5月青藏高原上空环流与北疆夏季降水的关系

2018-11-21周雅蔓安大淮施俊杰

沙漠与绿洲气象 2018年5期

周雅蔓，李娜，马超，3，安大淮，施俊杰

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；2.新疆维吾尔自治区气象台，新疆乌鲁木齐830002；3.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225）

青藏高原位于亚洲大陆的中部，平均海拔在4000 m以上，空间尺度大，对大气环流和天气的影响不仅局限于本区域[1]，对整个北半球[2]，甚至对全球的环流都有一定的影响[3-5]。由于青藏高原群山环绕的大地形，不仅改变了本身的天气和气候[6]，通过动力、热力作用所形成的高原大气边界层，扩大了高原作用的有效高度和范围，对其毗邻地区天气气候也有非常复杂的影响[7，8]，它对中低纬地区环流影响明显，对亚洲季风区环流和夏季的气候格局也有着重要的作用[9，10]。作为冬季的大气冷源，夏季的大气热源[11]，青藏高原直接影响中国大范围的干旱、洪涝等天气气候的形成和演变[12-14]。

早在20世纪50年代，Bolin[15]和Yeh[16]对青藏高原地形绕流效应的研究表明：冬季高原对西风气流的分支作用是形成东亚大槽的重要原因；高原的动力作用既可以扰动并激发大、中、小尺度的天气系统，也可以对某些天气系统的发展起到抑制作用，高原大地形对高原低涡的发生发展有特殊影响[17]，高原的动力作用有助于在高原附近生成新的中尺度天气系统[18]，如西南涡、高原东侧的切变线和北侧的小高压等。数值模拟指出青藏高原的热力作用，对100 hPa青藏高压的建立有巨大贡献，高原及其附近地区的加热场，对于对流层上层东风急流的加强和急流中心的形成也有重要的作用[19]。近30 a来，关于青藏高原热力方面也有大量的研究成果：青藏高原加热场强度使东亚大气环流平均槽脊的强度加强，即高压脊加强，低压槽加深[20]；高原春夏季地面加热，严重地破坏了对流层中、低层副热带高压带的连续分布，导致高原及南亚季风环流的变化[21]，这与我国的气候[22，23]和降水也有很大的关联[24-27]，春夏季青藏高原热力状况对盛夏东亚降水和大气环流的异常是有影响的[24]，与我国江淮地区夏季降水也密切相关[26，27]。因此，研究青藏高原对中国天气气候的影响效应十分必要。

新疆位于中国西北部，地域辽阔，属大陆性干旱和半干旱地区，中部横亘全境的天山将其分为北疆和南疆，旱涝成因十分复杂[29]。自20世纪中期以来，新疆呈现出显著地由干转湿的趋势[30]，年降水量呈波动性上升[31，32]，尤其是冬夏两季的降水量大范围显著增加[33]。研究表明：新疆降水的年变化主要与西藏高压、西太平洋副高面积及南方涛动的相关程度较大[34]，青藏高原对新疆降水有着重要的影响，当5月青藏高原感热偏弱时，北疆夏季降水呈现偏多的特点[35，36]；当夏季青藏高原地表潜热通量为北正、南负的变化时，南疆夏季降水偏少[37]。目前针对高原上空环流异常与新疆降水的联系及其影响的研究尚少，为了进一步揭示西藏高原环流指数与新疆夏季降水关系的变化规律，更好地指导预报预测工作，本文利用1961—2016年的西藏高原环流指数与新疆96个气象观测站点的降水资料，进行较为全面的对比分析，研究西藏高原环流指数强弱变化对北疆夏季降水的影响。

