塔里木盆地夏季降水的年代际变化及其影响环流

玉奴斯·唐阿塔尔，赵 勇

（1.新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象学会，新疆 乌鲁木齐830002；3.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都610225）

过去100 年，全球陆地降水变化呈明显的区域差异，降水量在北美北部和南美南部增加，在亚洲、非洲和南极洲减少[1-2]。全球陆地干旱区大多变干，而我国西北地区气候呈明显的变湿趋势，降水增加显著[3]。20 世纪80 年代中后期，西北气候由暖干向暖湿转型，西北西部的新疆尤其显著[4-5]。水是制约干旱区社会经济发展的核心因素，降水是干旱区地表水资源的主要来源，同时也对干旱区生态安全具有重要意义，因此干旱区降水的时空变化特征及其影响机制研究受到广泛的关注。

大气环流系统的强度和位置变化，是导致降水异常的直接原因。中亚上空的副热带西风急流夏季北上，进入新疆上空，其强度和位置变化与新疆夏季降水密切相关，当中亚上空的副热带西风急流位置向南移动，可以导致新疆更多的夏季降水发生[6-7]。南亚高压的伊朗高压型和双体型贡献了新疆夏季降水的70%～90%，两种类型高压的位置变化与新疆夏季降水密切联系[8-9]。当北非副热带高压异常东伸时，有利于新疆西部夏季发生更多的降水[10]。中亚低涡是影响新疆夏季降水的关键天气尺度环流系统之一，低涡的位置和强度对新疆夏季降水起到关键作用[11]。新疆南、北部夏季降水存在明显的年际变化差异，影响环流也不同[12]。杨莲梅等[13]发现塔里木盆地夏季降水偏多时，对应伊朗副热带高压偏东，西太平洋副热带高压偏西，中亚副热带西风急流位置偏南。杨霞等[14]认为低空东风急流在塔里木盆地大降水过程中扮演了重要角色。

以上研究从不同大气环流系统的角度分析了导致新疆夏季降水异常的可能成因，主要集中于年际变化。也有一些研究考虑了新疆夏季降水的年代际变化，如杨莲梅等[15]认为新疆北部夏季的年代际增湿主要源于热带印度洋水汽向北输送的加强。陈活泼等[16]认为太平洋—东亚遥相关波列位置和强度的年代际变化，加强了西北太平洋水汽的向西输送进入新疆，这是导致该区域夏季降水年代际变化的重要原因之一。最近的研究表明印度洋海盆模增暖导致了新疆北部夏季极端降水的年代际增多[17]。丝绸之路大气遥相关型通过影响大气环流和水汽输送，贡献了塔里木盆地2009 年以来夏季降水的异常增多[18]。塔里木盆地是西北干旱区夏季降水增加最为显著的区域之一，年代际增加依然持续[19-20]。已有研究分析了新疆整体或区域夏季降水年代际变化的影响环流，但使用的降水资料长度大多集中在2010 年之前，此外是否存在其它的重要影响因子，尚不清楚。本文在已有研究基础上，使用1961—2020 年的夏季降水序列，在揭示塔里木盆地夏季降水年代际变化特征的基础上，给出不同年代际背景下的关键影响环流特征，从大气遥相关型的角度初步揭示了盆地夏季降水年代际变化的可能机制。

1 数据和方法

国家气象信息中心提供了1961—2020 年逐日降水数据，数据经过了简单的质量控制，如果某测站在任意一年中有超过5%的数据为缺测，则将该测站剔除[21]，基于此塔里木盆地选取测站33 个。大气环流再分析数据由美国国家环境预测中心和大气研究中（NCAR/NCEP）提供[22]，包括风场、地面气压场和比湿等变量，水平空间分辨率为2.5°× 2.5°。大气遥相关指数源自美国气候预测中心（CPC：https：//psl.noaa.gov/data/climateindices/list/），对北半球250 hPa逐月位势高度场进行旋转经验正交分解，第四主分量时间系数的标准化值定义为东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数[23]。本文的夏季指6—8 月。

