DOI: 10.1007/s11629-016-4162-5

Influence of atmospheric circulation on precipitation in Altai Mountains

MALYGINA Natalia1* http://orcid.org/0000-0001-6358-7273; e-mail: natmgn@gmail.com PAPINA Tatiana1 http:// orcid.org/0000-0002-8388-7289; e-mail: tanya.papina@mail.ru KONONOVA Nina2 http:// orcid.org/0000-0001-5241-0704; e-mail: NinaKononova@yandex.ru BARLYAEVA Tatiana3 http://orcid.org/0000-0001-6562-594X; e-mail: tvbarlyaeva@gmail.com

* Corresponding author

1. Institute for Water and Environmental Problems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Barnaul 656038, Russia
2. Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow 117312, Russia
3. Laboratoire dAstrophysique de Marseille UMR 7326, CNRS-INSU, Marseille, 13388, France

Citation: Malygina N, Papina T, Kononova N, et al. (2017) Influence of atmospheric circulation on precipitation in Altai Mountains. Journal of Mountain Science 14(1). DOI: 10.1007/s11629-016-4162-5

copy; Science Press and Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2017

Abstract: We analyzed the changes in precipitation regime in the Altai Mountains for 1959-2014 and estimate the influence of atmospheric circulations on these changes. Our study showed that during last 56 years the changes in the precipitation regime had a positive trend for the warm seasons (April-October), but weakly positive or negative trends for the cold seasons (November-March). It was found that these changes correspond to the decreasing contribution of “Northern meridional and Stationary anticyclone (Nm-Sa)” and “Northern meridional and East zonal (Nm-Ez)” circulation groups and to the increasing contribution of “West zonal and Southern meridional (Wz-Sm)” circulation groups, accordingly to the Dzerdzeevskii classification. In addition, it was found that the variation of precipitation has a step change point in 1980. For the warm seasons, the precipitation change at this point is associated with the reduced influence of “West zonal (Wz)”, “Northern meridional and Stationary anticyclone (Nm-Sa)” and “Northern meridional and Southern meridional (Nm-Sm)” circulation groups. For the cold seasons, a substantial

Received: 11 August 2016

Revised: 09 October 2016

Accepted: 20 October 2016

increase of “Wz-Sm” and a decrease of “Nm-Sa”, “Nm-Ez” circulation groups are responsible for the precipitation change in the two time periods (1959- 1980 and 1981-2014).

Keywords: Altai Mountains; Precipitation; Atmospheric circulation

Introduction

Climate changes in various regions of the Earth have different manifestations. In mountain areas, one of the best evidences of such changes are the melting glaciers (Kohler and Maselli 2009; Kohler et al. 2014; Hewitson et al. 2014). Mountains occupy very different territories on the globe and they differ in shape, extension, altitude, vegetation cover, and climate regime. They are therefore affected by climate change in various ways and the results obtained for one mountain region cannot be immediately applied to another (Kohler and Maselli 2009; Hewitson et al. 2014).

Unfortunately, climate changes have been studied mostly in highly populated zones such as the Alps, Scandinavian Mountains, Rocky mountains, which possess a dense network of meteorological stations allowing to get a trusty information on climate variations in the region (Gilbert and Vincent 2013; Cramer et al. 2014; Kohler and Maselli 2014; Kovats et al. 2014; Romero-Lankao et al. 2014). The meteorological networks covering some of the Asian mountain regions are of low spatial resolution (Williams and Konovalov 2008; Kohler and Maselli 2009; Hijioka et al. 2014), so that the data of climate observations in these zones are limited. It makes difficult to estimate the regional climate, to understand its peculiarities, and to forecast the trends in the climate change.

The main reasons for climate change at different time and spatial scales are the following: changes of the Earth orbital parameters, variations of solar activity, volcanic eruptions, anthropogenic factors, and atmosphere circulation (Wanner et al. 2008; Wanner et al. 2011). During the past decades some attempts to establish relation between the observed regional climate variability and the large- scale patterns of atmospheric circulation were undertaken in the Asian Mountain regions. A few studies were devoted to quantitative estimation of the influence of the atmospheric circulation patterns on climate variations in these regions (Aizen et al. 2001; Immerzeel et al. 2010; Li et al. 2013; Bothe et al. 2012; Huang et al. 2013; Chen et al. 2014; Hijioka et al. 2014; Wang et al. 2014; Zhang et al. 2015; Geng et al. 2016; Li et al. 2016; Yao et al. 2016). However, the northern periphery of Central Asia, in particular, the Altai Mountains remains the least studied region (Groisman and Gutman 2013).

