戴新剛，汪 萍

（1.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象科學(xué)院，北京100081）

亞洲中部是北半球中緯度最大的干旱區(qū)，傳統(tǒng)陸上絲綢之路貫穿其中，構(gòu)成了一條橫跨歐亞大陸的貿(mào)易文化走廊[1-2]。2013年中國(guó)提出“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想[3]，可視為一個(gè)“現(xiàn)代絲綢之路”規(guī)劃，為沿途國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。研究亞洲大陸中部干旱氣候成因?qū)τ诶斫膺^(guò)去絲綢之路存在的氣候背景，以及規(guī)劃未來(lái)歐亞大陸經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)均有重要意義。因古絲綢之路存在約2000 a[4]，其干旱氣候以地質(zhì)時(shí)間尺度（千年）為背景，氣候波動(dòng)主要受歷史氣候時(shí)間尺度（百年）及多年代至年代尺度氣候變化的影響，其中階段性冷、暖、干、濕等氣候波動(dòng)或氣候事件的影響尤為明顯[5-6]，如歷史上的中世紀(jì)暖期[7]，小冰期等[8-9]。多年代至年代尺度氣候變化主要源于海洋和大氣的相互作用，在幾個(gè)海氣相互作用敏感區(qū)形成了著名的年代尺度或多年代尺度海溫遙相關(guān)型，如北大西洋多年代尺度濤動(dòng)（AMO）[11]，北太平洋年代尺度濤動(dòng)（PDO/IPO）等[12-14]。這些年代—多年代尺度海氣相互作用引起的氣候變化來(lái)源于氣候系統(tǒng)內(nèi)部，而百年尺度及其以上的氣候變化可能主要與外部強(qiáng)迫密切關(guān)聯(lián)，如太陽(yáng)活動(dòng)、火山爆發(fā)等[10]。進(jìn)入20世紀(jì)后人類活動(dòng)的影響逐漸增強(qiáng)，CO2等溫室氣體的排放造成的全球氣候暖化已經(jīng)成為近百年氣候變化的主要特征[15-17]。以往的研究顯示，雖然亞洲中部干旱區(qū)存在明顯的氣候波動(dòng)[18]，但歐亞大陸大尺度氣候格局（大尺度干濕氣候區(qū)）并未改變。這種地質(zhì)時(shí)間尺度或更長(zhǎng)時(shí)間尺度干旱氣候格局的持續(xù)，使亞洲中部土地逐漸退化，形成了大片戈壁、沙漠[19-20]。Manabe[21-22]最早基于數(shù)值試驗(yàn)研究了中緯度干旱的起源問(wèn)題，指出青藏高原和落基山脈的隆起致使大氣定常波形成，減弱了臨近海洋向歐亞大陸腹地及北美西部干旱區(qū)的直接水汽輸送，并導(dǎo)致風(fēng)暴頻發(fā)地（風(fēng)暴路徑）的變化。不過(guò)，該研究未對(duì)干旱區(qū)形成的物理過(guò)程或形成機(jī)理做進(jìn)一步的分析。亞洲中部干旱氣候格局的形成應(yīng)該既有大氣動(dòng)力學(xué)上的原因，也有熱力學(xué)氣候背景。本文擬從干旱區(qū)形成的水—熱條件及其對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流型等方面入手，借助大尺度氣候分類法[23]，分析亞洲中部干旱區(qū)所屬的氣候類型，研究其形成機(jī)理。

下文首先介紹氣候分類法，包括柯本氣候分類和大尺度氣候分類法[24-25]，而后對(duì)青藏高原四周氣候進(jìn)行區(qū)劃，分析其季節(jié)循環(huán)中降水與氣溫的位相配置（水—熱配置，下同）及其與區(qū)域氣候干濕的聯(lián)系，以及其與水汽輸送方向和伴隨的水汽散度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系等，據(jù)此解釋降水的季節(jié)分布特征，并進(jìn)一步分析了其與大氣環(huán)流動(dòng)力—熱力學(xué)量的配置關(guān)系，從而揭示亞洲中部干旱區(qū)的形成過(guò)程和機(jī)理，最后討論了亞洲中部干旱區(qū)氣候的季節(jié)變化與季風(fēng)區(qū)之間的平均氣流水汽通量散度之間的互動(dòng)，以及大氣環(huán)流內(nèi)部平均與瞬變渦動(dòng)水汽通量散度之間的季節(jié)性互動(dòng)或耦合等問(wèn)題。

1 氣候分類法

1.1 柯本氣候分類法

研究區(qū)域氣候形成機(jī)理必然涉及氣候分類問(wèn)題。1920年德國(guó)氣象學(xué)家柯本（Wladimir Peter K?pen）依據(jù)地表植被類型和氣象觀測(cè)記錄提出了所謂的柯本氣候分類法（K?ppen Climate Classification System）[24-25]。據(jù)此，全球陸地大致可以分成31類氣候區(qū)，其中熱帶—副熱帶沙漠統(tǒng)稱為熱沙漠（Hot desert），中緯度沙漠被歸為冷沙漠（Cold desert）[26]。由于氣溫是柯本氣候分類法中的主要因子，從而造成氣候分類中的分區(qū)過(guò)細(xì)過(guò)碎（圖1），其原因是大氣垂直方向存在靜力平衡約束，溫度的垂直梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平梯度。例如，地形的存在會(huì)造成相鄰地區(qū)氣溫差異明顯，看似在大尺度上一致的氣候區(qū)往往被劃分成若干不同類型氣候區(qū)。因此，柯本氣候分類法應(yīng)該屬于地理氣候分類法，或“維象”氣候分類法，其地表覆蓋特征鮮明，方便普通用戶使用。然而，地球氣候具有明顯的大尺度特征，如季風(fēng)氣候區(qū)，干旱半干旱氣候帶及西風(fēng)帶控制區(qū)等，它們的形成均與氣候平均大氣環(huán)流型關(guān)聯(lián)。因此，大尺度氣候分類與大尺度氣候形成機(jī)理關(guān)聯(lián)，屬于氣候的動(dòng)力學(xué)分類[27-31]。

