新疆位于我国内陆干旱与半干旱区(35°N—50°N，73°E—96°E)，其独特的地理分布特征(三山夹两盆)使得新疆气候较为复杂.它远离海洋，干旱缺水成为新疆地区的主要环境特征，年均降水量仅为218mm, 且主要集中在北疆地区，而南疆为极端干旱区，年降水量仅为58.6mm.正是由于新疆气候的干旱半干旱特征，使得新疆地区生态环境极其脆弱，工农业的发展和人们的生活生产对气候变化变得更加敏感^[1]，尤其是对降水变化的响应^[2].

近几十年来，东亚地区以夏季风减弱为主要特征，相应地，我国气候也发生了显著的年代际变化^[3-8].自20世纪80 年代末开始，新疆地区发生了由暖干向暖湿的气候转型^[9].相比1961—1986 年，1987—2000年新疆年平均降水量显著增加，北疆地区增加了22%，南疆地区增加了33%.伴随着降水量的增加，新疆局地水循环以及生态环境等都发生了变化，比如新疆西部和北部地区植被覆盖面积显著增加^[10-11]，湖泊水位上升，面积扩大^[12].但同时也伴随着极端降水事件的增加，使得洪涝灾害频发，由洪灾造成的直接经济损失在1980 年代中后期开始急剧增加^[13].

关于新疆地区夏季降水的年代际转型问题，目前已有一些研究展开.施雅风等^[9]的研究认为，全球变暖驱动水循环加剧可能是新疆地区由暖干向暖湿转型的一个原因.Dai等^[14]指出近20年来新疆地区水汽源地的改变与降水的年代际增加有一定的联系.赵兵科等^[15]研究表明源于低纬阿拉伯海向北直至中亚对流层低层偏南的强气流是新疆地区降水增多的一个主要特征，也是水汽重要来源之一.另外，Su和Wang^[16]分析了新疆干旱指数与ENSO 的关系，发现它们之间的显著关系只存在于20 世纪80年代末以后，而其中的原因尚不清楚.上述这些研究对开展新疆地区夏季降水年代际转型的机理研究奠定了科学基础，但是，到目前为止关于新疆地区夏季降水转型的机理还不十分清楚，尤其是引起新疆地区此次转型的大气环流因子是什么还不明白.而众所周知，大气环流异常是造成气候异常的最直接原因.所以，本文将对转型前后与新疆地区夏季降水相关的环流场做对比分析，以期揭示引起新疆地区夏季降水此次干湿转型的大气环流因子，从而深化对其转型根本原因的认识.

本文所用的降水资料是由新疆气象局提供的新疆地区109个台站的逐日观测资料，时间为1951—2005年.考虑到台站的建站时间以及迁站对数据的影响，我们从中选取了1961—2005年数据较为连续完整的90个台站进行新疆地区夏季(7—8月)降水的年代际变化特征分析.用于本文研究的大气环流资料来自于美国国家环境预测中心及国家大气研究中心(NCEP/NCAR)和欧洲中期天气预报中心(ECMWF:ERA-40)的再分析格点(2.5°×2.5°)资料，分析的变量包括位势高度场､水平风场､比湿等.

图 1给出了新疆区域平均的1961—2005 年夏季降水距平变化.可以看到，新疆夏季降水表现出了显著的年际和年代际尺度变化特征.观测降水的9年滑动平均结果和利用Mann-Kendall方法的检测结果都表明，新疆夏季降水在1988年左右发生了一次显著的突变，降水明显增加(图略).另外，降水的9年低通滤波结果也可以很好地反映出新疆夏季降水的年代际增加特征.1988 年以后，夏季平均降水相对1970—1987年增加了近40%.我国20世纪80年代末的这种气候年代际变化特征不仅只发生在新疆地区，在我国其他地区也存在^[17].