1 研究区域和资料

本文选取的资料是：（1）新疆气象信息中心提供的1961—2016年新疆96个气象观测站5—8月的月降水量资料，其中北疆气象观测站点（包括天山山区和巴里坤）53个，南疆气象观测站点43个（图1），北疆53个气象站点的夏季降水和南疆43个气象站点的夏季降水相关系数为0.33；（2）1961—2016年NCEP的逐月再分析资料，包括经向风、纬向风、比湿以及地表感热通量资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；（3）国家气候中心气候系统诊断预测室提供的74项环流特征量中1961—2016年5—8月的西藏高原环流指数Ⅰ（25°～35°N，80°～100°E）、西藏高原环流指数Ⅱ（30°～40°N，75°～105°E），其中西藏高原环流指数Ⅰ选取的是500 hPa位势高度在指定区域（25°～35°N，80°～100°E）内各格点高度值减去500 hPa后的累计值，本文中用TPI1表示；西藏高原环流指数Ⅱ选取的是500 hPa位势高度场在指定区域（30°～40°N，75°～105°E）内各格点高度值减去500 hPa后的累计值，本文中用TPI2表示。两者选取的指定区域有所不同，它们反映了选择区域青藏高原500 hPa低涡和高压活动对青藏高原及其邻近地区天气影响作用。

图1 北疆和南疆气象观测站点的分布

本文通过对1961—2016年西藏高原环流指数（Ⅰ、Ⅱ）与南、北疆夏季降水的分析，重点探究西藏高原环流指数对北疆夏季降水的影响和可能的影响机制。本文采用56 a数据的时间序列，能够获得比较可信的趋势结果，另外，如无特殊说明，本文中的夏季均指6—8月的平均态。

2 5月西藏高原环流指数和夏季降水的关系

2.1 相关分析

为了研究西藏高原环流指数与北疆、南疆夏季降水的关系，对1961—2016年5月TPI1、TPI2和北疆、南疆气象观测站点的夏季平均降水序列进行相关分析，对比发现：5月TPI1与北疆夏季降水时间序列的相关系数为0.38，与南疆夏季降水时间序列的相关系数为0.09（图2）；5月TPI2与北疆夏季降水时间序列的相关系数为0.18，与南疆夏季降水时间序列的相关系数为-0.05；5月TPI1、TPI2与南疆夏季降水时间序列的相关系数均未通过显著性水平90%的信度检验，可见南疆夏季降水与5月西藏高原环流指数的相关性并不好，而北疆夏季降水与5月TPI1的时间序列的相关系数通过99%的信度检验。TPI1、TPI2对北疆夏季降水的偏相关分析结果表明：5月TPI1在去除TPI2的影响后与北疆夏季降水时间序列的相关系数为0.43，而5月TPI2在去除TPI1的影响后与北疆夏季降水时间序列的相关系数为-0.27，因此，本文重点讨论5月西藏高原环流指数Ⅰ与北疆夏季降水的联系。

经过标准化的1961—2016年5月TPI1的时间序列中，规定5月TPI1大于1.0的为强年，强年有：1966、1994、1995、1998、2000、2006 和 2007 年，共7年；5月TPI1小于-1.0的为弱年，弱年有：1968、1971、1975、1977、1986 和 1992 年，共 6 a。从 5 月TPI1强年、弱年时北疆夏季降水距平的合成分布（图3）中可以看出，5月TPI1为强年时（图3a），75%的北疆气象观测站点的夏季降水为正距平，其中26%的气象观测站点的夏季降水有超过10 mm的正距平，天山山区夏季降水的正距平值更大，中心位于乌鲁木齐南部的天山山区，与新疆夏季降水的大值中心一致；5月TPI1为弱年时（图3b），87%的北疆气象站点的夏季降水为负距平，其中72%的气象观测站点的夏季降水有超过10 mm的负距平，伊犁河谷南部山区和天山山区夏季降水的负距平值更为显著。此分析进一步表明，5月TPI1与北疆夏季降水有较为密切的联系，所以，本文将重点研究5月TPI1的变化与北疆夏季降水的联系。

