氣候變化背景下中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)要素時(shí)空演變

高 潔， 趙 勇， 姚俊強(qiáng)， 迪麗努爾·托列吾別克， 王夢園

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆樹木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

中亞干旱區(qū)位于歐亞大陸腹地，是全球最大的非地帶性干旱區(qū)，也是我國天氣氣候的上游關(guān)鍵區(qū)，對我國西北部及東部地區(qū)的災(zāi)害性天氣發(fā)生以及區(qū)域氣候變化具有重要影響［1］。中亞干旱區(qū)水資源短缺問題突出，可利用的淡水資源僅占很少一部分［2］。中亞各國之間水土資源基本表現(xiàn)為上游國家匹配狀況優(yōu)于下游國家。中亞干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，是對全球氣候變化最敏感的地區(qū)之一［3-4］。降水是陸地一切水資源的來源，它可以看作是一個(gè)地區(qū)水資源的上限值［5］。水汽則是產(chǎn)生降水的首要條件，降水過程離不開水汽和能量的積累，抓住了水汽這一物質(zhì)基礎(chǔ)，就抓住了問題的關(guān)鍵［6］。

中亞干旱區(qū)山盆地形復(fù)雜，南部受諸多大山阻擋，暖濕氣流難以深入，來自大西洋和北冰洋的微弱濕冷水汽由高空西風(fēng)帶攜帶輸送至此，形成了中亞地區(qū)明顯的“西風(fēng)模態(tài)”特征［7-8］。學(xué)者們基于不同干旱指標(biāo)評估全球陸地干濕變化，認(rèn)為全球陸地正在快速干旱化，分析發(fā)現(xiàn)中亞區(qū)域氣候有變干的趨勢，特別是中亞中部及南部干旱化趨勢明顯［9-11］。全球氣候變暖會(huì)直接影響區(qū)域水循環(huán)的穩(wěn)定性，也會(huì)引發(fā)徑流補(bǔ)給方式和水資源數(shù)量的改變，從而加大了水資源時(shí)空分布的不確定性［12-14］。氣候變化和人類活動(dòng)也造成了中亞地區(qū)湖泊水位下降、面積收縮以及水質(zhì)惡化等問題［15］。隨著全球氣溫升高，干旱區(qū)大氣水循環(huán)過程加劇，降水量和蒸發(fā)量均明顯增加，從而引起水循環(huán)結(jié)構(gòu)及分布發(fā)生變化［16-17］。

降水、蒸發(fā)和水汽輸送是水循環(huán)過程的大氣分支，它們決定著一個(gè)區(qū)域的水資源總量［18-19］。中亞干旱區(qū)水汽含量受到地理緯度、地形高度及大氣環(huán)流等多方面因素影響，其上空水汽含量較中低緯度地區(qū)偏低。關(guān)學(xué)鋒［20］研究發(fā)現(xiàn)，中亞干旱區(qū)上空的水汽分布主要呈現(xiàn)“南部多，北部少；西部多，東部少；平原多，山區(qū)少”的特點(diǎn)。中亞干旱區(qū)降水具有復(fù)雜性，冷季表現(xiàn)出明顯的降水增加［10］。而水汽輸送作為水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，它能將降水與蒸發(fā)過程結(jié)合，形成完整的水循環(huán)過程，中亞干旱區(qū)水汽輸送季節(jié)性差異顯著，冬季水汽從緯向輸入而從經(jīng)向輸出，夏季經(jīng)緯向均為水汽輸出［21］。水汽變化會(huì)受到多方面因素影響，大尺度大氣環(huán)流和海拔高程會(huì)對干旱區(qū)年平均水汽壓造成影響［1,22］。

以往研究中多將中亞干旱區(qū)作為一個(gè)整體，分析降水變化、水汽分布以及水汽輸送等特征，其大氣水分循環(huán)組成要素具有顯著的空間差異。本文將中亞干旱區(qū)分為8 個(gè)氣候分區(qū)，從水汽含量及收支、降水、實(shí)際蒸發(fā)量三要素的時(shí)空演變特征，選用多套再分析資料，探討大氣水分循環(huán)結(jié)構(gòu)的區(qū)域差異，將有助于深入理解中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)演變特征，進(jìn)一步分析中亞干旱區(qū)內(nèi)部水汽輸送的影響機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 資料說明

