近57 a南疆帕米尔地区春季降水季节内差异及环流异常分析

陈 静，毛炜峄，李红军，严 乐，李淑娟

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.中国人民解放军69040部队，新疆 乌鲁木齐830092）

新疆深居欧亚大陆中心，处于极度干旱的地带，水汽输送距离长，降水量极少。并且3—5月是新疆河流枯水期[1]，流量小，春播灌溉用水得不到满足，严重制约农业生产及经济的发展。帕米尔地区位于新疆南疆西部，是天山、昆仑山和喀喇昆仑山三大山系的交汇地带，常年冰雪覆盖，冰川融水汇入塔里木河流域，是河水补给的主要来源，更是南疆农业生产重要的灌溉水源。因此，帕米尔地区降水量的多少与南疆地区农牧业发展息息相关，研究帕米尔地区降水的多寡及异常状态有重要的现实意义。

目前气象学者涉及帕米尔地区降水的研究多是把西北或者新疆地区作为一个整体来研究，并更多地偏重于西北或新疆地区降水较为充沛的夏、冬季，分析了新疆地区夏、冬季降水的时空特征、环流形势及其与海温、青藏高原热力异常、大气涛动等因子间的关系[2-16]。而针对春季降水异常的分析多从水汽输送的角度出发，侧重于探究降水的水汽来源。任宏利等[17-18]指出西北地区降水的水汽主要来自于南部季风区；徐栋等[19]指出西北干旱区春季外部水汽输送减少，但蒸发和水汽辐合显著增强，降水增加显著；赵红岩等[20]则指出西北地区降水量与东亚北风异常有着显著相关性；戴新刚等[21]指出里海和地中海是新疆春季降水的水汽源地；杨莲梅等[22]分析了1961—2007年新疆春季降水异常，并指出新疆地区斯堪的纳维亚环流型（SCA环流型）是造成新疆春季降水异常的主要环流型，西风气流输送水汽的多少决定了降水的异常。

新疆地区独特的干旱、半干旱的气候与其他西北地区存在很大的不同，而南疆和北疆的气候特征也存在着极大的差异，南疆地区的降水量远小于北疆地区，对西北地区或新疆的整体的降水异常分析不足以准确地表征出南疆地区的降水异常实际情况。并且由于南疆地区强的干旱背景，季节尺度或月尺度等长时间尺度的降水异常特征通常会被强的干旱背景信息所掩盖，对长时间尺度降水及其环流背景的研究较难准确地反映南疆地区降水的实际情况。因此本文利用观测数据及NECP/NCAR再分析资料对南疆帕米尔地区降水特征及季节内差异进行细致的分析，从降水异常的中层高度场，高低空风场及水汽输送的角度深入探讨帕米尔地区降水异常的成因。研究该区域的降水变化规律及影响系统，对揭示该区域的气候变化及大气环流演变，对提高气候预测准确性，指导农业生产，因地制宜的制定防灾减灾政策具有重要意义。同时，南疆帕米尔地区是“中巴经济走廊”的重要组成部分，对该地区的气候变化及极端天气气候事件的科学分析，是应对建设“中巴经济走廊”过程中面临的气候风险问题的有效手段。

1 资料与方法

本文使用的数据资料包括台站观测数据及NECP/NCAR再分析资料。其中，观测资料由新疆气象信息中心提供并进行数据质量控制，为1961—2017年春季（3—5月）逐日平均降水资料。选取南疆帕米尔地区塔什库尔干、乌恰和吐尔尕特3个代表站（图1），该三站的海拔均在2000 m以上，能够很好地表征帕米尔地区高山地带气候特征；再分析资料来自美国国家环境预测中心和大气研究中心（NECP/NCAR），为1961—2017年逐日资料，空间分辨率为2.5°×2.5°。本文采用的分析方法主要有气候诊断分析方法及标准化距平、滑动平均、回归及合成分析等多元统计方法。

