塔里木盆地夏季降水的年代際變化及其影響環流

玉奴斯·唐阿塔爾，趙 勇

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象學會，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）

過去100 年，全球陸地降水變化呈明顯的區域差異，降水量在北美北部和南美南部增加，在亞洲、非洲和南極洲減少[1-2]。全球陸地干旱區大多變干，而我國西北地區氣候呈明顯的變濕趨勢，降水增加顯著[3]。20 世紀80 年代中后期，西北氣候由暖干向暖濕轉型，西北西部的新疆尤其顯著[4-5]。水是制約干旱區社會經濟發展的核心因素，降水是干旱區地表水資源的主要來源，同時也對干旱區生態安全具有重要意義，因此干旱區降水的時空變化特征及其影響機制研究受到廣泛的關注。

大氣環流系統的強度和位置變化，是導致降水異常的直接原因。中亞上空的副熱帶西風急流夏季北上，進入新疆上空，其強度和位置變化與新疆夏季降水密切相關，當中亞上空的副熱帶西風急流位置向南移動，可以導致新疆更多的夏季降水發生[6-7]。南亞高壓的伊朗高壓型和雙體型貢獻了新疆夏季降水的70%～90%，兩種類型高壓的位置變化與新疆夏季降水密切聯系[8-9]。當北非副熱帶高壓異常東伸時，有利于新疆西部夏季發生更多的降水[10]。中亞低渦是影響新疆夏季降水的關鍵天氣尺度環流系統之一，低渦的位置和強度對新疆夏季降水起到關鍵作用[11]。新疆南、北部夏季降水存在明顯的年際變化差異，影響環流也不同[12]。楊蓮梅等[13]發現塔里木盆地夏季降水偏多時，對應伊朗副熱帶高壓偏東，西太平洋副熱帶高壓偏西，中亞副熱帶西風急流位置偏南。楊霞等[14]認為低空東風急流在塔里木盆地大降水過程中扮演了重要角色。

以上研究從不同大氣環流系統的角度分析了導致新疆夏季降水異常的可能成因，主要集中于年際變化。也有一些研究考慮了新疆夏季降水的年代際變化，如楊蓮梅等[15]認為新疆北部夏季的年代際增濕主要源于熱帶印度洋水汽向北輸送的加強。陳活潑等[16]認為太平洋—東亞遙相關波列位置和強度的年代際變化，加強了西北太平洋水汽的向西輸送進入新疆，這是導致該區域夏季降水年代際變化的重要原因之一。最近的研究表明印度洋海盆模增暖導致了新疆北部夏季極端降水的年代際增多[17]。絲綢之路大氣遙相關型通過影響大氣環流和水汽輸送，貢獻了塔里木盆地2009 年以來夏季降水的異常增多[18]。塔里木盆地是西北干旱區夏季降水增加最為顯著的區域之一，年代際增加依然持續[19-20]。已有研究分析了新疆整體或區域夏季降水年代際變化的影響環流，但使用的降水資料長度大多集中在2010 年之前，此外是否存在其它的重要影響因子，尚不清楚。本文在已有研究基礎上，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際變化特征的基礎上，給出不同年代際背景下的關鍵影響環流特征，從大氣遙相關型的角度初步揭示了盆地夏季降水年代際變化的可能機制。

1 數據和方法

國家氣象信息中心提供了1961—2020 年逐日降水數據，數據經過了簡單的質量控制，如果某測站在任意一年中有超過5%的數據為缺測，則將該測站剔除[21]，基于此塔里木盆地選取測站33 個。大氣環流再分析數據由美國國家環境預測中心和大氣研究中（NCAR/NCEP）提供[22]，包括風場、地面氣壓場和比濕等變量，水平空間分辨率為2.5°× 2.5°。大氣遙相關指數源自美國氣候預測中心（CPC：https：//psl.noaa.gov/data/climateindices/list/），對北半球250 hPa逐月位勢高度場進行旋轉經驗正交分解，第四主分量時間系數的標準化值定義為東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數[23]。本文的夏季指6—8 月。

