《Atmospheric Research》：Features of anticyclonic tornadoes in a complex orography based on numerical simulations
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天山山脉极端干湿降水事件的时空分异特征及驱动机制研究显示，2000年后区域呈现轻降水频率显著下降（R1p负异常）与重降水频率大幅上升（R99p正异常）的并存现象。空间上形成80°E东西分异格局，垂直带谱中1500-3500米区间呈现降水强度增幅最显著、轻降水频率降幅最剧烈的特征。研究揭示了青藏高原热力作用与季风水汽输送的耦合效应，为西北干旱区多尺度极端降水预测提供了新视角。
张学琪|陈亚宁|夏振华|李志|方公焕|孙帆|李宇鹏|王飞
中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展重点实验室，中国乌鲁木齐
摘要
中亚的天山山脉作为全球干旱和半干旱地区的关键区域，由于其独特的地形和气候条件，降水量分布极为不均。虽然极端强降水现象已得到广泛研究，但关于极端弱降水的研究却较为有限。此外，在不同气候和地貌条件下极端事件的空间分布模式及其驱动机制仍需进一步探索。本研究系统地分析了极端水文气候事件（包括极端强降水和弱降水）的时空变化趋势，以期为水资源管理和灾害预防提供参考。自2000年以来，该地区的水文状况发生了显著变化：极端弱降水事件（R1p）的频率从正值转为负值，表明其频率显著下降；而极端强降水事件（R99p）的频率则大幅上升。从空间上看，在东经80°附近形成了明显的双极分布模式，即极端强降水频率向东增加、向西减少。在垂直方向上，中海拔区域成为降水强度的放大中心，强降水强度的增加最为显著，弱降水频率的下降也最为明显。这些现象是青藏高原热力学过程与季风驱动的水分输送共同作用的结果，导致天山山脉东西两侧的极端降水特征存在显著差异。未来的研究应进一步探讨高原与大气环流之间的相互作用，以提升极端事件的预测和缓解能力，从而更好地服务于水资源管理和灾害防范。
引言
随着全球气候变化的加剧，极端气候事件对生态系统、人类社会和经济发展的影响日益严重（Newman和Noy，2023；Sun等人，2024）。1980年至2023年间，极端天气和气候相关事件给欧盟造成了约7380亿欧元的经济损失。其中，水文灾害（洪水）占44%，气象灾害（风暴、雷电和冰雹）占近29%，其余27%由气候灾害造成（欧洲环境署，2024）。降水作为气候系统的关键组成部分，直接影响水文循环。极端强降水可引发洪水和山体滑坡等水文灾害，严重破坏地表水和地下水的数量与质量（Merz等人，2021；Schroeter等人，2025）。相反，极端弱降水则表现为无效的湿润作用，无法满足高蒸发需求，尽管有降雨发生，但仍导致水资源短缺（Cammalleri等人，2020），并加剧极端高温事件的风险（Zhang等人，2024）。
然而，与连续的温度记录不同，降水数据具有间歇性和空间异质性（Hao和Chen，2024）。传统观测数据往往存在代表性问题和数据缺失（Kidd等人，2017），而遥感再分析数据则容易高估或低估降水量，难以准确捕捉复杂地形地区的降水模式（Chen等人，2020；Li等人，2023）。因此，与温度极端事件（如热浪和霜冻）相比（Wang等人，2025；Wang等人，2021），降水极端事件的表征仍存在较大不确定性。实际上，揭示这种降水极端变化的完整谱系需要更多研究关注。
近年来，极端强降水事件的时空特征及其驱动机制引起了广泛关注。许多研究利用各种观测数据和数值模拟方法，分析了不同地区和时间尺度上的极端强降水特征（Zhang等人，2022a；Xu等人，2021），并探讨了其与季风和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等大尺度大气环流模式的关联（Zhao等人，2025）。然而，现有研究主要集中在极端强降水现象上，对极端弱降水事件的关注相对较少。尽管有学者指出弱降水事件的增加可能加剧高温湿热的危险（Zhang等人，2024），但其时空分布、季节性和海拔依赖性以及气象驱动因素等关键方面仍待深入探讨。忽视极端弱降水可能导致对降水极端现象的理解不完整，阻碍气候变化下降水系统演变的准确把握。
为填补这些研究空白，本研究以天山山脉为研究对象。天山山脉被誉为中亚的“水塔”，为五个中亚国家及中国新疆地区提供重要水资源（Farinotti等人，2015）。作为全球公认的干旱地区，中亚年平均降水量仅为273毫米，沙漠地区的降水量不足70毫米，而塔吉克斯坦中部山区的降水量可达2400毫米（粮农组织，2013）。通过利用长期高分辨率的日降水量数据，本研究系统分析了极端强降水和极端弱降水的时空分布及其季节性和海拔变化（阈值分别设定为1500米和3500米，区分干旱山麓区（<1500米）、地形降水带（1500–3500米）以及冰川/冰缘区（>3500米）。同时，从温度、大气可降水量和风场的角度探讨了导致这些空间差异的驱动机制。本研究旨在为理解降水极端现象提供新的见解和科学依据，支持区域干旱和洪水的协同预防和管理，并推动极端气候事件研究从单一关注强降水向全面考虑湿润和干燥极端事件的转变。
数据
APHRODITE（亚洲降水—高分辨率观测数据集成，用于极端事件评估）数据集是一个高分辨率（0.25°×0.25°）的日降水量数据集，覆盖亚洲季风区、中东和俄罗斯/欧亚北部地区。该数据集基于雨量计观测结果，并采用先进的插值算法结合数字高程模型进行插值处理（Chen等人，2008）。
与其他数据集相比
近期极端水文气候事件的重大变化
在中亚天山山脉，极端水文气候事件（包括极端弱降水事件R1p和极端强降水事件R99p）的强度在历史时期有所增加。极端弱降水事件的频率有所下降，而极端强降水事件的频率则有所上升。值得注意的是，自2000年以来，极端水文气候事件的变化更加明显
评估不同百分位数对极端水文气候事件阈值的影响
根据世界气象组织的指南，我们将1961–1990年定为参考期，使用该时期的第1和第99百分位的日降水量作为极端弱降水和极端强降水事件的阈值。选择不同的阈值可能会导致样本量差异，进而影响结果的可靠性（Sch?r等人，2016）。因此，我们在文中讨论了阈值的选择依据
结论
基于高分辨率的日降水量数据，我们揭示了过去六十年中亚天山山脉极端降水（包括强降水和弱降水）的长期变化趋势及其驱动机制。结果显示，自2000年以来，该地区的降水特征发生了显著变化：弱降水事件（R1p）的频率急剧下降，而强降水事件（R99p）的频率显著上升
作者贡献声明
张学琪：撰写初稿、验证、方法论设计、数据分析、概念构建。陈亚宁：审稿与编辑、监督、资金争取。夏振华：数据可视化、数据管理。李志：审稿与编辑、监督。方公焕：数据可视化、方法论设计。孙帆：撰写、审稿与编辑。李宇鹏：数据可视化、软件开发。王飞：撰写、审稿与编辑、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（42401041、42130512）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0720402）以及新疆维吾尔自治区自然科学基金（2024D01B85）的支持。同时，也非常感谢中国博士后科学基金会（CPSF，GZC20232962）、中国博士后科学基金会（2024M753478）以及新疆水循环重点实验室的支持。
