近57 a南疆帕米爾地區(qū)春季降水季節(jié)內差異及環(huán)流異常分析

陳 靜，毛煒嶧，李紅軍，嚴 樂，李淑娟

（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.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊830002；3.中國人民解放軍69040部隊，新疆 烏魯木齊830092）

新疆深居歐亞大陸中心，處于極度干旱的地帶，水汽輸送距離長，降水量極少。并且3—5月是新疆河流枯水期[1]，流量小，春播灌溉用水得不到滿足，嚴重制約農業(yè)生產及經濟的發(fā)展。帕米爾地區(qū)位于新疆南疆西部，是天山、昆侖山和喀喇昆侖山三大山系的交匯地帶，常年冰雪覆蓋，冰川融水匯入塔里木河流域，是河水補給的主要來源，更是南疆農業(yè)生產重要的灌溉水源。因此，帕米爾地區(qū)降水量的多少與南疆地區(qū)農牧業(yè)發(fā)展息息相關，研究帕米爾地區(qū)降水的多寡及異常狀態(tài)有重要的現實意義。

目前氣象學者涉及帕米爾地區(qū)降水的研究多是把西北或者新疆地區(qū)作為一個整體來研究，并更多地偏重于西北或新疆地區(qū)降水較為充沛的夏、冬季，分析了新疆地區(qū)夏、冬季降水的時空特征、環(huán)流形勢及其與海溫、青藏高原熱力異常、大氣濤動等因子間的關系[2-16]。而針對春季降水異常的分析多從水汽輸送的角度出發(fā)，側重于探究降水的水汽來源。任宏利等[17-18]指出西北地區(qū)降水的水汽主要來自于南部季風區(qū)；徐棟等[19]指出西北干旱區(qū)春季外部水汽輸送減少，但蒸發(fā)和水汽輻合顯著增強，降水增加顯著；趙紅巖等[20]則指出西北地區(qū)降水量與東亞北風異常有著顯著相關性；戴新剛等[21]指出里海和地中海是新疆春季降水的水汽源地；楊蓮梅等[22]分析了1961—2007年新疆春季降水異常，并指出新疆地區(qū)斯堪的納維亞環(huán)流型（SCA環(huán)流型）是造成新疆春季降水異常的主要環(huán)流型，西風氣流輸送水汽的多少決定了降水的異常。

新疆地區(qū)獨特的干旱、半干旱的氣候與其他西北地區(qū)存在很大的不同，而南疆和北疆的氣候特征也存在著極大的差異，南疆地區(qū)的降水量遠小于北疆地區(qū)，對西北地區(qū)或新疆的整體的降水異常分析不足以準確地表征出南疆地區(qū)的降水異常實際情況。并且由于南疆地區(qū)強的干旱背景，季節(jié)尺度或月尺度等長時間尺度的降水異常特征通常會被強的干旱背景信息所掩蓋，對長時間尺度降水及其環(huán)流背景的研究較難準確地反映南疆地區(qū)降水的實際情況。因此本文利用觀測數據及NECP/NCAR再分析資料對南疆帕米爾地區(qū)降水特征及季節(jié)內差異進行細致的分析，從降水異常的中層高度場，高低空風場及水汽輸送的角度深入探討帕米爾地區(qū)降水異常的成因。研究該區(qū)域的降水變化規(guī)律及影響系統，對揭示該區(qū)域的氣候變化及大氣環(huán)流演變，對提高氣候預測準確性，指導農業(yè)生產，因地制宜的制定防災減災政策具有重要意義。同時，南疆帕米爾地區(qū)是“中巴經濟走廊”的重要組成部分，對該地區(qū)的氣候變化及極端天氣氣候事件的科學分析，是應對建設“中巴經濟走廊”過程中面臨的氣候風險問題的有效手段。

