盧 星， 趙 勇

（高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室/成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225）

副熱帶高壓（副高）是指副熱帶地區(qū)對流層中、低層上空呈帶狀分布的暖性高壓系統(tǒng)。在北半球，副高存在4 個高值中心，分別位于北非、太平洋、大西洋和印度洋上空［1-2］。非絕熱加熱對副高的形成和發(fā)展具有重要的作用。在東半球凝結潛熱加熱起主要作用，導致夏季副高位置和強度等發(fā)生變化；北美地區(qū)副高變化主要由地表的感熱加熱決定［3-4］。青藏高原在夏季是一個巨大的熱源，會對周圍大氣的環(huán)流產(chǎn)生重要影響［5-8］，受高原加熱和地形影響，副高帶在高原上空發(fā)生斷裂，形成2個高值中心，其東側為西太平洋副熱帶高壓（西太副高），其西側為北非副熱帶高壓（北非副高）。夏季時，北非副高會向東伸展到伊朗高原，并作長時間的停留，故北非副高又被國內(nèi)學者稱作為伊朗副高［9］。

副高對區(qū)域天氣氣候演變具有重要影響，歷來受到氣象學者的重視。西太副高是東亞夏季風系統(tǒng)的重要成員之一，與東亞大氣環(huán)流密切相關，其空間位置的移動及其強弱變化都會對東亞天氣氣候產(chǎn)生影響［9-12］。北非副高作為干旱區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，同樣影響周圍天氣。

已有研究指出當北非副高東伸進入伊朗高原后，新疆南部夏季降水將偏多，并與新疆夏季高溫聯(lián)系密切［13］；當副高脊線位置偏北時，青藏高原夏季降水將會呈現(xiàn)明顯的西多東少的分布特征，我國新疆地區(qū)易少雨；副高空間位置變化也會影響東亞夏季環(huán)流和降水，副高脊線與亞洲緯向遙相關關系密切，在強度和空間位置變化上與西太副高相似，當北非副高位置偏南時，我國東部長江以南地區(qū)降水會明顯增多，反之依然［14］。

目前關于北非副高對中亞天氣氣候影響的研究還較少，具體的物理影響機制還不清楚。北非副高是北半球西風環(huán)流系統(tǒng)的重要成員，對中亞干旱區(qū)天氣氣候具有重要影響［13］；中亞降水而在很大程度上受西風環(huán)流調控［15-16］，那么北非副高是否可以影響中亞夏季降水？如何影響中亞夏季降水？是值得研究的問題。本文在分析北非副高位置變化特征的基礎上，揭示其空間位置變化對中亞夏季降水的聯(lián)系，以便提高對中亞干旱區(qū)夏季降水異常形成機理的認識。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中亞是世界上最大的內(nèi)陸干旱區(qū)，包括哈薩克斯坦共和國、烏茲別克斯坦共和國、塔吉克斯坦共和國、吉爾吉斯斯坦共和國、土庫曼斯坦共和國和我國新疆（圖1）。1979—2019 年期間，中亞夏季降水呈現(xiàn)北多南少的分布特征，降水主要集中在天山山區(qū)和帕米爾高原地區(qū)［17-19］；中亞70°E以西降水呈減少趨勢，以東呈增加趨勢，其中新疆西部和帕米爾高原地區(qū)，夏季降水增加尤其顯著［20］（圖略）。

圖1 中亞地形分布Fig.1 Topographic distribution over Central Asia

1.2 研究資料

歐洲中期天氣預報中心（ECWMF）提供了ERAInterim 逐月再分析數(shù)據(jù)集［21-22］，包括風場、比濕、地面氣壓和位勢高度等資料。其中風場、比濕和地面氣壓數(shù)據(jù)空間分辨率為2.5°×2.5°，位勢高度數(shù)據(jù)的空間分辨率為1.0°×1.0°。英國East Anglia 大學Climatic Research Unit（CRU）提供了陸面逐月降水數(shù)據(jù)［23］，空間分辨率為0.5°×0.5°。這套資料在中亞氣候變化研究得到了廣泛應用［24-26］。本文的夏季為6—8 月的平均。研究時段為1979—2019 年，共計41 a。

