2000—2011年天山山区水汽输送特征

杨 柳，杨莲梅，汤 浩，刘 涛，彭 军

（1.巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒 841000；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；3.新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐83000；,4.新疆气象装备保障中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

天山山脉是亚洲中部最大的山系，我国境内的天山总长1 700 km，占天山山系总长度的2/3 以上，西起中国与吉尔吉斯斯坦边界，东至哈密市以东的星星峡戈壁，宽约250～300 km，山脊平均海拔高度4 000 m，横穿新疆全境，将新疆分为南疆、北疆和天山山区三大气候区。天山山区被称为干旱区的“湿岛”，源于天山的河流为天山南北两侧的经济发展提供了主要水资源，约占全新疆水资源的70%以上，天山山区的降水对新疆的水资源和生态环境有着重要的影响[1]。史玉光等[2]分析了新疆区域面雨量的分布特征，指出天山山区面雨量最大，约占全疆面雨量的40.4%，区域年平均降水量为409.1 mm，因此研究天山山区的水分循环有十分重要的意义。

多年来国内外对暴雨过程的全球水汽背景、水汽输送和收支，水汽源汇和演变特征等进行了较深入的研究[3-11]，揭示了不同区域水汽循环的一些规律。而对新疆这样的大陆性干旱气候的水汽特征研究比较少，史玉光等[11]利用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析资料分析了1961—2000年新疆地区对流层不同层次空中水汽输送特征，指出每年平均有26 114.8×108t 水汽输入新疆，25 647.7×108t 水汽输出新疆，水汽净收支为467.1×108t，对流层中层水汽输送量最大，夏季水汽输送量最大，约占全年的38%；李霞等[12]分析了1961—2000年夏季塔里木盆地上空的水汽输送及水汽收支的平均状况；关于新疆区域水汽特征已有细致的工作[11]，但利用NCEP/NCAR 逐日2.5°×2.5°经纬度资料，所得结果还是比较粗的。天山山区是新疆降水最大区域，新疆70%的河流源于天山山区，天山山区一直是人工增雨（雪）重点区域，因此针对天山山区开展水汽精细化特征研究十分有必要。

1 资料选取和计算方法

利用2000—2011年NCEP/NCAR 再分析逐日6 h 1°×1°资料1 000～100 hPa 的地面气压、温度、比湿、风场资料，取地面～700 hPa（对流层低层）、700～500 hPa（对流层中层）、500～100 hPa（对流层高层）以及整层（地面～100 hPa）计算天山山区水汽输入、输出和收支量。对NCEP/NCAR 再分析逐日2.5°×2.5°资料是否适用于西北地区气候的长期变率研究已有人用观测站探空资料作过检验[13]，发现这两种资料变化趋势基本吻合，苏志侠等[14]也对该资料集在青藏高原及其邻近地区做了比较全面的检验,认为该资料集与实际观测值比较一致。刘蕊等[15]对NCEP/NCAR 2.5°×2.5°与1°×1°再分析资料在新疆的适用性进行了分析，指出1°×1°再分析资料分析新疆水汽通量比NCEP 2.5°×2.5°再分析资料更接近探空资料。

研究区域大体为包含天山山区的一个矩形区域，共8个边界（图1）。图1 中1 为西边界；2、4 为北边界；3、5、7 为东边界；6、8 为南边界。东、南、西、北4个边界的水汽输送量为其对应的各小边界各层水汽输送量之和，当各个小边界各层的输送方向不一致时，取相互抵消后的结果作为该边界总的水汽输送量。每个小边界只要为输入就计入总输入量，只要为输出就计入总输出量，因此，8个边界总输入、总输出量要大于4个边界的输入及输出之和。单位边长整层大气的水汽输送通量矢量Q 的计算公式为：

式中ps为地面气压（即气柱底气压），这样就去除了地形的影响；取气柱顶气压=100 hPa；u、v 为经向、纬向风速，单位为m·s-1；q 为各层大气的比湿，单位为g·kg-1；g 为重力加速度。Q 由经向水汽通量Qu和纬向水汽通量Qv组成，单位为kg·m-1·s-1，并规定由西向东、由南向北输送为正,反之为负[11]。先由一日四次的资料得到各层各格点水汽通量，进行边长和垂直方向整层积分，然后进行一日四次时间积分得到日水汽输送量，因此其中包含了瞬变扰动的贡献，其单位为g，然后换算成t，由此得到月、季、年水汽输送量。

