伊朗高原和北非感热异常对夏季塔里木盆地降水的影响

陈佳毅， 赵 勇

（高原大气与环境四川省重点实验室/成都信息工程大学大气科学学院，成都 四川 610225）

下垫面加热是大气环流演变的驱动因子之一，对区域天气气候存在重要影响，许多气象学家从下垫面加热角度分析了地表热力状况对中国夏季降水的影响［1-3］。海洋作为最广阔的下垫面，可以存储大量的水汽及能量，其表面热力状况的变化对我国乃至整个北半球环流及降水有着重要影响［4-6］。热带印度洋海温的异常增暖能够增强阿拉伯海水汽向北传输，有利于西北夏季降水的发生［7-8］。虽然海洋热状况对我国夏季降水有着重要影响，但陆面的热力强迫也不可忽视。如青藏高原作为欧亚大陆陆面过程中热力效应最显著的区域，其热源变化对于中国夏季的旱涝分布具有较好的指示意义［9-10］。

目前对地表热力效应的研究多关注青藏高原，也有研究分析了伊朗高原和北非地区热力强迫与中国夏季降水的联系。伊朗高原的感热加热会在对流层中低层激发出异常的气旋式环流，加强南亚水汽向内陆输送，这对东亚地区的季风降水起到重要维持作用［11-12］。伊朗高原感热异常显著影响着我国西北尤其是新疆的夏季降水，其感热异常能够激发出向下游传播的大气长波，进而对下游天气产生影响［13-14］。西风环流携带的大西洋及欧亚大陆的蒸散水汽影响着西北大部分地区的降水分布，伊朗高原的热力效应在水汽输送过程中扮演着重要角色［15］。春季伊朗高原的热力强迫可以通过影响南亚高压南北位移，调节我国东部降水分布［16］。北非地区的春季感热异常能够在西风带中强迫出纬向环流波列并向东传播，对中国东部的夏季降水存在着滞后影响［17］。北非地区与青藏高原西北部的感热表现出显著的负相关关系，前者主要影响华北和江淮地区降水，而后者则主要影响华北和华南降水［18-19］。夏季印度洋西北部和北非中部的下垫面偏冷时，秋季中亚北部低压槽加深、西太平洋副高偏强，形成了淮北秋季连阴雨发生的有利环流形势和水汽条件［20］。赵勇等［21］从海陆热力差异的角度研究了北非地区海陆温差与江淮地区夏季降水的关系，前冬北非大陆陆地偏冷而其西北侧海温偏暖，将导致次年夏季江淮流域降水的增加。

在全球变暖的背景下，我国的半干旱地区范围持续扩张，干旱与半干旱地区气候变化显著［22-23］。自1987年以来，西北干旱区气候由暖干向暖湿型转变，塔里木盆地夏季降水增加显著［24-25］。许多气象专家针对夏季新疆地区降水异常变化的原因进行过多方面的研究［26-27］，也有学者从陆面热力强迫的角度探讨了伊朗高原和北非与新疆夏季降水的联系。春季伊朗高原感热的异常增强，有利于新疆北部地区的降水增多［28］。伊朗高原的感热强迫显著影响着中亚低涡等大尺度环流系统，而这些环流系统也是新疆夏季降水发生的关键因子［29］。北非地区的陆面加热可以影响北非高压的发展，其与新疆夏季降水异常存在一定联系［30］。综上可见，北非和伊朗高原地表感热均与新疆夏季降水存在联系，但从区域协同的角度将伊朗高原和北非地区一并考虑，分析其影响新疆夏季降水的研究还较少。本文首先给出伊朗高原和北非感热异常与塔里木盆地降水的关系，然后通过分析2 个区域加热对大尺度环流和水汽输送的影响，研究二者对塔里木盆地夏季降水的影响过程，加深对干旱区气候变化机制的理解。

1 研究区概况

塔里木盆地地处中国新疆南部，三面高山环绕，南侧受青藏高原阻隔，来自热带海洋的水汽难以达到，盆地内部沙漠与绿洲共同构成了独特而脆弱的生态环境，是气候变化的敏感区域［31］。这样特殊的地理条件，使该地区水汽条件差，对自然降水的依赖性大，是中国同纬度降水最少的地区［32］。塔里木盆地常年干旱少雨，降水主要集中在夏季，从1971—2019年新疆夏季降水趋势变化分布（图1）可以看出，近50 a来新疆夏季降水表现出增加趋势，其中伊犁河谷，天山山区以及塔里木盆地西部3 个地区降水增加尤其显著。

