源变率表现为南北反位相型，其他季节为高原的中部东北部与高原东南部反位相型。岑思弦等[4]分析研究了1950～2005年青藏高原大气热源气候特征和变化特征，发现夏季青藏高原东部大气热源的强度明显较西部大，青藏高原全区、东部、西部逐年平均的大气热源有明显不同的变化特征。

关于高原大气热源的研究已取得一些卓有成效的成果，由于所选取的原始资料有差别，因此，导致最后的结论有一些出入，但很多方面都是一致的。文中将运用不同的统计方法分析青藏高原不同分区热源的变化规律、突变、周期等几个方面的特征。

1 资料选取及处理方法

使用的原始资料是1948年1月至2011年4月的温度场、比湿场、风场、高度场的NCEP月平均再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，再利用‘倒算法’[5－6]计算得到青藏高原地区的大气热源资料。利用上述大气热源原始资料，计算得到高原全区(28°N～40°N、75°E～105°E)和东西部各分区(高原西部 28°N～40°N、75°E～90°E，高原东部 28°N～40°N、90°E～105°E)大气热源的时间序列，对比分析对应的大气热源年际和年代际变化特征，利用统计方法研究青藏高原大气热源不同季节的空间分布、周期、突变情况。

2 青藏高原大气热源年际变化特征和年代际变化特征

利用逐月平均大气热源格点资料计算得到逐年平均的青藏高原地区以及东西各分区大气热源资料(用面积平均来表示)，分析青藏高原全区及东西各分区大气热源年际特征(图1)，可以得出以下结论。

图1 青藏高原全区及东西部各分区大气热源的时间序列

高原全区及各分区大气热源波动明显，高原全区1948～1991年主要表现出热源的特征，1991～2004年主要表现出热汇的特征，2004年重新表现出热源的特征。高原西部地区大气热源的波动比东部地区大，高原西部地区1976年前主要表现出热源特征，1976～2003年主要表现出热汇特征，2003年重新表现出热源的特征。高原东部地区1948～1991年主要表现出热源的特征，之后热源热汇特征交替出现。高原全区大气热源时间序列经历了3次波动性质显著不同的时期，1975年左右以前大气热源振荡较大，1975年左右至1990年左右振荡相对较小，1990年左右以后大气热源振荡重新变大。东部和西部地区振荡的变化区间与全区的变化区间类似，只是位相上有一些差异。

计算青藏高原全区和各个分区大气热源累积异常，从中能够发现全区和各个分区大气热源在年代际时间尺度上的变化规律，计算结果如图2所示。

从图2能够看出高原全区大气热源从1948～2010年经历了2次较大起伏变化。青藏高原全区大气热源20世纪70年代以前大气热源逐渐增强。20世纪70年代初到20世纪90年代初这段时间大气热源基本维持不变，20世纪90年代初以后大气热源逐渐减小。将全区与分区大气热源累积异常曲线对比发现，起伏变化的起止时间略有不同。高原西部地区20世纪70年代中后期以前大气热源逐渐增强，20世纪70年代中后期以后，大气热源逐渐减弱。而高原东部地区20世纪50年代初到20世纪60年代初热源基本维持不变，20世纪60年代初到20世纪90年代初热源逐渐增强，20年代初以后热源逐渐减弱。

图2 青藏高原全区和东西部各分区大气热源累积异常图

3 青藏高原地区大气热源最大熵谱估计

最大熵谱的基本思想[7]是以信息论中熵的概念为基础，选择这样一种谱估计——在外推已知时间序列的自相关函数时，其外推原则是使相应的序列在未知点上取值的可能性具有最大的不确定性，也就是不对结果做人为主观的干预，因而所得信息最多。最大熵谱估计是与确定时间序列的参数模式——自回归模型有关的方法，是一种参数谱估计。

图3 最大熵谱密度图

利用最大熵谱估计提取1948～2010年青藏高原全区和各个分区大气热源年际变化时间序列中的周期，将最大熵谱估计的计算结果绘制成最大熵谱密度图如图3所示。

从图3可以看出，高原东部地区大气热源熵谱图最高峰值对应在16年周期上，高原西部地区大气热源熵谱图最高峰值对应在8年周期上，高原全区大气热源熵谱图最高峰值对应在14年周期上。因此，高原全区和各个分区大气热源变化的周期各不相同。

4 青藏高原东西部地区大气热源时间序列的相关系数分析

计算高原东部地区和西部地区大气热源时间序列的相关系数，并将计算结果绘制成图，如图4所示。

图4 高原东西部地区大气热源时间序列的相关系数

从图4看出，1989年相关系数经历了一次明显的正相关向负相关的转变，1989年以前高原东西部地区大气热源以正相关为主，表明高原东西部地区大气热源变化趋势相同，在1989年以后高原东西部地区大气热源以负相关为主，表明高原东西部地区大气热源变化趋势相反。1955年、1998年、2004年经历了3次不明显由负相关向正相关的转变。

5 青藏高原地区大气热源分季节进行REOF分析

分别对各季节(此处春季默认为每年的3月至5月，以后各个季节依次递推，冬季默认为前一年的12月至来年的2月)进行REOF分析，根据对数特征值图确定旋转前6项特征向量，计算载荷向量矩阵，进一步作方差极大正交旋转。第一旋转空间模对总方差的贡献最大，因此，保留第一旋转空间模及其对应的时间系数(图5，图6)，对其进行分析。

