中亚干旱地区降水异常及其影响机制研究

赵文清 马耀明 曹殿斌

摘要  中亞地区位于欧亚大陆内部，地处西风控制关键区。在近年全球加速变暖的背景下，观测和模拟均展现出中亚地区的暖湿化趋势。北大西洋的海温异常激发大气的涡度异常，通过罗斯贝波列的方式传播影响中亚地区的大尺度环流和垂直运动的异常，从而导致中亚地区的降水异常。同时，赤道太平洋和北印度洋的海温异常，引起阿拉伯半岛向中亚地区的水汽输送异常，以及西风-季风协同作用、丝绸之路遥相关相位转换、地表类型和局地环流的变化等均不同程度地贡献和加速了中亚地区的暖湿化进程。本文意在总结近20年关于中亚地区降水异常的主要影响因子及其背后机理，并在现有研究基础上提出了未来的研究展望。

关键词  全球变暖; 中亚; 暖湿化; 涡度异常; 水汽输送异常; 西风-季风协同作用; 遥相关

中亚地区（Central Asia，简称CA，下同）位于亚欧大陆内部，45°～106°E、30°～50°N（图1），主要包括土库曼斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、哈萨克斯坦以及中国西北部地区（但也有研究将本文所指的CA分为中亚和中国西北地区）。CA地表以丘陵、平原为主，包括天山、帕米尔高原兴都库什山、喜马拉雅山的西北部、昆仑山北部等崎岖山地，具有冰川、草原、森林、沙漠等并存的立体分布特征（Chen et al.，2019）。

CA地处中纬度西风控制带，CA的气候变化很大程度受到西风强度和西风位置的影响（Aizen et al.，2001;Huang et al.，2013）。近年在全球加速变暖的背景下，CA地区正在经历异常的水分循环，导致CA地区气候产生不可忽视的变化（王会军等，2020）。在过去80 a里，中亚地区降水呈现显著的上升趋势（Chen et al.，2021a），由此也导致了径流量的上升，如天山、祁连山和阿尔泰山区域（Shi et al.，2007）。自1960年以来中亚干旱区的弱降水事件频率明显减少，夏季强降水事件的强度和频率均在明显增加（李铭宇等，2020）。同时，CA干旱事件的发生间隔在缩短，但持续干旱的时间却在增加（宋连春等，2003）。通过净水分平衡研究发现，1982—2019年期间CA的干季变得更加干燥而湿季则变得更加湿润（Ren et al.，2022）。

CA是“西风模态”的核心区域（Huang et al.，2015a；Chen et al.，2019），也是全球气候敏感区域之一，随着异常降水事件的发生，越来越多的研究关注CA降水异常的成因。除了全球变暖导致的大气水含量增加以外，更多的水分补给和利于降水产生的形势场配置也是降水增加的原因，已有研究表明，CA的水汽主要来自地中海、里海、黑海以及高纬度亚欧大陆和大西洋的西风，但另有研究发现CA地区的水分也有部分来自北印度洋，这意味着西风和季风对于CA的降水异常可能都起到重要作用（Bothe et al.，2012;Guan et al.，2019）。

早在20世纪80年代，Yasunari（1986）发现印度夏季风（Indian Summer Monsoon，简称ISM）与中高纬度西风存在以30～50 d为周期的低频震荡模式，揭示了以青藏高原（Tibet Plateau，简称TP）为节点的中亚和远东亚位势高度场的东西震荡现象，而季风槽和北半球500 hPa高度场之间的滞后相关性说明这个现象是中纬度西风对季风北向移动所带来的热源的部分反馈作用导致。

另外，Chen et al.（2021b）对西风和东亚季风（East Asia Summer Monsoon，简称EASM）过渡区域的研究发现二者对过渡区域（即中国北部至蒙古区域）的降水均有重要作用，它们的共同作用使得从西北部来的冷空气和从南方来的暖湿空气相遇，二者之间的协同作用引发过渡区局地涡度异常，从而利于降水产生。同时，降水凝集释放的潜热为涡度的维持和发展提供了一个正向反馈。CA毗邻TP，TP是西风-季风环流系统交汇和作用的重要区域（如图2），TP大地形及西风-季风对CA地区降水异常的协同作用对CA地区的暖湿化产生重要影响。

除此以外，南亚高压、高原季风等天气系统也会对CA的环流场配置产生显著影响，其波动的相互作用会导致CA大气环流模态更加复杂。另外，与西风急流密切相关的丝绸之路遥相关型（Silk Road Pattern，简称SRP）与对流层中高层经向风存在显著相关，当SRP正相位时，有利于更多的水分从印度洋移动输送至CA地区，进而影响当地的水汽收支。人类活动虽不能扭转大气环流整体的水分输送，但却可以通过增加蒸散发影响局地降水，如农业灌溉导致的CA局地水循环变强，从而引发降水增加，特别是在山地-盆地-绿洲这种地形配置上尤为明显（de Kok et al.，2018;Zhang et al.，2019a）。

