亞洲中部干旱氣候研究綜述與機理分析

戴新剛，汪 萍

（1.中國科學院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點實驗室，北京100029；2.中國氣象局大氣化學重點開放實驗室，中國氣象科學院，北京100081）

亞洲中部是北半球中緯度最大的干旱區(qū)，傳統(tǒng)陸上絲綢之路貫穿其中，構(gòu)成了一條橫跨歐亞大陸的貿(mào)易文化走廊[1-2]。2013年中國提出“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想[3]，可視為一個“現(xiàn)代絲綢之路”規(guī)劃，為沿途國家的經(jīng)濟發(fā)展注入了新的動力。研究亞洲大陸中部干旱氣候成因?qū)τ诶斫膺^去絲綢之路存在的氣候背景，以及規(guī)劃未來歐亞大陸經(jīng)濟帶建設(shè)均有重要意義。因古絲綢之路存在約2000 a[4]，其干旱氣候以地質(zhì)時間尺度（千年）為背景，氣候波動主要受歷史氣候時間尺度（百年）及多年代至年代尺度氣候變化的影響，其中階段性冷、暖、干、濕等氣候波動或氣候事件的影響尤為明顯[5-6]，如歷史上的中世紀暖期[7]，小冰期等[8-9]。多年代至年代尺度氣候變化主要源于海洋和大氣的相互作用，在幾個海氣相互作用敏感區(qū)形成了著名的年代尺度或多年代尺度海溫遙相關(guān)型，如北大西洋多年代尺度濤動（AMO）[11]，北太平洋年代尺度濤動（PDO/IPO）等[12-14]。這些年代—多年代尺度海氣相互作用引起的氣候變化來源于氣候系統(tǒng)內(nèi)部，而百年尺度及其以上的氣候變化可能主要與外部強迫密切關(guān)聯(lián)，如太陽活動、火山爆發(fā)等[10]。進入20世紀后人類活動的影響逐漸增強，CO2等溫室氣體的排放造成的全球氣候暖化已經(jīng)成為近百年氣候變化的主要特征[15-17]。以往的研究顯示，雖然亞洲中部干旱區(qū)存在明顯的氣候波動[18]，但歐亞大陸大尺度氣候格局（大尺度干濕氣候區(qū)）并未改變。這種地質(zhì)時間尺度或更長時間尺度干旱氣候格局的持續(xù)，使亞洲中部土地逐漸退化，形成了大片戈壁、沙漠[19-20]。Manabe[21-22]最早基于數(shù)值試驗研究了中緯度干旱的起源問題，指出青藏高原和落基山脈的隆起致使大氣定常波形成，減弱了臨近海洋向歐亞大陸腹地及北美西部干旱區(qū)的直接水汽輸送，并導致風暴頻發(fā)地（風暴路徑）的變化。不過，該研究未對干旱區(qū)形成的物理過程或形成機理做進一步的分析。亞洲中部干旱氣候格局的形成應該既有大氣動力學上的原因，也有熱力學氣候背景。本文擬從干旱區(qū)形成的水—熱條件及其對應的大氣環(huán)流型等方面入手，借助大尺度氣候分類法[23]，分析亞洲中部干旱區(qū)所屬的氣候類型，研究其形成機理。

下文首先介紹氣候分類法，包括柯本氣候分類和大尺度氣候分類法[24-25]，而后對青藏高原四周氣候進行區(qū)劃，分析其季節(jié)循環(huán)中降水與氣溫的位相配置（水—熱配置，下同）及其與區(qū)域氣候干濕的聯(lián)系，以及其與水汽輸送方向和伴隨的水汽散度之間的對應關(guān)系等，據(jù)此解釋降水的季節(jié)分布特征，并進一步分析了其與大氣環(huán)流動力—熱力學量的配置關(guān)系，從而揭示亞洲中部干旱區(qū)的形成過程和機理，最后討論了亞洲中部干旱區(qū)氣候的季節(jié)變化與季風區(qū)之間的平均氣流水汽通量散度之間的互動，以及大氣環(huán)流內(nèi)部平均與瞬變渦動水汽通量散度之間的季節(jié)性互動或耦合等問題。

