1970—2019 年夏季南疆低空垂直速度與降水量時空變化特征

張 俊，李如琦*，李桉孛，李紅軍，李 娜

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

降水不僅是大氣水循環(huán)過程中最基本的環(huán)節(jié)，也是水平衡方程中的基本參數(shù)。 降水在空間分布上的不均勻與時間變化上的不穩(wěn)定是引發(fā)洪澇、 旱災的直接原因。在全球氣候變暖背景下，不僅許多區(qū)域降水量發(fā)生變化， 而且還引起降水量時空上的重新分配[1]，研究某一區(qū)域的降水趨勢變化特征及其影響因子，對該地區(qū)水資源的合理利用、氣象災害損失以及當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展顯得尤為重要。 近年來的研究表明，不同地區(qū)的降水變化不同：長江流域和中國東南部強降水事件增多，西南地區(qū)、東北地區(qū)降水減少，而西北地區(qū)各類降水事件均有所增加[2]；西北地區(qū)中西部年降水量呈增加趨勢， 東部年降水量呈減少趨勢，春季、夏季和秋季西北西部大部分地區(qū)降水量以增加趨勢為主，東部主要呈減少趨勢，在冬季幾乎所有站點的降水量都呈增加趨勢[3]。

降水除需要水汽條件、云滴增長條件外，垂直運動條件也必不可少[4]。 鄭婧等[5]指出上升運動的促進，有利于暴雨的維持。 張曉璐等[6]對西北地區(qū)夏季的一次典型暴雨進行分析，指出垂直速度、風場、比濕等物理量對降水過程有較好的反映。 王君[7]通過分析豫北一次極端暴雨事件指出700 hPa 垂直速度具有明顯極端性，是28 次暴雨過程中垂直速度的3倍。 閆慧[8]指出較強上升運動使中尺度對流云團合并發(fā)展，是造成暴雨的直接原因。 邱粲等[9]的研究表明垂直速度對降水的指示性可用于災害性天氣，如暴雨、冰雹、降雪等的預警及臨近預報。 劉明歆等[10]發(fā)現(xiàn)華山地區(qū)偏澇年份上升運動更強， 偏旱年份更弱。 古月等[11]揭示了風廓線雷達探測的垂直速度與降水量存在顯著正相關關系， 但垂直速度與降水強度的變化趨勢不完全一致。 楊苑等[12]指出強降水主要出現(xiàn)在整層上升運動形成前后和500 hPa 附近垂直上升運動增強最快時段內(nèi)。 譚志強等[13]指出寧夏南部汛期降水大多和整層上升運動顯著相關。 以上研究表明，降水與垂直速度密切相關。

南疆屬于典型的大陸性干旱氣候，以塔里木盆地為中心，三面環(huán)山，地勢西高東低，形成地形比差大、氣候干旱、降水稀少的暖溫帶氣候特征。 整個地域大致地理范圍為73°40′～93°44′E，35°40′～43°31′N[14]，由山地、平原、沙漠三大地貌單元構成。南疆多年平均年降水量僅123.9 mm[15]，但受特殊地形地貌、天氣系統(tǒng)路徑、水汽條件、大氣環(huán)流等因素影響，南疆降水具有其獨特性，夏季（6—8 月）降水量約為年降水量的50%[16]且降水變率大[17-18]。盡管已有一些關于南疆降水方面的研究，但大多集中于典型降水個例分析[19-20]及天氣學環(huán)流分型[21-22]。一些學者曾就溫度、降水量等單一氣候因子對南疆地區(qū)全年氣候變化的趨勢及特征[23-24]等方面進行過研究，但從客觀事實的角度驗證夏季南疆垂直速度及降水量二者之間關系的研究幾乎沒有， 本文利用1970—2019 年夏季南疆最新氣象觀測資料， 詳細分析了近50 a 南疆低空垂直速度與降水量的時空分布特征，以期從動力條件的角度揭示南疆降水變化特征及可能機制，為降水及水資源、水環(huán)境變化趨勢預測提供科學依據(jù)及技術支撐。

