特殊大地形背景下塔里木盆地夏季降水过程及其大气水分循环结构

徐祥德 ，王寅钧 ，，魏文寿 ，赵天良 ，徐洪雄

（1.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；2.南京信息工程大学，江苏 南京210044；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

塔克拉玛干沙漠位于中国最大的内陆盆地——塔里木盆地，东西长约1 000 km，南北宽约400 km，面积约337 600 km2，流动沙丘约占整个沙漠的85%。地势自西南向东北倾斜，沙漠四周由绿洲和高山环绕，中国第一大内陆河塔里木河从中穿过，与荒漠过渡带一起构成了独特而脆弱的生态环境，是内陆干旱区对气候变化响应极为敏感的区域[1]。水是绿洲的命脉，是绿洲生态系统中的决定要素之一，塔克拉玛干沙漠腹地被称为“死亡之海”，在塔克拉玛干沙漠中水资源是沙漠生态与资源开发系统的生命线。

地处中国西北干旱半干旱地区的塔里木盆地，由于地理位置处于季风边缘，既受西风带控制，又受季风影响，加上三面高山环绕，C字型大地形特征，在大气环流的作用下形成复杂的水汽输送通道，使得该地区对气候变化显得十分敏感和脆弱，降水年际变化极不稳定。塔里木河流域由水引起的生态恶化，在我国内陆河流中具有代表性[2]。

图1 青藏高原与塔里木盆地大地形图

青藏高原与天山环抱塔里木盆地，沙漠与绿洲构成了干旱区域特殊的盆地景观。C字型大地形山脉与盆地形成复杂水份内循环结构（图1）。塔里木盆地周边气象资料和塔中站资料的分析表明，沙漠腹地是水汽含量的低值区而不是高值区，水汽含量仅为7～8 mm，NCEP/NCAR再分析资料在塔克拉玛干沙漠地区偏差很大，得出的沙漠是大气含水量高值中心的结论与实际情况明显不符。该区域沙漠下垫面水、热过程特殊热源结构与西风带相互作用，在周边特殊大地形结构影响下，造就了塔里木盆地独特空中水汽分布格局及其大气水分循环特征，揭示特殊大地形环抱的塔里木盆地沙漠区域降水过程机制将有助于解读被称为“死亡之海”的此盆地区域特有的水分循环结构。本文将从盆地沙漠区域视热源、水汽汇动力、热力特征及其对沙漠区降水过程的影响作用视角，初步剖析此盆地沙漠特殊的水分循环结构。本文亦将进一步探讨被称为“死亡之海”塔克拉玛干沙漠为何出现盛夏“雨季”，并观测到有些年份夏季沙漠多降水现象？

1 资料说明

本文使用了中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集（V3.0），包含了中国基本、基准气象站、一般气象站在内的主要2 474个站点1951年1月—2012年7月本站气压、气温、降水量、蒸发量、相对湿度、风向风速、日照时数和0 cm地温要素的日值数据。

本文还使用了2000—2012年7月6 h时间间隔的NCEP1°×1°格点的再分析资料，以及1948—2012年NCEP2.5°×2.5°月值的格点再分析资料。

本文使用NCAR/NCEP再分析2.5°×2.5°资料中的月平均纬向风u、经向风v、比湿场q、地面气压ps，对水汽输送进行整层积分的计算，分析陆面或海面到300 hPa高度整层大气的水汽及其输送特征，垂 直 方 向 上 取 1 000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa、400 hPa和 300 hPa，共 8 层。其中，整层纬向水汽输送Qu，经向水汽输送Qv的计算方法如下：

其中：g为重力加速度，u、v分别为纬向风和经向风分量，q为比湿，ps为地面气压，pt为大气柱上边界气压，取300 hPa。

由NCEP资料采用Yanai[3]给出的“倒算法”计算得出的逐层视热源（Q1）和水汽汇（Q2）。

Q1和 Q2的计算公式如方程（3）、（4）所示，式中s=cpT+gz为干静力能，是显热能（或感热）与重力位能的和，k=R/cp，R和cp分别为干空气气体常数和定压比热，θ为位温，T为气温，q为比湿，V为水平风向量，ω为垂直速度，L为凝结潜热，其它为气象常用符号。式中“一”代表区域平均值（文中取为九点面积平均值）。