本文意在从多角度归纳和总结近20 a对CA降水异常研究的主要进展并对未来的研究做出展望。以期对CA地区天气气候的研究提供参考。

1 中亚降水异常特征及其影响机制

以下将对近20年来CA地区降水异常特征及其影响的可能机制做一个较为详细的归纳和总结。

1 1 中亚地区的水汽来源

CA地区近些年观测到的降水异常，已经有较多研究对其水汽来源和水汽输送路径做了较为详细的分析。普遍认为CA的降水主要是由中纬度西风从更高纬度带来的水汽进行供应的（Bothe et al.，2012;Ren et al.，2022），但也有研究认为夏季时分从印度洋来的水汽也可以深入至塔里木盆地（Huang et al.，2015b）。尽管CA处于西风控制范围，但其降水的季节性分布并不一致（Liu et al.，2015;Yang et al.，2020），这说明作用在CA地区的环流系统是相对复杂的。按照降水的季节性CA可以按照约72 5°E为界分为东西两部分，CA西部的降水集中在冬季，而CA东部的降水集中在夏季。Yang et al.（2020）使用Hysplit模型对CA的水汽来源和传输路径进行了分析，结果显示冬季时，CA西部的水汽来源主要是亚欧大陆西部、非洲北部和北大西洋，最大水汽贡献中心在地中海附近和欧洲海岸，水汽路径最远可南至阿拉伯海和10°N的非洲北部，北达北极，向东至西西伯利亚;夏季时，CA西部的最大水汽贡献中心位于里海北部，整个水汽传输覆盖面比冬季时分向东向北扩展，水汽路径最远可东至中西伯利亚东部，南至20°N，西达美国北部。CA东部在冬季的水汽传输路径和CA西部的冬季水汽传输路径比较相似，但最大水汽贡献地点在阿拉伯半岛附近;CA东部在夏季时的水汽传输路径向南扩展至马达加斯加半岛，最大水汽贡献中心就在CA且其范围要比冬季时更加向北扩展，CA东部比CA西部接收的来自北大西洋的水汽更少，而水汽更多的是来自中国，明显夏季传输的水汽比冬季要多很多。也有对CA地区较小范围的水汽传输路径研究发现与上述Yang et al.（2020）基本一致的结果（Juhlke et al.，2019;Liu et al.，2020;Yao et al.，2021a）。除此以外，Guan et al.（2019）计算了CA地区四方边界的年平均和季节平均水汽输送，认为水汽从西边界和南边界流入，从南边界和东边界流出，与中国西北地区的水分流通方向相反，同时认为地中海、黑海和里海是CA春冬季节的主要水汽来源，黑海和里海是秋季的主要水汽来源，高纬度欧洲大陆和大西洋是CA夏季的主要来源，这与Yang et al.（2020）的结果不同。

由于大气中的水汽含量随高度降低，因此不同高度的大气对CA的水汽贡献是不同的。如Huang et al.（2015b）对夏季塔里木盆地（Tarim Basin，简称TB）的形势场进行分析后，发现其水汽传输路径主要有2条，一条是在对流层底层（700～1 000 hPa），阿拉伯海的水汽沿TP东部边缘由TB东部进入TB，另一条是在大气低层，阿拉伯海的水汽从TP西侧传输至巴基斯坦北部和印度东北部，而后水汽被抬升至对流层中高层（300～700 hPa）从TB南部进入，Huang et al.（2015b）认为TB降水主要受到从东侧来的低层水汽通量和从南侧来高层水汽通量的影响。如Chen et al.（2021a）发现在对流层底部从印度洋和中国南海来的水汽对于TB的降水非常重要，而在对流层中高层从印度洋来的水汽对周围山区的降水非常重要，其分析季风输送的路径包括2个路径：一是对流层底部从赤道印度洋和中国南海沿着TP西部和北部边界输送的水汽，另一个是对流层中高层通过TP从赤道印度洋输送的水汽。自从1958年来，中亚干旱区夏季降水的增加主要是由在对流层底部从东部输送的水汽以及在对流层中高层从南部输送的水汽增加造成的。

