5月青藏高原上空環流與北疆夏季降水的關系

周雅蔓，李 娜，馬 超，3，安大淮，施俊杰

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆維吾爾自治區氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；3.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都610225）

青藏高原位于亞洲大陸的中部，平均海拔在4000 m以上，空間尺度大，對大氣環流和天氣的影響不僅局限于本區域[1]，對整個北半球[2]，甚至對全球的環流都有一定的影響[3-5]。由于青藏高原群山環繞的大地形，不僅改變了本身的天氣和氣候[6]，通過動力、熱力作用所形成的高原大氣邊界層，擴大了高原作用的有效高度和范圍，對其毗鄰地區天氣氣候也有非常復雜的影響[7，8]，它對中低緯地區環流影響明顯，對亞洲季風區環流和夏季的氣候格局也有著重要的作用[9，10]。作為冬季的大氣冷源，夏季的大氣熱源[11]，青藏高原直接影響中國大范圍的干旱、洪澇等天氣氣候的形成和演變[12-14]。

早在20世紀50年代，Bolin[15]和Yeh[16]對青藏高原地形繞流效應的研究表明：冬季高原對西風氣流的分支作用是形成東亞大槽的重要原因；高原的動力作用既可以擾動并激發大、中、小尺度的天氣系統，也可以對某些天氣系統的發展起到抑制作用，高原大地形對高原低渦的發生發展有特殊影響[17]，高原的動力作用有助于在高原附近生成新的中尺度天氣系統[18]，如西南渦、高原東側的切變線和北側的小高壓等。數值模擬指出青藏高原的熱力作用，對100 hPa青藏高壓的建立有巨大貢獻，高原及其附近地區的加熱場，對于對流層上層東風急流的加強和急流中心的形成也有重要的作用[19]。近30 a來，關于青藏高原熱力方面也有大量的研究成果：青藏高原加熱場強度使東亞大氣環流平均槽脊的強度加強，即高壓脊加強，低壓槽加深[20]；高原春夏季地面加熱，嚴重地破壞了對流層中、低層副熱帶高壓帶的連續分布，導致高原及南亞季風環流的變化[21]，這與我國的氣候[22，23]和降水也有很大的關聯[24-27]，春夏季青藏高原熱力狀況對盛夏東亞降水和大氣環流的異常是有影響的[24]，與我國江淮地區夏季降水也密切相關[26，27]。因此，研究青藏高原對中國天氣氣候的影響效應十分必要。

新疆位于中國西北部，地域遼闊，屬大陸性干旱和半干旱地區，中部橫亙全境的天山將其分為北疆和南疆，旱澇成因十分復雜[29]。自20世紀中期以來，新疆呈現出顯著地由干轉濕的趨勢[30]，年降水量呈波動性上升[31，32]，尤其是冬夏兩季的降水量大范圍顯著增加[33]。研究表明：新疆降水的年變化主要與西藏高壓、西太平洋副高面積及南方濤動的相關程度較大[34]，青藏高原對新疆降水有著重要的影響，當5月青藏高原感熱偏弱時，北疆夏季降水呈現偏多的特點[35，36]；當夏季青藏高原地表潛熱通量為北正、南負的變化時，南疆夏季降水偏少[37]。目前針對高原上空環流異常與新疆降水的聯系及其影響的研究尚少，為了進一步揭示西藏高原環流指數與新疆夏季降水關系的變化規律，更好地指導預報預測工作，本文利用1961—2016年的西藏高原環流指數與新疆96個氣象觀測站點的降水資料，進行較為全面的對比分析，研究西藏高原環流指數強弱變化對北疆夏季降水的影響。

1 研究區域和資料

本文選取的資料是：（1）新疆氣象信息中心提供的1961—2016年新疆96個氣象觀測站5—8月的月降水量資料，其中北疆氣象觀測站點（包括天山山區和巴里坤）53個，南疆氣象觀測站點43個（圖1），北疆53個氣象站點的夏季降水和南疆43個氣象站點的夏季降水相關系數為0.33；（2）1961—2016年NCEP的逐月再分析資料，包括經向風、緯向風、比濕以及地表感熱通量資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；（3）國家氣候中心氣候系統診斷預測室提供的74項環流特征量中1961—2016年5—8月的西藏高原環流指數Ⅰ（25°～35°N，80°～100°E）、西藏高原環流指數Ⅱ（30°～40°N，75°～105°E），其中西藏高原環流指數Ⅰ選取的是500 hPa位勢高度在指定區域（25°～35°N，80°～100°E）內各格點高度值減去500 hPa后的累計值，本文中用TPI1表示；西藏高原環流指數Ⅱ選取的是500 hPa位勢高度場在指定區域（30°～40°N，75°～105°E）內各格點高度值減去500 hPa后的累計值，本文中用TPI2表示。兩者選取的指定區域有所不同，它們反映了選擇區域青藏高原500 hPa低渦和高壓活動對青藏高原及其鄰近地區天氣影響作用。