图2 1961—2016年5月TPI1分别与北疆、南疆夏季降水的时间序列

2.2 5月西藏高原环流指数与夏季环流特征的分析

图3 5月TPI1分别为强年（a）、弱年（b）时，北疆夏季降水距平的合成分布（单位：mm）

图4 5月TPI1分别为强年（a）、弱年（b）时，夏季500 hPa风场距平的合成分布（单位：m/s）

为了进一步说明问题，下面针对5月TPI1分别为强年、弱年时的夏季环流特征进行分析。从图4中500 hPa风场的距平图可以看出，当5月TPI1为强年时，即5月西藏高原环流指数Ⅰ偏高，夏季500 hPa欧亚范围内以经向环流为主，里、咸海地区到西西伯利亚平原南部为异常的反气旋式环流，有利于冷空气南下，同时中亚地区和贝加尔湖地区分别为异常的气旋式环流和异常的反气旋式环流，表明贝加尔湖阻塞高压活跃，中亚低值系统活动频繁，加之上游南下冷空气的共同作用，是有利于新疆降水天气过程的形势之一[29]，而且新疆上空盛行异常偏南风，有利于将低纬阿拉伯海、孟加拉湾的水汽经南风环流越过西部山区接力输送入新疆地区[30]。此外，青藏高原南部到印度半岛为异常的反气旋式环流，表明西太平洋副热带高压偏西，有利于孟加拉湾暖湿气流北上，加之北疆纬度较高，夏季冷空气活动频繁，冷暖交汇有利于此地区降水的发生。所以，当5 月西藏高压指数Ⅰ偏强时，25°～35°N，80°～100°E的区域范围内，各格点500 hPa位势高度值减去500 hPa后的累计值偏高，有利于北疆夏季降水。当5月TPI1为弱年时（图4b），即5月西藏高原环流指数Ⅰ偏低，夏季中高纬度环流经向度弱，乌拉尔山地区和贝加尔湖地区为异常的气旋式环流，表明乌拉尔山和贝加尔湖高压脊偏弱，不利于冷空气南下，中亚—新疆—青藏高原为异常的反气旋式环流，伊朗高压偏强，位置偏北、偏东控制新疆，而在印度半岛至孟加拉湾上空为气旋式环流距平，表明西太平洋副热带高压偏弱、偏东；中、高纬度的共同作用下，新疆上空盛行异常的偏北气流，加之阿拉伯海为异常气旋式环流，不利于低纬度暖湿气流北上输送到新疆。所以，5月西藏高压指数Ⅰ偏弱时，夏季500 hPa的环流配置不利于北疆夏季降水。

降水需要有利的环流场，也需要水汽条件的配合，对于新疆这个干旱与半干旱区来说，水汽输送对降水的发生十分重要。当5月TPI1偏强时（图5a），即5月西藏高原环流指数Ⅰ偏高，夏季里、咸海地区为反气旋式水汽输送，巴尔喀什湖到新疆天山以北为自西向东的水汽输送，表明沿西风带进入北疆地区的水汽输送增强；西亚—印度半岛为气旋式水汽输送，阿拉伯海的西南气流与低纬度南海—孟加拉湾的东南气流汇合，表明阿拉伯海与孟加拉湾的水汽输送到印度半岛后，经偏南气流接力输送到新疆地区，低纬度水汽向北输送增强，南方路径输送的水汽对北疆夏季降水，尤其是夏季大降水的发生十分重要[29]；此外，贝加尔湖地区为反气旋式水汽输送，有利于将南海的水汽沿东方路径接力输送到北疆地区。3支路径的水汽向北疆输送，为北疆降水提供了有利的水汽条件。反之，当5月TPI1偏弱时（图5b），即5月西藏高原环流指数Ⅰ偏低，里、咸海地区为气旋式水汽输送，中亚地区为反气旋水汽输送，不利于低纬度热带地区的水汽向北输送；欧洲地区为气旋式水汽输送，新疆上空盛行自东向西的水汽输送（气候平均新疆上空为自西向东的水汽输送），表明沿西风带进入北疆地区的水汽输送减弱，不利于北疆夏季降水。

