春季熱帶海溫與北疆夏季極端降水的關(guān)系研究

周雅蔓， 劉 晶， 趙 勇， 馬 超， 李 娜

（1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆烏魯木齊830002；2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川成都610225；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；4.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊830002）

0 引言

IPCC第五次報告進一步確認了全球氣候變暖的事實［1］，極端降水、高溫、大風、沙塵暴等極端氣候事件在過去半個世紀均表現(xiàn)為增多增強的趨勢，21世紀末中緯度地區(qū)極端天氣和氣候事件的頻率或強度將繼續(xù)增加，大范圍持續(xù)強降水事件的頻繁發(fā)生往往易引發(fā)泥石流和山體滑坡等自然災害［2-4］，給社會經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)帶來嚴重影響。近年來研究表明：我國極端降水呈現(xiàn)增多趨勢［5］，極端降水的頻次、降水量及強度也均呈上升趨勢［6］，且年降水量的變化主要是由極端降水量的變化導致的［7］，極端降水給生態(tài)環(huán)境、人民安全帶來了嚴重的影響［8］，如2010年甘肅省舟曲縣持續(xù)極端降水造成的泥石流災害［9］，2012年北京“7·21”大暴雨造成的城市內(nèi)澇等［10］。極端降水事件增多在氣候變化敏感和脆弱的地區(qū)更為顯著，尤其在西北地區(qū)，極端降水量和頻次明顯增加［11-13］，新疆作為干旱與半干旱區(qū)，大部分站點表現(xiàn)出極端降水頻率增長的趨勢，且主要集中在北疆及南部偏北地區(qū)，且山區(qū)極端降水強度大，平原地區(qū)極端降水頻數(shù)多［14-19］。

極端降水事件的增加與大氣環(huán)流形勢有著密切的關(guān)系，大氣環(huán)流異常是造成天氣氣候變化的直接原因［20］，極端降水的變化與大氣內(nèi)部的動力作用和能量傳播密切相關(guān)［21］。西北地區(qū)的夏季降水與冷空氣條件和水汽來源密不可分［22］，南亞高壓、烏拉爾山脊、蒙古氣旋、西太平洋副熱帶高壓的強弱對西北地區(qū)夏季降水有很大影響［23］，水汽接力輸送是西北干旱區(qū)暴雨發(fā)生的重要條件［24］。而大氣環(huán)流異常是與海溫等大氣外強迫變化相聯(lián)系的，海洋變化對氣候響應敏感的干旱地區(qū)影響顯著［25］，對降水的影響主要是通過環(huán)流對海溫的響應表現(xiàn)出來的。已有大量研究表明：亞洲干旱與半干旱區(qū)的降水與南北緯10°之間三個大洋暖池區(qū)域的海溫存在顯著的正相關(guān)，與東印度洋暖池海溫的相關(guān)性最高，其次是西太平洋暖池的海溫［26］，北太平洋、印度洋和南海地區(qū)以及赤道中東太平洋區(qū)域作為三個影響我國降水的關(guān)鍵地區(qū)［27-30］，當北太平洋關(guān)鍵海區(qū)1、2月海溫異常偏高時，江淮北區(qū)6—7月降水偏多［31］，當春季印度洋海溫異常偏高時，通過影響夏季東亞環(huán)流、西太平洋副熱帶高壓位置，進而影響我國的降水分布［32］，印度洋海溫一致增暖是造成我國雨帶南移的原因之一［33］，并且同期熱帶印度洋海溫異常與南亞高壓強度變化有很好的關(guān)系［34-35］。