1.3 研究方法

利用東伸脊點指數(shù)和脊線指數(shù)來描述北非副高的空間位置變化。根據(jù)西太副高西伸脊點指數(shù)計算方法［27-28］，對北非副高東伸脊點指數(shù)進行了定義；北非副高脊線指數(shù)采用國家氣候中心提供的方法。具體計算方法如下：

北非副高脊線指數(shù)：500 hPa高度場，10°～60°N，20°～60°E 區(qū)域內(nèi)，逐條經(jīng)線上副熱帶高壓中心（即位勢高度大于5840 gpm），緯向風u=0 、且?u/?y＞0）位置所在緯度的平均值，為北非副高脊線位置指數(shù)。

北非副高東伸脊點指數(shù)：500 hPa 高度場，10°～60°N，10°～80°E 區(qū)域內(nèi)，5870 gpm 等值線最東端位置所在經(jīng)度，為北非副高東伸脊點指數(shù)。

分析副高指數(shù)與中亞降水關系時，使用了一元線性回歸方法，具體計算公式如下：

式中：xi為副高指數(shù)；yi為中亞夏季降水；a為回歸系數(shù)；b為常數(shù)。

分析水汽輸送情況時，對地面至300 hPa 水汽進行了積分計算，具體計算公式如下：

式中：Q為水汽通量（kg·m-1·s-1）；g為重力加速度（m·s-2）；p0為地面氣壓（hPa）；p為積分上限（本文為300 hPa）；q為比濕；V為二維風矢量。

為方便討論夏季北非副高的年際變化特征以及與中亞夏季降水的聯(lián)系，對北非副高的東伸脊點指數(shù)和脊線指數(shù)進行了標準化，并分別用xi和yi表示（其中i為年份）。年際變化上，北非副高脊線指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢，表明副高近年來逐漸向南偏移（圖2a）；北非副高東伸脊點指數(shù)趨勢變化不明顯（圖2b）?？臻g位置變化上，北非副高南北位置變化不明顯，即使在脊線指數(shù)的最大年和最小年，其位置與平均位置差距也較?。▓D2c）；東西位置上，北非副高位置變化明顯，東西跨20 個經(jīng)度，最西年份副高位于沙特阿拉伯半島，最東年份副高可至中亞西南部（圖2d）。

圖2 夏季北非副高脊線指數(shù)和東伸脊點指數(shù)年際變化及北非副高空間位置移動Fig.2 Annual variation of summer North African subtropical high ridge line index and eastern extension ridge index and spatial position movement of North African subtropical high

2 結果與分析

2.1 北非副高脊線和東伸脊點位置單獨變化與中亞夏季降水的關系

如圖3 所示，將北非副高脊線指數(shù)和東伸脊點指數(shù)分別與中亞夏季降水進行了線性回歸分析，可以發(fā)現(xiàn)，東伸脊點指數(shù)與中亞大部分區(qū)域降水的回歸系數(shù)均為正值，表明當北非副高向東伸展時，中亞大部分區(qū)域降水將會增多，37.5°～45°N區(qū)域內(nèi)，這種關系是顯著的（圖3a）；脊線指數(shù)與中亞降水的回歸系數(shù)呈現(xiàn)南負北正的分布，其中在帕米爾高原、新疆天山以及新疆東部地區(qū)關系顯著，表明當北非副高向南偏移時中亞南部降水將會增多，北部降水將會減少，反之亦然（圖3b）。

圖3 北非副高指數(shù)與中亞夏季降水線性回歸分布Fig.3 Linear regressions of summer precipitation against the North Africa subtropical high index over Central Asia