圖1 柯本氣候分類（該圖來(lái)源于文獻(xiàn)[22]，http：//hanschen.org/koppen）

1.2 大尺度氣候分類法

降水和氣溫是植物生長(zhǎng)的基本氣象要素，地表植被是柯本氣候分類的一個(gè)重要指標(biāo)。植物的生長(zhǎng)期需要適宜的水—熱條件，這正如杜甫在《春夜喜雨》中所描述的“好雨知時(shí)節(jié)”。因此，除年降水總量外，降水的季節(jié)分布就成為地表植被狀況好壞的另一個(gè)重要指標(biāo)。考慮到亞洲的季風(fēng)季節(jié)[32-34]，將一年12個(gè)月劃分成暖季（5—10月）和冷季（11月—翌年4月），南亞的暖季就是夏季風(fēng)季節(jié)，冷季大致對(duì)應(yīng)于亞洲季風(fēng)區(qū)冬季風(fēng)季節(jié)，比較其中一個(gè)季節(jié)降水量占全年總降水量的比率大致可以反映一地降水的季節(jié)分布特征[23]。圖2a中除了極區(qū)外，降水稀少區(qū)大致對(duì)應(yīng)于圖1中的沙漠或植被稀疏的干旱或半干旱氣候區(qū)，降水量大的地區(qū)植被生長(zhǎng)茂盛，說(shuō)明一地的年降水總量在一定程度上控制著地表植被的生長(zhǎng)狀況。

另一方面，參考冷季降水占年總降水量比率（圖2b），可以將北半球陸地大致分為3種類型，第一種是冷季降水比率超過(guò)60%～70%；第二種是冷季降水比率＜20%～30%；第三種是冷暖季節(jié)降水量比率相當(dāng)。南半球與此相反。從它們的地理分布可知，第一種屬于地中海氣候，第二種屬于季風(fēng)氣候或夏季對(duì)流性降水多的山區(qū)，第三種大都是西風(fēng)帶控制區(qū)氣候，以及部分無(wú)明顯季節(jié)變化的近赤道地區(qū)。因此，僅依據(jù)季節(jié)降水比率就可以簡(jiǎn)單地對(duì)全球氣候進(jìn)行大尺度劃分，這種劃分屬于氣候的大尺度分類。對(duì)比圖2b和圖1可以看到，地中海氣候區(qū)多為沙漠或沙地，季風(fēng)區(qū)擁有最好的植被或耕地，西風(fēng)帶控制區(qū)多位于中高緯度，其植被狀況介于季風(fēng)區(qū)和地中海氣候區(qū)之間。地中海氣候不僅局限于地中海周邊，也存在于阿拉伯半島、中亞中南部，以及北美西海岸等地。在季風(fēng)區(qū)中亞洲季風(fēng)區(qū)最大，其中包括南亞季風(fēng)區(qū)和東亞季風(fēng)區(qū)（亞熱帶和溫帶季風(fēng)區(qū)），其次是北非熱帶季風(fēng)區(qū)，以及最小的北美大陸季風(fēng)區(qū)等；在靠近赤道的中美洲亦存在一塊很小的季風(fēng)氣候區(qū)（圖2b），它是大尺度熱帶對(duì)流系統(tǒng)季節(jié)性移動(dòng)的結(jié)果[34]。在南半球也存在季風(fēng)區(qū)（紅色），如非洲季風(fēng)區(qū)、大洋洲北部季風(fēng)區(qū)及南美洲季風(fēng)區(qū)等。而圖2b中紫色區(qū)域在南半球表示地中海氣候區(qū)，其范圍也遠(yuǎn)小于北半球，如南美智利沿岸、澳大利亞西海岸、南澳大利亞洲海岸帶中東部以及南部非洲西南海岸帶等地。西風(fēng)帶控制區(qū)（藍(lán)綠色）主要位于歐亞大陸和北美大陸中高緯度，以及南美大陸和大洋洲南部等地。比較圖2a和圖2b發(fā)現(xiàn)，地中海氣候區(qū)與年降水量稀少區(qū)域并不完全重疊，反映出二者對(duì)地表植被覆蓋的影響機(jī)制不同，因此在解釋區(qū)域氣候形成機(jī)理中二者均應(yīng)加以考慮，尤其是在季節(jié)變化比較明顯的中緯度干旱半干旱氣候區(qū)。

圖2 1961—1990年平均年降水量（a）和冷季降水占年總降水量比率（b）（暖季為5—10月；冷季為11月—翌年4月；降水單位：mm；該圖引自文獻(xiàn)[23]）

