新疆北部夏季大范围极端降水及其环流异常特征

周雅蔓，孙 迪，赵 勇，李桉孛2,，郭玉琳,5

(1.中亚大气科学研究中心，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.北京景山学校朝阳分校，北京 100012；4.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225； 5.新疆阿勒泰地区气象局，新疆 阿勒泰 836500)

引 言

IPCC第五次评估报告[1-2]指出，1880—2012年全球地表平均温度升高0.85 ℃，地球系统正在经历以全球变暖为主要特征的显著变化，包括海平面上升、冰川退缩、大气不稳定性增加、极端气候事件增多等方面。极端天气气候事件不断增加，导致干旱、洪涝、泥石流等自然灾害频发，给人类生产生活、生命安全等带来严重影响。我国地处亚欧大陆东部，受季风影响，是洪水灾害发生最频繁、损失最严重的国家之一[3]，全球变暖背景下极端天气、气候事件及其相关研究引发广泛关注[4-6]，而极端降水作为洪涝灾害发生的主要诱因，更是科学界分析和研究的焦点[7-8]。

近年来，关于我国极端降水分布及成因做了大量研究，极端降水主要在东南沿海和西部地区增多明显，华东地区极端降水量增长幅度最大，西北地区极端降水日数增速最快[9]；极端降水的变化与大气内部动力作用和能量传播密切相关[10]，其中与西太平洋副高、南海副高、西太平洋暖池、亚洲区极涡、北半球极涡相关显著[11]。研究指出，我国长江中下游地区夏季降水与索马里急流、西太平洋副热带高压的位置和强度有关[12-13]；华中地区夏季区域性极端降水事件与周边非绝热加热梯度异常、本地区气旋性环流异常以及青藏高原东北侧地形强迫关系密切[14]；高低空急流、梅雨锋位置、西印度洋上空垂直环流[15]的差异对江淮流域夏季极端强降水事件的异常分布有一定影响[16]；西北地区夏季降水与冷空气条件和水汽来源密不可分[17]，南亚高压、乌拉尔山脊、蒙古气旋、西太平洋副热带高压的强弱对西北地区夏季降水影响很大[18]，且水汽接力输送是西北干旱区暴雨发生的重要条件[19]。

受气候增暖的影响，1980年后新疆发生涝的概率增加，极端降水事件可能性增大[20]，且小区域气候变化显著，北疆地区和天山山区夏季极端降水分布有明显的区域差异，局地极端降水频繁[21-23]。北疆地区的强降水尤其大范围极端降水灾害往往与降水量值及其时空分布密切相关。研究表明，新疆降水年代际和年际异常增多，主要是高、中、低纬系统及西亚西风急流、中亚低值系统活跃所致[24]。然而，以往研究多针对北疆地区单个或2～3个极端降水事件的诊断及对比分析，这些结论对预报指导性不足，缺乏极端降水尤其是大范围极端降水的空间分布类型及其成因研究。为此，本文基于新疆北部45个观测站夏季逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料，通过对夏季不同范围极端降水进行分级，分析不同等级极端降水的时间变化特征及其与最大日降水量、同月降水量的关系，重点讨论大范围、高影响极端降水分布类型及对应的环流特征，进一步提升大范围极端降水的预报预测和防范能力。

1 资料与方法

使用CIMISS(全国综合气象信息共享平台)[25]提供的1961—2017年夏季(6—8月)新疆北部(包括天山山区)45个气象观测站[图1(a)]逐日降水数据以及NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心和大气科学研究中心)逐月和逐日再分析环流场资料[26]，空间分辨率为2.5°×2.5°，其中环流要素包括高度场、风场、比湿场和海平面气压场等。图1、图4、图7和图8分别基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266、GS(2019)3266、GS(2016)2893、GS(2016)2893的标准地图制作，底图无修改。

百分位法是目前确定极端天气、气候事件阈值的常用方法[27-28]，即将各观测站研究时段内的逐日降水量分别按升序排列，选取某个百分位值(本文取90%)作为该观测站极端降水事件的阈值，大于或等于这一阈值的日降水称为一次极端降水事件。新疆北部夏季极端降水阈值平均为9.2 mm，大体上自平原向山区逐渐增大[图1(b)]，最小值出现在精河站，为4.6 mm，阈值超过10 mm的高值区集中在伊犁河谷东南部山区、天山山区、乌鲁木齐和昌吉州东部，最大值出现在天池站(22.5 mm)，其次是小渠子站和巴仑台站，夏季极端降水阈值分别为15.4、15.2 mm。

