南亚高压是北半球夏季的一个半永久性高压环流, 一般在100 hPa等压面表现的最为强大和稳定, 是亚洲季风的主要成员之一(Mason et al, 1963; 陶诗言等, 1964)。南亚高压作为高层环流的一个行星尺度环流背景, 具有稳定性和持续性的特点, 是天气气候变化的一个强信号, 其脊线的南北振荡和中心的东西移动, 对北半球大气环流演变和中国旱涝分布均具有重要影响。

鉴于南亚高压的重要作用, 我国学者对南亚高压活动规律及其对我国天气气候的影响开展了大量研究(陶诗言等, 1964; 罗四维等, 1982; 李跃清, 1996; 王春学等, 2016)。基于南亚高压中心的东西移动, 把南亚高压分为东部型、西部型和带状型, 西部型和东部型的转换称为南亚高压的东西振荡, 具有准双周周期特征(陶诗言等, 1964; 朱福康等, 1980; 罗四维等, 1982)。当6月南亚高压的位置偏西, 华北夏季降水增加, 南亚高压增强时, 易造成长江流域涝、华北地区旱, 反之易造成长江流域旱、华北地区涝(黄燕燕等, 2004; 黄樱等, 2004)。除了东西移动, 南亚高压还具有明显的季节性南北变化, 对亚洲季风爆发具有重要影响, 当南亚高压中心跳过20°N时, 南海夏季风爆发, 接着跳过25°N时, 印度夏季风爆发(钱永甫等, 2004)。南亚高压西部移到30°N, 高压东部跳过26°N后, 对应着华南雨带推进到江淮流域(朱文妹, 1987)。以上针对南亚位置变化的研究, 更多是指南亚高压的青藏高压型。南亚高压存在两个气候平衡态, 即:青藏高压型和伊朗高压型, 分别位于青藏高原和伊朗高原上空(张琼, 1999)。南亚高压的不同模态分布, 对应着不同天气气候。当南亚高压为青藏高压型时, 对应着长江流域降水偏多; 反之为伊朗高压型时, 长江流域降水偏少。(张琼等, 2000; 郑飒飒等, 2014)。青藏高压东部型时长江下游地区多雨, 青藏高压西部型时中国西南至华北等地区多雨; 伊朗高压东部型时中国东部沿海地区多雨, 西部型时中国江淮流域地区多雨(钱永甫等, 2002)。

南亚高压不仅与我国东部季风区降水联系紧密, 对西北干旱区夏季降水也存在重要影响。持续性的青藏高压型, 将会导致西北地区东部明显多雨, 西部少雨, 但是新疆塔里木盆地的西缘降水偏多(张琼等, 1997; 杨莲梅等, 2007a)。在青藏高压型和伊朗高压型转换过程中, 常常出现两个高压中心并存的现象, 称之为南亚高压双体型, 与新疆夏季降水联系紧密, 并常常伴有强降水过程(刘慧云, 2001; 赵勇等, 2013; 王前等, 2017)。已有南亚高压对我国天气气候的影响, 更多关注青藏高压型, 针对伊朗高压型的研究相对较少。张家宝等(1986)发现伊朗高压型的“南北振荡”, 对新疆北部及东部的夏季降水具有重要影响, 但限于当时的资料条件, 并未展开讨论。此外, 针对青藏高压型的中心移动, 早在20世纪70年代, 就发现与青藏高原及其下游地区加热强度的变换有关(钱永甫, 1978), 那么伊朗高压型中心位置的变化, 与下垫面加热存在如何的联系, 讨论甚少。本文将针对伊朗高压型的中心位置变化, 讨论其与新疆夏季降水的联系, 给出环流和水汽输送的对应过程, 揭示大气视热源变化与高压中心移动的联系。

新疆气象信息中心提供了经过质量控制的新疆区域1979—2013年88个站点(图 1)逐日降水资料。欧洲中期天气预报中心ECMWF提供了1979—2013年逐日水平分辨率2.5°×2.5°, 垂直方向27层的风场、比湿、位势高度、垂直速度和温度等再分析资料ERA-Interim数据集(Dee et al, 2011)。ERA-Interim是ERA-40后的新一代产品, 在青藏高原地区适用性相对较好(Berrisford et al, 2011; Bao et al, 2013)。视热源Q的计算采用Yanai et al(1973)提出的倒算法, 具体公式推到见岑思弦等(2014)的文献。大气顶层气压取100 hPa, Q为正(负)时, 表示气柱中总的非绝热加热(冷却), 称之为大气热源(热汇)。由于伊朗高压型一般7月才会出现在伊朗高原上空, 因而本研究的夏季指7—8月。降水逐日数据处理为候降水量, 环流资料处理为候平均资料。

