基于探空資料的1961—2018年新疆高空大氣比濕氣候特征分析

楊 濤，楊蓮梅

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

21世紀(jì)初，施雅風(fēng)等[1]提出1987年起西北氣候出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向暖濕的強(qiáng)勁信號(hào)。21世紀(jì)初以來，研究者對(duì)新疆不同時(shí)間尺度和區(qū)域的地面氣溫、降水、干濕時(shí)空變化等開展了大量研究[2-7]，加深了對(duì)新疆區(qū)域暖濕氣候變化的認(rèn)識(shí)。還有學(xué)者對(duì)干旱特征、氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行分析和評(píng)估[8]，已開展的研究主要針對(duì)地面氣象要素，而對(duì)流層水汽是氣候的重要變量，是最重要的氣候變化正反饋因子之一，也是氣候?qū)W和天氣學(xué)研究的重要問題。水汽通常用露點(diǎn)溫度、絕對(duì)比濕、相對(duì)濕度和比濕等表征，氣壓變化導(dǎo)致的大氣膨脹或收縮對(duì)比濕的影響很小，因此，用比濕描述大氣水汽的變化尤為重要[9]。水汽研究資料通常是基于探空觀測(cè)、衛(wèi)星遙感和再分析資料，此外，基于飛機(jī)飛艇、微波輻射計(jì)等現(xiàn)代觀測(cè)技術(shù)也為高空水汽研究提供新的信息來源，不同探測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而探空具有歷史序列長(zhǎng)、垂直分辨率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是站點(diǎn)分布不均且稀疏。

新疆為干旱半干旱區(qū)，水資源是重要的制約因素，高空大氣水汽來源于水平和垂直方向的輸送，氣候因子的差異會(huì)導(dǎo)致高空大氣水汽分布的區(qū)域差異。早在20世紀(jì)60年代，氣象工作者開始對(duì)新疆大氣水汽的研究，用有限的探空站的短時(shí)間資料，給出了新疆比濕空間分布為自西向東與自南向北的遞減，季節(jié)分布為夏季高、冬季低的特征[10]。此后對(duì)新疆水汽的研究主要利用NCEP/NCAR再分析資料開展[11-13]，而再分析資料對(duì)水汽的反演存在較大的誤差，因此很有必要利用長(zhǎng)時(shí)間序列的探空資料對(duì)水汽開展研究。中國(guó)大氣水汽變化與全球或北半球尺度的變化有明顯差異，新疆具有獨(dú)特的地理和氣候環(huán)境，用長(zhǎng)時(shí)間序列的探空資料分析對(duì)流層不同層次比濕氣候特征及其變化，以探討新疆區(qū)域大氣水汽變化與其他區(qū)域的大氣水汽有何差異，是對(duì)新疆區(qū)域氣候變化認(rèn)識(shí)的有益補(bǔ)充。

1 資料和方法

應(yīng)用1961—2018年新疆12個(gè)探空氣象站（阿勒泰、塔城、克拉瑪依、伊寧、烏魯木齊、北塔山、哈密、庫(kù)爾勒、庫(kù)車、喀什、和田、若羌）逐日觀測(cè)資料，其中塔城始于1966年，其它站均從20世紀(jì)50年代或60年代初開始觀測(cè)，北塔山1959年11月起有07時(shí)觀測(cè)，1981年增加19時(shí)觀測(cè)，克拉瑪依站1968年2月—1971年12月暫停過觀測(cè)，總體資料序列比較完整，可以代表當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)。采集了規(guī)定等壓面層的氣溫和露點(diǎn)溫度資料，包括近地面層、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100 hPa。12個(gè)探空氣象站的分布見圖1。

圖1 新疆主要探空氣象站分布

利用氣溫、露點(diǎn)溫度、氣壓等觀測(cè)資料，按照簡(jiǎn)化的比濕計(jì)算公式[14]計(jì)算了850、700、500 hPa比濕序列，包括上述12個(gè)站1961—2018年逐日07時(shí)和19時(shí)850、700、500 hPa三層次的值，用兩個(gè)時(shí)次的平均值計(jì)算了日均值。

