中亚干旱地区降水异常及其影响机制研究_赵文清.pdf

2023 年第 46 卷第 1 期:18-29专 刊http:/dqkxxbcnjournalsorg引用格式:赵文清，马耀明，曹殿斌，2023中亚干旱地区降水异常及其影响机制研究 J 大气科学学报，46(1):18-29Zhao W Q，Ma Y M，Cao D B，2023eview of increasing precipitation in Central Asia and its possible mechanism J Trans Atmos Sci，46(1):18-29doi:10.13878/jcnkidqkxxb20221115001(in Chinese)中亚干旱地区降水异常及其影响机制研究赵文清，马耀明*，曹殿斌 中国科学院 青藏高原研究所 青藏高原地球系统与资源环境全国重点实验室/地气作用与气候效应团队，北京 100101;中国科学院大学，北京 100049;兰州大学，甘肃 兰州 730000;西藏珠穆朗玛特殊大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站，西藏 定日 858200;中国科学院 加德满都科教中心，北京 100101;中国科学院 中巴地球科学中心，伊斯兰堡 45320*联系人，E-mail:ymma itpcasaccn2022-11-15 收稿，2022-12-15 接受第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0103);国家自然科学基金资助项目(42230610)摘要中亚地区位于欧亚大陆内部，地处西风控制关键区。在近年全球加速变暖的背景下，观测和模拟均展现出中亚地区的暖湿化趋势。北大西洋的海温异常激发大气的涡度异常，通过罗斯贝波列的方式传播影响中亚地区的大尺度环流和垂直运动的异常，从而导致中亚地区的降水异常。同时，赤道太平洋和北印度洋的海温异常，引起阿拉伯半岛向中亚地区的水汽输送异常，以及西风-季风协同作用、丝绸之路遥相关相位转换、地表类型和局地环流的变化等均不同程度地贡献和加速了中亚地区的暖湿化进程。本文意在总结近 20 年关于中亚地区降水异常的主要影响因子及其背后机理，并在现有研究基础上提出了未来的研究展望。关键词全球变暖;中亚;暖湿化;涡度异常;水汽输送异常;西风-季风协同作用;遥相关中亚地区(Central Asia，简称 CA，下同)位于亚欧大陆内部，45106E、3050N(图 1)，主要包括土库曼斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、哈萨克斯坦以及中国西北部地区(但也有研究将本文所指的 CA 分为中亚和中国西北地区)。CA 地表以丘陵、平原为主，包括天山、帕米尔高原兴都库什山、喜马拉雅山的西北部、昆仑山北部等崎岖山地，具有冰川、草原、森林、沙漠等并存的立体分布特征(Chen et al，2019)。CA 地处中纬度西风控制带，CA 的气候变化很大程度受到西风强度和西风位置的影响(Aizen etal，2001;Huang et al，2013)。近年在全球加速变暖的背景下，CA 地区正在经历异常的水分循环，导致 CA 地区气候产生不可忽视的变化(王会军等，2020)。在过去 80 a 里，中亚地区降水呈现显著的上升趋势(Chen et al，2021a)，由此也导致了径流量的上升，如天山、祁连山和阿尔泰山区域(Shi etal，2007)。自 1960 年以来中亚干旱区的弱降水事件频率明显减少，夏季强降水事件的强度和频率均在明显增加(李铭宇等，2020)。同时，CA 干旱事件的发生间隔在缩短，但持续干旱的时间却在增加(宋连春等，2003)。通过净水分平衡研究发现，19822019 年期间 CA 的干季变得更加干燥而湿季则变得更加湿润(en et al，2022)。