基于探空資料的1961—2018年新疆高空大氣比濕氣候特征分析

楊 濤，楊蓮梅

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

21世紀初，施雅風等[1]提出1987年起西北氣候出現了轉向暖濕的強勁信號。21世紀初以來，研究者對新疆不同時間尺度和區域的地面氣溫、降水、干濕時空變化等開展了大量研究[2-7]，加深了對新疆區域暖濕氣候變化的認識。還有學者對干旱特征、氣候變化對生態環境的影響進行分析和評估[8]，已開展的研究主要針對地面氣象要素，而對流層水汽是氣候的重要變量，是最重要的氣候變化正反饋因子之一，也是氣候學和天氣學研究的重要問題。水汽通常用露點溫度、絕對比濕、相對濕度和比濕等表征，氣壓變化導致的大氣膨脹或收縮對比濕的影響很小，因此，用比濕描述大氣水汽的變化尤為重要[9]。水汽研究資料通常是基于探空觀測、衛星遙感和再分析資料，此外，基于飛機飛艇、微波輻射計等現代觀測技術也為高空水汽研究提供新的信息來源，不同探測方法各有優缺點，而探空具有歷史序列長、垂直分辨率高、精度高的優點，缺點是站點分布不均且稀疏。

新疆為干旱半干旱區，水資源是重要的制約因素，高空大氣水汽來源于水平和垂直方向的輸送，氣候因子的差異會導致高空大氣水汽分布的區域差異。早在20世紀60年代，氣象工作者開始對新疆大氣水汽的研究，用有限的探空站的短時間資料，給出了新疆比濕空間分布為自西向東與自南向北的遞減，季節分布為夏季高、冬季低的特征[10]。此后對新疆水汽的研究主要利用NCEP/NCAR再分析資料開展[11-13]，而再分析資料對水汽的反演存在較大的誤差，因此很有必要利用長時間序列的探空資料對水汽開展研究。中國大氣水汽變化與全球或北半球尺度的變化有明顯差異，新疆具有獨特的地理和氣候環境，用長時間序列的探空資料分析對流層不同層次比濕氣候特征及其變化，以探討新疆區域大氣水汽變化與其他區域的大氣水汽有何差異，是對新疆區域氣候變化認識的有益補充。

1 資料和方法

應用1961—2018年新疆12個探空氣象站（阿勒泰、塔城、克拉瑪依、伊寧、烏魯木齊、北塔山、哈密、庫爾勒、庫車、喀什、和田、若羌）逐日觀測資料，其中塔城始于1966年，其它站均從20世紀50年代或60年代初開始觀測，北塔山1959年11月起有07時觀測，1981年增加19時觀測，克拉瑪依站1968年2月—1971年12月暫停過觀測，總體資料序列比較完整，可以代表當地的氣候特點。采集了規定等壓面層的氣溫和露點溫度資料，包括近地面層、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100 hPa。12個探空氣象站的分布見圖1。

圖1 新疆主要探空氣象站分布

利用氣溫、露點溫度、氣壓等觀測資料，按照簡化的比濕計算公式[14]計算了850、700、500 hPa比濕序列，包括上述12個站1961—2018年逐日07時和19時850、700、500 hPa三層次的值，用兩個時次的平均值計算了日均值。

當氣溫＞-40℃時，

在氣溫＜-40℃時，

其中，T為氣溫，P為氣壓，E為水汽壓，Es為飽和水汽壓。

其中，Td為露點溫度，RH為相對濕度，q為比濕。

研究表明，90%以上的水汽集中在500 hPa以下的大氣層[9]，400 hPa比濕僅為850 hPa的10%，300 hPa以上各層比濕和僅為850 hPa的1%，因此本文主要研究850、700、500 hPa層次的比濕，探討新疆區域比濕氣候特征及其變化。

2 新疆對流層中、低層比濕的氣候特征及其變化

2.1 比濕的氣候特征

各站全年比濕分布（表1）可以看出，新疆大氣的比濕分布呈現自西向東遞減、自南向北遞減的特征，這是由新疆以西方水汽輸入為主所決定的，也與全國比濕的南高北低的緯向分布特點一致。在垂直方向上比濕呈隨高度上升而減小的分布。

