在全球变暖的背景下，近年来极端降水等天气气候事件的频率和强度均呈显著增加的趋势。由于地形复杂，高原降水是引起滑坡、泥石流等地质灾害的重要诱因。因此，研究青藏高原极端降水对理解气候变化和生态环境保护具有重要的现实意义。NUIST陆气相互作用团队张杰教授指导的2023级硕士生饶熙孜和Tiexi Chen，采用统计诊断和数值模拟相结合研究了引发高原北部夏季极端降水事件发生的有利天气型以及高原陆面热力变化在其中发挥的作用。相关成果发表在国际期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》上，主要结论如下：

1. 青藏高原北部极端降水增多特征

青藏高原夏季极端降水频次的空间分布特征表现为由东南向西北递减。针对极端降水频次进行EOF分析，将高原划分为三个子区域：I区（34°-40°N，86°-103°E）、II区（26°-34°N，86°-104°E）、III区（28°-34°N，75°-86°E）。三个区域极端降水频次的年际变化如图1e所示，均呈现增加趋势。从高原夏季极端降水频次趋势的空间分布（图1f）可见，高原北部、中部及东南边缘地区均呈现显著增加趋势，其中I区（高原北部）增加趋势最为明显。因此，本研究聚焦于高原北部。

图1. 1979-2022年6-8月青藏高原在（a）第90百分位阈值和（b）10mm阈值下的极端降水频次（单位：day）的空间分布。极端降水频次EOF（c）第一模态和（d）第二模态的空间分布。（e）三个分区极端降水频次的逐年变化趋势。（f）极端降水频次（单位：10^-2 day yr^-1）变化趋势的空间分布，打点表示在95%的置信水平上显著。

2. 典型环流型的环流特征及降水特征

针对高原北部，通过自组织映射神经网络（Self-Organizing Map，简称 SOM）方法对500hPa环流场进行客观分型，识别出两类有利于极端降水事件发生的典型天气型：短波型（SOM2）、纬向高压型（SOM3）。图2和图3显示，两类典型天气型对应的极端降水事件的年频次均随时间呈现增加趋势。在短波型中，纬向西风上有明显的短波扰动，高原南部有季风低压和偏南气流，极端降水量的大值中心位于研究区域的南部和东部，非极端降水量的大值中心位于研究区域南部，两者之间的差异最大超过了8mm；在纬向高压型中，高原北部受异常反气旋控制，高原南部存在季风低压，极端降水量的大值中心位于研究区域的东部，非极端降水量的大值中心也位于研究区域东部，两者间的差异最大超过了8mm。

图2. 短波型（SOM2）和纬向高压型（SOM3）对应的（a-b）极端降水事件的年频次序列和变化趋势以及（c-d）极端降水量、（e-f）非极端降水量和（g-h）极端与非极端降水量差异（单位：mm）的空间分布

图3. 短波型（SOM2）和纬向高压型（SOM3）对应的（a1-a2）200hPa、（b1-b2）500hPa和（c1-c2）700hPa的合成位势高度场（等值线，单位：dagpm）、位势高度场距平（阴影，单位：dagpm）和风场（箭头，单位：m s^-1），红色等值线为南亚高压（1252线）与西太平洋副热带高压（588线）的气候态位置。

3. 两类天气型下高原极端降水与陆面热力变化的关系

为研究极端降水事件与高原陆面热力变化之间的相关性，将两类典型天气型对应的极端降水事件频次与超前10-20天的地表感热和土壤湿度进行相关分析，同时，将对应的非极端降水事件频次与超前10-20天的土壤湿度进行相关分析。从而初步推断出高原西南部（30°-35°N，77°-84°E）的异常地表感热和土壤湿度对短波型极端降水事件的频次有着先前的影响（图4a、4c），超前相关序列显示超前13天的相关性较强（图4g），并且非极端降水事件在高原西南关键区的相关性信号很弱（图4e），更加有力地体现了高原西南关键区的热力异常对短波型极端降水的影响。高原东北部（34°-37°N，95°-103°E）的异常地表感热和土壤湿度对纬向高压型极端降水事件的频次有着先前的影响（图4b、4d），超前相关序列显示超前5天的相关性较好（图4h），并且非极端降水事件在高原东北关键区的相关性信号也比较强，然而由于东北部的土壤湿度信号也强，因此会削弱湿度梯度（图4f）。

图4. 短波型（SOM2）和纬向高压型（SOM3）对应的（a-d）极端降水事件频次序列与超前10-20天高原地表感热和土壤湿度相关性的空间分布以及（e-f）非极端降水事件频次序列与超前10-20天高原土壤湿度相关性的空间分布，打点表示在90%的置信水平上显著，红色矩形框为高相关区域。（g-h）极端降水事件频次序列与关键区地表感热（土壤湿度）的超前相关序列，直线（虚线）表示在95%（90%）的置信水平上显著。

4. 高原土壤湿度异常影响两类天气型极端降水的物理过程

土壤湿度是反映陆面变化过程的最直接的参数，并且具有出色的“记忆效应”，可以持续“记忆”超前日期的气候异常，进而逐渐地影响到大气环流异常。因此，使用具有 ARW 动力核心的 WRF 模型（WRF-ARW），将高原西南部和高原东北部关键区的土壤湿度减小50%进行敏感性试验。对于短波型，模拟结果（图5a、5c、5e）表明，当高原西南部的土壤湿度减小50%时，高原北部降水明显增加，大值中心位于研究区域南部，约6mm。环流表现为偶极子模态，高原西部的异常低压和东部的异常高压相互作用，加强了由高原西南部向高原北部输送的水汽，使得水汽在高原北部汇聚，从而促进极端降水事件发生。对于纬向高压型，模拟结果（图5b、5d、5f）表明，当高原东北部的土壤湿度减小50%时，高原北部降水也会增加，增加的主要区域位于研究区域东部，超过4.5mm。高原北部的异常反气旋抑制了西风带水汽输出，来自东部的季风水汽与西风带水汽在高原北部产生辐合，有利于极端降水事件发生。物理过程如图6所示。

图5. 短波型（SOM2）和纬向高压型（SOM3）对应的敏感性实验与控制实验之间的（a-b）降水量（单位：mm）、（c-d）500hPa位势高度（阴影，单位：dagpm）和风场（箭头，单位：m s^-1）以及（e-f）水汽通量（箭头，单位：10 kg m^-1 s^-1）和水汽通量散度（阴影，单位：10^-5 kg m^-2 s^-1）差异的空间分布

图6. 陆面热力和大气动力耦合对高原北部夏季极端降水的影响的示意图

相关文章

Rao X., J. Zhang*, T. Chen. Coupling of Land Surface Thermodynamics with Atmospheric Dynamics Effect on Summer Extreme Precipitation in the Northern Tibetan Plateau. J. Geophys. Res. Atmos., 2025, 130, e2025JD044632. https://doi.org/10.1029/ 2025JD044632