圖1 北疆和南疆氣象觀測站點的分布

本文通過對1961—2016年西藏高原環流指數（Ⅰ、Ⅱ）與南、北疆夏季降水的分析，重點探究西藏高原環流指數對北疆夏季降水的影響和可能的影響機制。本文采用56 a數據的時間序列，能夠獲得比較可信的趨勢結果，另外，如無特殊說明，本文中的夏季均指6—8月的平均態。

2 5月西藏高原環流指數和夏季降水的關系

2.1 相關分析

為了研究西藏高原環流指數與北疆、南疆夏季降水的關系，對1961—2016年5月TPI1、TPI2和北疆、南疆氣象觀測站點的夏季平均降水序列進行相關分析，對比發現：5月TPI1與北疆夏季降水時間序列的相關系數為0.38，與南疆夏季降水時間序列的相關系數為0.09（圖2）；5月TPI2與北疆夏季降水時間序列的相關系數為0.18，與南疆夏季降水時間序列的相關系數為-0.05；5月TPI1、TPI2與南疆夏季降水時間序列的相關系數均未通過顯著性水平90%的信度檢驗，可見南疆夏季降水與5月西藏高原環流指數的相關性并不好，而北疆夏季降水與5月TPI1的時間序列的相關系數通過99%的信度檢驗。TPI1、TPI2對北疆夏季降水的偏相關分析結果表明：5月TPI1在去除TPI2的影響后與北疆夏季降水時間序列的相關系數為0.43，而5月TPI2在去除TPI1的影響后與北疆夏季降水時間序列的相關系數為-0.27，因此，本文重點討論5月西藏高原環流指數Ⅰ與北疆夏季降水的聯系。

經過標準化的1961—2016年5月TPI1的時間序列中，規定5月TPI1大于1.0的為強年，強年有：1966、1994、1995、1998、2000、2006 和 2007 年，共7年；5月TPI1小于-1.0的為弱年，弱年有：1968、1971、1975、1977、1986 和 1992 年，共 6 a。從 5 月TPI1強年、弱年時北疆夏季降水距平的合成分布（圖3）中可以看出，5月TPI1為強年時（圖3a），75%的北疆氣象觀測站點的夏季降水為正距平，其中26%的氣象觀測站點的夏季降水有超過10 mm的正距平，天山山區夏季降水的正距平值更大，中心位于烏魯木齊南部的天山山區，與新疆夏季降水的大值中心一致；5月TPI1為弱年時（圖3b），87%的北疆氣象站點的夏季降水為負距平，其中72%的氣象觀測站點的夏季降水有超過10 mm的負距平，伊犁河谷南部山區和天山山區夏季降水的負距平值更為顯著。此分析進一步表明，5月TPI1與北疆夏季降水有較為密切的聯系，所以，本文將重點研究5月TPI1的變化與北疆夏季降水的聯系。