另外，局地水汽循環加速也加剧降水过程。1980—2016年这段时间中国西北地区的实际蒸散发正在以平均7 09 mm／（10 a）的速度显著增加（Li et al.，2019），说明除了大尺度环流对CA进行的水汽补给外，局地水汽循环对于维持中亚的水文循环也可能有不可忽略的影响。如Peng et al.（2018）基于水汽平衡分析，认为在季节尺度上局地水循环增加使得CA变得越来越湿润。如Zhao et al.（2012）认为灌溉增加了局地降水，因为灌溉可以增加土壤湿度，导致地表冷却和地表蒸散增加，增强大气水分，改变局地风场，从而增强对流层底部的对流上升运动，这些为局地降水提供了有利的水分和动力条件。如Zhang et al.（2019a）使用WRF-Noah模拟了在不同灌溉条件下中国新疆典型的山地-绿洲-沙漠系统在干湿年份对地表水热过程的影响，发现在灌溉季节，淹灌和滴灌都减少了平均感热通量，降低了灌溉地区地表温度，增加了潜热和相对湿度，因此增加了CA特别是山地区域的降水，并引发了山地-绿洲-沙漠之间的水文循环（Yao et al.，2020）。但也有其他研究认为局地水循环的作用较低，如Wu et al.（2019）认为中国西北地区的年降水循环率介于4％～10％，虽然在以0 3％／（10 a）的速度增加，但比起外部水汽平流对降水的供给要小。如Chen et al.（2021b）的研究发现TB的夏季局地蒸散发可能被高估了，在EWVT和WWVT发生期间，降水再循环率（低于4％）是非常低的，说明局地蒸散发对TB夏季降水的贡献可能是非常小的。如Wang et al.（2016）对中亚干旱区降水中氧的同位素分析后发现，乌鲁木齐循环水约占局地降水的16 2％，而石河子和蔡嘉湖等小型城市的循环水分仅占局地降水不到5％。

1 2 中亚降水发生的大气环流异常

CA降水的季节性分布并不总是一致的，这说明该地区不仅受到西风控制，也受到其他因素的影响。西风对于CA的影响毋庸置疑，更强的西风能为中亚带来更丰富的水分，从而引发更多的降水。但足够的水汽只是降水发生的充分不必要条件，环流场的配置可以触发空气的上升或抬升运动，从而引起更多的降水。有研究发现TP和CA的局地降水与东亚夏季风（East Asia Summer，简称EASM）、印度夏季风（Indian Summer Monsoon，简称ISM）和西风急流密切相关，这些因素共同构成的特殊环流场导致CA上空出现负位势高度异常及对CA更多的水汽补给，导致CA降水增加（Botsyun et al.，2022）。

1 2 1 西风急流的影响

西风急流的状态对于亚洲降水的作用几乎是决定性的，其不仅可以影响带来的水分是否充足，也可以通过大气能量波动的方式影响与之相邻的大气环流的状态。大体来讲，西风在冬夏两季分别位于TP的南侧和北侧，存在季节性纬向移动，并且研究表明西风急流位置、强度、移动时间与CA降水之间存在重要作用（Schiemann et al.，2009）。全球变暖加剧将导致北半球西风带存在极向移动的趋势，且西风强度也在进一步减弱（Toggweiler，2009;Abell et al.，2021）。Wolff et al.（2017）研究表明西风位置和强度控制了CA气候的干湿情景转化，并产生了复杂的区域响应。Jia et al.（2018）的研究显示西风是CA变化的一个重要的驱动因子，强西风循环导致了CA更多的降水，反之则更少。Nagashima et al.（2013）发现如果在一年里西风更早的向北移动，东亚季风（East Asia Summer Monsoon，简称EASM）的雨带将更早的向北迁移，也将更丰沛的降水聚集在EASM的西北部。Botsyun et al.（2022）发现温暖时期的西风急流将更早（4月）地向北迁移并到达更高的纬度，这将使CA和TP变得更加湿润;在较冷时期的西风急流较晚地（6月）向北迁移，导致TP和CA变得更加干燥。区域西风指数是CA水分传输良好的指示标志，在区域西风指数强的时候，CA的纬向空气强，更多的水分可以进入CA中部和东部;反之，水分只能送至CA西部，而且进入CA的水分也显著减少（Guan et al.，2019）。如Schiemann et al.（2009）研究发现西风急流在TP的位置与CA降水的分布存在系统一致性，4月时TP地区偏北（偏南）的西风急流与急流上游和TP北部的较高（较低）降水量有关。如Zhao et al.（2014a）使用NECP再分析资料和1961—2007年的观测资料发现了西亚西风急流的时空变化与新疆北部的降水有关，而且西亚西风急流的位置比其强度更能影响北疆的夏季降水，当急流偏南时异常西南气流沿着TP南部山麓穿过印度次大陆，更利于西南方向的湿热空气从低纬度进入中亚和北疆，也更利于降水的发生。如Hong et al.（2018）的研究发现当夏季西风急流北移时，CA降水产生了明显的负异常。如Kong et al.（2020）的研究发现厄尔尼诺期间的夏季西风在更南的位置，延长了西风碰撞高原的时间，从而加强了中国西部的降水。如Yan et al.（2019）的研究发现更强的西风会从西方带来更多水汽，反之带来水汽更少;西风急流的南移可能利于更多的水汽被输送到中亚，反之则水汽更少被输送至中亚，这与Zhao et al.（2014a）的研究结果相似。如Du et al.（2016）发现西风急流的经向移动（M1）和西风的西南-东北倾斜（M2）对中国降水分布有很大影响，M1与长江流域降水的增加和中国北部降水的减少有关，但M2与中国降水分布的不对称性有关，即中国中部和中国东部（西部）降水的减少（增多）。如任国强和赵勇（2021）分析NECP再分析资料和GPCC的月降水数据，发现当西风急流偏南时，中亚上空受异常气旋控制，印度半岛上的异常反气旋将阿拉伯海的水汽向北输送，并通过CA上空的异常气旋接力输送至CA上空，导致降水偏多。综合以上研究，可以认为越强且夏季时候位置越靠南的西风急流更利于CA降水的产生。