1 資料與方法

本文使用的數據資料包括臺站觀測數據及NECP/NCAR再分析資料。其中，觀測資料由新疆氣象信息中心提供并進行數據質量控制，為1961—2017年春季（3—5月）逐日平均降水資料。選取南疆帕米爾地區(qū)塔什庫爾干、烏恰和吐爾尕特3個代表站（圖1），該三站的海拔均在2000 m以上，能夠很好地表征帕米爾地區(qū)高山地帶氣候特征；再分析資料來自美國國家環(huán)境預測中心和大氣研究中心（NECP/NCAR），為1961—2017年逐日資料，空間分辨率為2.5°×2.5°。本文采用的分析方法主要有氣候診斷分析方法及標準化距平、滑動平均、回歸及合成分析等多元統計方法。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 近57 a帕米爾地區(qū)春季降水季節(jié)內差異

2.1 春季降水季節(jié)內特征

近57 a來帕米爾地區(qū)春季降水增長顯著，部分站點出現了罕見的暴雨，降水量遠超多年平均值，增長趨勢約為0.87 mm/10 a。且從其年代際變化上看，帕米爾地區(qū)于21世紀初進入新的多雨期。對1961—2017年帕米爾地區(qū)的春季季節(jié)內降水進行統計分析同樣可以發(fā)現，3、4、5月降水均呈增加趨勢，且于2010年代前后進入新的多雨期。其中，3月降水的增長速率約為 0.73 mm/10 a，近10 a的平均降水量為10.72 mm，相對1961—2017年的多年平均值僅增大了0.02 mm，增長幅度不大。但2017年3月降水量高達36 mm，為多年平均值的3.4倍，是近57 a來的最大值；4月的降水增長趨勢與3月相差不大，增長速率約為0.87 mm/10 a，較57 a平均降水量增大1.28 mm。帕米爾地區(qū)4月降水已經歷了3個多雨期與2個少雨期，2012年進入新的多雨期；帕米爾地區(qū)5月降水開始逐漸呈現出夏季降水的分布形態(tài)，降水量明顯高于其他兩個月，增長趨勢更為明顯，增長速率為1.02 mm/10 a。近10 a平均降水量為27.42 mm，相對57 a平均降水量增大了2.83 mm。相對3、4月而言，5月進入新的多雨期的時間更為提前，約為2007年。

為了更加清晰客觀地分析帕米爾地區(qū)近57 a的降水情況，了解帕米爾地區(qū)降水的環(huán)流配置，降低南疆干旱背景對降水環(huán)流背景分析的影響，對帕米爾地區(qū)春季旬尺度降水進行進一步分析。圖2為帕米爾地區(qū)1961—2017年春季旬尺度降水特征及趨勢。由圖2可知，與季節(jié)尺度和月尺度降水明顯的增加趨勢不同，帕米爾地區(qū)在春季9旬的降水趨勢上并未出現明顯的增長趨勢，多數旬降水無明顯變化。自1961—2017年，3月上旬降水量在年代際與年際上均無明顯的變化規(guī)律，僅在2017年偏多較為顯著；3月中旬的降水同樣在趨勢和年際波動上無明顯特征，其降水量極大值出現于1960年，降水正距平出現的頻率在2010年代有所增加；3月下旬降水呈現弱的增加趨勢，同時出現了明顯的周期形勢，2000年代中期以來為多雨期。4月上旬有較為明顯的增加趨勢的同時伴隨著明顯但不規(guī)律的年代際波動，2010年代后進入新的多雨期；4月中旬的降水仍存在著較為明顯的增加趨勢，但未通過顯著性檢驗。年代際上存在著多雨期少雨期的波動，少雨期相對多雨期長，僅在1995年前后進入約5～6 a的短暫多雨期，2010年代開始新的多雨期；4月下旬略有不同，近57 a的降水呈現出微弱的減少趨勢，降水正距平的年份多數出現在2000年以前。5月上旬在20世紀60年代降水量更為充沛，在趨勢及年際波動上均未表現出明顯的變化規(guī)律。5月中旬的降水略有增加的趨勢，降水正距平年零散但相對均勻的分布在各年代；5月下旬降水存在增加趨勢的同時擁有較為清晰的周期形勢，20世紀80年代后期為周期的突變點，由少雨期轉變?yōu)槎嘤昶凇?/p>