1 氣候分類法

1.1 柯本氣候分類法

研究區(qū)域氣候形成機理必然涉及氣候分類問題。1920年德國氣象學家柯本（Wladimir Peter K?pen）依據(jù)地表植被類型和氣象觀測記錄提出了所謂的柯本氣候分類法（K?ppen Climate Classification System）[24-25]。據(jù)此，全球陸地大致可以分成31類氣候區(qū)，其中熱帶—副熱帶沙漠統(tǒng)稱為熱沙漠（Hot desert），中緯度沙漠被歸為冷沙漠（Cold desert）[26]。由于氣溫是柯本氣候分類法中的主要因子，從而造成氣候分類中的分區(qū)過細過碎（圖1），其原因是大氣垂直方向存在靜力平衡約束，溫度的垂直梯度遠遠大于水平梯度。例如，地形的存在會造成相鄰地區(qū)氣溫差異明顯，看似在大尺度上一致的氣候區(qū)往往被劃分成若干不同類型氣候區(qū)。因此，柯本氣候分類法應該屬于地理氣候分類法，或“維象”氣候分類法，其地表覆蓋特征鮮明，方便普通用戶使用。然而，地球氣候具有明顯的大尺度特征，如季風氣候區(qū)，干旱半干旱氣候帶及西風帶控制區(qū)等，它們的形成均與氣候平均大氣環(huán)流型關(guān)聯(lián)。因此，大尺度氣候分類與大尺度氣候形成機理關(guān)聯(lián)，屬于氣候的動力學分類[27-31]。

圖1 柯本氣候分類（該圖來源于文獻[22]，http：//hanschen.org/koppen）

1.2 大尺度氣候分類法

降水和氣溫是植物生長的基本氣象要素，地表植被是柯本氣候分類的一個重要指標。植物的生長期需要適宜的水—熱條件，這正如杜甫在《春夜喜雨》中所描述的“好雨知時節(jié)”。因此，除年降水總量外，降水的季節(jié)分布就成為地表植被狀況好壞的另一個重要指標。考慮到亞洲的季風季節(jié)[32-34]，將一年12個月劃分成暖季（5—10月）和冷季（11月—翌年4月），南亞的暖季就是夏季風季節(jié)，冷季大致對應于亞洲季風區(qū)冬季風季節(jié)，比較其中一個季節(jié)降水量占全年總降水量的比率大致可以反映一地降水的季節(jié)分布特征[23]。圖2a中除了極區(qū)外，降水稀少區(qū)大致對應于圖1中的沙漠或植被稀疏的干旱或半干旱氣候區(qū)，降水量大的地區(qū)植被生長茂盛，說明一地的年降水總量在一定程度上控制著地表植被的生長狀況。

另一方面，參考冷季降水占年總降水量比率（圖2b），可以將北半球陸地大致分為3種類型，第一種是冷季降水比率超過60%～70%；第二種是冷季降水比率＜20%～30%；第三種是冷暖季節(jié)降水量比率相當。南半球與此相反。從它們的地理分布可知，第一種屬于地中海氣候，第二種屬于季風氣候或夏季對流性降水多的山區(qū)，第三種大都是西風帶控制區(qū)氣候，以及部分無明顯季節(jié)變化的近赤道地區(qū)。因此，僅依據(jù)季節(jié)降水比率就可以簡單地對全球氣候進行大尺度劃分，這種劃分屬于氣候的大尺度分類。對比圖2b和圖1可以看到，地中海氣候區(qū)多為沙漠或沙地，季風區(qū)擁有最好的植被或耕地，西風帶控制區(qū)多位于中高緯度，其植被狀況介于季風區(qū)和地中海氣候區(qū)之間。地中海氣候不僅局限于地中海周邊，也存在于阿拉伯半島、中亞中南部，以及北美西海岸等地。在季風區(qū)中亞洲季風區(qū)最大，其中包括南亞季風區(qū)和東亞季風區(qū)（亞熱帶和溫帶季風區(qū)），其次是北非熱帶季風區(qū)，以及最小的北美大陸季風區(qū)等；在靠近赤道的中美洲亦存在一塊很小的季風氣候區(qū)（圖2b），它是大尺度熱帶對流系統(tǒng)季節(jié)性移動的結(jié)果[34]。在南半球也存在季風區(qū)（紅色），如非洲季風區(qū)、大洋洲北部季風區(qū)及南美洲季風區(qū)等。而圖2b中紫色區(qū)域在南半球表示地中海氣候區(qū)，其范圍也遠小于北半球，如南美智利沿岸、澳大利亞西海岸、南澳大利亞洲海岸帶中東部以及南部非洲西南海岸帶等地。西風帶控制區(qū)（藍綠色）主要位于歐亞大陸和北美大陸中高緯度，以及南美大陸和大洋洲南部等地。比較圖2a和圖2b發(fā)現(xiàn)，地中海氣候區(qū)與年降水量稀少區(qū)域并不完全重疊，反映出二者對地表植被覆蓋的影響機制不同，因此在解釋區(qū)域氣候形成機理中二者均應加以考慮，尤其是在季節(jié)變化比較明顯的中緯度干旱半干旱氣候區(qū)。