表1 新疆12個探空站比濕年平均值 g·kg-1

研究表明，我國850和500 hPa比濕變化范圍分別為2～12 g·kg-1和0.1～2.5g·kg-1[9]。由表1可知，新疆850 hPa比濕年平均值為3.48 g·kg-1，標準差為0.476 g·kg-1，新疆西部的喀什比濕最大為4.3 g·kg-1，新疆東部的哈密比濕最小為2.81 g·kg-1。700 hPa比濕年平均值為2.28 g·kg-1，標準差為0.217 g·kg-1，新疆西部的喀什比濕最大為2.62 g·kg-1，新疆北部的阿勒泰、東部的哈密比濕最小分別為1.97 g·kg-1和1.98 g·kg-1。500 hPa比濕年平均值僅為0.91 g·kg-1，各站比濕值差異較小，表明對流層中層水汽少、分布差異也小。新疆由于深處歐亞大陸腹地，為干旱半干旱氣候，水汽輸送和地表蒸發遠小于東亞季風區，新疆比濕及其標準差遠小于東亞季風區，且比濕標準差表明其是變化很小的物理量。

2.2 比濕的季節分布

從四季比濕平均值來看（表2），各季比濕分布與年分布一致，均呈自西向東遞減、自南向北遞減，垂直方向上也都隨高度增加而減??；各層次均表現出夏季最大、冬季最小的特點，秋季略大于春季，夏季比濕為冬季的3.7～6.3倍。850 hPa，夏季比濕平均值為6.53 g·kg-1，新疆南部的和田平均值最大為8.03 g·kg-1，哈密最小為5.63 g·kg-1，冬季為1.54 g·kg-1，僅為夏季的27%，同時各站比濕值為1.17～1.88 g·kg-1，表明冬季比濕很小且差異也很小，標準差僅為0.2 g·kg-1，春、秋季平均值分別為2.77和3.13 g·kg-1，約為夏季的1/2，可見850 hPa比濕的季節分布差異很大。

表2 新疆12個探空站比濕四季平均值 g·kg-1

700 hPa，夏季比濕平均值為4.45 g·kg-1，各站比濕在4.11～4.87 g·kg-1，差異較小，表明在3000 m高空，新疆區域比濕空間分布比較均勻一致，東西約2000 km和南北約1500 km廣大范圍比濕分布比較均勻，這是由干旱半干旱氣候背景所決定的。冬季比濕僅為1.01 g·kg-1，僅為夏季的23%，同時各站比濕值為0.83～1.23 g·kg-1，表明冬季比濕很小且差異也很小，標準差僅為0.11 g·kg-1。春、秋季平均值分別為1.75 g·kg-1和1.95 g·kg-1，為夏季的40%左右，可見700 hPa比濕的季節分布差異很大，但各站比濕差異卻很小，說明在此層比濕的空間分布差異較小。

500 hPa，夏季比濕平均值為1.91 g·kg-1，約為850 hPa比濕的29%，各站比濕為1.35～2.75 g·kg-1，表明在5000 m高空，新疆區域比濕分布差異比700 hPa大。冬季比濕為0.36 g·kg-1，僅為夏季的19%，同時各站比濕值為0.27～0.48 g·kg-1，表明冬季比濕很小且差異也很小，標準差僅為0.06 g·kg-1。春、秋季平均值分別為0.71和0.72 g·kg-1，約為夏季的37%，可見500 hPa比濕的季節分布差異也很大，但各站比濕差異卻很小，在此層比濕的空間分布差異比850 hPa小，但較700 hPa大。

夏季850、700和500 hPa新疆各站比濕的標準差都是最大的，主要原因是溫度高、比濕絕對數值大，也說明各站點之間的離散程度比較高，表明對流層水汽在夏季變化幅度最大，各站點之間比濕差異相對其他季節大，但700 hPa比濕的空間差異小于850和500 hPa。

2.3 比濕年際變化及與地面水汽、降水變化的關系

2.3.1 比濕年際變化

由圖2可見，1961—2018年850 hPa比濕呈現減小趨勢，R值為0.359，通過0.05的顯著性檢驗，這與新疆降水呈顯著增加趨勢不一致，而700和500 hPa比濕表現出弱上升趨勢，但R值均較小，未通過顯著性檢驗。2005年以前新疆比濕的年代際變化與中國1958—2005年比濕變化趨勢是一致的[9]，中國對流層中低層比濕序列在1965年和1987年出現超過5%顯著性檢驗的突變點，其中1966年中國多數探空站經歷了儀器換型和訂正方法的重大變更，1966年左右的突變點可能與這些變更相關，而非氣候意義的突變點。1987年的突變則無臺站變化的影響，屬于發生年代際轉折。