受氣候增暖的影響，新疆極端降水指標基本上在1986年、1987年發(fā)生突變［36-37］，北疆的極端指數(shù)變化比其他地區(qū)顯著［38］，已有研究表明：新疆降水年代際和年際的異常增多，主要是由于高、中、低緯系統(tǒng)、西亞西風急流和中亞低值系統(tǒng)的活躍［39］，北疆夏季降水與南亞高壓伊朗高壓型有重要關(guān)系［40］，并且北疆夏季降水變化與前期冬末至春季的北印度洋、西太平洋暖池及黑潮區(qū)、熱帶中東太平洋、北大西洋和熱帶大西洋海溫敏感區(qū)密切聯(lián)系，前期冬季、春季熱帶印度洋暖海盆使得新疆至巴爾喀什湖上空為異常氣旋型環(huán)流，西北地區(qū)東部5月降水異常偏多［41］；前期春季海溫異常與北疆夏季降水變化的聯(lián)系最顯著［42］，但是北疆夏季極端降水與熱帶海溫相關(guān)聯(lián)系的研究并不詳細，海溫敏感區(qū)的協(xié)同影響或單獨影響并未開展探討。本文基于北疆47個觀測站的日降水資料，分析春季熱帶海溫與北疆夏季極端降水的關(guān)系，并討論春季熱帶海溫關(guān)鍵區(qū)對北疆夏季極端降水的影響及夏季大氣環(huán)流特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1961—2017年北疆47站逐日降水數(shù)據(jù)由全國綜合氣象信息共享平臺提供，首先對獲取的逐日降水資料進行簡單的質(zhì)量控制，剔除了夏季（6—8月）北疆降水數(shù)據(jù)缺測值超過5%的站點，用于本文研究的北疆觀測站點分布見圖1。同時選取了1961—2017年NOAA（美國國家海洋大氣管理局）提供的水平分辨率為1°×1°的全球月平均海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）數(shù)據(jù)，并取30° S～30° N的區(qū)域用于研究。本文使用環(huán)流資料為NCEP/NCAR（美國國家環(huán)境預報中心和大氣科學研究中心）提供的月平均再分析資料，分辨率為

2.5°×2.5°，時間選取1961—2017年，要素包括高度場、風場、比濕場和海平面氣壓場等。

本文使用目前國際上研究氣候極值變化最常見的百分位法來計算北疆夏季極端降水，選取第90個百分位的日降水量定義為夏季極端降水量的閾值。從北疆夏季極端降水閾值分布來看［圖2（a）］，平均夏季極端降水閾值達9.1 mm，超過10 mm的高值區(qū)主要分布在伊犁河谷東南部山區(qū)、天山山區(qū)、烏魯木齊和昌吉州東部，最大值出現(xiàn)在天池站，為22.5 mm。結(jié)合年均夏季極端降水量來看［圖2（b）］，準噶爾盆地年均夏季極端降水量普遍低于40 mm，超過50 mm的觀測站集中在伊犁河谷東南部山區(qū)、天山山區(qū)和昌吉州東部山區(qū)，其中，天池站、天山大西溝站和小渠子站的年均夏季極端降水量超過100 mm。1961—2017年北疆47個觀測站的平均夏季極端降水量總體呈上升趨勢［圖2（c）］，夏季極端降水量在1987年首次突破59 mm，之后又多次達到峰值，2016年出現(xiàn)這57年來的峰值。夏季極端降水在時間、空間上的不均勻極易引發(fā)干旱、洪澇、泥石流等自然災害，文中運用相關(guān)分析法和偏相關(guān)分析法找出春季熱帶海溫與北疆夏季極端降水緊密聯(lián)系的關(guān)鍵區(qū)（分析結(jié)果運用相關(guān)系數(shù)信度檢驗），討論春季熱帶海溫關(guān)鍵區(qū)對北疆夏季極端降水的影響，利用合成分析法進一步探討春季熱帶海溫異常時影響北疆夏季極端降水的環(huán)流特征（合成分析結(jié)果運用t檢驗方法進行信度檢驗），對預報預測業(yè)務提供一定的指導。

圖2 北疆夏季極端降水閾值（a）、年均夏季極端降水量的空間分布（b）和平均夏季極端降水量的時間變化（c）（單位：mm）Fig.2 The extreme summer precipitation threshold（a），spatial distribution of annual mean extreme summer precipitation（b）and temporal variation of average extreme summer precipitation（c）in northern Xinjiang（units：mm）

