新疆位于我国西北地区，地处欧亚大陆腹地，远离海洋，是典型的干旱半干旱气候区。干旱少雨的气候特点使得新疆地表类型主要以荒漠戈壁为主，我国最大的沙漠——塔克拉玛干沙漠就位于新疆的南疆地区。干旱少雨的气候特点使新疆地区旱涝异常的年际年代际预测预估对该地区的生态环境保护与经济社会发展变得尤为重要。研究表明新疆旱涝异常受厄尔尼诺、青藏高原热力异常、印度洋海温、北大西洋海温以及中高纬大气环流等因素的影响（赵勇等，2013; 王前等，2017; Wei et al.，2017; 霍文等，2019; Xu et al.，2022a）。近几十年来，随着全球变暖的加剧，以新疆为主体的我国西北干旱区呈现出显著的暖湿化特征。伴随着新疆的暖湿化过程，该地区的生态环境也出现了较大程度的改变，比如植被生长得到促进、水循环过程加剧、生态系统多样性好转等。与此同时，新疆极端降水事件也在近几十年来出现显著的变化，Lu et al.（2021）研究表明自20世纪60年代以来新疆极端降水开始日期提前，结束日期推迟。伴随着极端降水的突变性增长，西风带及高原区夏季大气环流、水汽输送及大气不稳定度在1986年前后发生了明显转变，为极端降水的增加创造了有利条件。归因分析表明西北地区暖湿化的原因与大西洋多年代际振荡（AMO）关系密切（Wang et al.，2019）。AMO正位相时的北大西洋海温增暖可能通过激发大气行星波列影响新疆的降水异常。在年际尺度，大气行星波列也能显著影响新疆降水异常，比如Chen et al.（2012）研究表明丝绸之路遥相关引起的新疆降水异常呈现纬向偶极型，欧洲-中国型遥相关则能显著增强新疆全域的降水。

北大西洋-东亚和北亚（NAENA）型遥相关是夏季欧亚大陆中纬度经向风异常的第二主导模态。该波列西起北大西洋，沿极锋急流向东传播并在西亚分叉，北支继续向东传播到鄂霍次克海，南支沿着副热带西风急流传向东亚。Fan et al.（2022a，2022b）在研究青藏高原夏季风年际变化和青藏高原夏季感热通量年际异常主导模态的时候发现NAENA型遥相关是影响二者的重要因素。当NAENA型遥相关处于正位相时，青藏高原出现异常的低压和气旋性辐合，同时青藏高原东部（西部）的垂直运动和降水增强（减弱），导致青藏高原夏季风增强（Fan et al.，2022b）。此外，NAENA型遥相关还能使得高原西部云量增加，改变太阳向下短波辐射进而使得高原西部感热出现正异常东部感热出现负异常，形成年际时间尺度高原地表感热西正东负的主导模态（Fan et al.，2022a）。那么年际时间尺度NAENA型遥相关对新疆旱涝是否存在影响呢?如果存在影响，其影响的关键区以及相应的动力学机制是什么呢?这有待进一步的探究。

1 资料和方法

使用的资料包括:1）1981—2018年逐月CRU全球降水数据，空间分辨率为0.5°×0.5°（Harris et al.，2014）。2）1981—2018年逐月GPCC全球降水数据，空间分辨率为0.5°×0.5°（Becker et al.，2013）。3）1981—2018年逐月的美国国家环境预测中心/国家大气环境中心（NCEP/NCAR）的再分析资料（Kalnay et al.，1996），包括风场、位势高度场等，空间分辨率为2.5°×2.5°。4）1981—2018年逐月美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的月平均SST资料。

使用的统计方法有EOF分析、回归分析。并对EOF分析结果进行North检验（North et al.，1982）、对回归分析结果进行双尾t检验。此外还用到了波通量表征波列能量的传播方向（Takaya and Nakamura，2001），其表达式如下:

其中:u是纬向风; v是经向风; ψ是流函数; 上划线代表平均态，撇号代表扰动值。

根据Fan et al.（2022a，2022b）的研究，NAENA型遥相关的定义如下:对夏季0°~150°E、 20°~60°N区域内的200 hPa经向风做EOF，把第二模态定义为NAENA型遥相关。图1a为1981—2018年夏季0°~150°E、20°~60°N区域内的200 hPa经向风EOF的第二模态，其解释方差为15.4%，且通过了North检验（North et al.，1982）。

本文利用基于线性化涡度方程的涡度收支分析来解释NAENA型遥相关的维持机制。根据Kosaka and Nakamura（2006）的研究，在地转近似假设的平衡状态下，线性化涡度方程可表示为:

