新疆夏季降水的环流差异分析

卢 星，赵 勇，王天竺

（成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225）

在全球变暖背景下，过去100 a陆地干旱区和半干旱区变得越来越干，但我国西北干旱区自20世纪80年代中后期开始，却呈显著的“暖湿化”趋势[1-3]。新疆位于西北干旱区西部，是气候转型最为突出的区域[4-8]。虽然全疆夏季降水近30 a都呈增加趋势，但是降水存在区域性，在年际变化上存在差异[9]。

对夏季新疆全域或区域降水异常的大尺度环流特征。已有学者做了大量工作，赵兵科等[10]认为中亚200 hPa副热带西风急流位置偏南，中亚气旋环流发展增强和阿拉伯海水汽向北输送加强是主要环流归因。陈活泼等[11]发现东亚—太平洋遥相关波列（EAP）强度和位置年代际的增强和偏移，加强了西北太平洋水汽向我国内陆输送，导致新疆20世纪80年代后期夏季降水的年代际增多。伊朗高压偏西偏北，欧亚范围极地冷空气活动明显减弱，偏西和偏北路径水汽输送增强是导致新疆夏季降水偏多的大尺度环流条件[12-13]。单独考虑北疆时，夏季降水偏多的环流特征主要体现为200 hPa西亚副热带西风急流位置偏南，中亚上空为异常气旋性环流，水汽主要源于阿拉伯海[14]。青藏高原上空环流与北疆夏季降水呈良好相关性，当环流指数偏强时，形成有利于北疆夏季降水的环流条件[15]。单独考虑南疆夏季降水偏多，南亚季风偏弱，对应副热带西风急流位置偏南，伊朗高压偏西偏南，西太平洋副热带高压偏北偏东，阿拉伯海和西太平洋的水汽分别从青藏高原两侧绕流进入南疆上空[16-18]。

从上述已有研究可知，新疆夏季降水主要与西亚200 hPa副热带急流的位置和强度、500 hPa气旋以及不同源地的水汽输送密切相关。但考虑时要么考虑整个新疆，或者是单一区域夏季降水的异常，得出的环流归因要么类似，如200 hPa西亚副热带急流位置变化和中亚500 hPa异常环流，降水偏多时均为偏南和气旋性环流；要么差异较大，如水汽输送，存在阿拉伯海和西北太平洋两个主要的水汽源地，这主要与选取研究区域和分析角度有关。实际上，北疆和南疆夏季降水存在不同位相变化，如新疆整体偏多，南疆多和北疆少，北疆多和南疆少等，尤其后面两种位相，环流和水汽输送如何配置，目前并不清楚。因此，本文在已有研究基础上，将新疆夏季降水分为两类情况讨论：第一类，北疆和南疆降水的协同变化，包含新疆整体偏多，南疆多北疆少和北疆多南疆少3种情况；第二类，北疆和南疆单独变化，即某一区域夏季降水某年单独偏多，而另外一区域降水处在正常态。依此给出不同类大尺度环流和水汽输送的异常特征，加深对新疆夏季降水异常环流型的理解和认识。

1 数据和方法

新疆气象信息中心提供了81站逐月降水资料，南疆34站，北疆47站。EOF分析表明，新疆夏季降水的区域差异主要体现为南疆和北疆[9，19-20]，因此，本文直接选取南疆和北疆的站点（天山为界）（图1）。大气环流数据由美国国家环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）提供，包括纬向风，经向风和比湿等要素，均为月平均数据。本文研究时段为1961—2015年，如无特别说明，夏季指6—8月的平均。

本文定义了两个指数，将1961—2015年南疆范围站点区域平均的夏季降水标准化距平序列定义为南疆夏季降水指数，同样定义北疆夏季降水指数。图2给出了南疆和北疆夏季降水指数的年变化。相关分析发现，两个区域夏季降水的相关系数仅为0.26，未能通过95%信度检验，两个区域降水有22 a差异显著，也证明了夏季两个区域的降水确实存在显著的区域差异和年际差异。已有针对南、北疆的分析，但更多是单独考虑一个区域，既包含了和另一个区域降水的协同变化，也包含了个体的单独变化。