總的來看，帕米爾地區(qū)春季降水在季節(jié)尺度和月尺度上表現出明顯的增加趨勢，但該趨勢在旬尺度上表現不明顯。其中，3月下旬、4月上旬、4月中旬、5月中旬及5月下旬的降水在近57 a呈現出增長趨勢，但并未能通過95%的顯著性檢驗，其他旬降水無明顯變化趨勢。在年代際波動上，除3月上、中旬外，其余旬均顯現出一定的多雨期—少雨期交替的周期特征。其中，以3月下旬、5月上旬、5月下旬周期性相對顯著。此外，2010年代后，春季9旬降水正距平年份強度和頻率均有顯著增加，可以判定2010年代帕米爾地區(qū)春季降水將進入新的多雨期。

2.2 降水異常偏多年選取

帕米爾地區(qū)春季季節(jié)內降水存在著巨大的差異，旬尺度上表現出變化趨勢與季節(jié)尺度與月尺度的增長趨勢也有所不同，研究不同旬尺度降水的降水機理，分析其高低層環(huán)流配置及水汽輸送特點與區(qū)別，能清晰的分辨不同旬降水間的降水的差異的成因，并由此進一步分析帕米爾地區(qū)降水增大的形成機理。

為了更清楚地分析近57 a帕米爾地區(qū)不同旬尺度降水差異及其環(huán)流異常特征，同時減少南疆干旱的環(huán)流背景對帕米爾地區(qū)降水的影響，本文利用標準化降水距平方法[23-26]挑選出帕米爾地區(qū)不同旬的降水偏多年，將年際變化值減去多年平均值的差值大于一個標準差的年份定義為降水異常年（表1）。其中3月上中下旬降水異常偏多年分別有7、5、8 a，4月上中下旬分別有 7、8、7 a，5月上中下旬分別有6、10、12 a。因降水偏少年的環(huán)流形勢與氣候平均態(tài)環(huán)流形勢相差不大，故本文僅討論降水異常偏多年。

表1 帕米爾地區(qū)降水偏多年份

圖2 帕米爾地區(qū)春季季節(jié)內降水分布特征

3 帕米爾地區(qū)春季季節(jié)內降水異常的環(huán)流特征

3.1 中層高度場特征

為了從更細致的時間尺度分析帕米爾地區(qū)春季季節(jié)內降水異常的環(huán)流特征，圖3給出了春季9旬的降水異常偏多年500 hPa高度場及距平場。如圖所示，降水異常偏多年3月上旬（圖3a）中高緯為三槽三脊的環(huán)流型，三槽分別位于北美、東歐—西西伯利亞、東亞地區(qū)，三脊分別位于歐洲沿岸、西伯利亞、北美西部地區(qū)。極渦中心位于西半球，歐洲沿岸有100 gpm的位勢高度正距平，歐洲沿岸脊發(fā)展引導冷空氣南下使東歐—西西伯利亞槽加深，帕米爾地區(qū)位于槽前且處于高度場負距平區(qū)，有利于降水的產生；3月中旬（圖3b）環(huán)流發(fā)生了調整，北美西部阿拉斯加地區(qū)出現了明顯低槽和高度場負距平，西伯利亞脊已不明顯，歐洲沿岸依然為位勢高度正距平，東歐—西西伯利亞槽加深，帕米爾地區(qū)依然位于槽前且為高度場負距平區(qū)；3月下旬（圖3c）極渦已由西半球移到極區(qū)，環(huán)流的經向度減弱變得較平直，但歐洲沿岸依然有位勢高度正距平，帕米爾地區(qū)依然位于槽前且為高度場負距平區(qū)。