圖3 氣候平均降水（a）和氣溫（b）的季節(jié)分布（亞洲季風(fēng)區(qū)代表站點(diǎn)：北京，新德里（New Deli）；地中海氣候區(qū)站點(diǎn)：阿什哈巴德（Ashgabat，土庫(kù)曼斯坦），比什凱克（Bishkek，吉爾吉斯斯坦），德黑蘭（Tehran），杜尚別（Dusanbe，塔吉克斯坦），舊金山（San Francisco），洛杉磯（Los Angeles）；該圖引自文獻(xiàn)[23]）

1.3 季節(jié)降水與氣溫配置

為了直觀起見，在三類氣候區(qū)中各選取一些站點(diǎn)，將它們?cè)陆灯骄亢蜌鉁乩L制成隨季節(jié)演變曲線，以顯示季節(jié)循環(huán)中二者的位相對(duì)應(yīng)或配置關(guān)系。從圖3a可以看到，亞洲季風(fēng)區(qū)代表站點(diǎn)北京和印度新德里的降水都集中在5—10月的暖季或夏季風(fēng)季節(jié)，其中最明顯的特征是降水量呈單峰分布且出現(xiàn)在夏季。與此相反，意大利羅馬、中亞中南部土庫(kù)曼斯坦的阿什哈巴德、吉爾吉斯坦的比什凱克、塔吉克斯坦的杜尚別、伊朗的德黑蘭以及北美西海岸的舊金山和洛杉磯等地站點(diǎn)的降水量大都集中在11月—翌年4月的冷季，季節(jié)降水亦呈單峰分布，屬于地中海氣候。盡管如此，這些站點(diǎn)的氣候平均氣溫仍呈一致的單峰分布，高溫極值出現(xiàn)在夏季（圖3b），但南亞季風(fēng)區(qū)新德里的氣溫峰值因受季風(fēng)降水影響略向5—6月偏移?？梢?，季風(fēng)氣候降水量大，水—熱配置特征是降水與氣溫的季節(jié)演變幾乎同位相，簡(jiǎn)稱為“水熱同季”，即夏季高溫對(duì)應(yīng)于降水峰值，冬季低溫干燥；而地中海氣候與之相反，降水量較小且水—熱配置反位相，即冷季氣溫低谷大致對(duì)應(yīng)于季節(jié)降水峰值，簡(jiǎn)稱為“水熱反季”。

西風(fēng)帶控制區(qū)氣候特征與季風(fēng)氣候或地中海氣候都不同。亞洲中緯度西風(fēng)帶控制下干旱半干旱氣候帶上5個(gè)城市站點(diǎn)氣候平均降水最明顯的特征是季節(jié)變化不很明顯，存在多個(gè)極值（圖4a），但氣溫仍是一貫的單峰分布，峰值位于夏季（圖4b）。例如，烏魯木齊降水極大值分別出現(xiàn)在5、7、11月；新疆西部伊寧站的極大值在4、5、11月；中亞哈薩克斯坦烏拉爾斯克站的極大值在7月和11月；哈薩克斯坦巴爾哈什站的極大值在5月和7月，烏克蘭頓捏斯克站的極大值在6月和12月。因此，西風(fēng)帶控制區(qū)的氣候特征是降水與氣溫幾乎不相關(guān)（out of phase），表明西風(fēng)帶控制區(qū)降水季節(jié)分布比較均勻的現(xiàn)象主要是大氣動(dòng)力學(xué)的貢獻(xiàn)。事實(shí)上，空氣柱水汽含量與氣溫成比例，夏季氣柱水汽含量高，有利于降水，冬季與之相反。在這5個(gè)站中有3個(gè)站（烏拉爾斯克，烏魯木齊，巴爾哈什）在盛夏均存在降水極大值，反映了熱力學(xué)因子對(duì)降水的貢獻(xiàn)。而站點(diǎn)在其他季節(jié)的降水極值主要是大氣動(dòng)力學(xué)的貢獻(xiàn)，來(lái)源于天氣尺度降水。

2 環(huán)流與水汽

2.1 青藏高原周邊氣候型

依據(jù)大尺度氣候分類法（圖2b）[23]，圍繞著青藏高原可以劃分為3個(gè)大尺度氣候區(qū)，即中亞準(zhǔn)地中海氣候區(qū)（簡(jiǎn)稱中亞氣候區(qū)），中緯度西風(fēng)帶控制氣候區(qū)（簡(jiǎn)稱西風(fēng)帶氣候區(qū)）以及亞洲季風(fēng)區(qū)。亞洲季風(fēng)區(qū)又可細(xì)分為南亞熱帶季風(fēng)區(qū)（簡(jiǎn)稱為南亞季風(fēng)區(qū)）和東亞季風(fēng)區(qū)（副熱帶和溫帶季風(fēng)）。這樣，圍繞青藏高原可以圈出4個(gè)大尺度氣候區(qū)（圖5），其中，西風(fēng)帶氣候區(qū)對(duì)應(yīng)于歐亞大陸中高緯度西風(fēng)控制區(qū)中降水標(biāo)準(zhǔn)差極小地帶，即季節(jié)降水分布最均勻帶，其范圍從黑海東北岸，經(jīng)中亞北部到中國(guó)西北部，其大部位于亞洲中部干旱半干旱氣候區(qū)。這個(gè)地帶與陳發(fā)虎等提出的“西風(fēng)模式”區(qū)域比較接近[35-36]。因此，亞洲中部干旱區(qū)大部為西風(fēng)帶氣候區(qū)和中亞地中海氣候區(qū)所覆蓋，二者氣候特征存在明顯的差異，其干旱形成機(jī)理也不盡相同。這需要從與降水季節(jié)分布關(guān)聯(lián)的水汽輸送及其散度特征等方面做進(jìn)一步分析。