图1 研究区示意图

2 近57 a帕米尔地区春季降水季节内差异

2.1 春季降水季节内特征

近57 a来帕米尔地区春季降水增长显著，部分站点出现了罕见的暴雨，降水量远超多年平均值，增长趋势约为0.87 mm/10 a。且从其年代际变化上看，帕米尔地区于21世纪初进入新的多雨期。对1961—2017年帕米尔地区的春季季节内降水进行统计分析同样可以发现，3、4、5月降水均呈增加趋势，且于2010年代前后进入新的多雨期。其中，3月降水的增长速率约为 0.73 mm/10 a，近10 a的平均降水量为10.72 mm，相对1961—2017年的多年平均值仅增大了0.02 mm，增长幅度不大。但2017年3月降水量高达36 mm，为多年平均值的3.4倍，是近57 a来的最大值；4月的降水增长趋势与3月相差不大，增长速率约为0.87 mm/10 a，较57 a平均降水量增大1.28 mm。帕米尔地区4月降水已经历了3个多雨期与2个少雨期，2012年进入新的多雨期；帕米尔地区5月降水开始逐渐呈现出夏季降水的分布形态，降水量明显高于其他两个月，增长趋势更为明显，增长速率为1.02 mm/10 a。近10 a平均降水量为27.42 mm，相对57 a平均降水量增大了2.83 mm。相对3、4月而言，5月进入新的多雨期的时间更为提前，约为2007年。

为了更加清晰客观地分析帕米尔地区近57 a的降水情况，了解帕米尔地区降水的环流配置，降低南疆干旱背景对降水环流背景分析的影响，对帕米尔地区春季旬尺度降水进行进一步分析。图2为帕米尔地区1961—2017年春季旬尺度降水特征及趋势。由图2可知，与季节尺度和月尺度降水明显的增加趋势不同，帕米尔地区在春季9旬的降水趋势上并未出现明显的增长趋势，多数旬降水无明显变化。自1961—2017年，3月上旬降水量在年代际与年际上均无明显的变化规律，仅在2017年偏多较为显著；3月中旬的降水同样在趋势和年际波动上无明显特征，其降水量极大值出现于1960年，降水正距平出现的频率在2010年代有所增加；3月下旬降水呈现弱的增加趋势，同时出现了明显的周期形势，2000年代中期以来为多雨期。4月上旬有较为明显的增加趋势的同时伴随着明显但不规律的年代际波动，2010年代后进入新的多雨期；4月中旬的降水仍存在着较为明显的增加趋势，但未通过显著性检验。年代际上存在着多雨期少雨期的波动，少雨期相对多雨期长，仅在1995年前后进入约5～6 a的短暂多雨期，2010年代开始新的多雨期；4月下旬略有不同，近57 a的降水呈现出微弱的减少趋势，降水正距平的年份多数出现在2000年以前。5月上旬在20世纪60年代降水量更为充沛，在趋势及年际波动上均未表现出明显的变化规律。5月中旬的降水略有增加的趋势，降水正距平年零散但相对均匀的分布在各年代；5月下旬降水存在增加趋势的同时拥有较为清晰的周期形势，20世纪80年代后期为周期的突变点，由少雨期转变为多雨期。

总的来看，帕米尔地区春季降水在季节尺度和月尺度上表现出明显的增加趋势，但该趋势在旬尺度上表现不明显。其中，3月下旬、4月上旬、4月中旬、5月中旬及5月下旬的降水在近57 a呈现出增长趋势，但并未能通过95%的显著性检验，其他旬降水无明显变化趋势。在年代际波动上，除3月上、中旬外，其余旬均显现出一定的多雨期—少雨期交替的周期特征。其中，以3月下旬、5月上旬、5月下旬周期性相对显著。此外，2010年代后，春季9旬降水正距平年份强度和频率均有显著增加，可以判定2010年代帕米尔地区春季降水将进入新的多雨期。

2.2 降水异常偏多年选取

帕米尔地区春季季节内降水存在着巨大的差异，旬尺度上表现出变化趋势与季节尺度与月尺度的增长趋势也有所不同，研究不同旬尺度降水的降水机理，分析其高低层环流配置及水汽输送特点与区别，能清晰的分辨不同旬降水间的降水的差异的成因，并由此进一步分析帕米尔地区降水增大的形成机理。