2 北疆夏季極端降水與春季熱帶海溫的關(guān)系

2.1 北疆夏季極端降水與春季熱帶海溫的相關(guān)分布

為研究影響北疆夏季極端降水的春季熱帶海溫關(guān)鍵區(qū)，首先分析1961—2017年這57年北疆夏季極端降水量的區(qū)域平均值和前期春季（3—5月）熱帶海溫的相關(guān)系數(shù)分布，綜合對比分析不同海域的相關(guān)系數(shù)［圖3］可以看出：前期春季，印度洋海區(qū)、赤道東太平洋海區(qū)、北大西洋加勒比海區(qū)和南海與北疆夏季極端降水呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，北疆夏季極端降水與20°S以北印度洋海溫的相關(guān)系數(shù)均通過0.01的信度檢驗，其中與5° N～10° S、60°～100° E海溫的正相關(guān)系數(shù)超過0.5。因此，選取印度洋（20° S～15° N，50°～110° E）和赤道東太平洋（15°S～15°N，90°～180°W）作為本文研究的熱帶海溫關(guān)鍵區(qū)（圖3中的矩形框范圍）。

圖3 北疆夏季極端降水與春季熱帶海溫的相關(guān)分布（陰影區(qū)表示通過0.01的信度檢驗）Fig.3 Correlation distribution between extreme summer precipitation in Northern Xinjiang and tropical sea surface temperature in spring（shaded areas indicate a reliability test that passes 0.01）

2.2 北疆夏季極端降水與春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫的時間變化特征

下面進一步研究北疆夏季極端降水與春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫的時間變化特征［圖4］，從圖4（a）來看，1961—2017年，春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)（20°S～15° N，50°～110° E）的平均海溫與北疆夏季極端降水幾乎為同位相變化，兩者的相關(guān)系數(shù)達0.55，通過0.001的信度檢驗，去除線性趨勢后，相關(guān)系數(shù)仍達0.41，依舊通過0.001的信度檢驗，說明春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與北疆夏季極端降水在年際和年代際尺度上存在密切聯(lián)系。圖4（b）中，春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)（15°S～15°N，90°～180° W）的平均海溫與北疆夏季極端降水的相關(guān)系數(shù)為0.44，去除線性趨勢后，相關(guān)系數(shù)超過0.34，均通過0.01的信度檢驗。由此可見，北疆夏季極端降水與春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)的海溫關(guān)系密切，尤其是與春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)的海溫相關(guān)更為顯著。通過對春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與北疆夏季極端降水的偏相關(guān)分析來看，春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)在去除赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)的影響后與北疆夏季極端降水時間序列的偏相關(guān)系數(shù)為0.37（通過0.05的信度檢驗），而春季熱帶赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)在去除印度洋關(guān)鍵區(qū)的影響后與北疆夏季極端降水時間序列的偏相關(guān)系數(shù)為0.08，進一步證明北疆夏季極端降水與春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)的海溫關(guān)系更為密切。

3 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常與北疆夏季極端降水和大氣環(huán)流的關(guān)系

上述北疆夏季極端降水與春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫的相關(guān)分析和時間變化均表明北疆夏季極端降水與春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)的海溫關(guān)系密切，下面重點分析春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常情況下，北疆夏季極端降水的分布情況。從圖5春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫的時間變化來看，熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫聯(lián)系緊密，選取熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫超過0.5個標準差的年份作為異常偏暖年，低于-0.5個標準差的年份作為異常偏冷年，熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫絕對值小于0.25的年份作為正常年。下面根據(jù)春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫的不同偏暖型進行討論，第一種是春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫一致偏暖，第二種是僅春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫單獨偏暖，第三種是僅春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫單獨偏暖，在討論時段內(nèi)不存在第三種情況。對應春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫偏冷型也分為兩種情況，第一種是春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫一致偏冷，第二種是僅春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫單獨偏冷，下面重點討論這幾種情況與北疆夏季極端降水的關(guān)系。

圖5 春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫的時間變化Fig.5 Temporal variation of tropical sea surface temperature in key regions of tropical Indian Ocean and equatorial eastern Pacific in spring