圖2 1961—1990年平均年降水量（a）和冷季降水占年總降水量比率（b）（暖季為5—10月；冷季為11月—翌年4月；降水單位：mm；該圖引自文獻[23]）

圖3 氣候平均降水（a）和氣溫（b）的季節(jié)分布（亞洲季風區(qū)代表站點：北京，新德里（New Deli）；地中海氣候區(qū)站點：阿什哈巴德（Ashgabat，土庫曼斯坦），比什凱克（Bishkek，吉爾吉斯斯坦），德黑蘭（Tehran），杜尚別（Dusanbe，塔吉克斯坦），舊金山（San Francisco），洛杉磯（Los Angeles）；該圖引自文獻[23]）

1.3 季節(jié)降水與氣溫配置

為了直觀起見，在三類氣候區(qū)中各選取一些站點，將它們月降平均水量和氣溫繪制成隨季節(jié)演變曲線，以顯示季節(jié)循環(huán)中二者的位相對應或配置關(guān)系。從圖3a可以看到，亞洲季風區(qū)代表站點北京和印度新德里的降水都集中在5—10月的暖季或夏季風季節(jié)，其中最明顯的特征是降水量呈單峰分布且出現(xiàn)在夏季。與此相反，意大利羅馬、中亞中南部土庫曼斯坦的阿什哈巴德、吉爾吉斯坦的比什凱克、塔吉克斯坦的杜尚別、伊朗的德黑蘭以及北美西海岸的舊金山和洛杉磯等地站點的降水量大都集中在11月—翌年4月的冷季，季節(jié)降水亦呈單峰分布，屬于地中海氣候。盡管如此，這些站點的氣候平均氣溫仍呈一致的單峰分布，高溫極值出現(xiàn)在夏季（圖3b），但南亞季風區(qū)新德里的氣溫峰值因受季風降水影響略向5—6月偏移。可見，季風氣候降水量大，水—熱配置特征是降水與氣溫的季節(jié)演變幾乎同位相，簡稱為“水熱同季”，即夏季高溫對應于降水峰值，冬季低溫干燥；而地中海氣候與之相反，降水量較小且水—熱配置反位相，即冷季氣溫低谷大致對應于季節(jié)降水峰值，簡稱為“水熱反季”。

西風帶控制區(qū)氣候特征與季風氣候或地中海氣候都不同。亞洲中緯度西風帶控制下干旱半干旱氣候帶上5個城市站點氣候平均降水最明顯的特征是季節(jié)變化不很明顯，存在多個極值（圖4a），但氣溫仍是一貫的單峰分布，峰值位于夏季（圖4b）。例如，烏魯木齊降水極大值分別出現(xiàn)在5、7、11月；新疆西部伊寧站的極大值在4、5、11月；中亞哈薩克斯坦烏拉爾斯克站的極大值在7月和11月；哈薩克斯坦巴爾哈什站的極大值在5月和7月，烏克蘭頓捏斯克站的極大值在6月和12月。因此，西風帶控制區(qū)的氣候特征是降水與氣溫幾乎不相關(guān)（out of phase），表明西風帶控制區(qū)降水季節(jié)分布比較均勻的現(xiàn)象主要是大氣動力學的貢獻。事實上，空氣柱水汽含量與氣溫成比例，夏季氣柱水汽含量高，有利于降水，冬季與之相反。在這5個站中有3個站（烏拉爾斯克，烏魯木齊，巴爾哈什）在盛夏均存在降水極大值，反映了熱力學因子對降水的貢獻。而站點在其他季節(jié)的降水極值主要是大氣動力學的貢獻，來源于天氣尺度降水。

2 環(huán)流與水汽

2.1 青藏高原周邊氣候型

依據(jù)大尺度氣候分類法（圖2b）[23]，圍繞著青藏高原可以劃分為3個大尺度氣候區(qū)，即中亞準地中海氣候區(qū)（簡稱中亞氣候區(qū)），中緯度西風帶控制氣候區(qū)（簡稱西風帶氣候區(qū)）以及亞洲季風區(qū)。亞洲季風區(qū)又可細分為南亞熱帶季風區(qū)（簡稱為南亞季風區(qū)）和東亞季風區(qū)（副熱帶和溫帶季風）。這樣，圍繞青藏高原可以圈出4個大尺度氣候區(qū)（圖5），其中，西風帶氣候區(qū)對應于歐亞大陸中高緯度西風控制區(qū)中降水標準差極小地帶，即季節(jié)降水分布最均勻帶，其范圍從黑海東北岸，經(jīng)中亞北部到中國西北部，其大部位于亞洲中部干旱半干旱氣候區(qū)。這個地帶與陳發(fā)虎等提出的“西風模式”區(qū)域比較接近[35-36]。因此，亞洲中部干旱區(qū)大部為西風帶氣候區(qū)和中亞地中海氣候區(qū)所覆蓋，二者氣候特征存在明顯的差異，其干旱形成機理也不盡相同。這需要從與降水季節(jié)分布關(guān)聯(lián)的水汽輸送及其散度特征等方面做進一步分析。