本文選取的資料有：（1）全球降水氣候?qū)W中心（GPCC）提供的1979—2018 年月平均降水資料，分辨率為0.25°×0.25°。（2）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA5 1979—2018 年月平均整層水汽含量、實(shí)際蒸發(fā)量再分析資料，分辨率為0.25°×0.25°。（3）利用ERA-Interim再分析資料計(jì)算1979—2018年中亞各分區(qū)邊界水汽收支。

有研究表明，ERA5 較其他再分析資料更適用于研究中亞地區(qū)大氣可降水量的時(shí)空分布［23］，經(jīng)過驗(yàn)證GPCC 降水量數(shù)據(jù)在中亞地區(qū)的準(zhǔn)確性更高，對中亞地區(qū)長期降水變化研究的適用性更好［24-25］。ERA-Interim 再分析資料是ECMWF 基于集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Integrated Forecast System,IFS）Cy31r2 數(shù)值模式制作的再分析資料，其水文資料基于觀測資料和預(yù)報(bào)模式共同得到，數(shù)據(jù)選擇、質(zhì)量控制、偏差校正和性能監(jiān)測等技術(shù)方面不斷改進(jìn)［26］。雖然，ERA-Interim資料適用性研究相對較少，但其數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的性能已經(jīng)得到普遍認(rèn)可［27-29］。因此，使用ERA-Interim 資料來研究水汽輸送的分布變化特征具有一定的可信度。綜上所述，本文選取ERA5水汽數(shù)據(jù)、ERA-Interim 水汽輸送資料和GPCC 降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 中亞氣候分區(qū)

中亞干旱區(qū)氣候類型復(fù)雜多樣，氣候特征迥異。中亞西北部以丘陵、低地為主，根據(jù)K?ppen 氣候分類［30］，屬于干旱沙漠與干旱草原氣候共同作用，年平均氣溫小于18 ℃，四季降水比較均勻；中亞北部包括哈薩克斯坦中部，下墊面以丘陵為主，該區(qū)域年內(nèi)降水以夏季最高；中亞南部與新疆南部同為沙漠地區(qū)，中亞南部的土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦為類地中海式氣候，夏季降水少，但該區(qū)域要比新疆南部塔里木盆地濕潤。帕米爾-西天山地區(qū)地勢較高，該區(qū)域受到類地中海式氣候和高原氣候共同作用，降水較多，且以冬、春季降水為主。新疆北部為溫帶草原氣候，該區(qū)域降水集中在夏季；天山中段和東段同為山脈但氣候相差較大，中天山地區(qū)降水較多，而東天山一帶非常干旱，多年平均降水量不足100 mm。由于中亞干旱區(qū)氣候空間差異較大，因此，需要根據(jù)不同氣候分區(qū)進(jìn)行水分循環(huán)結(jié)構(gòu)研究。

本文基于以下要素和特征，對中亞地區(qū)進(jìn)行氣候分區(qū)（表1）：（1）使用K?ppen氣候分類法（考慮1個(gè)地區(qū)的溫度、降水量和植被類型）對氣候進(jìn)行分類［30］，中亞區(qū)域氣候分類見圖1a；（2）多年平均降水量空間分布及降水年循環(huán)特征；（3）地形地貌特征：分為山脈、沙漠、高原、平原、盆地、丘陵和山谷。經(jīng)整理后將中亞干旱區(qū)劃分為8 個(gè)氣候分區(qū)（圖1b），分別是中亞西北部（NWCA）、中亞北部（NCA）、中亞南部（SCA）、帕米爾-西天山（PMP）、新疆北部（NXJ）、中天山（CTS）、東天山（ETS）、新疆南部（SXJ）。