其中S代表线性化正压罗斯贝波波源（RWS），可以表示为:

其中: ${\nabla }_H$代表水平梯度算符; u=（u，v）指水平风速，u的下标ψ和χ分别代表旋转风和辐散风分量; ζ代表相对涡度; f是科里奥利参数。ZA（MA）项分别代表气候态旋转风的纬向分量（经向分量）对扰动涡度的输送。β_x（β_y）项代表扰动纬向（经向）旋转风对平均涡度的输送。Res项为残差项，包括耗散、非线性效应、倾斜项和数据的不确定性等。正值表示在涡度方程中对气旋涡度趋势具有正贡献。

本文应用能量收支分析来评估与NAENA型遥相关相联系的正压能量（CK）转换和斜压能量（CP）转换。根据前人研究（Kosaka and Nakamura，2006），CK和CP的表达式如下:

其中:σ是大气稳定度参数，$\sigma =\left(R\stackrel{-}{T}/c_{p}p\right)-（\mathrm{d}\stackrel{-}{T}/\mathrm{d}p）$; R是气体常数; c_p是定压比容。CK（CP）为正值意味着遥相关型从平均流提取动能（有效位能）。

2 NAENA型遥相关的动力学机制

2.1 NAENA型遥相关的时空特征

对欧亚大陆（0°~150°E，20°~60°N）200 hPa经向风做EOF分析，其第二主导模态（EOF2）就是NAENA型遥相关，其空间模态图1a所示，可以看到欧亚中纬度和高纬度都存在经向风异常的大值区。如图1b是EOF2对应的时间序列PC2回归的风场和经向风异常。可以看到一支气旋与反气旋交替出现的波列从北大西洋向欧亚大陆传播。该支波列在大约50°E出现分叉，北支沿对流层上层的极锋急流继续向东传播，一直到北亚地区; 而另一支则沿着副热带西风急流向东南传播，并到达东亚地区。该波列有四个负的经向风异常中心，分别位于大不列颠岛、西西伯利亚平原、里海东部以及东亚。此外还有三个正的经向风异常中心，分别位于东欧平原、外兴安岭和青藏高原地区。与此相对应的是波罗的海、贝加尔湖和伊朗高原的气旋性环流以及乌拉尔山脉和中国的反气旋环流。

考虑到对200 hPa经向风进行EOF分析的目的在于通过得到经向风变率显著的区域提取遥相关型，因此参考前人的研究（Wakabayashi and Kawamura，2004; Hu et al.，2020），选取EOF空间模态中经向风异常活动中心异常值的绝对值代数和定义为NAENA指数:

其中: $V_{200}^{*}$是200 hPa经向风异常，各经向风异常中心在图1a中的红点中表示。图1c是PC2和NAENA指数的变化特征，可以看到标准化PC2和NAENA指数存在很高的相关性，相关系数达到0.92，且通过了置信度为99%的显著性检验。注意到后文所出现的指数都是经过标准化处理的。从图中可以看到PC2和NAENA指数都存在显著的年际变化。图1d是NAENA指数回归的经向风和风场异常，其空间分布特征很好地和图1b吻合，都呈现从北大西洋向欧亚大陆传播的波列结构，并在里海附近发生分叉。以上结果说明NAENA指数能很好的表征NAENA的时间演变特征，其相应的环流异常也很好地与NAENA模态对应。值得注意的是NAENA型遥相关北侧的活动中心与英国-贝加尔湖走廊（British-Baikal Corridor，BBC）型遥相关（徐霈强，2019; Xu et al.，2019）的活动中心一致，但是NAENA型在里海附近出现了南传特征，因此两者的联系将在后续的研究中进一步讨论。此外，对比了NAENA型和英国-鄂霍次克海（British-Okhotsk Corridor，BOC）（徐霈强，2019; Xu et al.，2022b）型遥相关的空间结构，发现NAENA型和BOC型遥相关存在1/4个位相差。NAENA指数与BOC指数相关性为0.55，解释的方差在30%左右。说明NAENA型相对于BOC型遥相关具有一定的独立性。

2.2 NAENA型遥相关的涡度收支特征

图2显示了与NAENA型遥相关对应的线性化涡度方程中各项的收支情况。罗斯贝波源由沿着NAENA型遥相关的几个正负值中心组成，其位置领先NAENA型遥相关大约四分之一波长。根据Sardeshmukh and Hoskins（1988）的研究，Rossby波源可以进一步分解为涡度拉伸项和涡度平流项，前者与气流的辐合辐散有关，后者代表辐散风产生的涡度平流。发现异常散度引起的涡度拉伸项对Rossby波源起到主要贡献（图3）。这与之前的相关研究非常一致，对中高纬纬向行星波的研究也表明辐合和辐散异常与Rossby波源密切相关（Xu et al.，2019）。ZA项和β_y项在涡度收支中起主导作用，而MA项和β_x项对NAENA型遥相关的形成和维持贡献不大。ZA项和β_y项的符号趋向于以相反的符号相互抵消，这表明气候态的旋转纬向风引起的扰动涡度平流可以被扰动旋转经向风引起的平均涡度平流所补偿。而且Res项的值幅度小，空间分布分散。