图 1(Figure 1)

图 1 新疆地形(彩色区)、气象观测站点分布(黑点)和1979—2013年7—8月候均降水分布[等值线, 单位: mm·(5d)-1] Figure 1 The distribution of topography (color area), observation stations (black dots) and mean pentad precipitation [contour, unit: mm·(5d)-1] in Xinjiang from July to August during 1979—2013

按照钱永甫等(2002)的定义, 以75°E为界分型, 当南亚高压仅有一个高压中心, 且在75°E以西, 称为伊朗高压型, 以东称为青藏高压型; 此外, 当存在两个高压中心, 且分别在75°E两侧, 称为双体型; 两个中心以上称为带状型。在1979—2013年7—8月共420候中, 伊朗高压型有183候, 青藏高压型有91候, 双体型有137候, 带状型有9候, 伊朗高压型出现最多(图略)。从100 hPa伊朗高压型合成位势高度场和流场的气候分布与伊朗高压频数年际变化(图 2)中可以看出, 伊朗高压型主要位于伊朗高原上空。伊朗高压型频数近年来呈减少态势, 尤其在2003年后, 频数明显偏少。1995年, 伊朗高压型出现候数最多, 10候出现了伊朗高压型, 2004年最少, 仅出现2候。图 3为伊朗高压型合成的夏季候降水百分率和候降水量占夏季总降水量的百分比, 其中, 黑点表示通过95% t检验的站点。从图 3中可以看出, 在平均情况下, 当伊朗高压型控制时, 新疆北部的中东区域降水偏多, 而塔里木盆地降水减少, 尤其西部地区。伊朗高压型对应的降水贡献, 新疆北部和东部最多, 可占总降水量的40%~50%, 塔里木盆地西缘最少, 占比在20%以下。说明南亚高压不同分布型, 对新疆夏季降水的影响差异较大。

图 2(Figure 2)

图 2 100 hPa伊朗高压型合成位势高度场(彩色等值线, 单位: gpm)、流场(流线, 单位: m·s-1) (a)和伊朗高压频数年际变化(b) Figure 2 The composed 100 hPa geopotential height fields (color contour, unit: gpm) and streamlines (stream line, unit: m·s-1) of Iran high pattern (a), the annual variations of frequency and normalized frequency of Iran high pattern (b)

图 3(Figure 3)

图 3 伊朗高压型合成的夏季候降水百分比(a)和候降水量占夏季总降水量的百分比(b) 黑点表示通过95% t检验的站点 Figure 3 The distributions of percentages of pentad precipitation anomaly of Iran high pattern (a) and the percentages of composed pentad precipitation from July to August precipitation of Iran high pattern (b).Black dots are the stations that past the significant leval at 95%

已有学者对青藏高压型中心位置变化与我国气候的联系做了大量研究(张琼等, 1997, 2001; 李跃清, 2000; 马振锋, 2003), 那么伊朗高压型中心位置的变化, 对新疆夏季降水产生何种影响呢？参考钱永甫等(2002)对伊朗高压型中心位置的划分的标准, 看其经度(纬度)标准差与距平值关系, 大于一个标准差为定义伊朗高压偏西(偏北)型, 小于一个标准差为偏东(偏南)型。这样可以将伊朗高压型划分为偏西型(28候), 偏东型(37候), 偏北型(19候)和偏南型(27候)。考虑高压中心经纬度的协同变化, 经度方向取值标准不变, 纬度方向取值标准改为大于(小于)一个标准差, 那么又可以将伊朗高压型划分为西北型(39候), 东北型(26候), 西南型(9候)和东南型(11候)。

图 4为伊朗高压型高压中心不同位置时的盛夏候降水距平百分比分布, 其中, 黑点为通过95%的信度检验的站点。从图 4中可以看出, 当伊朗高压型中心偏西时, 除部分地区外, 新疆大部地区降水增多, 尤其天山山区, 降水可偏多30%以上。当伊朗高压型中心偏东时, 新疆全境干旱少雨, 尤其塔里木盆地, 降水减少更为明显, 盆地西部最多可减少降水60%。当伊朗高压型中心偏北时, 新疆降水异常呈东西反向分布, 西部降水偏少, 东部偏多, 当伊朗高压型中心偏南时, 塔里木盆地降水异常呈东西分布, 盆地中西部降水偏少, 东部偏多。

图 4(Figure 4)

图 4 伊朗高压型高压中心不同位置时(a~d)的盛夏候降水距平百分比分布 Figure 4 The composed distributions of percentages of pentad precipitation anomaly at different position (a~d) of the center of the Iran High pattern