圖4 亞洲中部西風帶控制區(qū)站點氣候平均降水（a）和氣溫（b）季節(jié)分布（站點城市：烏魯木齊（Urumqi），巴爾喀什（Balkhash，哈薩克斯坦），伊寧（Yining），頓捏斯克（Doneck，烏克蘭），烏拉爾斯克（Uralsk，哈薩克斯坦）；該圖引自文獻[23]）

圖5 氣候平均12個月降水標準差及圍繞青藏高原4個氣候型位置（該圖引譯自文獻[23]）

2.2 水汽輸送通量分解

降水的季節(jié)分布與整層大氣平均氣流水汽輸送通量的經(jīng)向分量關(guān)聯(lián)。大氣層單位截面整層水汽輸送通量（記為MF）可以分解成平均氣流水汽輸送通量（記為MMF）及瞬變渦動水汽輸送通量（記為TMF），其中MMF是用月平均風和比濕計算的整層大氣水汽通量，TMF是MF與MMF之差[23]。MMF也稱為平均氣流水汽輸送通量，或在本文中也簡稱為大尺度水汽輸送通量，以區(qū)別于天氣尺度的TMF。MMF是MF的主要部分，二者具有幾乎一致的季節(jié)變化特征。TMF主要代表移動性氣旋、反氣旋或天氣尺度擾動對水汽輸送通量的貢獻。對比圖6與圖2b可以發(fā)現(xiàn)，東亞和南亞季風區(qū)暖季或冷季降水占年降水量比率高/低對應于向偏北/偏南方向的平均氣流水汽輸送通量（簡稱水汽輸送，下同）。例如，中亞暖季降水稀少對應于自北向南的水汽輸送（圖2b，圖6a）；冷季降水占年降水量比率大對應于自南向北的水汽輸送（圖2b，圖6b）。在西風帶氣候區(qū)，暖季或冷季都盛行向東的水汽輸送，對應于四季比較均勻的降水分布（圖2b，圖6a、6b）。因此，季節(jié)性降水分布與季節(jié)性水汽輸送經(jīng)向分量的盛行方向關(guān)聯(lián)，季節(jié)降水差異大的地區(qū)對應于經(jīng)向水汽輸送方向存在明顯的季節(jié)變化[23，37-39]。此外，瞬變渦動水汽輸送量遠小于平均氣流水汽輸送，在北半球其輸送方向一致偏向北方且不隨季節(jié)反轉(zhuǎn)。它是移動性天氣系統(tǒng)降水的水汽供給者，對于中高緯度降水尤其重要。

2.3 水汽通量散度

季節(jié)性降水分布與水汽輸送經(jīng)向分量的對應關(guān)系源于其伴隨的水汽通量散度不同[23，40]。計算結(jié)果揭示，平均氣流水汽輸送方向偏北的區(qū)域?qū)谒椇蠀^(qū)。例如，暖季的東亞和南亞季風區(qū)，北非季風區(qū)，以及冷季的中亞、阿拉伯半島、地中海北岸及歐洲大部分地區(qū)等，其氣候平均氣流水汽通量散度均＜0，即是大尺度水汽輻合區(qū)；反之，平均氣流水汽通量的輻散區(qū)對應于存在偏南方向的水汽輸送區(qū)域，如暖季的地中海沿岸，阿拉伯半島，中亞及歐洲等大部分西風帶控制區(qū)，以及冷季的東亞和南亞季風區(qū)，東非季風區(qū)等（圖6、7）。因此，氣候平均水汽輸送方向偏北的區(qū)域伴隨水汽輻合，偏南的伴隨水汽輻散。這說明，氣候平均大氣環(huán)流型決定了大尺度水汽的輻合或輻散區(qū)域，從而在很大程度上決定了降水的季節(jié)分布。