CA 是“西风模态”的核心区域(Huang et al，2015a;Chen et al，2019)，也是全球气候敏感区域之一，随着异常降水事件的发生，越来越多的研究关注CA 降水异常的成因。除了全球变暖导致的大气水含量增加以外，更多的水分补给和利于降水产生的形势场配置也是降水增加的原因，已有研究表明，赵文清，等:中亚干旱地区降水异常及其影响机制研究专 刊图 1中亚地区以及主要的河流、湖泊的位置(引自 Guan et al，2019)Fig1The Central Asia area and the locations of the main rivers and lakes in Central Asia(Guan et al，2019)CA 的水汽主要来自地中海、里海、黑海以及高纬度亚欧大陆和大西洋的西风，但另有研究发现 CA 地区的水分也有部分来自北印度洋，这意味着西风和季风对于 CA 的降水异常可能都起到重要作用图 2西风-季风协同作用及其影响(http:/wwwstepaccn/info/14568)Fig2The synergy effect of the westerlies and the monsoon(http:/wwwstepaccn/info/14568)(Bothe et al，2012;Guan et al，2019)。早在 20 世纪 80 年代，Yasunari(1986)发现印度夏季风(IndianSummer Monsoon，简称 ISM)与中高纬度西风存在以 3050 d 为周期的低频震荡模式，揭示了以青藏高原(Tibet Plateau，简称 TP)为节点的中亚和远东亚位势高度场的东西震荡现象，而季风槽和北半球500 hPa 高度场之间的滞后相关性说明这个现象是中纬度西风对季风北向移动所带来的热源的部分反馈作用导致。另外，Chen et al(2021b)对西风和东亚季风(East Asia Summer Monsoon，简称 EASM)过渡区域的研究发现二者对过渡区域(即中国北部至蒙古区域)的降水均有重要作用，它们的共同作用使得从西北部来的冷空气和从南方来的暖湿空气相遇，二者之间的协同作用引发过渡区局地涡度异常，从而利于降水产生。同时，降水凝集释放的潜热为涡度的维持和发展提供了一个正向反馈。CA 毗邻TP，TP 是西风-季风环流系统交汇和作用的重要区域(如图 2)，TP 大地形及西风-季风对 CA 地区降水912023 年 1 月第 46 卷第 1 期异常的协同作用对 CA 地区的暖湿化产生重要影响。除此以外，南亚高压、高原季风等天气系统也会对 CA 的环流场配置产生显著影响，其波动的相互作用会导致 CA 大气环流模态更加复杂。另外，与西风急流密切相关的丝绸之路遥相关型(Silk oadPattern，简称 SP)与对流层中高层经向风存在显著相关，当 SP 正相位时，有利于更多的水分从印度洋移动输送至 CA 地区，进而影响当地的水汽收支。人类活动虽不能扭转大气环流整体的水分输送，但却可以通过增加蒸散发影响局地降水，如农业灌溉导致的 CA 局地水循环变强，从而引发降水增加，特别是在山地-盆地-绿洲这种地形配置上尤为明显(de Kok et al，2018;Zhang et al，2019a)。本文意在从多角度归纳和总结近20 a 对 CA 降水异常研究的主要进展并对未来的研究做出展望。以期对 CA 地区天气气候的研究提供参考。1中亚降水异常特征及其影响机制以下将对近 20 年来 CA 地区降水异常特征及其影响的可能机制做一个较为详细的归纳和总结。1.1中亚地区的水汽来源CA 地区近些年观测到的降水异常，已经有较多研究对其水汽来源和水汽输送路径做了较为详细的分析。普遍认为 CA 的降水主要是由中纬度西风从更高纬度带来的水汽进行供应的(Bothe et al，2012;en et al，2022)，但也有研究认为夏季时分从印度洋来的水汽也可以深入至塔里木盆地(Huanget al，2015b)。尽管 CA 处于西风控制范围，但其降水的季节性分布并不一致(Liu et al，2015;Yang etal，2020)，这说明作用在 CA 地区的环流系统是相对复杂的。