當(dāng)氣溫＞-40℃時(shí)，

在氣溫＜-40℃時(shí)，

其中，T為氣溫，P為氣壓，E為水汽壓，Es為飽和水汽壓。

其中，Td為露點(diǎn)溫度，RH為相對(duì)濕度，q為比濕。

研究表明，90%以上的水汽集中在500 hPa以下的大氣層[9]，400 hPa比濕僅為850 hPa的10%，300 hPa以上各層比濕和僅為850 hPa的1%，因此本文主要研究850、700、500 hPa層次的比濕，探討新疆區(qū)域比濕氣候特征及其變化。

2 新疆對(duì)流層中、低層比濕的氣候特征及其變化

2.1 比濕的氣候特征

各站全年比濕分布（表1）可以看出，新疆大氣的比濕分布呈現(xiàn)自西向東遞減、自南向北遞減的特征，這是由新疆以西方水汽輸入為主所決定的，也與全國(guó)比濕的南高北低的緯向分布特點(diǎn)一致。在垂直方向上比濕呈隨高度上升而減小的分布。

表1 新疆12個(gè)探空站比濕年平均值 g·kg-1

研究表明，我國(guó)850和500 hPa比濕變化范圍分別為2～12 g·kg-1和0.1～2.5g·kg-1[9]。由表1可知，新疆850 hPa比濕年平均值為3.48 g·kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.476 g·kg-1，新疆西部的喀什比濕最大為4.3 g·kg-1，新疆東部的哈密比濕最小為2.81 g·kg-1。700 hPa比濕年平均值為2.28 g·kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.217 g·kg-1，新疆西部的喀什比濕最大為2.62 g·kg-1，新疆北部的阿勒泰、東部的哈密比濕最小分別為1.97 g·kg-1和1.98 g·kg-1。500 hPa比濕年平均值僅為0.91 g·kg-1，各站比濕值差異較小，表明對(duì)流層中層水汽少、分布差異也小。新疆由于深處歐亞大陸腹地，為干旱半干旱氣候，水汽輸送和地表蒸發(fā)遠(yuǎn)小于東亞季風(fēng)區(qū)，新疆比濕及其標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于東亞季風(fēng)區(qū)，且比濕標(biāo)準(zhǔn)差表明其是變化很小的物理量。

2.2 比濕的季節(jié)分布

從四季比濕平均值來看（表2），各季比濕分布與年分布一致，均呈自西向東遞減、自南向北遞減，垂直方向上也都隨高度增加而減?。桓鲗哟尉憩F(xiàn)出夏季最大、冬季最小的特點(diǎn)，秋季略大于春季，夏季比濕為冬季的3.7～6.3倍。850 hPa，夏季比濕平均值為6.53 g·kg-1，新疆南部的和田平均值最大為8.03 g·kg-1，哈密最小為5.63 g·kg-1，冬季為1.54 g·kg-1，僅為夏季的27%，同時(shí)各站比濕值為1.17～1.88 g·kg-1，表明冬季比濕很小且差異也很小，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.2 g·kg-1，春、秋季平均值分別為2.77和3.13 g·kg-1，約為夏季的1/2，可見850 hPa比濕的季節(jié)分布差異很大。

表2 新疆12個(gè)探空站比濕四季平均值 g·kg-1

700 hPa，夏季比濕平均值為4.45 g·kg-1，各站比濕在4.11～4.87 g·kg-1，差異較小，表明在3000 m高空，新疆區(qū)域比濕空間分布比較均勻一致，東西約2000 km和南北約1500 km廣大范圍比濕分布比較均勻，這是由干旱半干旱氣候背景所決定的。冬季比濕僅為1.01 g·kg-1，僅為夏季的23%，同時(shí)各站比濕值為0.83～1.23 g·kg-1，表明冬季比濕很小且差異也很小，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.11 g·kg-1。春、秋季平均值分別為1.75 g·kg-1和1.95 g·kg-1，為夏季的40%左右，可見700 hPa比濕的季節(jié)分布差異很大，但各站比濕差異卻很小，說明在此層比濕的空間分布差異較小。