春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫的不同偏暖型的選取分為以下兩種：春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均超過0.5個標準差的年份和熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫超過0.5個標準差而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差的年份這兩種情況進行討論，研究厄爾尼諾年和非厄爾尼諾年北疆夏季極端降水的變化情況。經(jīng)過分析，春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均超過0.5個標準差的年份有：1983年、1987年、1991年、1998年、2002年、2005年、2010年、2014年、2015年、2016年，共10年；春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫超過0.5個標準差而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差的年份有：1988年、2001年、2009年、2012年、2013年，共5年。春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫的不同偏冷型也分為兩種，春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均低于-0.5個標準差的年份有：1962年、1967年、1968年、1971年、1974年、1975年、1976年、1978年、1985年、1989年、2000年、2008年，共12年；春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫低于-0.5個標準差而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差的年份有：1963年、1965年、1972年、1977年、1986年，共5年。下面針對春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫的不同偏暖型和偏冷型兩種情況分別討論春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常與北疆夏季極端降水的關(guān)系。

3.1 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常與北疆夏季極端降水的關(guān)系

根據(jù)春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫的不同偏暖型和偏冷型，分析北疆夏季極端降水距平的合成分布情況。圖6（a）是春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均超過0.5個標準差時北疆夏季極端降水距平的合成分布，除阿勒泰地區(qū)阿勒泰市、福海、布爾津、富蘊，北疆沿天山一帶的烏蘇、沙灣、炮臺、米泉站以外，其余39個觀測站點的夏季極端降水量均為正距平，其中伊犁河谷、博州、北疆沿天山一帶和天山山區(qū)等地23個觀測站點夏季極端降水量的正距平超過10 mm，其中伊犁河谷東南部山區(qū)的尼勒克、鞏留、新源站夏季極端降水量的正距平超過30 mm，最大夏季極端降水量正距平值出現(xiàn)在新源站，達到46.7 mm?？梢姰敶杭緹釒в《妊蠛统嗟罇|太平洋關(guān)鍵區(qū)的海溫異常偏暖，即厄爾尼諾年時，北疆夏季極端降水異常增多，且大值區(qū)主要集中在42°～45° N、80°～91° E之間的區(qū)域。當春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)的平均海溫絕對值小于0.25個標準差，而熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)的平均海溫大于0.5個標準差時，即春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫處于正常態(tài)，僅熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖的情況下［圖6（b）］，分析北疆夏季極端降水距平的合成分布。此時，北疆有20個觀測站點的夏季極端降水量為-0.7～-30.9 mm的負距平，主要集中在伊犁河谷西部平原地區(qū)、烏魯木齊市、昌吉州和天山山區(qū)，其中巴州北部山區(qū)的巴侖臺、巴音布魯克，昌吉州的天池、木壘和烏魯木齊市天山大西溝站夏季極端降水量的負距平低于-15 mm，最大極端降水負距平出現(xiàn)在天池站，為-30.9 mm；伊犁河谷東部、博州、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、克拉瑪依市、石河子市等地的27個觀測站點為0.1～38.1 mm的正距平，其中塔城地區(qū)的塔城市、裕民、額敏，阿勒泰地區(qū)的阿勒泰市和克拉瑪依市5個觀測站的正距平大于20 mm，最大正距平值出現(xiàn)在額敏站，為38.1 mm。可見，當春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫正常，而熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，對北疆西北地區(qū)的夏季極端降水影響也很大，57.4%的觀測站點出現(xiàn)極端降水偏多的現(xiàn)象。圖6（c）是春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均低于-0.5個標準差時，北疆夏季極端降水距平的合成分布，此時研究區(qū)域中除巴音布魯克和巴侖臺兩個山區(qū)站的夏季極端降水為2.2 mm和5.5 mm的正距平外，其他45個觀測站點均為低于-4.0 mm的負距平，最大負距平值出現(xiàn)在天池站，為-33.2 mm。結(jié)合春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫低于-0.5個標準差，而春季赤道東太平關(guān)鍵區(qū)海溫處于正常態(tài)時，北疆夏季極端降水距平的合成分布來看［圖6（d）］，除了伊犁州西部山區(qū)、塔城地區(qū)北部、昌吉州和天山山區(qū)12個觀測站點之外，其他35個觀測站點的夏季極端降水均為負距平，即74.5%的觀測站點出現(xiàn)極端降水偏少的現(xiàn)象。通過上述分析表明，北疆夏季極端降水主要與春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)的海溫關(guān)系更為緊密，且當春季熱帶關(guān)鍵區(qū)異常偏暖時，北疆夏季極端降水明顯增多。下面重點分析北疆夏季極端降水偏多時的情況，即春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時夏季大氣環(huán)流和水汽輸送特征。

