中亚及邻近地区地中海式气候分布及特征分析

陈文龙,瞿家燕,程晓龙

(1.凉山州气象局,四川 西昌 615000;2.西昌市第一中学,四川 西昌 615000;3.中国气象局成都高原气象研究所,成都 610072)

地中海式气候是少有的具有夏干冬湿特征的气候类型[1-3],因此又名副热带夏干气候。该气候类型主要分布在南北纬30°～40°之间的大陆西岸,包括地中海沿岸、黑海沿岸、美国加利福尼亚州沿海、澳大利亚西南部的珀斯和南部的阿德莱德一带、南非西南角以及智利中部等地区,其中欧洲地中海沿岸地区的分布面积最广且气候特征最为显著。中亚、阿富汗以及我国新疆地处亚欧大陆的中心,气候较为干燥,但来自北大西洋、地中海和北印度洋,甚至北冰洋的水汽仍可通过西风带的大气环流给该地区带来降水[4-7]。在中亚东南部到阿富汗东北部一带纬度较低的山区附近存在一些相对温和且冬春多雨的地方[8],在这些特定的地形区形成了小范围的地中海式气候[9-10],例如哈萨克斯坦的希姆肯特到塔吉克斯坦的彭吉肯特一带、塔吉克斯坦的杜尚别到阿富汗的昆都士一带。这些地区的地中海式气候并未分布在大陆西岸,并且远离一般认知的地中海式气候区。目前极少文献[9-10]对上述地区地中海式气候的分布、特征和成因进行过描述,但其中还存在一些不完善和不准确地方。

地中海式气候的形成与行星风系和气压带的季节性南北位移密切相关,这一现象与我国广大季风区雨热同期的气候特征截然不同。长期以来,地中海式气候的特征、分布和成因一直是中学地理教学的难点和重点,也是广大地理教师和气象爱好者探讨的热点[11-21]。本文针对中亚东南部到阿富汗东北部的地中海式气候,以及我国新疆西部额敏县的夏季少雨气候,从地理分布、气温和降水等方面的特征进行深入分析,并从大气环流和影响天气系统等方面讨论其成因,以期拓展广大地理教师和气象爱好者的思路,为大家更好地从事理教学和气象科普工作提供一些参考。

1 研究区概况

中亚地处亚欧大陆中心位置,一般包括哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦和土库曼斯坦五国。阿富汗紧临中亚,并且与我国新疆接壤,气候特征与中亚非常接近。在柯本气候分类[1]中,中亚和阿富汗的主要气候类型有冷型沙漠气候、冷型草原气候和高原山地气候;周淑贞等[1]的气候分类中,中亚和阿富汗主要有温带干旱气候、温带半干旱气候和高原山地气候;在人教版高中地理教科书气候分类中[3],中亚和阿富汗的大部分地区被笼统地划为了温带大陆性气候,仅有靠近我国新疆的高山和高原为高原山地气候。虽然在不同的气候分类法中,中亚和阿富汗的气候类型名称各有不同,但都能反映出中亚和阿富汗大部地区较为干燥,气温年较差大的气候特征。从地形来看(图1),中亚到阿富汗一带呈东南高、西北低的特点,东南部的天山、阿赖山、吉萨尔山、帕米尔高原和兴都库什山组成的高大地形在一定程度上阻挡了西来的水汽,地形抬升对降水的增幅作用显著[2]。由于山区降水丰富,很多河流在此发源,这些山脉和帕米尔高原素有“中亚水塔”之称。这一带的山区周边人口稠密,城市分布也较为密集,其中包括吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦和阿富汗等国的首都以及哈萨克斯坦的前首都(阿拉木图)。

基于中亚及邻近国家大量地面气象站的多年观测资料,本文在中亚东南部到阿富汗东北部共筛选出了8个具有地中海式气候的测站(图1),它们中有7个集中在66°～70°E,34°～44°N的山脉西侧或南侧。其中希姆肯特和塔什干位于天山西侧;撒马尔罕和彭吉肯特位于吉萨尔山西侧;杜尚别和昆都士位于在阿赖山南侧和帕米尔高原西侧;喀布尔位于在兴都库什山南侧;比什凯克位于天山西段北侧,是距我国最近的地中海式气候城市(直线距离约264 km)。我国新疆西部的额敏县在一定的地形条件下,也表现出少量地中海式气候特征。