2 結(jié)果與分析

2.1 中亞干旱區(qū)水汽含量與水汽收支時(shí)空演變

2.1.1 大氣水汽含量空間分布與變化特征 中亞干旱區(qū)整層大氣水汽含量空間差異較大，從西南部的土庫曼斯坦向中高緯度東北地區(qū)遞減（圖2a）。受地形影響，天山山脈以及昆侖山山脈一帶水汽含量低，均在6 mm 以下；里-咸海之間低海拔盆地區(qū)域水汽含量高，超過14 mm。從變化趨勢來看（圖2b），1979—2018 年中亞整層水汽含量呈微弱的減少趨勢，為-0.01 mm·（10a）-1，不同地區(qū)變化速率差異明顯，以巴爾喀什湖西側(cè)至烏茲別克斯坦東南部山區(qū)為界，兩側(cè)水汽含量總體表現(xiàn)為“東增西減”的反向變化，里-咸海之間水汽含量減少最為顯著，達(dá)到-0.2 mm·（10a）-1以下，而新疆南部昆侖山及天山山區(qū)水汽含量則顯著增加。1979—2018 年中亞整層大氣水汽含量以年際變化為主（圖2c），變化趨勢不顯著，2000—2013 年水汽含量變化波動(dòng)較小，但在2015年前后波動(dòng)增大。

圖2 1979—2018年中亞地區(qū)平均水汽含量分布(a)、變化趨勢(b)、平均水汽含量年際變化(c)Fig.2 Average water vapor content distribution(a),change trend(b),inter-annual variation(c)in Central Asia,1979-2018

從中亞各分區(qū)水汽含量的分布來看（表2），中亞南部水汽含量最高，其次是中亞西北部和北部，而中天山、新疆南部和帕米爾-西天山區(qū)域水汽含量較低。從變化趨勢來看，中亞前3 個(gè)區(qū)水汽含量均呈減少趨勢，中亞南部水汽含量減少趨勢最大，為-0.12 mm·（10a）-1，其他分區(qū)水汽含量均呈不同程度的增加趨勢，其中東天山水汽增加趨勢最大，為0.10 mm·（10a）-1，其次是新疆南部和東天山。

表2 1979—2018年中亞及其各分區(qū)整層大氣水汽含量和變化趨勢Tab.2 Atmospheric water vapor content and variation trend in Central Asia and its subregions,1979-2018

圖3 展示了中亞地區(qū)1979—2018 年整層水汽的季節(jié)分布和變化趨勢，中亞地區(qū)大氣水汽含量呈現(xiàn)“夏多冬少、春秋相似”的分布特征，受地形作用影響，山地的水汽含量顯著低于盆地地區(qū)。大氣水汽含量包含了水蒸氣、液態(tài)水、云冰、雨和雪，從地球表面到大氣層頂空氣柱內(nèi)的總和。在平原、河谷和盆地地區(qū)，空氣柱較厚，大氣水汽含量值較大；在高原山地地區(qū)，地形較高，空氣柱較薄，大氣水汽含量值較小，這與石曉蘭等［27］的研究結(jié)果一致。雖然，山區(qū)水汽含量低于平原，但水汽能否產(chǎn)生降水，其動(dòng)力條件是至關(guān)重要的。對于干旱區(qū)來說，降水轉(zhuǎn)化率在山區(qū)高于盆地，因此形成了降水量和蒸發(fā)量與大氣水汽含量相反的分布特征［31］。春季和秋季絕大部分地區(qū)水汽含量在8～16 mm之間（圖3a和圖3c），而夏季水汽含量則明顯高于其他季節(jié)（圖3b），除地勢較高的山區(qū)外，中亞其余地區(qū)水汽含量均可達(dá)16 mm 以上，特別是中亞西部里海沿岸附近區(qū)域，整層大氣水汽含量超過24 mm。與夏季由西向東遞減的分布特征不同，在冬季（圖3d）中亞西北部、北部及南部水汽含量表現(xiàn)為由低緯度向高緯度遞減，而新疆地區(qū)水汽含量減少到6 mm 以下，比上述地區(qū)更低。