粒子扩散模式 Flexpart（Lagrangian Particle Dispersion Model）是由挪威学院大气系空气研究所和气候所开发[4]，它是一个拉格朗日粒子扩散模式，可以用来追踪大气成分轨迹。Flexpart模式能够计算大量的粒子群轨迹，用这个轨迹来描述示踪物在大气中的传输和扩散过程。

2 塔克拉玛干沙漠降水时空分布特征

有关文献提出塔克拉玛干沙漠大降水的雨迹主要出现在夏季（6—8月），占总次数的84.4%；春秋两季雨迹出现频次很少，只占总次数的15.6%。1988年1—12月在塔克拉玛干沙漠腹地满西（40°06′N，83°06′E）进行定位观测[5]。年降水量为 84.9 mm；7，8月份最集中，占全年的61%；7月份最多，占全年的44%。从实测资料和通过卫星监测雨迹的次数对比分析可以清楚地看出:塔克拉玛干沙漠降水集中于盛夏，可称为“雨季”。此外，实测资料表明降水变量大。一次大降水强度大，降水量多。如1988年7月23—24日降水量达28.2 mm，而在夜间半小时内降水达20mm，当时地面有积水。

计算塔里木盆地1961—2012年月际变化（图2a）可发现该区域降水量全年12月、1月为低谷，7月为峰值，且其降水月际变化与新疆区域、天山区域特征十分吻合。另外，沙漠夏季降水量年际变化趋势与新疆区域、天山亦有相似特征，但变化长周期峰值有超前现象（图2b）。由表1可知塔克拉玛干沙漠夏季降水与新疆区域有显著相关，且与天山亦有很好的相关。

3 与大地形相互影响塔克拉玛干沙漠盆地山谷风效应

塔里木盆地作为中国最大的内陆盆地，三面为昆仑山、喀喇昆仑山与天山环绕，其周边特殊的地貌构成了塔克拉玛干沙漠类似山谷风的特殊日变化环流结构。由于盆地特殊地形影响，上述天气系统在这里的移动性差，某些天气（现象）系统在盆地内部滞留的时间长，水分（水汽、云，蒸发、降水量）在盆地内部的循环比较明显等。而且形成了一些独特的天气现象如盆地的过热奇寒、稳定温度层结，气压日变化大，春季翻山大风、阴雾天气、类山谷风等[6]。张学文分析认为，阿克苏河上游地区的降水增加特别明显，就是由灌溉蒸发量加大和类山谷风共同作用造成的[7]。

表1 1961—2012年塔里木盆地沙漠区域夏季降水与天山区域、新疆区域夏季降水的相关系数

使用NCEP 6 h间隔的数据（UTC 00 06 12 18对应当地时06凌晨12中午18傍晚00深夜，后面描述全用当地时），计算了2000—2012年7月新疆塔里木盆地沙漠以及周边地区的纬向、经向的温度、位温、比湿和风速日变化距平的垂直剖面图（图3），可以很好的描述出该区域的边界层的结构以及日变化特征。塔里木盆地沙漠地区由于四周环山（西侧帕米尔高原、东侧阿尔金山、北侧天山、南侧青藏高原），无论纬向、经向剖面图的环流都表现为类似不同尺度“山谷风”的特征。白天地表受到辐射加热增温，中午沙漠南侧青藏高原加热显著形成增温变化高值柱，盆地边缘气流沿两边山坡爬升为主。傍晚东—西向垂直剖面图沙漠边缘气流沿两侧山坡爬升；南—北向垂直剖面图沙漠南侧青藏高原呈“加热柱”出现沙漠区域与北侧山地向青藏高原大范围爬升的大尺度“山谷风”。夜间高原地面辐射冷却降温明显，冷空气沿山坡下滑，盆地边缘边界层低层以下沉气流为主，盆地的中间区域边界层中上层剩余层中的白天暖空气产生上升气流。白天在盆地的中间区域边界层存在冷空气下沉，南—北向垂直剖面图上可发现夏季越过青藏高原、天山两侧气流在沙漠中部下沉，其与深夜环流方向相反，呈周边山地与盆地沙漠间多尺度“山谷风”效应。