图 1

Fig. 1

图 1 1961—2005年新疆夏季降水距平变化(条形图)以及相应的9年低通滤波结果(实线) Fig. 1 The variation of Xinjiang summer precipitation anomaly (bar) and its corresponding 9-year low-pass filter curve (solid line)

为了进一步了解新疆地区夏季降水的空间变化，我们对1961—2005年新疆90 个台站的夏季降水距平场进行了经验正交分析(EOF).其中第一模态解释了34.9%的方差，其空间分布显示新疆整个区域为一致的正值，其中大值中心主要集中在天山一带，说明近几十年来新疆夏季降水表现出了一致增加的趋势，而且天山一带为降水增加的中心区域(图 2).第一模态的时间系数与新疆夏季降水区域平均的降水序列具有很好的相关性，两者的相关系数达到了0.97，表明新疆夏季降水主要模态的变化可以很好地反映新疆地区夏季降水的整体变化特征.

图 2

Fig. 2

图 2 1961—2005年新疆90个台站夏季降水距平场进行EOF分析后第一模态的空间分布，图中数字无量纲 Fig. 2 The spatial distribution of leading EOF ofXinjiang summer precipitation anomaly over 90 stations for the period of 1961—2005

由于新疆夏季降水在1988年左右发生了显著的突变，因此在接下来的分析中，我们将分析时段分为两个时期:1970—1987年和1988—2005年.

图 3 给出了两个时期的200hPa水平风场和500hPa位势高度场与新疆夏季降水异常线性回归的空间分布.从回归结果中可以看到，两个时期对应的大气环流异常有着相似的环流形势，但也表现出了明显不同的特征.

图 3

Fig. 3

图 3 利用新疆夏季降水指数线性回归的1970—1987年(a, c)和1988—2005年(b, d)两个时期200 hPa(a, b)水平风场和 500 hPa(c, d)位势高度场异常分布.其中A表示反气旋，C代表气旋.阴影区表示两者相关通过95%信度检验的区域.其中大气环流资料为NCEP/NCAR再分析资料 Fig. 3 Regression patterns of the 200 hPa wind anomaly (a, b) and 500 hPa geopotential height anomaly (c, d) withrespect to Xinjiang summer precipitation anomaly for the period of 1970—1987 (a, c) and 1988—2005 (b, d)，respectively. The symbol A denotes anticyclone and C denotes cyclone . Shading indicates correlation significant at the 95 % confidencelevel . The NCEP/NCAR reanalysis data are used here

前期(图 3(a､c))，欧亚大陆高层200hPa风场异常表现为一显著的纬向波列，表明该区域Rossby波活跃.新疆地区刚好位于这一波列的槽前脊后区，这是有利于新疆夏季降水发生的一种典型的天气环流形势^[18].在对流层200hPa高层环流场上还可以看到，中亚上空有一个异常的气旋中心(40°N，60°E)，在异常气旋中心的下游出现了一个异常的反气旋中心(40°N，100°E)，而新疆刚好位于这两个异常环流中心之间的异常南风盛行区，使得新疆地区水汽输送增加，为夏季降水的发生提供了一个有利的背景条件.高层环流的异常特征在500hPa高度场上也可以很清楚地看到(图 3c)，欧亚大陆上空也出现了显著的“+ - +"异常纬向波列.低层(850hPa)环流异常也表现出了相似的特征(图略).

到了1988—2005年(图 3(b､d))，与前期相比，大气环流异常有所变化.其中，100°E 以西地区，1970—1987年异常的高层风场此时仍然存在，但强度有所减弱.同时，在东亚沿海地区出现了显著的“+ - +"异常经向波列，即东亚-太平洋型遥相关(EAP)^[19].与之相联系，以日本海为中心存在一个强大的位势高度负异常区，使得中纬度地区出现了显著的由西北太平洋向我国内陆地区延伸的异常东风带.该异常东风带可以一直延伸到新疆及其以西地区，使得新疆地区东边界的异常水汽输入增加，从而导致新疆地区局地大气含水量增加，这有利于该地降水的增多.这一异常的EAP波列在低层也显著存在(图略).