1 2 2 季风的影响

CA地处亚欧大陆内陆，季风所带来的源自海洋的水分鲜有到达，但近些年随着西风北移，使得CA的大气环流场发生了改变，特殊的环流场配置以及由此导致的上升运动使得更多的水汽从印度洋和南海输送至CA并发生降水，这意味着CA的水汽来源比例正在发生改变。

有研究显示ISM伴随的异常潜热释放可触发对流层上层异常的环流场并影响北半球的较高纬度的大气环流场（Ding and Wang，2005）。也有研究表明北印度洋和孟加拉湾附近增强的南风有利于把更多的水分输送到TP内部乃至更深的地方（Huang et al.，2015b;Liu et al.，2020），水汽传输路径也表明发生在CA的降水有一部分来自北印度洋。ISM将印度洋的水分输送至亚洲，由此开始有研究关注到季风对CA降水的影响。古气候方面的研究表明在EASM非常弱时，季风水汽输送可以深入至TB甚至天山中部。弱的EASM与蒙古上空的异常反气旋有关，生成东风并将季风水汽沿着TP北侧输送入TB。Zhang（2021）将CA的水汽源地分为西风传输水汽路径（Westerlies Water Vapor Transport，简称为WWVT）和季风传输水汽路径（Monsoon Water Vapor Transport，简称MWVT），又按照EASM的强弱提出了一种EASM和西风之间，与梅雨锋（Monsoonal front）有关的新模态，当EASM较强时，季风水汽可以深入北方导致中国北部和蒙古降水增加，梅雨锋和季风边界也可以向更北方前进;但EASM较弱时，季风水分可以到达CA并导致CA降水增加，但季风水汽输送向南退缩，导致中国北部和蒙古降水减少，这时梅雨锋被分为2部分，一部分移至中亚东南部，另一部分移至TB西北部。尽管季风带来的水汽与西风带来的水分相比较少，但在夏季风盛行季节，季风水汽源地对改变CA降水也有重要作用，因此无法被忽略。Chen et al.（2021a）的研究表明在过去60 a里CA降水与EASM的减弱密切相关，减弱的EASM与蒙古反气旋发生频率的增加和西太平洋副热带高压的东进有直接联系，由此导致了季风输送的增加，这与Zhang（2021）的研究结果基本一致。如Wei et al.（2017）表明，当ISM变弱时CA干旱区的降水增加但是中国北部的降水减少，反之亦然;但ISM指数与这两处降水的相关性并不明显，因此ISM可能对CA降水存在间接作用。ISM变弱使得南亚高压发生了东南移动，并造成了西风急流的东南移动，这造成了中亚西风急流西部的异常上升运动和东侧的异常下沉运动，并最终造成CA降水异常增加和中国北部降水减少。除此以外，中亚干旱区的降水增加也与南亚季风减弱造成对流层中高层冷却密切相关，弱ISM造成的负潜热异常引发CA对流层中高层产生异常气旋，异常气旋的西侧产生了冷平流，造成中亚上空对流层中高层冷却，这有利于中亚干旱区产生上升运动，而且这个异常冷却经常伴随着异常南风，从而导致了中亚干旱区更丰富的降水（Zhao et al.，2014b;霍文等，2019）。来自印度洋的水汽并不是直接由季风北上推进到达CA的，而是通过印度半岛上空的异常反气旋以及中亚上空的异常气旋接力完成的（任国强和赵勇，2021）。如Meng et al.（2020）的研究发现，TB夏季沙尘天气的出现和南亚夏季风存在明显关系，在南亚季风弱（强）的年份，中亚地区对流层上层存在异常气旋（反气旋）反映出ISM地区的对流层低层存在异常反气旋（气旋），这可能导致CA对流层中高层出现冷却（增暖）从而出现异常气旋（异常反气旋），这时TB被异常南风（异常北风）主导，从而利于更多（更少）降水建立，同时抑制（促进）冷空气进入盆地并减弱（增加）地表风速。