500 hPa環(huán)流配置在4月上旬（圖3d）發(fā)生較明顯調整，歐洲沿岸脊已演變?yōu)椴?，烏拉爾山地區(qū)為脊區(qū)，巴爾喀什湖則為低槽區(qū)。同時，歐洲沿岸槽、烏拉爾山脊和巴爾喀什湖槽分別位于位勢高度負距平、正距平、負距平區(qū)，帕米爾地區(qū)位于巴爾喀什湖槽前且為高度場負距平區(qū)；4月中旬（圖3e）極渦已一分為二，分別位于東、西半球，歐洲沿岸槽、烏拉爾山脊依然存在位勢高度負距平、正距平，帕米爾地區(qū)位于波長較長的歐洲沿岸槽前且為高度場負距平區(qū)；4月下旬（圖3f）西半球極渦已消失，極渦偏于東半球，歐洲沿岸槽、烏拉爾山脊和巴爾喀什湖槽分別位于位勢高度負距平、正距平、負距平區(qū)，帕米爾地區(qū)位于巴爾喀什湖槽前且為高度場負距平區(qū)。

圖3 1961—2017年春季降水異常偏多年500 hPa高度場（實線，單位：gpm）及距平場（陰影，單位：gpm）（時間同圖2）

5月上旬（圖3g）中高緯槽脊的波長變小，演變?yōu)樗牟鬯募沟沫h(huán)流型。極渦強度減弱，歐洲沿岸槽、烏拉爾山脊、巴爾喀什湖槽略東移，負、正、負的高度場距平依然存在，帕米爾地區(qū)依然位于巴爾喀什湖槽前且為高度場負距平區(qū)；5月中旬（圖3h）太平洋中部槽、北美東部槽劇烈發(fā)展，四槽四脊的環(huán)流形勢更加明顯，帕米爾地區(qū)依然位于巴爾喀什湖槽前且為高度場負距平區(qū)，但其上游地區(qū)高度場距平已變得不明顯；5月下旬（圖3i）隨著槽脊系統的東移，歐洲沿岸演變?yōu)榧箙^(qū)，東歐發(fā)展為槽區(qū)，新疆北部為弱脊區(qū)，帕米爾地區(qū)位于寬廣的東歐槽前，高度場距平已不明顯。

綜上可知，近57 a帕米爾地區(qū)春季降水異常偏多年的環(huán)流形勢在旬尺度上變化明顯。伴隨著極渦由西半球逐漸移到東半球，中高緯環(huán)流由三槽三脊型逐漸演變?yōu)樗牟鬯募剐停叨壬详P鍵系統（歐洲沿岸槽、烏拉爾山脊、巴爾喀什湖槽、東歐—西西伯利亞槽）的位置和強度及高度場距平變化明顯。3月東歐沿岸脊發(fā)展、東歐—西西伯利亞槽加深對帕米爾地區(qū)降水異常偏多具有指示意義。4—5月歐洲沿岸槽加深、烏拉爾山脊發(fā)展、巴爾喀什湖槽加深是帕米爾地區(qū)降水異常偏多的關鍵系統及指標。

3.2 高低空風場特征

降水的產生離不開降水區(qū)大氣的垂直上升運動，垂直上升運動又往往和高層大氣的輻散有關。圖4給出了春季9旬的降水異常偏多年200 hPa風場、急流（陰影區(qū)）和春季9旬多年平均的200 hPa急流（等值線）。由圖可見，降水異常偏多年帕米爾地區(qū)位于高空急流出口區(qū)左側輻散區(qū)，有利于上升運動的產生，從而產生降水。降水異常偏多年3月上旬急流核達 60 m·s-1以上，位于（40°E，30°N），3 月下旬已經減弱到50 m·s-1以上。4月急流核保持45 m·s-1，4月下旬急流核位于（10°E，25°N），較 3 月上旬強度減弱了15 m·s-1，經度西退了30°。5月急流在強度和范圍上均進一步減弱，5月中下旬只有極小范圍的35 m·s-1區(qū)域。同時，降水異常偏多年的高空急流較常年的高空急流強度基本偏大5～10 m·s-1，急流核位置基本位于更加偏東位置。