Huang^[20]为了揭示东亚夏季风对我国夏季降水的影响，曾经利用125°E 经线上20°N､40°N 和60°N 三个固定格点的500hPa位势高度异常定义了一个EAP 指数，用以描述EAP 的强度变化.但是，考虑到东亚-太平洋遥相关型的中心位置可能会发生变化，这样利用固定的格点来描述EAP的变化存在一定的局限性.因此，本文利用东亚地区(0°N—60°N，100°E—160°E)夏季850hPa高度场异常的EOF分析定义了一个新的EAP 指数.其中第一模态在东亚地区表现为“+ - +"经向波列(解释方差为39.1%)，该波列的异常分布与EAP波列十分相似.因此，本文将EOF 第一模态对应的标准化时间系数定义为新的EAP 指数，用以探讨EAP波列的变化与新疆地区夏季降水的关系.

图 4给出了标准化后的EAP 指数和新疆夏季降水序列.可以看到两个指数的对应关系存在不确定性，在20世纪80年代中期以前，两者变化很不一致，之后则非常一致.两个指数在整个时期(1970—2005年)的相关系数为0.36，通过了95%的信度检验.但是，新疆夏季降水与EAP 指数在1970—1987年的相关只有-0.29，说明前期EAP波列的变化对新疆夏季降水没有显著影响.但从20 世纪80 年代中期开始，EAP 强度增强，两者之间的相关性也显著增加，相关系数达到了0.64，通过了99%的信度检验.我们对EAP 指数进行了Mann-Kendall方法检测，发现它在1985年左右也发生了一次显著的年代际突变，EAP强度由弱变强.因此，20 世纪80 年代中期EAP的这次年代际突变很可能是造成新疆夏季降水增加的一个重要环流因子.

图 4

Fig. 4

图 4 标准化后的EAP指数(带三角曲线)和新疆夏季降水指数(带圈曲线) Fig. 4 The normalized EAP index (triangle) andXinjiang summer precipitation (circle). The EAP index is defined as the principal component of the leading EOF of summer 850 hPa geopotential height anomaly

图 5给出了1970—1987年和1988—2005年两个时期700hPa水平风场与EAP 指数线性回归的异常模态空间分布.1970—1987 年，东亚地区存在一个显著的EAP波列，以日本海为中心的气旋异常使得北侧的东风异常向亚洲大陆延伸，但是显著信号到达不了新疆地区.从1980s中期开始，EAP 有所增强(图 4)，而且EAP模态中心的位置相比前期向西偏移，从而使得由西北太平洋向我国内陆延伸的东风异常能够到达新疆地区，这也意味着后期自西北太平洋向新疆地区的异常水汽输送显著增加，有利于新疆夏季降水的增多.前后两个时期，这些大气环流的异常特征在中高层也可以清楚地看到(图略).

图 5

Fig. 5

图 5 利用EAP指数线形回归的(a) 1970—1987年和(b) 1988—2005年700 hPa水平风场异常分布.阴影区表示两者相关系数通过95%信度检验的区域.其中风场资料为NCEP/NCAR再分析资料 Fig. 5 Regression maps of the 700 hPa wind anomalies with respect to the EAP index for the periods of (a) 1970—1987and (b) 1988—2005, respectively. Shading indicates correlation significant above the 95 % confidence level. The NCEP/NCAR reanalysis data are used here

另外，本文也分别分析了两个时期与EAP相联系的整层水汽异常输送特征.这里的水汽是指从地面一直积分到300hPa, 其中地面气压p_s 用以去除在积分过程中地形对水汽输送的影响(即气压层在p_s以下时，假定水汽为0)，其结果见图 6.与EAP相联系的水汽异常输送与图 5中水平风场的异常特征相类似，即在后期，中纬度地区出现了从西北太平洋到新疆地区的显著水汽异常输送带，而前期较弱并且不显著，这也说明了从20 世纪80 年代末期以来，增强的并且向西偏移的EAP波列有利于新疆地区夏季水汽含量的增加和降水的形成.