圖6 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常年北疆夏季極端降水距平的合成分布（單位：mm，紅色圓點表示通過0.05的信度檢驗）Fig.6 The synthetic distribution of extreme summer precipitation in northern Xinjiang at anomaly year of mean sea surface temperature in tropical key regions in spring（unit：mm，red dots indicate a reliability test that passes 0.05）

3.2 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖型與夏季大氣環(huán)流的關(guān)系

由于海溫對降水的影響主要是通過大氣環(huán)流對海溫的響應表現(xiàn)出來的，下面進一步分析春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時影響北疆夏季極端降水的環(huán)流特征，圖7給出了春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常偏暖時，200 hPa緯向風距平的合成分布。圖7中陰影區(qū)域為200 hPa夏季平均緯向風，由圖可見35°～45°N之間為大于25 m·s-1的平均西風帶，由于北疆夏季降水與40°～80°E之間的緯向風關(guān)系密切，此區(qū)域200 hPa緯向風對應西亞副熱帶西風急流，它的南北位置變化、急流軸方向均對夏季新疆降水有重要影響［43-44］。從圖7（a）來看，當春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均大于0.5個標準差時，40°N以南為緯向風的正距平，表明西風加強，而在40°N以北為負距平區(qū)，西風減弱，對應西風急流軸線較常年平均偏南，此時北疆夏季極端降水增多。當春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫大于0.5個標準差，而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差時［圖7（b）］，40° E、40° N，100° E、48° N和40° E、28° N，100° E、35° N之間的區(qū)域為緯向風的正距平區(qū)，40°～75° E之間，40° N以南西風加強，以北西風減弱，在75°～100° E之間，正距平區(qū)域的位置和常年平均緯向風的位置一致，此處緯向風位置變化不大但西風急流強度明顯增強，西亞副熱帶西風急流從中亞向新疆呈偏西南—東北向伸展，這也是新疆發(fā)生強降水的有利背景［45］，此時北疆西北地區(qū)的夏季極端降水增多。綜上所述，當春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫均異常偏暖時，西亞副熱帶西風急流位置偏南，北疆夏季極端降水偏多；當僅春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，西風急流強度加強，北疆西北地區(qū)夏季極端降水增多。

圖7 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常偏暖型夏季200 hPa緯向風距平的合成分布（單位：m·s-1，陰影為200 hPa夏季平均緯向風，紅色圓點表示通過0.05的信度檢驗）Fig.7 Synthetic distribution of zonal wind anomaly of 200 hPa in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring（unit：m·s-1，shadow areasis average zonal wind at 200 hPa in summer，red dots indicate a reliability test that passes 0.05）