1 資料和方法

1.1 資料使用和處理

選取1970—2019 年南疆59 個國家氣象站逐日降水資料及NCEP2.5°×2.5°再分析月平均垂直速度資料（72.5°～95°E，35°～45°N，空間層次為850、700 hPa）。數(shù)據(jù)經(jīng)新疆氣象信息中心審核，可靠性和連續(xù)性均能滿足研究需求。

1.2 研究方法

針對近50 a 夏季（6—8 月）南疆降水量、低空垂直速度的時間序列，采用線性傾向估計、累計距平[25]、 Mann-Kendall（M-K）突變檢驗、 Morlet 小波分析等方法分析其演變趨勢、周期變化和突變特征，結合經(jīng)驗正交函數(shù)分解法（EOF）分析要素的時空分布特征，運用相關分析法對兩個要素的關系進行進一步的研究。

2 結果與分析

2.1 降水量、低空垂直速度時間演變特征

2.1.1 年際變化128.29 ， 增強速率為0.7 Pa/（s·10 a）；850、700 hPa線性回歸模型均通過99.9%的信度檢驗， 表明低空上升運動呈顯著增強趨勢。

圖1 1970—2019 年夏季南疆降水和垂直速度的年際變化

2.1.2 演變趨勢

由圖2 可知，近50 a 夏季南疆降水量累計距平曲線呈“V”字型，在1987 年以前呈波動下降趨勢說明降水量偏少，屬于“暖干”型氣候；從1987 年開始呈波動上升趨勢，即降水量偏多，逐漸濕潤。 自1987年氣候由“暖干”向“暖濕”型轉變，這與趙慧等[26]得出的結論相一致。 850、700 hPa 垂直速度累計距平曲線均呈“倒V”型，在1999 年（1997 年）前數(shù)值呈增大趨勢，說明上升運動偏弱，其中1980—1997 年趨勢變化不顯著表明期間上升運動開始發(fā)展， 上升運動與下沉運動處于來回拉鋸時期。在1997 年后數(shù)值呈明顯減小趨勢，說明850 hPa（700 hPa）上升運動開始明顯偏強。 從降水量向偏多轉變的起始時間（1987 年）來看，與上升運動開始發(fā)展（1980 年）具有約7 a 左右的提前量， 可能原因是降水變化除了受抬升動力條件的影響外，還需其他因素例如熱力、水汽條件等的配合。

圖2 1970—2019 年夏季南疆降水和垂直速度的累計距平

2.1.3 突變檢驗

南疆夏季降水量序列和低空垂直速度序列的Mann-Kendall（圖3）檢驗結果顯示，降水量UF、UB曲線在95%的信度內(nèi)相交于1990 年， 發(fā)生突變；1990 年前總體上呈減少趨勢；1990 年以后呈增加趨勢， 且在2002—2008 年和2015 年后增加趨勢顯著（圖3a）。 850 hPa 上升運動UF、UB 曲線在95%的信度相交于2004 年，發(fā)生突變；1982 年前呈波動減弱趨勢；1982 年后呈增強趨勢，且在1990—1993 年和2007 年后增強趨勢顯著（圖3b）。 700 hPa 上UF、UB 曲線交點2004 年在閾值線外， 無突變現(xiàn)象存在；上升運動在1982 年前呈波動減弱趨勢，1982 年后呈增強趨勢（圖3c）。