图1 新疆天山山区水汽输送边界示意图

2 天山山区年平均水汽输送特征

图2 为天山山区对流层各层2000—2011年年平均各边界净水汽输送量。对流层低层：西边界、北边界为水汽输入边界，年平均量为982×108、2 175×108t，东边界、南边界为输出边界，年平均量为987×108、2 493×108t。通过8个边界输入天山山区的水汽总量为 4 916×108t，总输出量5 239×108t，净收支量-323×108t。由于青藏高原的影响其上空为对流上升运动，由于补偿作用北侧新疆处于下沉气流支，同时北半球存在三圈环流，新疆处于Ferrel 环流的下沉支，这两个原因造成新疆干旱、半干旱气候背景。由于天山的存在，其北侧如遇到西北气流会处于迎风坡，有一些上升运动，但该上升运动远弱于上述的两支下沉运动，相互抵消还是下沉气流，只是北疆下沉运动弱于南疆，因此北疆降水多于南疆。钱正安等细致分析[16]指出青藏高原及周围地区的垂直环流无论冬、夏季新疆均处于下沉气流控制下，特别是在天山南侧下沉气流表现的尤为明显。因此低层会表现为气流的辐散，年水汽净收支表现为负。

图2 2000—2011年天山山区对流层各层年平均水汽输送量（单位：×108 t）

对流层中层：西边界、北边界有2 554×108、424×108t 水汽输入，东边界、南边界有2 264×108、90×108t 水汽输出，总水汽输入量6 007×108t，总输出量5 382×108t，分别占整个对流层的52.2%和47.5%，净收支624×108t。通常情况下水汽集中在对流层低层，但是天山山区本身海拔较高，对流层低层气柱较薄，因此水汽输送量小于对流层中层，对天山山区而言中层水汽输送量最大。

对流层高层:西边界、南边界为水汽输入边界，输入量分别为1 240×108、350×108t，东边界、北边界为输出边界，输出量为1 252×108、350×108t，边界水汽输送方向与中、低有所不同。总水汽输入、输出量达2 772×108、2 906×108t，净收支-134×108t。

从整层来看，依然是西边界、北边界输入水汽，年均输入量为4 776×108、2 128×108t，东边界、南边界输出水汽，输出量为4 503×108、2 233×108t，共计水汽输入11 504×108t，水汽输出11337×108t，净收支167×108t。史玉光等[11]研究指出每年平均有26 114.8×108t 水汽输入新疆区域,而天山山区水汽总输入量为11 504.1 亿吨，占全新疆水汽输入量的比例高达44.1%，说明天山山区拥有非常丰富的水汽资源。新疆位于中纬度地区，受西风带系统的影响较大[18]，因此西边界、北边界为主要水汽输入边界，东边界、南边界为主要水汽输出边界，东、西边界的水汽输送量远大于南、北边界。高、中、低纬环流系统共同影响新疆的天气气候，而产生降水常是因为高纬度北方冷空气南下与低纬暖湿气流在新疆地区交汇[18]，对流层各层的水汽输送路径有很大的差异，各个小边界在不同层次间产生一定的相互抵消，所以8个小边界的总输送量要远大于4个大边界的输送量。

3 天山山区四季平均水汽输送特征

3.1 春季

天山山区对流层各层2000—2011年春季平均各边界净水汽输送见图3。春季对流层低、中、高层及整层西边界、北边界均为水汽输入边界，东边界、南边界为水汽输出边界。低层有278×108、559×108t水汽流经西边界、北边界，261×108、646×108t 水汽流经东边界、南边界，共输入水汽1245×108t，输出水汽 1 315×108t，净收支-70×108t。中层水汽流经西边界、北边界638×108、250×108t，流经东边界和南边界555×108、162×108t，总输入量为1 420×108t，总输出量为1 250×108t，分别占整个对流层的50.1%和45.5%，净收支达170×108t。高层有299×108、6×108t水汽流经西边界、北边界，289×108、30×108t 水汽流经东边界、南边界，共计输入水汽628×108t，输出642×108t，净收支14×108t。

整层经由西边界、北边界输入天山山区的水汽量为1 216×108、814×108t，经由东边界、南边界的输出量为1 105×108、838×108t。春季蒙古高压减弱，新地岛到新疆北部的西北气流加强，新疆频繁受北方冷空气影响[21]，多寒潮天气，南下冷空气在对流层中、低层可以为天山山区带来部分水汽[20]，因此春季西边界和北边界为水汽输入界。水汽总输入量2 836×108t，总输出量2 750×108t，净收支86×108t。

图3 2000—2011年天山山区对流层各层春季平均水汽输送量（单位：×108 t）

3.2 夏季

图4 为天山山区对流层各层2000—2011年夏季平均各边界净水汽输送。夏季对流层低层西边界、北边界为水汽输入边界，有355×108、1 287×108t 水汽流经，东边界、南边界为输出边界，有319×108、1 381×108t 水汽流经，共输入水汽2 163×108t，输出水汽2 222×108t，净收支-59×108t。各边界的中层和高层水汽流向一致，均为由西边界、南边界输入，东边界、北边界输出。其中中层西边界、南边界有948×108、226×108t 水汽输入，东边界、北边界有846×108t、61×108t 水汽输出，输入总水汽量为2 574×108t，输出总水汽量为2 306×108t，分别占整个对流层的53.7%、48.9%，净收支267×108t。高层经由西边界、南边界输入水汽487×108、376×108t，由东边界、北边界输出水汽519×108、483×108t，共计输入水汽1 219×108t，输出1 358×108t，净收支-139×108t。夏季是新疆一年中降水最多的季节，受低纬环流系统影响也是一年中最频繁的季节，此时中高层偏南水汽输送对强降水产生有重要贡献[20]，因此，中高层表现为南边界水汽输入。