圖4 1961—2017年春季9旬降水異常偏多年200 hPa風場（風羽，單位：m·s-1）、急流（陰影，單位：m·s-1）及春季 9 旬多年平均 200 hPa急流（等值線，單位：m·s-1）（時間同圖 2）

3月上旬—5月下旬高空急流是一個減弱西退的過程，降水異常偏多年的高空急流較常年強度更強、位置更偏東，更有利于位于急流出口區(qū)左側的帕米爾地區(qū)產生降水。

有利于大氣產生垂直上升運動的風場除了高層輻散風場外，還有低層輻合風場。圖5給出了春季9旬的降水異常偏多年700 hPa風場、大風區(qū)和春季9旬平均態(tài)的700 hPa大風區(qū)以及降水異常偏多年700 hPa風場距平。從圖中可以看到，降水異常偏多年 3 月上旬在（40°E，30°N）存在 14 m·s-1的大風區(qū)，帕米爾西部為西南氣流，且在該地區(qū)存在一個氣旋式風場距平場，有利于產生低層風場輻合；3月下旬大風區(qū)減弱為12 m·s-1，范圍也有所減小，帕米爾地區(qū)東部的南疆地區(qū)為明顯的偏東風場距平場，并存在一個氣旋式風場距平場；4月大風區(qū)減弱，帕米爾地區(qū)附近為西南氣流。4月上旬帕米爾地區(qū)東西兩側均為弱偏東風距平，4月中旬轉為較明顯西南風距平，4月下旬轉為輻合形態(tài)的西南風和東北風距平；5月上旬降水異常偏多年風場和風場距平場在帕米爾地區(qū)均表現為氣旋式輻合場，5月中旬表現為較明顯西南風距平，5月下旬風場和風場距平場均不明顯，但依然可見風場距平輻合場。同時可見，降水異常偏多年（40°E，30°N）附近大風區(qū)基本上較常年更強。

綜上所述，降水異常偏多年旬尺度上低層風場距平變化明顯，既有明顯西南風距平輻合型，也有西南風和東北風距平輻合型，還有氣旋式環(huán)流距平輻合型，這三種形勢均有利于低層輻合產生垂直上升運動，造成降水的出現。可見，降水異常偏多年高層風場輻散、低層風場輻合較常年更強，更有利于產生降水。

3.3 水汽輸送特征

圖5 1961—2017年春季降水異常偏多年700 hPa風場（風羽，單位：m·s-1）、風場距平（箭頭，單位：m·s-1）、大風區(qū)（陰影，單位：m·s-1）和春季 9旬多年平均 700 hPa大風區(qū)（等值線，單位：m·s-1）（時間同圖 2）

降水的產生除了要求降水區(qū)大氣的垂直上升運動外，另一個很重要的條件就是有水汽輸送到降水區(qū)且在降水區(qū)上空輻合。圖6為春季9旬的降水異常偏多年700 hPa水汽通量（流線）、水汽通量距平、水汽通量散度距平（陰影區(qū)）。由圖可見，降水異常偏多年3月上旬帕米爾地區(qū)水汽主要來自偏西路徑，到達帕米爾地區(qū)轉為西南路徑輸送，且存在偏西水汽通量距平，同時，帕米爾地區(qū)為-10×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1水汽輻合距平中心；3月中旬帕米爾地區(qū)水汽輻合距平中心略減弱為-8×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1；3 月下旬水汽依然來自偏西路徑輸送，但在到達帕米爾地區(qū)轉為偏南路徑，水汽通量距平也轉為偏東和偏南兩條路徑到達帕米爾地區(qū)；4月上旬帕米爾地區(qū)水汽輻合距平中心略減弱為-6×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1，水汽通量距平較弱；4月中旬水汽輻合距平中心增強為-10×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1，存在西南路徑水汽通量距平；4月下旬轉為西南和東北路徑水汽通量距平。5月上旬水汽來自兩條路徑，一條為西南轉西北路徑再轉為偏南路徑，另一條為西南轉西北路徑到達新疆東部再轉為偏東路徑，水汽通量距平為偏東和偏南兩條路徑到達帕米爾地區(qū)；5月中旬水汽主要來自偏西路徑，水汽通量距平為偏西和偏北兩條路徑到達帕米爾地區(qū)；5月下旬水汽輻合距平中心減弱，9旬中最弱達-4×10-8kg·hPa-1·m-2·s-1，水汽通量距平為弱的偏東和西南兩條路徑到達帕米爾地區(qū)。

