趙文清 馬耀明 曹殿斌
摘要 ?中亞地區(qū)位于歐亞大陸內(nèi)部,地處西風(fēng)控制關(guān)鍵區(qū)。在近年全球加速變暖的背景下,觀測和模擬均展現(xiàn)出中亞地區(qū)的暖濕化趨勢。北大西洋的海溫異常激發(fā)大氣的渦度異常,通過羅斯貝波列的方式傳播影響中亞地區(qū)的大尺度環(huán)流和垂直運(yùn)動的異常,從而導(dǎo)致中亞地區(qū)的降水異常。同時,赤道太平洋和北印度洋的海溫異常,引起阿拉伯半島向中亞地區(qū)的水汽輸送異常,以及西風(fēng)-季風(fēng)協(xié)同作用、絲綢之路遙相關(guān)相位轉(zhuǎn)換、地表類型和局地環(huán)流的變化等均不同程度地貢獻(xiàn)和加速了中亞地區(qū)的暖濕化進(jìn)程。本文意在總結(jié)近20年關(guān)于中亞地區(qū)降水異常的主要影響因子及其背后機(jī)理,并在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出了未來的研究展望。
關(guān)鍵詞 ?全球變暖; 中亞; 暖濕化; 渦度異常; 水汽輸送異常; 西風(fēng)-季風(fēng)協(xié)同作用; 遙相關(guān)
中亞地區(qū)(Central Asia,簡稱CA,下同)位于亞歐大陸內(nèi)部,45°~106°E、30°~50°N(圖1),主要包括土庫曼斯坦、吉爾吉斯斯坦、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、哈薩克斯坦以及中國西北部地區(qū)(但也有研究將本文所指的CA分為中亞和中國西北地區(qū))。CA地表以丘陵、平原為主,包括天山、帕米爾高原興都庫什山、喜馬拉雅山的西北部、昆侖山北部等崎嶇山地,具有冰川、草原、森林、沙漠等并存的立體分布特征(Chen et al.,2019)。
CA地處中緯度西風(fēng)控制帶,CA的氣候變化很大程度受到西風(fēng)強(qiáng)度和西風(fēng)位置的影響(Aizen et al.,2001;Huang et al.,2013)。近年在全球加速變暖的背景下,CA地區(qū)正在經(jīng)歷異常的水分循環(huán),導(dǎo)致CA地區(qū)氣候產(chǎn)生不可忽視的變化(王會軍等,2020)。在過去80 a里,中亞地區(qū)降水呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(Chen et al.,2021a),由此也導(dǎo)致了徑流量的上升,如天山、祁連山和阿爾泰山區(qū)域(Shi et al.,2007)。自1960年以來中亞干旱區(qū)的弱降水事件頻率明顯減少,夏季強(qiáng)降水事件的強(qiáng)度和頻率均在明顯增加(李銘宇等,2020)。同時,CA干旱事件的發(fā)生間隔在縮短,但持續(xù)干旱的時間卻在增加(宋連春等,2003)。通過凈水分平衡研究發(fā)現(xiàn),1982—2019年期間CA的干季變得更加干燥而濕季則變得更加濕潤(Ren et al.,2022)。
CA是“西風(fēng)模態(tài)”的核心區(qū)域(Huang et al.,2015a;Chen et al.,2019),也是全球氣候敏感區(qū)域之一,隨著異常降水事件的發(fā)生,越來越多的研究關(guān)注CA降水異常的成因。除了全球變暖導(dǎo)致的大氣水含量增加以外,更多的水分補(bǔ)給和利于降水產(chǎn)生的形勢場配置也是降水增加的原因,已有研究表明,CA的水汽主要來自地中海、里海、黑海以及高緯度亞歐大陸和大西洋的西風(fēng),但另有研究發(fā)現(xiàn)CA地區(qū)的水分也有部分來自北印度洋,這意味著西風(fēng)和季風(fēng)對于CA的降水異??赡芏计鸬街匾饔茫˙othe et al.,2012;Guan et al.,2019)。
早在20世紀(jì)80年代,Yasunari(1986)發(fā)現(xiàn)印度夏季風(fēng)(Indian Summer Monsoon,簡稱ISM)與中高緯度西風(fēng)存在以30~50 d為周期的低頻震蕩模式,揭示了以青藏高原(Tibet Plateau,簡稱TP)為節(jié)點(diǎn)的中亞和遠(yuǎn)東亞位勢高度場的東西震蕩現(xiàn)象,而季風(fēng)槽和北半球500 hPa高度場之間的滯后相關(guān)性說明這個現(xiàn)象是中緯度西風(fēng)對季風(fēng)北向移動所帶來的熱源的部分反饋?zhàn)饔脤?dǎo)致。
另外,Chen et al.(2021b)對西風(fēng)和東亞季風(fēng)(East Asia Summer Monsoon,簡稱EASM)過渡區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)二者對過渡區(qū)域(即中國北部至蒙古區(qū)域)的降水均有重要作用,它們的共同作用使得從西北部來的冷空氣和從南方來的暖濕空氣相遇,二者之間的協(xié)同作用引發(fā)過渡區(qū)局地渦度異常,從而利于降水產(chǎn)生。同時,降水凝集釋放的潛熱為渦度的維持和發(fā)展提供了一個正向反饋。CA毗鄰TP,TP是西風(fēng)-季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)交匯和作用的重要區(qū)域(如圖2),TP大地形及西風(fēng)-季風(fēng)對CA地區(qū)降水異常的協(xié)同作用對CA地區(qū)的暖濕化產(chǎn)生重要影響。
除此以外,南亞高壓、高原季風(fēng)等天氣系統(tǒng)也會對CA的環(huán)流場配置產(chǎn)生顯著影響,其波動的相互作用會導(dǎo)致CA大氣環(huán)流模態(tài)更加復(fù)雜。另外,與西風(fēng)急流密切相關(guān)的絲綢之路遙相關(guān)型(Silk Road Pattern,簡稱SRP)與對流層中高層經(jīng)向風(fēng)存在顯著相關(guān),當(dāng)SRP正相位時,有利于更多的水分從印度洋移動輸送至CA地區(qū),進(jìn)而影響當(dāng)?shù)氐乃罩?。人類活動雖不能扭轉(zhuǎn)大氣環(huán)流整體的水分輸送,但卻可以通過增加蒸散發(fā)影響局地降水,如農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致的CA局地水循環(huán)變強(qiáng),從而引發(fā)降水增加,特別是在山地-盆地-綠洲這種地形配置上尤為明顯(de Kok et al.,2018;Zhang et al.,2019a)。
本文意在從多角度歸納和總結(jié)近20 a對CA降水異常研究的主要進(jìn)展并對未來的研究做出展望。以期對CA地區(qū)天氣氣候的研究提供參考。
1 中亞降水異常特征及其影響機(jī)制
以下將對近20年來CA地區(qū)降水異常特征及其影響的可能機(jī)制做一個較為詳細(xì)的歸納和總結(jié)。
1 1 中亞地區(qū)的水汽來源
