新疆中部横亘全境的天山山脉将全疆分为北疆和南疆，北疆和天山山区冬季严寒且有稳定深厚的积雪，是我国积雪最丰富的三大区域之一^[1]，也是寒潮频发区之一^[2]，冬季降水的多少对作物越冬､牲畜采食和饮水､交通运输等有重要影响，同时对冰雪资源的补给和春季融雪形成径流也有重要影响。随着经济的发展，冬季降水异常影响日益加剧，尤其随着全球变暖，冰川退缩､冰雪水资源短缺的问题愈加突出。

几十年以来，我国冬季天气气候的研究主要集中于冬季风､寒潮和暴雪天气过程等。气象学家对寒潮的冷空气源地､路径和环流进行了分类，并对寒潮天气的物理过程和寒潮中期预报方法进行了一系列探索^[3-9]，至今仍然是气象学者进行寒潮研究和预报的基础。随着逐日气象观测资料的积累，钱维宏等^[10]､王遵娅等^[2]利用长时间序列资料细致分析了我国寒潮的气候特征及变化的可能原因。一些学者^[11-12]应用逐日降水资料对我国冬季降水特征和变化进行了研究，1951—2004年我国冬季降水日数明显减少，降水量变化趋势不明显，但强降水日数都有不同程度的增加趋势，西北地区的变化相对较显著，其平均降水量､降水日数及降水强度都呈增加趋势。亚洲冬季风系统是北半球冬季最活跃的环流系统之一，冬季风异常不仅可以造成同期环流形势差异，而且对后期环流和天气状况也有影响^[13-22]，尤其是2008年1月10日—2月5日，一场低温雨雪冰冻天气袭击了中国南方，其影响范围之广､持续时间之长､强度之大､灾害之重为历史罕见，对此气象学者开展了一系列相关研究^[23-26]。新疆冬季漫长，大到暴雪过程呈增加趋势^[27]，冬季降水异常也进一步加剧。目前，对新疆冬季降水异常的环流和水汽输送特征的研究不多。由于新疆强干旱背景，季节内变化特征采用冬季平均分析，常会被强干旱背景信息所掩盖，因此本文对季节内环流､水汽输送和收支特征进行较细致､深入的分析，以提高对新疆冬季降水异常成因的认识。

利用1960—2004年美国国家环境预测中心和大气研究中心 (NECP/NCAR) 的逐日4次再分析资料 (2.5°×2.5°)，空间层次为1000~30hPa，共15层。天山山区和北疆地区 (简称新疆北部)38个气象站日降水量资料。新疆北部从11月开始进入冬季，1960—2004年新疆北部38个气象站平均的11，12，1月和2月降水量分别为15.4mm，11.0mm，8.2mm和7.4mm，1960—2004年11，12月和1月降水量呈显著增加趋势 (图略)，2月降水量无显著变化趋势。大到暴雪过程主要出现在11月—次年1月^[27]，2月出现强降水概率很小，且该月降水量较少，因此，本文讨论11，12月和1月降水异常的环流和水汽输送特征。38站平均的月降水量进行标准化作为月降水指数，指数大于1个标准差作为降水异常偏多月，指数小于-1个标准差作为降水异常偏少月。11月降水异常偏多年有1965，1979，1984，1990，1993，1994，1998，2000年和2003年，共9年；异常偏少年有1961，1964，1967，1969，1971，1973，1975，1977，1995年和2001年，共10年。12月降水异常偏多年有1966，1971，1977，1986，1987，1992，1996，1998年和2000年，共9年；异常偏少年有1961，1967，1969，1973，1974年和1982年，共6年。1月降水异常偏多年有1966，1969，1979，1988，1990，1997，2000，2001，2002年和2003年，共10年；异常偏少年有1963，1964，1975，1976，1982，1984年和1995年，共7年。气候平均值为1971—2000年平均。

本文先由每日4次的资料得到各层水汽通量，进行时间积分得到逐日水汽通量值，进而得到月水汽通量值，因此其中包含了瞬变扰动的贡献。由于新疆三面环山，取地面至700hPa (对流层低层)､700~500hPa (对流层中层)､500~300hPa (对流层高层) 以及整层 (地面至300hPa) 计算水汽输入､输出和收支等物理量，研究新疆地区不同层次水汽特征及其对降水异常的贡献。分析水汽收支的区域大体为包含天山以北的矩形区域 (图 1)，共12个小边界。图 1中边界1，3，5为西边界；边界2，4，6，8为北边界；边界7，9为东边界；边界10为南边界。东､南､西､北4个边界的水汽输送量为其对应的各小边界各层水汽输送量之和。