綜上可見，降水異常偏多年水汽輸送及水汽輻合在旬尺度上變化明顯，既有偏西路徑，又有偏東路徑的水汽輸送，還有西南、偏南路徑水汽到達帕米爾地區(qū)，水汽輻合程度存在差異，水汽通量距平表現也很不一致。

4 結論

（1）近57 a來，帕米爾地區(qū)春季降水在季節(jié)尺度和月尺度上表現出較為明顯的增加趨勢，但旬尺度上并未表現出一致的增大趨勢，僅有3月下旬、4月上旬、4月中旬、5月中旬及5月下旬有著不顯著的增長趨勢。年代際波動上，除3月上、中旬外，其余旬均顯現出一定的多雨期—少雨期交替的周期特征，以3月下旬、5月上旬、5月下旬周期性相對顯著。此外，21世紀初帕米爾地區(qū)將進入新的多雨期，降水正距平年份強度和頻率均有顯著增加。

圖6 1961—2017年春季降水異常偏多年700 hPa水汽通量（流線，單位：kg·hPa-1·m-1·s-1）、水汽通量距平（箭頭，單位：kg·hPa-1·m-1·s-1）、水汽通量散度距平（陰影，單位：10-8 kg·hPa-1·m-2·s-1）（時間同圖 2）

（2）近57 a帕米爾地區(qū)春季降水異常年的環(huán)流形勢在旬尺度上變化明顯。在極渦由西半球逐漸移到東半球，中高緯環(huán)流由三槽三脊型逐漸演變?yōu)樗牟鬯募剐偷倪^程中，3月東歐沿岸脊、東歐—西西伯利亞槽及分別的高度場正距平、負距平對帕米爾地區(qū)降水異常偏多具有指示意義。4—5月歐洲沿岸槽、烏拉爾山脊、巴爾喀什湖槽及分別的高度場負距平、正距平、負距平是帕米爾地區(qū)降水異常偏多的關鍵系統及指標，旬尺度上關鍵系統的位置和強度存在不同，高度場距平也存在差異。

（3）高空急流在旬尺度上是一個逐漸減弱西退的過程，降水異常偏多年的高空急流較常年強度更強、位置更偏東，更有利于位于急流出口區(qū)左側的帕米爾地區(qū)產生降水。低層風場距平變化明顯，分為西南風距平輻合型、西南風和東北風距平輻合型和氣旋式環(huán)流距平輻合型，這三種形勢均有利于低層輻合，產生垂直上升運動，造成降水的出現。降水異常偏多年高層風場輻散和低層風場輻合更強，對帕米爾地區(qū)產生降水更為有利。

（4）降水異常偏多年水汽輸送及水汽輻合在旬尺度上變化明顯，水汽輸送以偏西路徑為主，同時還有偏東、西南、偏南路徑水汽輸送到達帕米爾地區(qū)，春季9旬水汽輻合程度及水汽通量距平存在明顯差異。

現有的結果表明，帕米爾地區(qū)春季降水在季節(jié)尺度、月尺度和旬尺度上未能表現出統一的增加趨勢，帕米爾地區(qū)的降水增加趨勢是否由幾旬的降水增加導致或由其相互作用產生影響尚待進一步分析和驗證。同時可發(fā)現，南疆干旱背景致使帕米爾地區(qū)多年以來少雨期遠長于多雨期，隨著氣候變暖，南疆降水也在逐漸增加，其多雨期降水的環(huán)流配置與水汽輸送是否發(fā)生隨之改變也待進一步研究。