CA地區(qū)近些年觀測到的降水異常,已經(jīng)有較多研究對其水汽來源和水汽輸送路徑做了較為詳細(xì)的分析。普遍認(rèn)為CA的降水主要是由中緯度西風(fēng)從更高緯度帶來的水汽進(jìn)行供應(yīng)的(Bothe et al.,2012;Ren et al.,2022),但也有研究認(rèn)為夏季時分從印度洋來的水汽也可以深入至塔里木盆地(Huang et al.,2015b)。盡管CA處于西風(fēng)控制范圍,但其降水的季節(jié)性分布并不一致(Liu et al.,2015;Yang et al.,2020),這說明作用在CA地區(qū)的環(huán)流系統(tǒng)是相對復(fù)雜的。按照降水的季節(jié)性CA可以按照約72 5°E為界分為東西兩部分,CA西部的降水集中在冬季,而CA東部的降水集中在夏季。Yang et al.(2020)使用Hysplit模型對CA的水汽來源和傳輸路徑進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示冬季時,CA西部的水汽來源主要是亞歐大陸西部、非洲北部和北大西洋,最大水汽貢獻(xiàn)中心在地中海附近和歐洲海岸,水汽路徑最遠(yuǎn)可南至阿拉伯海和10°N的非洲北部,北達(dá)北極,向東至西西伯利亞;夏季時,CA西部的最大水汽貢獻(xiàn)中心位于里海北部,整個水汽傳輸覆蓋面比冬季時分向東向北擴(kuò)展,水汽路徑最遠(yuǎn)可東至中西伯利亞東部,南至20°N,西達(dá)美國北部。CA東部在冬季的水汽傳輸路徑和CA西部的冬季水汽傳輸路徑比較相似,但最大水汽貢獻(xiàn)地點(diǎn)在阿拉伯半島附近;CA東部在夏季時的水汽傳輸路徑向南擴(kuò)展至馬達(dá)加斯加半島,最大水汽貢獻(xiàn)中心就在CA且其范圍要比冬季時更加向北擴(kuò)展,CA東部比CA西部接收的來自北大西洋的水汽更少,而水汽更多的是來自中國,明顯夏季傳輸?shù)乃榷疽嗪芏唷R灿袑A地區(qū)較小范圍的水汽傳輸路徑研究發(fā)現(xiàn)與上述Yang et al.(2020)基本一致的結(jié)果(Juhlke et al.,2019;Liu et al.,2020;Yao et al.,2021a)。除此以外,Guan et al.(2019)計算了CA地區(qū)四方邊界的年平均和季節(jié)平均水汽輸送,認(rèn)為水汽從西邊界和南邊界流入,從南邊界和東邊界流出,與中國西北地區(qū)的水分流通方向相反,同時認(rèn)為地中海、黑海和里海是CA春冬季節(jié)的主要水汽來源,黑海和里海是秋季的主要水汽來源,高緯度歐洲大陸和大西洋是CA夏季的主要來源,這與Yang et al.(2020)的結(jié)果不同。
由于大氣中的水汽含量隨高度降低,因此不同高度的大氣對CA的水汽貢獻(xiàn)是不同的。如Huang et al.(2015b)對夏季塔里木盆地(Tarim Basin,簡稱TB)的形勢場進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)其水汽傳輸路徑主要有2條,一條是在對流層底層(700~1 000 hPa),阿拉伯海的水汽沿TP東部邊緣由TB東部進(jìn)入TB,另一條是在大氣低層,阿拉伯海的水汽從TP西側(cè)傳輸至巴基斯坦北部和印度東北部,而后水汽被抬升至對流層中高層(300~700 hPa)從TB南部進(jìn)入,Huang et al.(2015b)認(rèn)為TB降水主要受到從東側(cè)來的低層水汽通量和從南側(cè)來高層水汽通量的影響。如Chen et al.(2021a)發(fā)現(xiàn)在對流層底部從印度洋和中國南海來的水汽對于TB的降水非常重要,而在對流層中高層從印度洋來的水汽對周圍山區(qū)的降水非常重要,其分析季風(fēng)輸送的路徑包括2個路徑:一是對流層底部從赤道印度洋和中國南海沿著TP西部和北部邊界輸送的水汽,另一個是對流層中高層通過TP從赤道印度洋輸送的水汽。自從1958年來,中亞干旱區(qū)夏季降水的增加主要是由在對流層底部從東部輸送的水汽以及在對流層中高層從南部輸送的水汽增加造成的。
另外,局地水汽循環(huán)加速也加劇降水過程。1980—2016年這段時間中國西北地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)正在以平均7 09 mm/(10 a)的速度顯著增加(Li et al.,2019),說明除了大尺度環(huán)流對CA進(jìn)行的水汽補(bǔ)給外,局地水汽循環(huán)對于維持中亞的水文循環(huán)也可能有不可忽略的影響。如Peng et al.(2018)基于水汽平衡分析,認(rèn)為在季節(jié)尺度上局地水循環(huán)增加使得CA變得越來越濕潤。如Zhao et al.(2012)認(rèn)為灌溉增加了局地降水,因?yàn)楣喔瓤梢栽黾油寥罎穸龋瑢?dǎo)致地表冷卻和地表蒸散增加,增強(qiáng)大氣水分,改變局地風(fēng)場,從而增強(qiáng)對流層底部的對流上升運(yùn)動,這些為局地降水提供了有利的水分和動力條件。如Zhang et al.(2019a)使用WRF-Noah模擬了在不同灌溉條件下中國新疆典型的山地-綠洲-沙漠系統(tǒng)在干濕年份對地表水熱過程的影響,發(fā)現(xiàn)在灌溉季節(jié),淹灌和滴灌都減少了平均感熱通量,降低了灌溉地區(qū)地表溫度,增加了潛熱和相對濕度,因此增加了CA特別是山地區(qū)域的降水,并引發(fā)了山地-綠洲-沙漠之間的水文循環(huán)(Yao et al.,2020)。但也有其他研究認(rèn)為局地水循環(huán)的作用較低,如Wu et al.(2019)認(rèn)為中國西北地區(qū)的年降水循環(huán)率介于4%~10%,雖然在以0 3%/(10 a)的速度增加,但比起外部水汽平流對降水的供給要小。如Chen et al.(2021b)的研究發(fā)現(xiàn)TB的夏季局地蒸散發(fā)可能被高估了,在EWVT和WWVT發(fā)生期間,降水再循環(huán)率(低于4%)是非常低的,說明局地蒸散發(fā)對TB夏季降水的貢獻(xiàn)可能是非常小的。如Wang et al.(2016)對中亞干旱區(qū)降水中氧的同位素分析后發(fā)現(xiàn),烏魯木齊循環(huán)水約占局地降水的16 2%,而石河子和蔡嘉湖等小型城市的循環(huán)水分僅占局地降水不到5%。
1 2 中亞降水發(fā)生的大氣環(huán)流異常
CA降水的季節(jié)性分布并不總是一致的,這說明該地區(qū)不僅受到西風(fēng)控制,也受到其他因素的影響。西風(fēng)對于CA的影響毋庸置疑,更強(qiáng)的西風(fēng)能為中亞帶來更豐富的水分,從而引發(fā)更多的降水。但足夠的水汽只是降水發(fā)生的充分不必要條件,環(huán)流場的配置可以觸發(fā)空氣的上升或抬升運(yùn)動,從而引起更多的降水。有研究發(fā)現(xiàn)TP和CA的局地降水與東亞夏季風(fēng)(East Asia Summer,簡稱EASM)、印度夏季風(fēng)(Indian Summer Monsoon,簡稱ISM)和西風(fēng)急流密切相關(guān),這些因素共同構(gòu)成的特殊環(huán)流場導(dǎo)致CA上空出現(xiàn)負(fù)位勢高度異常及對CA更多的水汽補(bǔ)給,導(dǎo)致CA降水增加(Botsyun et al.,2022)。
1 2 1 西風(fēng)急流的影響
西風(fēng)急流的狀態(tài)對于亞洲降水的作用幾乎是決定性的,其不僅可以影響帶來的水分是否充足,也可以通過大氣能量波動的方式影響與之相鄰的大氣環(huán)流的狀態(tài)。大體來講,西風(fēng)在冬夏兩季分別位于TP的南側(cè)和北側(cè),存在季節(jié)性緯向移動,并且研究表明西風(fēng)急流位置、強(qiáng)度、移動時間與CA降水之間存在重要作用(Schiemann et al.,2009)。全球變暖加劇將導(dǎo)致北半球西風(fēng)帶存在極向移動的趨勢,且西風(fēng)強(qiáng)度也在進(jìn)一步減弱(Toggweiler,2009;Abell et al.,2021)。Wolff et al.(2017)研究表明西風(fēng)位置和強(qiáng)度控制了CA氣候的干濕情景轉(zhuǎn)化,并產(chǎn)生了復(fù)雜的區(qū)域響應(yīng)。Jia et al.(2018)的研究顯示西風(fēng)是CA變化的一個重要的驅(qū)動因子,強(qiáng)西風(fēng)循環(huán)導(dǎo)致了CA更多的降水,反之則更少。Nagashima et al.(2013)發(fā)現(xiàn)如果在一年里西風(fēng)更早的向北移動,東亞季風(fēng)(East Asia Summer Monsoon,簡稱EASM)的雨帶將更早的向北遷移,也將更豐沛的降水聚集在EASM的西北部。Botsyun et al.(2022)發(fā)現(xiàn)溫暖時期的西風(fēng)急流將更早(4月)地向北遷移并到達(dá)更高的緯度,這將使CA和TP變得更加濕潤;在較冷時期的西風(fēng)急流較晚地(6月)向北遷移,導(dǎo)致TP和CA變得更加干燥。