2000—2011年天山山區(qū)水汽輸送特征

楊 柳，楊蓮梅，湯 浩，劉 濤，彭 軍

（1.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒 841000；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊83000；,4.新疆氣象裝備保障中心，新疆 烏魯木齊 830002）

天山山脈是亞洲中部最大的山系，我國境內(nèi)的天山總長1 700 km，占天山山系總長度的2/3 以上，西起中國與吉爾吉斯斯坦邊界，東至哈密市以東的星星峽戈壁，寬約250～300 km，山脊平均海拔高度4 000 m，橫穿新疆全境，將新疆分為南疆、北疆和天山山區(qū)三大氣候區(qū)。天山山區(qū)被稱為干旱區(qū)的“濕島”，源于天山的河流為天山南北兩側(cè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了主要水資源，約占全新疆水資源的70%以上，天山山區(qū)的降水對新疆的水資源和生態(tài)環(huán)境有著重要的影響[1]。史玉光等[2]分析了新疆區(qū)域面雨量的分布特征，指出天山山區(qū)面雨量最大，約占全疆面雨量的40.4%，區(qū)域年平均降水量為409.1 mm，因此研究天山山區(qū)的水分循環(huán)有十分重要的意義。

多年來國內(nèi)外對暴雨過程的全球水汽背景、水汽輸送和收支，水汽源匯和演變特征等進(jìn)行了較深入的研究[3-11]，揭示了不同區(qū)域水汽循環(huán)的一些規(guī)律。而對新疆這樣的大陸性干旱氣候的水汽特征研究比較少，史玉光等[11]利用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析資料分析了1961—2000年新疆地區(qū)對流層不同層次空中水汽輸送特征，指出每年平均有26 114.8×108t 水汽輸入新疆，25 647.7×108t 水汽輸出新疆，水汽凈收支為467.1×108t，對流層中層水汽輸送量最大，夏季水汽輸送量最大，約占全年的38%；李霞等[12]分析了1961—2000年夏季塔里木盆地上空的水汽輸送及水汽收支的平均狀況；關(guān)于新疆區(qū)域水汽特征已有細(xì)致的工作[11]，但利用NCEP/NCAR 逐日2.5°×2.5°經(jīng)緯度資料，所得結(jié)果還是比較粗的。天山山區(qū)是新疆降水最大區(qū)域，新疆70%的河流源于天山山區(qū)，天山山區(qū)一直是人工增雨（雪）重點(diǎn)區(qū)域，因此針對天山山區(qū)開展水汽精細(xì)化特征研究十分有必要。

1 資料選取和計(jì)算方法

利用2000—2011年NCEP/NCAR 再分析逐日6 h 1°×1°資料1 000～100 hPa 的地面氣壓、溫度、比濕、風(fēng)場資料，取地面～700 hPa（對流層低層）、700～500 hPa（對流層中層）、500～100 hPa（對流層高層）以及整層（地面～100 hPa）計(jì)算天山山區(qū)水汽輸入、輸出和收支量。對NCEP/NCAR 再分析逐日2.5°×2.5°資料是否適用于西北地區(qū)氣候的長期變率研究已有人用觀測站探空資料作過檢驗(yàn)[13]，發(fā)現(xiàn)這兩種資料變化趨勢基本吻合，蘇志俠等[14]也對該資料集在青藏高原及其鄰近地區(qū)做了比較全面的檢驗(yàn),認(rèn)為該資料集與實(shí)際觀測值比較一致。劉蕊等[15]對NCEP/NCAR 2.5°×2.5°與1°×1°再分析資料在新疆的適用性進(jìn)行了分析，指出1°×1°再分析資料分析新疆水汽通量比NCEP 2.5°×2.5°再分析資料更接近探空資料。

研究區(qū)域大體為包含天山山區(qū)的一個(gè)矩形區(qū)域，共8個(gè)邊界（圖1）。圖1 中1 為西邊界；2、4 為北邊界；3、5、7 為東邊界；6、8 為南邊界。東、南、西、北4個(gè)邊界的水汽輸送量為其對應(yīng)的各小邊界各層水汽輸送量之和，當(dāng)各個(gè)小邊界各層的輸送方向不一致時(shí)，取相互抵消后的結(jié)果作為該邊界總的水汽輸送量。每個(gè)小邊界只要為輸入就計(jì)入總輸入量，只要為輸出就計(jì)入總輸出量，因此，8個(gè)邊界總輸入、總輸出量要大于4個(gè)邊界的輸入及輸出之和。單位邊長整層大氣的水汽輸送通量矢量Q 的計(jì)算公式為：