1 2 3 高原季风的影响

高原季风（Plateau Monsoon，简称PM）独立于南亚夏季风和东亚夏季风，是由于TP表面热源的季节性变化导致的夏季（冬季）地表风场气旋性（反气旋性）旋转而形成的一种季风。有研究发现PM与TB的夏季降水存在明显相关（Zhao et al.，2016;任国强和赵勇，2021）。当较强的PM发生时，TP上方对流层中部存在异常气旋，而在TP西北部的对流层上层则存在异常反气旋，这导致冷空气从高纬度进入CA地区产生中亚上部对流层中高层异常冷却，并伴随着南风的加强和相应的上升运动最终导致TB的异常降水（Zhao et al.，2016）。如张强等（2019）的研究发现当高原夏季风偏强时，利于水汽输送到西北地区西部，使西部降水增加，与上述研究一致。如任国强和赵勇（2022）分析NECP再分析资料和GPCC的月降水数据，发现PM和CA降水有良好的对应关系。当PM偏强时，西风急流位置偏南，且TP夏季降水增加，潜热加热增强，TP西北侧对应反气旋环流，伴随异常偏北风携带高纬度冷空气南下，导致CA上空温度降低形成异常气旋，导致CA降水增加。Zhang et al.（2022）使用JRA55和GPCC再分析資料也得到了与任国强等（2021）相似的结果，但Zhang et al.（2022）认为CA南部降水与PM的相关性比CA北部更大，同时CA地区对流层中高层的温度与PM存在明显相关。

1 2 4 南亚高压的影响

南亚高压（South Asia High，以下简称SAH）的强度、位移对亚洲降水的分布和变化有影响。中纬度西风和EASM之间的相互作用通过SAH的进退进行调整，另外也对西风带的长波调整和槽脊的变化有影响。Wei et al.（2017）的研究显示亚洲西风急流东西两侧的降水反向变化与SAH的东南-西北变化密切相关，SAH的强度与CA降水（即急流西侧）呈正相关，与中国北部降水（即急流东侧）呈负相关。当SAH向东南移动时，异常气旋和异常反气旋便出现在TP的西北和东南部，前者加强了西风急流南侧的强度，导致了西风的南移，而后者则利于亚洲西风急流向东南移动。较弱的ISM导致了SAH向东南移动，影响中纬度西风急流的经向散度风环流，导致了CA地区出现上升气流，而东部的季风区出现下沉气流，使得CA地区出现异常降水，这说明SAH可以将ISM与CA夏季异常降水联系起来。

1 2 5 遥相关的影响

丝绸之路遥相关（Silk Road Pattern，简称SRP）与CA降水密切相关。SRP是夏季对流层高层沿亚洲西风急流波导向东传播的波列，表现为沿急流交错分布的南北风异常或气旋反气旋式环流异常，对欧亚地区的气候异常有显著影响。如Chen and Huang（2012）在对200 hPa位势高度场进行EOF分析后，将第二模态定义为EC型（Europe-China）遥相关，即在北大西洋、西欧、东欧存在异常气压中心和北美东部、亚洲中部和中国南部存在较弱气压中心的位势高度场分布，并发现中国西北地区7月降水的主导模态是由SRP和EC型（Europe-China）遥相关型共同影响的。如Huang et al.（2015b）认为TB夏季降水是50°～80°E的经向遥相关以及SRP之间相互作用的结果，二者共同导致了CA的负位势高度异常和阿拉伯海、印度和中国中部及北部的正位势高度异常，从而导致CA的上升运动和水汽输送，从而引起TB降水。如Ma et al.（2020）的研究表明在1979—2018年，CA夏季总降水和极端降水与EA／WR型遥相关（东欧与俄罗斯西部200 hPa气压场的反相变化）的负相位有关，CA北部上空500 hPa表现出负位势异常和异常气旋，伴随着蒙古的正位势高度和气旋异常，以及输送至CA东部的来自阿拉伯海的南方水汽输送都为CA降水提供了便利条件。如Zhao et al.（2014a）在研究新疆北部降水与西风急流的关系时，发现西风急流的年变化与北极涛动（Arctic Oscilation，简称AO）有关，在弱AO的年份，对流层中层至高层变得比平常更冷，导致在中亚和西亚出现异常的气旋环流，这增强了中低纬度的西风并导致西亚西风急流位置偏南，说明AO也可能与AC降水有关。