那么北非副高空間位置的不同變化對中亞夏季降水的影響如何呢？表1給出了北非副高8種空間位置情況。前4種情況為兩指數(shù)均出現(xiàn)異常的協(xié)同變化；后4 種情況為僅考慮其中之一指數(shù)出現(xiàn)異常的單獨變化。以下通過合成分析首先探討北非副高單獨變化下與中亞降水關系；而后再探討協(xié)同變化下的情況。

表1 北非副高8種異?？臻g位置Tab.1 Eight anomalous spatial position of North African subtropical high

圖4給出了北非副高4種空間位置單獨變化下中亞夏季降水異常分布。由圖4a可見，當北非副高位置異常偏東時，哈薩克斯坦北部和新疆中部降水距平為負值，其余地區(qū)降水為正值，其中在帕米爾高原區(qū)域降水增加是顯著。當北非副高位置異常偏西時（圖4b），除個別區(qū)域外，整個中亞地區(qū)夏季降水均呈現(xiàn)顯著減少。當北非副高位置異常偏北時（圖4c），47°N 以北中亞夏季降水距平為正，以南降水距平為負值，在帕米爾高原地區(qū)降水減少是顯著的。當北非副高位置異常偏南時（圖4d），中亞西部和新疆南部降水為正距平，中亞西北部地區(qū)降水為負距平且減少是顯著的。

圖4 北非副高指數(shù)單獨變化下中亞夏季降水距平的合成分布Fig.4 Composite distribution of summer rainfall anomalies over Central Asia under the single variation of North African subtropical high index

副高空間位置變化對區(qū)域環(huán)流和水汽輸送具有重要影響［29-31］。通過合成分析進一步討論副高位置移動對區(qū)域環(huán)流和水汽輸送的影響。由圖5a 可見，當北非副高位置異常偏東時，自西向東，中亞上空受異常氣旋和反氣旋控制，二者共同作用下，中亞中部和南部受異常偏南風控制，形成利于降水的動力條件，而中亞北部受異常北風控制，不利于降水的發(fā)生。當北非副高位置異常偏西時（圖5b），整個中亞受異常反氣旋控制，盛行偏北氣流，不利于中亞大部分地區(qū)降水發(fā)生。當北非副高位置異常偏北時（圖5c），中亞北部受異常氣旋控制，南部受異常反氣旋控制，利于北部地區(qū)降水發(fā)生，不利于南部地區(qū)降水。當北非副高位置異常偏南時，中亞南部受異常氣旋控制，西北部受異常反氣旋控制，利于南部地區(qū)降水發(fā)生，不利于北部地區(qū)降水（圖5d）。

圖5 北非副高指數(shù)單獨變化下500 hPa風場距平合成分布Fig.5 Composed distribution of 500 hPa wind anomalies under the single variation of North African subtropical high index

圖6a給出了北非副高位置異常偏東時，水汽通量距平的合成分布。由圖可見，西太副高增強，加強了西太平洋水汽的向北輸送，配合華北上空的異常氣旋環(huán)流，將水汽向西輸送。當北非副高位置異常偏西時（圖6b），熱帶印度洋和西北太平水汽均不利于向中亞區(qū)域輸送。當北非副高位置異常偏北時（圖6c），印度半島上空為異常氣旋，水汽向北輸送較為困難，東亞夏季風增強，西太平洋水汽輸送至我國華北東北地區(qū)，配合蒙古上空的氣旋環(huán)流，可以將水汽向西輸送至中亞北部地區(qū)，為該地區(qū)降水提供水汽條件。當北非副高位置異常偏南時（圖6d），雖然印度半島上空為異常反氣旋，可以將印度洋水汽向北輸送，但是中亞上空的氣旋較弱，因而導致南支水汽的輸送不強，水汽主要源于西北太平洋。

圖6 北非副高指數(shù)單獨變化下水汽通量距平合成分布Fig.6 Composed distribution of water vapor flux anomalies under the single variation of North African subtropical high index