季節(jié)平均瞬變渦動水汽通量散度在很大程度上反映了天氣尺度擾動對水汽通量的輻合輻散效應[37]。在暖季，瞬變渦動水汽通量散度在中國淮河以南的亞熱帶地區(qū)和南亞季風區(qū)均＞0，即暖季平均而言，瞬變渦動導致這些季風區(qū)水汽輻散，不利于降水；但在淮河以北的東亞季風區(qū)（溫帶季風區(qū)）其水汽通量散度＜0，表明天氣尺度擾動制造水汽輻合，有利于北方暖季降水（圖7c）。另外，在中亞東部亦存在瞬變渦動水汽輻合，可能與地形有關(guān)，但在中亞西部和西風控制區(qū)均為其水汽通量輻散區(qū)，不利于該地的暖季降水。然而，在冷季，除了中國大陸西南部、中南半島南部和印度次大陸南部等地，中亞和亞洲季風區(qū)大多轉(zhuǎn)為瞬變渦動水汽通量輻合區(qū)，但在西風控制區(qū)仍為其水汽輻散區(qū)（圖7d）。這與冷季歐亞大陸中高緯度西風帶控制區(qū)瞬變渦動水汽通量散度均＜0形成鮮明的對比（圖7d）。

圖6 氣候平均垂直積分平均氣流水汽輸送通量（g/m·s）和氣柱可降水量（cm）（a為暖季，5—10月；b為冷季，11月—次年4月；圖中白色虛線圈從西北開始沿順時針方向依次表示西風帶氣候區(qū)、東亞季風區(qū)、南亞季風區(qū)及中亞準地中海氣候區(qū)，對應于圖5中的標識；該圖引自文獻[23]）

3 氣候型配置特征

在季節(jié)平均尺度上，青藏高原四周區(qū)域具有不同的環(huán)流和水—熱配置特征（圖8）。在暖季，西風帶氣候區(qū)水汽向東輸送，位于大尺度水汽輻散區(qū)，氣溫高降雨少，氣候干熱；中亞干旱區(qū)水汽向南輸送，位于大尺度水汽輻散區(qū)，氣溫高降水少，氣候干熱。與中亞干旱區(qū)相反，東亞季風區(qū)水汽向北輸送，來自印度洋和太平洋的暖濕氣流在東亞匯合，出現(xiàn)大尺度水汽輻合區(qū)，暖濕多雨，形成副熱帶季風氣候；在南亞季風區(qū)來自印度洋跨赤道的高溫高濕氣流向東—東北方向輸送，形成大尺度水汽輻合區(qū)，高溫多雨，形成熱帶季風氣候（圖8a）。在冷季，西風帶控制區(qū)水汽亦向東輸送，形成大尺度水汽輻合區(qū)，但是氣溫低水汽含量少，氣候干冷；在中亞干旱區(qū)，水汽轉(zhuǎn)為向北輸送，形成大尺度水汽輻合區(qū)，降水相對較多，氣候濕冷；在東亞，冷季盛行偏北冬季風，水汽向南輸送，形成大尺度水汽輻散區(qū)，降水稀少，氣候干冷；在南亞，水汽向東輸送，形成大尺度水汽輻散區(qū)，氣候干燥涼爽（圖8b）。不難看出，在青藏高原東西兩側(cè)，季節(jié)性水汽輸送方向不僅相反，而且在冷、暖季節(jié)反向變化，類似于一個東西向跨青藏高原水汽通量經(jīng)向分量的“蹺蹺板”，造成中亞和東亞季節(jié)降水率分布反相，即暖季中亞干旱區(qū)以偏北風為主，對應水汽向南輸送，在冷季反之，以偏南風為主，對應水汽向北輸送；東亞季風區(qū)與中亞干旱區(qū)正好相反。這實際上反映了青藏高原東西兩側(cè)對流層下層經(jīng)向風存在的季節(jié)性互動現(xiàn)象[41-42]，導致中亞降水在冷季更多，而東亞降水集中在暖季。

圖7 氣候平均水汽輸送通量散度和季節(jié)降水百分率（a、b分別為暖季、冷季平均氣流水汽輸送通量散度；c、d分別為暖季、冷季瞬變渦動水汽輸送通量散度；圖中黑色粗虛線環(huán)標出東亞季風區(qū)、南亞季風區(qū)、中亞準地中海氣候區(qū)及西風控制區(qū)的干旱半干旱氣候帶，對應于圖5中的標識；該圖引自文獻[23]）

