张 俊，李如琦*，李桉孛，李红军，李 娜

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

降水不仅是大气水循环过程中最基本的环节，也是水平衡方程中的基本参数。 降水在空间分布上的不均匀与时间变化上的不稳定是引发洪涝、 旱灾的直接原因。在全球气候变暖背景下，不仅许多区域降水量发生变化， 而且还引起降水量时空上的重新分配[1]，研究某一区域的降水趋势变化特征及其影响因子，对该地区水资源的合理利用、气象灾害损失以及当地经济发展显得尤为重要。 近年来的研究表明，不同地区的降水变化不同：长江流域和中国东南部强降水事件增多，西南地区、东北地区降水减少，而西北地区各类降水事件均有所增加[2]；西北地区中西部年降水量呈增加趋势， 东部年降水量呈减少趋势，春季、夏季和秋季西北西部大部分地区降水量以增加趋势为主，东部主要呈减少趋势，在冬季几乎所有站点的降水量都呈增加趋势[3]。

降水除需要水汽条件、云滴增长条件外，垂直运动条件也必不可少[4]。 郑婧等[5]指出上升运动的促进，有利于暴雨的维持。 张晓璐等[6]对西北地区夏季的一次典型暴雨进行分析，指出垂直速度、风场、比湿等物理量对降水过程有较好的反映。 王君[7]通过分析豫北一次极端暴雨事件指出700 hPa 垂直速度具有明显极端性，是28 次暴雨过程中垂直速度的3倍。 闫慧[8]指出较强上升运动使中尺度对流云团合并发展，是造成暴雨的直接原因。 邱粲等[9]的研究表明垂直速度对降水的指示性可用于灾害性天气，如暴雨、冰雹、降雪等的预警及临近预报。 刘明歆等[10]发现华山地区偏涝年份上升运动更强， 偏旱年份更弱。 古月等[11]揭示了风廓线雷达探测的垂直速度与降水量存在显著正相关关系， 但垂直速度与降水强度的变化趋势不完全一致。 杨苑等[12]指出强降水主要出现在整层上升运动形成前后和500 hPa 附近垂直上升运动增强最快时段内。 谭志强等[13]指出宁夏南部汛期降水大多和整层上升运动显著相关。 以上研究表明，降水与垂直速度密切相关。

南疆属于典型的大陆性干旱气候，以塔里木盆地为中心，三面环山，地势西高东低，形成地形比差大、气候干旱、降水稀少的暖温带气候特征。 整个地域大致地理范围为73°40′～93°44′E，35°40′～43°31′N[14]，由山地、平原、沙漠三大地貌单元构成。南疆多年平均年降水量仅123.9 mm[15]，但受特殊地形地貌、天气系统路径、水汽条件、大气环流等因素影响，南疆降水具有其独特性，夏季（6—8 月）降水量约为年降水量的50%[16]且降水变率大[17-18]。尽管已有一些关于南疆降水方面的研究，但大多集中于典型降水个例分析[19-20]及天气学环流分型[21-22]。一些学者曾就温度、降水量等单一气候因子对南疆地区全年气候变化的趋势及特征[23-24]等方面进行过研究，但从客观事实的角度验证夏季南疆垂直速度及降水量二者之间关系的研究几乎没有， 本文利用1970—2019 年夏季南疆最新气象观测资料， 详细分析了近50 a 南疆低空垂直速度与降水量的时空分布特征，以期从动力条件的角度揭示南疆降水变化特征及可能机制，为降水及水资源、水环境变化趋势预测提供科学依据及技术支撑。

1 资料和方法

1.1 资料使用和处理

选取1970—2019 年南疆59 个国家气象站逐日降水资料及NCEP2.5°×2.5°再分析月平均垂直速度资料（72.5°～95°E，35°～45°N，空间层次为850、700 hPa）。数据经新疆气象信息中心审核，可靠性和连续性均能满足研究需求。

1.2 研究方法

针对近50 a 夏季（6—8 月）南疆降水量、低空垂直速度的时间序列，采用线性倾向估计、累计距平[25]、 Mann-Kendall（M-K）突变检验、 Morlet 小波分析等方法分析其演变趋势、周期变化和突变特征，结合经验正交函数分解法（EOF）分析要素的时空分布特征，运用相关分析法对两个要素的关系进行进一步的研究。

2 结果与分析

2.1 降水量、低空垂直速度时间演变特征

2.1.1 年际变化128.29 ， 增强速率为0.7 Pa/（s·10 a）；850、700 hPa线性回归模型均通过99.9%的信度检验， 表明低空上升运动呈显著增强趋势。