圖3 1979—2018年中亞地區(qū)春季(a、e)、夏季(b、f)、秋季(c、g)、冬季(d、h)整層大氣平均水汽含量分布及變化趨勢Fig.3 Distribution and variation trend of the whole atmospheric water vapor content in Central Asia in spring(a,e),summer(b,f),autumn(c,g),winter(d,h),1979-2018

由研究區(qū)整層水汽的季節(jié)變化分析可知（圖3e～圖3h），中亞地區(qū)不同季節(jié)水汽變化速率存在明顯差異。春季中亞大部分地區(qū)整層水汽含量以增加為主，而新疆南部水汽有微弱的減少趨勢（圖3e）；冬季則以減少為主，新疆北部阿爾泰山區(qū)域減少趨勢顯著（圖3h）。夏季中亞地區(qū)水汽變化以70°E為界（圖3f），基本表現(xiàn)為“東增西減”的趨勢，顯著減少區(qū)域位于里-咸海之間，昆侖山北側(cè)、天山山區(qū)增加趨勢顯著。秋季水汽呈“南增北減”趨勢（圖3g），里-咸海區(qū)域顯著減少，更低緯的新疆南部水汽含量增加，其中巴爾喀什湖北部以及新疆北部水汽含量由夏季增加趨勢轉(zhuǎn)為秋季減少趨勢。中亞西部地區(qū)水汽主要由中緯度的盛行西風(fēng)輸送，且與中亞深低槽有關(guān)，而新疆地區(qū)還會(huì)受到多種季風(fēng)環(huán)流形勢影響［32-34］。在20世紀(jì)80年代，區(qū)域西風(fēng)指數(shù)出現(xiàn)減弱趨勢，由西風(fēng)系統(tǒng)攜帶輸送至中亞的水汽明顯減弱，可能造成中亞西部水汽減少趨勢［35］。而西風(fēng)減弱有利于東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)輸送水汽至新疆地區(qū)，秋季季風(fēng)爆發(fā)相對于夏季更弱，新疆地區(qū)秋季水汽相較于夏季可能出現(xiàn)減少的趨勢。

2.1.2 水汽收支變化特征 根據(jù)中亞氣候分區(qū)，分別對各分區(qū)邊界水汽收支進(jìn)行分析，討論各分區(qū)水汽收支及變化差異。整體來看，中亞地區(qū)緯向水汽輸送大于經(jīng)向，西邊界為主要水汽輸入，南邊界水汽輸入相對較弱，北邊界水汽輸出弱于東邊界。

中亞各分區(qū)水汽收支來看（圖4），研究區(qū)水汽以緯向輸送為主，不同區(qū)域收支和變化有較大差異。中亞西北部為多年平均水汽匯區(qū)，水汽凈收支為0.59×109kg·s-1，東邊界水汽輸出量小于西邊界西風(fēng)輸入；南邊界水汽輸入量小于北邊界輸出，全年平均為水汽輻合區(qū)，多年水汽輸入有減少趨勢。中亞北部地區(qū)以緯向水汽輸送為主，經(jīng)向輸送較弱，各邊界水汽收支總量基本相當(dāng)。與上述兩區(qū)不同，中亞南部為多年平均水汽源區(qū)，緯向水汽輸送有減少趨勢；南北邊界均為增加趨勢的水汽輸出。帕米爾-西天山地區(qū)西、南邊界水汽輸入量高于東、北邊界輸出量，整體來看該地區(qū)為弱增加趨勢的水汽輻合區(qū)。新疆北部和中天山地區(qū)均為僅西邊界輸入的水汽源區(qū)，不同的是新疆北部以緯向輸送為主，中天山經(jīng)向輸出更強(qiáng)。東天山地區(qū)多年平均水汽凈收支為-0.25×109kg·s-1，全年平均為水汽輻散區(qū)，經(jīng)向水汽輸送大于緯向，西、北邊界水汽輸入減少，東、南邊界的水汽輸出增加，形成了該地區(qū)多年水汽輻散的減少趨勢。新疆南部表現(xiàn)有所不同，除東邊界外均為水汽輸入，由于輸入減少，而東邊界輸出增加，多年水汽輻合有減少趨勢。