式中ps為地面氣壓（即氣柱底氣壓），這樣就去除了地形的影響；取氣柱頂氣壓=100 hPa；u、v 為經(jīng)向、緯向風(fēng)速，單位為m·s-1；q 為各層大氣的比濕，單位為g·kg-1；g 為重力加速度。Q 由經(jīng)向水汽通量Qu和緯向水汽通量Qv組成，單位為kg·m-1·s-1，并規(guī)定由西向東、由南向北輸送為正,反之為負(fù)[11]。先由一日四次的資料得到各層各格點(diǎn)水汽通量，進(jìn)行邊長和垂直方向整層積分，然后進(jìn)行一日四次時(shí)間積分得到日水汽輸送量，因此其中包含了瞬變擾動(dòng)的貢獻(xiàn)，其單位為g，然后換算成t，由此得到月、季、年水汽輸送量。

圖1 新疆天山山區(qū)水汽輸送邊界示意圖

2 天山山區(qū)年平均水汽輸送特征

圖2 為天山山區(qū)對流層各層2000—2011年年平均各邊界凈水汽輸送量。對流層低層：西邊界、北邊界為水汽輸入邊界，年平均量為982×108、2 175×108t，東邊界、南邊界為輸出邊界，年平均量為987×108、2 493×108t。通過8個(gè)邊界輸入天山山區(qū)的水汽總量為 4 916×108t，總輸出量5 239×108t，凈收支量-323×108t。由于青藏高原的影響其上空為對流上升運(yùn)動(dòng)，由于補(bǔ)償作用北側(cè)新疆處于下沉氣流支，同時(shí)北半球存在三圈環(huán)流，新疆處于Ferrel 環(huán)流的下沉支，這兩個(gè)原因造成新疆干旱、半干旱氣候背景。由于天山的存在，其北側(cè)如遇到西北氣流會(huì)處于迎風(fēng)坡，有一些上升運(yùn)動(dòng)，但該上升運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)弱于上述的兩支下沉運(yùn)動(dòng)，相互抵消還是下沉氣流，只是北疆下沉運(yùn)動(dòng)弱于南疆，因此北疆降水多于南疆。錢正安等細(xì)致分析[16]指出青藏高原及周圍地區(qū)的垂直環(huán)流無論冬、夏季新疆均處于下沉氣流控制下，特別是在天山南側(cè)下沉氣流表現(xiàn)的尤為明顯。因此低層會(huì)表現(xiàn)為氣流的輻散，年水汽凈收支表現(xiàn)為負(fù)。

圖2 2000—2011年天山山區(qū)對流層各層年平均水汽輸送量（單位：×108 t）

對流層中層：西邊界、北邊界有2 554×108、424×108t 水汽輸入，東邊界、南邊界有2 264×108、90×108t 水汽輸出，總水汽輸入量6 007×108t，總輸出量5 382×108t，分別占整個(gè)對流層的52.2%和47.5%，凈收支624×108t。通常情況下水汽集中在對流層低層，但是天山山區(qū)本身海拔較高，對流層低層氣柱較薄，因此水汽輸送量小于對流層中層，對天山山區(qū)而言中層水汽輸送量最大。

對流層高層:西邊界、南邊界為水汽輸入邊界，輸入量分別為1 240×108、350×108t，東邊界、北邊界為輸出邊界，輸出量為1 252×108、350×108t，邊界水汽輸送方向與中、低有所不同?？偹斎?、輸出量達(dá)2 772×108、2 906×108t，凈收支-134×108t。

從整層來看，依然是西邊界、北邊界輸入水汽，年均輸入量為4 776×108、2 128×108t，東邊界、南邊界輸出水汽，輸出量為4 503×108、2 233×108t，共計(jì)水汽輸入11 504×108t，水汽輸出11337×108t，凈收支167×108t。史玉光等[11]研究指出每年平均有26 114.8×108t 水汽輸入新疆區(qū)域,而天山山區(qū)水汽總輸入量為11 504.1 億噸，占全新疆水汽輸入量的比例高達(dá)44.1%，說明天山山區(qū)擁有非常豐富的水汽資源。新疆位于中緯度地區(qū)，受西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響較大[18]，因此西邊界、北邊界為主要水汽輸入邊界，東邊界、南邊界為主要水汽輸出邊界，東、西邊界的水汽輸送量遠(yuǎn)大于南、北邊界。高、中、低緯環(huán)流系統(tǒng)共同影響新疆的天氣氣候，而產(chǎn)生降水常是因?yàn)楦呔暥缺狈嚼淇諝饽舷屡c低緯暖濕氣流在新疆地區(qū)交匯[18]，對流層各層的水汽輸送路徑有很大的差異，各個(gè)小邊界在不同層次間產(chǎn)生一定的相互抵消，所以8個(gè)小邊界的總輸送量要遠(yuǎn)大于4個(gè)大邊界的輸送量。