为了更清楚地分析近57 a帕米尔地区不同旬尺度降水差异及其环流异常特征，同时减少南疆干旱的环流背景对帕米尔地区降水的影响，本文利用标准化降水距平方法[23-26]挑选出帕米尔地区不同旬的降水偏多年，将年际变化值减去多年平均值的差值大于一个标准差的年份定义为降水异常年（表1）。其中3月上中下旬降水异常偏多年分别有7、5、8 a，4月上中下旬分别有 7、8、7 a，5月上中下旬分别有6、10、12 a。因降水偏少年的环流形势与气候平均态环流形势相差不大，故本文仅讨论降水异常偏多年。

表1 帕米尔地区降水偏多年份

图2 帕米尔地区春季季节内降水分布特征

3 帕米尔地区春季季节内降水异常的环流特征

3.1 中层高度场特征

为了从更细致的时间尺度分析帕米尔地区春季季节内降水异常的环流特征，图3给出了春季9旬的降水异常偏多年500 hPa高度场及距平场。如图所示，降水异常偏多年3月上旬（图3a）中高纬为三槽三脊的环流型，三槽分别位于北美、东欧—西西伯利亚、东亚地区，三脊分别位于欧洲沿岸、西伯利亚、北美西部地区。极涡中心位于西半球，欧洲沿岸有100 gpm的位势高度正距平，欧洲沿岸脊发展引导冷空气南下使东欧—西西伯利亚槽加深，帕米尔地区位于槽前且处于高度场负距平区，有利于降水的产生；3月中旬（图3b）环流发生了调整，北美西部阿拉斯加地区出现了明显低槽和高度场负距平，西伯利亚脊已不明显，欧洲沿岸依然为位势高度正距平，东欧—西西伯利亚槽加深，帕米尔地区依然位于槽前且为高度场负距平区；3月下旬（图3c）极涡已由西半球移到极区，环流的经向度减弱变得较平直，但欧洲沿岸依然有位势高度正距平，帕米尔地区依然位于槽前且为高度场负距平区。

500 hPa环流配置在4月上旬（图3d）发生较明显调整，欧洲沿岸脊已演变为槽，乌拉尔山地区为脊区，巴尔喀什湖则为低槽区。同时，欧洲沿岸槽、乌拉尔山脊和巴尔喀什湖槽分别位于位势高度负距平、正距平、负距平区，帕米尔地区位于巴尔喀什湖槽前且为高度场负距平区；4月中旬（图3e）极涡已一分为二，分别位于东、西半球，欧洲沿岸槽、乌拉尔山脊依然存在位势高度负距平、正距平，帕米尔地区位于波长较长的欧洲沿岸槽前且为高度场负距平区；4月下旬（图3f）西半球极涡已消失，极涡偏于东半球，欧洲沿岸槽、乌拉尔山脊和巴尔喀什湖槽分别位于位势高度负距平、正距平、负距平区，帕米尔地区位于巴尔喀什湖槽前且为高度场负距平区。

图3 1961—2017年春季降水异常偏多年500 hPa高度场（实线，单位：gpm）及距平场（阴影，单位：gpm）（时间同图2）

5月上旬（图3g）中高纬槽脊的波长变小，演变为四槽四脊的环流型。极涡强度减弱，欧洲沿岸槽、乌拉尔山脊、巴尔喀什湖槽略东移，负、正、负的高度场距平依然存在，帕米尔地区依然位于巴尔喀什湖槽前且为高度场负距平区；5月中旬（图3h）太平洋中部槽、北美东部槽剧烈发展，四槽四脊的环流形势更加明显，帕米尔地区依然位于巴尔喀什湖槽前且为高度场负距平区，但其上游地区高度场距平已变得不明显；5月下旬（图3i）随着槽脊系统的东移，欧洲沿岸演变为脊区，东欧发展为槽区，新疆北部为弱脊区，帕米尔地区位于宽广的东欧槽前，高度场距平已不明显。

综上可知，近57 a帕米尔地区春季降水异常偏多年的环流形势在旬尺度上变化明显。伴随着极涡由西半球逐渐移到东半球，中高纬环流由三槽三脊型逐渐演变为四槽四脊型，旬尺度上关键系统（欧洲沿岸槽、乌拉尔山脊、巴尔喀什湖槽、东欧—西西伯利亚槽）的位置和强度及高度场距平变化明显。3月东欧沿岸脊发展、东欧—西西伯利亚槽加深对帕米尔地区降水异常偏多具有指示意义。4—5月欧洲沿岸槽加深、乌拉尔山脊发展、巴尔喀什湖槽加深是帕米尔地区降水异常偏多的关键系统及指标。