上述仅考虑高压中心经度或纬度变化时, 新疆夏季降水的异常分布, 那么高压中心经度纬度同时变化时, 降水如何分布呢？图 5给出了伊朗高压型高压中心不同位置时500 hPa风场距平, 其中, 阴影表示通过95%信度检验区域。由图 5可见, 整个新疆除塔里木盆地西部降水显著减少外, 其余地区降水均增多, 尤其整个北疆地区, 降水增加30%左右。伊朗高压型中心位置偏东北时, 仅新疆东部地区降水增多, 其余地区降水均减少, 塔里木盆地尤为显著; 当伊朗高压型中心位置偏西南时, 新疆大部分地区降水偏少, 仅北疆和塔里木盆地西部的部分地区降水偏多; 伊朗高压型中心位置偏东南时, 新疆全境降水偏少, 仅伊犁河谷北部地区降水偏多。

图 5(Figure 5)

图 5 伊朗高压型高压中心不同位置(a~d)时500 hPa风场距平(单位: m·s-1) Figure 5 The composed distributions of pentad wind anomaly at 500 hPa different position (a~d) of the center of the Iran High pattern.Unit: m·s-1

由上可见, 如果仅考虑伊朗高压型中心沿经度或纬度移动, 那么高压中心偏西时, 新疆降水偏多, 反之偏少, 偏南和偏北时, 新疆东部区域降水增多。但是考虑了高压中心在经向和纬向的同时变化, 可以发现, 只有高压中心偏西北时, 新疆北部和东部降水偏多, 但是当高压中心偏东分布时, 不论偏东北还是偏东南, 降水均减少, 由此说明伊朗高压型时, 高压中心经向位置变化对新疆夏季降水的影响要大于纬向位置变化。

南亚高压作为高层行星尺度环流, 调整相对缓慢, 但是高压中心的变化会导致区域中低层环流的异常, 对区域气候产生影响(陶诗言等, 1964)。图 6为伊朗高压型高压中心不同位置时水汽通量距平, 地表积分至300 hPa, 其中, 阴影表示通过95%信度检验区域。由图 6可见, 当伊朗高压型中心位置偏西时, 在巴尔喀什湖上空为异常气旋控制, 贝加尔湖上空为异常反气旋, 在二者共同作用下, 新疆尤其北疆, 盛行异常偏南风, 而偏南气流是导致新疆夏季降水的关键环流系统(杨莲梅等, 2007b; Zhao et al, 2014), 塔里木盆地的西缘盛行异常偏北风, 降水异常与环流对应的很好。当伊朗高压型中心位置偏东时, 中亚上空的异常气旋环流偏西, 塔里木盆地上空受异常反气旋环流控制, 因此导致新疆夏季降水偏少, 塔里木盆地降水减少尤其显著。当伊朗高压型中心位置偏北时, 里海和咸海上空为异常反气旋环流控制, 新疆西部地区盛行异常偏北风, 因而导致该区域降水偏少, 而东部地区受气旋型环流控制, 有利于降水发生。当伊朗高压型中心位置偏南时, 里海和咸海北部上空为异常气旋环流, 贝加尔湖上空为异常反气旋环流, 但异常气旋的位置相对偏西, 新疆中东部盛行异常东南风, 对应降水增加。

图 6(Figure 6)

图 6 从地表积分至300 hPa时伊朗高压型高压中心不同位置时(a~d)水汽通量距平(单位: kg·m-1·s-1) Figure 6 The composed distributions of pentad water vapor flux anomaly vertically integrated from surface to 300 hPa at different position (a~d) of the Iran High pattern center.Unit: kg·m-1·s-1

图 7给出了伊朗高压型中心不同位置时降水距平百分比分布, 黑点为通过95%的信度检验的站点。由图 7可见, 在阿拉伯海至西太平洋, 为强大的反气旋环流控制, 华南上空的反气旋环流切变将热带水汽输送至中纬度, 在贝加尔湖上空异常反气旋环流配合下, 东南风将热带海洋水汽输送至新疆上空, 为降水提供有利的水汽条件。伊朗高压型中心位置偏东时, 印度半岛上空和西太平上空均为异常气旋性环流, 贝加尔上空没有明显反气旋环流, 不利于水汽的输送, 因而新疆夏季不易发生降水。当伊朗高压型中心位置偏北时, 印度半岛上空依然为气旋型环流, 但是我国南海上空为异常反气旋环流, 沿青藏高原向西北输送, 与贝加尔湖上空异常气旋底部的偏东气流在新疆东部交汇, 易于发生降水。印度半岛上空为异常反气旋环流, 热带海洋水汽向东输送, 配合日本南部海洋和贝加尔湖上空的异常反气旋环流, 将水汽输送至新疆, 为新疆中东部夏季降水提供水汽条件。