图4 2000—2011年天山山区对流层各层夏季平均水汽输送量（单位：×108 t）

从整层来看，夏季有1 790×108、743×108t 水汽经由西边界、北边界输入，1 684×108、780×108t 水汽经由东边界、南边界输出，共计输入量为4 790×108t，输出量为4 720×108t，净收支70×108t。夏季高、中、低纬环流共同影响天山山区，高纬冷空气和低纬暖湿空气在中纬交汇造成天山山区降水天气[20]，水汽输送在对流层高、中、低纬输送路径差异很大，比较复杂，各小边界在不同层次之间相互抵消量较大，因此8个边界总输送量远大于四个大边界净输送量。

3.3 秋季

天山山区对流层各层2000—2011年秋季平均各边界净水汽输送见图5。秋季各边界的对流层低层、中层水汽输送方向均为由西边界、北边界输入，由东边界、南边界输出。低层有231×108、296×108t水汽流经西边界、北边界，266×108、360×108t 水汽流经东边界、南边界，共计输入水汽1 032×108t，输出水汽1 131×108t，净收支-99×108t。中层有617×108、96×108t 水汽从西边界、北边界输入，562×108、50×108t 水汽从东边界、南边界输出，共计输入水汽1 307×108t，输出水汽1 206×108t，分别占整个对流层的51.4%、47.4%，净收支101×108t。高层则是285×108、30×108t 水汽由西边界、南边界输入，287×108、31×108t 水汽由东边界、北边界输出，共计水汽输入量为597×108t，输出量为600×108t，净收支-3×108t。

整层由西边界、北边界输入水汽1 133×108、361×108t，东边界、南边界输出水汽1 115×108、380×108t，总水汽输入量、总输出量分别为2 543×108、2 545×108t，净收支-1×108t。秋季新疆脊和中西伯利亚脊稳定，高压脊控制下的下沉气流使得低层辐散[20]，10月副热带西风急流发生突变南落，中纬西风减弱[11]，造成天山山区各边界水汽输送量明显下降。

图5 2000—2011年天山山区对流层各层秋季平均水汽输送量（单位：×108 t）

3.4 冬季

图6 为天山山区对流层各层2000—2011年冬季平均各边界净水汽输送。冬季各边界的对流层低、中、高层及整层水汽输送方向相同，西边界、北边界为输入边界，东边界、南边界为输出边界。低层有113×108、34×108t 水汽流经西边界、北边界，137×108、103×108t 水汽流经东边界、南边界，共计输入水汽461×108t，输出水汽554×108t，净收支-93×108t；中层344×108、137×108t 水汽流经西边界、北边界，296×108、100×108t 水汽流经东边界、南边界,总水汽输入量为695×108t，总输出量为610×108t，分别占整个对流层的52.4%、46.4%，净收支85×108t；高层169×108、35×108t 水汽由西边界、北边界输入，158×108、24×108t 水汽由东边界、南边界输出，输入的总水汽量为327×108t，输出的总水汽量为304×108t，净收支量23×108t；整层经由西边界、北边界有636×108、193×108t 水汽输入，东边界、南边界有596×108、221×108t 水汽输出，共计输入水汽1 326×108t，输出水汽1 314×108t，净收支12×108t。冬季蒙古高压控制天山山区，气候干冷，同时极锋锋区偏北，副热带锋区偏南，天山山区上空西风减弱，因此各边界的水汽输送量均为一年中最小值。

图6 2000—2011年天山山区对流层各层冬季平均水汽输送量（单位：×108 t）

4 结论

利用2000—2011年NCEP/NCAR 再分析逐日资料，详细地分析了天山山区年平均、四季大气中不同层次水汽输入、输出和收支情况，得出以下结论：

（1）天山山区地面～100 hPa年平均水汽输入量为11 504×108t，输出量为11 337×108t，净收支167×108t，其中西、北边界为输入，东、南边界为输出。对流层中层水汽输送量最大，低层次之，高层最小。天山山区水汽总输入量占全新疆水汽输入量的44.1%。

（2）各个季节中天山山区水汽输送量最大为夏季，输入量和输出量为全年的41.6%，春季和秋季输入量、输出量相近，分别占全年的24.7%、24.3%和22.1%、22.4%，冬季最小，占全年的11.5%、11.6%。年平均及四季西边界、北边界均为水汽输入，东边界、南边界均为水汽输出，对流层中层均为水汽输入且输送量最大，低、高层不同季节水汽流向有所不同。春、夏、冬季水汽净收支为正，秋季则为负。

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