图1 伊朗高原与北非地形及新疆夏季降水变率空间分布Fig.1 Topography of Iranian Plateau and North Africa,and spatial distribution of summer rainfall variability in Xinjiang

2 数据与方法

2.1 数据来源

由于北非和伊朗高原地区气象观测数据较为匮乏，因此多使用再分析资料，已有研究对多套再分析资料比较后得出，JRA-55再分析资料可以如实反映伊朗高原地表感热的时空变化特征，可信度较高［33-34］，因此，本文选用JRA-55 资料的月平均地表感热（https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/jra-55）。同时为了分析感热异常对环流形势及水汽输送的影响，还选取了JRA-55的月均等压面风场、相对湿度和地表气压场等数据，水平分辨率为1.25°×1.25°［35］。塔里木盆地逐月降水数据由国家气象信息中心提供［36］，其水平分辨率为0.5°×0.5°。本文夏季指7—8月的气候平均态，资料长度为1971—2019年共49 a。

2.2 研究方法

本文采用的主要方法有：奇异值分解（Singular value decomposition，SVD）分析、多元线性回归分析、线性相关及偏相关分析［37-38］。

（1）奇异值分解分析：为了分析伊朗高原和北非地区感热与塔里木盆地夏季降水的联系，分别以伊朗高原和北非地区标准化地表感热作为左场（Xp·n），塔里木盆地夏季降水作为右场（Yq·n），进行奇异值分解研究两场之间所存在的时域相关性的空间联系。

其中，n为样本数；p、q为空间数；X和Y的交叉协方差矩阵为Sp·q。存在L、R2个酋矩阵，使Sp·q可分解为：

式中：LT、RT为L、R的转置矩阵；Λm为对角矩阵，称为奇异值，满足Λ1≥Λ2≥…≥Λm＞0。显著性检验通过蒙特卡罗方法验证。利用奇异值分解，由左、右场可分别构造U、V2 个时间系数矩阵，使得矩阵间有极大化协方差。

（2）多元线性回归分析：为了分析2 个区域共同加热对塔里木盆地夏季降水的影响，选取塔里木盆地夏季降水作为响应变量Y，利用伊朗高原及北非地区夏季感热作为回归因子X1、X2，建立多元线性回归模型。

式中：Y为预测量的历史观测向量；yn为第n次的历史观测向量；X为回归因子的历史观测矩阵；Xp为搜集到的p个y的影响因素的n次观测值；β为系数向量；βP为第p个系数向量；ε为随机误差项。

其中，系数向量（β）的最小二乘估计为:

式中：XT为X的转置矩阵。

然后，通过复相关系数R检验方程拟合误差，通过t检验对回归系数进行显著性检验。

（3）偏相关分析：为了探究伊朗高原和北非两个区域感热对塔里木盆地降水的单独影响，选取伊朗高原感热作为变量X，北非感热作为变量Z，塔里木盆地夏季降水作为变量Y进行偏相关分析。

式中：rXY·Z为去除变量Z的线性影响后，X与Y之间的偏相关系数；rXY为X和Y的相关系数；rXZ为X和Z的相关系数；rYZ为Y和Z的相关系数。通过统计量t进行显著性检验。

3 结果与分析

3.1 伊朗高原和北非地表感热与塔里木盆地夏季降水的关系

为了研究伊朗高原和北非地区感热异常与塔里木盆地夏季降水间的联系，分别选取伊朗高原（25°～40°N，50°～70°E）和北非地区（0°～35°N，0°～50°E）标准化地表感热作为左场，塔里木盆地夏季降水作为右场，进行奇异值分解分析，左场采用同性相关系数输出，右场则采用异性相关系数输出。由于伊朗高原与塔里木盆地降水第1模态的协方差贡献率达到39%，因此本文主要讨论第1 模态。当伊朗高原感热整体呈正异常时（图2a），塔里木盆地降水分布也呈正异常分布（图2c），结合对应时间系数的相关系数0.70，说明伊朗高原感热增强对应塔里木盆地降雨整体增多，盆地西部尤为如此。夏季北非感热与塔里木盆地降水间关系与之类似（图2b、d），第1 模态协方差贡献达41%，结合对应时间系数的相关系数0.68（图略），当北非感热呈“北弱南强”分布时，塔里木盆地降水一致偏多，增幅显著区域同样位于盆地西部。综上夏季伊朗高原和北非的感热异常均与塔里木盆地西部降水联系紧密，该区域也是近年来新疆夏季降水增加最为显著的区域［24］。