2 资料、标准与方法

2.1 资 料

本文在对不同站点的地中海式气候进行分析时,中亚各国的地面气象站资料来自俄罗斯气象部门的天气与气候网(https://www.pogodaiklimat.ru),阿富汗的地面气象站资料来自美国国家大气与海洋管理局网站(https://www.noaa.gov),我国新疆的地面气象站资料来自中国气象数据网(https://data.cma.cn)。参考的气象要素为多年逐月平均降水量和平均气温,测站基本信息见表1。

表1 主要气象站基本情况

大气环流数据来自美国国家环境预报中心(NCEP)1981—2010年逐月平均的再分析资料,其空间分辨率为2.5°×2.5°,要素包括位势高度、经向风、纬向风和比湿。位势高度可以间接表示等压面上气压的高低,是高空天气图中的常用要素,单位为位势什米。通过对经向风和纬向风进行矢量合成,可以得到某一高度上的水平风矢量,单位为m·s-1。比湿是指在一团湿空气中,水汽的质量与该团空气总质量(水汽质量加上干空气质量)的比值,单位为g·kg-1,它表示了空气的绝对湿度。

2.2 标 准

柯本气候分类法与周淑贞等[1]的气候分类法对地中海式气候及其亚型标准的规定基本一致,本文对这些标准进行了归纳(表2)。大陆性气候与海洋性气候的区别主要表现在气温和降水两方面[1],划分标准见表3所示。

表2 地中海式气候的标准

表3 大陆性气候与海洋性气候的气温和降水标准

天气图上最常用500 hPa层来分析副热带高压(以下简称“副高”)的天气特征[22]。500 hPa天气图上副高的范围为588位势什米线包围的、具有反气旋性环流的区域。在副高控制区多以晴好天气为主,副高西侧区域或副高有明显移动的区域,常有大范围明显降水天气发生。

2.3 方 法

本文先结合地中海式气候的标准,对中亚东南部和阿富汗东北部分布较为集中的地中海式气候测站的气候特征进行分析。由于测站数量较多,本文按地理分布特点选出了4个测站进行重点分析,其中天山西侧以希姆肯特为代表站;吉萨尔山西侧以撒马尔罕为代表站;阿赖山南侧和帕米尔高原西侧以杜尚别为代表站;兴都库什山南侧以喀布尔为代表站。然后将比什凯克(距离我国最近的地中海式气候城市)与我国新疆的额敏县的气候特征进行对比分析,以此讨论额敏县的气候与地中海式气候的相似程度。

对于研究区地中海式气候的成因,本文分别选取了1月、4月、7月和10月中亚及周边一定范围内的500 hPa层的平均位势高度场和风场,700 hPa层的平均风场和比湿场来描述不同季节的大气环流特征,按照天气学原理和方法进行分析。

3 中亚及邻近地区地中海式气候特征

3.1 中亚和阿富汗分布相对集中的地中海式气候

从图2中可以看出,希姆肯特、撒马尔罕、杜尚别和喀布尔的气温年较差分别为27.0、24.9、24.5和27.3 ℃,其中最热月(7月)的平均气温分别为26.3、26.8、27.5和25.0 ℃,最冷月(1月)的平均气温分别为-0.7、1.9、3.0和-2.3 ℃;希姆肯特、撒马尔罕和杜尚别的春温均略高于秋温,差值为0.1～0.6 ℃,而喀布尔的春温比秋温低0.8 ℃。以上4个测站的年降水量分别为576.0、365.2、592.0和312.0 mm。希姆肯特、撒马尔罕和杜尚别冬半年降水量最多月均为3月,降水量分别为83.0、68.8和111.0 mm;而喀布尔降水量最多月在4月,降水量为71.9 mm。希姆肯特、撒马尔罕和杜尚别夏半年降水量最少月均为8月,降水量分别为6.2、1.2和0.9 mm;而喀布尔夏半年的降水非常稀少,降水量最少月在6月,降水量为1.0 mm,并且8月和9月的降水量都没有超过2.0 mm。从4个测站降水的季节分布来看,撒马尔罕、杜尚别和喀布尔均是春季降水量最多,冬季次之,秋季再次之;而希姆肯特的冬季降水量略多于春季,而春季又明显多于秋季。总的来看,中亚东南部和阿富汗东北部的地中海式气候为热夏型,同时还具有较强的大陆性气候特征。

