5月青藏高原上空環(huán)流與北疆夏季降水的關(guān)系

周雅蔓，李 娜，馬 超，3，安大淮，施俊杰

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225）

青藏高原位于亞洲大陸的中部，平均海拔在4000 m以上，空間尺度大，對大氣環(huán)流和天氣的影響不僅局限于本區(qū)域[1]，對整個北半球[2]，甚至對全球的環(huán)流都有一定的影響[3-5]。由于青藏高原群山環(huán)繞的大地形，不僅改變了本身的天氣和氣候[6]，通過動力、熱力作用所形成的高原大氣邊界層，擴(kuò)大了高原作用的有效高度和范圍，對其毗鄰地區(qū)天氣氣候也有非常復(fù)雜的影響[7，8]，它對中低緯地區(qū)環(huán)流影響明顯，對亞洲季風(fēng)區(qū)環(huán)流和夏季的氣候格局也有著重要的作用[9，10]。作為冬季的大氣冷源，夏季的大氣熱源[11]，青藏高原直接影響中國大范圍的干旱、洪澇等天氣氣候的形成和演變[12-14]。

早在20世紀(jì)50年代，Bolin[15]和Yeh[16]對青藏高原地形繞流效應(yīng)的研究表明：冬季高原對西風(fēng)氣流的分支作用是形成東亞大槽的重要原因；高原的動力作用既可以擾動并激發(fā)大、中、小尺度的天氣系統(tǒng)，也可以對某些天氣系統(tǒng)的發(fā)展起到抑制作用，高原大地形對高原低渦的發(fā)生發(fā)展有特殊影響[17]，高原的動力作用有助于在高原附近生成新的中尺度天氣系統(tǒng)[18]，如西南渦、高原東側(cè)的切變線和北側(cè)的小高壓等。數(shù)值模擬指出青藏高原的熱力作用，對100 hPa青藏高壓的建立有巨大貢獻(xiàn)，高原及其附近地區(qū)的加熱場，對于對流層上層?xùn)|風(fēng)急流的加強(qiáng)和急流中心的形成也有重要的作用[19]。近30 a來，關(guān)于青藏高原熱力方面也有大量的研究成果：青藏高原加熱場強(qiáng)度使東亞大氣環(huán)流平均槽脊的強(qiáng)度加強(qiáng)，即高壓脊加強(qiáng)，低壓槽加深[20]；高原春夏季地面加熱，嚴(yán)重地破壞了對流層中、低層副熱帶高壓帶的連續(xù)分布，導(dǎo)致高原及南亞季風(fēng)環(huán)流的變化[21]，這與我國的氣候[22，23]和降水也有很大的關(guān)聯(lián)[24-27]，春夏季青藏高原熱力狀況對盛夏東亞降水和大氣環(huán)流的異常是有影響的[24]，與我國江淮地區(qū)夏季降水也密切相關(guān)[26，27]。因此，研究青藏高原對中國天氣氣候的影響效應(yīng)十分必要。

新疆位于中國西北部，地域遼闊，屬大陸性干旱和半干旱地區(qū)，中部橫亙?nèi)车奶焐綄⑵浞譃楸苯湍辖禎吵梢蚴謴?fù)雜[29]。自20世紀(jì)中期以來，新疆呈現(xiàn)出顯著地由干轉(zhuǎn)濕的趨勢[30]，年降水量呈波動性上升[31，32]，尤其是冬夏兩季的降水量大范圍顯著增加[33]。研究表明：新疆降水的年變化主要與西藏高壓、西太平洋副高面積及南方濤動的相關(guān)程度較大[34]，青藏高原對新疆降水有著重要的影響，當(dāng)5月青藏高原感熱偏弱時，北疆夏季降水呈現(xiàn)偏多的特點(diǎn)[35，36]；當(dāng)夏季青藏高原地表潛熱通量為北正、南負(fù)的變化時，南疆夏季降水偏少[37]。目前針對高原上空環(huán)流異常與新疆降水的聯(lián)系及其影響的研究尚少，為了進(jìn)一步揭示西藏高原環(huán)流指數(shù)與新疆夏季降水關(guān)系的變化規(guī)律，更好地指導(dǎo)預(yù)報預(yù)測工作，本文利用1961—2016年的西藏高原環(huán)流指數(shù)與新疆96個氣象觀測站點(diǎn)的降水資料，進(jìn)行較為全面的對比分析，研究西藏高原環(huán)流指數(shù)強(qiáng)弱變化對北疆夏季降水的影響。