为了分析夏季2个地区感热加热对塔里木盆地降水的影响过程，根据图2，确定伊朗高原和北非关键区热力指数和塔里木盆地夏季降水指数。

图2 1971—2019年夏季伊朗高原、北非感热分别与塔里木盆地降水奇异值分解的第一模态分布Fig.2 First mode in the singular value decomposition expansion for the correlations between sensible heat flux over the Iranian Plateau,sensible heat flux over the North Africa&summer rainfall in the Tarim Basin from 1971 to 2019

伊朗高原热力指数（Iranian Plateau thermal in⁃dex，IPTI）:

北非热力指数（North Africa thermal index，NA⁃TI）:

式中：HSIP和HSNA分别为1971—2019 年49 a 的夏季伊朗高原和北非关键区平均地表感热距平；Nor 为对变量标准化处理。

夏季降水指数（Summer precipitation index,SPI）:定义49 a 的夏季区域（36°～42°N,73.5°～84°E）平均降水量的标准化序列为塔里木盆地夏季降水指数。

通过奇异值分解分析发现伊朗高原和北非地表感热异常均与塔里木盆地夏季降水联系紧密，那么2 个区域共同加热对塔里木盆地降水有何影响呢？利用多元线性回归的方法，以IPTI 与NATI 作为影响因子拟合出伊朗高原-北非热力指数（Irani⁃an Plateau&North Africa thermal index，IPNATI）：

式中：X1、X2分别为伊朗高原热力指数与北非热力指数。定义当IPNATI＞0.5 时，为伊朗高原-北非加热强年，分别为1981、2001、2002、2003、2004、2005、2011、2016、2017 年和2018 年，共10 a；当IPNATI＜-0.5 时，为伊朗高原-北非加热弱年，分别为1975、1976、1979、1980、1983、1984、1995、1997 年和2009年，共9 a。

图3分别给出了3个热力指数与塔里木盆地夏季降水指数的时间序列。伊朗高原-北非热力指数与塔里木盆地夏季降水指数的相关系数为0.64，伊朗高原热力指数与塔里木盆地夏季降水指数的相关系数为0.58，北非热力指数与塔里木盆地夏季降水指数的相关系数为0.33，均通过了95%的信度检验；因此3 个热力指数均与降水指数关系密切，但2个区域共同加热与塔里木盆地夏季降水之间的联系要比仅考虑一个地区下垫面加热时更为紧密。

图3 1971—2019年夏季3个热力指数与塔里木盆地降水指数的时间序列Fig.3 Time series of three thermal indices and Tarim Basin precipitation index from 1971 to 2019

3.2 夏季伊朗高原和北非热力异常对塔里木盆地夏季降水的单独影响

图4a给出了去除北非感热加热影响后，伊朗高原热力指数与塔里木盆地夏季降水的偏相关分布。由图可见，伊朗高原热力指数与塔里木盆地降水呈显著的正相关关系，当伊朗高原夏季感热偏强时，对应同期塔里木盆地降水整体增多，其西部区域增加尤为显著。在去除伊朗高原热力影响，仅考虑北非感热影响（图4b）的情况下，当北非热力指数偏强时，塔里木盆地夏季降水整体呈正相关分布，即当北非北部感热偏弱、南部偏强时，塔里木盆地夏季整体降水偏多，显著区域略小于图4a。

图4 伊朗高原热力指数和北非热力指数与塔里木盆地夏季降水的偏相关Fig.4 Partial correlation of the Iranian Plateau thermal index and North Africa thermal index with summer precipitation in the Tarim Basin

在伊朗高原感热异常单独影响下（图5a），高原热力指数与中亚500 hPa 风场联系密切，中亚与蒙古上空分别受气旋与反气旋环流控制，塔里木盆地处在2 个环流系统之间东南风加强，形成盆地降水偏多的环流形势；当去除伊朗高原加热影响后，北非热力效应对500 hPa环流的影响（图5b）与图5a类似，在伊朗高原上空存在反气旋环流与中亚气旋配合加强了西风输送，另一方面，蒙古反气旋北移至贝加尔湖附近同样配合中亚气旋，形成有利于塔里木盆地降水增加的环流背景。

图5 伊朗高原热力指数和北非热力指数与500 hPa风的偏相关Fig.5 Partial correlation of the Iranian Plateau thermal index and North Africa thermal index with 500 hPa wind