2.3 北大西洋-东亚和北亚型遥相关的能量收支特征

图4计算了从地面到10 hPa的CK和CP的垂直积分，以表示NAENA型遥相关与平均流之间的局地动能和有效位能的转换。在北大西洋急流出口区和大气波列的南支观测到明显的CK值（图4a）。这表明正压能量转换对该定常罗斯贝波波南支的维持有一定的影响。CP的特征表现为沿大气波列交替出现正值和负值，且正值大于负值（图4b）。这表明波列可以有效地从平均流中提取有效位能，通过斜压能量转换过程得以维持。因此，尽管CK和CP都对维持NAENA型遥相关具有一定作用，但整体来看，CP的贡献要大于CK的贡献。也就是说相较于斜压不稳定能量转换而言，正压不稳定能量转换在NAENA型维持中的作用相对有限。

2.4 海温对北大西洋-东亚和北亚型遥相关的强迫

前文研究了NAENA型遥相关维持的大气内部动力过程，接下来对影响该遥相关的海温外强迫进行分析。之前的研究表明，因为北大西洋位于欧亚大陆的上游，可以通过大气遥相关波列导致下游的天气气候异常，因此北大西洋海温往往与欧亚大陆的气候异常密切相关，并为欧亚气候预测提供了有价值的信息。因此，为了研究与NAENA型遥相关相联系的海温外强迫因子，本文用相关分析探讨了NAENA型与同期夏季北大西洋海温的关系。考虑到海温长期增暖的趋势，本文研究年际尺度海温对NAENA型的强迫，先对海温和NAENA指数进行9 a滑动平均处理，并用原始值减去9 a滑动平均，提取年际信号。图5a是NAENA指数回归的大西洋海温年际分量异常，可以看到海温异常主要呈现三极子型，具体表现为格陵兰岛南部和南美洲北部的海温正异常以及北美洲东部的负海温异常。进一步研究表明这一海温异常模态与大西洋夏季海温年际变化主模态类似（图5b），这说明年际尺度大西洋夏季海温三极子模态可能是NAENA型遥相关的重要外强迫源。图5c是1981—2018年大西洋夏季海温三极子模态所对应的PC1与NAENA指数的时间序列，可以看到这两个时间序列相关性密切，相关系数达到0.58，且通过了置信度为95%的显著性检验。图5d为夏季大西洋海温PC1回归的200 hPa经向风和风场异常，可以看到对流层上层呈现显著的波状结构从北大西洋向欧亚大陆传播，其空间结构与NAENA型遥相关（图1a、c）相似，空间相关系数高达0.9。这表明大西洋夏季三极子海温异常对NAENA型遥相关的维持具有一定贡献。考虑到海温异常是跨季节的持续性信号，因此大西洋前期海温异常可以作为该遥相关波列预报因子。

3 NAENA型遥相关对新疆旱涝的影响

上文从大气内部动力过程和大西洋海温外强迫角度分析了NAENA型遥相关的维持机制，下面将研究NAENA型对新疆夏季旱涝的影响。图6a、b分别是NAENA指数回归的CRU和GPCC新疆夏季降水异常，从图中可以看到高原南疆地区出现了显著的降水正异常，北疆地区则没有出现显著的降水异常。这说明当NAENA型遥相关处于正位相时，南疆地区降水异常偏多。本文选取了降水异常偏多的关键区（76°~90°E，36°~40°N）计算该区域的平均降水，其时间序列如图6c所示。可以看到NAENA指数和该区域的降水标准化时间序列呈现显著的正相关关系，和GPCC的降水相关系数为0.58，CRU降水相关系数为0.62。这说明NAENA型遥相关大约能解释南疆地区35%左右的降水年际变率，因此NAENA型遥相关在年际尺度上对南疆旱涝异常具有显著影响。