图 1

图 1. 本研究所取新疆北部水汽输送边界示意图 Fig 1. Borderlines sketch map of water vapor transfer in northern Xinjiang

图 2为降水异常偏多和偏少年份11，12月和1月合成的500hPa高度距平场。由图 2可见，降水偏多年份斯堪的纳维亚半岛及其以东为很强的位势高度正异常，使得平均脊增强。与此对应，东北大西洋和中西伯利亚地区分别存在位势高度负距平和相应的气旋环流异常，这3个异常活动中心共同形成了典型的正位相斯堪的纳维亚环流型^[28](简称SCA环流型，又称为欧亚1型)，其中12月SCA环流型较弱。同时，对流层高层和700hPa也为同样的正位相SCA环流型，即正位相SCA环流深厚且具有相当正压结构。500hPa合成高度场 (图略) 表明，北欧脊增强且偏东，东欧平均槽偏东位于乌拉尔山及以东地区，引导极地冷空气南下，有利于新疆北部降水偏多。同时，200hPa北大西洋急流增强东伸 (图略)。关于SCA环流型的形成和维持机制^[29-30]研究指出，北大西洋和斯堪的纳维亚半岛的两个活动中心主要由北大西洋急流东伸有关的大气内部动力学过程所形成和维持，而中西伯利亚地区气旋式环流异常主要从上游 (即斯堪的纳维亚半岛活动中心) 频散Rossby波能量所形成和维持，正位相SCA环流型造成了2000/2001年冬季我国北方地区降雪显著增多。上述合成分析表明，正位相SCA环流型是新疆冬季季节内降水异常偏多的主要环流特征，具有普遍意义。由于季节内气候背景的差异，11月正位相SCA环流型最强。而降水异常偏少年份则表现为负位相SCA环流型，北欧平均脊减弱且西退，欧洲为平均长波槽，中西伯利亚地区为长波脊，不利于北方冷空气南下影响新疆，使得新疆降水异常偏少，该型也具有相当正压结构。同时200hPa北大西洋急流减弱西退 (图略)。可见，冬季SCA环流型与新疆冬季降水异常密切联系，北大西洋急流的东西振荡及对应的斜压扰动活动，以及由此引发的SCA环流型活动对冬季降水预测具有一定意义。

图 2

图 2. 降水异常偏多年和偏少年500hPa高度场距平场（单位：gpm; 阴影区表示通过0.1显着性检验） Fig 2. 500 hPa height anomalies in positive precipitaion years and negative precipitaion years (unit:gpm; shaded areas are for exceeding the test of 0.1 level)

由于新疆具有干旱､半干旱气候背景，为了考察月降水异常偏多是否仅为个别日期降水特别集中所造成，以及月环流异常特征是否具有代表性，图 3和图 4给出了降水异常偏多11月和12月38站平均逐日降水量分布。由图可见，11，12月降水异常偏多大多是由多次降水造成的，而非个别日期降水集中所造成。降水异常偏多年1月38站平均逐日降水量分布 (图略) 也表现为多次降水而非个别日降水所造成月降水异常。这里挑选各月中降水量最大日 (1965年11月11日､1996年12月30日和2000年1月2日) 分析其环流特征，并与上述得出的月环流异常特征进行对比分析。

图 3

图 3. 降水异常偏多年11月逐日降水量分布 Fig 3. Daily precipitation of positive precipitation years in November

图 4

图 4. 降水异常偏多年12月逐日降水量分布 Fig 4. Daily precipitation of positive precipitation years in December