圖4 亞洲中部西風(fēng)帶控制區(qū)站點(diǎn)氣候平均降水（a）和氣溫（b）季節(jié)分布（站點(diǎn)城市：烏魯木齊（Urumqi），巴爾喀什（Balkhash，哈薩克斯坦），伊寧（Yining），頓捏斯克（Doneck，烏克蘭），烏拉爾斯克（Uralsk，哈薩克斯坦）；該圖引自文獻(xiàn)[23]）

圖5 氣候平均12個(gè)月降水標(biāo)準(zhǔn)差及圍繞青藏高原4個(gè)氣候型位置（該圖引譯自文獻(xiàn)[23]）

2.2 水汽輸送通量分解

降水的季節(jié)分布與整層大氣平均氣流水汽輸送通量的經(jīng)向分量關(guān)聯(lián)。大氣層單位截面整層水汽輸送通量（記為MF）可以分解成平均氣流水汽輸送通量（記為MMF）及瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量（記為TMF），其中MMF是用月平均風(fēng)和比濕計(jì)算的整層大氣水汽通量，TMF是MF與MMF之差[23]。MMF也稱為平均氣流水汽輸送通量，或在本文中也簡(jiǎn)稱為大尺度水汽輸送通量，以區(qū)別于天氣尺度的TMF。MMF是MF的主要部分，二者具有幾乎一致的季節(jié)變化特征。TMF主要代表移動(dòng)性氣旋、反氣旋或天氣尺度擾動(dòng)對(duì)水汽輸送通量的貢獻(xiàn)。對(duì)比圖6與圖2b可以發(fā)現(xiàn)，東亞和南亞季風(fēng)區(qū)暖季或冷季降水占年降水量比率高/低對(duì)應(yīng)于向偏北/偏南方向的平均氣流水汽輸送通量（簡(jiǎn)稱水汽輸送，下同）。例如，中亞暖季降水稀少對(duì)應(yīng)于自北向南的水汽輸送（圖2b，圖6a）；冷季降水占年降水量比率大對(duì)應(yīng)于自南向北的水汽輸送（圖2b，圖6b）。在西風(fēng)帶氣候區(qū)，暖季或冷季都盛行向東的水汽輸送，對(duì)應(yīng)于四季比較均勻的降水分布（圖2b，圖6a、6b）。因此，季節(jié)性降水分布與季節(jié)性水汽輸送經(jīng)向分量的盛行方向關(guān)聯(lián)，季節(jié)降水差異大的地區(qū)對(duì)應(yīng)于經(jīng)向水汽輸送方向存在明顯的季節(jié)變化[23，37-39]。此外，瞬變渦動(dòng)水汽輸送量遠(yuǎn)小于平均氣流水汽輸送，在北半球其輸送方向一致偏向北方且不隨季節(jié)反轉(zhuǎn)。它是移動(dòng)性天氣系統(tǒng)降水的水汽供給者，對(duì)于中高緯度降水尤其重要。

2.3 水汽通量散度

季節(jié)性降水分布與水汽輸送經(jīng)向分量的對(duì)應(yīng)關(guān)系源于其伴隨的水汽通量散度不同[23，40]。計(jì)算結(jié)果揭示，平均氣流水汽輸送方向偏北的區(qū)域?qū)?yīng)于水汽輻合區(qū)。例如，暖季的東亞和南亞季風(fēng)區(qū)，北非季風(fēng)區(qū)，以及冷季的中亞、阿拉伯半島、地中海北岸及歐洲大部分地區(qū)等，其氣候平均氣流水汽通量散度均＜0，即是大尺度水汽輻合區(qū)；反之，平均氣流水汽通量的輻散區(qū)對(duì)應(yīng)于存在偏南方向的水汽輸送區(qū)域，如暖季的地中海沿岸，阿拉伯半島，中亞及歐洲等大部分西風(fēng)帶控制區(qū)，以及冷季的東亞和南亞季風(fēng)區(qū)，東非季風(fēng)區(qū)等（圖6、7）。因此，氣候平均水汽輸送方向偏北的區(qū)域伴隨水汽輻合，偏南的伴隨水汽輻散。這說(shuō)明，氣候平均大氣環(huán)流型決定了大尺度水汽的輻合或輻散區(qū)域，從而在很大程度上決定了降水的季節(jié)分布。

