塔里木盆地夏季降水的年代際變化及其影響環(huán)流

玉奴斯·唐阿塔爾，趙 勇

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象學(xué)會，新疆 烏魯木齊830002；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225）

過去100 年，全球陸地降水變化呈明顯的區(qū)域差異，降水量在北美北部和南美南部增加，在亞洲、非洲和南極洲減少[1-2]。全球陸地干旱區(qū)大多變干，而我國西北地區(qū)氣候呈明顯的變濕趨勢，降水增加顯著[3]。20 世紀(jì)80 年代中后期，西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，西北西部的新疆尤其顯著[4-5]。水是制約干旱區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心因素，降水是干旱區(qū)地表水資源的主要來源，同時也對干旱區(qū)生態(tài)安全具有重要意義，因此干旱區(qū)降水的時空變化特征及其影響機(jī)制研究受到廣泛的關(guān)注。

大氣環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)度和位置變化，是導(dǎo)致降水異常的直接原因。中亞上空的副熱帶西風(fēng)急流夏季北上，進(jìn)入新疆上空，其強(qiáng)度和位置變化與新疆夏季降水密切相關(guān)，當(dāng)中亞上空的副熱帶西風(fēng)急流位置向南移動，可以導(dǎo)致新疆更多的夏季降水發(fā)生[6-7]。南亞高壓的伊朗高壓型和雙體型貢獻(xiàn)了新疆夏季降水的70%～90%，兩種類型高壓的位置變化與新疆夏季降水密切聯(lián)系[8-9]。當(dāng)北非副熱帶高壓異常東伸時，有利于新疆西部夏季發(fā)生更多的降水[10]。中亞低渦是影響新疆夏季降水的關(guān)鍵天氣尺度環(huán)流系統(tǒng)之一，低渦的位置和強(qiáng)度對新疆夏季降水起到關(guān)鍵作用[11]。新疆南、北部夏季降水存在明顯的年際變化差異，影響環(huán)流也不同[12]。楊蓮梅等[13]發(fā)現(xiàn)塔里木盆地夏季降水偏多時，對應(yīng)伊朗副熱帶高壓偏東，西太平洋副熱帶高壓偏西，中亞副熱帶西風(fēng)急流位置偏南。楊霞等[14]認(rèn)為低空東風(fēng)急流在塔里木盆地大降水過程中扮演了重要角色。

以上研究從不同大氣環(huán)流系統(tǒng)的角度分析了導(dǎo)致新疆夏季降水異常的可能成因，主要集中于年際變化。也有一些研究考慮了新疆夏季降水的年代際變化，如楊蓮梅等[15]認(rèn)為新疆北部夏季的年代際增濕主要源于熱帶印度洋水汽向北輸送的加強(qiáng)。陳活潑等[16]認(rèn)為太平洋—東亞遙相關(guān)波列位置和強(qiáng)度的年代際變化，加強(qiáng)了西北太平洋水汽的向西輸送進(jìn)入新疆，這是導(dǎo)致該區(qū)域夏季降水年代際變化的重要原因之一。最近的研究表明印度洋海盆模增暖導(dǎo)致了新疆北部夏季極端降水的年代際增多[17]。絲綢之路大氣遙相關(guān)型通過影響大氣環(huán)流和水汽輸送，貢獻(xiàn)了塔里木盆地2009 年以來夏季降水的異常增多[18]。塔里木盆地是西北干旱區(qū)夏季降水增加最為顯著的區(qū)域之一，年代際增加依然持續(xù)[19-20]。已有研究分析了新疆整體或區(qū)域夏季降水年代際變化的影響環(huán)流，但使用的降水資料長度大多集中在2010 年之前，此外是否存在其它的重要影響因子，尚不清楚。本文在已有研究基礎(chǔ)上，使用1961—2020 年的夏季降水序列，在揭示塔里木盆地夏季降水年代際變化特征的基礎(chǔ)上，給出不同年代際背景下的關(guān)鍵影響環(huán)流特征，從大氣遙相關(guān)型的角度初步揭示了盆地夏季降水年代際變化的可能機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)和方法

國家氣象信息中心提供了1961—2020 年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過了簡單的質(zhì)量控制，如果某測站在任意一年中有超過5%的數(shù)據(jù)為缺測，則將該測站剔除[21]，基于此塔里木盆地選取測站33 個。大氣環(huán)流再分析數(shù)據(jù)由美國國家環(huán)境預(yù)測中心和大氣研究中（NCAR/NCEP）提供[22]，包括風(fēng)場、地面氣壓場和比濕等變量，水平空間分辨率為2.5°× 2.5°。大氣遙相關(guān)指數(shù)源自美國氣候預(yù)測中心（CPC：https：//psl.noaa.gov/data/climateindices/list/），對北半球250 hPa逐月位勢高度場進(jìn)行旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解，第四主分量時間系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值定義為東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)[23]。本文的夏季指6—8 月。