3.2 高低空风场特征

降水的产生离不开降水区大气的垂直上升运动，垂直上升运动又往往和高层大气的辐散有关。图4给出了春季9旬的降水异常偏多年200 hPa风场、急流（阴影区）和春季9旬多年平均的200 hPa急流（等值线）。由图可见，降水异常偏多年帕米尔地区位于高空急流出口区左侧辐散区，有利于上升运动的产生，从而产生降水。降水异常偏多年3月上旬急流核达 60 m·s-1以上，位于（40°E，30°N），3 月下旬已经减弱到50 m·s-1以上。4月急流核保持45 m·s-1，4月下旬急流核位于（10°E，25°N），较 3 月上旬强度减弱了15 m·s-1，经度西退了30°。5月急流在强度和范围上均进一步减弱，5月中下旬只有极小范围的35 m·s-1区域。同时，降水异常偏多年的高空急流较常年的高空急流强度基本偏大5～10 m·s-1，急流核位置基本位于更加偏东位置。

图4 1961—2017年春季9旬降水异常偏多年200 hPa风场（风羽，单位：m·s-1）、急流（阴影，单位：m·s-1）及春季 9 旬多年平均 200 hPa急流（等值线，单位：m·s-1）（时间同图 2）

3月上旬—5月下旬高空急流是一个减弱西退的过程，降水异常偏多年的高空急流较常年强度更强、位置更偏东，更有利于位于急流出口区左侧的帕米尔地区产生降水。

有利于大气产生垂直上升运动的风场除了高层辐散风场外，还有低层辐合风场。图5给出了春季9旬的降水异常偏多年700 hPa风场、大风区和春季9旬平均态的700 hPa大风区以及降水异常偏多年700 hPa风场距平。从图中可以看到，降水异常偏多年 3 月上旬在（40°E，30°N）存在 14 m·s-1的大风区，帕米尔西部为西南气流，且在该地区存在一个气旋式风场距平场，有利于产生低层风场辐合；3月下旬大风区减弱为12 m·s-1，范围也有所减小，帕米尔地区东部的南疆地区为明显的偏东风场距平场，并存在一个气旋式风场距平场；4月大风区减弱，帕米尔地区附近为西南气流。4月上旬帕米尔地区东西两侧均为弱偏东风距平，4月中旬转为较明显西南风距平，4月下旬转为辐合形态的西南风和东北风距平；5月上旬降水异常偏多年风场和风场距平场在帕米尔地区均表现为气旋式辐合场，5月中旬表现为较明显西南风距平，5月下旬风场和风场距平场均不明显，但依然可见风场距平辐合场。同时可见，降水异常偏多年（40°E，30°N）附近大风区基本上较常年更强。

综上所述，降水异常偏多年旬尺度上低层风场距平变化明显，既有明显西南风距平辐合型，也有西南风和东北风距平辐合型，还有气旋式环流距平辐合型，这三种形势均有利于低层辐合产生垂直上升运动，造成降水的出现。可见，降水异常偏多年高层风场辐散、低层风场辐合较常年更强，更有利于产生降水。

3.3 水汽输送特征

图5 1961—2017年春季降水异常偏多年700 hPa风场（风羽，单位：m·s-1）、风场距平（箭头，单位：m·s-1）、大风区（阴影，单位：m·s-1）和春季 9旬多年平均 700 hPa大风区（等值线，单位：m·s-1）（时间同图 2）