1 2 6 海-气相互作用的影响

陆地上降水的最终来源都是海洋，海洋表面的水分蒸发并通过大气环流输送至大陆，对大陆进行水分补给。CA降水也是如此，海表面气压（Seal Level Pressure，简称SLP）、海温（Sea Surface Temperature，简称SST）等也可影响到其降水。如Ma et al.（2020）的研究认为北大西洋海温异常通过影响巴尔喀什湖附近的长波槽加深将西南水汽向北输送和增强EA／WR负模态促进高纬水汽向南输送，从而导致CA极端降水增加。如Huang et al.（2013）通过对1960—2009年中纬度降水特点的分析发现，冬季时NAO可能造成中亚干旱区北部的负位势高度异常和其南部的正位势高度异常，而且增加的气压梯度和异常的西风将带来更多的水汽;夏季时中国东北部的负压力异常伴随着弱夏季风和亚欧大陆东部的负位势高度异常，共同导致了中亚过量的降水。Mariotti（2007）發现ENSO对CA西南部的降水有明显影响且持续整个雨季，特别是秋季。厄尔尼诺（拉尼娜）发生时，西南方向（东北方向）的水汽通量导致CA西南部发生更多（更少）降水，这与张等人（张强等，2019）发现ENSO强度基本与中国西北地区西部降水呈同位相变化的结果相一致。如Jiang et al.（2021）的研究发现赤道太平洋10 a变化（Tropical Pacific Decadal Variability，简称TPDV）和大西洋多年际变化（Atlantic Multidecadal Variablity，以下简称AMV）是驱动1955—2004年中亚地区降水年代际变化的主要因子。TPDV的正相位可以导致CA降水增加，特别是CA东南部。西太平洋的负SST异常伴随着印度-西太平洋暖池上的高SLP，西南风沿着高SLP的西北边缘为CA的东南部带来更多水分，从而导致降水。赤道东太平洋SST的正相位能产生较弱的沃克环流，导致西太平洋降水减少和东太平洋中部降水增加和潜热释放的变化，这将产生斜压性罗斯贝波列并最终影响CA东南部降水。温暖的北大西洋让CA变得更湿润，特别是CA北部。AMV的正相位可以沿着北半球西风急流引发向东传播的斜压性波列，使得西欧和北太平洋产生正位势中心，北大西洋和中亚产生负位势中心，这个形势场利于CA北部产生上升运动，而从北大西洋和欧洲北部来的水分被增强的西风带入CA北部，从而引发降水，但这个过程具体的机制尚不明确。当TPDV和AMV都从负相位转向正相位时，CA降水增加;但当二者相位不同时，CA降水增加较小。而Chen and Huang（2012）的研究也认为赤道异常加热触发了导致中国西北部7月降水的遥相关，即EC型遥相关和SRP。北印度洋的异常加热会导致SRP，而赤道太平洋中部、印度大陆和赤道大西洋的异常加热会导致EC型遥相关，这些异常加热也都与SST异常有关。赤道加热异常在对流层上层诱导散度平流激发遥相关，而涡度平流则是由有效罗斯贝波源的散度项触发的。这些研究说明海温异常变化是CA降水异常的根本原因，海温异常经常伴随着SLP异常和罗斯贝波的异常波动，为CA的降水提供了水汽供给和利于上升气流产生的环流场配置，并最终导致了CA降水异常。

1 2 7 中尺度天气系统的影响

中亚涡（Central Asia Vortex，简称CAV）是一个从里海东部延伸至新疆的冷涡天气系统，是造成新疆暴雨、短时强降雨、冰雹和持续低温的重要天气系统，CAV发生时可能造成西方、东方、南方的水汽输送，也可能导致天山山脉及其北部山麓区域的强降水。CAV可按照结构分为深厚和浅薄两种类型，也可以按照是否伴随降水分为干涡和湿涡。CAV对CA的天气有两种不同的影响，湿涡可以导致新疆发生降水，而干涡则导致少量降水或大风降温天气。而日CAV活动有明显的季节差异。深厚CAV通常在帕米尔高原的西部和南部活动频繁，且深厚CAV在7月活动最频繁，6月和8月次之，冬季则最不频繁。当深厚CAV是干涡时，新疆将出现大风、低温，或者低温伴随零星降水，甚至有时候对天气没有明显影响;反之，当深厚CAV是湿涡时，新疆将会发生适量降水。1971—2010年的记录显示深厚CAV的活动次数正在以0 7次／（10 a）的频率增加。浅薄CAV通常在5月活动最频繁，即春季最频繁，随后是秋季、冬季，夏季最不频繁。浅薄CAV通常导致南疆发生暴雨、短期强降水和冰雹等天气。1971—2010年的记录显示，浅薄CAV的活动次数没有明显趋势。

杨莲梅和李曼（2015）从能量传输角度对CAV进行了研究，在低涡发展和旺盛阶段，200 hPa波源位于北大西洋东北部，一种波动向东南传播至地中海，一种波动向东传播至东欧。西风在地中海上空得到增强，导致从大西洋东北部来的罗斯贝波向这些区域传播。波通量的聚散在大西洋东北部交替出现并向东移至贝加尔湖，由此导致了整个系统的发展和维持。随后能量继续向东和东南传播，乌拉尔山继续加强了波动通量且正位势异常已经比大西洋东北部要强了。最后波动到达西风急流的南侧，能量在这里强烈汇集且罗斯贝波能量被阻塞，造成了CAV的发展和维持。若此时有降水供应，CAV便会发生降水。这个过程也说明CAV与北大西洋海温密切相关。