白天由于沙漠盆地干旱少雨，地面吸收太阳辐射强烈，地面感热通量较强，使得对流边界层（CBL）发展极为深厚，从傍晚计算的位温各时刻平均值分析其结果可看出900～600 hPa具有明显的混合层特征，垂直梯度较小，CBL顶部可以达到600 hPa高度左右（离地高度约3 000 m），大约600～500 hPa为夹卷层，位温随高度增加速度明显加快（图略）。

由于沙漠区域比湿的日变化主要受到大尺度比湿平流以及比湿垂直输送和小尺度的湍流扩散两方面的作用，夜间沿高山下滑的气流相对于盆地边缘是潮湿的，夜间持续的比湿平流以及比湿垂直输送作用使得盆地边界层低层湿度增加比较明显，另一方面，夜间稳定边界层的层结使得地表的水汽难以通过湍流扩散向高层输送，大气处于比较稳定的保守状态，其边界层大气的比湿要比白天的高一些，这一点在高原表现的更为明显；白天盆地沙漠环流特征与夜间相反，盆地干的空气沿山坡爬升，流入盆地边界层低层的是边界层中上层相对干的下沉气流，另一方面，由于盆地和高原的白天对流边界层都发展深厚，地表的水汽通过湍流混合进入边界层中上层，900～600 hPa混合层比湿的垂直梯度相对于夜间明显减小，从距平图上可以看到边界层低层比湿是负距平，高层一般是正距平。

上述计算分析结果表明塔里木盆地沙漠边界层辐射强日变化叠加上周边高原大地形“山谷风”效应导致高山环抱盆地的独特水、热过程与局地环流的日变化特征。

4 塔克拉玛干沙漠“C”型大地形热源效应及其与降水的相关特征

图3 塔里木盆地及周边山地2000—2012年7月世界时UTC

有关文献指出由于塔里木河流域地形十分复杂，且塔里木河流域地处塔克拉玛干大沙漠腹地，受西风控制且处于季风边缘，三面环山，被一个背对西风的C型大地（图4）形包围，形成了该地区独特而复杂的区域地理特征。但大地形、西风环流以及季风在区域气候形成中的相互作用关系尚不清楚[8]。

图4 塔里木盆地C型地形图

为探讨西风带波流作用背景下C型大地形环抱的塔里木盆地沙漠区域特殊下垫面热力过程响应特征，本文将区域大气热源结构分布作为切入点，通过计算1971—2012年整层视热源（Q1）与水汽汇（Q2）发现周边大地形的塔里木盆地沙漠夏季为视热源（Q1）与水汽汇（Q2）的相对高值中心（图5a、b），这现象反映了特殊周边大地形包围的盆地与沙漠下垫面呈区域性强辐射及其热源极值特征；另外，由整层热源东—西向垂直剖面图（图5c、d）亦可发现上述周边为山地的塔里木盆地上空为柱状视热源（Q1）与水汽汇（Q2），且盆地上空两类热源呈非对称结构，其向C型东部开口处延伸（图5c、d）。

计算分析可进一步揭示出1971—2012年上述盆地沙漠两类视热源（Q1）与水汽汇（Q2）分别与夏季（6—8月）降水年际变化具有同位相特征，且热源与降水年际变化的趋势亦有相似特征（图5e、f）；上述盆地沙漠视热源（Q1）与水汽汇（Q2）分别与夏季（6—8月）降水相关系数的平方R2为0.115 1、0.124 2（图5g，h），相关系数均达到95%信度水平，这表明周边大地形的盆地沙漠其热源是其区域降水的重要影响因子。