降水的产生除了要求降水区大气的垂直上升运动外，另一个很重要的条件就是有水汽输送到降水区且在降水区上空辐合。图6为春季9旬的降水异常偏多年700 hPa水汽通量（流线）、水汽通量距平、水汽通量散度距平（阴影区）。由图可见，降水异常偏多年3月上旬帕米尔地区水汽主要来自偏西路径，到达帕米尔地区转为西南路径输送，且存在偏西水汽通量距平，同时，帕米尔地区为-10×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1水汽辐合距平中心；3月中旬帕米尔地区水汽辐合距平中心略减弱为-8×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1；3 月下旬水汽依然来自偏西路径输送，但在到达帕米尔地区转为偏南路径，水汽通量距平也转为偏东和偏南两条路径到达帕米尔地区；4月上旬帕米尔地区水汽辐合距平中心略减弱为-6×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1，水汽通量距平较弱；4月中旬水汽辐合距平中心增强为-10×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1，存在西南路径水汽通量距平；4月下旬转为西南和东北路径水汽通量距平。5月上旬水汽来自两条路径，一条为西南转西北路径再转为偏南路径，另一条为西南转西北路径到达新疆东部再转为偏东路径，水汽通量距平为偏东和偏南两条路径到达帕米尔地区；5月中旬水汽主要来自偏西路径，水汽通量距平为偏西和偏北两条路径到达帕米尔地区；5月下旬水汽辐合距平中心减弱，9旬中最弱达-4×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1，水汽通量距平为弱的偏东和西南两条路径到达帕米尔地区。

综上可见，降水异常偏多年水汽输送及水汽辐合在旬尺度上变化明显，既有偏西路径，又有偏东路径的水汽输送，还有西南、偏南路径水汽到达帕米尔地区，水汽辐合程度存在差异，水汽通量距平表现也很不一致。

4 结论

（1）近57 a来，帕米尔地区春季降水在季节尺度和月尺度上表现出较为明显的增加趋势，但旬尺度上并未表现出一致的增大趋势，仅有3月下旬、4月上旬、4月中旬、5月中旬及5月下旬有着不显著的增长趋势。年代际波动上，除3月上、中旬外，其余旬均显现出一定的多雨期—少雨期交替的周期特征，以3月下旬、5月上旬、5月下旬周期性相对显著。此外，21世纪初帕米尔地区将进入新的多雨期，降水正距平年份强度和频率均有显著增加。

图6 1961—2017年春季降水异常偏多年700 hPa水汽通量（流线，单位：kg·hPa-1·m-1·s-1）、水汽通量距平（箭头，单位：kg·hPa-1·m-1·s-1）、水汽通量散度距平（阴影，单位：10-8 kg·hPa-1·m-2·s-1）（时间同图 2）

（2）近57 a帕米尔地区春季降水异常年的环流形势在旬尺度上变化明显。在极涡由西半球逐渐移到东半球，中高纬环流由三槽三脊型逐渐演变为四槽四脊型的过程中，3月东欧沿岸脊、东欧—西西伯利亚槽及分别的高度场正距平、负距平对帕米尔地区降水异常偏多具有指示意义。4—5月欧洲沿岸槽、乌拉尔山脊、巴尔喀什湖槽及分别的高度场负距平、正距平、负距平是帕米尔地区降水异常偏多的关键系统及指标，旬尺度上关键系统的位置和强度存在不同，高度场距平也存在差异。

（3）高空急流在旬尺度上是一个逐渐减弱西退的过程，降水异常偏多年的高空急流较常年强度更强、位置更偏东，更有利于位于急流出口区左侧的帕米尔地区产生降水。低层风场距平变化明显，分为西南风距平辐合型、西南风和东北风距平辐合型和气旋式环流距平辐合型，这三种形势均有利于低层辐合，产生垂直上升运动，造成降水的出现。降水异常偏多年高层风场辐散和低层风场辐合更强，对帕米尔地区产生降水更为有利。

（4）降水异常偏多年水汽输送及水汽辐合在旬尺度上变化明显，水汽输送以偏西路径为主，同时还有偏东、西南、偏南路径水汽输送到达帕米尔地区，春季9旬水汽辐合程度及水汽通量距平存在明显差异。

现有的结果表明，帕米尔地区春季降水在季节尺度、月尺度和旬尺度上未能表现出统一的增加趋势，帕米尔地区的降水增加趋势是否由几旬的降水增加导致或由其相互作用产生影响尚待进一步分析和验证。同时可发现，南疆干旱背景致使帕米尔地区多年以来少雨期远长于多雨期，随着气候变暖，南疆降水也在逐渐增加，其多雨期降水的环流配置与水汽输送是否发生随之改变也待进一步研究。