图1 1970—2019 年夏季南疆降水和垂直速度的年际变化

2.1.2 演变趋势

由图2 可知，近50 a 夏季南疆降水量累计距平曲线呈“V”字型，在1987 年以前呈波动下降趋势说明降水量偏少，属于“暖干”型气候；从1987 年开始呈波动上升趋势，即降水量偏多，逐渐湿润。 自1987年气候由“暖干”向“暖湿”型转变，这与赵慧等[26]得出的结论相一致。 850、700 hPa 垂直速度累计距平曲线均呈“倒V”型，在1999 年（1997 年）前数值呈增大趋势，说明上升运动偏弱，其中1980—1997 年趋势变化不显著表明期间上升运动开始发展， 上升运动与下沉运动处于来回拉锯时期。在1997 年后数值呈明显减小趋势，说明850 hPa（700 hPa）上升运动开始明显偏强。 从降水量向偏多转变的起始时间（1987 年）来看，与上升运动开始发展（1980 年）具有约7 a 左右的提前量， 可能原因是降水变化除了受抬升动力条件的影响外，还需其他因素例如热力、水汽条件等的配合。

图2 1970—2019 年夏季南疆降水和垂直速度的累计距平

2.1.3 突变检验

南疆夏季降水量序列和低空垂直速度序列的Mann-Kendall（图3）检验结果显示，降水量UF、UB曲线在95%的信度内相交于1990 年， 发生突变；1990 年前总体上呈减少趋势；1990 年以后呈增加趋势， 且在2002—2008 年和2015 年后增加趋势显著（图3a）。 850 hPa 上升运动UF、UB 曲线在95%的信度相交于2004 年，发生突变；1982 年前呈波动减弱趋势；1982 年后呈增强趋势，且在1990—1993 年和2007 年后增强趋势显著（图3b）。 700 hPa 上UF、UB 曲线交点2004 年在阈值线外， 无突变现象存在；上升运动在1982 年前呈波动减弱趋势，1982 年后呈增强趋势（图3c）。

图3 M-K 统计量曲线

2.1.4 小波分析

对南疆夏季降水量和低空垂直速度时间序列作Morlet 小波变换，得到小波系数实部等值线（图4），实线表明实部系数≥0， 要素对应偏多（大） 期，虚线＜0，要素对应偏少（小）期。 近50 a 降水量和垂直速度的周期形成各种尺度正负相间的振荡中心，存在明显的年际尺度（＜10 a）和年代际尺度（＞10 a）的周期变化。南疆夏季降水量及垂直速度均存在5～10 a、14～18 a、 21～27 a 的周期变化规律， 同时在1978—2016 年降水量还存在准3 a 振荡周期。 分析5～10 a尺度周期，1984 年前存在2 个准振荡周期，1984 年以后周期中心分化， 形成了4 个准9 a 振荡周期和6 个准6 a 振荡周期；分析14～18 a 尺度周期，降水量不具有全时域性，在1996 年之后存在2 个准振荡周期，垂直速度周期具有全时域性，存在3 个准振荡周期；分析21～27 a 尺度周期，降水量及垂直速度均存在2 个准振荡周期， 且具有全时域性，1977—1989 年、2002—2013 年表现为枯水年，1990—2001年、2013 年以后表现为丰水年（图4a）。 850 hPa 上（图4b）1970—1984 年、1996—2007 年表现为上升运动偏弱年，1985—1995 年、2008 年以后表现为上升运动偏强年。 700 hPa 上（图4c）1970—1983 年、1995—2006 年表现为上升运动偏弱年，1984—1994年、2007 年以后表现为上升运动偏强年。 垂直速度和降水量变化具有较为一致的周期性特征， 但呈反位相对应关系，上升运动偏弱期降水量偏少，上升运动偏强期降水量偏多， 这和天气学上升运动与降水的相互关系是一致的。

图4 Morlet 小波分析

2.2 空间分布特征

2.2.1 年平均空间分布

由图5a 可知，南疆夏季平均降水量空间分布不均，呈现出北多南少、西多东少的特征，降水量由西北向东南递减。降水量高值中心达160 mm 以上，主要位于伊犁河谷东部、 南部山区和天山中部南麓的巴音布鲁克地区； 降水量低值中心在10 mm 以下，主要位于昆仑山北麓和吐鲁番盆地。 由NCEP 再分析资料分析可知，850、700 hPa 南疆塔里木盆地夏季均由上升运动控制， 形成了以塔里木盆地为中心的上升运动区， 且850 hPa 上升运动强于700 hPa（图5b、5c）。从南疆A、B 2 个降水量区域来看，其与850 hPa 上升运动2 个大值中心相对应。从EC 再分析资料垂直速度平均场也可以看到，850 hPa 南疆塔里木盆地夏季由上升运动控制（图5d），700 hPa上除盆地东部外其它区域由上升运动控制，与NCEP 再分析资料分析的结论一致。