图 7(Figure 7)

图 7 伊朗高压型高压中心不同位置时(a~d)降水距平百分比分布 Figure 7 The composed distributions of percentages of pentad precipitation anomaly at different position (a~d) of the Iran High pattern center

当伊朗高压型中心位置沿经向和纬向同时移动时, 区域环流和水汽输送如何变化呢？图 8为伊朗高压型高压中心不同位置时500 hPa风场距平, 其中, 阴影表示通过95%信度检验区域。由图 8可见, 里海和咸海上空受异常反气旋环流控制, 新疆上空为异常气旋, 二者共同作用下, 塔里木盆地西部地区盛行异常偏北风, 不利于降水发生, 其余地区盛行异常偏南气流, 对降水发生有利, 降水异常分布与之非常吻合。当伊朗高压型中心位置偏东北时, 中亚上空受异常反气旋环流控制, 因而导致新疆大部降水偏少。伊朗高压型中心位置偏西南时, 咸海上空为异常气旋环流, 贝加尔湖为异常反气旋环流, 气旋环流位置相对偏西, 仅北疆和塔里木盆地西部边缘地区盛行异常偏南风, 导致该区域降水偏多, 其余地区降水均偏少。伊朗高压型中心位置偏东南时, 环流异常分布与中心偏西南相似, 但是贝加尔湖上空的反气旋环流减弱, 仅北疆西部边缘盛行偏南风, 降水增加, 其余地区降水减少。

图 8(Figure 8)

图 8 伊朗高压型高压中心不同位置(a~d)时500 hPa风场距平(单位: m·s-1) Figure 8 The composed distributions of pentad wind anomaly at 500 hPa at different position (a~d) of the Iran High pattern center.Unit: m·s-1

伊朗高压型中心位置偏西北时, 孟加拉湾上空受异常反气旋环流控制, 将水汽输送至我国东南部, 西太副热带高压北抬, 季风加强, 将水汽向北输送, 东北和蒙古上空的异常反气旋和气旋环流配合, 将水汽输送至新疆上空, 提供降水发生的水汽条件[图 9(a)]。伊朗高压型中心位置偏东北时, 水汽输送类似于偏西北, 但是日本海上空反气旋环流位置偏东, 水汽被输送至我国东北, 新疆夏季水汽条件相对匮乏, 不利于降水发生[图 9(b)]。当伊朗高压型中心位置偏西南时, 水汽输送与偏西北时大不相同, 孟加拉湾上空为反气旋环流分布, 不利于该区域水汽的向东输送, 但是阿拉伯海上空为反气旋性环流, 可将水汽输送至青藏高原西侧的中纬度地区, 配合中高纬度的气旋性环流, 将水汽输送至更高纬度, 配合流场形势[见图 8(c)], 对新疆北部和南部的西缘, 降水条件更加有利[图 9(c)]。伊朗高压型中心位置偏东南时, 水汽分布与偏西南类似[图 9(d)]。

图 9(Figure 9)

图 9 从地表积分至300 hPa时伊朗高压型高压中心不同位置时(a~d)水汽通量距平(单位: kg·m-1·s-1) 阴影表示通过95%信度检验区域 Figure 9 The composed distributions of pentad water vapor flux anomaly vertically integrated from surface to 300 hPa at different position (a~d) of the Iran High pattern center.Unit: kg·m-1·s-1. The shaded areas represent over the 95% significant confidence level

南亚高压是趋暖性高压, 下垫面加热对高压中心位置变化有重要影响, 大气环流对下垫面加热的响应也不同(Qian et al, 2002; 李菲等, 2011)。由上述分析可知, 伊朗高压型对新疆北部和东部降水具有重要影响, 那么高压中心移动与下垫面加热如何联系呢？图 10为伊朗高压型高压中心位置和对应的视热源距平, 阴影部分为通过95%信度检验区域(高压中心点重合较多, 因而图示中心少于实际)。由图 10可见, 高压中心均位于45°E—60°E之间, 伊朗高原西部为热源中心, 由于该区域干旱少雨, 感热加热为主, 而大气环流一般对感热的响应为在其东北部高空对应反气旋环流, 这种加热位置和形势有利于伊朗高压偏西型的形成。当伊朗高压型中心位置偏东时, 热源中心位于青藏高原, 由于高原夏季风的盛行, 潜热加热时主导方式, 大气环流对潜热加热的响应为在其西北部高层对应反气旋环流, 因而利于伊朗高压偏东型的形成。当伊朗高压型中心位置偏北时, 热源中心位于新疆至中亚帕米尔高原区域, 帕米尔高原夏季降水充沛(黄秋霞等, 2013), 潜热加热是其主要方式, 因此高压中心位于其西北部。当伊朗高压型中心位置偏南时, 热源中心在阿拉伯半岛, 该区域以荒漠为主, 夏季感热加热是主导方式, 因而高压中心位于其东北部。综上可见, 伊朗高原和青藏高原中西部加热强度的变化, 是导致伊朗高压型中心东西移动的主要因素, 而高压中心南北移动则与中亚帕米尔高原和阿拉伯半岛加热密切相关。伊朗高压型中心沿经向和纬向同时变化时, 中心位置和热源异常的配置关系, 与图 10得到的结论类似, 这里不再累述(图略)。