图1 新疆气象观测站点和地形分布

图2 1961—2015年北疆和南疆夏季降水指数的年变化

以降水指数±0.5为阈值，确定南疆和北疆夏季降水的异常年，降水指数＞0.5，表示降水偏多，反之降水指数＜-0.5，表示降水偏少。当降水指数的绝对值＜0.25时，表示降水处在正常年。两个区域降水协同变化分为3种情况：新疆降水偏多，有1991、1992、1993、1996、1998、2005和2013年共7 a，南疆降水偏多和北疆降水偏少，有1974、1982、2010年共3 a，北疆降水偏多和南疆降水偏少，有1961、1967、1970、1995、2011年共5 a。南疆和北疆夏季降水单独变化分为两种情况：南疆降水偏多，北疆降水正常，仅有2012年，北疆降水偏多，南疆降水正常，有1988、1999、2001年共3 a。

2 结果分析

2.1 北疆和南疆夏季降水协同变化时的环流异常

2.1.1降水异常分布

图3给出了3种降水协同变化情况下的降水距平分布。由图3a可见，当南疆和北疆夏季降水指数均＞0.5时，整个新疆夏季降水均为正距平，天山山区和南疆西部是北疆和南疆降水的大值区，对应降水距平也相对最大，通过95%信度检验的站点主要位于北疆。当南疆降水指数＞0.5，北疆降水指数＜-0.5时，降水距平呈北负南正的分布，南疆中西部降水距平相对较大（图3b）。当北疆降水指数＞0.5，南疆降水指数＜-0.5时，降水距平分布和上一种情况相反，南疆和北疆多个站点可以通过95%的信度水平检验（图3c）。

2.1.2大尺度环流异常分布

以上分析说明，根据降水指数得出的3种降水协同变化是合理的，下一步需分析3种情况的环流异常。副热带西风急流与我国夏季降水密切相关，与季风区不同，影响新疆夏季降水的西风急流主要位于西亚（40°～80°E），也是亚洲西风急流3个中心之一[21]，因此本文重点关注西亚西风急流。图4给出了降水3种协同变化情况下，200 hPa纬向风的距平分布。由图4a可见，当新疆夏季降水整体偏多时，40°N以北纬向风速减弱，以南增强，说明西亚副热带急流位置偏南，与已有研究一致[12，14]。当南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少时，环流分布和图4a类似，但距平值更大，说明急流位置不仅偏南，急流强度也增强（图4b）。当北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少时，急流位置偏北，急流强度偏强（图4c），这与单独讨论北疆夏季降水得出的环流分布有所差异，说明急流偏南或者偏北，还与两个区域降水的协同变化相关。

新疆降水除与西亚副热带西风急流联系紧密外，还受500 hPa中亚（新疆）上空异常的气旋（反气旋）的重要影响。图5a给出了新疆夏季降水整体偏多时500 hPa风场距平分布。中亚和蒙古高原上空分别受异常气旋和异常反气旋控制，在二者共同作用下，新疆整体盛行偏南风，为新疆夏季降水提供必要的动力条件。与我国东部季风区夏季降水不同，在夏季风背景下，盛行西南风，降水与北方冷空气南下联系紧密[22]。而新疆本身不受季风影响且纬度较高，干冷空气是充足的，所以其夏季降水与低纬来的暖湿气流联系更加紧密。图5b给出了南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少时500 hPa风场距平分布。中亚上空为异常气旋控制（图5b），但气旋的位置比图5a偏南，蒙古高原上空的异常反气旋位置偏东，因此只有南疆地区上空盛行异常东南风，有利于南疆中西部夏季降水偏多。图5c给出了北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少时500 hPa风场距平分布。中亚上空受异常反气旋控制，北疆上空存在异常气旋式切变，南疆盛行西北风（图5c），有利于北疆地区夏季降水偏多。