區(qū)域西風(fēng)指數(shù)是CA水分傳輸良好的指示標(biāo)志,在區(qū)域西風(fēng)指數(shù)強(qiáng)的時候,CA的緯向空氣強(qiáng),更多的水分可以進(jìn)入CA中部和東部;反之,水分只能送至CA西部,而且進(jìn)入CA的水分也顯著減少(Guan et al.,2019)。如Schiemann et al.(2009)研究發(fā)現(xiàn)西風(fēng)急流在TP的位置與CA降水的分布存在系統(tǒng)一致性,4月時TP地區(qū)偏北(偏南)的西風(fēng)急流與急流上游和TP北部的較高(較低)降水量有關(guān)。如Zhao et al.(2014a)使用NECP再分析資料和1961—2007年的觀測資料發(fā)現(xiàn)了西亞西風(fēng)急流的時空變化與新疆北部的降水有關(guān),而且西亞西風(fēng)急流的位置比其強(qiáng)度更能影響北疆的夏季降水,當(dāng)急流偏南時異常西南氣流沿著TP南部山麓穿過印度次大陸,更利于西南方向的濕熱空氣從低緯度進(jìn)入中亞和北疆,也更利于降水的發(fā)生。如Hong et al.(2018)的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)夏季西風(fēng)急流北移時,CA降水產(chǎn)生了明顯的負(fù)異常。如Kong et al.(2020)的研究發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾期間的夏季西風(fēng)在更南的位置,延長了西風(fēng)碰撞高原的時間,從而加強(qiáng)了中國西部的降水。如Yan et al.(2019)的研究發(fā)現(xiàn)更強(qiáng)的西風(fēng)會從西方帶來更多水汽,反之帶來水汽更少;西風(fēng)急流的南移可能利于更多的水汽被輸送到中亞,反之則水汽更少被輸送至中亞,這與Zhao et al.(2014a)的研究結(jié)果相似。如Du et al.(2016)發(fā)現(xiàn)西風(fēng)急流的經(jīng)向移動(M1)和西風(fēng)的西南-東北傾斜(M2)對中國降水分布有很大影響,M1與長江流域降水的增加和中國北部降水的減少有關(guān),但M2與中國降水分布的不對稱性有關(guān),即中國中部和中國東部(西部)降水的減少(增多)。如任國強(qiáng)和趙勇(2021)分析NECP再分析資料和GPCC的月降水?dāng)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)西風(fēng)急流偏南時,中亞上空受異常氣旋控制,印度半島上的異常反氣旋將阿拉伯海的水汽向北輸送,并通過CA上空的異常氣旋接力輸送至CA上空,導(dǎo)致降水偏多。綜合以上研究,可以認(rèn)為越強(qiáng)且夏季時候位置越靠南的西風(fēng)急流更利于CA降水的產(chǎn)生。
1 2 2 季風(fēng)的影響
CA地處亞歐大陸內(nèi)陸,季風(fēng)所帶來的源自海洋的水分鮮有到達(dá),但近些年隨著西風(fēng)北移,使得CA的大氣環(huán)流場發(fā)生了改變,特殊的環(huán)流場配置以及由此導(dǎo)致的上升運(yùn)動使得更多的水汽從印度洋和南海輸送至CA并發(fā)生降水,這意味著CA的水汽來源比例正在發(fā)生改變。
有研究顯示ISM伴隨的異常潛熱釋放可觸發(fā)對流層上層異常的環(huán)流場并影響北半球的較高緯度的大氣環(huán)流場(Ding and Wang,2005)。也有研究表明北印度洋和孟加拉灣附近增強(qiáng)的南風(fēng)有利于把更多的水分輸送到TP內(nèi)部乃至更深的地方(Huang et al.,2015b;Liu et al.,2020),水汽傳輸路徑也表明發(fā)生在CA的降水有一部分來自北印度洋。ISM將印度洋的水分輸送至亞洲,由此開始有研究關(guān)注到季風(fēng)對CA降水的影響。古氣候方面的研究表明在EASM非常弱時,季風(fēng)水汽輸送可以深入至TB甚至天山中部。弱的EASM與蒙古上空的異常反氣旋有關(guān),生成東風(fēng)并將季風(fēng)水汽沿著TP北側(cè)輸送入TB。Zhang(2021)將CA的水汽源地分為西風(fēng)傳輸水汽路徑(Westerlies Water Vapor Transport,簡稱為WWVT)和季風(fēng)傳輸水汽路徑(Monsoon Water Vapor Transport,簡稱MWVT),又按照EASM的強(qiáng)弱提出了一種EASM和西風(fēng)之間,與梅雨鋒(Monsoonal front)有關(guān)的新模態(tài),當(dāng)EASM較強(qiáng)時,季風(fēng)水汽可以深入北方導(dǎo)致中國北部和蒙古降水增加,梅雨鋒和季風(fēng)邊界也可以向更北方前進(jìn);但EASM較弱時,季風(fēng)水分可以到達(dá)CA并導(dǎo)致CA降水增加,但季風(fēng)水汽輸送向南退縮,導(dǎo)致中國北部和蒙古降水減少,這時梅雨鋒被分為2部分,一部分移至中亞東南部,另一部分移至TB西北部。盡管季風(fēng)帶來的水汽與西風(fēng)帶來的水分相比較少,但在夏季風(fēng)盛行季節(jié),季風(fēng)水汽源地對改變CA降水也有重要作用,因此無法被忽略。Chen et al.(2021a)的研究表明在過去60 a里CA降水與EASM的減弱密切相關(guān),減弱的EASM與蒙古反氣旋發(fā)生頻率的增加和西太平洋副熱帶高壓的東進(jìn)有直接聯(lián)系,由此導(dǎo)致了季風(fēng)輸送的增加,這與Zhang(2021)的研究結(jié)果基本一致。如Wei et al.(2017)表明,當(dāng)ISM變?nèi)鯐rCA干旱區(qū)的降水增加但是中國北部的降水減少,反之亦然;但I(xiàn)SM指數(shù)與這兩處降水的相關(guān)性并不明顯,因此ISM可能對CA降水存在間接作用。ISM變?nèi)跏沟媚蟻喐邏喊l(fā)生了東南移動,并造成了西風(fēng)急流的東南移動,這造成了中亞西風(fēng)急流西部的異常上升運(yùn)動和東側(cè)的異常下沉運(yùn)動,并最終造成CA降水異常增加和中國北部降水減少。除此以外,中亞干旱區(qū)的降水增加也與南亞季風(fēng)減弱造成對流層中高層冷卻密切相關(guān),弱ISM造成的負(fù)潛熱異常引發(fā)CA對流層中高層產(chǎn)生異常氣旋,異常氣旋的西側(cè)產(chǎn)生了冷平流,造成中亞上空對流層中高層冷卻,這有利于中亞干旱區(qū)產(chǎn)生上升運(yùn)動,而且這個異常冷卻經(jīng)常伴隨著異常南風(fēng),從而導(dǎo)致了中亞干旱區(qū)更豐富的降水(Zhao et al.,2014b;霍文等,2019)。來自印度洋的水汽并不是直接由季風(fēng)北上推進(jìn)到達(dá)CA的,而是通過印度半島上空的異常反氣旋以及中亞上空的異常氣旋接力完成的(任國強(qiáng)和趙勇,2021)。如Meng et al.(2020)的研究發(fā)現(xiàn),TB夏季沙塵天氣的出現(xiàn)和南亞夏季風(fēng)存在明顯關(guān)系,在南亞季風(fēng)弱(強(qiáng))的年份,中亞地區(qū)對流層上層存在異常氣旋(反氣旋)反映出ISM地區(qū)的對流層低層存在異常反氣旋(氣旋),這可能導(dǎo)致CA對流層中高層出現(xiàn)冷卻(增暖)從而出現(xiàn)異常氣旋(異常反氣旋),這時TB被異常南風(fēng)(異常北風(fēng))主導(dǎo),從而利于更多(更少)降水建立,同時抑制(促進(jìn))冷空氣進(jìn)入盆地并減弱(增加)地表風(fēng)速。
1 2 3 高原季風(fēng)的影響