运用一元线性回归、最小二乘法、趋势分析等方法[29-31]，分析新疆北部夏季日极端降水时间序列的趋势变化，并进行显著性检验(选取α=0.1的显著性水平)。另外，采用欧式距离法对大范围极端降水进行聚类分析，结合合成分析法对大范围极端降水的环流特征进行分型和讨论。

2 新疆北部夏季极端降水特征

通过探讨同一日有多少观测站发生极端降水，以及是否为同年夏季最大日降水量，来判断极端降水发生范围的大小和影响程度，重点研究大范围、高影响极端降水的特征。为便于讨论，根据同一日出现极端降水的站数，定义极端降水等级特征量，并分为5级。其中，1级：1～5个观测站，2级：6～10个观测站，3级：11～15个观测站，4级：16～20个观测站，5级：20个观测站及以上。统计不同等级极端降水出现次数，得到新疆北部1961—2017年夏季极端降水等级频数。

2.1 极端降水等级频数的时间变化特征

从图2看出，近57 a新疆北部各等级(4级除外)极端降水频数均呈显著增加趋势，通过α=0.1的显著性检验。1级每年都有出现，其频数最多，年平均为28 d，平均3 d左右发生一次小范围的极端降水，其中1981年最多为42 d，1993年和2003年次之；2级每年都有出现，但频数较1级明显减少，年平均4～5 d，仅有14 a超过5 d，最多出现在2010年，达10 d；3级出现的频数更少，年均不到2 d，且有9 a未出现，其中有10 a超过2 d，1999年和1987年最多为5 d；4级和5级极端降水出现的频数极少，57 a中分别出现17、10 a，年平均不足1 d，最多不超过2 d。

综上可知，随着夏季极端降水等级的升高，对应的频数呈减少趋势，小范围极端降水发生的频数较大，3级以上的大范围极端降水频数明显减少，表明新疆北部作为半干旱区，在1961—2017年期间发生大范围极端降水的次数不多，其中同一日超过20站(5级)出现极端降水的仅12次，分别是1963年6月14日、1983年6月1日、1985年6月2日、1993年8月20日、1999年8月14日、2001年7月30日、2004年7月19日、2004年7月20日、2007年8月12日、2011年7月2日、2016年6月17日和2016年8月1日，这种大范围极端降水造成的山洪、泥石流等灾害往往更为严重。

图1 新疆北部气象观测站(a，三角形)和夏季极端降水阈值(b，单位：mm)空间分布 (阴影为地形高度，单位：m；空心三角为地州观测站)Fig.1 Spatial distribution of meteorological observation stations (a, triangles) and thresholds of extreme precipitation in summer (b, Unit: mm) in northern Xinjiang (the shadows for terrain height, Unit: m, and hollow triangles for the city and state observation stations)

图2 1961—2017年新疆北部夏季极端降水等级频数的年变化及趋势 (a) 1级，(b) 2级，(c) 3级，(d) 4级，(e) 5级Fig.2 The annual changes of extreme precipitation frequency with different grades in summer and their trends in northern Xinjiang during 1961-2017 (a) grade 1, (b) grade 2, (c) grade 3, (d) grade 4, (e) grade 5

2.2 极端降水等级与夏季最大日降水量、同月降水量的关系

为了探究不同等级极端降水的极端性，统计了新疆北部夏季不同极端降水等级中平均最大日降水出现的站数[图3(a)]。可以看出，新疆北部夏季极端降水1～3级中平均最大日降水出现的站数均在3个以下，4级出现的站数为8.5个，5级出现的站数为12.2个，表明5级极端降水事件中至少12站为当年夏季最大日降水量。由此可见，5级夏季极端降水不仅发生范围广，且多数站点的降水量是当年夏季最大日降水量。结合5级夏季极端降水的12个个例[图3(b)]来看，5级日极端降水量占同月降水量的16.6%～56.0%，平均为28.6%，说明新疆北部5级极端降水量对同月降水量贡献大，即大范围极端降水对半干旱区月降水量的影响很大。