500 hPa，夏季比濕平均值為1.91 g·kg-1，約為850 hPa比濕的29%，各站比濕為1.35～2.75 g·kg-1，表明在5000 m高空，新疆區(qū)域比濕分布差異比700 hPa大。冬季比濕為0.36 g·kg-1，僅為夏季的19%，同時(shí)各站比濕值為0.27～0.48 g·kg-1，表明冬季比濕很小且差異也很小，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.06 g·kg-1。春、秋季平均值分別為0.71和0.72 g·kg-1，約為夏季的37%，可見500 hPa比濕的季節(jié)分布差異也很大，但各站比濕差異卻很小，在此層比濕的空間分布差異比850 hPa小，但較700 hPa大。

夏季850、700和500 hPa新疆各站比濕的標(biāo)準(zhǔn)差都是最大的，主要原因是溫度高、比濕絕對(duì)數(shù)值大，也說明各站點(diǎn)之間的離散程度比較高，表明對(duì)流層水汽在夏季變化幅度最大，各站點(diǎn)之間比濕差異相對(duì)其他季節(jié)大，但700 hPa比濕的空間差異小于850和500 hPa。

2.3 比濕年際變化及與地面水汽、降水變化的關(guān)系

2.3.1 比濕年際變化

由圖2可見，1961—2018年850 hPa比濕呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，R值為0.359，通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，這與新疆降水呈顯著增加趨勢(shì)不一致，而700和500 hPa比濕表現(xiàn)出弱上升趨勢(shì)，但R值均較小，未通過顯著性檢驗(yàn)。2005年以前新疆比濕的年代際變化與中國(guó)1958—2005年比濕變化趨勢(shì)是一致的[9]，中國(guó)對(duì)流層中低層比濕序列在1965年和1987年出現(xiàn)超過5%顯著性檢驗(yàn)的突變點(diǎn)，其中1966年中國(guó)多數(shù)探空站經(jīng)歷了儀器換型和訂正方法的重大變更，1966年左右的突變點(diǎn)可能與這些變更相關(guān)，而非氣候意義的突變點(diǎn)。1987年的突變則無臺(tái)站變化的影響，屬于發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折。

考慮到2005—2007年期間新疆各探空站經(jīng)歷了儀器換型（普遍從59型探空儀換為GTS1型數(shù)字式探空儀），是否也是導(dǎo)致2006年后比濕均值大幅下降的原因呢？按照前期研究[15]，探空儀換型后高度、溫度具有一致性，濕度則有顯著差異。1967—2005年期間的比濕趨勢(shì)見圖3，各層次比濕均表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，各個(gè)層次均在1987年開始出現(xiàn)高于均值的變化，1967—1986年新疆對(duì)流層中、低層大氣比濕呈現(xiàn)偏“干”時(shí)段，1987—2005年為相對(duì)偏“濕”時(shí)段，如果與圖4聯(lián)系起來看，將2006年前后儀器換型導(dǎo)致的比濕均值變化因素排除，可知從1987年以來新疆地區(qū)對(duì)流層中低層比濕總體表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(shì)，與降水增多趨勢(shì)一致。

圖3 1967—2005年新疆年平均比濕時(shí)間序列

將換型后的2007—2018年比濕進(jìn)行分析，可以看到各層次比濕均呈顯著上升趨勢(shì)（圖4），相關(guān)系數(shù)均通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明2007—2018年期間比濕均值雖然較1961—2018年的多年均值下降，但這期間呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)。

圖4 2007—2018年新疆年平均比濕時(shí)間序列

分析1967—2005年四季新疆對(duì)流層中、低層比濕的年際和年代際變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)夏季上升趨勢(shì)明顯，各高度層均通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，冬、春、秋季則是略有上升，未通過顯著性檢驗(yàn)；以2007—2018年分析，850 hPa春季和夏季、700 hPa的春季上升趨勢(shì)通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，其它層次和季節(jié)也是略有上升，但未通過顯著性檢驗(yàn)。