3 天山山區(qū)四季平均水汽輸送特征

3.1 春季

天山山區(qū)對流層各層2000—2011年春季平均各邊界凈水汽輸送見圖3。春季對流層低、中、高層及整層西邊界、北邊界均為水汽輸入邊界，東邊界、南邊界為水汽輸出邊界。低層有278×108、559×108t水汽流經(jīng)西邊界、北邊界，261×108、646×108t 水汽流經(jīng)東邊界、南邊界，共輸入水汽1245×108t，輸出水汽 1 315×108t，凈收支-70×108t。中層水汽流經(jīng)西邊界、北邊界638×108、250×108t，流經(jīng)東邊界和南邊界555×108、162×108t，總輸入量為1 420×108t，總輸出量為1 250×108t，分別占整個(gè)對流層的50.1%和45.5%，凈收支達(dá)170×108t。高層有299×108、6×108t水汽流經(jīng)西邊界、北邊界，289×108、30×108t 水汽流經(jīng)東邊界、南邊界，共計(jì)輸入水汽628×108t，輸出642×108t，凈收支14×108t。

整層經(jīng)由西邊界、北邊界輸入天山山區(qū)的水汽量為1 216×108、814×108t，經(jīng)由東邊界、南邊界的輸出量為1 105×108、838×108t。春季蒙古高壓減弱，新地島到新疆北部的西北氣流加強(qiáng)，新疆頻繁受北方冷空氣影響[21]，多寒潮天氣，南下冷空氣在對流層中、低層可以為天山山區(qū)帶來部分水汽[20]，因此春季西邊界和北邊界為水汽輸入界。水汽總輸入量2 836×108t，總輸出量2 750×108t，凈收支86×108t。

圖3 2000—2011年天山山區(qū)對流層各層春季平均水汽輸送量（單位：×108 t）

3.2 夏季

圖4 為天山山區(qū)對流層各層2000—2011年夏季平均各邊界凈水汽輸送。夏季對流層低層西邊界、北邊界為水汽輸入邊界，有355×108、1 287×108t 水汽流經(jīng)，東邊界、南邊界為輸出邊界，有319×108、1 381×108t 水汽流經(jīng)，共輸入水汽2 163×108t，輸出水汽2 222×108t，凈收支-59×108t。各邊界的中層和高層水汽流向一致，均為由西邊界、南邊界輸入，東邊界、北邊界輸出。其中中層西邊界、南邊界有948×108、226×108t 水汽輸入，東邊界、北邊界有846×108t、61×108t 水汽輸出，輸入總水汽量為2 574×108t，輸出總水汽量為2 306×108t，分別占整個(gè)對流層的53.7%、48.9%，凈收支267×108t。高層經(jīng)由西邊界、南邊界輸入水汽487×108、376×108t，由東邊界、北邊界輸出水汽519×108、483×108t，共計(jì)輸入水汽1 219×108t，輸出1 358×108t，凈收支-139×108t。夏季是新疆一年中降水最多的季節(jié)，受低緯環(huán)流系統(tǒng)影響也是一年中最頻繁的季節(jié)，此時(shí)中高層偏南水汽輸送對強(qiáng)降水產(chǎn)生有重要貢獻(xiàn)[20]，因此，中高層表現(xiàn)為南邊界水汽輸入。

圖4 2000—2011年天山山區(qū)對流層各層夏季平均水汽輸送量（單位：×108 t）

從整層來看，夏季有1 790×108、743×108t 水汽經(jīng)由西邊界、北邊界輸入，1 684×108、780×108t 水汽經(jīng)由東邊界、南邊界輸出，共計(jì)輸入量為4 790×108t，輸出量為4 720×108t，凈收支70×108t。夏季高、中、低緯環(huán)流共同影響天山山區(qū)，高緯冷空氣和低緯暖濕空氣在中緯交匯造成天山山區(qū)降水天氣[20]，水汽輸送在對流層高、中、低緯輸送路徑差異很大，比較復(fù)雜，各小邊界在不同層次之間相互抵消量較大，因此8個(gè)邊界總輸送量遠(yuǎn)大于四個(gè)大邊界凈輸送量。