高原季風(fēng)(Plateau Monsoon,簡稱PM)獨(dú)立于南亞夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng),是由于TP表面熱源的季節(jié)性變化導(dǎo)致的夏季(冬季)地表風(fēng)場氣旋性(反氣旋性)旋轉(zhuǎn)而形成的一種季風(fēng)。有研究發(fā)現(xiàn)PM與TB的夏季降水存在明顯相關(guān)(Zhao et al.,2016;任國強(qiáng)和趙勇,2021)。當(dāng)較強(qiáng)的PM發(fā)生時,TP上方對流層中部存在異常氣旋,而在TP西北部的對流層上層則存在異常反氣旋,這導(dǎo)致冷空氣從高緯度進(jìn)入CA地區(qū)產(chǎn)生中亞上部對流層中高層異常冷卻,并伴隨著南風(fēng)的加強(qiáng)和相應(yīng)的上升運(yùn)動最終導(dǎo)致TB的異常降水(Zhao et al.,2016)。如張強(qiáng)等(2019)的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)高原夏季風(fēng)偏強(qiáng)時,利于水汽輸送到西北地區(qū)西部,使西部降水增加,與上述研究一致。如任國強(qiáng)和趙勇(2022)分析NECP再分析資料和GPCC的月降水?dāng)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)PM和CA降水有良好的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)PM偏強(qiáng)時,西風(fēng)急流位置偏南,且TP夏季降水增加,潛熱加熱增強(qiáng),TP西北側(cè)對應(yīng)反氣旋環(huán)流,伴隨異常偏北風(fēng)攜帶高緯度冷空氣南下,導(dǎo)致CA上空溫度降低形成異常氣旋,導(dǎo)致CA降水增加。Zhang et al.(2022)使用JRA55和GPCC再分析資料也得到了與任國強(qiáng)等(2021)相似的結(jié)果,但Zhang et al.(2022)認(rèn)為CA南部降水與PM的相關(guān)性比CA北部更大,同時CA地區(qū)對流層中高層的溫度與PM存在明顯相關(guān)。
1 2 4 南亞高壓的影響
南亞高壓(South Asia High,以下簡稱SAH)的強(qiáng)度、位移對亞洲降水的分布和變化有影響。中緯度西風(fēng)和EASM之間的相互作用通過SAH的進(jìn)退進(jìn)行調(diào)整,另外也對西風(fēng)帶的長波調(diào)整和槽脊的變化有影響。Wei et al.(2017)的研究顯示亞洲西風(fēng)急流東西兩側(cè)的降水反向變化與SAH的東南-西北變化密切相關(guān),SAH的強(qiáng)度與CA降水(即急流西側(cè))呈正相關(guān),與中國北部降水(即急流東側(cè))呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)SAH向東南移動時,異常氣旋和異常反氣旋便出現(xiàn)在TP的西北和東南部,前者加強(qiáng)了西風(fēng)急流南側(cè)的強(qiáng)度,導(dǎo)致了西風(fēng)的南移,而后者則利于亞洲西風(fēng)急流向東南移動。較弱的ISM導(dǎo)致了SAH向東南移動,影響中緯度西風(fēng)急流的經(jīng)向散度風(fēng)環(huán)流,導(dǎo)致了CA地區(qū)出現(xiàn)上升氣流,而東部的季風(fēng)區(qū)出現(xiàn)下沉氣流,使得CA地區(qū)出現(xiàn)異常降水,這說明SAH可以將ISM與CA夏季異常降水聯(lián)系起來。
1 2 5 遙相關(guān)的影響
絲綢之路遙相關(guān)(Silk Road Pattern,簡稱SRP)與CA降水密切相關(guān)。SRP是夏季對流層高層沿亞洲西風(fēng)急流波導(dǎo)向東傳播的波列,表現(xiàn)為沿急流交錯分布的南北風(fēng)異常或氣旋反氣旋式環(huán)流異常,對歐亞地區(qū)的氣候異常有顯著影響。如Chen and Huang(2012)在對200 hPa位勢高度場進(jìn)行EOF分析后,將第二模態(tài)定義為EC型(Europe-China)遙相關(guān),即在北大西洋、西歐、東歐存在異常氣壓中心和北美東部、亞洲中部和中國南部存在較弱氣壓中心的位勢高度場分布,并發(fā)現(xiàn)中國西北地區(qū)7月降水的主導(dǎo)模態(tài)是由SRP和EC型(Europe-China)遙相關(guān)型共同影響的。如Huang et al.(2015b)認(rèn)為TB夏季降水是50°~80°E的經(jīng)向遙相關(guān)以及SRP之間相互作用的結(jié)果,二者共同導(dǎo)致了CA的負(fù)位勢高度異常和阿拉伯海、印度和中國中部及北部的正位勢高度異常,從而導(dǎo)致CA的上升運(yùn)動和水汽輸送,從而引起TB降水。如Ma et al.(2020)的研究表明在1979—2018年,CA夏季總降水和極端降水與EA/WR型遙相關(guān)(東歐與俄羅斯西部200 hPa氣壓場的反相變化)的負(fù)相位有關(guān),CA北部上空500 hPa表現(xiàn)出負(fù)位勢異常和異常氣旋,伴隨著蒙古的正位勢高度和氣旋異常,以及輸送至CA東部的來自阿拉伯海的南方水汽輸送都為CA降水提供了便利條件。如Zhao et al.(2014a)在研究新疆北部降水與西風(fēng)急流的關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)西風(fēng)急流的年變化與北極濤動(Arctic Oscilation,簡稱AO)有關(guān),在弱AO的年份,對流層中層至高層變得比平常更冷,導(dǎo)致在中亞和西亞出現(xiàn)異常的氣旋環(huán)流,這增強(qiáng)了中低緯度的西風(fēng)并導(dǎo)致西亞西風(fēng)急流位置偏南,說明AO也可能與AC降水有關(guān)。
1 2 6 海-氣相互作用的影響
陸地上降水的最終來源都是海洋,海洋表面的水分蒸發(fā)并通過大氣環(huán)流輸送至大陸,對大陸進(jìn)行水分補(bǔ)給。CA降水也是如此,海表面氣壓(Seal Level Pressure,簡稱SLP)、海溫(Sea Surface Temperature,簡稱SST)等也可影響到其降水。如Ma et al.(2020)的研究認(rèn)為北大西洋海溫異常通過影響巴爾喀什湖附近的長波槽加深將西南水汽向北輸送和增強(qiáng)EA/WR負(fù)模態(tài)促進(jìn)高緯水汽向南輸送,從而導(dǎo)致CA極端降水增加。如Huang et al.(2013)通過對1960—2009年中緯度降水特點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn),冬季時NAO可能造成中亞干旱區(qū)北部的負(fù)位勢高度異常和其南部的正位勢高度異常,而且增加的氣壓梯度和異常的西風(fēng)將帶來更多的水汽;夏季時中國東北部的負(fù)壓力異常伴隨著弱夏季風(fēng)和亞歐大陸東部的負(fù)位勢高度異常,共同導(dǎo)致了中亞過量的降水。Mariotti(2007)發(fā)現(xiàn)ENSO對CA西南部的降水有明顯影響且持續(xù)整個雨季,特別是秋季。厄爾尼諾(拉尼娜)發(fā)生時,西南方向(東北方向)的水汽通量導(dǎo)致CA西南部發(fā)生更多(更少)降水,這與張等人(張強(qiáng)等,2019)發(fā)現(xiàn)ENSO強(qiáng)度基本與中國西北地區(qū)西部降水呈同位相變化的結(jié)果相一致。如Jiang et al.(2021)的研究發(fā)現(xiàn)赤道太平洋10 a變化(Tropical Pacific Decadal Variability,簡稱TPDV)和大西洋多年際變化(Atlantic Multidecadal Variablity,以下簡稱AMV)是驅(qū)動1955—2004年中亞地區(qū)降水年代際變化的主要因子。TPDV的正相位可以導(dǎo)致CA降水增加,特別是CA東南部。西太平洋的負(fù)SST異常伴隨著印度-西太平洋暖池上的高SLP,西南風(fēng)沿著高SLP的西北邊緣為CA的東南部帶來更多水分,從而導(dǎo)致降水。