降水量最大日1965年11月10—11日500hPa位势高度场 (图略) 表明，斯堪的纳维亚半岛为强高压脊并伸向极区，乌拉尔山—西西伯利亚为长波槽并南伸至40°N，该低槽东移造成新疆大范围暴雪过程，北美东部—西北大西洋为长波槽。1965年11月10日500hPa高度场距平 (与11月5—10日气候平均500hPa位势高度场偏差)(图 5a) 呈正位相SCA环流型，与月平均环流异常特征 (图 2a) 一致，只是日环流异常更加显著，北大西洋､斯堪的纳维亚半岛和西西伯利亚地区的位势高度距平分别达-240gpm，400gpm和-320gpm。同样1996年12月30日和2000年1月2日500hPa位势高度场 (图略) 也表现为北大西洋长波槽—斯堪的纳维亚半岛强高压脊—西西伯利亚长波槽的经向环流，只是长波槽和脊的位置略有不同，它们共同形成了正位相SCA环流型，西西伯利亚长波槽造成新疆大范围暴雪过程。1996年12月30日500hPa高度场距平 (与12月26—31日气候平均500hPa位势高度场偏差) 也呈现北大西洋异常气旋性环流距平—斯堪的纳维亚半岛反气旋性环流距平—西西伯利亚异常气旋性环流距平 (图略)，即正位相SCA环流型。图 5b为2000年1月1日500hPa高度场距平 (与1月1—5日气候平均500hPa位势高度场偏差)，北大西洋､斯堪的纳维亚半岛和西西伯利亚地区的位势高度距平分别达-360gpm，320gpm和-120gpm，它们共同组成了典型的正位相SCA环流型。可见，影响新疆暴雪过程的环流特征和降水异常偏多年份月环流特征一致。

图 5

图 5. 1965年11月10日（a）和2000年1月1日（b）500hPa位势高度场距平（单位：gpm） Fig 5. 500 hPa geopotential height anomaly on 10 November 1965 (a) and 1 January 2000 (b)(unit:gpm)

戴新刚等^[31]研究了新疆上空定常水汽输送特征和水汽源地，指出冬季里海和地中海是新疆的水汽源地。史玉光等^[32]较细致地分析了冬季新疆区域的水汽输送气候特征，由于新疆三面环山，对流层中层水汽输送量最大。这些研究揭示了冬季水汽输送的基本气候特征，而更细致的季节内及降水异常的水汽输送特征还需进一步探讨。

表 1为新疆北部对流层各层1960—2004年平均11，12月和1月各边界水汽输送及净收支，由表 1可见，各月各层及整层的西边界为主要流入界，东边界为主要流出界，这是西风带环流控制所致。南边界有少量水汽流出；北边界低层有少量水汽流出，在中､高层有少量水汽流入。南､北边界水汽输送量很小，约为东､西边界的1/10。11月水汽输送量最大，然后逐月减弱，水汽净收支也表现为11月最大，逐月减小，但各月差异不大。对流层中层水汽输送最强，这与新疆北部的地形有关，南侧天山海拔高度约为1500~4000m，东北侧为西北—东南走向海拔1500~2500m的阿勒泰山，西侧为天山的余脉海拔约为1000~2000m，因此700hPa以下水汽输送弱于中层，高层水汽输送最弱。中､高层水汽为净流入，低层为净流出。钱正安等^[33]曾细致地研究了青藏高原及周围地区的垂直环流特征，指出冬季新疆处于对流层中､低层 (400hPa以下) 的不很完整也不很典型的反Ferrel环流圈下沉气流控制下，低层表现为气流辐散，这是低层各月水汽收支表现为净流出的原因。

表 1

表 1 新疆北部上空对流层各层11, 12月和1月各边界水汽输送及净收支 (单位:108t) Table 1 Water vapor transfer of each boundary and net income with expenses of different layer for November, December and January over northern Xinjiang (unit:108t)

表 1 新疆北部上空对流层各层11, 12月和1月各边界水汽输送及净收支 (单位:108t) Table 1 Water vapor transfer of each boundary and net income with expenses of different layer for November, December and January over northern Xinjiang (unit:108t)

各月降水量与各月各边界和水汽净收支的相关分析表明:冬季各月降水量与西边界的水汽输入､东边界的水汽输出密切联系，与南､北边界水汽输送关系较弱，与水汽净收支呈显著正相关关系，体现了西风气流控制新疆的气候特征，西风气流输送水汽多少决定降水异常。