1 研究區(qū)域和資料

本文選取的資料是：（1）新疆氣象信息中心提供的1961—2016年新疆96個氣象觀測站5—8月的月降水量資料，其中北疆氣象觀測站點(diǎn)（包括天山山區(qū)和巴里坤）53個，南疆氣象觀測站點(diǎn)43個（圖1），北疆53個氣象站點(diǎn)的夏季降水和南疆43個氣象站點(diǎn)的夏季降水相關(guān)系數(shù)為0.33；（2）1961—2016年NCEP的逐月再分析資料，包括經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、比濕以及地表感熱通量資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；（3）國家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測室提供的74項(xiàng)環(huán)流特征量中1961—2016年5—8月的西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ（25°～35°N，80°～100°E）、西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅱ（30°～40°N，75°～105°E），其中西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ選取的是500 hPa位勢高度在指定區(qū)域（25°～35°N，80°～100°E）內(nèi)各格點(diǎn)高度值減去500 hPa后的累計值，本文中用TPI1表示；西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅱ選取的是500 hPa位勢高度場在指定區(qū)域（30°～40°N，75°～105°E）內(nèi)各格點(diǎn)高度值減去500 hPa后的累計值，本文中用TPI2表示。兩者選取的指定區(qū)域有所不同，它們反映了選擇區(qū)域青藏高原500 hPa低渦和高壓活動對青藏高原及其鄰近地區(qū)天氣影響作用。

圖1 北疆和南疆氣象觀測站點(diǎn)的分布

本文通過對1961—2016年西藏高原環(huán)流指數(shù)（Ⅰ、Ⅱ）與南、北疆夏季降水的分析，重點(diǎn)探究西藏高原環(huán)流指數(shù)對北疆夏季降水的影響和可能的影響機(jī)制。本文采用56 a數(shù)據(jù)的時間序列，能夠獲得比較可信的趨勢結(jié)果，另外，如無特殊說明，本文中的夏季均指6—8月的平均態(tài)。

2 5月西藏高原環(huán)流指數(shù)和夏季降水的關(guān)系

2.1 相關(guān)分析

為了研究西藏高原環(huán)流指數(shù)與北疆、南疆夏季降水的關(guān)系，對1961—2016年5月TPI1、TPI2和北疆、南疆氣象觀測站點(diǎn)的夏季平均降水序列進(jìn)行相關(guān)分析，對比發(fā)現(xiàn)：5月TPI1與北疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)為0.38，與南疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)為0.09（圖2）；5月TPI2與北疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)為0.18，與南疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)為-0.05；5月TPI1、TPI2與南疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)均未通過顯著性水平90%的信度檢驗(yàn)，可見南疆夏季降水與5月西藏高原環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性并不好，而北疆夏季降水與5月TPI1的時間序列的相關(guān)系數(shù)通過99%的信度檢驗(yàn)。TPI1、TPI2對北疆夏季降水的偏相關(guān)分析結(jié)果表明：5月TPI1在去除TPI2的影響后與北疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)為0.43，而5月TPI2在去除TPI1的影響后與北疆夏季降水時間序列的相關(guān)系數(shù)為-0.27，因此，本文重點(diǎn)討論5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ與北疆夏季降水的聯(lián)系。