赤道東太平洋SST的正相位能產(chǎn)生較弱的沃克環(huán)流,導(dǎo)致西太平洋降水減少和東太平洋中部降水增加和潛熱釋放的變化,這將產(chǎn)生斜壓性羅斯貝波列并最終影響CA東南部降水。溫暖的北大西洋讓CA變得更濕潤,特別是CA北部。AMV的正相位可以沿著北半球西風(fēng)急流引發(fā)向東傳播的斜壓性波列,使得西歐和北太平洋產(chǎn)生正位勢中心,北大西洋和中亞產(chǎn)生負(fù)位勢中心,這個形勢場利于CA北部產(chǎn)生上升運(yùn)動,而從北大西洋和歐洲北部來的水分被增強(qiáng)的西風(fēng)帶入CA北部,從而引發(fā)降水,但這個過程具體的機(jī)制尚不明確。當(dāng)TPDV和AMV都從負(fù)相位轉(zhuǎn)向正相位時,CA降水增加;但當(dāng)二者相位不同時,CA降水增加較小。而Chen and Huang(2012)的研究也認(rèn)為赤道異常加熱觸發(fā)了導(dǎo)致中國西北部7月降水的遙相關(guān),即EC型遙相關(guān)和SRP。北印度洋的異常加熱會導(dǎo)致SRP,而赤道太平洋中部、印度大陸和赤道大西洋的異常加熱會導(dǎo)致EC型遙相關(guān),這些異常加熱也都與SST異常有關(guān)。赤道加熱異常在對流層上層誘導(dǎo)散度平流激發(fā)遙相關(guān),而渦度平流則是由有效羅斯貝波源的散度項觸發(fā)的。這些研究說明海溫異常變化是CA降水異常的根本原因,海溫異常經(jīng)常伴隨著SLP異常和羅斯貝波的異常波動,為CA的降水提供了水汽供給和利于上升氣流產(chǎn)生的環(huán)流場配置,并最終導(dǎo)致了CA降水異常。
1 2 7 中尺度天氣系統(tǒng)的影響
中亞渦(Central Asia Vortex,簡稱CAV)是一個從里海東部延伸至新疆的冷渦天氣系統(tǒng),是造成新疆暴雨、短時強(qiáng)降雨、冰雹和持續(xù)低溫的重要天氣系統(tǒng),CAV發(fā)生時可能造成西方、東方、南方的水汽輸送,也可能導(dǎo)致天山山脈及其北部山麓區(qū)域的強(qiáng)降水。CAV可按照結(jié)構(gòu)分為深厚和淺薄兩種類型,也可以按照是否伴隨降水分為干渦和濕渦。CAV對CA的天氣有兩種不同的影響,濕渦可以導(dǎo)致新疆發(fā)生降水,而干渦則導(dǎo)致少量降水或大風(fēng)降溫天氣。而日CAV活動有明顯的季節(jié)差異。深厚CAV通常在帕米爾高原的西部和南部活動頻繁,且深厚CAV在7月活動最頻繁,6月和8月次之,冬季則最不頻繁。當(dāng)深厚CAV是干渦時,新疆將出現(xiàn)大風(fēng)、低溫,或者低溫伴隨零星降水,甚至有時候?qū)μ鞖鉀]有明顯影響;反之,當(dāng)深厚CAV是濕渦時,新疆將會發(fā)生適量降水。1971—2010年的記錄顯示深厚CAV的活動次數(shù)正在以0 7次/(10 a)的頻率增加。淺薄CAV通常在5月活動最頻繁,即春季最頻繁,隨后是秋季、冬季,夏季最不頻繁。淺薄CAV通常導(dǎo)致南疆發(fā)生暴雨、短期強(qiáng)降水和冰雹等天氣。1971—2010年的記錄顯示,淺薄CAV的活動次數(shù)沒有明顯趨勢。
楊蓮梅和李曼(2015)從能量傳輸角度對CAV進(jìn)行了研究,在低渦發(fā)展和旺盛階段,200 hPa波源位于北大西洋東北部,一種波動向東南傳播至地中海,一種波動向東傳播至東歐。西風(fēng)在地中海上空得到增強(qiáng),導(dǎo)致從大西洋東北部來的羅斯貝波向這些區(qū)域傳播。波通量的聚散在大西洋東北部交替出現(xiàn)并向東移至貝加爾湖,由此導(dǎo)致了整個系統(tǒng)的發(fā)展和維持。隨后能量繼續(xù)向東和東南傳播,烏拉爾山繼續(xù)加強(qiáng)了波動通量且正位勢異常已經(jīng)比大西洋東北部要強(qiáng)了。最后波動到達(dá)西風(fēng)急流的南側(cè),能量在這里強(qiáng)烈匯集且羅斯貝波能量被阻塞,造成了CAV的發(fā)展和維持。若此時有降水供應(yīng),CAV便會發(fā)生降水。這個過程也說明CAV與北大西洋海溫密切相關(guān)。
而CAV導(dǎo)致的強(qiáng)降水環(huán)流配置通常有一些共同性,如SAH分為伊朗高原和TP上空的兩個反氣旋中心時,西風(fēng)急流在中亞和新疆是西南-東北走向;如兩槽一脊的環(huán)流場配置,深厚CAV向東和東南方向移動,導(dǎo)致降水;如700 hPa發(fā)生甘肅河西走廊至新疆的較強(qiáng)低空東風(fēng)急流(Low-Level East Jet,簡稱LLEJ),并與其他方向的氣流發(fā)生強(qiáng)烈對流。在水汽傳輸方面,主要也存在3種類型。第一類型是從西方、東方和南方的水汽在新疆匯集;第二類型是從東南西北四個方向的水汽在新疆匯集;第三類型是主要從東西兩方發(fā)生的水汽匯集(Yang and Zhang,2017)。這三種類型也與之前對中亞的水汽傳輸路徑分析基本一致。
1 2 8 中亞地形的影響
大地形山脈對地球氣候有重大影響,CA存在天山、帕米爾高原等諸多高大山地,其地形對降水的影響更無法忽略,而且高海拔的增暖比低海拔強(qiáng)。Zhang et al.(2019b)發(fā)現(xiàn)在1957—2005年天山、哈薩克丘陵、克孜勒庫姆沙漠、表現(xiàn)出更明顯的增濕和極端降水事件增加趨勢。有研究通過去掉和保留地形的方式對CA進(jìn)行模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)地形對CA降水的時空分布有明顯影響。如Baldwin and Vecchi(2016)使用對比實(shí)驗(yàn)比較了是否存在天山對CA降水的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在沒有天山的情況下,由于缺少地形降水,天山左右兩側(cè)的沙漠將連為一片廣袤的大型沙漠,但在天山北側(cè)地區(qū)則比存在天山時更加濕潤。CA西部的沙漠受到天山地形的影響很小,CA東部沙漠的降水則受到很大影響,如塔克拉瑪干沙漠將在除了夏季以外的季節(jié)受到比存在天山時2倍甚至還要多的降水。對于天山西部來講,天山存在與否對于降水和蒸發(fā)的季節(jié)性分布影響并不太大。但在天山東部,其存在天山時夏季降水比不存在天山時要高一些,但冬季降水則要比不存在天山時低一些,對于蒸發(fā)的季節(jié)分布也與降水相似,這說明天山放大了CA東部降水的季節(jié)性。如Sha et al.(2018)發(fā)現(xiàn)帕米爾高原增強(qiáng)了CA降水的時空分布,但與Baldwin and Vecchi(2016)有差異的是,Sha et al.(2018)認(rèn)為天山和帕米爾高原增強(qiáng)了CA西部的降水季節(jié)性。 如Yao et al.(2020)認(rèn)為新疆存在特殊的“三山夾兩盆”地形產(chǎn)生的山谷風(fēng)循環(huán)對增強(qiáng)降水有重要機(jī)制,這種機(jī)制導(dǎo)致了土壤水分和大氣水分含量增加,在日間時,山谷風(fēng)將水汽從綠洲帶入山區(qū),通過增強(qiáng)垂直上升運(yùn)動降水增加山間的水汽;而在夜間,山風(fēng)從山間吹向綠洲,能造成綠洲地區(qū)降水的增加。這說明中亞獨(dú)特的地形地貌對于降水的季節(jié)性分配和降水的局地循環(huán)都有不小的影響。
1 2 9 中亞地區(qū)降水未來變化趨勢分析
