新疆夏季降水的環(huán)流差異分析

盧 星，趙 勇，王天竺

（成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225）

在全球變暖背景下，過去100 a陸地干旱區(qū)和半干旱區(qū)變得越來越干，但我國西北干旱區(qū)自20世紀80年代中后期開始，卻呈顯著的“暖濕化”趨勢[1-3]。新疆位于西北干旱區(qū)西部，是氣候轉(zhuǎn)型最為突出的區(qū)域[4-8]。雖然全疆夏季降水近30 a都呈增加趨勢，但是降水存在區(qū)域性，在年際變化上存在差異[9]。

對夏季新疆全域或區(qū)域降水異常的大尺度環(huán)流特征。已有學者做了大量工作，趙兵科等[10]認為中亞200 hPa副熱帶西風急流位置偏南，中亞氣旋環(huán)流發(fā)展增強和阿拉伯海水汽向北輸送加強是主要環(huán)流歸因。陳活潑等[11]發(fā)現(xiàn)東亞—太平洋遙相關波列（EAP）強度和位置年代際的增強和偏移，加強了西北太平洋水汽向我國內(nèi)陸輸送，導致新疆20世紀80年代后期夏季降水的年代際增多。伊朗高壓偏西偏北，歐亞范圍極地冷空氣活動明顯減弱，偏西和偏北路徑水汽輸送增強是導致新疆夏季降水偏多的大尺度環(huán)流條件[12-13]。單獨考慮北疆時，夏季降水偏多的環(huán)流特征主要體現(xiàn)為200 hPa西亞副熱帶西風急流位置偏南，中亞上空為異常氣旋性環(huán)流，水汽主要源于阿拉伯海[14]。青藏高原上空環(huán)流與北疆夏季降水呈良好相關性，當環(huán)流指數(shù)偏強時，形成有利于北疆夏季降水的環(huán)流條件[15]。單獨考慮南疆夏季降水偏多，南亞季風偏弱，對應副熱帶西風急流位置偏南，伊朗高壓偏西偏南，西太平洋副熱帶高壓偏北偏東，阿拉伯海和西太平洋的水汽分別從青藏高原兩側(cè)繞流進入南疆上空[16-18]。

從上述已有研究可知，新疆夏季降水主要與西亞200 hPa副熱帶急流的位置和強度、500 hPa氣旋以及不同源地的水汽輸送密切相關。但考慮時要么考慮整個新疆，或者是單一區(qū)域夏季降水的異常，得出的環(huán)流歸因要么類似，如200 hPa西亞副熱帶急流位置變化和中亞500 hPa異常環(huán)流，降水偏多時均為偏南和氣旋性環(huán)流；要么差異較大，如水汽輸送，存在阿拉伯海和西北太平洋兩個主要的水汽源地，這主要與選取研究區(qū)域和分析角度有關。實際上，北疆和南疆夏季降水存在不同位相變化，如新疆整體偏多，南疆多和北疆少，北疆多和南疆少等，尤其后面兩種位相，環(huán)流和水汽輸送如何配置，目前并不清楚。因此，本文在已有研究基礎上，將新疆夏季降水分為兩類情況討論：第一類，北疆和南疆降水的協(xié)同變化，包含新疆整體偏多，南疆多北疆少和北疆多南疆少3種情況；第二類，北疆和南疆單獨變化，即某一區(qū)域夏季降水某年單獨偏多，而另外一區(qū)域降水處在正常態(tài)。依此給出不同類大尺度環(huán)流和水汽輸送的異常特征，加深對新疆夏季降水異常環(huán)流型的理解和認識。

1 數(shù)據(jù)和方法

新疆氣象信息中心提供了81站逐月降水資料，南疆34站，北疆47站。EOF分析表明，新疆夏季降水的區(qū)域差異主要體現(xiàn)為南疆和北疆[9，19-20]，因此，本文直接選取南疆和北疆的站點（天山為界）（圖1）。大氣環(huán)流數(shù)據(jù)由美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）提供，包括緯向風，經(jīng)向風和比濕等要素，均為月平均數(shù)據(jù)。本文研究時段為1961—2015年，如無特別說明，夏季指6—8月的平均。