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的1961—2016年5月TPI1的時間序列中，規(guī)定5月TPI1大于1.0的為強(qiáng)年，強(qiáng)年有：1966、1994、1995、1998、2000、2006 和 2007 年，共7年；5月TPI1小于-1.0的為弱年，弱年有：1968、1971、1975、1977、1986 和 1992 年，共 6 a。從 5 月TPI1強(qiáng)年、弱年時北疆夏季降水距平的合成分布（圖3）中可以看出，5月TPI1為強(qiáng)年時（圖3a），75%的北疆氣象觀測站點(diǎn)的夏季降水為正距平，其中26%的氣象觀測站點(diǎn)的夏季降水有超過10 mm的正距平，天山山區(qū)夏季降水的正距平值更大，中心位于烏魯木齊南部的天山山區(qū)，與新疆夏季降水的大值中心一致；5月TPI1為弱年時（圖3b），87%的北疆氣象站點(diǎn)的夏季降水為負(fù)距平，其中72%的氣象觀測站點(diǎn)的夏季降水有超過10 mm的負(fù)距平，伊犁河谷南部山區(qū)和天山山區(qū)夏季降水的負(fù)距平值更為顯著。此分析進(jìn)一步表明，5月TPI1與北疆夏季降水有較為密切的聯(lián)系，所以，本文將重點(diǎn)研究5月TPI1的變化與北疆夏季降水的聯(lián)系。

圖2 1961—2016年5月TPI1分別與北疆、南疆夏季降水的時間序列

2.2 5月西藏高原環(huán)流指數(shù)與夏季環(huán)流特征的分析

圖3 5月TPI1分別為強(qiáng)年（a）、弱年（b）時，北疆夏季降水距平的合成分布（單位：mm）

圖4 5月TPI1分別為強(qiáng)年（a）、弱年（b）時，夏季500 hPa風(fēng)場距平的合成分布（單位：m/s）

為了進(jìn)一步說明問題，下面針對5月TPI1分別為強(qiáng)年、弱年時的夏季環(huán)流特征進(jìn)行分析。從圖4中500 hPa風(fēng)場的距平圖可以看出，當(dāng)5月TPI1為強(qiáng)年時，即5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏高，夏季500 hPa歐亞范圍內(nèi)以經(jīng)向環(huán)流為主，里、咸海地區(qū)到西西伯利亞平原南部為異常的反氣旋式環(huán)流，有利于冷空氣南下，同時中亞地區(qū)和貝加爾湖地區(qū)分別為異常的氣旋式環(huán)流和異常的反氣旋式環(huán)流，表明貝加爾湖阻塞高壓活躍，中亞低值系統(tǒng)活動頻繁，加之上游南下冷空氣的共同作用，是有利于新疆降水天氣過程的形勢之一[29]，而且新疆上空盛行異常偏南風(fēng)，有利于將低緯阿拉伯海、孟加拉灣的水汽經(jīng)南風(fēng)環(huán)流越過西部山區(qū)接力輸送入新疆地區(qū)[30]。此外，青藏高原南部到印度半島為異常的反氣旋式環(huán)流，表明西太平洋副熱帶高壓偏西，有利于孟加拉灣暖濕氣流北上，加之北疆緯度較高，夏季冷空氣活動頻繁，冷暖交匯有利于此地區(qū)降水的發(fā)生。所以，當(dāng)5 月西藏高壓指數(shù)Ⅰ偏強(qiáng)時，25°～35°N，80°～100°E的區(qū)域范圍內(nèi)，各格點(diǎn)500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值偏高，有利于北疆夏季降水。當(dāng)5月TPI1為弱年時（圖4b），即5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏低，夏季中高緯度環(huán)流經(jīng)向度弱，烏拉爾山地區(qū)和貝加爾湖地區(qū)為異常的氣旋式環(huán)流，表明烏拉爾山和貝加爾湖高壓脊偏弱，不利于冷空氣南下，中亞—新疆—青藏高原為異常的反氣旋式環(huán)流，伊朗高壓偏強(qiáng)，位置偏北、偏東控制新疆，而在印度半島至孟加拉灣上空為氣旋式環(huán)流距平，表明西太平洋副熱帶高壓偏弱、偏東；中、高緯度的共同作用下，新疆上空盛行異常的偏北氣流，加之阿拉伯海為異常氣旋式環(huán)流，不利于低緯度暖濕氣流北上輸送到新疆。所以，5月西藏高壓指數(shù)Ⅰ偏弱時，夏季500 hPa的環(huán)流配置不利于北疆夏季降水。