图5 高原大气热源第一旋转空间模

从图5看出第一旋转空间模很好地展示了青藏高原地区各个季节热源的分布状况，不难从中发现其区域分布特征明显。这是青藏高原大气热源各个季节的典型分布结构。

春季，第一旋转空间模表现为高原大部分地区为正值，高原西部出现明显的热源加热中心，这是由于春季高原西部地区冰川和积雪开始融化，地表水汽蒸发，在高层重新凝结，当地大气获得大量的凝结潜热加热。夏季，大气热源中心明显东移，位于高原东部地区，热源强度显著增强，这是由于此时正值高原季风建立，高原东部地区开始进入雨季，频繁的对流运动给当地大气带来大量的凝结潜热加热。秋季，青藏高原地区东部为负值，但是并没有出现闭合的冷源中心。高原西部大气热源仍然有加热作用，这是因为此时高原地区大气环流处于转换时期，高原东部大气热汇(冷源)作用并没有完全建立。冬季，高原西部出现大气热源中心，而高原东部出现冷源中心，冬季整个高原地区大气应该以表现热汇作用(冷源作用)为主。但是高原西侧因气旋性扰动，地形强迫抬升和有利的偏南风水汽输送，造成冬季高原西部降水较之东部多。降水给当地大气带来大量的凝结潜热加热。

图6对时间系数曲线作5年滑动平均，并将滑动平均后得到的曲线与原始曲线同时绘于同一坐标轴上。

图6 第一模态对应时间系数变化曲线(空心点对应原始时间系数曲线，实心点为平滑后的曲线)

从图6的4个季节第一空间模对应时间系数曲线以及5年滑动平均，总体上能够看出这种分布结构的青藏高原大气热源具有明显的年际振荡和年代际变化特征，而且这种特征在4个季节均有体现。

春季，大气热源总体变化趋势较为平稳。图中呈现出3个强热源时期和3个强冷源时期，热源时期分别在20世纪60年代中期、20世纪80年代初到90年代初、21世纪初。冷源时期分别在20世纪60年代初、70年代初到80年代初、90年代初到90年代末。夏季，大气热源总体上呈现减弱的趋势。图中有2个强热源时期，2个强冷源时期，热源时期分别在20世纪70年代初期、80年代初期，冷源时期分别在20世纪70年代中期，80年代末。秋季，大气热源总体上呈上升趋势，图中的时间滑动平均曲线反映出这种上升趋势并不是始终维持的，而是分阶段体现出来的。冬季，大气热源总体上呈现减弱的趋势，然而时间滑动平均曲线反映出大气热源在20世纪80年代初到90年代后期经历一次剧烈的起伏。

6 M-K检验

符淙斌等[13]指出气候突变现象及其理论的研究是近代气候学一个新兴的研究领域，其研究内容是气候突变研究评述的第一部分，着重讨论了突变，主要是气候突变的定义和气候突变信号的各种检测方法。把气候突变归纳为4类，即均值突变、变率突变、转折突变和翘翘板突变。文中采用M-K检验和滑动T检验来证实高原地区大气热源时间序列突变的存在与否。

图7为青藏高原全区和东西部各个分区大气热源时间序列M-K检验图，正序列UF曲线与逆序列UB曲线交点即是突变点，检验临界标准值为|α0|＜1.645，即突变点处于这个阈值以内表示突变是显著的。图7(a)高原全区大气热源在1984年左右发生突变，说明此时高原全区大气由以热源作用为主变为以冷源(热汇)作用为主。此外，从正序列UF曲线变化图中看出，大气热源1970年以前维持波动增强的趋势，1970年以后开始逐渐减弱。图7(b)高原西部地区大气热源在1976年左右发生突变，说明此时西部地区大气由以热源作用为主变为以冷源(热汇)作用为主。同样从正序列UF曲线变化图中看出，大气热源1963年以前维持波动增强的趋势，1963年以后开始逐渐减弱。图7(c)高原东部地区大气热源在1990年左右发生突变，说明此时东部地区大气由以热源作用为主变为以冷源(热汇)作用为主。同样从正序列UF曲线变化图中看出，大气热源1970年以前维持波动增强的趋势，1970年以后开始逐渐减弱。

图7 M-K检验图(空心点表示UF曲线，实心点表示UB曲线)

7 结论

通过上述NCEP再分析资料计算得到的63年青藏高原地区大气热源的原始数据的研究，得到以下几点结论:

(1)青藏高原全区和东西各分区的大气热源均表现出明显的年际振荡特征，但是时间序列的振荡过程中热源与热汇转换时间节点不同，年代际尺度上热源变化趋势的起讫时间节点也不同。

(2)计算全区和各分区大气热源发现，青藏高原全区大气热源存在14年的显著周期，高原东部地区大气热源存在16年的显著周期，高原西部地区大气热源存在8年的显著周期。

(3)青藏高原西部地区和东部地区1989年以前，大气热源变化趋势相同，1989年以后，大气热源变化趋势相反。

(4)研究各季节青藏高原大气热源的空间分布发现，青藏高原全区大气热源各个季节热源热汇分布特征不同，春季西部地区出现热源中心，夏季东部地区出现热源中心，秋季东部地区出现热汇中心，冬季出现西部地区热源中心和东部地区热汇中心共存。

(5)M-K检验结果表明青藏高原全区大气热源在1984年左右存在显著的突变，西部地区大气热源1976年左右存在显著的突变，东部地区大气热源在1990年左右存在显著的突变。

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