2.1.3水汽输送异常分布

图3 降水距平的合成分布（单位：mm）

图4 中亚地区200 hPa纬向风距平的合成分布（单位：m·s-1）

新疆夏季降水除与大尺度环流密切相关，水汽输送也是必要条件。由于青藏高原的阻挡，印度洋水汽不能直接进入新疆，同时由于不受东亚季风的控制，季风也不能将西北太平洋的水汽直接输送至新疆。图6a给出了新疆夏季降水整体偏多时，整层水汽通量距平分布。由图6a可见，阿拉伯海上空为异常反气旋控制，可以将印度洋水汽沿60°E向北输送至中纬度地区（30°N），完成水汽输送的第一步，接着，中亚上空异常气旋东部的西南风将水汽进一步向北输送，进入新疆上空，完成水汽输送的第二步，为新疆夏季降水提供水汽条件。由此可见，当新疆夏季降水整体偏多时，水汽表现为典型的两步接力输送过程[17]，这与季风区水汽的直接输送，有很大差异。图6b为南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少时的水汽通量距平分布。南疆水汽输送分为两个部分，伊朗上空的异常反气旋和中亚上空的异常气旋，可以将阿拉伯海的水汽输送至南疆上空，但与图6a相比，这支水汽输送要弱很多。东部中高纬度受异常反气旋控制，北太平洋的水汽沿其南侧东风向西输送，从盆地东部进入南疆[18]。图6c为北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少时的水汽通量距平分布。由图6c可见，这种情况下印度半岛上空受异常气旋控制，中亚上空为异常反气旋控制，印度洋水汽不可能向北输送。东部沿海西北太平洋的热带水汽向北输送加强，配合蒙古高原上空的异常气旋，类似于图6a的水汽两步接力输送过程，将西北太平洋的水汽输送至北疆（图6c），与已有研究一致[11]。

2.2 北疆和南疆夏季降水单独变化时的环流异常

2.2.1降水异常分布

2.1节讨论了南疆和北疆夏季降水协同变化时，大尺度环流和水汽输送的异常配置。本节进一步分析单独一个区域降水异常时，大气环流和水汽输送的配置分布。当南疆降水偏多，北疆降水处在正常态时，北疆夏季降水在天山山区附近为负距平，北疆北部为正距平。南疆降水增多主要位于塔里木盆地的中西部，也是盆地降水最多的区域（图7a）。反之，当北疆降水偏多，南疆降水处在正常态时，北疆降水基本为正距平，尤其天山山区降水明显偏多，盆地中西部降水偏多，中东部偏少，距平较小，在10 mm之内（图7b）。

2.2.2大尺度环流异常分布

图8a给出了南疆降水偏多，北疆降水处在正常态时200 hPa纬向风距平的分布。由图8a可见，37.5°N以北，西风减弱，以南西风加强，说明西亚副热带西风急流位置偏南。当北疆降水偏多，南疆降水处在正常态时（图8b），纬向风分布和图8a类似，也表现为急流位置偏南异常分布特征。二者对比可见，前者急流的位置更偏南，可达到35°N以南，西风增强中心位于60°～80°E范围，后者在42.5°N以南，西风增强中心位于50°～70°E。由此说明，南疆或北疆单独降水偏多时，西亚副热带西风急流位置均偏南，但是偏南位置有所区别，前者更偏南一些。