通过分析NAENA型与降水异常对应的环流型探讨NAENA型遥相关影响南疆地区夏季旱涝的可能机制。图7a是南疆关键区CRU标准化降水时间序列回归的200 hPa位势高度异常和波活动通量，可以看到一支明显的遥相关波列从北大西洋向欧亚大陆传播，并在里海附近发生分叉，对应的是南疆地区西侧的位势高度显著负异常。这一南疆夏季降水异常所对应的遥相关波列与NAENA型的空间模态类似，高纬度为五个位势高度异常而中纬度地区则是两个位势高度异常（图7b）。图7c、d分别是南疆关键区CRU标准化降水时间序列和NAENA指数回归的500 hPa位势高度和风场异常，可以看到位势高度异常呈现出整层的相当正压结构，南疆西侧的500 hPa位势高度负异常相比200 hPa出现了东倾，使得南疆地区出现了负的位势高度异常。这一环流形势有利于高原南疆地区出现正的垂直速度异常（图8），对南疆降水能起到促进作用。如图9所示，是南疆关键区CRU标准化降水时间序列和NAENA指数回归的75°~85°E平均的经向环流以及散度场异常的垂直剖面。从图9a中可以看到与南疆降水偏多相对应的是该地区的整层垂直上升运动正异常和对流层低层的辐合与对流层中上层的辐散。图9b也可以看出当NAENA型处于正位相的时候，南疆西部的低压异常使得南疆地区出现了整层垂直上升运动正异常和对流层低层的辐合与对流层中上层的辐散，这有利于南疆降水增加。从水汽输送的角度也可以看到，当南疆降水增多时，南疆西部的气旋性环流能将更多的水汽往该地区输送，为该地降水形成提供有利的水汽条件（图10a）。此外，与南疆地区大气对流层低层出现了异常的水汽辐合，有利于在该地形成降水（图10a）。在NAENA指数回归的新疆及其周边地区整层水汽通量情况也同样可以看到异常的气旋性环流将更多的水汽输送至南疆地区，促使该地区的降水增多。根据以上从大气环流、垂直运动还是水汽输送角度的分析，都可以合理的解释NAENA型遥相关增强南疆地区夏季降水的事实。其具体物理过程如下:当NAENA型遥相关处于正位相时，南疆西部出现异常低压以及气旋性环流，增强了南疆地区的垂直上升运动，同时气旋性环流将更多的水汽输送到该地区并配合辐合异常使得该地区对流层低层出现水汽异常辐合，进而对南疆的降水有促进作用。

4 结论与讨论

大气遥相关是指远距离的大气环流变化间的相关，是一种大气环流持续异常的现象。从传播路径角度，波列型遥相关可以分为沿大圆路径传播的遥相关和沿着大气波导传播的遥相关，其中欧亚沿大气波导传播的遥相关以丝绸之路遥相关的研究较为深入（Lu et.，al2002; Wang et al.，2017）。丝绸之路遥相关是夏季欧亚大陆对流层高层大气经向风异常的第一主导模态（Li et al.，2021）。研究表明丝绸之路遥相关是连接印度夏季风和东亚夏季风的重要桥梁，对亚洲气候异常具有显著影响（Chowdary et al.，2019; Wang et al.，2021）。Fan et al（2022a，2022b）在研究青藏高原夏季地表感热和环流异常时发现欧亚大陆对流层高层大气经向风异常的第二主导模态对青藏高原夏季气候年际变化具有显著影响，并根据其空间特征把这一大气遥相关波列定义为北大西洋-东亚和北亚（NAENA）型遥相关。

新疆作为我国典型的干旱半干旱区，其干湿年际变率及其影响因素受到广泛关注。本文在研究NAENA型遥相关维持的动力学机制的基础上，研究了其对新疆夏季降水年际变化的影响。大气波列的涡度收支分析表明，气候态的旋转纬向风引起的扰动涡度平流可以被扰动旋转经向风引起的平均涡度平流所补偿，表明NAENA型遥相关是一支准静止罗斯贝波。能量平衡分析表明，该大气波列能有效地从平均流中提取有效位能，通过斜压能量转换过程得以维持。研究还发现，大西洋海温三极子异常对NAENA的激发和维持也起到重要作用。通过分析NAENA型遥相关引起的降水异常可以发现，当NAENA型处于正位相的时候，新疆南部降水异常偏多，其具体机制如下:NAENA型位于中亚的气旋性低压一方面增强了南疆地区的垂直上升运动，同时气旋性环流将更多的水汽输送到该地区，进而对南疆的降水有促进作用。本文从大气环流、垂直运动以及水汽输送角度分析了NAENA型遥相关对新疆旱涝的影响，为更加深入研究我国干旱区水循环特征及其变化机制提供了科学依据。下一步的工作将致力于用数值模式对该可能机制进行模拟验证。此外，新疆旱涝往往受到极端降水与极端高温的影响，因此以后的工作将进一步探讨欧亚大陆中高纬大气遥相关型对新疆极端气候事件的影响。

参考文献