圖8 圍繞青藏高原4種氣候型（見圖5）水熱環(huán)流配置示意圖（該圖引譯自文獻[23]）

季節(jié)平均氣流與瞬變渦動水汽輸送通量也存在一定的互動或耦合關(guān)聯(lián)。在暖季，亞洲季風區(qū)平均氣流水汽輸送通量均伴隨大尺度水汽輻合，但瞬變渦動在南亞和東亞南部制造水汽輻散，在東亞北部制造水汽輻合；同時，平均氣流水汽輸送通量在西風帶控制區(qū)和中亞均呈現(xiàn)水汽輻散，瞬變渦動水汽輸送通量在西風帶氣候區(qū)及中亞大部也均呈現(xiàn)輻散（圖9a）；但冷季平均氣流水汽輸送通量在亞洲季風區(qū)轉(zhuǎn)為輻散，瞬變渦動水汽輸送通量轉(zhuǎn)為輻合；而平均氣流水汽輸送通量在西風帶氣候區(qū)和中亞氣候區(qū)均轉(zhuǎn)為輻合，瞬變渦動在中亞亦制造水汽輻合，但在西風帶氣候區(qū)仍然制造水汽輻散（圖9b）。平均氣流水汽輸送散度在亞洲季風區(qū)和非季風區(qū)（西風帶控制區(qū)和中亞氣候區(qū)）也總是呈現(xiàn)季節(jié)性反向變化，說明圍繞青藏高原周邊的平均氣流水汽通量散度場也存在季節(jié)性互動或遙相關(guān)，導致亞洲季風區(qū)與青藏高原西北側(cè)干旱半干旱氣候區(qū)在季節(jié)循環(huán)中水汽散度總是呈現(xiàn)反向變化。另一方面，在亞洲季風區(qū)南部（東亞淮河以南的亞熱帶季風區(qū)和南亞季風區(qū)），平均氣流水汽輸送通量亦與瞬變渦動水汽通量散度呈季節(jié)性反位相配置，且隨季節(jié)循環(huán)反向變化，但在西風帶控制區(qū)卻不然。例如，暖季瞬變渦動水汽輸送通量與平均氣流水汽輸送通量均保持輻散，冷季卻相反；而在中亞大部分地區(qū)，二者的符號在暖季和冷季均保持一致。這些現(xiàn)象說明，亞洲季風區(qū)平均氣流和瞬變渦動水汽通量散度之間存在反位相互動，但在中亞和西風帶氣候區(qū)卻不盡然。圖8和圖9揭示出圍繞青藏高原4個氣候區(qū)之間的水—熱配置特征及其對應的水汽輸送通量及其散度特征[23，40]，對其深入挖掘有助于理解亞洲中部干旱氣候格局的形成機理[43-45]。

圖9 圍繞青藏高原4種氣候型（見圖5）平均與瞬變渦動水汽輸送通量及其散度配置（該圖引譯自文獻[23]）

4 亞洲中部干旱區(qū)形成機理

4.1 降水不足且水—熱配置不當

亞洲中部干旱區(qū)形成最直接的原因是年降水量不足且季節(jié)循環(huán)中降水與氣溫位相配置不當，不能滿足地表植物生長期的水分需求，導致土地退化（圖10）。例如，中亞暖季氣溫高、降水稀少，冷季氣溫低，降水相對較多；而亞洲中部西風帶氣候區(qū)遠離海洋，原本不足的降水又過度均勻地分配給暖冷2個季節(jié)，導致暖季供給植物水分不足，亦造成土地退化。此外，中國西北部屬于內(nèi)陸干旱區(qū)[46]，包括新疆、甘肅西北部、內(nèi)蒙古西部的阿拉善盟及青海省的柴達木盆地等，其中新疆北部接近于西風帶氣候，降水的季節(jié)分布比較均勻[47]，其余地區(qū)主要受山地阻隔等影響，空氣干燥，降水稀少、蒸發(fā)量很大[48-49]，盡管觀測氣溫與降水接近同位相[50-53]，卻仍然無法滿足地表植物的水分需求，土地沙化嚴重，形成了塔克拉瑪干、巴丹吉林和騰格里等大沙漠。內(nèi)陸干旱區(qū)已經(jīng)成為中國最重要的沙塵源地[54-55]。