全球變暖背景下,CA很可能面臨更多的降水。TPDV在21世紀(jì)初一直保持冷相位,并且近些年正在逐漸轉(zhuǎn)向暖相位,AMV自從20世紀(jì)90年代中期就一直是暖相位,且還會再持續(xù)25~40 a,因此在不考慮其他過程的情況下,未來10 a內(nèi)CA還會發(fā)生更多的異常降水(Jiang et al.,2020)。如Yao et al.(2021b)分析了在CMIP5不同情景下CA的降水情況,發(fā)現(xiàn)RCP4 5和RCP8 5情境下2006—2100年的降水顯著增加,這主要是由于極端降水事件強(qiáng)度的加強(qiáng)和少量降水事件的減弱導(dǎo)致的,與此同時還伴隨著全球變暖導(dǎo)致的蒸發(fā)加強(qiáng)。如Jiang et al.(2020)基于CMIP5提供的共享社會經(jīng)濟(jì)情景和代表性濃度情景(SSP1-2 6、SSP2-4 5、SSP3-7 0和SSP5-8 5)4種情況下對CA進(jìn)行了歷史模擬和預(yù)測,發(fā)現(xiàn)在21世紀(jì)末所有情景下的CA年降水都顯著增加,天山和CA北部尤其劇烈。增溫導(dǎo)致的降水反饋增加了CA降水的季節(jié)性變化,也造成了CA北部的第一個降水峰值從原先的夏季提前至春季。
2 討論及展望
通過以上的歸納分析,可以得到影響CA降水的機(jī)制(圖 3):
1)中亞地處歐亞大陸內(nèi)部,屬于西風(fēng)控制區(qū)域,其降水有明顯的季節(jié)性,即主要集中在夏季時分。在全球變暖的背景下,CA地區(qū)正逐漸變得溫暖而濕潤。觀測顯示近些年來CA發(fā)生了降水異常增加,特別是夏季降水。研究顯示CA的水分來源主要是北大西洋、地中海、阿拉伯海,但CA的降水季節(jié)性分布并不一致,CA東部和西部的水汽來源存在差異。
2)從氣候角度來講,北大西洋和赤道印度洋發(fā)生的異常增暖使得CA降水的年變化和年代際變化呈增加趨勢。即CA降水實(shí)際受到西風(fēng)和季風(fēng)的控制,且這二者之間也存在相互作用。在西風(fēng)較強(qiáng)且在夏季時分偏南時,西風(fēng)帶來的降水更多,在EASM較弱的時候,季風(fēng)水汽可以深入CA地區(qū),而ISM對CA降水存在間接作用,一種說法是較弱的ISM導(dǎo)致SAH的東南移動,另一種說法是較弱的ISM導(dǎo)致了CA對流層中高層冷卻,這兩種機(jī)制共同導(dǎo)致了CA上空出現(xiàn)了負(fù)位勢高度異常,而在東歐和中國北部上空的正位勢高度異常,并由此使得CA上空出現(xiàn)了異常氣旋,而中國北部出現(xiàn)了異常反氣旋。而PM與對流層中高層冷卻十分相關(guān),強(qiáng)PM發(fā)生時,來自北方的冷空氣南下,從而利于CA上空異常氣旋的產(chǎn)生。
3)從遙相關(guān)角度來說,與CA降水密切相關(guān)的遙相關(guān)型主要是SRP。SRP的負(fù)相位意味著CA對流層高層存在異常氣旋,也說明CA地區(qū)存在異常南風(fēng),使得更多的水分進(jìn)入CA,但實(shí)際上與CA降水相關(guān)的遙相關(guān)也與海洋表面異常增溫有關(guān),所以實(shí)際上這也是海氣相互作用在CA降水方面的表達(dá);從天氣尺度來說,直接影響CA降水的是CAV,特別是在夏季活躍頻繁的深厚型濕渦。有研究認(rèn)為CAV的形成與大西洋溫度密切相關(guān),能量沿著西風(fēng)急流將羅斯貝波列向東傳輸,并最終阻塞在中亞干旱區(qū),導(dǎo)致了CAV的發(fā)展和成熟。
已經(jīng)有很多研究對中亞降水異常提出了合理且全面的解釋,但依舊存在可以深入探究之處,對此可以提出以下幾個方面作為未來思考和研究的方向:
1)近10 a中亞地區(qū)對于中亞地區(qū)的研究多集中在氣象統(tǒng)計分析、天氣學(xué)分析等方面,但數(shù)值模擬方面的研究并不多。受到觀測站點(diǎn)不均勻以及觀測時間不連貫以及中亞自身地表極度復(fù)雜的限制,將大尺度大氣環(huán)流變化較為準(zhǔn)確地反饋在不同的地表類型和海拔變化上是一件困難的事情,這使得改進(jìn)復(fù)雜地表的陸面參數(shù)化方案迫在眉睫。
2)即使再分析數(shù)據(jù)可以從總體上反應(yīng)中亞區(qū)域的氣候特征,但在考慮降水等時空分布極度不均勻的要素時,再分析數(shù)據(jù)也并不能較好體現(xiàn)局地特點(diǎn),因此當(dāng)進(jìn)行相關(guān)研究時,必須與觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合,確認(rèn)再分析資料是否可以較為準(zhǔn)確地反應(yīng)中亞地區(qū)的氣候要素后再挑選合適的數(shù)據(jù)集,而這也為設(shè)立更全面的地面觀測系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。
3)不論觀測還是模擬,都向我們闡明中亞確實(shí)正在面臨暖濕化的現(xiàn)狀,也有許多研究對影響中亞降水的機(jī)制做出了合理解釋,但實(shí)際上補(bǔ)給中亞降水的多余水分究竟是從哪里來的,或者說哪部分的水汽來源需要為中亞降水異常負(fù)主要責(zé)任依舊不甚明朗。另外,中亞地區(qū)地表類型和海拔起伏都非常不均勻,這使得該地區(qū)也會受到局地氣候的影響,說明局地水汽循環(huán)也可能導(dǎo)致中亞降水增加,但此處由于計算方法和所用數(shù)據(jù)的差異產(chǎn)生了不同的結(jié)論,因此尚有爭議。
4)導(dǎo)致中亞降水的天氣系統(tǒng),如中亞渦,發(fā)生的時間尺度往往較短,由其導(dǎo)致的降水過程往往并不利于捕捉和觀測,而且目前尚沒有利用多源數(shù)據(jù)和區(qū)域數(shù)值模型對中尺度系統(tǒng)的形成機(jī)理和演化規(guī)律進(jìn)行研究,因此預(yù)報中亞地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對流天氣的能力并不強(qiáng)。
5)中亞地區(qū)是氣候敏感帶,其變化往往是牽一發(fā)而動全身的,若想明晰其降水異常的各種因素,往往還需要冰川、徑流、生態(tài)等其他學(xué)科領(lǐng)域的合作,才能更加全面地了解中亞地區(qū)正在發(fā)生的水分變化。
6)中亞降水異常是中亞環(huán)境發(fā)生變化的過程,而中亞的氣候變化則是中亞水分發(fā)生變化的必然結(jié)果。如何將氣候變化的理論研究與天氣預(yù)報的實(shí)際應(yīng)用相融合,為應(yīng)對氣候變化做好準(zhǔn)備是一個值得深入思考的問題。
針對以上存在的問題和研究方向,提出以下研究方案(圖4):
因此在未來的研究中,完善觀測系統(tǒng),減少觀測數(shù)據(jù)不全帶來的影響,同時優(yōu)化參數(shù)化方案,提升模式應(yīng)對復(fù)雜地表陸面過程的能力,才能為應(yīng)對中亞氣候敏感區(qū)的環(huán)境變化做出更精準(zhǔn)的預(yù)測。
參考文獻(xiàn)(References)
Abel l J T,Winckler G,Anderson R F,et al.,2021.Poleward and weakened westerlies during Pliocene warmth[J].Nature,589(7840):70-75.doi:10 1038/s41586-020-03062-1.
Aizen E M,Aizen V B,Melack J M,et al.,2001.Precipitation and atmospheric circulation patterns at mid-latitudes of Asia[J].Int J Climatol,21(5):535-556.doi:10 1002/joc.626.
Baldwin J,Vecchi G,2016.Influence of the Tian Shan on arid extratropical Asia[J].J Climate,29(16):5741-5762.doi:10 1175/jcli-d-15-0490 1.
Bothe O,F(xiàn)raedrich K,Zhu X H,2012.Precipitation climate of Central Asia and the large-scale atmospheric circulation[J].Theor Appl Climatol,108(3):345-354.doi:10 1007/s00704-011-0537-2.