3.2 比什凯克与我国额敏的气候对比

比什凯克远离研究区的其他地中海式气候测站,也是距离我国最近的地中海式气候城市。从图3中可以看出,比什凯克的气温年较差为27.5 ℃,最热月(7月)的平均气温为24.9 ℃,最冷月(1月)的平均气温为-2.6 ℃,春温比秋温高0.3 ℃;年降水量为453.0 mm,其中降水最多月(4月)的降水量为67.0 mm,降水量最少月(8月)的降水量为13.0 mm;从降水的季节分布来看,春季最多,冬季次之,秋季再次之。与中亚其他地中海式气候的测站相比,比什凯克的冬季更冷,1月的平均气温已接近地中海式气候最冷月平均气温标准的下限(即-3℃);各月降水量的变化相对较小,夏季降水较多。

我国新疆的额敏县是我国少有的春季降水量多于夏季的地方。综合气温和降水特征来看(图3),额敏的气温年较差达35.0 ℃,最热月(7月)的平均气温为23.2 ℃,最冷月(1月)的平均气温为-11.8 ℃,春温比秋温高0.8 ℃;年降水量仅有289.7 mm,春季降水量最多(91.0 mm),秋季次之(72.5 mm),夏季再次之(69.3 mm),冬季最少,各月的降水量变化不大。该站的降水量最多月出现在5月(40.5 mm),且月降水量没有达到夏半年降水量最少月(9月,15.5 mm)的3倍。不难看出额敏的气温年较差明显高于比什凯克,冬季更加寒冷,年降水量偏少,各月的降水量变率较小。额敏地区本质上属于半干旱的温带大陆性气候,只有春季降水量最多、夏季降水量较少这一点与中亚的地中海式气候类似,而其他气候特征均未达到地中海式气候的标准,所以距离中亚地中海式气候区较近的我国额敏地区不属于地中海式气候类型。

4 气候成因探讨

500 hPa是对流层的中层,该层的低槽、高脊和副高等是影响降水的主要天气系统;700 hPa是对流层的中低层,该层的水汽输送对降水的影响至关重要。综合分析这两层的天气系统和水汽条件可以对降水的形成有较为清楚的认识。

4.1 500 hPa层

在500 hPa天气图上(图4),1月(图4a)东欧到中亚都是以西风气流为主,里海东侧存在一个浅槽,而青藏高原北部到新疆为脊区。中亚东南部和阿富汗北部位于浅槽前,受较强西偏南风控制,有利于空气的上升运动和锋面气旋的发展,导致了降水的产生和维持。4月(图4b),青藏高原北部到新疆的脊基本不变,但中亚的浅槽西移到地中海东部并有所加深,西亚到中亚的广大区域位于低槽前,受一致的西西南风控制。这样的天气系统配置也使该区域的上升运动和锋面气旋活动得以维持,同时天山、帕米尔高原和兴都库什山等高大地形对西风气流的抬升作用也使迎风坡的降水增强。由于杜尚别非常靠近其北侧的阿赖山,且其东侧帕米尔高原的边缘非常陡峭,杜尚别冬春季的降水明显多于其他测站。7月(图4c),大气环流出现重大变化,副高北抬,控制了北非到伊朗一带,在阿拉伯半岛西部有一高压中心,里海附近为一脊,中亚正处于脊前的西北气流控制下,盛行下沉气流,不利于锋面气旋的形成和降水的产生,而在中亚的北部仍有短波槽活动。研究区内越偏北的测站夏季降水越多,而越偏南的测站降水越少,比什凯克的夏季降水就明显多于喀布尔。10月(图4d),副高南退且强度减弱,在阿拉伯半岛南部还残留有一高压中心,波斯湾到里海南部为一脊,中亚大部地区受较弱的西风气流影响,有短波槽活动,存在弱的上升运动,降水条件稍好于7月。