季節(jié)平均瞬變渦動(dòng)水汽通量散度在很大程度上反映了天氣尺度擾動(dòng)對(duì)水汽通量的輻合輻散效應(yīng)[37]。在暖季，瞬變渦動(dòng)水汽通量散度在中國(guó)淮河以南的亞熱帶地區(qū)和南亞季風(fēng)區(qū)均＞0，即暖季平均而言，瞬變渦動(dòng)導(dǎo)致這些季風(fēng)區(qū)水汽輻散，不利于降水；但在淮河以北的東亞季風(fēng)區(qū)（溫帶季風(fēng)區(qū)）其水汽通量散度＜0，表明天氣尺度擾動(dòng)制造水汽輻合，有利于北方暖季降水（圖7c）。另外，在中亞?wèn)|部亦存在瞬變渦動(dòng)水汽輻合，可能與地形有關(guān)，但在中亞西部和西風(fēng)控制區(qū)均為其水汽通量輻散區(qū)，不利于該地的暖季降水。然而，在冷季，除了中國(guó)大陸西南部、中南半島南部和印度次大陸南部等地，中亞和亞洲季風(fēng)區(qū)大多轉(zhuǎn)為瞬變渦動(dòng)水汽通量輻合區(qū)，但在西風(fēng)控制區(qū)仍為其水汽輻散區(qū)（圖7d）。這與冷季歐亞大陸中高緯度西風(fēng)帶控制區(qū)瞬變渦動(dòng)水汽通量散度均＜0形成鮮明的對(duì)比（圖7d）。

圖6 氣候平均垂直積分平均氣流水汽輸送通量（g/m·s）和氣柱可降水量（cm）（a為暖季，5—10月；b為冷季，11月—次年4月；圖中白色虛線圈從西北開始沿順時(shí)針方向依次表示西風(fēng)帶氣候區(qū)、東亞季風(fēng)區(qū)、南亞季風(fēng)區(qū)及中亞準(zhǔn)地中海氣候區(qū)，對(duì)應(yīng)于圖5中的標(biāo)識(shí)；該圖引自文獻(xiàn)[23]）

3 氣候型配置特征

在季節(jié)平均尺度上，青藏高原四周區(qū)域具有不同的環(huán)流和水—熱配置特征（圖8）。在暖季，西風(fēng)帶氣候區(qū)水汽向東輸送，位于大尺度水汽輻散區(qū)，氣溫高降雨少，氣候干熱；中亞干旱區(qū)水汽向南輸送，位于大尺度水汽輻散區(qū)，氣溫高降水少，氣候干熱。與中亞干旱區(qū)相反，東亞季風(fēng)區(qū)水汽向北輸送，來(lái)自印度洋和太平洋的暖濕氣流在東亞匯合，出現(xiàn)大尺度水汽輻合區(qū)，暖濕多雨，形成副熱帶季風(fēng)氣候；在南亞季風(fēng)區(qū)來(lái)自印度洋跨赤道的高溫高濕氣流向東—東北方向輸送，形成大尺度水汽輻合區(qū)，高溫多雨，形成熱帶季風(fēng)氣候（圖8a）。在冷季，西風(fēng)帶控制區(qū)水汽亦向東輸送，形成大尺度水汽輻合區(qū)，但是氣溫低水汽含量少，氣候干冷；在中亞干旱區(qū)，水汽轉(zhuǎn)為向北輸送，形成大尺度水汽輻合區(qū)，降水相對(duì)較多，氣候濕冷；在東亞，冷季盛行偏北冬季風(fēng)，水汽向南輸送，形成大尺度水汽輻散區(qū)，降水稀少，氣候干冷；在南亞，水汽向東輸送，形成大尺度水汽輻散區(qū)，氣候干燥涼爽（圖8b）。不難看出，在青藏高原東西兩側(cè)，季節(jié)性水汽輸送方向不僅相反，而且在冷、暖季節(jié)反向變化，類似于一個(gè)東西向跨青藏高原水汽通量經(jīng)向分量的“蹺蹺板”，造成中亞和東亞季節(jié)降水率分布反相，即暖季中亞干旱區(qū)以偏北風(fēng)為主，對(duì)應(yīng)水汽向南輸送，在冷季反之，以偏南風(fēng)為主，對(duì)應(yīng)水汽向北輸送；東亞季風(fēng)區(qū)與中亞干旱區(qū)正好相反。這實(shí)際上反映了青藏高原東西兩側(cè)對(duì)流層下層經(jīng)向風(fēng)存在的季節(jié)性互動(dòng)現(xiàn)象[41-42]，導(dǎo)致中亞降水在冷季更多，而東亞降水集中在暖季。

圖7 氣候平均水汽輸送通量散度和季節(jié)降水百分率（a、b分別為暖季、冷季平均氣流水汽輸送通量散度；c、d分別為暖季、冷季瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量散度；圖中黑色粗虛線環(huán)標(biāo)出東亞季風(fēng)區(qū)、南亞季風(fēng)區(qū)、中亞準(zhǔn)地中海氣候區(qū)及西風(fēng)控制區(qū)的干旱半干旱氣候帶，對(duì)應(yīng)于圖5中的標(biāo)識(shí)；該圖引自文獻(xiàn)[23]）