而CAV导致的强降水环流配置通常有一些共同性，如SAH分为伊朗高原和TP上空的两个反气旋中心时，西风急流在中亚和新疆是西南-东北走向;如两槽一脊的环流场配置，深厚CAV向东和东南方向移动，导致降水;如700 hPa发生甘肃河西走廊至新疆的较强低空东风急流（Low-Level East Jet，简称LLEJ），并与其他方向的气流发生强烈对流。在水汽传输方面，主要也存在3种类型。第一类型是从西方、东方和南方的水汽在新疆汇集;第二类型是从东南西北四个方向的水汽在新疆汇集;第三类型是主要从东西两方发生的水汽汇集（Yang and Zhang，2017）。这三种类型也与之前对中亚的水汽传输路径分析基本一致。

1 2 8 中亚地形的影响

大地形山脉对地球气候有重大影响，CA存在天山、帕米尔高原等诸多高大山地，其地形对降水的影响更无法忽略，而且高海拔的增暖比低海拔强。Zhang et al.（2019b）发现在1957—2005年天山、哈萨克丘陵、克孜勒库姆沙漠、表现出更明显的增湿和极端降水事件增加趋势。有研究通过去掉和保留地形的方式对CA进行模拟，结果发现地形对CA降水的时空分布有明显影响。如Baldwin and Vecchi（2016）使用对比实验比较了是否存在天山对CA降水的影响，结果发现在没有天山的情况下，由于缺少地形降水，天山左右两侧的沙漠将连为一片广袤的大型沙漠，但在天山北侧地区则比存在天山时更加湿润。CA西部的沙漠受到天山地形的影响很小，CA东部沙漠的降水则受到很大影响，如塔克拉玛干沙漠将在除了夏季以外的季节受到比存在天山时2倍甚至还要多的降水。对于天山西部来讲，天山存在与否对于降水和蒸发的季节性分布影响并不太大。但在天山东部，其存在天山时夏季降水比不存在天山时要高一些，但冬季降水则要比不存在天山时低一些，对于蒸发的季节分布也与降水相似，这说明天山放大了CA东部降水的季节性。如Sha et al.（2018）发现帕米尔高原增强了CA降水的时空分布，但与Baldwin and Vecchi（2016）有差异的是，Sha et al.（2018）認为天山和帕米尔高原增强了CA西部的降水季节性。 如Yao et al.（2020）认为新疆存在特殊的“三山夹两盆”地形产生的山谷风循环对增强降水有重要机制，这种机制导致了土壤水分和大气水分含量增加，在日间时，山谷风将水汽从绿洲带入山区，通过增强垂直上升运动降水增加山间的水汽;而在夜间，山风从山间吹向绿洲，能造成绿洲地区降水的增加。这说明中亚独特的地形地貌对于降水的季节性分配和降水的局地循环都有不小的影响。

1 2 9 中亚地区降水未来变化趋势分析

全球变暖背景下，CA很可能面临更多的降水。TPDV在21世纪初一直保持冷相位，并且近些年正在逐渐转向暖相位，AMV自从20世纪90年代中期就一直是暖相位，且还会再持续25～40 a，因此在不考虑其他过程的情况下，未来10 a内CA还会发生更多的异常降水（Jiang et al.，2020）。如Yao et al.（2021b）分析了在CMIP5不同情景下CA的降水情况，发现RCP4 5和RCP8 5情境下2006—2100年的降水显著增加，这主要是由于极端降水事件强度的加强和少量降水事件的减弱导致的，与此同时还伴随着全球变暖导致的蒸发加强。如Jiang et al.（2020）基于CMIP5提供的共享社会经济情景和代表性浓度情景（SSP1-2 6、SSP2-4 5、SSP3-7 0和SSP5-8 5）4种情况下对CA进行了历史模拟和预测，发现在21世纪末所有情景下的CA年降水都显著增加，天山和CA北部尤其剧烈。增温导致的降水反馈增加了CA降水的季节性变化，也造成了CA北部的第一个降水峰值从原先的夏季提前至春季。

2 讨论及展望

通过以上的归纳分析，可以得到影响CA降水的机制（图 3）：

1）中亚地处欧亚大陆内部，属于西风控制区域，其降水有明显的季节性，即主要集中在夏季时分。在全球变暖的背景下，CA地区正逐渐变得温暖而湿润。观测显示近些年来CA发生了降水异常增加，特别是夏季降水。研究显示CA的水分来源主要是北大西洋、地中海、阿拉伯海，但CA的降水季节性分布并不一致，CA东部和西部的水汽来源存在差异。

2）从气候角度来讲，北大西洋和赤道印度洋发生的异常增暖使得CA降水的年变化和年代际变化呈增加趋势。即CA降水实际受到西风和季风的控制，且这二者之间也存在相互作用。在西风较强且在夏季时分偏南时，西风带来的降水更多，在EASM较弱的时候，季风水汽可以深入CA地区，而ISM对CA降水存在间接作用，一种说法是较弱的ISM导致SAH的东南移动，另一种说法是较弱的ISM导致了CA对流层中高层冷却，这两种机制共同导致了CA上空出现了负位势高度异常，而在东欧和中国北部上空的正位势高度异常，并由此使得CA上空出现了异常气旋，而中国北部出现了异常反气旋。而PM与对流层中高层冷却十分相关，强PM发生时，来自北方的冷空气南下，从而利于CA上空异常气旋的产生。

