西北干旱气候成因综述

西北干旱气候成因综述

李兆元　杨文峰　徐小红

(陕西省气象科学研究所　西安・710015)

摘　要　从地理位置、地形影响、大气环流特征、天文因素影响、全球气候增暖、厄尔尼诺以及人类活动几个方面对西北干旱气候成因进行了综述。

关键词　西北地区　干旱　气候变化

1　西北地区深居内陆,距海洋远是干旱气候形成的主要原因

西北地区深居内陆,距海洋远,南方海洋的水汽经长途跋涉不易到达内陆。因而越往内陆气候越干旱。乌鲁木齐距渤海2520km,年降水量400mm左右,其中沙漠内陆年降水量只有20mm以下,是最干旱的地方。西宁距黄海1530km,年降水量400 mm左右。兰州距黄海1386km,年降水量350mm 左右。银川距渤海1044km,年降水量约200mm。西安距黄海900km,年降水量573mm。可见,越深入内陆的地区气候越干旱。全国的著名沙漠,如准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、腾格里沙漠、乌素沙漠都分布在西北内陆干旱气候区。

青藏高原隆起是西北干旱气候形成的主要原因。西北干旱气候区位于青藏高原北侧的中纬度欧亚大陆中部,是在一种特殊地理条件下形成的。据研究,早在地质时期青藏高原隆起以前,西北地区已经出现沙漠,表明那里的干旱区已经形成。其原因是地处欧亚内陆腹地,水汽来源不足。来自南部的暖湿气流冬季一般不越过秦岭,夏季不越过37°59′N,只有在少数情况下可以到达河西走廊。从苏联欧洲大陆南部偏西送来的水汽大多数在天山和帕米尔形成降水,气流过山后已变得非常干燥。青藏高原的隆起是西北干旱气候形成的主要原因。高原隆升至3000 m,即中更新世晚期,是西北干旱气候形成的重要阶段。

青藏高原在西北干旱气候区形成的主要作用是:直接阻挡了西南暖湿季风气流的北进,切断了主要的水汽来源;高原为强大的热源和有组织的上升运动,作为补偿的高原四周下沉气流的一部分,在西北地区上空,始终存在着有组织的下沉气流,这是西北干旱气候形成的大尺度环流背景;西风气流在高原北侧绕流时,形成的高压脊和反气旋辐散环流,加强了西北地区的下沉气流。

2　干旱环流控制是西北干旱气流形成的直接原因大气环流的平均状况其变率是影响和制约着西北地区的天气气候,尤其是旱涝气候。西北地区地处世界上最大的青藏高原北部,境内有天山、帕米尔高原、南疆盆地、河西走廊、黄土高原、秦岭和巴山山地等高山和复杂地形,使边界层平均环流出现了地方性的天气尺度和次天气尺度系统。由于青藏高原海拔很高,这种地方性平均环流系统,甚至在500 hPa向上都有清楚的反映,青藏高原对西北地区的天气气候的分布、变化有十分重要的影响。

干旱是西北地区突出的也是世界性的问题,是西北地区最重要的气候灾害。在西北地区,一年四季均可发生干旱。在各季的干旱中,又以冬春旱和夏旱发生的机会最多。西北地区的干旱季比较长,10～5月基本上都受冬季环流型影响,气候特点是寒冷、干燥、降水稀少。

西北地区冬季环流特征:东亚高空大气环流盛行大槽大脊活动,其最常见的环流形势是新疆——西北区维持一高压脊,沿海维持一大低压槽,西北地区处在这两大系统之间,受西北气流控制,地面上常为从西伯利亚东南下的冷高压所控制,天气晴朗寒冷,干旱少雨。

西北地区春季环流特征:大气低层增温迅速,环流型表现为大陆高压与低压两个大活动中心,而高空环流基本上仍是冬季环流形势,多移动性槽脊,相应的地面冷空气活动频繁,还相当强。高空500hPa

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以上,北支西风急流的强度和位置均少变化,西风带平均大槽位置在东经140度附近,但强度减弱。同时在南方出现了印度低压和西太平洋副热带高压,但其势力尚不很强,南北两支急流仍然存在,西北地区上空,仍受西风带影响,常受西北气流控制,或处在高压脊之内,上述高空环流形势与地面形势的配合,形成了西北地区春季降水少、地面回暖快、风速大、蒸发强的春季干旱气候。