通过伊朗高原热力指数与水汽输送的偏相关分布（图6a）分析可知，在去除北非加热影响后，仅在伊朗高原感热异常影响下，阿拉伯海异常反气旋性环流配合中亚气旋性环流，通过两步输送的方式，将阿拉伯海水汽向北输送至塔里木盆地上空［39］。仅考虑北非加热的影响（图6b），不能形成阿拉伯海上空水汽向北的两步输送，虽然中亚高层气旋环流依旧存在，即两步输送的第二步形成，但是阿拉伯海-印度半岛的反气旋环流位置偏南，因此热带印度洋水汽无法北上进入塔里木盆地。这也解释了图3b和图3c，为何北非加热指数与塔里木盆地夏季降水指数的相关性略弱一些。

图6 伊朗高原热力指数和北非热力指数与水汽通量的偏相关Fig.6 Partial correlation of the Iranian Plateau thermal index and North Africa thermal index with water vapor flux

3.3 夏季伊朗高原和北非热力异常对塔里木盆地夏季降水的共同影响

利用伊朗高原-北非热力指数分析北非和伊朗高原共同加热对塔里木盆地降水的影响过程，以伊朗高原-北非热力指数为自变量，塔里木盆地夏季降水为应变量建立回归模型，给出了回归分布（图7a），二者呈显著的正相关关系，在伊朗高原和北非地区共同加热的影响下，塔里木盆地夏季降水整体偏多。合成分析也证实了这一点，当伊朗高原-北非加热偏强时（图7b），对应夏季塔里木盆地降雨一致增多；当伊朗高原-北非加热偏弱时（图7c），塔里木盆地降水则表现出与强年相反的分布特征，降雨一致偏少。

图7 塔里木盆地夏季降水异常分布Fig.7 Abnormal distribution of summer precipitation in the Tarim Basin

降水是大气环流和水汽输送配合的结果，已有研究表明新疆夏季降水与同期中亚西风急流位置的南北移动密切联系［39-40］。从伊朗高原-北非热力指数与200 hPa 纬向风的回归分布（图8a）可以看出，伊朗高原-北非热力指数中亚200 hPa纬向风联系紧密，当伊朗高原-北非加热偏强时（图8b），200 hPa 纬向风场呈“北负南正”的异常空间分布，中亚副热带西风急流南侧西风增强，北侧减弱，急流轴偏南对应塔里木盆地降水偏多；当伊朗高原-北非加热偏弱时（图8c），中亚200 hPa 纬向风场则表现出与强年相反的分布特征，呈“北正南负”分布，急流轴向北偏移，塔里木盆地降水偏少［39-40］。

图8 200 hPa纬向风的异常分布Fig.8 Abnormal distribution of zonal wind at 200 hPa

图9a 给出了伊朗高原-北非热力指数与500 hPa 环流的回归分布，2 个区域共同加热与中亚500 hPa风场联系紧密。合成分析发现，在伊朗高原-北非加热强年（图9b），在中亚气旋性环流与蒙古高原反气旋性环流共同作用下，塔里木盆地上空偏南风增强，易于低纬度暖湿空气北上，为塔里木盆地降水的发生提供有利环流形势。在伊朗高原-北非加热弱年（图9c），500 hPa 风场分布则与图9b 基本相反，中亚与蒙古高原对流层中层分别为异常反气旋性环流与气旋性环流，加强了塔里木盆地上空的偏北风，引导干冷空气南下，塔里木盆地降水偏少。

图9 500 hPa风的异常分布Fig.9 Abnormal distribution of 500 hPa wind

塔里木盆地降水的生成不仅需要有利环流动力条件，还需要水汽输送共同作用。由伊朗高原-北非热力指数与水汽通量的回归分布可以发现（图10a），2 个区域共同加热主要影响着阿拉伯海上空的水汽向北输送。在伊朗高原-北非加热强年（图10b），阿拉伯海水汽由其上空的异常反气旋运送至中纬度（30°N附近），接着在中亚异常气旋环流作用下，水汽继续北上进入塔里木盆地。此外，我国北方存在一反气旋环流，其底部的偏东气流可以将东部的水汽沿河西走廊向西输送，但由于东亚夏季风偏弱，不利于低纬太平洋水汽向北传输，因此塔里木盆地水汽的主要源地为印度洋［41］。在伊朗高原-北非加热弱年（图10c），水汽输送则表现出与强年基本相反的空间分布，热带印度洋与中亚受异常气旋与反气旋环流控制，二者均不利于水汽向北输送。