本文定義了兩個指數(shù)，將1961—2015年南疆范圍站點區(qū)域平均的夏季降水標準化距平序列定義為南疆夏季降水指數(shù)，同樣定義北疆夏季降水指數(shù)。圖2給出了南疆和北疆夏季降水指數(shù)的年變化。相關分析發(fā)現(xiàn)，兩個區(qū)域夏季降水的相關系數(shù)僅為0.26，未能通過95%信度檢驗，兩個區(qū)域降水有22 a差異顯著，也證明了夏季兩個區(qū)域的降水確實存在顯著的區(qū)域差異和年際差異。已有針對南、北疆的分析，但更多是單獨考慮一個區(qū)域，既包含了和另一個區(qū)域降水的協(xié)同變化，也包含了個體的單獨變化。

圖1 新疆氣象觀測站點和地形分布

圖2 1961—2015年北疆和南疆夏季降水指數(shù)的年變化

以降水指數(shù)±0.5為閾值，確定南疆和北疆夏季降水的異常年，降水指數(shù)＞0.5，表示降水偏多，反之降水指數(shù)＜-0.5，表示降水偏少。當降水指數(shù)的絕對值＜0.25時，表示降水處在正常年。兩個區(qū)域降水協(xié)同變化分為3種情況：新疆降水偏多，有1991、1992、1993、1996、1998、2005和2013年共7 a，南疆降水偏多和北疆降水偏少，有1974、1982、2010年共3 a，北疆降水偏多和南疆降水偏少，有1961、1967、1970、1995、2011年共5 a。南疆和北疆夏季降水單獨變化分為兩種情況：南疆降水偏多，北疆降水正常，僅有2012年，北疆降水偏多，南疆降水正常，有1988、1999、2001年共3 a。

2 結(jié)果分析

2.1 北疆和南疆夏季降水協(xié)同變化時的環(huán)流異常

2.1.1降水異常分布

圖3給出了3種降水協(xié)同變化情況下的降水距平分布。由圖3a可見，當南疆和北疆夏季降水指數(shù)均＞0.5時，整個新疆夏季降水均為正距平，天山山區(qū)和南疆西部是北疆和南疆降水的大值區(qū)，對應降水距平也相對最大，通過95%信度檢驗的站點主要位于北疆。當南疆降水指數(shù)＞0.5，北疆降水指數(shù)＜-0.5時，降水距平呈北負南正的分布，南疆中西部降水距平相對較大（圖3b）。當北疆降水指數(shù)＞0.5，南疆降水指數(shù)＜-0.5時，降水距平分布和上一種情況相反，南疆和北疆多個站點可以通過95%的信度水平檢驗（圖3c）。

2.1.2大尺度環(huán)流異常分布

以上分析說明，根據(jù)降水指數(shù)得出的3種降水協(xié)同變化是合理的，下一步需分析3種情況的環(huán)流異常。副熱帶西風急流與我國夏季降水密切相關，與季風區(qū)不同，影響新疆夏季降水的西風急流主要位于西亞（40°～80°E），也是亞洲西風急流3個中心之一[21]，因此本文重點關注西亞西風急流。圖4給出了降水3種協(xié)同變化情況下，200 hPa緯向風的距平分布。由圖4a可見，當新疆夏季降水整體偏多時，40°N以北緯向風速減弱，以南增強，說明西亞副熱帶急流位置偏南，與已有研究一致[12，14]。當南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少時，環(huán)流分布和圖4a類似，但距平值更大，說明急流位置不僅偏南，急流強度也增強（圖4b）。當北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少時，急流位置偏北，急流強度偏強（圖4c），這與單獨討論北疆夏季降水得出的環(huán)流分布有所差異，說明急流偏南或者偏北，還與兩個區(qū)域降水的協(xié)同變化相關。

新疆降水除與西亞副熱帶西風急流聯(lián)系緊密外，還受500 hPa中亞（新疆）上空異常的氣旋（反氣旋）的重要影響。圖5a給出了新疆夏季降水整體偏多時500 hPa風場距平分布。中亞和蒙古高原上空分別受異常氣旋和異常反氣旋控制，在二者共同作用下，新疆整體盛行偏南風，為新疆夏季降水提供必要的動力條件。與我國東部季風區(qū)夏季降水不同，在夏季風背景下，盛行西南風，降水與北方冷空氣南下聯(lián)系緊密[22]。而新疆本身不受季風影響且緯度較高，干冷空氣是充足的，所以其夏季降水與低緯來的暖濕氣流聯(lián)系更加緊密。圖5b給出了南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少時500 hPa風場距平分布。中亞上空為異常氣旋控制（圖5b），但氣旋的位置比圖5a偏南，蒙古高原上空的異常反氣旋位置偏東，因此只有南疆地區(qū)上空盛行異常東南風，有利于南疆中西部夏季降水偏多。圖5c給出了北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少時500 hPa風場距平分布。中亞上空受異常反氣旋控制，北疆上空存在異常氣旋式切變，南疆盛行西北風（圖5c），有利于北疆地區(qū)夏季降水偏多。