按照降水的季节性 CA 可以按照约72.5E 为界分为东西两部分，CA 西部的降水集中在冬季，而 CA 东部的降水集中在夏季。Yang et al(2020)使用 Hysplit 模型对 CA 的水汽来源和传输路径进行了分析，结果显示冬季时，CA 西部的水汽来源主要是亚欧大陆西部、非洲北部和北大西洋，最大水汽贡献中心在地中海附近和欧洲海岸，水汽路径最远可南至阿拉伯海和 10N 的非洲北部，北达北极，向东至西西伯利亚;夏季时，CA 西部的最大水汽贡献中心位于里海北部，整个水汽传输覆盖面比冬季时分向东向北扩展，水汽路径最远可东至中西伯利亚东部，南至 20N，西达美国北部。CA 东部在冬季的水汽传输路径和 CA 西部的冬季水汽传输路径比较相似，但最大水汽贡献地点在阿拉伯半岛附近;CA 东部在夏季时的水汽传输路径向南扩展至马达加斯加半岛，最大水汽贡献中心就在 CA 且其范围要比冬季时更加向北扩展，CA 东部比 CA 西部接收的来自北大西洋的水汽更少，而水汽更多的是来自中国，明显夏季传输的水汽比冬季要多很多。也有对 CA 地区较小范围的水汽传输路径研究发现与上述 Yang et al(2020)基本一致的结果(Juhlke etal，2019;Liu et al，2020;Yao et al，2021a)。除此以外，Guan et al(2019)计算了 CA 地区四方边界的年平均和季节平均水汽输送，认为水汽从西边界和南边界流入，从南边界和东边界流出，与中国西北地区的水分流通方向相反，同时认为地中海、黑海和里海是 CA 春冬季节的主要水汽来源，黑海和里海是秋季的主要水汽来源，高纬度欧洲大陆和大西洋是CA 夏季的主要来源，这与 Yang et al(2020)的结果不同。由于大气中的水汽含量随高度降低，因此不同高度的大气对 CA 的水汽贡献是不同的。如 Huanget al(2015b)对夏季塔里木盆地(Tarim Basin，简称TB)的形势场进行分析后，发现其水汽传输路径主要有 2 条，一条是在对流层底层(7001 000 hPa)，阿拉伯海的水汽沿 TP 东部边缘由 TB 东部进入TB，另一条是在大气低层，阿拉伯海的水汽从 TP 西侧传输至巴基斯坦北部和印度东北部，而后水汽被抬升至对流层中高层(300700 hPa)从 TB 南部进入，Huang et al(2015b)认为 TB 降水主要受到从东侧来的低层水汽通量和从南侧来高层水汽通量的影响。如 Chen et al(2021a)发现在对流层底部从印度洋和中国南海来的水汽对于 TB 的降水非常重要，而在对流层中高层从印度洋来的水汽对周围山区的降水非常重要，其分析季风输送的路径包括 2个路径:一是对流层底部从赤道印度洋和中国南海沿着 TP 西部和北部边界输送的水汽，另一个是对流层中高层通过 TP 从赤道印度洋输送的水汽。自从 1958 年来，中亚干旱区夏季降水的增加主要是由在对流层底部从东部输送的水汽以及在对流层中高层从南部输送的水汽增加造成的。另外，局地水汽循环加速也加剧降水过程。19802016 年这段时间中国西北地区的实际蒸散发正在以平均 7.09 mm/(10 a)的速度显著增加(Liet al，2019)，说明除了大尺度环流对 CA 进行的水汽补给外，局地水汽循环对于维持中亚的水文循环也可能有不可忽略的影响。如 Peng et al(2018)基02赵文清，等:中亚干旱地区降水异常及其影响机制研究专 刊于水汽平衡分析，认为在季节尺度上局地水循环增加使得 CA 变得越来越湿润。如 Zhao et al(2012)认为灌溉增加了局地降水，因为灌溉可以增加土壤湿度，导致地表冷却和地表蒸散增加，增强大气水分，改变局地风场，从而增强对流层底部的对流上升运动，这些为局地降水提供了有利的水分和动力条件。如 Zhang et al(2019a)使用 WF-Noah 模拟了在不同灌溉条件下中国新疆典型的山地-绿洲-沙漠系统在干湿年份对地表水热过程的影