圖2 1961—2016年5月TPI1分別與北疆、南疆夏季降水的時間序列

2.2 5月西藏高原環流指數與夏季環流特征的分析

圖3 5月TPI1分別為強年（a）、弱年（b）時，北疆夏季降水距平的合成分布（單位：mm）

圖4 5月TPI1分別為強年（a）、弱年（b）時，夏季500 hPa風場距平的合成分布（單位：m/s）

為了進一步說明問題，下面針對5月TPI1分別為強年、弱年時的夏季環流特征進行分析。從圖4中500 hPa風場的距平圖可以看出，當5月TPI1為強年時，即5月西藏高原環流指數Ⅰ偏高，夏季500 hPa歐亞范圍內以經向環流為主，里、咸海地區到西西伯利亞平原南部為異常的反氣旋式環流，有利于冷空氣南下，同時中亞地區和貝加爾湖地區分別為異常的氣旋式環流和異常的反氣旋式環流，表明貝加爾湖阻塞高壓活躍，中亞低值系統活動頻繁，加之上游南下冷空氣的共同作用，是有利于新疆降水天氣過程的形勢之一[29]，而且新疆上空盛行異常偏南風，有利于將低緯阿拉伯海、孟加拉灣的水汽經南風環流越過西部山區接力輸送入新疆地區[30]。此外，青藏高原南部到印度半島為異常的反氣旋式環流，表明西太平洋副熱帶高壓偏西，有利于孟加拉灣暖濕氣流北上，加之北疆緯度較高，夏季冷空氣活動頻繁，冷暖交匯有利于此地區降水的發生。所以，當5 月西藏高壓指數Ⅰ偏強時，25°～35°N，80°～100°E的區域范圍內，各格點500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值偏高，有利于北疆夏季降水。當5月TPI1為弱年時（圖4b），即5月西藏高原環流指數Ⅰ偏低，夏季中高緯度環流經向度弱，烏拉爾山地區和貝加爾湖地區為異常的氣旋式環流，表明烏拉爾山和貝加爾湖高壓脊偏弱，不利于冷空氣南下，中亞—新疆—青藏高原為異常的反氣旋式環流，伊朗高壓偏強，位置偏北、偏東控制新疆，而在印度半島至孟加拉灣上空為氣旋式環流距平，表明西太平洋副熱帶高壓偏弱、偏東；中、高緯度的共同作用下，新疆上空盛行異常的偏北氣流，加之阿拉伯海為異常氣旋式環流，不利于低緯度暖濕氣流北上輸送到新疆。所以，5月西藏高壓指數Ⅰ偏弱時，夏季500 hPa的環流配置不利于北疆夏季降水。

降水需要有利的環流場，也需要水汽條件的配合，對于新疆這個干旱與半干旱區來說，水汽輸送對降水的發生十分重要。當5月TPI1偏強時（圖5a），即5月西藏高原環流指數Ⅰ偏高，夏季里、咸海地區為反氣旋式水汽輸送，巴爾喀什湖到新疆天山以北為自西向東的水汽輸送，表明沿西風帶進入北疆地區的水汽輸送增強；西亞—印度半島為氣旋式水汽輸送，阿拉伯海的西南氣流與低緯度南海—孟加拉灣的東南氣流匯合，表明阿拉伯海與孟加拉灣的水汽輸送到印度半島后，經偏南氣流接力輸送到新疆地區，低緯度水汽向北輸送增強，南方路徑輸送的水汽對北疆夏季降水，尤其是夏季大降水的發生十分重要[29]；此外，貝加爾湖地區為反氣旋式水汽輸送，有利于將南海的水汽沿東方路徑接力輸送到北疆地區。3支路徑的水汽向北疆輸送，為北疆降水提供了有利的水汽條件。反之，當5月TPI1偏弱時（圖5b），即5月西藏高原環流指數Ⅰ偏低，里、咸海地區為氣旋式水汽輸送，中亞地區為反氣旋水汽輸送，不利于低緯度熱帶地區的水汽向北輸送；歐洲地區為氣旋式水汽輸送，新疆上空盛行自東向西的水汽輸送（氣候平均新疆上空為自西向東的水汽輸送），表明沿西風帶進入北疆地區的水汽輸送減弱，不利于北疆夏季降水。

通過上述分析可以發現：5月西藏高原環流指數Ⅰ的強弱變化反映了 25°～35°N，80°～100°E 的區域范圍內，各格點500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值情況，該指數對500 hPa夏季環流特征、水汽輸送有很大的影響，從而影響北疆地區夏季降水的變化。

3 5月西藏高原環流指數影響北疆夏季降水的可能機制

3.1 相關分析

5月西藏高原環流指數Ⅰ的強弱變化與夏季環流特征有一定的關系，與夏季西藏高原環流指數Ⅰ也關系密切（圖6a），5月TPI1與夏季TPI1的相關系數達到0.54，說明5月西藏高原環流指數Ⅰ的強弱變化與夏季西藏高原環流指數Ⅰ的變化有很好的持續性。而且，夏季西藏高原環流指數Ⅰ與北疆夏季降水也有很好的相關（圖6b），兩者的相關系數為0.46，通過顯著性水平99%的信度檢驗，表明夏季TPI1與北疆夏季降水也有很大的關聯。