图 6

Fig. 6

图 6 利用EAP指数线形回归的(a) 1970—1987年和(b) 1988—2005年整层水汽输送通量矢量的异常分布.阴影区表示两者相关系数通过95%信度检验.其中大气环流资料为NCEP/NCAR再分析资料 Fig. 6 The regression patterns of anomalous water vapor transport vertically integrated from surface to 300 hPa with respect to the EAP index for the time periods : (a) 1970—1987, and (b) 1988—2005. The surface pressure ps is used here to remove the impact of topography (i. e., the water vapor was set to zero at pressure levels below ps). The shaded areasindicate correlation significant at the 95% confidence level. The NCEP/NCAR reanalysis data are used here

前面我们从年际尺度上探讨了转型前后两个不同时段影响新疆地区夏季降水的大气环流异同，发现EAP对新疆地区突变后的夏季降水变化起到了重要作用.这一节更进一步地研究显示，EAP 在1980s中期的强度和位置突变对于新疆地区夏季降水干湿的年代际转型也起到了重要作用.图 7 给出了1988—2005年和1970—1987年前后两个时期夏季200hPa水平风场和位势高度场的差值分布.可以看到从南海经中国东部到贝加尔湖地区存在一个“+ - +"异常模态，对照传统的EAP 波列位置，可以发现该“+ - +"异常分布意味着在年代际尺度上EAP位置发生西移.受此影响，在我国北方一直到新疆地区存在一条显著的异常东风带.此外，在中亚地区存在一个显著的异常气旋中心，使得新疆南边界西侧和西边界盛行异常偏南风.

图 7

Fig. 7

图 7 1988—2005 年与 1970—1987 年夏季 200 hPa 水平风场(单位:m/s)和200 hPa位势高度场(单位:gpm) 的差值分布.阴影区为前后两个时期200 hPa位势高度场差异通过95%信度检验的区域.其中大气环流资料为NCEP/NCAR再分析资料 Fig. 7 The mean difference map of summer 200 hPa wind (units: m/s) and 200hPa geopotential height (units: gpm) between the periods of 1988—2005 and 1970—1987. The shading denotes the difference of 200 hPa geopotential height is significant above the 95% confidence level. The NCEP/NCAR reanalysis data are used here

大气环流的异常直接导致向新疆地区水汽输送的变化.Wu 等^[21]的研究指出NCEP/NCAR 再分析资料表征的东亚地区对流层低层的大气环流与观测存在较大的不一致性，特别是在1970s末以前，再分析资料描述的东亚沿海地区偏北风明显偏弱，因此，利用NCEP/NCAR 再分析资料对低层大气环流进行年代际分析时会存在一定的问题，所以这里只给出了前后两个时期夏季500hPa水汽通量输送的差值分布(图 8).一般地，新疆降水的水汽主要来自其西面的里海和咸海地区^[18]，但从图 8可以看到，由于中亚地区出现了一个异常的气旋中心，使得由里海和咸海沿着西风急流向东输送的水汽在减弱，新疆西北边界的水汽由转型前的69.8g·kg^-1·m·s^-1减少到了转型后的59.1g·kg^-1·m·s^-1，相对减少了15.3%.东北边界主要为水汽的输出边界，转型后水汽输出有所增加，由之前的4.9g·kg^-1·m·s^-1增加到了6.6g·kg^-1·m·s^-1.而南边界的水汽输送比较复杂，由于受来自阿拉伯海向新疆地区水汽输送通道加强的影响，由南边界西侧向新疆境内输送的水汽有所增加，由转型前的3.7g·kg^-1·m·s^-1增加到了转型后的11.2g·kg^-1·m·s^-1，这条来自南边的水汽输送通道在杨莲梅和张庆云^[22]的研究中已经指出.影响新疆降水的另一条更为重要的水汽输送通道为新疆东边界和南边界东侧的水汽输送.从图 8可以看到，受东亚地区EAP变化的影响，新疆东边界和南边界东侧表现为强的异常水汽输入，对照气候态可以知道，这意味着从新疆境内经东边界和南边界东侧向外的水汽输出显著减少，由转型前的63.3g·kg^-1·m·s^-1减少到了转型后的52.0g·kg^-1·m·s^-1，相对减少了17.8%.由于东边界和南边界水汽输送的变化，使得新疆地区净的水汽含量显著增加，由转型前的5.3 g · kg^-1 · m · s^-1 增加到了转型后的11.7g·kg^-1·m·s^-1.进一步的比较可以看到，相对由于EAP波列异常引起的新疆地区水汽增加量是阿拉伯海地区向新疆地区水汽输送的1.53倍，这说明EAP异常引起的东亚地区环流异常及其水汽输送变化对新疆地区夏季降水的年代际干湿转型起到更为主要的作用.