2.2 北非副高脊線和東伸脊點位置協(xié)同變化與中亞夏季降水的關系

在2.1 節(jié)，討論了北非副脊線和東伸脊點位置單獨變化下中亞降水變化以及大尺度環(huán)流和水汽輸送的異常分布情況。本節(jié)進一步分析副高脊線和東伸脊點位置協(xié)同變化時的情況。由圖7a可見，當北非副偏東偏北時，中亞夏季降水距平由南到北呈現(xiàn)負正負的分布特征，哈薩克斯坦大部分區(qū)域降水為正距平，其北部邊界和南側的塔吉克斯坦、烏茲別克斯坦降水為負距平，新疆除天山山區(qū)以外大部分地區(qū)降水距平都為負值。當北非副高偏西偏北時（圖7b），中亞大部分地區(qū)降水距平為負，西北部降水為正。當北非副高偏東偏南時（圖7c），中亞大部分區(qū)域夏季降水為正值。當北非副高偏西偏南時（圖7d），除新疆北部和哈薩克斯坦北部降水偏多外，其余地區(qū)降水均偏少。

圖7 北非副高指數(shù)協(xié)同變化下中亞夏季降水距平的合成分布Fig.7 Composed distribution of summer rainfall anomalies over Central Asia under the concurrent variation of North African subtropical high index

圖8 給出了北非副高空間位置協(xié)同變化下500 hPa 風場距平分布。當北非副高偏東偏北時（圖8a），中亞里海和咸海上空受異常氣旋控制，其東部的偏南氣流有利于哈薩克斯坦中南部夏季降水的發(fā)生，吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦及烏茲別克斯坦由于受35°N以南異常反氣旋的控制，不利于降水的發(fā)生。當北非副高偏西偏北時（圖8b），中亞大部受異常反氣旋控制，盛行偏北氣流，夏季降水均偏少，但其西北部受異常氣旋控制，因而利于降水發(fā)生。當北非副高偏東偏南時（圖8c），中亞上空受異常氣旋控制，盛行異常偏南氣流，利于低緯地區(qū)的暖濕氣流北上，為降水發(fā)生提供有利的動力條件。當北非副高偏西偏南時（圖8d），中亞大部分地區(qū)受反氣旋環(huán)流控制，不利于降水發(fā)生，但哈薩克斯坦東北部受異常氣旋切變控制，為該區(qū)域降水的發(fā)生提供有力的動力條件，配合蒙古上空的異常反氣旋，新疆北部盛行異常偏南風，因而該區(qū)域降水也易發(fā)生。

圖8 北非副高指數(shù)協(xié)同變化下500 hPa風場距平合成分布Fig.8 Composed distribution of 500 hPa wind anomalies under the concurrent variation of North African subtropical high index

圖9 給出了北非副高空間位置協(xié)同變化下500 hPa 水汽通量距平分布。當北非副高偏東偏北時（圖9a），阿拉伯海上空受異常反氣旋控制，有利于熱帶海洋水汽向北輸送，配合里海和咸海上空的氣旋環(huán)流，進一步將水汽輸送至中高緯度地區(qū)；同時我國東部長江以南受反氣旋環(huán)流控制，同時配合蒙古上空的反氣旋環(huán)流，可以將西太平洋的水汽向西北輸送，但是較阿拉伯海的水汽輸送，這只水汽輸送較弱。當北非副高偏西偏北時（圖9b），阿拉伯海和印度半島上空受異常氣旋控制，不利于印度洋的水汽向北輸送，因而中亞大部地區(qū)水汽條件相對較弱。我國華中地區(qū)上空受異常反氣旋控制，可以將中緯度海洋的水汽輸送至華北和東北地區(qū)，配合蒙古上空的氣旋環(huán)流，進一步將水汽向西輸送，為中亞西北部夏季降水提供水汽條件。當北非副高偏東偏南時（圖9c），阿拉伯海上空和中亞上空分別受異常反氣旋和氣旋控制，經(jīng)過2個系統(tǒng)的兩步輸送，熱帶印度洋的水汽進入中亞上空。東亞夏季風減弱，因而西太平洋的水汽無法輸送到中亞東部地區(qū)。當北非副高偏西偏南時（圖9d），阿拉伯海上空受異常氣旋控制，印度洋水汽輸送至中亞地區(qū)較為困難，但東亞夏季風增強，西太平洋水汽沿青藏高原東部繞流經(jīng)河西走廊進入中亞東部（我國新疆地區(qū)），為該地區(qū)夏季降水提供水汽條件。