結(jié)合春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常年500 hPa風場距平的合成分布來看，當春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均大于0.5個標準差時［圖8（a）］，500 hPa中緯度從50°～120°E之間均為氣旋式環(huán)流距平，其中在中亞地區(qū)為閉合氣旋式環(huán)流距平區(qū)，在45° N以北的中高緯度西西伯利亞地區(qū)也為異常的氣旋式環(huán)流距平，在貝加爾湖至蒙古地區(qū)為反氣旋式環(huán)流距平，表明500 hPa西西伯利亞和中亞低值系統(tǒng)活動頻繁，且貝加爾湖高壓系統(tǒng)活躍，北疆位于中亞氣旋式環(huán)流的東北部和貝加爾湖反氣旋式環(huán)流的西南部，處于異常偏東南風的影響下，有利于低緯度的暖濕氣流沿中亞氣旋式環(huán)流底部的偏南氣流和貝加爾湖反氣旋式環(huán)流底部的偏東氣流輸送至新疆，并且兩支氣流的匯合區(qū)正好位于北疆地區(qū)，加之北疆緯度較高，夏季冷空氣活動頻繁，北方冷空氣與暖濕氣流交匯，有利于此處夏季極端降水的發(fā)生。當春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫大于0.5個標準差，而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差時［圖8（b）］，黑海、西西伯利亞地區(qū)至貝加爾湖地區(qū)為西南—東北走向的氣旋式環(huán)流距平區(qū)，在50°～85°E、20°～40°N的區(qū)域為反氣旋式環(huán)流距平區(qū)，有利于將低緯度的暖濕氣流向中高緯輸送，沿著氣旋式環(huán)流距平區(qū)的異常偏西南氣流向北疆輸送，北疆處異常氣旋式環(huán)流距平區(qū)底部的偏西氣流中，西西伯利亞地區(qū)低值系統(tǒng)活躍，加之低緯度的暖濕氣流輸送，有利于北疆西北地區(qū)夏季極端降水的發(fā)生?？梢?，北疆夏季極端降水事件的增加與大氣環(huán)流形勢有著密切的關(guān)系，而大氣環(huán)流異常是與海溫等大氣外強迫變化相聯(lián)系的，圖8（c）、（d）給出春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與500 hPa風場距平的相關(guān)分布，由8（c）圖可見，春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與500 hPa風場距平在里、咸海地區(qū)，中亞地區(qū)和新疆以東的區(qū)域均存在顯著相關(guān)（通過0.05的信度檢驗），當春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖，上述區(qū)域的風速也明顯增大，異常距平區(qū)也更為顯著；春季熱帶赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與500 hPa風場距平在西西伯利亞地區(qū)和中國東部存在顯著相關(guān)［圖8（d），通過0.05的信度檢驗］，即當春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫偏暖時，西西伯利亞地區(qū)和中國東部的風場距平區(qū)也更為顯著。此外，春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與夏季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫的相關(guān)系數(shù)達0.81，春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫與夏季相關(guān)系數(shù)為0.70，說明春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫與夏季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫的變化有很好的持續(xù)性。春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，通過影響西亞副熱帶西風急流位置、急流軸線和歐亞范圍內(nèi)大氣環(huán)流，進而影響北疆夏季極端降水的變化。

圖8 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常偏暖型夏季500 hPa風場距平的合成分布（圖8a、b，單位：m·s-1，紅色圓點表示通過0.05的信度檢驗）和春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫與夏季500 hPa風場距平的相關(guān)分布（圖8c、d，陰影區(qū)表示通過0.05的信度檢驗）Fig.8 Synthetic distribution of 500 hPa wind field anomaly in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring（fig.8a and fig.8b，unit：m·s-1，red dots indicate a reliability test that passes 0.05）.Correlation distribution between mean sea surface temperature in key tropical regions in spring and 500 hPa wind field anomaly in summer（fig.8c and fig.8d，shaded areas indicate a reliability test that passes 0.05）

從低層700 hPa風場距平的合成分布來看，與500 hPa風場距平的合成分布有較強的一致性，說明對流層環(huán)流異常是一種相當正壓結(jié)構(gòu)。當春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均大于0.5個標準差時［圖9（a）］，700 hPa在50 °N以北的高緯度地區(qū)為異常的氣旋式環(huán)流距平，表明高緯度冷空氣勢力較強，冷空氣南下可維持并加強西西伯利亞低槽的斜壓性，中亞地區(qū)和貝加爾湖至蒙古地區(qū)與500 hPa風場一致，分別為氣旋式環(huán)流距平和反氣旋式環(huán)流距平，可見西西伯利亞和中亞低值系統(tǒng)發(fā)展深厚，此時北疆為異常的偏東南氣流，冷暖空氣交綏，為極端降水的發(fā)生提供有利的條件。結(jié)合700 hPa垂直速度和散度分析［圖9（c）］，在伊犁河谷地區(qū)和北疆東部均存在明顯的上升運動，并且在北疆中東部地區(qū)存在低層輻合，對應此處也是北疆夏季極端降水正距平的大值區(qū)。當春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫大于0.5個標準差，而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差時［圖9（b）］，中高緯度的氣旋式環(huán)流距平區(qū)較500 hPa風場略偏北，中緯度60°～90°E之間的反氣旋式環(huán)流距平區(qū)也較500 hPa風場偏北，44°N以北的北疆地區(qū)受異常氣旋式環(huán)流距平區(qū)的偏西氣流影響，結(jié)合里、咸海地區(qū)的氣旋式環(huán)流距平，有利于低緯暖濕空氣向北疆西北地區(qū)輸送，利于此處夏季極端降水的發(fā)生。根據(jù)700 hPa垂直速度和散度場［圖9（d）］來看，北疆西北地區(qū)配合有上升運動區(qū)，且在西部地區(qū)低層輻合較為明顯。