图 8

Fig. 8

图 8 1988—2005 年与 1970—1987 年 500hPa 夏季水汽通量差值分布(单位:g • kg-1 • m • s-1)•阴影区表示两者差异通过95%信度检验的区域，图中框区所示为新疆区域•其中大气环流资料为NCEP/NCAR再分析资料 Fig. 8 The mean difference of 500 hPa water vaporfluxes (units: g • kg-1 • m • s-1 ) between the periods of 1988—2005 and 1970—1987. The shaded areas indicate the differences between the two periods significant at the 95 % confidence fevef. The Xinjiang region has been labeled bythe quadrangle here. The NCEP/NCAR reanalysis data are used here

类似地，利用ERA40 再分析资料也分析了前后两个时期(1988—2001年和1974—1987年)的大气环流异常，得到了与NCEP/NCAR 再分析资料相似的结果.同时，我们也计算了整层(从地面积分到300hPa)水汽通量的输送，其结果与NCEP 资料结果也类似.从整层积分结果来看，转型后由西北边界向新疆地区的水汽输入由480kg·m^-1·s^-1减少到466kg·m^-1·s^-1，相对减少了约3%.东北边界由新疆境内往外输送的水汽由25kg·m^-1·s^-1增加到33kg·m^-1·s^-1.整层水汽积分的气候态分布显示，新疆地区南边界西侧表现为水汽的输出，转型后，由于南方异常水汽输送的加强，使得由南边界西侧输出的水汽由53.4kg·m^-1·s^-1减少到了41.6kg·m^-1·s^-1.受EAP 相关的东亚大气环流异常影响，东边界和南边界东侧向外的水汽输送由转型前的323kg·m^-1·s^-1减少到了转型后的302kg·m^-1·s^-1，即对新疆境内的水汽增加贡献了21kg·m^-1·s^-1，明显大于由于南方水汽输送通道加强而引起的水汽贡献值(11.8kg·m^-1·s^-1).突变前后，新疆境内的净水汽通量由78.6kg·m^-1·s^-1增加到了90kg·m^-1·s^-1，相对增加14.5%，这部分解释了转型后新疆境内夏季降水的显著增加.因此，东亚地区EAP相关大气环流的年代际变化对此次新疆夏季的年代际转湿有着重要作用.

利用新疆站点降水观测资料，本文对新疆地区夏季降水的变化进行了分析.其结果表明，新疆夏季降水在1988年左右发生了显著的增加.而且EOF第一模态的结果指出新疆全区表现出了夏季降水一致增加的趋势，其中增加的大值中心主要位于天山一带.

为了揭示新疆夏季降水此次年代际转型的可能物理机制，本文利用两套再分析资料(NCEP/NCAR 和ERA40)对前后两个时期的大气环流异常进行了详细分析.在转型以前，影响新疆夏季降水发生的主要环流系统是位于中纬度欧亚大陆上空的异常纬向波列，新疆恰好位于这一系统的槽前脊后区，这是有利于新疆夏季降水发生的一种典型的环流形势.转型以后，中亚上空的气旋活动仍然活跃，但强度有所减弱.与前期相比，其中最主要的区别在于东亚地区出现了显著的经向EAP 波列，它对1988 年以后新疆夏季降水的增加有着显著的影响.

EAP波列与新疆夏季降水关系的变化主要是由于EAP波列年代际尺度上强度和位置的变化所致.在1980s中期前，EAP 波列相对较弱，位置偏东，而在之后，EAP波列的强度显著增强，其位置也发生西移.EAP强度的增强以及位置的西移使得中纬度从西北太平洋向西的异常水汽输送能够一直延伸到我国内陆地区，使得新疆区域内大气含水量相比前期显著增加，有利于新疆地区夏季降水的增多.总之，从1980s末开始，EAP 的增强以及其位置的向西偏移对1988年以后新疆地区夏季降水的增加有着重要的贡献.