4 讨论

夏季北非和伊朗高原感热异常均可单独影响同期塔里木盆地降水，那么2 个区域感热强迫通过什么机制影响塔里木盆地降水呢？已有研究表明伊朗高原与北非感热异常均能够激发纬向异常环流波列，沿西风带向东传播，影响下游天气气候［14,17］。200 hPa 风场在伊朗高原-北非共同加热的影响下（图11a），中纬对流层高层自西向东呈“+-+”的波列分布，对应中亚上空为气旋性环流，受此影响，塔里木盆地上空南风增强。伊朗高原热力指数与200 hPa 风场回归分布类似于图11a（图11b），也是可以在中纬度对流层高层激发出纬向波列。北非热力指数与200 hPa风场回归分布（图11c）与图11a略有差异，由于是一个热力差异指数，因此可以在北非及其北部上空分别形成一个异常气旋和反气旋环流，与已有研究类似［21］；北部的反气旋环流向东传播，也形成“+-+”的波列，中亚上空同样对应异常气旋环流，形成有利于塔里木盆地降水增加的环流背景。

图11 3个热力指数与夏季200 hPa风场回归分布Fig.11 Regression of 200 hPa wind against the three thermal indices

本文分析了伊朗高原和北非感热加热对塔里木盆地夏季降水的影响，揭示了可能的影响机制，但还存在以下不足：（1）研究主要聚焦于2 个区域加热与塔里木盆地夏季降水关系的年际尺度，没有考虑年代际影响。而从图3 可见，在1999—2005年，伊朗高原感热与塔里木盆地降水表现出反信号变化，在1990—2000年北非感热与塔里木盆地降水表现出反信号变化，这是否是由于二者感热年代际的变化引起？通过9 a滑动平均（图略），发现伊朗高原感热在1998年出现了年代际转折，北非感热的年代际转折则是在1990年，2个区域感热均由弱转强，2 个区域在感热偏弱（1990、1998 年前）与偏强（1990、1998 年后）不同年代际的背景下，是否具有一致的热力效应，对塔里木盆地夏季降水的影响是否存在差异，需要进一步研究。（2）已有研究指出青藏高原热力效应与北非热力变化联系密切［18］，伊朗高原和青藏高原的表面热力效应与印度洋水汽输送之间存在一个相互影响的耦合系统［42-43］，同时青藏高原潜热变化也显著影响着塔里木盆地旱涝分布［44］，那么在伊朗高原与北非感热加热对塔里木盆地降水的影响过程中青藏高原热力效应贡献如何，也需要未来借助数值试验进一步分析。

5 结论

近50 a 来在新疆气候转型的过程中，夏季降水呈增加趋势，其中伊犁河谷、天山以及塔里木盆地3个地区降水增加显著。什么原因导致了塔里木盆地夏季降水的显著增加呢？本文从区域协同的角度，分析了伊朗高原与北非地区感热加热对塔里木盆地夏季降水影响的主要物理过程。主要结论如下：

（1）奇异值分解分析结果表明，夏季2 个区域地表感热异常均与塔里木盆地降水联系密切。相关分析发现考虑2个区域共同加热与塔里木盆地夏季降水的联系要比仅考虑单一区域加热时更为紧密。

（2）当伊朗高原感热异常偏强（弱），同时北非感热呈北弱南强（北强南弱）异常分布时，中亚200 hPa 副热带西风急流位置偏南（偏北），中亚和蒙古高原上空分别受异常气旋（反气旋）和反气旋（气旋）控制，塔里木盆地受2 个系统共同影响，偏南（北）风加强，形成有利（不利）的环流条件；同时阿拉伯海水汽可以（不能）由其上空的异常反气旋（气旋）环流向北输送至中纬度地区，在中亚上空的异常气旋（反气旋）环流的配合下，可以（不能）接力将中纬度的水汽向塔里木盆地输送，造成塔里木盆地降水偏多（少）。

（3）伊朗高原和北非感热加热均可单独影响塔里木盆地夏季降水，但存在差异。在仅考虑伊朗高原感热单独偏强时，环流形势与水汽输送均利于塔里木盆地降水发生；而只考虑北非感热加热偏强时，仅能形成塔里木盆地降水发生的大尺度环流条件。因此，在2 个区域加热共同影响塔里木盆地夏季降水的过程中，伊朗高原感热加热起主导作用，在北非感热加热的配合下，共同影响中亚环流与水汽输送，进而调制夏季塔里木盆地的旱涝分布。