2.3.2 地面水汽壓年際變化、比濕與降水量相關(guān)分析

新疆12個(gè)探空站年平均地面水汽壓變化見圖5，1967年以來新疆地面水汽壓呈顯著增加趨勢(shì)，R為0.73，通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，這與地面降水增多趨勢(shì)一致[5，7]。地面水汽壓年際變化可見，1960年代中期—1980年代中期表現(xiàn)為偏干趨勢(shì)，1987年出現(xiàn)突變，1980年代后期到2000年代中期呈現(xiàn)偏濕趨勢(shì)，與對(duì)流層各層比濕的變化階段基本一致，2006年以后的地面水汽壓趨勢(shì)不明顯。地面水汽壓的趨勢(shì)變化圖說明對(duì)流層中低層的比濕與地面水汽壓年代際變化是一致的。地面水汽壓四季的年際變化特征與年變化一致。

圖5 1967—2005年新疆年平均地面水汽壓變化（單位：hPa）

對(duì)1967—2005年新疆年降水量與850、700和500 hPa比濕進(jìn)行了線性相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)分別為0.732、0.784和0.672，相關(guān)系數(shù)均通過0.05的顯著性檢驗(yàn)；2007—2018年新疆年降水與850、700和500 hPa比濕線性相關(guān)系數(shù)分別為0.54、0.565和0.76，相關(guān)系數(shù)均通過0.1的顯著性檢驗(yàn)，表明降水與比濕關(guān)系密切。

2.4 暴雨/雪過程比濕特征

從現(xiàn)有成果中選擇出12個(gè)探空站，均出現(xiàn)暴雨[16]、暴雪[17]天氣的個(gè)例，共選擇1961—2018年期間各探空站≥24.1 mm的暴雨個(gè)例67次，選擇1961—2017年期間各探空站≥12.1 mm的暴雪個(gè)例28次，用暴雨/雪天氣發(fā)生時(shí)比濕最大值（從降水前后各一天及降水當(dāng)日的07、19時(shí)值中選出最大）與該季節(jié)的多年均值進(jìn)行對(duì)比（表3～6）。春季，暴雨/雪天氣過程850、700和500 hPa比濕依次減小，850 hPa比濕為4.49～9.37 g·kg-1，各站比濕差異較大，但明顯大于春季氣候平均值，可達(dá)氣候平均的1.4～3.3倍，大多為2～3倍，表明發(fā)生暴雨/雪時(shí)850 hPa比濕明顯增大；700 hPa比濕為3.65～6.24 g·kg-1，各站比濕小于850 hPa，可達(dá)氣候平均的1.9～3.4倍，大多為2～3倍，表明發(fā)生暴雨/雪時(shí)700 hPa比濕明顯增強(qiáng)；500 hPa比濕為1.34～2.93 g·kg-1，各站比濕小于700 hPa，可達(dá)氣候平均的1.8～4.0倍，表明發(fā)生暴雨/雪時(shí)500 hPa比濕也明顯增強(qiáng)，可見發(fā)生暴雨/雪時(shí)對(duì)流層850～500 hPa比濕均出現(xiàn)明顯的增加特征。新疆秋季秋高氣爽，強(qiáng)降水天氣少，比濕特征與春季一致，只是秋季比濕值小于春季。

表3 新疆暴雨、暴雪天氣比濕特征（春季）g·kg-1

夏季，暴雨天氣發(fā)生時(shí)850 hPa比濕在一年中最大，約為6.88～12.99 g·kg-1，各站的差異還是比較大的，為季節(jié)平均的1.1～2.3倍，700 hPa比濕約為4.60～11.08 g·kg-1，約為季節(jié)平均的1.0～2.3倍，500 hPa比濕為2.01～6.25 g·kg-1，各站比濕＜700 hPa，可達(dá)氣候平均的1.2～2.6倍，夏季比濕為一年中最高的，說明水汽相對(duì)豐富，而發(fā)生暴雨時(shí)比濕增多比例卻比春、秋和冬季少，表明夏季暴雨的發(fā)生由產(chǎn)生降水的動(dòng)力和不穩(wěn)定條件決定。