降水量为塔里木盆地夏季各测站日降水≥0.1 mm的降水量和值；降水日数为塔里木盆地夏季各测站日降水≥0.1 mm 的降水日数和值；降水强度为降水量与降水日数的比值。

2 塔里木盆地夏季降水的年代际变化特征

为了揭示塔里木盆地夏季降水的年代际变化特征，图1 给出了塔里木盆地区域平均的夏季降水距平年际变化及9 a 滑动平均曲线。塔里木盆地有明显的年代际变化特征，气候突变发生在1987 年左右，1987 年以前，大部分年份（20 a）盆地夏季降水偏少，1987 年之后，大部分年份（19 a）盆地夏季降水偏多，尤其2010 年以来，10 a 中有8 a 降水均为正异常。

由图2a 可知，相较于1961—1986 年，1987—2020 年除盆地东部个别站点夏季降水略减少外，其余站点均增加，尤其盆地的西部和北部，降水显著增加。由图2b 降水日数的年代际变化与降水量变化的空间基本一致，盆地西部和北部降水日数显著增加。大部分站点的降水强度也增强（图2c），但是空间分布与降水量和降水日数并不一致，同时也不显著。说明近30 多年，塔里木盆地西部和北部夏季降水的显著增多，主要由降水日数的增加贡献。

图2 1987—2020 年与1961—1986 年塔里木盆地夏季降水量（a）、降水日数（b）和降水强度（c）的变化

3 不同年代际背景下塔里木盆地夏季降水的影响环流特征

副热带西风急流在塔里木盆地夏季降水过程中扮演了重要角色，一方面急流的位置和强度对对流层中低层气旋的产生具有显著影响，另一方面高层急流加强时，起到“抽气机”作用，加强了低层大气的辐合上升，为降水提供了有利的动力条件[24]。由图3a可知，1961—1986 年，当盆地夏季降水偏多时，对应里海和咸海以南200 hPa 纬向风增强，以北减弱，说明中亚副热带西风急流的轴线南移。由图3b 可知，1987—2020 年，盆地夏季降水依然与中亚副热带西风急流关系密切，当盆地夏季降水偏多时，对应里海和咸海以北200 hPa 纬向风减弱，以南增强，但并不显著。

图3 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地区域平均的夏季降水序列与200 hPa 纬向风（m·s-1）的回归分布

1961—1986 年，当塔里木盆地夏季降水偏多时，对应中亚上空为异常的气旋性环流，异常气旋位于40°N 附近，气旋东部盛行异常西南风，为塔里木盆地带来低纬的暖湿气流，形成有利于降水的环流条件（图4a）。1987—2020 年，当塔里木盆地夏季降水偏多时，对应的500 hPa 风场特征与前一时期有些不同，异常气旋位于40°N 以南，更有利于将低纬的暖湿气流携带北上，同时蒙古上空为异常反气旋环流，气旋东部的异常西南风和反气旋西部的异常东南风在塔里木盆地上空交汇，形成更为有利的降水条件，导致整个时期夏季降水发生更多（图4b）。

图4 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地区域平均的夏季降水序列与500 hPa 风（m·s-1）的回归分布

塔里木盆地远离海洋，同时四周被高山环绕，水汽输送也是降水发生的重要条件之一。1961—1986年，当塔里木盆地夏季降水偏多时，阿拉伯海上空为异常反气旋环流控制，中亚上空为异常气旋环流控制，前者将阿拉伯海的水汽向北输送，完成水汽输送的第一步，后者接力将水汽继续向北输送，进入塔里木盆地上空，为降水发生提供有利的水汽条件（图5a）。1987—2020 年西北太平洋上空为异常反气旋环流控制，表示西太平洋副热带高压向西移动，加强了西北太平洋和孟加拉湾的水汽输送至青藏高原的西南部，中亚里海以南受异常气旋控制，气旋东部的异常西南风将这支水汽继续向北输送至塔里木盆地上空，为盆地降水发生提供了有利的水汽条件。