通过上述分析可以发现：5月西藏高原环流指数Ⅰ的强弱变化反映了 25°～35°N，80°～100°E 的区域范围内，各格点500 hPa位势高度值减去500 hPa后的累计值情况，该指数对500 hPa夏季环流特征、水汽输送有很大的影响，从而影响北疆地区夏季降水的变化。

3 5月西藏高原环流指数影响北疆夏季降水的可能机制

3.1 相关分析

5月西藏高原环流指数Ⅰ的强弱变化与夏季环流特征有一定的关系，与夏季西藏高原环流指数Ⅰ也关系密切（图6a），5月TPI1与夏季TPI1的相关系数达到0.54，说明5月西藏高原环流指数Ⅰ的强弱变化与夏季西藏高原环流指数Ⅰ的变化有很好的持续性。而且，夏季西藏高原环流指数Ⅰ与北疆夏季降水也有很好的相关（图6b），两者的相关系数为0.46，通过显著性水平99%的信度检验，表明夏季TPI1与北疆夏季降水也有很大的关联。

图5 5月TPI1分别为强年（a）、弱年（b）时，夏季地表至300 hPa水汽通量距平的合成分布（单位：kg/（m·s））

3.2 5月西藏高原环流指数与高原热力情况的分析

青藏高原的热力作用对大气环流、高原季风、水汽通量、天气和气候均有很大的关系[9-11、13、14、24-27]，已有研究表明，青藏高原的热力异常与新疆的夏季降水有密切的关系[35-37]，主要是因为5月热力异常和夏季的热力异常有很好的持续性[24]。下面重点分析5月西藏高原环流指数Ⅰ与青藏高原热力异常的关系，研究5月西藏高原环流指数Ⅰ对北疆夏季降水造成影响的原因。

根据图7中5月TPI1与5月的感热通量相关系数的空间分布可知，5月TPI1偏强时，即5月西藏高原环流指数Ⅰ偏高，5月咸海到巴尔喀什湖、阿拉伯海、中南半岛和我国的华南地区5月的感热通量与5月TPI1呈正相关，明显偏多，而西西伯利亚地区、阿拉伯半岛、青藏高原和内蒙古地区5月的感热通量明显偏少，通过99%的信度检验。通过对5月TPI1与夏季的感热通量相关系数空间分布的分析，5月TPI1和西西伯利亚地区、青藏高原地区仍有明显的负相关，且部分地区通过99%的信度检验。说明当5月西藏高原环流指数Ⅰ偏强时，25°～35°N，80°～100°E 的区域范围内，各格点 500 hPa位势高度值减去500 hPa后的累计值偏高，此时青藏高原的感热通量明显偏弱，并且这种加热从5月持续到夏季，当5月青藏高原感热偏弱时，500 hPa中亚和贝加尔湖上空分别受异常气旋和反气旋控制，新疆上空盛行异常偏南风，利于低纬度的暖湿气流北上和低纬水汽的向北输送，为北疆夏季降水的发生提供了有利的水汽条件[35]。5月TPI1的强弱和青藏高原5—8月的感热通量有明显的负相关，且这种的关系从5月持续到夏季，而青藏高原夏季感热通量的大小将影响北疆夏季降水的多少。综上分析：5月西藏高原环流指数Ⅰ通过与青藏高原5月、夏季热力的相关，从而对北疆夏季降水的多少产生影响。

4 结论

本文根据1961—2016年5月西藏高原环流指数Ⅰ、Ⅱ与北疆夏季（6—8月）降水的相关分析，重点探讨5月西藏高原环流指数Ⅰ可能影响北疆夏季降水的原因，并通过分析5月西藏高原环流指数Ⅰ强、弱年时，夏季500 hPa风场、地表至300 hPa水汽通量的异常分布，及其与5月、夏季感热通量的关系，得出5月西藏高原环流指数Ⅰ对北疆夏季降水的指示意义。主要得到以下结论：