2.1.3水汽輸送異常分布

圖3 降水距平的合成分布（單位：mm）

圖4 中亞地區(qū)200 hPa緯向風距平的合成分布（單位：m·s-1）

新疆夏季降水除與大尺度環(huán)流密切相關，水汽輸送也是必要條件。由于青藏高原的阻擋，印度洋水汽不能直接進入新疆，同時由于不受東亞季風的控制，季風也不能將西北太平洋的水汽直接輸送至新疆。圖6a給出了新疆夏季降水整體偏多時，整層水汽通量距平分布。由圖6a可見，阿拉伯海上空為異常反氣旋控制，可以將印度洋水汽沿60°E向北輸送至中緯度地區(qū)（30°N），完成水汽輸送的第一步，接著，中亞上空異常氣旋東部的西南風將水汽進一步向北輸送，進入新疆上空，完成水汽輸送的第二步，為新疆夏季降水提供水汽條件。由此可見，當新疆夏季降水整體偏多時，水汽表現(xiàn)為典型的兩步接力輸送過程[17]，這與季風區(qū)水汽的直接輸送，有很大差異。圖6b為南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少時的水汽通量距平分布。南疆水汽輸送分為兩個部分，伊朗上空的異常反氣旋和中亞上空的異常氣旋，可以將阿拉伯海的水汽輸送至南疆上空，但與圖6a相比，這支水汽輸送要弱很多。東部中高緯度受異常反氣旋控制，北太平洋的水汽沿其南側(cè)東風向西輸送，從盆地東部進入南疆[18]。圖6c為北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少時的水汽通量距平分布。由圖6c可見，這種情況下印度半島上空受異常氣旋控制，中亞上空為異常反氣旋控制，印度洋水汽不可能向北輸送。東部沿海西北太平洋的熱帶水汽向北輸送加強，配合蒙古高原上空的異常氣旋，類似于圖6a的水汽兩步接力輸送過程，將西北太平洋的水汽輸送至北疆（圖6c），與已有研究一致[11]。

2.2 北疆和南疆夏季降水單獨變化時的環(huán)流異常

2.2.1降水異常分布

2.1節(jié)討論了南疆和北疆夏季降水協(xié)同變化時，大尺度環(huán)流和水汽輸送的異常配置。本節(jié)進一步分析單獨一個區(qū)域降水異常時，大氣環(huán)流和水汽輸送的配置分布。當南疆降水偏多，北疆降水處在正常態(tài)時，北疆夏季降水在天山山區(qū)附近為負距平，北疆北部為正距平。南疆降水增多主要位于塔里木盆地的中西部，也是盆地降水最多的區(qū)域（圖7a）。反之，當北疆降水偏多，南疆降水處在正常態(tài)時，北疆降水基本為正距平，尤其天山山區(qū)降水明顯偏多，盆地中西部降水偏多，中東部偏少，距平較小，在10 mm之內(nèi)（圖7b）。

2.2.2大尺度環(huán)流異常分布

圖8a給出了南疆降水偏多，北疆降水處在正常態(tài)時200 hPa緯向風距平的分布。由圖8a可見，37.5°N以北，西風減弱，以南西風加強，說明西亞副熱帶西風急流位置偏南。當北疆降水偏多，南疆降水處在正常態(tài)時（圖8b），緯向風分布和圖8a類似，也表現(xiàn)為急流位置偏南異常分布特征。二者對比可見，前者急流的位置更偏南，可達到35°N以南，西風增強中心位于60°～80°E范圍，后者在42.5°N以南，西風增強中心位于50°～70°E。由此說明，南疆或北疆單獨降水偏多時，西亞副熱帶西風急流位置均偏南，但是偏南位置有所區(qū)別，前者更偏南一些。