降水量為塔里木盆地夏季各測站日降水≥0.1 mm的降水量和值；降水日數(shù)為塔里木盆地夏季各測站日降水≥0.1 mm 的降水日數(shù)和值；降水強(qiáng)度為降水量與降水日數(shù)的比值。

2 塔里木盆地夏季降水的年代際變化特征

為了揭示塔里木盆地夏季降水的年代際變化特征，圖1 給出了塔里木盆地區(qū)域平均的夏季降水距平年際變化及9 a 滑動平均曲線。塔里木盆地有明顯的年代際變化特征，氣候突變發(fā)生在1987 年左右，1987 年以前，大部分年份（20 a）盆地夏季降水偏少，1987 年之后，大部分年份（19 a）盆地夏季降水偏多，尤其2010 年以來，10 a 中有8 a 降水均為正異常。

由圖2a 可知，相較于1961—1986 年，1987—2020 年除盆地東部個別站點(diǎn)夏季降水略減少外，其余站點(diǎn)均增加，尤其盆地的西部和北部，降水顯著增加。由圖2b 降水日數(shù)的年代際變化與降水量變化的空間基本一致，盆地西部和北部降水日數(shù)顯著增加。大部分站點(diǎn)的降水強(qiáng)度也增強(qiáng)（圖2c），但是空間分布與降水量和降水日數(shù)并不一致，同時也不顯著。說明近30 多年，塔里木盆地西部和北部夏季降水的顯著增多，主要由降水日數(shù)的增加貢獻(xiàn)。

圖2 1987—2020 年與1961—1986 年塔里木盆地夏季降水量（a）、降水日數(shù)（b）和降水強(qiáng)度（c）的變化

3 不同年代際背景下塔里木盆地夏季降水的影響環(huán)流特征

副熱帶西風(fēng)急流在塔里木盆地夏季降水過程中扮演了重要角色，一方面急流的位置和強(qiáng)度對對流層中低層氣旋的產(chǎn)生具有顯著影響，另一方面高層急流加強(qiáng)時，起到“抽氣機(jī)”作用，加強(qiáng)了低層大氣的輻合上升，為降水提供了有利的動力條件[24]。由圖3a可知，1961—1986 年，當(dāng)盆地夏季降水偏多時，對應(yīng)里海和咸海以南200 hPa 緯向風(fēng)增強(qiáng)，以北減弱，說明中亞副熱帶西風(fēng)急流的軸線南移。由圖3b 可知，1987—2020 年，盆地夏季降水依然與中亞副熱帶西風(fēng)急流關(guān)系密切，當(dāng)盆地夏季降水偏多時，對應(yīng)里海和咸海以北200 hPa 緯向風(fēng)減弱，以南增強(qiáng)，但并不顯著。

圖3 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地區(qū)域平均的夏季降水序列與200 hPa 緯向風(fēng)（m·s-1）的回歸分布

1961—1986 年，當(dāng)塔里木盆地夏季降水偏多時，對應(yīng)中亞上空為異常的氣旋性環(huán)流，異常氣旋位于40°N 附近，氣旋東部盛行異常西南風(fēng)，為塔里木盆地帶來低緯的暖濕氣流，形成有利于降水的環(huán)流條件（圖4a）。1987—2020 年，當(dāng)塔里木盆地夏季降水偏多時，對應(yīng)的500 hPa 風(fēng)場特征與前一時期有些不同，異常氣旋位于40°N 以南，更有利于將低緯的暖濕氣流攜帶北上，同時蒙古上空為異常反氣旋環(huán)流，氣旋東部的異常西南風(fēng)和反氣旋西部的異常東南風(fēng)在塔里木盆地上空交匯，形成更為有利的降水條件，導(dǎo)致整個時期夏季降水發(fā)生更多（圖4b）。

圖4 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地區(qū)域平均的夏季降水序列與500 hPa 風(fēng)（m·s-1）的回歸分布

塔里木盆地遠(yuǎn)離海洋，同時四周被高山環(huán)繞，水汽輸送也是降水發(fā)生的重要條件之一。1961—1986年，當(dāng)塔里木盆地夏季降水偏多時，阿拉伯海上空為異常反氣旋環(huán)流控制，中亞上空為異常氣旋環(huán)流控制，前者將阿拉伯海的水汽向北輸送，完成水汽輸送的第一步，后者接力將水汽繼續(xù)向北輸送，進(jìn)入塔里木盆地上空，為降水發(fā)生提供有利的水汽條件（圖5a）。1987—2020 年西北太平洋上空為異常反氣旋環(huán)流控制，表示西太平洋副熱帶高壓向西移動，加強(qiáng)了西北太平洋和孟加拉灣的水汽輸送至青藏高原的西南部，中亞里海以南受異常氣旋控制，氣旋東部的異常西南風(fēng)將這支水汽繼續(xù)向北輸送至塔里木盆地上空，為盆地降水發(fā)生提供了有利的水汽條件。