圖9 春季關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常偏暖型夏季700 hPa風場距平（a、b）和垂直速度、散度（c、d）的合成分布（單位：m·s-1，紅色圓點表示通過0.05的信度檢驗）Fig.9 Synthetic distribution of wind field anomaly of 700 hPa in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring（unit：m·s-1，red dots indicate a reliability test that passes 0.05）

綜上所述，當春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，歐亞中高緯環(huán)流系統(tǒng)具有顯著的相當正壓結(jié)構(gòu)，高緯度冷空氣勢力較強，與中低緯度暖濕空氣交匯為夏季極端降水的發(fā)生提供有利的條件，并且極端降水正距平區(qū)配合低層的輻合上升運動，動力條件也有利于極端降水的產(chǎn)生。

3.3 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖型與水汽輸送的關(guān)系

降水不僅需要有利的環(huán)流形勢，更需要水汽條件的配合，尤其在北疆這個干旱與半干旱區(qū)，遠離海洋，不受季風影響，水汽輸送距離較長，新疆夏季暴雨的水汽主要沿西方、偏南和偏東路徑輸送［45-46］，在合適的環(huán)流條件下，通過接力方式向暴雨區(qū)輸送并迅速集中，才能造成新疆較大范圍的、持續(xù)性的強降水天氣。當春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫均大于0.5個標準差時［圖10（a）］，地表至300 hPa水汽通量在阿拉伯海至印度半島上空為異常反氣旋式環(huán)流，并且在20° N附近存在一條明顯的偏西南水汽通量輸送帶，有利于將低緯阿拉伯海的水汽輸送至中緯度地區(qū)，同時里、咸海地區(qū)至中亞地區(qū)為氣旋式水汽通量輸送，繼續(xù)將輸送到中緯度地區(qū)的水汽向北輸送，阿拉伯海和孟加拉灣的水汽沿偏西南和偏南氣流接力輸送至北疆，且在北疆沿天山一帶偏南氣流大于5 m·s-1，偏南路徑的水汽輸送對夏季降水，尤其是夏季大降水的發(fā)生特別重要［45］，并且東亞地區(qū)也為氣旋式水汽輸送，有利于將鄂霍茨克海的水汽沿偏東路徑接力輸送到北疆地區(qū)。北疆地區(qū)上空存在來自低緯度的偏南水汽輸送及河西走廊向新疆伸展的低空偏東氣流導致的來自鄂霍茨克海、貝加爾湖的水汽輸送，加之中高層中亞低值系統(tǒng)活動頻繁，貝加爾湖阻塞高壓加強，中高層存在的低值系統(tǒng)和急流造成的上升運動起到抽氣機作用，周圍空氣起補償作用，導致中亞低槽或低渦南伸槽前西南氣流攜帶的來自低緯度接力輸送的水汽進入新疆后并迅速集中，且700 hPa在北疆中東部地區(qū)存在低層風場輻合，也有利于水汽積聚，為該地區(qū)夏季極端降水提供有利的水汽條件。結(jié)合此時的水汽通量散度來看，在伊犁河谷至北疆沿天山一帶均為明顯的水汽通量輻合區(qū)，有利于水汽積聚，產(chǎn)生局地大降水。當春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫大于0.5個標準差，而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)平均海溫絕對值小于0.25個標準差時［圖10（b）］，里海、咸海地區(qū)至北疆為氣旋式水汽輸送，青藏高原地區(qū)為反氣旋式水汽輸送，太平洋地區(qū)為氣旋式水汽通量輸送，從東北—蒙古地區(qū)—北疆西北地區(qū)存在明顯的偏東水汽輸送，有利于將西太平洋上空的水汽接力輸送至北疆地區(qū)，且來自于青藏高原偏南氣流輸送的水汽和低空偏東氣流輸送的水汽正好集中在北疆，這與500 hPa至700 hPa的環(huán)流形勢吻合，低緯度的暖濕氣流沿中亞氣旋式環(huán)流底部的偏南氣流和貝加爾湖反氣旋式環(huán)流底部的偏東氣流輸送至北疆。結(jié)合700 hPa風場距平的合成分布來看，新疆東部為高壓脊區(qū)，高壓底部的河西走廊至新疆存在一支異常的低空偏東氣流，低層高壓脊引導貝加爾湖和西太平洋的水汽向西傳輸，水汽主要由700 hPa偏東氣流攜帶的水汽輸送進入北疆，與來自青藏高原的偏南水汽匯合，配合低層風場的輻合，使得水汽也在此處迅速集中，從而為極端降水天氣的發(fā)生提供了有利的水汽條件。這種情況下，偏東水汽通量占優(yōu)勢，貢獻量遠大于西方和南方路徑的水汽輸送，這與低層水汽輸送一致，主要由于大氣水汽主要集中于低層，垂直積分的水汽通量很大部分來自于低層貢獻［46-47］。結(jié)合水汽通量散度［圖10（b）］，北疆偏北地區(qū)和伊犁河谷地區(qū)正好為水汽通量的輻合區(qū)，為該地區(qū)夏季極端降水的發(fā)生提供充足的水汽供應。