圖3 M-K 統(tǒng)計量曲線

2.1.4 小波分析

對南疆夏季降水量和低空垂直速度時間序列作Morlet 小波變換，得到小波系數(shù)實部等值線（圖4），實線表明實部系數(shù)≥0， 要素對應偏多（大） 期，虛線＜0，要素對應偏少（小）期。 近50 a 降水量和垂直速度的周期形成各種尺度正負相間的振蕩中心，存在明顯的年際尺度（＜10 a）和年代際尺度（＞10 a）的周期變化。南疆夏季降水量及垂直速度均存在5～10 a、14～18 a、 21～27 a 的周期變化規(guī)律， 同時在1978—2016 年降水量還存在準3 a 振蕩周期。 分析5～10 a尺度周期，1984 年前存在2 個準振蕩周期，1984 年以后周期中心分化， 形成了4 個準9 a 振蕩周期和6 個準6 a 振蕩周期；分析14～18 a 尺度周期，降水量不具有全時域性，在1996 年之后存在2 個準振蕩周期，垂直速度周期具有全時域性，存在3 個準振蕩周期；分析21～27 a 尺度周期，降水量及垂直速度均存在2 個準振蕩周期， 且具有全時域性，1977—1989 年、2002—2013 年表現(xiàn)為枯水年，1990—2001年、2013 年以后表現(xiàn)為豐水年（圖4a）。 850 hPa 上（圖4b）1970—1984 年、1996—2007 年表現(xiàn)為上升運動偏弱年，1985—1995 年、2008 年以后表現(xiàn)為上升運動偏強年。 700 hPa 上（圖4c）1970—1983 年、1995—2006 年表現(xiàn)為上升運動偏弱年，1984—1994年、2007 年以后表現(xiàn)為上升運動偏強年。 垂直速度和降水量變化具有較為一致的周期性特征， 但呈反位相對應關系，上升運動偏弱期降水量偏少，上升運動偏強期降水量偏多， 這和天氣學上升運動與降水的相互關系是一致的。

圖4 Morlet 小波分析

2.2 空間分布特征

2.2.1 年平均空間分布

由圖5a 可知，南疆夏季平均降水量空間分布不均，呈現(xiàn)出北多南少、西多東少的特征，降水量由西北向東南遞減。降水量高值中心達160 mm 以上，主要位于伊犁河谷東部、 南部山區(qū)和天山中部南麓的巴音布魯克地區(qū)； 降水量低值中心在10 mm 以下，主要位于昆侖山北麓和吐魯番盆地。 由NCEP 再分析資料分析可知，850、700 hPa 南疆塔里木盆地夏季均由上升運動控制， 形成了以塔里木盆地為中心的上升運動區(qū)， 且850 hPa 上升運動強于700 hPa（圖5b、5c）。從南疆A、B 2 個降水量區(qū)域來看，其與850 hPa 上升運動2 個大值中心相對應。從EC 再分析資料垂直速度平均場也可以看到，850 hPa 南疆塔里木盆地夏季由上升運動控制（圖5d），700 hPa上除盆地東部外其它區(qū)域由上升運動控制，與NCEP 再分析資料分析的結論一致。

圖5 1970—2019 年夏季南疆降水量及垂直速度年均值空間分布

夏季塔里木盆地主要由上升運動控制的原因有3 點： 一是夏季盆地低層非絕熱加熱作用強導致上升運動。 陳月等[27]發(fā)現(xiàn)柴達木盆地夏季整體為一熱源，非絕熱加熱的主要形式為感熱加熱與輻射加熱，且南疆中部下墊面為塔克拉瑪干沙漠， 沙性土壤受熱迅速，越低層非絕熱加熱越顯著，因此850 hPa 上升運動強于700 hPa， 分析表明塔里木盆地的熱量分布具有同樣的特征。 二是塔里木盆地東部經(jīng)常出現(xiàn)偏東低空急流， 在夏季偏東風最大且東風層厚度最厚，可達700 hPa[28]。 低空偏東風與南疆西部三面環(huán)山的地形相互作用產(chǎn)生上升運動。 當?shù)涂諝饬鱱分量隨高度減小時，地形迎風坡氣流輻合上升；而風速v 分量隨高度增加時，地形迎風坡會產(chǎn)生與山脈垂直的水平渦管， 在地形抬升作用下渦管向上凸起形成2 個渦管環(huán)流圈， 渦度垂直分量使山腳附近上升氣流加強[29]，且低空偏東急流與高空急流的耦合作用將促進次級環(huán)流和垂直上升運動的發(fā)展[30]。 三是南疆降水的主要影響系統(tǒng)夏季出現(xiàn)頻率最高，影響系統(tǒng)引起的上升運動[4]在夏季更頻繁。 影響南疆大降水的主要影響系統(tǒng)有南支槽型（夏季占60%）、低渦型（夏季占40%）、 中亞偏南低槽型（夏季占50%）、巴爾喀什湖低槽型（夏季占50%）[28，31]。