圖5 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地區(qū)域平均的夏季降水序列與水汽通量（kg·m-1·s-1）的回歸分布

綜上，塔里木盆地夏季降水在1987 年前后發(fā)生了顯著變化，兩個時期影響降水的環(huán)流和水汽輸送特征也存在明顯差異，主要體現(xiàn)在中亞上空異常氣旋的位置，水汽輸送的路徑等，大氣遙相關(guān)型變化是導(dǎo)致大氣環(huán)流異常演變的重要因子，圖6 給出了東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)與塔里木盆地區(qū)域平均夏季降水的年際變化，東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)與塔里木盆地夏季降水存在密切的年際聯(lián)系，1961—1986 年，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.49，1987—2020 年，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.53，均通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

圖6 1961—2020 年塔里木盆地區(qū)域平均的夏季降水和東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)的年際變化

1961—1986 年，當(dāng)東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)負(fù)異常時，可以導(dǎo)致中亞上空40°N 以南的緯向風(fēng)加強(qiáng)，以北的緯向風(fēng)減弱，說明中亞副熱帶西風(fēng)急流位置南移（圖7a），與圖3a 的結(jié)果一致。1987—2020 年，東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)也與200 hPa 緯向風(fēng)關(guān)系密切，當(dāng)東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)為負(fù)異常時，中亞副熱帶西風(fēng)急流位置南移，東亞副熱帶西風(fēng)急流北移，與圖3b 得到的結(jié)論類似。

圖7 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)與200 hPa 緯向風(fēng)（m·s-1）的回歸分布

1961—1986 年，當(dāng)東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)負(fù)異常時，中亞上空受異常氣旋性環(huán)流控制，氣旋中心位于40°N 左右（圖8a），與圖4a 一致。氣旋東部的異常西南風(fēng)控制了新疆大部分區(qū)域，與東部季風(fēng)區(qū)不同，夏季風(fēng)背景下，降水的多寡主要與北方的冷空氣南下密切相關(guān)[25]，新疆由于緯度相對較高，降水的發(fā)生主要受南風(fēng)氣流控制，因此中亞上空的異常氣旋（槽）是導(dǎo)致夏季降水的關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)之一。1987—2020 年，當(dāng)東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)負(fù)異常時，中亞里海以南受異常氣旋控制，蒙古高原上空受異常反氣旋控制，氣旋東部的異常西南風(fēng)和反氣旋西部的異常東南風(fēng)在塔里木盆地上空交匯，為夏季降水提供了有利的環(huán)流條件。

圖8 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)與500 hPa 風(fēng)（m·s-1）的回歸分布

4 結(jié)論

基于1961—2020 年降水和環(huán)流數(shù)據(jù)，首先揭示了塔里木盆地夏季降水的年代際變化特征，然后分析了不同年代際背景下影響盆地夏季降水的環(huán)流和水汽輸送特征，最后從大氣遙相關(guān)型的角度，初步揭示了大氣環(huán)流異常的可能形成原因，主要結(jié)論如下：

（1）塔里木盆地夏季降水在1987 年前后發(fā)生了氣候突變，1961—1986 年，夏季降水整體偏少，1987—2020 年，夏季降水整體偏多，尤其近10 年。夏季降水的年代際增多主要集中在塔里木盆地的西部和北部，東部呈現(xiàn)少許的減少，降水的增多主要由降水日數(shù)的增加貢獻(xiàn)，降水強(qiáng)度也有增強(qiáng)，但并不顯著。

（2）1961—1986 年，當(dāng)盆地夏季降水偏多時，中亞副熱帶西風(fēng)急流位置向南移動，中亞上空受異常氣旋性環(huán)流控制，塔里木盆地上空盛行異常西南風(fēng)，阿拉伯海的水汽通過兩步輸送進(jìn)入塔里木盆地上空。1987—2020 年，當(dāng)盆地夏季降水偏多時，中亞副熱帶西風(fēng)急流位置向南移動，中亞里海以南上空受異常氣旋性環(huán)流控制，蒙古高原上空受異常反氣旋控制，二者共同作用下塔里木盆地上空受異常南風(fēng)控制，西太平洋副熱帶高壓西伸，導(dǎo)致西北太平洋和孟加拉灣水汽輸送至青藏高原西南部，由中亞上空的異常氣旋環(huán)流進(jìn)一步輸送至塔里木盆地上空。

（3）東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)與塔里木盆地夏季降水呈密切負(fù)相關(guān)聯(lián)系，兩個時期的相關(guān)系數(shù)均可通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。在盆地夏季降水不同年代際背景下，當(dāng)東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關(guān)指數(shù)負(fù)異常時，可以導(dǎo)致中亞副熱帶西風(fēng)急流位置向南移動，同時影響中亞上空異常氣旋位置的變化，進(jìn)而貢獻(xiàn)不同時期盆地夏季降水的異常變化，在塔里木盆地夏季降水的年代際變化中扮演了重要角色。