表 2为11，12月和1月降水异常各边界水汽输送及净收支，降水偏多年各月西边界流入和东边界流出水汽量均为降水偏少年的2~3倍；降水偏多年与偏少年南北边界水汽输送量虽然有约1倍的差异，但南､北边界水汽输送量在总水汽输量中所占比例不到1/10，表明降水异常各月的水汽输送异常主要表现在西风气流输送水汽的强弱。水汽净收支在降水偏多年是偏少年的4~10倍，12月和1月水汽净收支比11月大，而降水量却比11月小，说明各月气候背景的差异。

表 2

表 2 11, 12月和1月降水异常各边界水汽输送及净收支 (单位:108t) Table 2 Water vapor transfer of each boundary and net income with expenses of precipitation anomalies for November, December and January (unit:108t)

表 2 11, 12月和1月降水异常各边界水汽输送及净收支 (单位:108t) Table 2 Water vapor transfer of each boundary and net income with expenses of precipitation anomalies for November, December and January (unit:108t)

冬季西风气流控制新疆，各月水汽通量矢量 (图略) 表明在新疆，西风气流对水汽输送作用显著。图 6为11，12月降水偏多和偏少年地面至300hPa整层水汽通量矢量距平，降水偏多年11月，新地岛以东的北冰洋和西伯利亚为向西南到里海､咸海—巴尔喀什湖的水汽通量矢量距平，同时阿拉伯海出现向北到巴尔喀什湖的水汽输送异常，高纬度和低纬度地区同时向中亚地区输送水汽并汇合，然后随西风气流向新疆地区输送，表明降水偏多时水汽异常来自高纬度和低纬度地区，上述西边界偏多的水汽输送来自于高纬度和低纬度地区，而并非气候平均的地中海和里海源地^[31]，已有研究表明^{[27, 34]}冬季新疆暴雪天气过程时阿拉伯海向北输送丰富的水汽到中亚地区，西伯利亚地区也存在向中亚地区水汽输送，中亚地区水汽随西风气流继续向新疆地区输送，可见天气尺度过程的水汽输送异常在本文讨论的月尺度水汽输送异常中也有所表现。而降水偏少年随西风气流进入新疆的水汽输送减弱。

图 6

图 6. 降水异常偏多年和偏少年地面-300hPa水汽通量矢量距平（单位：g·cm-1·s-1·hPa-1; 阴影区表示通过0.1显着性检验） Fig 6. Vapor fluxvector anomalies from surface to 300 hPa for positive and negative precipitation years (unit:g·cm-1·s-1·hPa-1; shaded areas are for exceeding the test of 0.1 level)

12月降水异常的水汽输送特征与11月一致，只是12月水汽输送异常特征更加显著，且低纬度地区水汽输送异常比高纬度地区强。1月降水异常的水汽输送特征 (图略) 与11月一致，但1月水汽输送异常较弱，这可能与1月的气候更干冷､水汽输送本身较弱有关。可见，虽然冬季地中海和里海为新疆水汽源地，水汽沿西风气流输送至新疆，但降水异常偏多时其水汽输送异常来自于高纬度地区的新地岛以东北冰洋､西伯利亚和低纬阿拉伯海，高纬度和低纬度地区均向中亚地区输送水汽并汇合然后沿西风气流进入新疆；降水偏少时里海以东随西风向新疆水汽输送减弱。

通过对11月—次年1月新疆北部降水异常的环流和水汽输送特征分析，得到如下结论:

1) 冬季月降水异常往往由多次降水过程导致，而非个别日期降水特别集中所造成，冬季SCA环流型与新疆冬季各月降水异常密切联系，正 (负) 位相SCA环流型时各月降水异常偏多 (少)，此外，大范围暴雪天气过程的环流型也主要表现为正位相SCA环流型，北大西洋急流的东西振荡及对应的斜压扰动活动引发的SCA环流型活动对冬季降水预测具有一定意义。

2) 对新疆北部而言，11月水汽输送量最大，其次为12月，1月最小，各层西边界为主要流入界，东边界为主要流出界，西风气流输送水汽的多少决定降水异常。

3) 各月降水异常偏多时新地岛以东北冰洋和西伯利亚存在向中亚地区水汽输送异常，同时，阿拉伯海也出现向中亚地区水汽输送异常，这两支水汽输送异常在中亚地区汇合，然后在新疆境外沿西风气流进入新疆，而非来自地中海和里海水汽源地；降水偏少时里海以东随西风向新疆水汽输送减弱。