圖4 1979—2018年中亞各分區(qū)邊界水汽收支(黑色，單位：109 kg·s-1)及水汽收支變化［紅色,單位：109kg·s-1·(10a)-1］Fig.4 Schematic diagram of water vapor budget(black,unit:109 kg·s-1)and water vapor budget change［red,unit:109 kg·s-1·(10a)-1］at the boundary of each subregion in Central Asia,1979-2018

2.2 中亞干旱區(qū)降水時(shí)空演變

2.2.1 降水的空間分布 中亞地區(qū)年降水量空間分布極不均勻（圖5a），多年平均降水量為265.2 mm（表3），其中新疆南部、中亞南部少于100 mm。帕米爾-西天山出現(xiàn)降水量大值中心，局部超過550 mm，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。中天山地區(qū)年降水量僅次于帕米爾-西天山，接著是中亞北部、新疆北部和中亞西北部，均大于200 mm，而新疆南部的沙漠地區(qū)降水稀少，多年平均降水量僅為67.5 mm。

表3 1979—2018年中亞及各分區(qū)平均降水量和變化趨勢Tab.3 Average precipitation and variation trend in Central Asia and its subregions,1979-2018

圖5 1979—2018年中亞地區(qū)平均降水量分布(a)、變化趨勢(b)、平均降水量變化(c)Fig.5 Average precipitation distribution(a),change trend(b),average precipitation change(c)in Central Asia,1979-2018

不同地區(qū)降水量的季節(jié)差異明顯（圖6a～圖6d）。帕米爾-西天山地區(qū)降水以冬季和春季為主，高于其他地區(qū)。降水量最低值夏季位于中亞南部，其他三季位于新疆南部。新疆北部和中亞北部以夏季降水為主，兩地區(qū)春、秋季降水分布相似，冬季最少。中亞西北部降水量隨緯度增加而增加，特別在夏季表現(xiàn)十分明顯。

2.2.2 降水的時(shí)間變化 1979—2018年中亞地區(qū)降水量有微弱的增加趨勢［4.14 mm·（10a）-1］，年際波動(dòng)較大，在2000 年后呈現(xiàn)波動(dòng)中緩慢上升的趨勢（圖5c）。圖5b展示了中亞地區(qū)降水變化速率，中亞西北部和南部降水量整體呈現(xiàn)減少趨勢。其余地區(qū)以增長趨勢為主，其中中天山地區(qū)增加最大，達(dá)到12.99 mm·（10a）-1。

不同季節(jié)降水變化情況也存在差異。中亞大部分地區(qū)春季降水為增加趨勢，中亞南部以及帕米爾-西天山區(qū)域降水減少（圖6e）。夏季降水減少地區(qū)近一步擴(kuò)大到中亞西北部，但通過顯著性檢驗(yàn)的地區(qū)較少，而新疆北部和中天山以及塔里木盆地西部降水增長較大（圖6f）。秋季（圖6g）中亞西北部、帕米爾-西天山以及東天山降水減少，顯著區(qū)位于哈薩克斯坦的圖爾蓋高原，其余各地以增加趨勢為主。冬季（圖6h）中亞西北部、新疆以及巴爾喀什湖附近地區(qū)降水增加，其余各地呈減少趨勢。

圖6 1979—2018年中亞地區(qū)春季(a、e)、夏季(b、f)、秋季(c、g)、冬季(d、h)平均降水量分布和平均降水量變化趨勢Fig.6 Distribution and variation trend of average precipitation in Central Asia in spring(a,e),summer(b,f),autumn(c,g),winter(d,h),1979-2018

2.3 中亞干旱區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量時(shí)空演變

2.3.1 實(shí)際蒸發(fā)量的空間分布 蒸發(fā)是水循環(huán)要素的重要組成部分。圖7a 給出了1979—2018 年中亞地區(qū)平均蒸發(fā)量的空間分布，各分區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量有較大差異，中亞北部蒸發(fā)量高于中亞南部，中亞西北部最高，多年平均蒸發(fā)量超過400 mm（表4），可能與該區(qū)下墊面湖泊有關(guān)。帕米爾-西天山地區(qū)蒸發(fā)量高于周圍區(qū)域，部分地區(qū)在400 mm以上。受地形作用，高蒸發(fā)區(qū)主要位于山區(qū)兩側(cè)的綠洲地帶和河流湖泊周邊區(qū)域，新疆地區(qū)山脈兩側(cè)蒸發(fā)量高于盆地地區(qū)，塔里木盆地東側(cè)極端干旱區(qū)蒸發(fā)量不足50 mm。