图5 1970—2019 年夏季南疆降水量及垂直速度年均值空间分布

夏季塔里木盆地主要由上升运动控制的原因有3 点： 一是夏季盆地低层非绝热加热作用强导致上升运动。 陈月等[27]发现柴达木盆地夏季整体为一热源，非绝热加热的主要形式为感热加热与辐射加热，且南疆中部下垫面为塔克拉玛干沙漠， 沙性土壤受热迅速，越低层非绝热加热越显著，因此850 hPa 上升运动强于700 hPa， 分析表明塔里木盆地的热量分布具有同样的特征。 二是塔里木盆地东部经常出现偏东低空急流， 在夏季偏东风最大且东风层厚度最厚，可达700 hPa[28]。 低空偏东风与南疆西部三面环山的地形相互作用产生上升运动。 当低空气流u分量随高度减小时，地形迎风坡气流辐合上升；而风速v 分量随高度增加时，地形迎风坡会产生与山脉垂直的水平涡管， 在地形抬升作用下涡管向上凸起形成2 个涡管环流圈， 涡度垂直分量使山脚附近上升气流加强[29]，且低空偏东急流与高空急流的耦合作用将促进次级环流和垂直上升运动的发展[30]。 三是南疆降水的主要影响系统夏季出现频率最高，影响系统引起的上升运动[4]在夏季更频繁。 影响南疆大降水的主要影响系统有南支槽型（夏季占60%）、低涡型（夏季占40%）、 中亚偏南低槽型（夏季占50%）、巴尔喀什湖低槽型（夏季占50%）[28，31]。

2.2.2 趋势系数空间分布

计算1970—2019 年夏季南疆各站点降水量及垂直速度随时间变化的趋势系数， 由降水量的趋势分布（图6a）可知，负值中心位于巴州及吐鲁番市的部分区域， 降水量有下降趋势， 其他地区呈上升趋势，上升速率为0.2～0.6 mm/a，正值中心位于克州山区和喀什平原区域，达1 mm/a。 由850 hPa（图6b）、700 hPa（图6c）的垂直速度趋势分布可知，趋势系数呈明显的东西分布， 正值区位于巴州和吐鲁番市部分区域，表明上升运动呈减弱趋势，其它区域以负值为主，即上升运动呈增强趋势，负值中心位于南疆西部，表明此处上升运动增强速率最快。图6 中极值区域的趋势系数均通过了95%的信度检验，表明南疆西部降水量增多明显， 与低空上升运动明显增强有较好的对应关系。

图6 1970—2019 年南疆夏季降水量趋势系数（单位：mm/a）及垂直速度趋势系数（单位：10-3 Pa/（s·a））

2.3 降水量与低空垂直速度的联系

运用NCEP 及EC 再分析资料对南疆夏季低空垂直速度序列进行了EOF 分解，研究其时空演变特征。分析NCEP 再分析资料，得到850 hPa 第一模态空间分布均为正值，为全场一致型演变特征，解释方差贡献率达45.5%；700 hPa 第一模态空间分布在南疆地区呈现“+、-、+”分布，表明垂直速度呈反位相变化特征，解释方差贡献率达39.0%；低空垂直速度的第一模态均通过North 检验[25]且解释方差远大于其它模态， 因此对第一模态的时间演变与降水序列进行相关分析具有较好代表性。 分析EC 再分析资料，850 hPa（700 hPa）第一模态空间分布总体上呈现“-、+”的分布特征，表明垂直速度呈反位相变化特征，解释方差贡献率仅为20.9%（21.0%），代表性不强。两种资料的分析结果均表明，降水序列和低空垂直速度第一空间模态的时间序列呈显著负相关，即上升运动与降水量呈正相关（表1），从更具代表性的NCEP 资料第一模态上看700 hPa 相关性大于850 hPa。