降水量為塔里木盆地夏季各測站日降水≥0.1 mm的降水量和值；降水日數為塔里木盆地夏季各測站日降水≥0.1 mm 的降水日數和值；降水強度為降水量與降水日數的比值。

2 塔里木盆地夏季降水的年代際變化特征

為了揭示塔里木盆地夏季降水的年代際變化特征，圖1 給出了塔里木盆地區域平均的夏季降水距平年際變化及9 a 滑動平均曲線。塔里木盆地有明顯的年代際變化特征，氣候突變發生在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 年以來，10 a 中有8 a 降水均為正異常。

由圖2a 可知，相較于1961—1986 年，1987—2020 年除盆地東部個別站點夏季降水略減少外，其余站點均增加，尤其盆地的西部和北部，降水顯著增加。由圖2b 降水日數的年代際變化與降水量變化的空間基本一致，盆地西部和北部降水日數顯著增加。大部分站點的降水強度也增強（圖2c），但是空間分布與降水量和降水日數并不一致，同時也不顯著。說明近30 多年，塔里木盆地西部和北部夏季降水的顯著增多，主要由降水日數的增加貢獻。

圖2 1987—2020 年與1961—1986 年塔里木盆地夏季降水量（a）、降水日數（b）和降水強度（c）的變化

3 不同年代際背景下塔里木盆地夏季降水的影響環流特征

副熱帶西風急流在塔里木盆地夏季降水過程中扮演了重要角色，一方面急流的位置和強度對對流層中低層氣旋的產生具有顯著影響，另一方面高層急流加強時，起到“抽氣機”作用，加強了低層大氣的輻合上升，為降水提供了有利的動力條件[24]。由圖3a可知，1961—1986 年，當盆地夏季降水偏多時，對應里海和咸海以南200 hPa 緯向風增強，以北減弱，說明中亞副熱帶西風急流的軸線南移。由圖3b 可知，1987—2020 年，盆地夏季降水依然與中亞副熱帶西風急流關系密切，當盆地夏季降水偏多時，對應里海和咸海以北200 hPa 緯向風減弱，以南增強，但并不顯著。

圖3 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地區域平均的夏季降水序列與200 hPa 緯向風（m·s-1）的回歸分布

1961—1986 年，當塔里木盆地夏季降水偏多時，對應中亞上空為異常的氣旋性環流，異常氣旋位于40°N 附近，氣旋東部盛行異常西南風，為塔里木盆地帶來低緯的暖濕氣流，形成有利于降水的環流條件（圖4a）。1987—2020 年，當塔里木盆地夏季降水偏多時，對應的500 hPa 風場特征與前一時期有些不同，異常氣旋位于40°N 以南，更有利于將低緯的暖濕氣流攜帶北上，同時蒙古上空為異常反氣旋環流，氣旋東部的異常西南風和反氣旋西部的異常東南風在塔里木盆地上空交匯，形成更為有利的降水條件，導致整個時期夏季降水發生更多（圖4b）。

圖4 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地區域平均的夏季降水序列與500 hPa 風（m·s-1）的回歸分布

塔里木盆地遠離海洋，同時四周被高山環繞，水汽輸送也是降水發生的重要條件之一。1961—1986年，當塔里木盆地夏季降水偏多時，阿拉伯海上空為異常反氣旋環流控制，中亞上空為異常氣旋環流控制，前者將阿拉伯海的水汽向北輸送，完成水汽輸送的第一步，后者接力將水汽繼續向北輸送，進入塔里木盆地上空，為降水發生提供有利的水汽條件（圖5a）。1987—2020 年西北太平洋上空為異常反氣旋環流控制，表示西太平洋副熱帶高壓向西移動，加強了西北太平洋和孟加拉灣的水汽輸送至青藏高原的西南部，中亞里海以南受異常氣旋控制，氣旋東部的異常西南風將這支水汽繼續向北輸送至塔里木盆地上空，為盆地降水發生提供了有利的水汽條件。

圖5 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）塔里木盆地區域平均的夏季降水序列與水汽通量（kg·m-1·s-1）的回歸分布