表4 1979—2018年中亞及其各分區(qū)平均蒸發(fā)量和變化趨勢Tab.4 Average evapotranspiration and variation trend in Central Asia and its subregions,1979-2018

中亞蒸發(fā)主要以夏季為主，春、秋次之，冬季最少。春季（圖8a）蒸發(fā)以帕米爾-西天山一帶最多，中亞北部、西北部蒸發(fā)量高于中亞南部。新疆北部蒸發(fā)量高于新疆南部，新疆南部盆地蒸發(fā)量低于20 mm。由圖8b所示，夏季新疆北部山區(qū)、中天山和帕米爾-西天山蒸發(fā)量最高可達(dá)240 mm以上，中亞南部及新疆盆地蒸發(fā)量較低。秋季（圖8c）蒸發(fā)量略低于春季，但空間分布類型與春季相似。中亞地區(qū)冬季（圖8d）蒸發(fā)量明顯低于其他三季，除中亞南部，其余各地區(qū)蒸發(fā)量小于20 mm。

2.3.2 實(shí)際蒸發(fā)量的變化特征 中亞地區(qū)蒸發(fā)量整體為微弱的增加趨勢［2.11 mm·（10a）-1］，自西向東為“負(fù)-正-負(fù)”的變化趨勢（圖7b）。中亞西北部蒸發(fā)為減少趨勢并通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，中亞南部蒸發(fā)量增加；中亞北部增加趨勢達(dá)到8.63 mm·（10a）-1。新疆地區(qū)蒸發(fā)量整體為減少趨勢，新疆南部減少顯著。中天山以及東天山蒸發(fā)量顯著增加，分別為11.09 mm·（10a）-1、8.72 mm·（10a）-1。

圖7 1979—2018年中亞地區(qū)平均蒸發(fā)量分布(a)、變化趨勢(b)、平均蒸發(fā)量變化(c)Fig.7 Average evaporation distribution(a),change trend(b),average evaporation change(c)in Central Asia,1979-2018

中亞各地區(qū)蒸發(fā)量在不同季節(jié)變化趨勢也存在差異。由圖8e～圖8h 所示，中亞西北部蒸發(fā)量在夏、秋季減少，冬、春季增加；中亞北部冬、春季為顯著增加趨勢，該區(qū)蒸發(fā)量減少的范圍在秋季進(jìn)一步擴(kuò)大；中亞南部蒸發(fā)量整體表現(xiàn)為減少趨勢，不同的是，土庫曼斯坦僅在冬季為減少趨勢；帕米爾-西天山一帶蒸發(fā)變化在春、夏、秋三季均趨于增加，而冬季該地區(qū)東部蒸發(fā)量減少。新疆北部蒸發(fā)負(fù)增長趨勢則在夏季表現(xiàn)最為明顯。中天山和東天山四季蒸發(fā)變化基本為正。除冬季外，新疆南部蒸發(fā)均表現(xiàn)為顯著減少趨勢。塔里木盆地西南部蒸發(fā)變化在冬季表現(xiàn)為減少趨勢，而塔里木河及東北部的南疆則表現(xiàn)為顯著增加趨勢。實(shí)際蒸發(fā)量是控制水汽再循環(huán)的主導(dǎo)變量，因此，中亞實(shí)際蒸發(fā)量變化主要受到降水變化控制［36］。降水可以直接影響地表土壤濕度，從而影響實(shí)際蒸發(fā)量，新疆南部冬季多年平均降水量表現(xiàn)為增加趨勢，其他三季均存在不同程度減少趨勢。此外，實(shí)際蒸發(fā)量受下墊面條件作用較大，塔里木河流域土壤濕度及地表覆蓋狀況改變，也可能會(huì)使冬季塔里木河及其東北部蒸發(fā)量表現(xiàn)為增加趨勢。