表1 低空垂直速度EOF 分解第一模态对应时间序列与降水的相关系数

将50 a 夏季南疆850、700 hPa 速度序列和降水序列进行相关分析（表2）。 850 和700 hPa 上升运动与降水量均呈正相关。 对比两种资料表明，NECP 资料中降水量与垂直速度的相关性更显著，且700 hPa 上相关系数绝对值＞850 hPa，达到0.57， 表明夏季南疆700 hPa 上升运动与降水的关系更密切。

表2 1970—2019 年南疆夏季降水与垂直速度的相关系数

近50 a 夏季南疆低空上升运动与降水量呈显著正相关，且700 hPa 相关性强于850 hPa。 为进一步分析成因， 计算了研究区域内所有观测站点的平均海拔高度（1 290.20 m）及南疆五地州内观测站点平均海拔高度（1 375.89 m），850 hPa（1 500 m）较降水观测站点接近近地层，考虑主要以水平气流为主，这与一些研究得出的南疆降水时850 hPa 为偏东风[32-33]相一致；在700 hPa（3 000 m）由于底层水平气流加之南疆三面环山的特殊地形会产生辐合上升运动[28]，即特殊地形会加强700 hPa 上升运动，这与王江等分析的在南疆西部暴雨区强上升运动中心位于700～400 hPa 的结论相吻合[34]。 因此在夏季南疆降水时，700 hPa 相关性强于850 hPa。

3 结论与讨论

基于1970—2019 年南疆59 个气象观测站逐日降水观测资料及NCEP 再分析月平均垂直速度资料， 研究了南疆夏季垂直速度和降水量的关系及其时空演变特征，得到以下结论：

（1）近50 a 南疆夏季降水呈显著增加趋势，低空上升运动呈显著增强趋势。 1987 年开始，降水量由“暖干”向“暖湿”型转变；上升运动1980 年前明显偏弱，之后上升运动开始发展，至20 世纪末期由偏弱向偏强转变；上升运动偏弱时降水量偏少，上升运动偏强时降水量偏多。

（2）降水量突变时间（1990 年）早于850 hPa 上升运动突变时间（2004 年），但与850 hPa 上升运动首次显著增强（1990 年）时间一致，表明降水量对上升运动显著增强响应敏感，导致其发生突变。降水量及垂直速度均具有5～10 a 年际尺度和21～27 a、14～18 a 的年代际尺度周期变化规律，且两者周期中心反位相对应，上升运动偏（强）时期先于降水量偏多（少）时期。分析累计距平曲线、突变分析及小波周期规律，降水先于低层垂直运动发生了突变，可能原因为降水量值较垂直速度值要大的多，波动振幅也大，累计距平更容易发生改变。

（3）夏季南疆年平均降水量空间上呈北多南少、西多东少的分布特征， 降水大值区主要位于伊犁河谷东部、南部山区和天山中部南麓，降水量低值区主要位于昆仑山北麓和吐鲁番盆地； 南疆夏季850、700 hPa 塔里木盆地由上升运动控制， 且塔里木盆地中心处于垂直上升运动最强区， 降水大值中心与低层上升运动大值区有较好的对应关系。

（4）巴州北部及吐鲁番市上升运动呈显著减弱趋势，对应降水量减少；其它地区上升运动呈显著增强趋势，降水量呈显著增多趋势，其中克州、喀什地区上升运动变率绝对值最大， 对应降水量增加速率最大，达1.0 mm/a。低空上升运动和降水量呈显著正相关，700 hPa 上相关性强于850 hPa，降水量对700 hPa上升运动变化的响应更为敏感。

1990—2019 年夏季南疆低空上升运动与降水量之间存在显著正相关性，上升运动越强，水汽向上输送效率越高， 水汽上升绝热膨胀冷却成云的云顶高度越高，对流越强，云滴增长条件更好，因此上升运动增强对应降水增多， 上升运动减弱对应降水减少。由于南疆塔里木盆地向东开口、地势向西缓升的特殊地形， 上升运动增强意味着可能存在低层风场的辐合加强，即偏东风增强，低层偏东风的垫高作用和水汽输送，利于降水的增多；另外，南疆生态环境特殊，下垫面为沙漠和戈壁，夏季日照时间长、温度升高快、非绝热加热显著，有利于低层上升运动的快速发展。在上升运动减弱区，也是天山南坡的干旱高温区，低层东风的影响较小，低层风场辐合增强少，甚至可能减弱或辐散，因此降水也呈减少趋势。上述对近50 a 南疆夏季低层垂直速度和降水变化成因的讨论还需做进一步的相关验证， 后期将从水平风场、 散度场等更广的角度来进一步揭示南疆降水的变化规律。