3.3 秋季

天山山區(qū)對流層各層2000—2011年秋季平均各邊界凈水汽輸送見圖5。秋季各邊界的對流層低層、中層水汽輸送方向均為由西邊界、北邊界輸入，由東邊界、南邊界輸出。低層有231×108、296×108t水汽流經(jīng)西邊界、北邊界，266×108、360×108t 水汽流經(jīng)東邊界、南邊界，共計(jì)輸入水汽1 032×108t，輸出水汽1 131×108t，凈收支-99×108t。中層有617×108、96×108t 水汽從西邊界、北邊界輸入，562×108、50×108t 水汽從東邊界、南邊界輸出，共計(jì)輸入水汽1 307×108t，輸出水汽1 206×108t，分別占整個(gè)對流層的51.4%、47.4%，凈收支101×108t。高層則是285×108、30×108t 水汽由西邊界、南邊界輸入，287×108、31×108t 水汽由東邊界、北邊界輸出，共計(jì)水汽輸入量為597×108t，輸出量為600×108t，凈收支-3×108t。

整層由西邊界、北邊界輸入水汽1 133×108、361×108t，東邊界、南邊界輸出水汽1 115×108、380×108t，總水汽輸入量、總輸出量分別為2 543×108、2 545×108t，凈收支-1×108t。秋季新疆脊和中西伯利亞脊穩(wěn)定，高壓脊控制下的下沉氣流使得低層輻散[20]，10月副熱帶西風(fēng)急流發(fā)生突變南落，中緯西風(fēng)減弱[11]，造成天山山區(qū)各邊界水汽輸送量明顯下降。

圖5 2000—2011年天山山區(qū)對流層各層秋季平均水汽輸送量（單位：×108 t）

3.4 冬季

圖6 為天山山區(qū)對流層各層2000—2011年冬季平均各邊界凈水汽輸送。冬季各邊界的對流層低、中、高層及整層水汽輸送方向相同，西邊界、北邊界為輸入邊界，東邊界、南邊界為輸出邊界。低層有113×108、34×108t 水汽流經(jīng)西邊界、北邊界，137×108、103×108t 水汽流經(jīng)東邊界、南邊界，共計(jì)輸入水汽461×108t，輸出水汽554×108t，凈收支-93×108t；中層344×108、137×108t 水汽流經(jīng)西邊界、北邊界，296×108、100×108t 水汽流經(jīng)東邊界、南邊界,總水汽輸入量為695×108t，總輸出量為610×108t，分別占整個(gè)對流層的52.4%、46.4%，凈收支85×108t；高層169×108、35×108t 水汽由西邊界、北邊界輸入，158×108、24×108t 水汽由東邊界、南邊界輸出，輸入的總水汽量為327×108t，輸出的總水汽量為304×108t，凈收支量23×108t；整層經(jīng)由西邊界、北邊界有636×108、193×108t 水汽輸入，東邊界、南邊界有596×108、221×108t 水汽輸出，共計(jì)輸入水汽1 326×108t，輸出水汽1 314×108t，凈收支12×108t。冬季蒙古高壓控制天山山區(qū)，氣候干冷，同時(shí)極鋒鋒區(qū)偏北，副熱帶鋒區(qū)偏南，天山山區(qū)上空西風(fēng)減弱，因此各邊界的水汽輸送量均為一年中最小值。

圖6 2000—2011年天山山區(qū)對流層各層冬季平均水汽輸送量（單位：×108 t）

4 結(jié)論

利用2000—2011年NCEP/NCAR 再分析逐日資料，詳細(xì)地分析了天山山區(qū)年平均、四季大氣中不同層次水汽輸入、輸出和收支情況，得出以下結(jié)論：

（1）天山山區(qū)地面～100 hPa年平均水汽輸入量為11 504×108t，輸出量為11 337×108t，凈收支167×108t，其中西、北邊界為輸入，東、南邊界為輸出。對流層中層水汽輸送量最大，低層次之，高層最小。天山山區(qū)水汽總輸入量占全新疆水汽輸入量的44.1%。