西北地区夏季环流特征:初夏高空大陆副热带高压活动频繁,南支波动因之不活跃,此时为相对少雨干旱时期。在500hPa常年在贝加尔湖西部的槽区却维持一个高压脊,脊前不断的冷平流输送到西北地区,西北地区上空为单一的西北气流控制,冷空气活动比较频繁,西南气流相应较弱,影响中纬度上空西风槽的建立和稳定。另外,常年鄂霍次克海的高压脊也被低压槽所代替,对西太平洋副热带高压的北抬和加强有一定的抑制使用,造成干旱少雨的天气。盛夏西太平洋副热带高压西伸北跃,当副高加强到相当强时,副高后部的强盛的西南气流,带来大量水汽影响西北地区东部,配合西风带入侵的小股冷空气,往往造成中、大、暴雨天气和雷阵雨天气。当副高加强到相当强时,西北地区东部因副高控制出现少雨干旱天气。而且在副高较弱的年份,又因南支波动主要影响偏南地区,西北地区东部因此缺少水汽来源,所以西北地区东部出现少雨干旱天气。

西北地区秋季环流特征:盛夏过后,西太平洋副热带高压开始减弱,北支西风带锋区又开始南移影响西北地区,地面冷空气的强度也逐渐加强,秋季西北地区东部往往处于西太平洋副热带高压的北缘平直西风环流中,此时高空锋区常可在西北地区东部上空维持一段时间,造成初秋连阴雨天气。在10月后往往有一次强的极地冷空气向南爆发,导致大气环流形势的剧变,西太平洋副热带高压,从此南退出海,西风带环流经向度显著加大,从此将转入盛行的冬季环流形势,大槽大脊活动,降水显著减少,出现少雨干旱天气。

3　全球增暖对西北地区干旱气候的影响

由于人类活动所产生的大气中温室气体(如CO2和CH4等)含量增加所产生的全球增温效应已经被公认。本世纪以来全球和西北地区地面气温变化曲线已经呈现出明显的增暖趋势。这种大范围的增暖现象对西北地区干旱气候的影响是一个不可忽视的重要因素。

311　大范围气候增暖会造成地表蒸发加速,增加了干旱气候程度

根据研究,中纬度干旱地区地面增温2℃时,地球地面辐射平衡也加大,因此蒸发能力加大,估计增大20%左右,约300～400mm,远远超过当地降水量的变化范围。据估计,中纬度地区如果地面温度平均升高2℃,在其它气象条件不变的情况下,可以增加地表实际蒸发量25%左右,从而大大加速干旱气候的进程。

312　气候史中全球增暖时期降水量和土壤湿度的分布

本世纪20～30年代,全球气候发生过突然增暖现象。这个时期北半球大气环流、季风活动和全球降水分布均发生显著变化。这个时期,全球年降水距平分布特征是:15°S～25°N的赤道和热带地区降水量增多,即赤道对流和季风活动均很活跃,同时,北半球中纬度地区(25～50°N)和南半球15～30°S地区气候变干。其中40°N地带的干旱最明显,西北地区正处在这个干旱带内。

313　数值模式模拟的CO2加倍时全球降水和土壤湿度的分布

许多气候模式可得出大致接近的结果。世界上5个气候模式:GFDL、G ISS、O SU、N CA R、U K M O,模拟的CO2加倍时北美和亚洲季风区的土壤湿度变化表明,在亚洲季风区,冬季西北地区变化不显著。夏季,亚洲大部分土壤变干,西北地区尤其显著。上述模拟结果,可以为未来增暖对西北地区干旱发展提供一些参考依据。

4　天文因素对西北地区干旱的可能影响

411　太阳黑子变化对西北地区干旱的可能影响太阳黑子的增多和减少有明显的11a左右的周期。11a周期都从黑子极小值(称为谷年)开始, 3～5a达到极大值(称为峰年),然后黑子逐渐减少,经过5～7a减少到极小值。西北地区降水在峰年前1～2a和谷年前1～2a降水都偏少,出现干旱。太阳黑子峰谷年之间的年份出现小流量和低水位。太阳黑子有明显的22a周期,西北地区干旱有22a明显周期,根据旱涝等级资料分析,发现在偶数11a 周期中的增强时期多偏旱。在奇数11a周期中则相反,在减弱时期多偏旱。根据15世纪以来西北地区50a一遇的大旱年,有83%的大旱年都出现在偶数