降水需要有利的環(huán)流場，也需要水汽條件的配合，對于新疆這個干旱與半干旱區(qū)來說，水汽輸送對降水的發(fā)生十分重要。當(dāng)5月TPI1偏強(qiáng)時（圖5a），即5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏高，夏季里、咸海地區(qū)為反氣旋式水汽輸送，巴爾喀什湖到新疆天山以北為自西向東的水汽輸送，表明沿西風(fēng)帶進(jìn)入北疆地區(qū)的水汽輸送增強(qiáng)；西亞—印度半島為氣旋式水汽輸送，阿拉伯海的西南氣流與低緯度南?！霞永瓰车臇|南氣流匯合，表明阿拉伯海與孟加拉灣的水汽輸送到印度半島后，經(jīng)偏南氣流接力輸送到新疆地區(qū)，低緯度水汽向北輸送增強(qiáng)，南方路徑輸送的水汽對北疆夏季降水，尤其是夏季大降水的發(fā)生十分重要[29]；此外，貝加爾湖地區(qū)為反氣旋式水汽輸送，有利于將南海的水汽沿東方路徑接力輸送到北疆地區(qū)。3支路徑的水汽向北疆輸送，為北疆降水提供了有利的水汽條件。反之，當(dāng)5月TPI1偏弱時（圖5b），即5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏低，里、咸海地區(qū)為氣旋式水汽輸送，中亞地區(qū)為反氣旋水汽輸送，不利于低緯度熱帶地區(qū)的水汽向北輸送；歐洲地區(qū)為氣旋式水汽輸送，新疆上空盛行自東向西的水汽輸送（氣候平均新疆上空為自西向東的水汽輸送），表明沿西風(fēng)帶進(jìn)入北疆地區(qū)的水汽輸送減弱，不利于北疆夏季降水。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)：5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ的強(qiáng)弱變化反映了 25°～35°N，80°～100°E 的區(qū)域范圍內(nèi)，各格點(diǎn)500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值情況，該指數(shù)對500 hPa夏季環(huán)流特征、水汽輸送有很大的影響，從而影響北疆地區(qū)夏季降水的變化。

3 5月西藏高原環(huán)流指數(shù)影響北疆夏季降水的可能機(jī)制

3.1 相關(guān)分析

5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ的強(qiáng)弱變化與夏季環(huán)流特征有一定的關(guān)系，與夏季西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ也關(guān)系密切（圖6a），5月TPI1與夏季TPI1的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.54，說明5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ的強(qiáng)弱變化與夏季西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ的變化有很好的持續(xù)性。而且，夏季西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ與北疆夏季降水也有很好的相關(guān)（圖6b），兩者的相關(guān)系數(shù)為0.46，通過顯著性水平99%的信度檢驗(yàn)，表明夏季TPI1與北疆夏季降水也有很大的關(guān)聯(lián)。

圖5 5月TPI1分別為強(qiáng)年（a）、弱年（b）時，夏季地表至300 hPa水汽通量距平的合成分布（單位：kg/（m·s））

3.2 5月西藏高原環(huán)流指數(shù)與高原熱力情況的分析

青藏高原的熱力作用對大氣環(huán)流、高原季風(fēng)、水汽通量、天氣和氣候均有很大的關(guān)系[9-11、13、14、24-27]，已有研究表明，青藏高原的熱力異常與新疆的夏季降水有密切的關(guān)系[35-37]，主要是因?yàn)?月熱力異常和夏季的熱力異常有很好的持續(xù)性[24]。下面重點(diǎn)分析5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ與青藏高原熱力異常的關(guān)系，研究5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ對北疆夏季降水造成影響的原因。