有关研究表明[9]，新疆年降水量存在显著的6 a准耦合振荡，北疆北部、中天山及吐鲁番盆地、南疆西部具有5～8或8～10 a短周期等。有关文献亦提出过去60 a以准3 a短周期为主，并认为近20 a的湿期已结束[10]，利用小波分析可得到变量在时间频率域中的分布及多周期变化特征，本文计算了塔里木盆地区域1961—2012年夏季降水与视热源（Q1）、水汽汇（Q2）周期特征，由上述三项小波分析可发现盆地夏季降水显著周期集中在2～3 a和6～7 a；视热源（Q1)同期显著周期亦集中在2～3 a和7 a；水汽汇（Q2）显著周期则集中约在2～3 a。由此可知塔里木盆地区域夏季降水亦与视热源（Q1）显著周期特征呈相近之处，此小波分析结果亦表明盆地夏季视热源与降水年际变化周期特征存在显著的相关性。但水汽汇（Q2）仅与降水、视热源（Q1）在短周期有所相似（图6a，b，c）。

5 盆地热源结构与降水过程动力机制

考虑塔里木盆地夏季降水过程动力、热力结构分别与区域视热源（Q1）、水汽汇（Q2）相关特征，本文计算了1971—2012年（6—8月）该沙漠降水、视热源（Q1）、水汽汇（Q2）分别与该区域夏季各层涡度、散度及流场三维相关结构，并对比分析盆地降水、视热源（Q1）、水汽汇（Q2）三者与各动力物理量分量相关特征。图7为该盆地沙漠区降水、视热源（Q1）、水汽汇（Q2）与散度物理量、风场（u、w）相关系数在纬带（38°N）东—西向垂直剖面图。由图6a、b、c可发现两侧为山地的该盆地沙漠区夏季降水与该区域低层500 hPa强辐合与300 hPa以上高层强辐散呈显著的上、下配置的正、负相关极值区（蓝、红色范围均超过90%信度标准的相关区），这表明沙漠降水与该区域大气动力结构中高层强辐散、中低层强辐合动力效应密切相关，对比图7a、b、c亦可发现视热源（Q1）与水汽汇（Q2）相比较，前者相关的辐散、辐合结构特征与该区域夏季降水动力结构更为相似。这表明沙漠降水的启动过程视热源（Q1）是关键的热力驱动因素。

本文还计算1971—2012年塔里木盆地夏季降水、视热源（Q1）与水汽汇（Q2）与涡度三维相关结构，计算结果亦可揭示出两者均与降水涡度动力结构有显著相关，且视热源（Q1）与水汽汇（Q2）相比较，前者的涡度物理量垂直相关结构特征与降水动力结构亦更为接近（图略）。

另外，针对上述图7b38°N纬向东—西向垂直剖面图视热源（Q1）与风场（u、w）在高层（200～300 hPa）东侧存在一垂直剖面上风矢“汇合奇点”。

图5 塔里木盆地1971—2012年多年平均夏季视热源、水汽汇三维空间分布及其与降水的相关特征

图6 1961—2012 年塔里木盆地夏季降水（a），视热源（Q1）（b），水汽汇（Q2）（c）Morlet小波分析

本文还计算了盆地与沙漠上空夏季降水、视热源（Q1）分别与 250 hPa、500 hPa的高低不同层次风场相关矢量场，由图8a、b可揭示出降水与视热源（Q1）的高层（250 hPa）在沙漠与盆地上空为强反气旋性相关矢环流，且沙漠与盆地上空正处于反气旋相关环流东侧的强辐散极值区，同样在500 hPa中低层沙漠上空两者（降水、Q1）与风场、散度场相关亦对应着气旋性相关环流，且均处于相关环流中间的强辐合区，值得注意的是在盆地与沙漠两者与辐散相关场为负相关极值区，其均强辐合中心区，且周边对应于C型高原山地区域强辐散区（图8c，d）。