图5 500 hPa风矢量距平的合成分布（单位：m·s-1）

图6 整层水汽通量距平的合成分布（单位：kg·m-1·s-1）

图9a给出了南疆降水偏多，北疆降水处在正常态时500 hPa风场距平的分布。中亚上空以40°N为界，南侧受异常气旋性环流控制，北侧受异常反气旋性环流控制，蒙古高原上空为气旋性环流控制，南疆盛行偏南风，提供有利于夏季降水发生的动力条件。反之，当北疆降水偏多，南疆降水处在正常态时，环流分布和图9a刚好相反，40°N以南受异常反气旋性环流控制，以北受气旋性环流控制，蒙古高原上空为异常反气旋性环流，在气旋环流和反气旋环流的共同作用下，北疆盛行异常偏南风，有利于降水的发生。南疆处在异常反气旋的东部，塔里木盆地的中西部盛行偏北气流（图9b），不利于降水的发生。

2.2.3水汽输送异常分布

图7 降水距平的合成分布（单位：mm）

图8 200 hPa纬向风距平的合成分布（单位：m·s-1）

图9 500 hPa风矢量距平的合成分布（单位：m·s-1）

图10 整层水汽通量距平的合成分布（单位：kg·m-1·s-1）

图10a给出了南疆降水偏多、北疆降水处在正常态时，整层水汽通量的异常分布特征。由图10a可见，越赤道索马里急流偏弱，阿拉伯海至印度半岛为异常反气旋性环流控制，可以将阿拉伯海水汽输送至中纬度地区，配合中亚南部（40°N以南）异常气旋性环流，进一步将水汽输送至南疆上空。水汽输送以经向输送为主，水汽主要源于阿拉伯海。图10b给出了北疆降水偏多，南疆降水处在正常态时，整层水汽通量的异常分布特征。越赤道索马里急流加强，阿拉伯海上空为异常反气旋性环流（图10b），中心的位置比图10a偏北一些，配合中亚北部（40°N以北）的异常气旋性环流，可以将水汽输送至更高纬度，为北疆夏季降水提供水汽。同时蒙古高原上空的异常反气旋环流位置偏东，可以将太平洋中高纬的水汽向西输送。因此北疆降水单独偏多时，水汽输送既有印度洋的经向输送，也有太平洋的纬向输送。

3 结论

本文基于1961—2015年降水和环流数据，研究了新疆夏季6—8月降水在不同情况下的环流差异。将南疆和北疆夏季降水分为两类5种情况讨论，既考虑了南、北疆降水的协同变化时环流和水汽输送分布特征，也考虑了单一区域降水偏多时环流和水汽输送的特点，较全面地给出了新疆夏季降水的环流和水汽输送配置，主要结论如下：

（1）当新疆夏季降水整体偏多时，西亚副热带西风急流位置偏南，中亚和蒙古高原上空分别为异常气旋和反气旋性环流控制，新疆上空盛行异常偏南风，为降水提供有力的环流条件，阿拉伯海上空的反气旋性环流，将热带印度洋上空的水汽输送至中纬度，配合中亚上空的异常气旋性环流，进一步将水汽输送至中亚，为降水提供水汽条件。当南疆夏季降水偏多，北疆夏季降水偏少时，西亚副热带西风急流位置偏南，中亚南部（40°N以南）上空为异常气旋性环流控制，南疆中西部盛行异常偏南风，有利于降水生成，水汽输送既有印度洋的经向输送，也有西北天平洋的纬向输送。当北疆夏季降水偏多，南疆夏季降水偏少时，西亚副热带急流强度增强，中亚上空为异常反气旋性环流控制，北疆上空为异常气旋控制，水汽主要源于西北太平洋的纬向输送。

（2）当南疆（北疆）夏季降水偏多，北疆（南疆）夏季降水处在正常态时，西亚副热带西风急流位置均偏南，中亚40°N以南为异常气旋（反气旋），以北为异常反气旋（气旋）控制，南疆（北疆）盛行偏南风，越赤道索马里急流减弱（增强），阿拉伯海上空为异常反气旋，配合中亚上空气旋，将热带水汽输送至南疆（北疆）上空，为降水提供水汽条件。