2.2.2 趨勢系數(shù)空間分布

計算1970—2019 年夏季南疆各站點降水量及垂直速度隨時間變化的趨勢系數(shù)， 由降水量的趨勢分布（圖6a）可知，負值中心位于巴州及吐魯番市的部分區(qū)域， 降水量有下降趨勢， 其他地區(qū)呈上升趨勢，上升速率為0.2～0.6 mm/a，正值中心位于克州山區(qū)和喀什平原區(qū)域，達1 mm/a。 由850 hPa（圖6b）、700 hPa（圖6c）的垂直速度趨勢分布可知，趨勢系數(shù)呈明顯的東西分布， 正值區(qū)位于巴州和吐魯番市部分區(qū)域，表明上升運動呈減弱趨勢，其它區(qū)域以負值為主，即上升運動呈增強趨勢，負值中心位于南疆西部，表明此處上升運動增強速率最快。圖6 中極值區(qū)域的趨勢系數(shù)均通過了95%的信度檢驗，表明南疆西部降水量增多明顯， 與低空上升運動明顯增強有較好的對應關系。

圖6 1970—2019 年南疆夏季降水量趨勢系數(shù)（單位：mm/a）及垂直速度趨勢系數(shù)（單位：10-3 Pa/（s·a））

2.3 降水量與低空垂直速度的聯(lián)系

運用NCEP 及EC 再分析資料對南疆夏季低空垂直速度序列進行了EOF 分解，研究其時空演變特征。分析NCEP 再分析資料，得到850 hPa 第一模態(tài)空間分布均為正值，為全場一致型演變特征，解釋方差貢獻率達45.5%；700 hPa 第一模態(tài)空間分布在南疆地區(qū)呈現(xiàn)“+、-、+”分布，表明垂直速度呈反位相變化特征，解釋方差貢獻率達39.0%；低空垂直速度的第一模態(tài)均通過North 檢驗[25]且解釋方差遠大于其它模態(tài)， 因此對第一模態(tài)的時間演變與降水序列進行相關分析具有較好代表性。 分析EC 再分析資料，850 hPa（700 hPa）第一模態(tài)空間分布總體上呈現(xiàn)“-、+”的分布特征，表明垂直速度呈反位相變化特征，解釋方差貢獻率僅為20.9%（21.0%），代表性不強。兩種資料的分析結果均表明，降水序列和低空垂直速度第一空間模態(tài)的時間序列呈顯著負相關，即上升運動與降水量呈正相關（表1），從更具代表性的NCEP 資料第一模態(tài)上看700 hPa 相關性大于850 hPa。

表1 低空垂直速度EOF 分解第一模態(tài)對應時間序列與降水的相關系數(shù)

將50 a 夏季南疆850、700 hPa 速度序列和降水序列進行相關分析（表2）。 850 和700 hPa 上升運動與降水量均呈正相關。 對比兩種資料表明，NECP 資料中降水量與垂直速度的相關性更顯著，且700 hPa 上相關系數(shù)絕對值＞850 hPa，達到0.57， 表明夏季南疆700 hPa 上升運動與降水的關系更密切。

表2 1970—2019 年南疆夏季降水與垂直速度的相關系數(shù)

近50 a 夏季南疆低空上升運動與降水量呈顯著正相關，且700 hPa 相關性強于850 hPa。 為進一步分析成因， 計算了研究區(qū)域內(nèi)所有觀測站點的平均海拔高度（1 290.20 m）及南疆五地州內(nèi)觀測站點平均海拔高度（1 375.89 m），850 hPa（1 500 m）較降水觀測站點接近近地層，考慮主要以水平氣流為主，這與一些研究得出的南疆降水時850 hPa 為偏東風[32-33]相一致；在700 hPa（3 000 m）由于底層水平氣流加之南疆三面環(huán)山的特殊地形會產(chǎn)生輻合上升運動[28]，即特殊地形會加強700 hPa 上升運動，這與王江等分析的在南疆西部暴雨區(qū)強上升運動中心位于700～400 hPa 的結論相吻合[34]。 因此在夏季南疆降水時，700 hPa 相關性強于850 hPa。