2.4 中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)結(jié)構(gòu)

由圖9 可知，1979—2018 年中亞不同地區(qū)大氣水分循環(huán)有較大差異。中亞地區(qū)大氣水汽含量高值區(qū)位于平原盆地，地勢較高的山區(qū)為低值區(qū)，而降水量與蒸發(fā)量表現(xiàn)相反?；哪璧氐貏莸?，空氣柱較高原山地地區(qū)厚，因此水汽含量較高。由于缺乏動(dòng)力條件，盆地的降水轉(zhuǎn)化率低于山區(qū)，形成了中亞干旱區(qū)降水量和蒸發(fā)量分布不同于大氣水汽含量的特征。

圖9 中亞各分區(qū)大氣水循環(huán)示意圖Fig.9 Map of atmospheric water cycle in the subregions of Central Asia

中亞西北部地區(qū)多年平均大氣水汽含量為13.7 mm，高于中亞其他大部分地區(qū)水汽含量，中亞西北部年輸入水汽量小于年輸出水汽量，年地表蒸發(fā)量最高，達(dá)到了403.6 mm，年降水量約為年地表蒸發(fā)量的一半，里海沿岸低地較為濕潤的下墊面，為該區(qū)域蒸發(fā)量增加提供了有利條件；中亞北部地區(qū)大氣水汽含量低于中亞西北部，年輸入水汽量與年輸出水汽量的值相當(dāng)，且均高于中亞西北部地區(qū)，中亞北部年降水量為248.1 mm，年地表蒸發(fā)量比年降水量大約多100 mm；中亞南部地勢較低，大氣水汽含量在中亞地區(qū)最高，為15.0 mm，年輸入水汽量低于年輸出水汽量，年降水量僅為年地表蒸發(fā)量的一半，為182.3 mm。該地區(qū)下墊面多為沙漠，存在降水減少、蒸發(fā)量增加的問題，特別是在土庫曼斯坦中東部，由干旱引起的植被和土地退化流失現(xiàn)象，加劇了該地區(qū)的降水需求，更不利于該地區(qū)水分循環(huán)［37］。帕米爾-西天山地區(qū)降水量相對豐富，多年平均降水量超過了350 mm，大氣平均水汽含量為8.6 mm，水汽輸送量明顯低于前3個(gè)地區(qū)，其年地表蒸發(fā)量和年降水量相差較小。冰川是中亞地表徑流的重要來源，帕米爾-西天山作為中亞干旱區(qū)重要的水源地，其冰川退縮通過影響地表徑流對局地大氣水分循環(huán)過程造成極為不利的影響［38］。

新疆地區(qū)位于中亞西風(fēng)帶的下游，大氣中水汽含量低于上游地區(qū)，其水汽受多種季風(fēng)環(huán)流形勢影響，多年水汽輸送量不及中亞其他地區(qū)［33］；新疆北部多年大氣水汽含量為9.2 mm，大氣水汽輸送量級與帕米爾-西天山地區(qū)相當(dāng)，新疆北部的年輸入水汽量小于年輸出水汽量，年地表蒸發(fā)量比年降水量大約多80 mm；中天山和東天山地區(qū)水汽輸送量均相對較低，中天山地區(qū)年輸入水汽量僅為0.90×109kg·s-1，說明局地水汽再循環(huán)對于該地區(qū)降水的貢獻(xiàn)可能大于外來水汽輸送；中天山地區(qū)年地表蒸發(fā)量和年降水量均大于300 mm，而東天山地區(qū)年蒸發(fā)量為185.2 mm，年降水量則不足100 mm；新疆南部大氣水汽含量較低，約為8.4 mm，年輸出水汽量約為輸入量的一半，年蒸發(fā)量可達(dá)201.2 mm，而年降水量非常小，僅為67.5 mm，這個(gè)值遠(yuǎn)低于新疆北部；造成南北疆降水量差異較大的現(xiàn)象原因是多方面的。有研究表明，青藏高原春季熱力異常通過影響副熱帶西風(fēng)急流和南亞高壓等大尺度環(huán)流及水汽輸送，調(diào)節(jié)新疆北部夏季降水的變化［39］；5月青藏高原主體感熱偏弱，其西北側(cè)的沙漠感熱偏強(qiáng)時(shí)，新疆上空盛行偏南風(fēng)，阿拉伯海上空反氣旋性環(huán)流配合中亞上空氣旋性環(huán)流，進(jìn)一步將熱帶水汽輸送至新疆北部上空，從而造成新疆北部夏季降水偏多［40-41］。