圖9 北非副高指數(shù)協(xié)同變化下水汽通量距平合成分布Fig.9 Composed distribution of water vapor flux anomalies under the concurrent variation of North African subtropical high index

3 討論

本文討論了夏季北非副高空間位置變化與中亞夏季降水的關系，揭示了夏季北非副高對中亞夏季降水的影響過程，但存在以下不足：（1）沒有考慮西太副高的影響。圖10 給出了夏季北非副高東伸脊點指數(shù)和西太副高西伸脊點指數(shù)與中亞夏季降水的線性回歸分布。由圖可見，西太副高西伸脊點指數(shù)與中亞45°N 以南地區(qū)夏季降水呈現(xiàn)線性負相關，其中在塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦以及新疆天山和塔里木盆地西側關系顯著，表明當西太副高位置向西偏移時，中亞45°N 以南地區(qū)夏季降水偏多，反之則偏少。以上表明北非副高和西太副高都對中亞夏季降水存在影響，那么兩者共同作用對中亞夏季降水的影響如何呢？需要我們進一步討論。（2）下墊面加熱與西太副高的位置變化聯(lián)系緊密［31-32］，非絕熱加熱在空間的非均勻分布影響西太副高的斷裂閉合［3］；北美陸表的感熱通量決定北美副高位置變化和季節(jié)移動［4］，凝結潛熱決定了東半球副高位置和強度變化等；那么非絕熱加熱對北非副高的影響如何，目前關注較少，影響機制尚不清楚，也需要我們進一步分析。

圖10 北非副高和西太副高指數(shù)與中亞夏季降水線性回歸分布Fig.10 Linear regressions of summer precipitation against the North Africa subtropical high index and West Pacific subtropical high index over central Asia

4 結論

本文利用一元線性回歸和合成分析等方法分析了1979—2019 年北非副高脊線指數(shù)和東伸脊點指數(shù)與中亞夏季降水的關系，揭示了2 個指數(shù)單獨變化和協(xié)同變化下中亞夏季降水、環(huán)流和水汽輸送的異常特征。主要結論如下：

（1）1979—2019年夏季北非副高東西位置移動范圍較大，南北位置較為穩(wěn)定；北非副高東伸脊點指數(shù)與中亞夏季大部分地區(qū)降水呈現(xiàn)線性正相關，且關系顯著；脊線指數(shù)與中亞夏季降水呈現(xiàn)南負北正的線性回歸特征，其中在帕米爾高原和新疆天山地區(qū)呈現(xiàn)明顯的線性負相關。

（2）在副高指數(shù)單獨變化下，夏季北非副高異常偏東（西）時，中亞大部分區(qū)域降水將會增多（減少），中亞南部盛行異常南風（北風），水汽由東部海洋輸送（水汽輸送條件較差）。副高脊線位置向南（北）偏移時，中亞南部降水將會增多（減少），北部將會減少（增多），中亞南部（北部）和北部（南部）分別受異常氣旋（反氣旋）和反氣旋（氣旋）控制，水汽源于西北太平洋。

（3）在副高指數(shù)協(xié)同變化下，夏季北非副高異常偏東（西）偏南（北）時，中亞大部分區(qū)域降水將增多（減少），中亞受異常氣旋（反氣旋）控制，水汽輸送條件較好（差）；當副高偏東偏北時，中亞中部地區(qū)降水將增多，中亞中部盛行異常南風，水汽由阿拉伯海輸送至中亞；當副高偏西偏南時，除中國新疆北部和哈薩克斯坦北部，中亞大部分區(qū)域降水將減少，中亞盛行異常北風，水汽可由西北太平洋向西輸送至中國新疆和哈薩克斯坦北部。