3 結論與討論

基于1970—2019 年南疆59 個氣象觀測站逐日降水觀測資料及NCEP 再分析月平均垂直速度資料， 研究了南疆夏季垂直速度和降水量的關系及其時空演變特征，得到以下結論：

（1）近50 a 南疆夏季降水呈顯著增加趨勢，低空上升運動呈顯著增強趨勢。 1987 年開始，降水量由“暖干”向“暖濕”型轉變；上升運動1980 年前明顯偏弱，之后上升運動開始發(fā)展，至20 世紀末期由偏弱向偏強轉變；上升運動偏弱時降水量偏少，上升運動偏強時降水量偏多。

（2）降水量突變時間（1990 年）早于850 hPa 上升運動突變時間（2004 年），但與850 hPa 上升運動首次顯著增強（1990 年）時間一致，表明降水量對上升運動顯著增強響應敏感，導致其發(fā)生突變。降水量及垂直速度均具有5～10 a 年際尺度和21～27 a、14～18 a 的年代際尺度周期變化規(guī)律，且兩者周期中心反位相對應，上升運動偏（強）時期先于降水量偏多（少）時期。分析累計距平曲線、突變分析及小波周期規(guī)律，降水先于低層垂直運動發(fā)生了突變，可能原因為降水量值較垂直速度值要大的多，波動振幅也大，累計距平更容易發(fā)生改變。

（3）夏季南疆年平均降水量空間上呈北多南少、西多東少的分布特征， 降水大值區(qū)主要位于伊犁河谷東部、南部山區(qū)和天山中部南麓，降水量低值區(qū)主要位于昆侖山北麓和吐魯番盆地； 南疆夏季850、700 hPa 塔里木盆地由上升運動控制， 且塔里木盆地中心處于垂直上升運動最強區(qū)， 降水大值中心與低層上升運動大值區(qū)有較好的對應關系。

（4）巴州北部及吐魯番市上升運動呈顯著減弱趨勢，對應降水量減少；其它地區(qū)上升運動呈顯著增強趨勢，降水量呈顯著增多趨勢，其中克州、喀什地區(qū)上升運動變率絕對值最大， 對應降水量增加速率最大，達1.0 mm/a。低空上升運動和降水量呈顯著正相關，700 hPa 上相關性強于850 hPa，降水量對700 hPa上升運動變化的響應更為敏感。

1990—2019 年夏季南疆低空上升運動與降水量之間存在顯著正相關性，上升運動越強，水汽向上輸送效率越高， 水汽上升絕熱膨脹冷卻成云的云頂高度越高，對流越強，云滴增長條件更好，因此上升運動增強對應降水增多， 上升運動減弱對應降水減少。由于南疆塔里木盆地向東開口、地勢向西緩升的特殊地形， 上升運動增強意味著可能存在低層風場的輻合加強，即偏東風增強，低層偏東風的墊高作用和水汽輸送，利于降水的增多；另外，南疆生態(tài)環(huán)境特殊，下墊面為沙漠和戈壁，夏季日照時間長、溫度升高快、非絕熱加熱顯著，有利于低層上升運動的快速發(fā)展。在上升運動減弱區(qū)，也是天山南坡的干旱高溫區(qū)，低層東風的影響較小，低層風場輻合增強少，甚至可能減弱或輻散，因此降水也呈減少趨勢。上述對近50 a 南疆夏季低層垂直速度和降水變化成因的討論還需做進一步的相關驗證， 后期將從水平風場、 散度場等更廣的角度來進一步揭示南疆降水的變化規(guī)律。