圖10 春季熱帶關(guān)鍵區(qū)平均海溫異常偏暖型夏季地表至300 hPa水汽通量距平的合成分布（單位：kg·m-1·s-1，紅色圓點表示通過0.05的信度檢驗）和水汽通量散度距平的合成分布（陰影，單位：10-6 kg·m-2·s-1）Fig.10 Synthetic distribution of water vapor flux anomaly from surface to 300 hPa（unit：kg·m-1·s-1，red dots indicate a reliability test that passes 0.05）and Synthetic distribution of water vapor flux divergence anomaly in summer at anomaly year of mean sea surface temperature in key tropical regions in spring（shadow，unit：10-6 kg·m-2·s-1）

通過上述分析，當春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，夏季200 hPa西風急流軸位置偏南，500 hPa西西伯利亞和中亞地區(qū)低值系統(tǒng)活動頻繁，貝加爾湖高壓系統(tǒng)活躍，是有利于北疆夏季大降水的環(huán)流形勢，南方路徑的水汽輸送和輻合集中為夏季極端降水提供了有利的水汽條件，有利于北疆夏季極端降水增多；僅春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖，而赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫正常時，200 hPa西風急流明顯加強，500 hPa西西伯利亞地區(qū)低值系統(tǒng)活躍，北疆地區(qū)受低值系統(tǒng)底部偏西氣流的影響，加之偏東路徑水汽的接力輸送，輻合積聚于北疆西北地區(qū)，有利于此處夏季極端降水的發(fā)生。

4 結(jié)論

本文利用1961—2017年新疆夏季降水資料、NOAA海溫資料和NCEP/NCAR再分析資料，討論了北疆夏季極端降水的時空變化特征和春季熱帶海溫影響北疆夏季極端降水的關(guān)鍵區(qū)，重點研究春季關(guān)鍵區(qū)海溫不同偏暖型，北疆夏季極端降水的分布以及夏季大氣環(huán)流形勢、水汽條件的異常分布特征。得出以下主要結(jié)論：

（1）春季熱帶印度洋（20°S～15°N，50°～110°E）和赤道東太平洋（15° S～15°N，90°～180° W）是影響北疆夏季極端降水的海溫關(guān)鍵區(qū)，北疆夏季極端降水與春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)的平均海溫為同位相變化，尤其是與春季熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)在年際和年代際尺度上的聯(lián)系更為緊密。

（2）春季熱帶印度洋和赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，北疆夏季極端降水明顯偏多，當春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫處于正常態(tài)，而熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，北疆西北地區(qū)夏季極端降水增多。

（3）春季熱帶印度洋、赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫均異常偏暖時，夏季200 hPa西風急流明顯偏南，西西伯利亞和中亞低值系統(tǒng)活躍，貝加爾湖高壓發(fā)展，南方路徑輸送的水汽增加，環(huán)流形勢和水汽條

件均有利于北疆夏季極端降水的發(fā)生；當春季赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫變化不明顯，僅熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖時，夏季200 hPa西風急流強度增強，西西伯利亞地區(qū)低值系統(tǒng)活躍，偏東路徑水汽的接力輸送有利于北疆西北地區(qū)夏季極端降水的發(fā)生。