综上所述，作为西北半干旱区，新疆北部5级大范围极端降水发生频率少，57 a中仅有12个个例，但该等级极端降水过程，不仅影响范围广，同一日有20站以上出现极端降水，且超过1/4的测站为夏季最大日降水量，对同月降水量的贡献大多超过20%，有的甚至超过50%，这在远离海洋、气候干燥的新疆北部地区极为少见。小范围、低等级极端降水事件多由局地对流造成，那么新疆北部5级大范围极端降水的大尺度环流特征如何？还需进一步深入分析与研究。

图3 1961—2017年新疆北部夏季极端降水等级中平均最大日降水站数(a) 和5级极端降水量占同月降水量的百分比(b)Fig.3 Station numbers of average maximum daily precipitation during the summer extreme precipitation with different grades (a) and percentage of 5-level extreme precipitation to corresponding monthly precipitation (b) in northern Xinjiang during 1961-2017

3 新疆北部大范围极端降水的环流特征

3.1 降水空间分型

图4是新疆北部地区夏季12个(按照极端降水站数由多到少排列)5级极端降水个例的降水实况。通过欧式距离法对12个个例进行聚类分析(图5)，得到3种空间表现类型。其中，I型，伊犁河谷至北疆沿天山一带极端降水多，偏北地区极端降水少；Ⅱ型，中、西部地区极端降水多，北疆沿天山一带东部区域极端降水少；Ⅲ型，偏西、偏北地区极端降水多，北疆沿天山一带中、东部区域极端降水少(表1)。

表1 新疆北部夏季大范围极端降水的空间表现类型及其极端降水分布特征Tab.1 The spatial types of wide-range extreme precipitation in summer and their distribution characteristics in northern Xinjiang

图4 新疆北部地区夏季12个5级极端降水个例的降水量分布(单位：mm) (a)1999年8月14日，(b)1985年6月2日，(c)2007年8月12日，(d)1993年8月20日， (e)1963年6月14日，(f)2004年7月19日，(g)2011年7月2日，(h)1983年6月1日， (i)2001年7月30日，(j)2016年8月1日，(k)2004年7月20日，(l)2016年6月17日 (黑色圆点为发生极端降水的站点)Fig.4 The spatial distribution of precipitation for twelve cases of 5-level extreme precipitation in summer in northern Xinjiang (Unit: mm) (a) 14 August 1999, (b) 2 June 1985, (c) 12 August 2007, (d) 20 August 1993, (e) 14 June 1963, (f) 19 July 2004, (g) 2 July 2011, (h) 1 June 1983, (i) 30 July 2001, (j) 1 August 2016, (k) 20 July 2004, (l) 17 June 2016 (the black dots for the observation stations with extreme precipitation)

图5 新疆北部夏季5级极端降水个例的 欧式距离法聚类分析图Fig.5 The cluster analysis diagram of 5-level summer extreme precipitation cases by using Euclidean distance method in northern Xinjiang

3.2 200 hPa纬向风分布特征

图6是新疆北部夏季3种类型大范围极端降水的200 hPa纬向风距平场合成分布。可以看出，40°E—80°E的纬向风对应西亚副热带西风急流，急流位置的南北变化与新疆夏季降水有显著相关关系，急流轴的方向对新疆北部夏季降水有重要影响[32-33]。当新疆北部夏季大范围极端降水分布为Ⅰ型[图6(a)]时，200 hPa纬向风距平场上40°N以北、55°E—85°E之间的区域为负距平，巴尔喀什湖地区存在一个-18 m·s-1的负距平中心，此处西风减弱，而40°N以南、60°E—80°E之间的区域为正距平，西风加强，副热带西风急流轴较常年明显偏南，且略呈西南—东北向，有利于伊犁河谷至北疆沿天山一带极端降水的产生。当大范围极端降水分布为Ⅱ型[图6(b)]时，40°N—50°N、40°E—80°E范围内200 hPa纬向风明显偏弱，其值为-12 m·s-1，副热带西风急流位置较常年偏南，有利于新疆北部中、西部地区极端降水增多。当大范围极端降水分布为Ⅲ型[图6(c)]时，里海、咸海至巴尔喀什湖以北为明显的纬向风负距平区，其中心位于里海西部，达-21 m·s-1，而在35°N—45°N、60°E—85°E范围内为纬向风正距平，其中心达12 m·s-1，西风明显加强，且副热带西风急流轴明显呈西南—东北向，有利于新疆北部偏西、偏北地区极端降水增多，北疆沿天山一带中部、东部地区极端降水偏少。