圖5 5月TPI1分別為強年（a）、弱年（b）時，夏季地表至300 hPa水汽通量距平的合成分布（單位：kg/（m·s））

3.2 5月西藏高原環流指數與高原熱力情況的分析

青藏高原的熱力作用對大氣環流、高原季風、水汽通量、天氣和氣候均有很大的關系[9-11、13、14、24-27]，已有研究表明，青藏高原的熱力異常與新疆的夏季降水有密切的關系[35-37]，主要是因為5月熱力異常和夏季的熱力異常有很好的持續性[24]。下面重點分析5月西藏高原環流指數Ⅰ與青藏高原熱力異常的關系，研究5月西藏高原環流指數Ⅰ對北疆夏季降水造成影響的原因。

根據圖7中5月TPI1與5月的感熱通量相關系數的空間分布可知，5月TPI1偏強時，即5月西藏高原環流指數Ⅰ偏高，5月咸海到巴爾喀什湖、阿拉伯海、中南半島和我國的華南地區5月的感熱通量與5月TPI1呈正相關，明顯偏多，而西西伯利亞地區、阿拉伯半島、青藏高原和內蒙古地區5月的感熱通量明顯偏少，通過99%的信度檢驗。通過對5月TPI1與夏季的感熱通量相關系數空間分布的分析，5月TPI1和西西伯利亞地區、青藏高原地區仍有明顯的負相關，且部分地區通過99%的信度檢驗。說明當5月西藏高原環流指數Ⅰ偏強時，25°～35°N，80°～100°E 的區域范圍內，各格點 500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值偏高，此時青藏高原的感熱通量明顯偏弱，并且這種加熱從5月持續到夏季，當5月青藏高原感熱偏弱時，500 hPa中亞和貝加爾湖上空分別受異常氣旋和反氣旋控制，新疆上空盛行異常偏南風，利于低緯度的暖濕氣流北上和低緯水汽的向北輸送，為北疆夏季降水的發生提供了有利的水汽條件[35]。5月TPI1的強弱和青藏高原5—8月的感熱通量有明顯的負相關，且這種的關系從5月持續到夏季，而青藏高原夏季感熱通量的大小將影響北疆夏季降水的多少。綜上分析：5月西藏高原環流指數Ⅰ通過與青藏高原5月、夏季熱力的相關，從而對北疆夏季降水的多少產生影響。

4 結論

本文根據1961—2016年5月西藏高原環流指數Ⅰ、Ⅱ與北疆夏季（6—8月）降水的相關分析，重點探討5月西藏高原環流指數Ⅰ可能影響北疆夏季降水的原因，并通過分析5月西藏高原環流指數Ⅰ強、弱年時，夏季500 hPa風場、地表至300 hPa水汽通量的異常分布，及其與5月、夏季感熱通量的關系，得出5月西藏高原環流指數Ⅰ對北疆夏季降水的指示意義。主要得到以下結論：

圖6 1961—2016年夏季TPI1分別與5月TPI1（a）、北疆夏季降水（b）的時間序列

圖7 1961—2016年5月TPI1與5月感熱通量（a）、夏季感熱通量（b）的相關分布（陰影區為通過99%的信度檢驗的區域）

（1）與北疆夏季降水的相關性比，5月西藏高原環流指數Ⅰ和5月西藏高原環流指數Ⅱ，與南疆夏季降水的相關性要好，且5月西藏高原環流指數Ⅰ與北疆夏季降水的相關系數要比5月西藏高原環流指數Ⅱ與北疆夏季降水的相關系數高，通過99%的信度檢驗。

（2）5 月西藏高原環流指數Ⅰ偏強時，25°～35°N，80°～100°E的區域范圍內，各格點500 hPa位勢高度值減去500 hPa后的累計值偏高，此時500 hPa的夏季環流配置、地面到300 hPa的水汽輸送均有利于北疆夏季降水；5月西藏高原環流指數Ⅰ偏弱時，環流配置不利于北疆夏季降水。

（3）夏季西藏高原環流指數Ⅰ與5月西藏高原環流指數Ⅰ、北疆夏季降水均有很大的相關性，5月西藏高原環流指數Ⅰ與5月、夏季高原的熱力異常有密切的相關，5月西藏高原環流指數Ⅰ的強弱變化可以預測北疆夏季降水的多少。