考慮到2005—2007年期間新疆各探空站經歷了儀器換型（普遍從59型探空儀換為GTS1型數字式探空儀），是否也是導致2006年后比濕均值大幅下降的原因呢？按照前期研究[15]，探空儀換型后高度、溫度具有一致性，濕度則有顯著差異。1967—2005年期間的比濕趨勢見圖3，各層次比濕均表現為顯著上升趨勢，相關系數均通過0.05的顯著性水平檢驗，各個層次均在1987年開始出現高于均值的變化，1967—1986年新疆對流層中、低層大氣比濕呈現偏“干”時段，1987—2005年為相對偏“濕”時段，如果與圖4聯系起來看，將2006年前后儀器換型導致的比濕均值變化因素排除，可知從1987年以來新疆地區對流層中低層比濕總體表現為持續上升趨勢，與降水增多趨勢一致。

圖3 1967—2005年新疆年平均比濕時間序列

將換型后的2007—2018年比濕進行分析，可以看到各層次比濕均呈顯著上升趨勢（圖4），相關系數均通過0.05的顯著性檢驗，說明2007—2018年期間比濕均值雖然較1961—2018年的多年均值下降，但這期間呈現線性上升趨勢。

圖4 2007—2018年新疆年平均比濕時間序列

分析1967—2005年四季新疆對流層中、低層比濕的年際和年代際變化趨勢，發現夏季上升趨勢明顯，各高度層均通過0.05的顯著性檢驗，冬、春、秋季則是略有上升，未通過顯著性檢驗；以2007—2018年分析，850 hPa春季和夏季、700 hPa的春季上升趨勢通過0.05的顯著性檢驗，其它層次和季節也是略有上升，但未通過顯著性檢驗。

2.3.2 地面水汽壓年際變化、比濕與降水量相關分析

新疆12個探空站年平均地面水汽壓變化見圖5，1967年以來新疆地面水汽壓呈顯著增加趨勢，R為0.73，通過0.05的顯著性檢驗，這與地面降水增多趨勢一致[5，7]。地面水汽壓年際變化可見，1960年代中期—1980年代中期表現為偏干趨勢，1987年出現突變，1980年代后期到2000年代中期呈現偏濕趨勢，與對流層各層比濕的變化階段基本一致，2006年以后的地面水汽壓趨勢不明顯。地面水汽壓的趨勢變化圖說明對流層中低層的比濕與地面水汽壓年代際變化是一致的。地面水汽壓四季的年際變化特征與年變化一致。

圖5 1967—2005年新疆年平均地面水汽壓變化（單位：hPa）

對1967—2005年新疆年降水量與850、700和500 hPa比濕進行了線性相關分析，相關系數分別為0.732、0.784和0.672，相關系數均通過0.05的顯著性檢驗；2007—2018年新疆年降水與850、700和500 hPa比濕線性相關系數分別為0.54、0.565和0.76，相關系數均通過0.1的顯著性檢驗，表明降水與比濕關系密切。

2.4 暴雨/雪過程比濕特征

從現有成果中選擇出12個探空站，均出現暴雨[16]、暴雪[17]天氣的個例，共選擇1961—2018年期間各探空站≥24.1 mm的暴雨個例67次，選擇1961—2017年期間各探空站≥12.1 mm的暴雪個例28次，用暴雨/雪天氣發生時比濕最大值（從降水前后各一天及降水當日的07、19時值中選出最大）與該季節的多年均值進行對比（表3～6）。春季，暴雨/雪天氣過程850、700和500 hPa比濕依次減小，850 hPa比濕為4.49～9.37 g·kg-1，各站比濕差異較大，但明顯大于春季氣候平均值，可達氣候平均的1.4～3.3倍，大多為2～3倍，表明發生暴雨/雪時850 hPa比濕明顯增大；700 hPa比濕為3.65～6.24 g·kg-1，各站比濕小于850 hPa，可達氣候平均的1.9～3.4倍，大多為2～3倍，表明發生暴雨/雪時700 hPa比濕明顯增強；500 hPa比濕為1.34～2.93 g·kg-1，各站比濕小于700 hPa，可達氣候平均的1.8～4.0倍，表明發生暴雨/雪時500 hPa比濕也明顯增強，可見發生暴雨/雪時對流層850～500 hPa比濕均出現明顯的增加特征。新疆秋季秋高氣爽，強降水天氣少，比濕特征與春季一致，只是秋季比濕值小于春季。