圖5 500 hPa風矢量距平的合成分布（單位：m·s-1）

圖6 整層水汽通量距平的合成分布（單位：kg·m-1·s-1）

圖9a給出了南疆降水偏多，北疆降水處在正常態(tài)時500 hPa風場距平的分布。中亞上空以40°N為界，南側(cè)受異常氣旋性環(huán)流控制，北側(cè)受異常反氣旋性環(huán)流控制，蒙古高原上空為氣旋性環(huán)流控制，南疆盛行偏南風，提供有利于夏季降水發(fā)生的動力條件。反之，當北疆降水偏多，南疆降水處在正常態(tài)時，環(huán)流分布和圖9a剛好相反，40°N以南受異常反氣旋性環(huán)流控制，以北受氣旋性環(huán)流控制，蒙古高原上空為異常反氣旋性環(huán)流，在氣旋環(huán)流和反氣旋環(huán)流的共同作用下，北疆盛行異常偏南風，有利于降水的發(fā)生。南疆處在異常反氣旋的東部，塔里木盆地的中西部盛行偏北氣流（圖9b），不利于降水的發(fā)生。

2.2.3水汽輸送異常分布

圖7 降水距平的合成分布（單位：mm）

圖8 200 hPa緯向風距平的合成分布（單位：m·s-1）

圖9 500 hPa風矢量距平的合成分布（單位：m·s-1）

圖10 整層水汽通量距平的合成分布（單位：kg·m-1·s-1）

圖10a給出了南疆降水偏多、北疆降水處在正常態(tài)時，整層水汽通量的異常分布特征。由圖10a可見，越赤道索馬里急流偏弱，阿拉伯海至印度半島為異常反氣旋性環(huán)流控制，可以將阿拉伯海水汽輸送至中緯度地區(qū)，配合中亞南部（40°N以南）異常氣旋性環(huán)流，進一步將水汽輸送至南疆上空。水汽輸送以經(jīng)向輸送為主，水汽主要源于阿拉伯海。圖10b給出了北疆降水偏多，南疆降水處在正常態(tài)時，整層水汽通量的異常分布特征。越赤道索馬里急流加強，阿拉伯海上空為異常反氣旋性環(huán)流（圖10b），中心的位置比圖10a偏北一些，配合中亞北部（40°N以北）的異常氣旋性環(huán)流，可以將水汽輸送至更高緯度，為北疆夏季降水提供水汽。同時蒙古高原上空的異常反氣旋環(huán)流位置偏東，可以將太平洋中高緯的水汽向西輸送。因此北疆降水單獨偏多時，水汽輸送既有印度洋的經(jīng)向輸送，也有太平洋的緯向輸送。

3 結(jié)論

本文基于1961—2015年降水和環(huán)流數(shù)據(jù)，研究了新疆夏季6—8月降水在不同情況下的環(huán)流差異。將南疆和北疆夏季降水分為兩類5種情況討論，既考慮了南、北疆降水的協(xié)同變化時環(huán)流和水汽輸送分布特征，也考慮了單一區(qū)域降水偏多時環(huán)流和水汽輸送的特點，較全面地給出了新疆夏季降水的環(huán)流和水汽輸送配置，主要結(jié)論如下：

（1）當新疆夏季降水整體偏多時，西亞副熱帶西風急流位置偏南，中亞和蒙古高原上空分別為異常氣旋和反氣旋性環(huán)流控制，新疆上空盛行異常偏南風，為降水提供有力的環(huán)流條件，阿拉伯海上空的反氣旋性環(huán)流，將熱帶印度洋上空的水汽輸送至中緯度，配合中亞上空的異常氣旋性環(huán)流，進一步將水汽輸送至中亞，為降水提供水汽條件。當南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少時，西亞副熱帶西風急流位置偏南，中亞南部（40°N以南）上空為異常氣旋性環(huán)流控制，南疆中西部盛行異常偏南風，有利于降水生成，水汽輸送既有印度洋的經(jīng)向輸送，也有西北天平洋的緯向輸送。當北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少時，西亞副熱帶急流強度增強，中亞上空為異常反氣旋性環(huán)流控制，北疆上空為異常氣旋控制，水汽主要源于西北太平洋的緯向輸送。

（2）當南疆（北疆）夏季降水偏多，北疆（南疆）夏季降水處在正常態(tài)時，西亞副熱帶西風急流位置均偏南，中亞40°N以南為異常氣旋（反氣旋），以北為異常反氣旋（氣旋）控制，南疆（北疆）盛行偏南風，越赤道索馬里急流減弱（增強），阿拉伯海上空為異常反氣旋，配合中亞上空氣旋，將熱帶水汽輸送至南疆（北疆）上空，為降水提供水汽條件。