（2）各個(gè)季節(jié)中天山山區(qū)水汽輸送量最大為夏季，輸入量和輸出量為全年的41.6%，春季和秋季輸入量、輸出量相近，分別占全年的24.7%、24.3%和22.1%、22.4%，冬季最小，占全年的11.5%、11.6%。年平均及四季西邊界、北邊界均為水汽輸入，東邊界、南邊界均為水汽輸出，對流層中層均為水汽輸入且輸送量最大，低、高層不同季節(jié)水汽流向有所不同。春、夏、冬季水汽凈收支為正，秋季則為負(fù)。

[1]魏文壽，袁玉江，喻樹龍，等.中國天山山區(qū)235 a 氣候變化及降水趨勢預(yù)測[J].中國沙漠，2008，28（5）：802-808.

[2]史玉光，孫照渤，楊青.新疆區(qū)域面雨量分布特征及其變化規(guī)律[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（3）：326-332.

[3]丁一匯，胡國權(quán).1998年中國大洪水時(shí)期的水汽收支研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2003，61（2）:129-145.

[4]周玉淑，高守亭，鄧國.江淮流域2003年強(qiáng)梅雨期的水汽輸送特征分析[J].大氣科學(xué)，2005，29（2）：195-204.

[5]梁萍，何金海，陳隆勛，等.華北夏季強(qiáng)降水的水汽來源[J].高原氣象，2007，26（3）：460-465.

[6]陳斌，徐祥德，施曉暉.拉格朗日方法診斷2007年7月中國東部系列極端降水的水汽輸送路徑及其可能蒸發(fā)源區(qū)[J].氣象學(xué)報(bào)，2011，69（5）：810-818.

[7]Sun Li,Shen Baizhu,Sui Bo.A Study on Water Vapor Transport and Budget of Heavy Rain in Northeast China[J].Adv.Atmos.Sci.，2010，27（6）：1399-1414.

[8]Christopher E.Holloway J.David Neelin.Moisture Vertical Structure，Column Water Vapor,and Tropical Deep Convection[J].J.Atmos.Sci.,2009，66：1665-1683.

[9]Iassamen A，Sauvageot H,Jeannin N,et al.Distribution of Tropospheric Water Vapor in Clear and Cloudy Conditions from Microwave Radiometric Profiling[J].J.Appl.Meteor.，2009，48：600-615.

[10]Roberge A,.Gyakum J R,Atallah E H.Analysis of Intense Poleward Water Vapor Transports into High Latitudes of Western North America[J].Wea.Forecasting,2009，24：1732-1747.

[11]史玉光，孫照渤.新疆水汽輸送的氣候特征及其變化[J].高原氣象，2008，27（2）：310-318.

[12]李霞，湯浩，楊蓮梅，等.1961—2000年塔里木盆地夏季空中水汽的變化[J].沙漠與綠洲氣象，2011，5（1）：6-11.

[13]YU Yaxun，WU Guoxiong.Water vapor content and its mean transfer in the atmosphere over Northwest China [J].Acta Meteorologica Sinica，2001，15（2）：191-204

[14]蘇志俠，呂世華，羅四維.美國NCEP/NCAR 全球再分析資料及其初步分析[J].高原氣象，1999，18（2）：209-218.

[15]劉蕊，楊青.新疆大氣水汽通量及其凈收支的計(jì)算和分析[J].中國沙漠，2010，30（5）：1221-1228.

[16]錢正安，吳統(tǒng)文，梁瀟云.青藏高原及周邊地區(qū)的平均垂直環(huán)流特征[J].大氣科學(xué)，2001，25（4）：444-454.

[17]楊蓮梅，史玉光，湯浩.新疆春季降水異常的環(huán)流和水汽特征[J].高原氣象，2010，29（6）：1464-1473.

[18]張家寶，鄧子鳳.新疆降水概論[M].北京：氣象出版社，1987.

[19]曾紅玲，高新全，戴新剛.近20年全球冬、夏季海平面氣壓場和500 hPa 高度場年代際變化特征分析[J].高原氣象，2002，21（1）：66-73.

[20]楊蓮梅.夏季亞洲西風(fēng)急流Rossby 波活動(dòng)年際變化研究[D].中國科學(xué)院大氣物理研究所，2007：139.

[21]李霞，任宜勇，湯浩，等.中天山及其北麓的降水變化及其原因分析[J].冰川凍土，2005，27（3）：381-388.