4.2 700 hPa层

在700 hPa天气图上(图5),1月(图5a)西风气流受青藏高原阻挡,在高原西侧形成绕流,其中偏北的一支气流在里海以东出现了一个浅槽,槽前为较强的西南风,比湿在2 g·kg-1左右。来自北大西洋的气流在途经欧洲后在中亚东南部上升,同时高大地形对低层气流也有明显的抬作用,有利于迎风坡降水的增强。4月(图5b),中亚的低槽向西移动到地中海东部,西亚到中亚为槽前的西西南风控制,中亚东南部的比湿曾大到3～4 g·kg-1,水汽条件得到改善,上升运动也继续维持。7月(图5c),中亚西部到伊朗北部存在一个反气旋环流,中亚东南部处于反气旋的东部,受偏北风控制,以下沉运动为主。虽然此时的比湿增大到4～5 g·kg-1,但在这样的大气环流下,中亚东南部和阿富汗东北部的地中海式气候区处于天山、帕米尔高原和兴都库什山的背风坡,难以形成明显降水。10月(图5d),中亚的反气旋南移至阿拉伯半岛南部,虽然中亚南部边缘仍受反旋环流影响,但中亚大部地区转为弱的西风,比湿为2～3 g·kg-1,有利于降水增加。

值得注意的是,比什凯克是研究区所有地中海式气候测站中最偏北和偏东的,地理位置相对孤立,地形对其地中海式气候岛的形成至关重要。比什凯克位于天山西段北侧的一个北、东、南三面环山的“喇叭口”地形中(图1),这样的地形一方面易使西风气流形成辐合和抬升,有利于降水的发生和增强[2];另一方面在一定程度上阻挡了北方南下的冷空气,使冬半年的气温不至于太低。我国新疆的额敏由于处于更偏北和偏东的位置,影响降水的天气系统也有所不同。在冬春季,从纬向上看,额敏距离低槽较远,上升运动较弱,其东侧的地形也不如中亚东南部的地区高大,地形对降水的增幅作用也有限;从经向上看,额敏位置偏北,高空冷涡和地面气旋对其降水的影响更大。同时由于春季的湿度好于冬季,春季降水量更多。夏季,额敏远离中亚的反气旋环流,以西风气流为主,降水量反而比中亚东南部明显增加。秋季的西风比夏季有所增强,降水也略有增加。

5 结 论

本文利用中亚及周边国家地面气象站的多年逐月平均降水量和平均气温资料,根据地中海式气候的分类标准和天气学方法,分析了中亚东南部到阿富汗东北部以及新疆西部地中海式气候的地理分布和气候特征,并对其成因进行了探讨。研究结果表明:

1)中亚东南部到阿富汗东北部的地中海式气候测站主要分布在天山西侧、吉萨尔山西侧、阿赖山南侧、帕米尔高原西侧以及兴都库什山南侧。另外,天山西段北侧的比什凯克为研究区的一个地中海式气候岛,是距离我国最近的具有地中海式气候的城市。

2)中亚东南部和阿富汗东北部的地中海式气候为热夏型,同时还具有较强的大陆性气候特征,具体表现为气温年较差大,最热月(7月)气温高,最冷月(1月)气温低,春温略高于秋温;年降水量普遍偏少(仅300～600 mm),多数测站春季降水量最多,秋季降水量较少,降水量最多月为3月到4月,而降水量最少月通常为8月。

3)我国新疆的额敏地区主要为半干旱的温带大陆性气候,只有春季降水量最多、夏季降水量少这一特征与地中海式气候类似,而其余气候特征均未达到地中海式气候的标准,不属于地中海式气候类型。

4)中亚东南部和阿富汗东北部地中海式气候的形成是高空西风带与副高季节性的南北位移与高大地形迎风坡的地形降水作用共同导致的。冬春季,稳定存在的西风带低槽是产生降水的主要天气系统,而春季低层湿度增大有利于降水的增强;夏季,副高外围的反气旋环流抑制了降水的形成;秋季,副高减弱南退,西风环流中的短波槽有利于降水增加。

受限于资料与方法,本文对中亚及邻近地区地中海式气候的分析还有一些不足之处。例如:研究区的范围有限;没有对研究区内不同地中海式气候测站的气候差异进行更深层次对比;对研究区地中海式气候的成因分析主要依靠气候平均态的高空天气系统,对地面天气系统(冷高压、锋面气旋等)作用的分析较少。在后续的研究中,将扩展资料来源,优化分析方法,以揭示更多的气候特征和更深刻的气候成因。