图 10(Figure 10)

图 10 伊朗高压型高压中心位置(黑点)和对应的视热源距平(等值线, 单位: W·m-2) Figure 10 The center position (black dots) and composite anomalous apparent heat source of Iran High pattern (contour, unit: W·m-2)

南亚高压是夏季北半球重要的行星尺度环流系统, 存在青藏高压型和伊朗高压型的气候平衡态, 两个高压型的转换及单独高压中心的移动, 对我国天气气候产生不同影响。已有研究更多考虑了青藏高压型与我国旱涝的联系, 本研究主要关注伊朗高压型, 分析了其中心移动对应的新疆干旱区夏季降水异常分布以及区域环流和水汽输送的联系。主要得出以下结论:

(1) 近35年来, 伊朗高压型出现183候, 多于青藏高压型的91候, 主要对新疆北部和东部降水产生影响, 可以贡献该区域夏季降水的40%~50%。当伊朗高压型中心位置偏西时, 新疆上空受异常气旋环流控制, 热带印度洋水汽沿高原东侧输入新疆上空, 形成有利的环流和水汽条件, 导致新疆大部分区域降水增多; 当中心位置偏东时, 新疆被异常反气旋环流控制, 盛行异常偏北风, 不易降水发生; 中心位置偏南或偏北时, 新疆西部均少雨, 东部多雨, 区域略有差异, 由此说明, 伊朗高压型中心东西移动对新疆降水的重要性要大于南北移动。考虑高压中心同时沿经向和纬向移动, 发现中心位置偏西北时, 除塔里木盆地西部地区, 新疆大部降水偏多, 新疆上空受异常气旋控制, 副热带高压北抬, 有利于热带水汽沿青藏高原北侧进入新疆上空; 中心位置偏东北时, 仅新疆东部降水偏多, 其他地区降水均偏少; 当中心位置偏东南或西南时, 新疆仅西部边缘地区降水增多, 其他地区均偏少。

(2) 伊朗高压型“南北振荡”对新疆降水影响, 具体指伊朗高压型中心位置偏西时, 其脊线南北变化与新疆夏季降水的联系, 当脊线偏北时, 可以引起北疆夏季降水偏多, 脊线偏南时, 降水偏少。而当高压中心位置偏东时, 这种振荡并不会引起新疆大部地区降水异常偏多(偏少)。作为趋暖性高压, 伊朗高压型中心位置的经向移动与伊朗和青藏高原加热密切相关, 而南北移动则与帕米尔高原和阿拉伯半岛的加热联系在一起。

伊朗高压型中心的不同位置, 对水汽输送的影响差异较大, 当伊朗高压型中心位置偏北时, 无论偏西还是偏东, 水汽输送均来自于青藏高原东侧的绕流, 而伊朗高压型中心位置偏西南或东南时, 水汽输送类似于两步输送(Zhao et al, 2014), 但是中亚上空的气旋(槽)位置偏北, 因而水汽被输送至更北的地区, 并不利于新疆降水的水汽条件。这就说明了伊朗高压模态下, 水汽沿高原东侧的绕流对新疆夏季降水更为重要(Huang et al, 2015; 刘维成等, 2017)。此外, 当前研究在考虑下垫面加热对伊朗高压型中心位置变化影响时, 与已有研究相似(周利敏等, 2016; 张长灿等, 2017)更多考虑了陆地加热情况, 未涉及海温, 近年来的研究表明, 海温异常对南亚高压模态转换存在重要影响(张琼等, 2001; Huang et al, 2001)。那么海温加热和陆表加热, 在南亚高压模态转换过程中, 相对贡献是什么, 谁起到主导作用等问题, 需要在未来的研究中进一步探讨。