圖10 圍繞青藏高原的4類氣候型區(qū)（圖5）及其下墊面沙漠或沙地分布（該圖引譯自文獻[23]）

4.2 干旱氣候的動力—熱力配置

環(huán)境空氣的水汽含量和大氣層結(jié)穩(wěn)定度是降水的熱力學條件，動力輻合上升運動屬于動力學條件，適宜的動力—熱力配置有利于降水發(fā)生或提高降水效率。氣溫高，氣柱水汽含量高，層結(jié)穩(wěn)定度低，降水熱力學條件好，風場輻合上升運動視為適宜降水的動力學條件。本文的動力學條件皆指平均氣流或瞬變渦動水汽通量散度的作用。亞洲中部干旱區(qū)水—熱配置不當起因于區(qū)域性環(huán)流的動力—熱力條件配置不當。例如，一方面氣候平均氣溫和大氣層結(jié)的季節(jié)分布大致不變，另一方面平均氣流和瞬變渦動水汽通量散度卻隨季節(jié)變化，結(jié)果造成當?shù)貏恿Α獰崃ε渲貌町悺＠缰衼喼心喜繉儆跍实刂泻夂騾^(qū)，水—熱季節(jié)配置反位向，暖季氣溫高、氣柱水汽含量相對較高，層結(jié)穩(wěn)定度低，降水的熱力學條件好，但平均氣流和瞬變渦動水汽輸送通量均為輻散，降水的動力學條件差，造成降水稀少；冷季氣溫低、氣柱水汽含量少，層結(jié)穩(wěn)定度高，降水的熱力學條件差，盡管大尺度和天氣尺度水汽輸送通量均為輻合，但降水效率低，降水量不大。在中亞北部至中國西北部的西風帶控制區(qū)，暖季氣溫高，氣柱水汽含量相對較高，氣層穩(wěn)定度低，熱力學條件較好，但大尺度及天氣尺度水汽輸送通量均呈輻散，降水的動力學條件差，導致降水量亦不大；冷季氣溫低、氣柱水汽含量少、層結(jié)穩(wěn)定，降水的熱力學條件差，盡管平均氣流水汽輸送通量為輻合，但瞬變渦動水汽輸送通量仍為輻散，即降水的動力學條件也不夠好，造成西風帶氣候區(qū)大部降水較少，導致土地退化。這是亞洲中部干旱區(qū)土地退化的大氣環(huán)流動力—熱力學機制。

4.3 中亞干旱氣候環(huán)流成因

在亞洲中部干旱區(qū)環(huán)流的動力—熱力配置來源于氣候平均大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化。因空氣水汽含量隨高度呈指數(shù)遞減[56-57]，氣候平均水汽輸送的方向由對流層下層風場決定。沿緯圈氣候平均經(jīng)向風分布與氣候平均位勢高度場上的準定常波或平均槽脊位置有關(guān)[27，58-60]。因風場與氣壓場之間的地轉(zhuǎn)平衡約束[61]，在這些槽前脊后盛行偏南氣流，水汽向北輸送；在槽后脊前盛行偏北氣流，水汽向南輸送，結(jié)果導致暖季歐洲槽前是弱的偏南風，北非副熱帶高壓北上控制地中海地區(qū)，副高東端向東北方向伸展，其前方的偏北氣流引導中亞中南部上空的水汽向南輸送并伴隨水汽輻散[23，37]，造成當?shù)氐母蔁嵘儆隁夂?；在冷季，副熱帶高壓南撤，西風帶隨之南壓，西風環(huán)流在新疆形成一個弱脊，在東歐為一槽區(qū)，位于槽前脊后的中亞盛行偏南氣流，并與地中海氣旋東部偏南氣流疊加形成中亞上空自南向北的水汽輸送及水汽輻合，加之地中海氣旋時而的東移替換，會帶來較強的瞬變渦動水汽通量輻合，給冷季的阿拉伯半島和中亞等地帶來較多的降水過程[62-64]。

4.4 干旱區(qū)環(huán)流形成機理

干旱區(qū)氣候的水—熱配置不當來源于大氣環(huán)流定常波或平均槽脊的位置及其季節(jié)變化。而定常波形成于海陸分布熱力差異及大地形強迫[65-68]，數(shù)值試驗證實后者對定常波的貢獻最大[21-22，69-70]。因此，青藏高原和北美落基山脈的隆升是中緯度亞洲中部干旱氣候格局形成的主要驅(qū)動力[71-74]。而定常波位置和波數(shù)的季節(jié)變化起因于地表冷熱源地理分布的季節(jié)變化。例如，在暖季，大陸是熱源，海洋是冷源，冷季與此相反；而大地形（如青藏高原）熱源的季節(jié)變化也與此類似。從環(huán)流系統(tǒng)看，中亞中南部和阿拉伯半島等地干旱氣候還與暖季北非副熱帶高壓向東北方向過度伸展（相對于同緯度副高）有關(guān)，其原因可能是青藏高原在暖季成為熱源，其熱力對流驅(qū)動在中亞形成一個附加的下沉氣流支，制造反氣旋渦度[75]，誘導該副高東進。在地球演化歷史中，海陸分布和高原山脈的隆起均是大陸板塊漂移、碰撞或褶皺的結(jié)果[76]，因此，亞洲中部干旱區(qū)是從遙遠的地質(zhì)年代開始逐漸形成的[77-79]，其過程見圖11。地球演化過程中形成的海陸分布和大地形決定了地球上中緯度大尺度氣候的干濕格局。然而，自工業(yè)革命以來，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動對全球氣候的影響越來越明顯，溫室氣體排放、土地利用等已經(jīng)在一定程度上影響到亞洲中部干旱區(qū)氣候[80-82]。盡管如此，全球大氣環(huán)流的基本結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生明顯改變，歐亞大陸上大尺度干濕氣候格局也未發(fā)生明顯變化[83]。