冬季暴雪天氣比濕是最小的，850 hPa比濕為1.73～5.15 g·kg-1，為季節(jié)平均的1.5～3.5倍；700 hPa比濕約為1.60～3.36 g·kg-1，約為季節(jié)平均的1.6～3.8倍，500 hPa比濕較小大多在1.5 g·kg-1以下，但仍可達(dá)氣候平均的1.9～4.8倍，表明冬季暴雪水汽由外部水汽輸送和聚集所致。

用NCEP/NCAR等資料分析新疆暴雪/雨天氣過程的研究[18-25]指出，冬季出現(xiàn)暴雪時(shí)850 hPa比濕最大值可達(dá)2.5～3 g·kg-1，可見再分析資料比探空資料計(jì)算的比濕小一些；夏季暴雨天氣850 hPa比濕可達(dá)9～15 g·kg-1，再分析資料比探空資料計(jì)算的比濕又偏大；春、秋季暴雨天氣850 hPa比濕約為6～9 g·kg-1，再分析資料與探空資料計(jì)算的比濕范圍比較一致。

北京“7.21”特大暴雨過程[26]中，累計(jì)最大降水量最大值為541 mm，出現(xiàn)在房山的河北鎮(zhèn)水文站，氣象站觀測(cè)到的最大值為門頭溝龍泉（408.2mm），城區(qū)最大降水量石景山模式口（328mm）。該暴雨過程中的水汽情況如下：7月21日14時(shí)低層對(duì)流層850 hPa以下比濕首先達(dá)到最大值16～19 g·kg-1，此后中高層的比濕也迅速增大，850～600 hPa各層均在20時(shí)達(dá)到最大值，在10～15 g·kg-1。可見，東亞季風(fēng)區(qū)的華北區(qū)域極端降雨量可達(dá)新疆地區(qū)的10倍左右，而對(duì)流層中低層比濕較新疆偏大1倍左右。

表4 新疆暴雨天氣比濕特征（夏季） g·kg-1

表5 新疆暴雨、暴雪天氣比濕特征（秋季）g·kg-1

表6 新疆暴雪天氣比濕特征（冬季） g·kg-1

3 結(jié)論

利用1961—2018年新疆12個(gè)探空站逐日資料計(jì)算了對(duì)流層中低層比濕，研究了新疆58 a來對(duì)流層中低層大氣比濕氣候特征及其變化，得到以下結(jié)論：

（1）新疆大氣比濕自西向東、自南向北遞減，在垂直方向上隨高度增加而減小，新疆比濕遠(yuǎn)小于東亞季風(fēng)區(qū)。新疆夏季比濕最大，其次為秋季、春季，冬季最小。850和500 hPa夏季新疆各站之間比濕差異較大，春、秋季次之，冬季最小，而700 hPa各站比濕差異較小。

（2）排除1966年、2006年前后兩次探空站儀器全面換型影響，分析了新疆比濕1967—2005年、2007—2018年兩個(gè)階段的變化趨勢(shì)，表明這兩個(gè)階段各層次均呈線性上升趨勢(shì)，1967—1986年、1988—2005年新疆對(duì)流層中、低層大氣比濕呈“干—濕”顯著變化，突變點(diǎn)為1987年；地面水汽壓年際變化與比濕基本一致。對(duì)流層中低層各層次比濕與降水呈顯著正相關(guān)。

（3）夏季暴雨天氣時(shí)比濕最大，尤其850 hPa比濕最大可達(dá)6.88～12.99 g·kg-1，700 hPa為4.60～11.08 g·kg-1，500 hPa為2.01～6.25 g·kg-1，夏季發(fā)生暴雨時(shí)比濕約為氣候平均的1～2倍，表明夏季暴雨的動(dòng)力和不穩(wěn)定條件更關(guān)鍵，新疆暴雨天氣比濕遠(yuǎn)比東亞季風(fēng)區(qū)小。冬季暴雪天氣比濕是一年中最小的，但仍可達(dá)氣候平均的1.9～4.8倍，冬季暴雪水汽由外部水汽輸送和聚集所致。春、秋季強(qiáng)降水比濕介于夏、冬季之間，但可達(dá)氣候平均的2～3倍，說明春、秋季需要更多的水汽產(chǎn)生強(qiáng)降水。