綜上，塔里木盆地夏季降水在1987 年前后發生了顯著變化，兩個時期影響降水的環流和水汽輸送特征也存在明顯差異，主要體現在中亞上空異常氣旋的位置，水汽輸送的路徑等，大氣遙相關型變化是導致大氣環流異常演變的重要因子，圖6 給出了東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數與塔里木盆地區域平均夏季降水的年際變化，東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數與塔里木盆地夏季降水存在密切的年際聯系，1961—1986 年，二者的相關系數為-0.49，1987—2020 年，二者的相關系數為-0.53，均通過0.05 的顯著性檢驗。

圖6 1961—2020 年塔里木盆地區域平均的夏季降水和東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數的年際變化

1961—1986 年，當東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數負異常時，可以導致中亞上空40°N 以南的緯向風加強，以北的緯向風減弱，說明中亞副熱帶西風急流位置南移（圖7a），與圖3a 的結果一致。1987—2020 年，東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數也與200 hPa 緯向風關系密切，當東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數為負異常時，中亞副熱帶西風急流位置南移，東亞副熱帶西風急流北移，與圖3b 得到的結論類似。

圖7 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數與200 hPa 緯向風（m·s-1）的回歸分布

1961—1986 年，當東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數負異常時，中亞上空受異常氣旋性環流控制，氣旋中心位于40°N 左右（圖8a），與圖4a 一致。氣旋東部的異常西南風控制了新疆大部分區域，與東部季風區不同，夏季風背景下，降水的多寡主要與北方的冷空氣南下密切相關[25]，新疆由于緯度相對較高，降水的發生主要受南風氣流控制，因此中亞上空的異常氣旋（槽）是導致夏季降水的關鍵環流系統之一。1987—2020 年，當東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數負異常時，中亞里海以南受異常氣旋控制，蒙古高原上空受異常反氣旋控制，氣旋東部的異常西南風和反氣旋西部的異常東南風在塔里木盆地上空交匯，為夏季降水提供了有利的環流條件。

圖8 1961—1986 年（a）和1987—2020 年（b）東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數與500 hPa 風（m·s-1）的回歸分布

4 結論

基于1961—2020 年降水和環流數據，首先揭示了塔里木盆地夏季降水的年代際變化特征，然后分析了不同年代際背景下影響盆地夏季降水的環流和水汽輸送特征，最后從大氣遙相關型的角度，初步揭示了大氣環流異常的可能形成原因，主要結論如下：

（1）塔里木盆地夏季降水在1987 年前后發生了氣候突變，1961—1986 年，夏季降水整體偏少，1987—2020 年，夏季降水整體偏多，尤其近10 年。夏季降水的年代際增多主要集中在塔里木盆地的西部和北部，東部呈現少許的減少，降水的增多主要由降水日數的增加貢獻，降水強度也有增強，但并不顯著。

（2）1961—1986 年，當盆地夏季降水偏多時，中亞副熱帶西風急流位置向南移動，中亞上空受異常氣旋性環流控制，塔里木盆地上空盛行異常西南風，阿拉伯海的水汽通過兩步輸送進入塔里木盆地上空。1987—2020 年，當盆地夏季降水偏多時，中亞副熱帶西風急流位置向南移動，中亞里海以南上空受異常氣旋性環流控制，蒙古高原上空受異常反氣旋控制，二者共同作用下塔里木盆地上空受異常南風控制，西太平洋副熱帶高壓西伸，導致西北太平洋和孟加拉灣水汽輸送至青藏高原西南部，由中亞上空的異常氣旋環流進一步輸送至塔里木盆地上空。

（3）東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數與塔里木盆地夏季降水呈密切負相關聯系，兩個時期的相關系數均可通過0.05 的顯著性檢驗。在盆地夏季降水不同年代際背景下，當東大西洋—西俄羅斯大氣遙相關指數負異常時，可以導致中亞副熱帶西風急流位置向南移動，同時影響中亞上空異常氣旋位置的變化，進而貢獻不同時期盆地夏季降水的異常變化，在塔里木盆地夏季降水的年代際變化中扮演了重要角色。