图6 新疆北部夏季不同类型大范围极端降水的200 hPa纬向风距平场合成(单位：m·s-1) (阴影为夏季平均纬向风，风速大于25 m·s-1) (a)Ⅰ型，(b)Ⅱ型，(c)Ⅲ型Fig.6 The synthesis of 200 hPa zonal wind anomaly fields of wide-range extreme precipitation with different patterns in summer in northern Xinjiang (Unit: m·s-1) (the shadow for the average summer zonal wind with wind speed more than 25 m·s-1) (a) Ⅰ pattern, (b) Ⅱ pattern, (c) Ⅲ pattern

对比3种类型发现，40°N以南200 hPa纬向风距平为正值，40°N以北纬向风为负距平，副热带西风急流轴线较常年偏南，且急流轴呈西南—东北向，有利于新疆北部夏季大范围极端降水发生，但纬向风正、负距平区位置及强度不同，大范围极端降水落区有所差异。

3.3 500 hPa环流分布特征

新疆北部夏季大范围极端降水500 hPa位势高度距平场合成分布(图7)显示，3种类型均呈现“+、-、+”的东西向分布，但异常距平的位置、范围和强度有所不同。大范围极端降水分布为Ⅰ型[图7(a)]时，40°E—70°E的乌拉尔山地区为500 hPa高度异常正距平区，其中心超过60 gpm，表明上游高压脊活跃，有利于引导北方冷空气南下并向下游低值系统输送，而西西伯利亚至中亚地区为异常负距平区，在新疆北部和西部分别有2个负距平中心，中心达-60 gpm，说明新疆处于副热带大槽活跃区，其下游贝加尔湖地区为中心超过100 gpm的异常正距平区，贝加尔湖阻塞高压发展。西西伯利亚至中亚地区低值系统活跃，曲率大，加之下游贝加尔湖高压脊阻挡，迫使上游低值系统移速减慢，造成伊犁河谷至北疆沿天山一带极端降水偏多。大范围极端降水分布为Ⅱ型[图7(b)]时，乌拉尔山和贝加尔湖地区的正距平区较I型范围偏小，高压脊发展较I型强度偏弱，且贝加尔湖正距平区偏西，位于新疆东部，西西伯利亚负距平区较为宽广，巴尔喀什湖至伊犁河谷一带为负距平中心，低值系统曲率呈西南—东北向，有利于位于低值系统槽前的新疆北部中、西部地区极端降水偏多，而在下游高压脊的影响下北疆沿天山一带东部地区极端降水偏少。大范围极端降水分布呈Ⅲ型[图7(c)]时，乌拉尔山和贝加尔湖地区分别为超过140、100 gpm的异常正距平区，其范围和强度较I、II型明显偏大，巴尔喀什湖地区为负距平区，在中亚低值系统影响下新疆北部偏西、偏北地区极端降水偏多，而北疆沿天山一带中、东部地区极端降水偏少。

综上可见，新疆北部夏季发生大范围极端降水时，500 hPa高度距平场上中高纬地区均表现为“+、-、+”的分布，欧亚范围环流经向度大，西西伯利亚或中亚地区低值系统活跃，乌拉尔山和贝加尔湖高压脊发展增强，有利于新疆北部夏季大降水的产生，但高压脊区和低值系统的位置、范围、强度有所差异，导致大范围极端降水的落区不同。

图7 新疆北部夏季不同类型大范围极端降水的500 hPa位势高度距平场合成分布(单位：gpm) (a)Ⅰ型，(b)Ⅱ型，(c)Ⅲ型Fig.7 The synthesis of 500 hPa geopotential height anomaly fields of wide-range extreme precipitation with different patterns in summer in northern Xinjiang (Unit: gpm) (a) Ⅰ pattern, (b) Ⅱ pattern, (c) Ⅲ pattern

3.4 水汽条件分布特征

大范围极端降水的发生，不仅需具备有利的环流形势，更需要良好的水汽条件配合，尤其在远离海洋、深居内陆的新疆半干旱区，大量的水汽补充对夏季大范围极端降水的发生尤为重要[19]。新疆夏季暴雨的水汽输送主要有西方、偏南和偏东路径，其中偏南路径的水汽输送对新疆北部夏季降水尤其是大降水的发生十分重要[34]。