根據(jù)圖7中5月TPI1與5月的感熱通量相關(guān)系數(shù)的空間分布可知，5月TPI1偏強(qiáng)時，即5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏高，5月咸海到巴爾喀什湖、阿拉伯海、中南半島和我國的華南地區(qū)5月的感熱通量與5月TPI1呈正相關(guān)，明顯偏多，而西西伯利亞地區(qū)、阿拉伯半島、青藏高原和內(nèi)蒙古地區(qū)5月的感熱通量明顯偏少，通過99%的信度檢驗(yàn)。通過對5月TPI1與夏季的感熱通量相關(guān)系數(shù)空間分布的分析，5月TPI1和西西伯利亞地區(qū)、青藏高原地區(qū)仍有明顯的負(fù)相關(guān)，且部分地區(qū)通過99%的信度檢驗(yàn)。說明當(dāng)5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏強(qiáng)時，25°～35°N，80°～100°E 的區(qū)域范圍內(nèi)，各格點(diǎn) 500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值偏高，此時青藏高原的感熱通量明顯偏弱，并且這種加熱從5月持續(xù)到夏季，當(dāng)5月青藏高原感熱偏弱時，500 hPa中亞和貝加爾湖上空分別受異常氣旋和反氣旋控制，新疆上空盛行異常偏南風(fēng)，利于低緯度的暖濕氣流北上和低緯水汽的向北輸送，為北疆夏季降水的發(fā)生提供了有利的水汽條件[35]。5月TPI1的強(qiáng)弱和青藏高原5—8月的感熱通量有明顯的負(fù)相關(guān)，且這種的關(guān)系從5月持續(xù)到夏季，而青藏高原夏季感熱通量的大小將影響北疆夏季降水的多少。綜上分析：5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ通過與青藏高原5月、夏季熱力的相關(guān)，從而對北疆夏季降水的多少產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本文根據(jù)1961—2016年5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ、Ⅱ與北疆夏季（6—8月）降水的相關(guān)分析，重點(diǎn)探討5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ可能影響北疆夏季降水的原因，并通過分析5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ強(qiáng)、弱年時，夏季500 hPa風(fēng)場、地表至300 hPa水汽通量的異常分布，及其與5月、夏季感熱通量的關(guān)系，得出5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ對北疆夏季降水的指示意義。主要得到以下結(jié)論：

圖6 1961—2016年夏季TPI1分別與5月TPI1（a）、北疆夏季降水（b）的時間序列

圖7 1961—2016年5月TPI1與5月感熱通量（a）、夏季感熱通量（b）的相關(guān)分布（陰影區(qū)為通過99%的信度檢驗(yàn)的區(qū)域）

（1）與北疆夏季降水的相關(guān)性比，5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ和5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅱ，與南疆夏季降水的相關(guān)性要好，且5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ與北疆夏季降水的相關(guān)系數(shù)要比5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅱ與北疆夏季降水的相關(guān)系數(shù)高，通過99%的信度檢驗(yàn)。

（2）5 月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏強(qiáng)時，25°～35°N，80°～100°E的區(qū)域范圍內(nèi)，各格點(diǎn)500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值偏高，此時500 hPa的夏季環(huán)流配置、地面到300 hPa的水汽輸送均有利于北疆夏季降水；5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ偏弱時，環(huán)流配置不利于北疆夏季降水。

（3）夏季西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ與5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ、北疆夏季降水均有很大的相關(guān)性，5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ與5月、夏季高原的熱力異常有密切的相關(guān)，5月西藏高原環(huán)流指數(shù)Ⅰ的強(qiáng)弱變化可以預(yù)測北疆夏季降水的多少。