图5 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地区域平均的夏季降水序列与水汽通量（kg·m-1·s-1）的回归分布

综上，塔里木盆地夏季降水在1987 年前后发生了显著变化，两个时期影响降水的环流和水汽输送特征也存在明显差异，主要体现在中亚上空异常气旋的位置，水汽输送的路径等，大气遥相关型变化是导致大气环流异常演变的重要因子，图6 给出了东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数与塔里木盆地区域平均夏季降水的年际变化，东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数与塔里木盆地夏季降水存在密切的年际联系，1961—1986 年，二者的相关系数为-0.49，1987—2020 年，二者的相关系数为-0.53，均通过0.05 的显著性检验。

图6 1961—2020 年塔里木盆地区域平均的夏季降水和东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数的年际变化

1961—1986 年，当东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数负异常时，可以导致中亚上空40°N 以南的纬向风加强，以北的纬向风减弱，说明中亚副热带西风急流位置南移（图7a），与图3a 的结果一致。1987—2020 年，东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数也与200 hPa 纬向风关系密切，当东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数为负异常时，中亚副热带西风急流位置南移，东亚副热带西风急流北移，与图3b 得到的结论类似。

图7 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数与200 hPa 纬向风（m·s-1）的回归分布

1961—1986 年，当东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数负异常时，中亚上空受异常气旋性环流控制，气旋中心位于40°N 左右（图8a），与图4a 一致。气旋东部的异常西南风控制了新疆大部分区域，与东部季风区不同，夏季风背景下，降水的多寡主要与北方的冷空气南下密切相关[25]，新疆由于纬度相对较高，降水的发生主要受南风气流控制，因此中亚上空的异常气旋（槽）是导致夏季降水的关键环流系统之一。1987—2020 年，当东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数负异常时，中亚里海以南受异常气旋控制，蒙古高原上空受异常反气旋控制，气旋东部的异常西南风和反气旋西部的异常东南风在塔里木盆地上空交汇，为夏季降水提供了有利的环流条件。

图8 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数与500 hPa 风（m·s-1）的回归分布

4 结论

基于1961—2020 年降水和环流数据，首先揭示了塔里木盆地夏季降水的年代际变化特征，然后分析了不同年代际背景下影响盆地夏季降水的环流和水汽输送特征，最后从大气遥相关型的角度，初步揭示了大气环流异常的可能形成原因，主要结论如下：

（1）塔里木盆地夏季降水在1987 年前后发生了气候突变，1961—1986 年，夏季降水整体偏少，1987—2020 年，夏季降水整体偏多，尤其近10 年。夏季降水的年代际增多主要集中在塔里木盆地的西部和北部，东部呈现少许的减少，降水的增多主要由降水日数的增加贡献，降水强度也有增强，但并不显著。

（2）1961—1986 年，当盆地夏季降水偏多时，中亚副热带西风急流位置向南移动，中亚上空受异常气旋性环流控制，塔里木盆地上空盛行异常西南风，阿拉伯海的水汽通过两步输送进入塔里木盆地上空。1987—2020 年，当盆地夏季降水偏多时，中亚副热带西风急流位置向南移动，中亚里海以南上空受异常气旋性环流控制，蒙古高原上空受异常反气旋控制，二者共同作用下塔里木盆地上空受异常南风控制，西太平洋副热带高压西伸，导致西北太平洋和孟加拉湾水汽输送至青藏高原西南部，由中亚上空的异常气旋环流进一步输送至塔里木盆地上空。

（3）东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数与塔里木盆地夏季降水呈密切负相关联系，两个时期的相关系数均可通过0.05 的显著性检验。在盆地夏季降水不同年代际背景下，当东大西洋—西俄罗斯大气遥相关指数负异常时，可以导致中亚副热带西风急流位置向南移动，同时影响中亚上空异常气旋位置的变化，进而贡献不同时期盆地夏季降水的异常变化，在塔里木盆地夏季降水的年代际变化中扮演了重要角色。