3）从遥相关角度来说，与CA降水密切相关的遥相关型主要是SRP。SRP的负相位意味着CA对流层高层存在异常气旋，也说明CA地区存在异常南风，使得更多的水分进入CA，但实际上与CA降水相关的遥相关也与海洋表面异常增温有关，所以实际上这也是海气相互作用在CA降水方面的表达;从天气尺度来说，直接影响CA降水的是CAV，特别是在夏季活跃频繁的深厚型湿涡。有研究认为CAV的形成与大西洋温度密切相关，能量沿着西风急流将罗斯贝波列向东传输，并最终阻塞在中亚干旱区，导致了CAV的发展和成熟。

已经有很多研究对中亚降水异常提出了合理且全面的解释，但依旧存在可以深入探究之处，对此可以提出以下几个方面作为未来思考和研究的方向：

1）近10 a中亚地区对于中亚地区的研究多集中在气象统计分析、天气学分析等方面，但数值模拟方面的研究并不多。受到观测站点不均匀以及观测时间不连贯以及中亚自身地表极度复杂的限制，将大尺度大气环流变化较为准确地反馈在不同的地表类型和海拔变化上是一件困难的事情，这使得改进复杂地表的陆面参数化方案迫在眉睫。

2）即使再分析数据可以从总体上反应中亚区域的气候特征，但在考虑降水等时空分布极度不均匀的要素时，再分析数据也并不能较好体现局地特点，因此当进行相关研究时，必须与观测数据相结合，确认再分析资料是否可以较为准确地反应中亚地区的气候要素后再挑选合适的数据集，而这也为设立更全面的地面观测系统提出了挑战。

3）不论观测还是模拟，都向我们阐明中亚确实正在面临暖湿化的现状，也有许多研究对影响中亚降水的机制做出了合理解释，但实际上补给中亚降水的多余水分究竟是从哪里来的，或者说哪部分的水汽来源需要为中亚降水异常负主要责任依旧不甚明朗。另外，中亚地区地表类型和海拔起伏都非常不均匀，这使得该地区也会受到局地气候的影响，说明局地水汽循环也可能导致中亚降水增加，但此处由于计算方法和所用数据的差异产生了不同的结论，因此尚有争议。

4）导致中亚降水的天气系统，如中亚涡，发生的时间尺度往往較短，由其导致的降水过程往往并不利于捕捉和观测，而且目前尚没有利用多源数据和区域数值模型对中尺度系统的形成机理和演化规律进行研究，因此预报中亚地区发生强对流天气的能力并不强。

5）中亚地区是气候敏感带，其变化往往是牵一发而动全身的，若想明晰其降水异常的各种因素，往往还需要冰川、径流、生态等其他学科领域的合作，才能更加全面地了解中亚地区正在发生的水分变化。

6）中亚降水异常是中亚环境发生变化的过程，而中亚的气候变化则是中亚水分发生变化的必然结果。如何将气候变化的理论研究与天气预报的实际应用相融合，为应对气候变化做好准备是一个值得深入思考的问题。

针对以上存在的问题和研究方向，提出以下研究方案（图4）：

因此在未来的研究中，完善观测系统，减少观测数据不全带来的影响，同时优化参数化方案，提升模式应对复杂地表陆面过程的能力，才能为应对中亚气候敏感区的环境变化做出更精准的预测。

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4National Observation and Research Station for Qomolongma Special Atmospheric Processes and Environmental Changes，Dingri，858200，China;

5Kathmandu Center of Research and Education，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;

6China-Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences，Chinese Academy of Sciences，Islamabad 45320，Pakistan

Central Asia is located in the interior of Eurasia，in the key area of westerly wind control.With accelerating global warming in recent years，observations and simulations show a trend of warming and humidification in Central Asia.SST anomalies in the North Atlantic induce atmospheric vorticity anomalies，which propagate anomalies influencing large-scale circulation and vertical motion in Central Asia via Rossby wave activity，leading to an increase in precipitation anomalies.Simultaneously，the SST anomalies in the equatorial Pacific Ocean and the North Indian Ocean cause abnormal water vapor transport from the Arabian Peninsula to Central Asia，as well as the westerly-monsoon synergy，the remote correlation phase transition of the Silk Road，the changes of land surface type，local circulation and soon，which all contribute in varying degrees to the warming and humidification process in Central Asia.This paper aims to outline the main influencing factors and mechanisms of precipitation anomalies in Central Asia in the past 20 years，and to propose future research directions based on previous research.

global warming;Central Asia;warm humidification;abnormal vorticity;abnormal water vapor transport;westerly-monsoon synergy;teleconnection

doi：10 13878／j.cnki.dqkxxb.20221115001

（責任编辑：袁东敏）