圖8 圍繞青藏高原4種氣候型（見圖5）水熱環(huán)流配置示意圖（該圖引譯自文獻(xiàn)[23]）

季節(jié)平均氣流與瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量也存在一定的互動(dòng)或耦合關(guān)聯(lián)。在暖季，亞洲季風(fēng)區(qū)平均氣流水汽輸送通量均伴隨大尺度水汽輻合，但瞬變渦動(dòng)在南亞和東亞南部制造水汽輻散，在東亞北部制造水汽輻合；同時(shí)，平均氣流水汽輸送通量在西風(fēng)帶控制區(qū)和中亞均呈現(xiàn)水汽輻散，瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量在西風(fēng)帶氣候區(qū)及中亞大部也均呈現(xiàn)輻散（圖9a）；但冷季平均氣流水汽輸送通量在亞洲季風(fēng)區(qū)轉(zhuǎn)為輻散，瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量轉(zhuǎn)為輻合；而平均氣流水汽輸送通量在西風(fēng)帶氣候區(qū)和中亞氣候區(qū)均轉(zhuǎn)為輻合，瞬變渦動(dòng)在中亞亦制造水汽輻合，但在西風(fēng)帶氣候區(qū)仍然制造水汽輻散（圖9b）。平均氣流水汽輸送散度在亞洲季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)（西風(fēng)帶控制區(qū)和中亞氣候區(qū)）也總是呈現(xiàn)季節(jié)性反向變化，說(shuō)明圍繞青藏高原周邊的平均氣流水汽通量散度場(chǎng)也存在季節(jié)性互動(dòng)或遙相關(guān)，導(dǎo)致亞洲季風(fēng)區(qū)與青藏高原西北側(cè)干旱半干旱氣候區(qū)在季節(jié)循環(huán)中水汽散度總是呈現(xiàn)反向變化。另一方面，在亞洲季風(fēng)區(qū)南部（東亞淮河以南的亞熱帶季風(fēng)區(qū)和南亞季風(fēng)區(qū)），平均氣流水汽輸送通量亦與瞬變渦動(dòng)水汽通量散度呈季節(jié)性反位相配置，且隨季節(jié)循環(huán)反向變化，但在西風(fēng)帶控制區(qū)卻不然。例如，暖季瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量與平均氣流水汽輸送通量均保持輻散，冷季卻相反；而在中亞大部分地區(qū)，二者的符號(hào)在暖季和冷季均保持一致。這些現(xiàn)象說(shuō)明，亞洲季風(fēng)區(qū)平均氣流和瞬變渦動(dòng)水汽通量散度之間存在反位相互動(dòng)，但在中亞和西風(fēng)帶氣候區(qū)卻不盡然。圖8和圖9揭示出圍繞青藏高原4個(gè)氣候區(qū)之間的水—熱配置特征及其對(duì)應(yīng)的水汽輸送通量及其散度特征[23，40]，對(duì)其深入挖掘有助于理解亞洲中部干旱氣候格局的形成機(jī)理[43-45]。

圖9 圍繞青藏高原4種氣候型（見圖5）平均與瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量及其散度配置（該圖引譯自文獻(xiàn)[23]）

4 亞洲中部干旱區(qū)形成機(jī)理

4.1 降水不足且水—熱配置不當(dāng)

亞洲中部干旱區(qū)形成最直接的原因是年降水量不足且季節(jié)循環(huán)中降水與氣溫位相配置不當(dāng)，不能滿足地表植物生長(zhǎng)期的水分需求，導(dǎo)致土地退化（圖10）。例如，中亞暖季氣溫高、降水稀少，冷季氣溫低，降水相對(duì)較多；而亞洲中部西風(fēng)帶氣候區(qū)遠(yuǎn)離海洋，原本不足的降水又過(guò)度均勻地分配給暖冷2個(gè)季節(jié)，導(dǎo)致暖季供給植物水分不足，亦造成土地退化。此外，中國(guó)西北部屬于內(nèi)陸干旱區(qū)[46]，包括新疆、甘肅西北部、內(nèi)蒙古西部的阿拉善盟及青海省的柴達(dá)木盆地等，其中新疆北部接近于西風(fēng)帶氣候，降水的季節(jié)分布比較均勻[47]，其余地區(qū)主要受山地阻隔等影響，空氣干燥，降水稀少、蒸發(fā)量很大[48-49]，盡管觀測(cè)氣溫與降水接近同位相[50-53]，卻仍然無(wú)法滿足地表植物的水分需求，土地沙化嚴(yán)重，形成了塔克拉瑪干、巴丹吉林和騰格里等大沙漠。內(nèi)陸干旱區(qū)已經(jīng)成為中國(guó)最重要的沙塵源地[54-55]。