表3 新疆暴雨、暴雪天氣比濕特征（春季）g·kg-1

夏季，暴雨天氣發生時850 hPa比濕在一年中最大，約為6.88～12.99 g·kg-1，各站的差異還是比較大的，為季節平均的1.1～2.3倍，700 hPa比濕約為4.60～11.08 g·kg-1，約為季節平均的1.0～2.3倍，500 hPa比濕為2.01～6.25 g·kg-1，各站比濕＜700 hPa，可達氣候平均的1.2～2.6倍，夏季比濕為一年中最高的，說明水汽相對豐富，而發生暴雨時比濕增多比例卻比春、秋和冬季少，表明夏季暴雨的發生由產生降水的動力和不穩定條件決定。

冬季暴雪天氣比濕是最小的，850 hPa比濕為1.73～5.15 g·kg-1，為季節平均的1.5～3.5倍；700 hPa比濕約為1.60～3.36 g·kg-1，約為季節平均的1.6～3.8倍，500 hPa比濕較小大多在1.5 g·kg-1以下，但仍可達氣候平均的1.9～4.8倍，表明冬季暴雪水汽由外部水汽輸送和聚集所致。

用NCEP/NCAR等資料分析新疆暴雪/雨天氣過程的研究[18-25]指出，冬季出現暴雪時850 hPa比濕最大值可達2.5～3 g·kg-1，可見再分析資料比探空資料計算的比濕小一些；夏季暴雨天氣850 hPa比濕可達9～15 g·kg-1，再分析資料比探空資料計算的比濕又偏大；春、秋季暴雨天氣850 hPa比濕約為6～9 g·kg-1，再分析資料與探空資料計算的比濕范圍比較一致。

北京“7.21”特大暴雨過程[26]中，累計最大降水量最大值為541 mm，出現在房山的河北鎮水文站，氣象站觀測到的最大值為門頭溝龍泉（408.2mm），城區最大降水量石景山模式口（328mm）。該暴雨過程中的水汽情況如下：7月21日14時低層對流層850 hPa以下比濕首先達到最大值16～19 g·kg-1，此后中高層的比濕也迅速增大，850～600 hPa各層均在20時達到最大值，在10～15 g·kg-1?？梢?，東亞季風區的華北區域極端降雨量可達新疆地區的10倍左右，而對流層中低層比濕較新疆偏大1倍左右。

表4 新疆暴雨天氣比濕特征（夏季） g·kg-1

表5 新疆暴雨、暴雪天氣比濕特征（秋季）g·kg-1

表6 新疆暴雪天氣比濕特征（冬季） g·kg-1

3 結論

利用1961—2018年新疆12個探空站逐日資料計算了對流層中低層比濕，研究了新疆58 a來對流層中低層大氣比濕氣候特征及其變化，得到以下結論：

（1）新疆大氣比濕自西向東、自南向北遞減，在垂直方向上隨高度增加而減小，新疆比濕遠小于東亞季風區。新疆夏季比濕最大，其次為秋季、春季，冬季最小。850和500 hPa夏季新疆各站之間比濕差異較大，春、秋季次之，冬季最小，而700 hPa各站比濕差異較小。

（2）排除1966年、2006年前后兩次探空站儀器全面換型影響，分析了新疆比濕1967—2005年、2007—2018年兩個階段的變化趨勢，表明這兩個階段各層次均呈線性上升趨勢，1967—1986年、1988—2005年新疆對流層中、低層大氣比濕呈“干—濕”顯著變化，突變點為1987年；地面水汽壓年際變化與比濕基本一致。對流層中低層各層次比濕與降水呈顯著正相關。

（3）夏季暴雨天氣時比濕最大，尤其850 hPa比濕最大可達6.88～12.99 g·kg-1，700 hPa為4.60～11.08 g·kg-1，500 hPa為2.01～6.25 g·kg-1，夏季發生暴雨時比濕約為氣候平均的1～2倍，表明夏季暴雨的動力和不穩定條件更關鍵，新疆暴雨天氣比濕遠比東亞季風區小。冬季暴雪天氣比濕是一年中最小的，但仍可達氣候平均的1.9～4.8倍，冬季暴雪水汽由外部水汽輸送和聚集所致。春、秋季強降水比濕介于夏、冬季之間，但可達氣候平均的2～3倍，說明春、秋季需要更多的水汽產生強降水。