圖11 亞洲中部干旱區(qū)形成過程示意圖

5 結(jié)論與討論

本文綜述了亞洲中部干旱氣候若干研究進展。對相關(guān)文獻進行了再分析、再挖掘、再解讀，深入分析了亞洲中部干旱區(qū)的形成機理，主要結(jié)論如下：

（1）亞洲中部干旱區(qū)主要包括兩類大尺度氣候型，即中亞準地中海氣候型和西風帶氣候型，前者降水集中在冷季，后者為歐亞大陸西風帶控制區(qū)中降水季節(jié)分布比較均勻地帶，范圍從中亞北部向東伸展至中國西部內(nèi)陸干旱區(qū)。

（2）亞洲中部干旱區(qū)成因是年降水不足且季節(jié)性水—熱配置不當，即在中亞氣候區(qū)暖季高溫對應于少雨，冷季低溫對應于多雨；在中亞北部至中國西北西部西風帶氣候區(qū)降水少且季節(jié)分布過于均勻，植物生長季水分不足，地表蒸發(fā)量高，導致土地退化。

（3）降水季節(jié)分布與當?shù)厮斔偷慕?jīng)向分量關(guān)聯(lián)，即季節(jié)性水汽輸送向北/南伴隨水汽輻合/輻散，對應于季節(jié)性降水比率高/低。

（4）亞洲中部干旱區(qū)水—熱配置不當來源于區(qū)域性環(huán)流的動力—熱力配置，即在中亞中南部，暖/冷季對應于氣柱水汽含量高/低、大氣層結(jié)穩(wěn)定度低/高，平均氣流水汽輻散/合、導致降水效率低，降水量少且水—熱配置不當。

（5）區(qū)域性水汽輸送的南北方向由大氣環(huán)流定常波或平均槽脊季節(jié)變化決定，定常波的季節(jié)變化造成亞洲中部干旱區(qū)大氣動力—熱力結(jié)構(gòu)特征，導致季節(jié)循環(huán)中的水—熱配置不當。

（6）大氣環(huán)流定常波是海陸熱力差異及大地形強迫的結(jié)果，地表冷熱源分布的季節(jié)變化導致定常波波數(shù)及位置的季節(jié)差異，這是亞洲中部干旱區(qū)形成的根本原因。

（7）中國西北內(nèi)陸干旱區(qū)屬于行星尺度西風帶氣候區(qū)，但其中大部分干旱或極端干旱區(qū)的形成主要與大地形阻隔或氣流繞流有關(guān)，缺乏水汽及持續(xù)的下沉氣流造成當?shù)貧鉁馗邷亍⒔邓∩?，加之地表蒸發(fā)量大，導致土地沙化，形成沙漠。

此外，從地質(zhì)時間尺度上看，青藏高原的隆升改變了亞洲的氣候格局。在青藏高原兩側(cè)的亞洲季風區(qū)與亞洲中部干旱區(qū)之間存在大尺度水汽通量及其散度的節(jié)性互動或跨高原的遙相關(guān)現(xiàn)象，即隨著季節(jié)循環(huán)，水汽輸送通量經(jīng)向分量在青藏高原東西兩側(cè)呈反向變化并伴隨水汽通量散度變化，造成高原兩側(cè)季節(jié)降水占年降水量的比率亦呈反向變化。進一步分析還發(fā)現(xiàn)，北半球亞洲及非洲季風區(qū)與歐—亞—非大陸非季風區(qū)（中亞地中海氣候區(qū)和西風帶控制區(qū)）之間的行星尺度平均氣流水汽通量散度也呈現(xiàn)季節(jié)性反向變化。因此可以說，北半球亞洲季風區(qū)的濕潤氣候的形成在某種程度上是以青藏高原西北側(cè)亞洲中部的干旱化氣候為代價的。這些大尺度或行星尺度大氣環(huán)流性質(zhì)之間的互動說明全球大氣環(huán)流內(nèi)部存在季節(jié)時間尺度上的動力學關(guān)聯(lián)機制。另一方面，在季節(jié)循環(huán)中季風區(qū)和非季風區(qū)存在平均氣流與瞬變渦動水汽散度配置的季節(jié)性變化差異，即在歐亞大陸中高緯度西風帶控制區(qū)及地中海氣候區(qū)等二者隨季節(jié)循環(huán)幾乎同位相變化，但在低緯度季風區(qū)二者卻總是反向配置，說明大氣環(huán)流中平均氣流與瞬變渦動水汽輸送通量散度在季風與非季風區(qū)存在不同的動力耦合關(guān)系，其動力學機理需要進一步研究。