圖10 圍繞青藏高原的4類氣候型區(qū)（圖5）及其下墊面沙漠或沙地分布（該圖引譯自文獻(xiàn)[23]）

4.2 干旱氣候的動(dòng)力—熱力配置

環(huán)境空氣的水汽含量和大氣層結(jié)穩(wěn)定度是降水的熱力學(xué)條件，動(dòng)力輻合上升運(yùn)動(dòng)屬于動(dòng)力學(xué)條件，適宜的動(dòng)力—熱力配置有利于降水發(fā)生或提高降水效率。氣溫高，氣柱水汽含量高，層結(jié)穩(wěn)定度低，降水熱力學(xué)條件好，風(fēng)場(chǎng)輻合上升運(yùn)動(dòng)視為適宜降水的動(dòng)力學(xué)條件。本文的動(dòng)力學(xué)條件皆指平均氣流或瞬變渦動(dòng)水汽通量散度的作用。亞洲中部干旱區(qū)水—熱配置不當(dāng)起因于區(qū)域性環(huán)流的動(dòng)力—熱力條件配置不當(dāng)。例如，一方面氣候平均氣溫和大氣層結(jié)的季節(jié)分布大致不變，另一方面平均氣流和瞬變渦動(dòng)水汽通量散度卻隨季節(jié)變化，結(jié)果造成當(dāng)?shù)貏?dòng)力—熱力配置差異。例如中亞中南部屬于準(zhǔn)地中海氣候區(qū)，水—熱季節(jié)配置反位向，暖季氣溫高、氣柱水汽含量相對(duì)較高，層結(jié)穩(wěn)定度低，降水的熱力學(xué)條件好，但平均氣流和瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量均為輻散，降水的動(dòng)力學(xué)條件差，造成降水稀少；冷季氣溫低、氣柱水汽含量少，層結(jié)穩(wěn)定度高，降水的熱力學(xué)條件差，盡管大尺度和天氣尺度水汽輸送通量均為輻合，但降水效率低，降水量不大。在中亞北部至中國(guó)西北部的西風(fēng)帶控制區(qū)，暖季氣溫高，氣柱水汽含量相對(duì)較高，氣層穩(wěn)定度低，熱力學(xué)條件較好，但大尺度及天氣尺度水汽輸送通量均呈輻散，降水的動(dòng)力學(xué)條件差，導(dǎo)致降水量亦不大；冷季氣溫低、氣柱水汽含量少、層結(jié)穩(wěn)定，降水的熱力學(xué)條件差，盡管平均氣流水汽輸送通量為輻合，但瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量仍為輻散，即降水的動(dòng)力學(xué)條件也不夠好，造成西風(fēng)帶氣候區(qū)大部降水較少，導(dǎo)致土地退化。這是亞洲中部干旱區(qū)土地退化的大氣環(huán)流動(dòng)力—熱力學(xué)機(jī)制。

4.3 中亞干旱氣候環(huán)流成因

在亞洲中部干旱區(qū)環(huán)流的動(dòng)力—熱力配置來(lái)源于氣候平均大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化。因空氣水汽含量隨高度呈指數(shù)遞減[56-57]，氣候平均水汽輸送的方向由對(duì)流層下層風(fēng)場(chǎng)決定。沿緯圈氣候平均經(jīng)向風(fēng)分布與氣候平均位勢(shì)高度場(chǎng)上的準(zhǔn)定常波或平均槽脊位置有關(guān)[27，58-60]。因風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)之間的地轉(zhuǎn)平衡約束[61]，在這些槽前脊后盛行偏南氣流，水汽向北輸送；在槽后脊前盛行偏北氣流，水汽向南輸送，結(jié)果導(dǎo)致暖季歐洲槽前是弱的偏南風(fēng)，北非副熱帶高壓北上控制地中海地區(qū)，副高東端向東北方向伸展，其前方的偏北氣流引導(dǎo)中亞中南部上空的水汽向南輸送并伴隨水汽輻散[23，37]，造成當(dāng)?shù)氐母蔁嵘儆隁夂?；在冷季，副熱帶高壓南撤，西風(fēng)帶隨之南壓，西風(fēng)環(huán)流在新疆形成一個(gè)弱脊，在東歐為一槽區(qū)，位于槽前脊后的中亞盛行偏南氣流，并與地中海氣旋東部偏南氣流疊加形成中亞上空自南向北的水汽輸送及水汽輻合，加之地中海氣旋時(shí)而的東移替換，會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)的瞬變渦動(dòng)水汽通量輻合，給冷季的阿拉伯半島和中亞等地帶來(lái)較多的降水過(guò)程[62-64]。

4.4 干旱區(qū)環(huán)流形成機(jī)理

干旱區(qū)氣候的水—熱配置不當(dāng)來(lái)源于大氣環(huán)流定常波或平均槽脊的位置及其季節(jié)變化。而定常波形成于海陸分布熱力差異及大地形強(qiáng)迫[65-68]，數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)后者對(duì)定常波的貢獻(xiàn)最大[21-22，69-70]。因此，青藏高原和北美落基山脈的隆升是中緯度亞洲中部干旱氣候格局形成的主要驅(qū)動(dòng)力[71-74]。而定常波位置和波數(shù)的季節(jié)變化起因于地表冷熱源地理分布的季節(jié)變化。例如，在暖季，大陸是熱源，海洋是冷源，冷季與此相反；而大地形（如青藏高原）熱源的季節(jié)變化也與此類似。從環(huán)流系統(tǒng)看，中亞中南部和阿拉伯半島等地干旱氣候還與暖季北非副熱帶高壓向東北方向過(guò)度伸展（相對(duì)于同緯度副高）有關(guān)，其原因可能是青藏高原在暖季成為熱源，其熱力對(duì)流驅(qū)動(dòng)在中亞形成一個(gè)附加的下沉氣流支，制造反氣旋渦度[75]，誘導(dǎo)該副高東進(jìn)。在地球演化歷史中，海陸分布和高原山脈的隆起均是大陸板塊漂移、碰撞或褶皺的結(jié)果[76]，因此，亞洲中部干旱區(qū)是從遙遠(yuǎn)的地質(zhì)年代開始逐漸形成的[77-79]，其過(guò)程見圖11。地球演化過(guò)程中形成的海陸分布和大地形決定了地球上中緯度大尺度氣候的干濕格局。然而，自工業(yè)革命以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)全球氣候的影響越來(lái)越明顯，溫室氣體排放、土地利用等已經(jīng)在一定程度上影響到亞洲中部干旱區(qū)氣候[80-82]。盡管如此，全球大氣環(huán)流的基本結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生明顯改變，歐亞大陸上大尺度干濕氣候格局也未發(fā)生明顯變化[83]。