6 盆地降水过程水汽输送通道及其水汽源

塔克拉玛干沙漠大降水和水汽主要来自西方和北方，在一定环流形势下，阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾的水汽可以北涌越过青藏高原进入塔里木盆地，有充分水汽和持续的足够强的上升运动才能形成沙漠大降水。造成塔克拉玛干沙漠大降水的系统性云系分为5大类4种（冷锋涡旋云系类；大槽、低涡云系类；南支槽盾状云系类；副热带西风急流云系类；短波云系迭加与南北云系结合类）。天气事实和3 a的监测结果表明:56.2%沙漠雨迹的产生是由两种或两种以上天气尺度系统性云系结合或迭加的结果。具体表现为南北云系的结合和高低空云系的迭加及上下游云系的合并[11]。

图7 塔里木盆地1971—2012年平均夏季降水量（a），视热源（Q1）（b），水汽汇（Q2）（c）与各层散度相关的（38°）纬向垂直剖面图

图8 1971—2012年塔里木盆地夏季降水量（a），视热源（Q1）（b）与250 hPa散度、风速u、v的相关场及塔里木盆地夏季降水量（c），视热源（Q1）（d）与 500 hPa散度、风速 u、v的相关场

考虑整层水汽汇（Q2）不仅反映了空中水汽输送与水汽局地变化的状态，而且与大气动力、热力过程存在密切的相关，本文采用夏季该盆地区域整层水汽汇（Q2）与大范围东亚区域整层水汽输送通量（Qu、Qv）求取同期水汽输送通量相关矢量场（图9a），由图9a可发现塔里木盆地沙漠区域夏季降水水汽源一支来自西部里海、黑海，可追溯至大西洋，另一支来自低纬阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾，且南支与北支水汽通道相汇合北涌跨越青藏高原进入盆地，提供了该区域夏季沙漠空中水资源，并通过该区域强热源形成的上升运动触发机制，形成沙漠降水，甚至发生局地异常强降水。采用Flexpart模型追踪塔里木盆地沙漠区域水汽后向轨迹，其盆地区域经纬度范围为 37°～40°N，75°～84°E，高度为 100～6 000 m，粒子群释放时刻为降水过程2012年7月25日00时，后向轨迹模拟至2012年7月13日00时，计算结果发现水汽轨迹来源主要分为两支，一支来自北侧和西侧的水汽流起了主要作用，另一支水汽流来自低纬阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾的北涌跨越高原的南支气流也输送了部分水汽。图9a、b描述了塔里木盆地降水的水汽流与后向轨迹某种程度存在相似之处。

7 讨论与结论

（1）计算分析结果表明塔里木盆地沙漠边界层辐射强日变化叠加上周边高原大地形“山谷风”效应导致高山环抱盆地与沙漠区的独特水、热过程与局地环流的日变化特征。

（2）该区域降水量全年12月、1月为低谷，7月为峰值，且其降水月际变化与新疆地区、天山区域特征十分吻合。另外，盆地与沙漠区夏季降水量年际变化趋势与新疆地区、天山区域亦有相似特征。

（3）通过计算 1971—2012年整层视热源（Q1）与水汽汇（Q2）发现周边大地形的塔里木盆地沙漠区夏季为视热源（Q1）与水汽汇（Q2）的相对高值中心（图5a、b），这现象反映了特殊周边大地形包围的沙漠下垫面呈区域性强辐射及其热源极值特征。

（4）盆地与沙漠两类视热源（Q1）与水汽汇（Q2）分别与夏季（6—8月）降水年际变化具有同位相特征，且热源与降水年际变化的趋势亦有相似特征（图5e、f）；上述盆地、沙漠视热源（Q1）与水汽汇（Q2）分别与夏季（6—8月）降水相关系数的平方R2为0.115 1、0.124 2（图5g、h），相关系数均达到 95%信度水平，这表明周边大地形的盆地与沙漠其热源是其区域降水的重要影响因子。