大氣增溫增濕會(huì)增強(qiáng)中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)，由于中亞不同分區(qū)對氣候變化的響應(yīng)不一致，大氣水分循環(huán)這一過程也受到不同程度的影響。此外，實(shí)際蒸發(fā)量作為大氣水分循環(huán)過程的重要組成部分，缺乏觀測數(shù)據(jù)，要素值的估算過度依賴模型等因素，也增加了水分循環(huán)結(jié)構(gòu)的不確定性。

3 結(jié)論

中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)過程獨(dú)特，大氣水汽含量、水汽收支、降水量、實(shí)際蒸發(fā)量等大氣水分循環(huán)要素空間分布差異顯著，中亞干旱區(qū)降水量和實(shí)際蒸發(fā)量與大氣水汽含量具有相反的分布特征，受海拔高度作用影響，天山和帕米爾等山區(qū)及周邊綠洲區(qū)為降水量和實(shí)際蒸發(fā)量的高值區(qū)，而荒漠平原地區(qū)為低值區(qū)?；诙喾N再分析資料，分析了中亞大氣水分循環(huán)要素變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）1979—2018年中亞水汽含量變化速率區(qū)域差異明顯，位于中亞干旱區(qū)西部的里-咸海明顯減少，而新疆大部和天山明顯增加；中亞干旱區(qū)水汽輸送以緯向輸送為主，不同區(qū)域水汽收支和變化差異較大，與中亞北部和新疆大部減少趨勢不同，中亞西北部、中亞南部、帕米爾和天山山區(qū)水汽收支表現(xiàn)為增加趨勢。

（2）中亞干旱區(qū)降水量為增加趨勢，且年際波動(dòng)較大，降水量在2000 年后增加了3.76%；中亞北部、新疆大部和天山山區(qū)增加趨勢顯著，而中亞北部和南部表現(xiàn)為明顯減少趨勢。

（3）中亞實(shí)際蒸發(fā)量呈微弱增加趨勢，顯著增加區(qū)域分布在中亞北部、天山山區(qū)和帕米爾地區(qū)，而在里-咸海、中亞南部和新疆南部干旱地區(qū)明顯減少。

各水分循環(huán)要素季節(jié)變化與年變化時(shí)空分布特征基本一致。整體來看，中亞干旱區(qū)各分區(qū)的年地表蒸發(fā)量均大于年降水量，造成這種現(xiàn)象的原因可能是多方面的，蒸發(fā)量受下墊面條件影響較大，地表徑流和植物蒸騰等作用都會(huì)對蒸發(fā)量產(chǎn)生影響。受監(jiān)測資料限制，對中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)及其變化的認(rèn)識還存在很多不足。此外，在全球變暖的氣候變化背景下，中亞地區(qū)水循環(huán)也會(huì)發(fā)生一系列變化，氣候變化及其對中亞水分循環(huán)影響機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。本文僅討論了中亞干旱區(qū)大氣水分循環(huán)要素的時(shí)空演變特征，水分循環(huán)各要素之間并非互相獨(dú)立，各要素之間是如何相互作用的，以及它們對于干旱區(qū)大氣水分循環(huán)的貢獻(xiàn)尚無定量分析。在未來的工作中，涉及干旱區(qū)內(nèi)部水汽輸送的影響機(jī)制，造成干旱區(qū)內(nèi)部水循環(huán)顯著差異性的根本原因還需加強(qiáng)分析。