Botsyun S,Mutz S G,Ehlers T A,et al.,2022.Influence of large-scale atmospheric dynamics on precipitation seasonality of the Tibetan Plateau and central Asia in cold and warm climates during the late Cenozoic[J].J Geophys Res Atmos,127(12).doi:10 1029/2021jd035810.
Chen C Z,Zhang X J,Lu H Y,et al.,2021a.Increasing summer precipitation in arid Central Asia linked to the weakening of the East Asian summer monsoon in the recent decades[J].Int J Climatol,41(2):1024-1038.doi:10 1002/joc.6727.
Chen F H,Chen J H,Huang W,et al.,2019.Westerlies Asia and monsoonal Asia:spatiotemporal differences in climate change and possible mechanisms on decadal to sub-orbital timescales[J].Earth Sci Rev,192:337-354.doi:10 1016/j.earscirev.2019 03 005.
Chen G S,Huang R H,2012.Excitation mechanisms of the teleconnection patterns affecting the July precipitation in northwest China[J].J Climate,25(22):7834-7851.doi:10 1175/jcli-d-11-00684 1.
Chen J,Huang W,F(xiàn)eng S,et al.,2021b.The modulation of westerlies-monsoon interaction on climate over the monsoon boundary zone in East Asia[J].Int J Climatol,41(S1).doi:10 1002/joc.6903.
de Kok R J,Tuinenburg O A,Bonekamp P N J,et al.,2018.Irrigation as a potential driver for anomalous glacier behavior in high Mountain Asia[J].Geophys Res Lett,45(4):2047-2054.doi:10 1002/2017GL076158.
Ding Q H,Wang B,2005.Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer[J].J Climate,18(17):3483-3505.doi:10 1175/jcli3473 1.
Du Y,Li T,Xie Z Q,et al.,2016.Interannual variability of the Asian subtropical westerly jet in boreal summer and associated with circulation and SST anomalies[J].Climate Dyn,46(7):2673-2688.doi:10 1007/s00382-015-2723-x.
Guan X F,Yang L M,Zhang Y X,et al.,2019.Spatial distribution,temporal variation,and transport characteristics of atmospheric water vapor over Central Asia and the arid region of China[J].Glob Planet Change,172:159-178.doi:10 1016/j.gloplacha.2018 06 007.
Hong X W,Lu R Y,Li S L,2018.Asymmetric relationship between the meridional displacement of the Asian westerly jet and the silk road pattern[J].Adv Atmos Sci,35(4):389-396.doi:10 1007/s00376-017-6320-2.
Huang W,Chen F H,F(xiàn)eng S,et al.,2013.Interannual precipitation variations in the mid-latitude Asia and their association with large-scale atmospheric circulation[J].Chin Sci Bull,58(32):3962-3968.doi:10 1007/s11434-013-5970-4.
Huang W,Chen J H,Zhang X J,et al.,2015a.Definition of the core zone of the “westerlies-dominated climatic regime”,and its controlling factors during the instrumental period[J].Sci China Earth Sci,58(5):676-684.doi:10 1007/s11430-015-5057-y.
Huang W,F(xiàn)eng S,Chen J H,et al.,2015b.Physical mechanisms of summer precipitation variations in the Tarim Basin in northwestern China[J].J Climate,28(9):3579-3591.doi:10 1175/jcli-d-14-00395 1.
霍文,智協(xié)飛,楊蓮梅,等,2019.沙漠氣象若干問題研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué)學(xué)報,42(3):469-480. Huo W,Zhi X F,Yang L M,et al.,2019.Research progress on several problems of desert meteorology[J].Trans Atmos Sci,42(3):469-480.doi:10 13878/j.cnki.dqkxxb.20180629001.(in Chinese).
Jia J,Liu H,Gao F Y,et al.,2018.Variations in the westerlies in Central Asia since 16 ka recorded by a loess section from the Tien Shan Mountains[J].Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol,504:156-161.doi:10 1016/j.palaeo.2018 05 021.
Jiang J,Zhou T J,Chen X L,et al.,2020.Future changes in precipitation over Central Asia based on CMIP6 projections[J].Environ Res Lett,15(5):054009.doi:10 1088/1748-9326/ab7d03.
Jiang J,Zhou T J,Chen X L,et al.,2021.Central Asian precipitation shaped by the tropical Pacific decadal variability and the Atlantic multidecadal variability[J].J Climate,34(18):7541-7553.doi:10 1175/jcli-d-20-0905 1.
Juhlke T R,Meier C,van Geldern R,et al.,2019.Assessing moisture sources of precipitation in the Western Pamir Mountains (Tajikistan,Central Asia) using deuterium excess[J].Tellus B Chem Phys Meteorol,71(1):1601987.doi:10 1080/16000889 2019 1601987.
Kong W W,Chiang J C H,2020.Southward shift of westerlies intensifies the east Asian early summer rainband following El Nino[J].Geophys Res Lett.doi:10 1029/2020gl088631.
李銘宇,韓婷婷,郝鑫,2020.歐亞大陸極端降水事件的區(qū)域變化特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報,43(4):687-698. Li M Y,Han T T,Hao X,2020.Regional characteristics of extreme precipitation events in Eurasia[J].Trans Atmos Sci,43(4):687-698.doi:10 13878/j.cnki.dqkxxb.20191202001.(in Chinese).
Li Z X,F(xiàn)eng Q,Li Z J,et al.,2019.Climate background,fact and hydrological effect of multiphase water transformation in cold regions of the Western China:a review[J].Earth Sci Rev,190:33-57.doi:10 1016/j.earscirev.2018 12 004.
Liu Q,Tian L D,Wang J L,et al.,2015.A study of longitudinal and altitudinal variations in surface water stable isotopes in West Pamir,Tajikistan[J].Atmos Res,153:10-18.doi:10 1016/j.atmosres.2014 07 029.
Liu X L,Liu Y M,Wang X C,et al.,2020.Large-scale dynamics and moisture sources of the precipitation over the western Tibetan Plateau in boreal winter[J].J Geophys Res Atmos,125(9).doi:10 1029/2019jd032133.
Ma Q R,Zhang J,Teshome Game A,et al.,2020.Spatiotemporal variability of summer precipitation and precipitation extremes and associated large-scale mechanisms in Central Asia during 1979—2018[J].J Hydrol X,8:100061.doi:10 1016/j.hydroa.2020 100061.
Mariotti A,2007.How ENSO impacts precipitation in southwest central Asia[J].Geophys Res Lett,34(16).doi:10 1029/2007gl030078.
Meng L X,Zhao Y,Huang A N,et al.,2020.Impact of South Asian monsoon on summer dust weather occurrence over the Tarim Basin in Northwest China[J].Environ Res Commun,2(10):105001.doi:10 1088/2515-7620/abbd89.
Nagashima K,Tada R,Toyoda S,2013.Westerly jet-East Asian summer monsoon connection during the Holocene[J].Geochem Geophys Geosyst,14(12):5041-5053.doi:10 1002/2013gc004931.
Peng D D,Zhou T J,Zhang L X,et al.,2018.Human contribution to the increasing summer precipitation in central Asia from 1961 to 2013[J].J Climate,31(19):8005-8021.doi:10 1175/jcli-d-17-0843 1.
任國強(qiáng),趙勇,2022.副熱帶西風(fēng)急流與中亞夏季降水的關(guān)系[J].高原氣象,41(6):1425-1434. Ren G Q,Zhao Y,2022.Relationship between the subtropical westerly jet and summer rainfall over central Asia from 1961 to 2016[J].Plateau Meteorol,41(6):1425-1434.(in Chinese).
Ren Y,Yu H P,Liu C X,et al.,2022.Attribution of dry and wet climatic changes over central Asia[J].J Climate,35(5):1399-1421.doi:10 1175/jcli-d-21-0329 1.
Schiemann R,Lüthi D,Schr C,2009.Seasonality and interannual variability of the westerly jet in the Tibetan Plateau region[J].J Climate,22(11):2940-2957.doi:10 1175/2008jcli2625 1.
Sha Y Y,Shi Z G,Liu X D,et al.,2018.Role of the Tian Shan Mountains and Pamir Plateau in increasing spatiotemporal differentiation of precipitation over interior Asia[J].J Climate,31(19):8141-8162.doi:10 1175/jcli-d-17-0594 1.
Shi Y F,Shen Y P,Kang E S,et al.,2007.Recent and future climate change in northwest China[J].Climate Change,80(3):379-393.doi:10 1007/s10584-006-9121-7.