当新疆北部夏季大范围极端降水分布为Ⅰ型[图8(a)]时，阿拉伯海至印度半岛对流层整层(地表至300 hPa)为异常反气旋式水汽通量距平区，有利于将低纬度阿拉伯海的水汽输送至中纬度地区，在25°N附近存在明显偏西的水汽通量输送带，加之里海、咸海至中亚地区为异常气旋式水汽输送，可以将低纬度输送至中纬度地区的水汽继续向北输送，且下游我国东北部为异常反气旋式水汽通量距平区，有利于偏东路径的水汽向新疆北部输送，新疆北部存在异常偏南和偏东的水汽输送。结合水汽通量散度距平来看，伊犁河谷为水汽通量辐合区，有助于水汽辐合集聚于伊犁河谷地区，为伊犁河谷至北疆沿天山一带极端降水的发生提供有利的水汽条件。当大范围极端降水分布为Ⅱ型[图8(b)]时，中亚地区存在异常的气旋式水汽通量距平区，新疆东部至蒙古地区为异常的反气旋式水汽通量距平区，偏西南和偏东水汽输送造成新疆北部中、西部地区易出现极端降水。当大范围极端降水分布为Ⅲ型[图8(c)]时，巴尔喀什湖南部为异常的气旋式水汽通量距平区，新疆东部为异常的反气旋式水汽通量距平区，90°E以西的新疆北部存在异常偏南的水汽输送，有利于新疆北部偏西、偏北地区极端降水的发生。

综合来看，当新疆北部夏季发生大范围极端降水时，中亚地区和新疆东部下游地区分别存在异常的气旋式和反气旋式水汽通量距平，新疆北部异常偏南和偏东的水汽输送以接力的方式将水汽输送到降水区，并迅速辐合集聚，为大范围极端降水的发生提供充沛的水汽条件。

图8 新疆北部夏季不同类型大范围极端降水地表至300 hPa水汽通量距平场(矢量，单位：kg·m-1·s-1) 及其散度距平场(阴影，单位：10-6 kg·m-2·s-1)合成分布 (a)Ⅰ型，(b)Ⅱ型，(c)Ⅲ型Fig.8 The synthetic of water vapor flux anomalies (vectors, Unit: kg·m-1·s-1) from surface to 300 hPa and their divergence anomalies (shadows, Unit: 10-6 kg·m-2·s-1) of wide-range extreme precipitation with different patterns in summer in northern Xinjiang (a) Ⅰ pattern, (b) Ⅱ pattern, (c) Ⅲ pattern

4 结 论

(1)1961—2017年，随着极端降水等级的升高，新疆北部夏季极端降水频数逐渐减少，1级极端降水频数最多，3级以上频数较之前等级明显减少，5级大范围极端降水在57 a里发生了12次，但降水范围广、强度大，有超过1/4的观测站出现夏季最大日降水量，且对月降水量的贡献平均达28.6%。近57 a来，新疆北部夏季不同极端降水等级频数均呈增加趋势，除4级外，其他等级均通过α=0.1的显著性检验。

(2)新疆北部夏季5级大范围极端降水分布表现为3种类型：Ⅰ型，伊犁河谷至北疆沿天山一带极端降水多，偏北地区极端降水少；Ⅱ型，中、西部地区极端降水多，北疆沿天山一带东部区域极端降水少；Ⅲ型，偏西、偏北地区极端降水多，北疆沿天山一带中、东部区域极端降水少。

(3)3类大范围极端降水的环流形势与水汽条件的共同点：200 hPa西亚副热带西风急流轴线偏南，40°N以南地区西风加强，以北地区西风减弱；500 hPa高度距平场在中高纬地区呈现“+、-、+”的分布，有利于新疆北部夏季降水产生；新疆北部对流层整层存在异常偏南或偏东的水汽输送，加之水汽辐合集聚、抬升，为大范围极端降水的发生提供有利条件。然而，西亚副热带西风急流加强和减弱的程度不同，且乌拉尔山高压脊、西西伯利亚或中亚地区低值系统和下游贝加尔湖高压脊的位置、范围、强度也有所不同，导致3类大范围极端降水落区不同。

新疆北部地区位于西风带，夏季大范围极端降水的发生受高、中、低环流的共同影响，本文仅从大尺度环流展开了讨论，而极端降水过程还需要中小尺度系统的配合[35-39]，下一步将继续探究大范围极端降水的多尺度系统发生、发展的相互作用。