圖11 亞洲中部干旱區(qū)形成過(guò)程示意圖

5 結(jié)論與討論

本文綜述了亞洲中部干旱氣候若干研究進(jìn)展。對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了再分析、再挖掘、再解讀，深入分析了亞洲中部干旱區(qū)的形成機(jī)理，主要結(jié)論如下：

（1）亞洲中部干旱區(qū)主要包括兩類大尺度氣候型，即中亞準(zhǔn)地中海氣候型和西風(fēng)帶氣候型，前者降水集中在冷季，后者為歐亞大陸西風(fēng)帶控制區(qū)中降水季節(jié)分布比較均勻地帶，范圍從中亞北部向東伸展至中國(guó)西部?jī)?nèi)陸干旱區(qū)。

（2）亞洲中部干旱區(qū)成因是年降水不足且季節(jié)性水—熱配置不當(dāng)，即在中亞氣候區(qū)暖季高溫對(duì)應(yīng)于少雨，冷季低溫對(duì)應(yīng)于多雨；在中亞北部至中國(guó)西北西部西風(fēng)帶氣候區(qū)降水少且季節(jié)分布過(guò)于均勻，植物生長(zhǎng)季水分不足，地表蒸發(fā)量高，導(dǎo)致土地退化。

（3）降水季節(jié)分布與當(dāng)?shù)厮斔偷慕?jīng)向分量關(guān)聯(lián)，即季節(jié)性水汽輸送向北/南伴隨水汽輻合/輻散，對(duì)應(yīng)于季節(jié)性降水比率高/低。

（4）亞洲中部干旱區(qū)水—熱配置不當(dāng)來(lái)源于區(qū)域性環(huán)流的動(dòng)力—熱力配置，即在中亞中南部，暖/冷季對(duì)應(yīng)于氣柱水汽含量高/低、大氣層結(jié)穩(wěn)定度低/高，平均氣流水汽輻散/合、導(dǎo)致降水效率低，降水量少且水—熱配置不當(dāng)。

（5）區(qū)域性水汽輸送的南北方向由大氣環(huán)流定常波或平均槽脊季節(jié)變化決定，定常波的季節(jié)變化造成亞洲中部干旱區(qū)大氣動(dòng)力—熱力結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致季節(jié)循環(huán)中的水—熱配置不當(dāng)。

（6）大氣環(huán)流定常波是海陸熱力差異及大地形強(qiáng)迫的結(jié)果，地表冷熱源分布的季節(jié)變化導(dǎo)致定常波波數(shù)及位置的季節(jié)差異，這是亞洲中部干旱區(qū)形成的根本原因。

（7）中國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū)屬于行星尺度西風(fēng)帶氣候區(qū)，但其中大部分干旱或極端干旱區(qū)的形成主要與大地形阻隔或氣流繞流有關(guān)，缺乏水汽及持續(xù)的下沉氣流造成當(dāng)?shù)貧鉁馗邷?、降水稀少，加之地表蒸發(fā)量大，導(dǎo)致土地沙化，形成沙漠。

此外，從地質(zhì)時(shí)間尺度上看，青藏高原的隆升改變了亞洲的氣候格局。在青藏高原兩側(cè)的亞洲季風(fēng)區(qū)與亞洲中部干旱區(qū)之間存在大尺度水汽通量及其散度的節(jié)性互動(dòng)或跨高原的遙相關(guān)現(xiàn)象，即隨著季節(jié)循環(huán)，水汽輸送通量經(jīng)向分量在青藏高原東西兩側(cè)呈反向變化并伴隨水汽通量散度變化，造成高原兩側(cè)季節(jié)降水占年降水量的比率亦呈反向變化。進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，北半球亞洲及非洲季風(fēng)區(qū)與歐—亞—非大陸非季風(fēng)區(qū)（中亞地中海氣候區(qū)和西風(fēng)帶控制區(qū)）之間的行星尺度平均氣流水汽通量散度也呈現(xiàn)季節(jié)性反向變化。因此可以說(shuō)，北半球亞洲季風(fēng)區(qū)的濕潤(rùn)氣候的形成在某種程度上是以青藏高原西北側(cè)亞洲中部的干旱化氣候?yàn)榇鷥r(jià)的。這些大尺度或行星尺度大氣環(huán)流性質(zhì)之間的互動(dòng)說(shuō)明全球大氣環(huán)流內(nèi)部存在季節(jié)時(shí)間尺度上的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)機(jī)制。另一方面，在季節(jié)循環(huán)中季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)存在平均氣流與瞬變渦動(dòng)水汽散度配置的季節(jié)性變化差異，即在歐亞大陸中高緯度西風(fēng)帶控制區(qū)及地中海氣候區(qū)等二者隨季節(jié)循環(huán)幾乎同位相變化，但在低緯度季風(fēng)區(qū)二者卻總是反向配置，說(shuō)明大氣環(huán)流中平均氣流與瞬變渦動(dòng)水汽輸送通量散度在季風(fēng)與非季風(fēng)區(qū)存在不同的動(dòng)力耦合關(guān)系，其動(dòng)力學(xué)機(jī)理需要進(jìn)一步研究。