（5）本文将区域大气热源结构分布作为切入点，计算分析可进一步揭示出盆地与沙漠两类视热源（Q1）与水汽汇（Q2）分别与夏季（6—8月）降水年际变化具有同位相特征，且热源与降水年际变化的趋势亦有相似特征，盆地夏季降水显著周期集中在2～3 a和6～7 a；视热源（Q1）同期显著周期亦集中在2～3 a和7 a；水汽汇（Q2）显著周期则集中约在2～3 a。此小波分析结果亦表明盆地夏季视热源与降水年际变化周期特征存在显著的相关性。这表明周边大地形的盆地与沙漠热源是该区域降水的重要影响因子。

（6）为探讨西风带波流作用背景下C型大地形环抱的塔里木盆地沙漠区域特殊下垫面热力过程响应特征，通过计算1971—2012年整层视热源（Q1）与水汽汇（Q2）发现周边大地形的塔里木盆地沙漠夏季为视热源与水汽汇的相对高值中心，整层热源东—西向垂直剖面图亦可发现上述周边为山地的塔里木盆地上空为柱状视热源与水汽汇，且盆地上空两类热源呈非对称结构，其向C型向东部开口处延伸。这现象反映了特殊周边大地形包围的C型盆地与沙漠下垫面呈区域性强辐射及其热源极值特征。

图9 塔里木盆地水汽追踪

（7）发现两侧为山地的塔里木盆地与沙漠夏季降水与该区域低层（500 hPa）强辐合与300 hPa以上高层强辐散呈显著的上、下配置的正、负相关极值区（范围均超过90%信度标准），这表明盆地与沙漠降水与该区域大气动力结构中高层强辐散、中低层强辐合动力效应密切相关，视热源（Q1）与水汽汇（Q2）相比较，前者相关的辐散、辐合结构特征与该区域夏季降水动力结构更为相似。同时表明盆地沙漠降水的启动过程视热源（Q1）是关键的热力驱动因素。

（8）考虑整层水汽汇（Q2）不仅反映了空中水汽输送与水汽局地变化的状态，而且与大气动力、热力过程存在密切的相关，本文采用夏季塔里木盆地与沙漠区域整层水汽汇（Q2）与大范围东亚区域整层水汽输送通量（Qu、Qv）求取同期水汽输送通量相关矢量场（图9a），由图9a可发现塔里木盆地沙漠区域夏季降水水汽源一支来自西部里海、黑海，可追溯至大西洋，另一支来自低纬阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾，且南支与北支水汽通道相汇合北涌越过青藏高原进入盆地，为该区域夏季提供了空中水资源，并通过该区域强热源形成的上升运动触发机制，形成沙漠降水，甚至发生局地异常强降水。采用Flexpart模型追踪塔里木盆地沙漠区域水汽后向轨迹，亦印证了上述南北水汽流汇合特征。

图10 1971—2012年塔里木盆地夏季降水量与春季整层视热源（Q1）（a），整层水汽汇（Q2）（b）年际变化图；1971—2012年塔里木盆地各年夏季降水量与春季整层视热源（Q1）（c），整层水汽汇（Q2）（d）相关散点图

上述研究表明青藏高原与天山环抱的C型塔里木盆地整层热源（Q1、Q2）与夏季降水过程动力结构呈显著相关，且该盆地与周边山地存在类似山谷风等的相互作用。另外，大地形环抱的C型盆地亦具有动力、热力过程及其水分内循环的相对“封闭性”特征。本文计算了该盆地春季视热源（Q1）、水汽汇（Q2）与夏季降水量相关关系，由图10可发现上述周边特殊地形背景下塔里木盆地春季整层热源对其夏季降水量亦有很好的相关特征，春季盆地视热源（Q1）、水汽汇（Q2）与夏季降水量相关系数R2达0.127、0.064 7，均达到90%以上信度标准，尤其春季盆地整层视热源与夏季降水年际变化相关矢表明盆地热源对夏季降水存在显著的前兆性相关“强信号”。

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