宋連春,韓永翔,孫國武,2003.中亞和中國西北干旱氣候變化特征及其對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響[J].干旱氣象,21(3):43-47. Song L C,Han Y X,Sun G W,2003.The arid climate variable characteristics and its influence on production structure in the central Asia and northwest of China[J].J Arid Meteorol,21(3):43-47.(in Chinese).
Toggweiler J R,2009.Shifting westerlies[J].Science,323(5920):1434-1435.doi:10 1126/science.1169823.
王會軍,唐國利,陳海山,等,2020.“一帶一路”區(qū)域氣候變化事實(shí)、影響及可能風(fēng)險[J].大氣科學(xué)學(xué)報,43(1):1-9. Wang H J,Tang G L,Chen H S,et al.,2020.The Belt and Road region climate change:Facts,impacts and possible risks[J].Trans Atmos Sci,43(1):1-9.doi:10 13878/j.cnki.dqkxxb.20191110003.(in Chinese).
Wang S J,Zhang M J,Che Y J,et al.,2016.Contribution of recycled moisture to precipitation in oases of arid central Asia:a stable isotope approach[J].Water Resour Res,52(4):3246-3257.doi:10 1002/2015wr018135.
Wei W,Zhang R H,Wen M,et al.,2017.Relationship between the Asian westerly jet stream and summer rainfall over central Asia and North China:Roles of the Indian monsoon and the south Asian high[J].J Climate,30(2):537-552.doi:10 1175/jcli-d-15-0814 1.
Wolff C,Plessen B,Dudashvilli A S,et al.,2017.Precipitation evolution of Central Asia during the last 5 000 years[J].Holocene,27(1):142-154.doi:10 1177/0959683616652711.
Wu P,Ding Y H,Liu Y J,et al.,2019.The characteristics of moisture recycling and its impact on regional precipitation against the background of climate warming over Northwest China[J].Int J Climatol,39(14):5241-5255.doi:10 1002/joc.6136.
Yan D N,Xu H,Lan J H,et al.,2019.Solar activity and the westerlies dominate decadal hydroclimatic changes over arid Central Asia[J].Glob Planet Change,173:53-60.doi:10 1016/j.gloplacha.2018 12 006.
Yang H,Xu G Y,Mao H X,et al.,2020.Spatiotemporal variation in precipitation and water vapor transport over central Asia in winter and summer under global warming[J].Front Earth Sci,8:297.doi:10 3389/feart.2020 00297.
楊蓮梅,李曼,2015.“96·7”中亞低渦持續(xù)活動能量轉(zhuǎn)換和頻散特征[J].氣象科技進(jìn)展,5(3):40-48. Yang L M,Li M,2015.Energy conversion and dispersion characteristics of “96·7” central Asian vortex persistent activity[J].Adv Meteorol Sci Technol,5(3):40-48.doi:10 3969/j.issn.2095-1973 2015 03 003.(in Chinese).
Yang L M,Zhang Y H,2017.Summary of current research on Central Asian vortex[J].Adv Clim Change Res,8(1):3-11.doi:10 1016/j.accre.2017 03 002.
Yao J Q,Chen Y N,Zhao Y,et al.,2020.Climatic and associated atmospheric water cycle changes over the Xinjiang,China[J].J Hydrol,585:124823.doi:10 1016/j.jhydrol.2020 124823.
Yao J Q,Chen Y N,Chen J,et al.,2021a.Intensification of extreme precipitation in arid Central Asia[J].J Hydrol,598:125760.doi:10 1016/j.jhydrol.2020 125760.
Yao S B,Jiang D B,Zhang Z S,2021b.Lagrangian simulations of moisture sources for Chinese Xinjiang precipitation during 1979—2018[J].Int J Climatol,41(S1).doi:10 1002/joc.6679.
Yasunari T,1986.Low-frequency interactions between the summer monsoon and the Northern Hemisphere westerlies[J].Journal Meteorological Society Japan,64(5):693-708.doi:10 2151/jmsj1965 64 5693.
Zhang M,Luo G P,Cao X S,et al.,2019a.Numerical simulation of the irrigation effects on surface fluxes and local climate in typical mountain-oasis-desert systems in the central Asia arid area[J].J Geophys Res Atmos,124(23):12485-12506.doi:10 1029/2019jd030507.
Zhang M,Chen Y N,Shen Y J,et al.,2019b.Tracking climate change in Central Asia through temperature and precipitation extremes[J].J Geogr Sci,29(1):3-28.doi:10 1007/s11442-019-1581-6.
張強(qiáng),林婧婧,劉維成,等,2019.西北地區(qū)東部與西部汛期降水蹺蹺板變化現(xiàn)象及其形成機(jī)制[J].中國科學(xué):地球科學(xué),49(12):2064-2078. Zhang Q,Lin J J,Liu W C,et al.,2019.Precipitation seesaw phenomenon and its formation mechanism in the eastern and western parts of Northwest China during flood season[J].Sci Sin Terrae,49(12):2064-2078.(in Chinese).
Zhang S B,Meng L X,Zhao Y,et al.,2022.The influence of the Tibetan Plateau monsoon on summer precipitation in central Asia[J].Front Earth Sci,10:771104.doi:10 3389/feart.2022 771104.
Zhang X J,2021.Penetration of monsoonal water vapour into arid central Asia during the Holocene:An isotopic perspective[J].Quat Sci Rev,251:106713.doi:10 1016/j.quascirev.2020 106713.
Zhao Y,F(xiàn)ang Y J,Cui C X,et al.,2012.Effects of irrigation on precipitation in the arid regions of Xinjiang,China[J].J Arid Land,4(2):132-139.doi:10 3724/sp.j.1227 2012 00132.
Zhao Y,Wang M Z,Huang A N,et al.,2014a.Relationships between the West Asian subtropical westerly jet and summer precipitation in northern Xinjiang[J].Theor Appl Climatol,116(3):403-411.doi:10 1007/s00704-013-0948-3.
Zhao Y,Huang A N,Zhou Y,et al.,2014b.Impact of the middle and upper tropospheric cooling over central Asia on the summer rainfall in the Tarim Basin,China[J].J Climate,27(12):4721-4732.doi:10 1175/jcli-d-13-00456 1.
Zhao Y,Huang A N,Zhou Y,et al.,2016.The impacts of the summer plateau monsoon over the Tibetan Plateau on the rainfall in the Tarim Basin,China[J].Theor Appl Climatol,126(1/2):265-272.doi:10 1007/s00704-015-1576-x.
Review of increasing precipitation in Central Asia and its possible mechanism
ZHAO Wenqing ?1,2 ,MA Yaoming ?1,2,3,4,5,6 ,CAO Dianbin 1
1Land-Atmosphere Interaction and its Climate Effects Group,State Key Laboratory of Tibetan Plateau Erath System,Resources and Environment (TPESRE),Institute of Plateau Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;
2University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;
3College of Atmospheric Science,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;
4National Observation and Research Station for Qomolongma Special Atmospheric Processes and Environmental Changes,Dingri,858200,China;
5Kathmandu Center of Research and Education,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;
6China-Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences,Chinese Academy of Sciences,Islamabad 45320,Pakistan
Central Asia is located in the interior of Eurasia,in the key area of westerly wind control.With accelerating global warming in recent years,observations and simulations show a trend of warming and humidification in Central Asia.SST anomalies in the North Atlantic induce atmospheric vorticity anomalies,which propagate anomalies influencing large-scale circulation and vertical motion in Central Asia via Rossby wave activity,leading to an increase in precipitation anomalies.Simultaneously,the SST anomalies in the equatorial Pacific Ocean and the North Indian Ocean cause abnormal water vapor transport from the Arabian Peninsula to Central Asia,as well as the westerly-monsoon synergy,the remote correlation phase transition of the Silk Road,the changes of land surface type,local circulation and soon,which all contribute in varying degrees to the warming and humidification process in Central Asia.This paper aims to outline the main influencing factors and mechanisms of precipitation anomalies in Central Asia in the past 20 years,and to propose future research directions based on previous research.
global warming;Central Asia;warm humidification;abnormal vorticity;abnormal water vapor transport;westerly-monsoon synergy;teleconnection
doi:10 13878/j.cnki.dqkxxb.20221115001
(責(zé)任編輯:袁東敏)