The Altai Mountains are distinguished by high biological diver

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大气环流对阿尔泰山降水的影响

MALYGINA Natalia，PAPINA Tatiana，KONONOVA Nina，BARLYAEVA Tatiana

摘要：我们分析了阿尔泰山脉1959-2014年降水情况的变化，并估算了大气环流对这些变化的影响。我们的研究表明，在过去的56年中，降水状况的变化在暖季（4月至10月）呈现积极趋势，但在寒冷季节（11月至3月）呈现微弱的正向或负向趋势。结果发现，这些变化对应于“北方经向和固定反气旋（Nm-Sa）”和“北方经向和东区（Nm-Ez）”环流群的贡献减少以及“西区和南区”的贡献增加。经向（Wz-Sm）“循环群，相应于Dzerdzeevskii分类。此外，发现降水的变化在1980年有一个阶跃变化点。对于暖季，此时的降水变化与“西纬（Wz）”，“北纬经向”和“静止”的影响减小有关。反气旋（Nm-Sa）“和”北经向和南经（Nm-Sm）“循环群。对于寒冷的季节，一个实质性的“Wz-Sm”的增加和“Nm-Sa”的减少，“Nm-Ez”循环群是造成两个时期（1959-1980和1981-2014）降水变化的原因。

关键词：阿尔泰山;沉淀;大气环流

引言：

地球各个地区的气候变化有不同的表现形式。在山区，这种变化的最好证据之一是融化的冰川（Kohler和Maselli2009;Kohler等2014;Hewitson等2014）。山脉占据了地球上截然不同的地区，它们的形状，延伸，高度，植被覆盖和气候条件各不相同。因此，它们以各种方式受到气候变化的影响，一个山区的研究结果不能立即应用于另一个山区（Kohler和Maselli，2009;Hewitson等，2014）。不幸的是，气候变化主要在人口稠密的地区进行研究，如阿尔卑斯山，斯堪的纳维亚山脉，落基山脉，这些地区拥有密集的气象站网络，可以获得有关该地区气候变化的可靠信息（Gilbert和Vincent2013;Cramer等2014;Kohler和Maselli2014;Kovats等2014;Romero-Lankao等2014）。覆盖一些亚洲山区的气象网络空间分辨率较低（Williams和Konovalov2008;Kohler和Maselli，2009;Hijioka等，2014），因此这些区域的气候观测数据有限。很难估计区域气候，了解其特点，并预测气候变化的趋势。气候变化在不同时间和空间尺度上的主要原因如下：地球轨道参数的变化，太阳活动的变化，火山爆发，人为因素和大气环流（Wanner等2008;Wanner等2011）。在过去的几十年中，亚洲山区开展了一些尝试，以确定观测到的区域气候变率与大尺度大气环流模式之间的关系。一些研究致力于定量估算大气环流模式对这些地区气候变化的影响（Aizen等2001;Immerzeel等2010;Li等2013;Bothe等2012;Huang等。2013;Chen等2014;Hijioka等2014;Wang等2014;Zhang等2015;Geng等2016;Li等2016;Yao等2016）。然而，中亚的北部边缘，特别是阿尔泰山脉仍然是研究最少的地区（Groisman和Gutman，2013）。阿尔泰山脉的特点是复杂生态系统中的高生物多样性：从半沙漠到潮湿的景观（Kokorin2011）。与大气环流季节变化相关的对比气候和巨大的生物多样性导致该地区存在许多古生态（冰芯，泥炭沼泽，树木年轮）（Eichler等2009;Kokorin2011;Herren等）.2013）。阿尔泰山脉大气环流影响下的降水变化研究，特别是利用日常数据，可以得出有助于预测区域气候的结果。变化，预测该地区阿尔泰冰川和半沙漠景观的变化，以及进行可靠的古地理建设。

1研究区概况

阿尔泰山脉位于欧亚大陆的中部，位于中亚的北部边缘。它们从西北的西西伯利亚平原延伸到东南部的戈壁沙漠。阿尔泰地块的长度约为1500公里，而其宽度从北部600公里到南部约100公里不等。这个山区由一组高脊和高原组成，海拔4500米，形成了最大的西伯利亚河流，Ob，额尔齐斯河和叶尼塞河流域以及中亚盆地的河流（Egorina2003）。阿尔泰山脉遍布四个国家（中国，哈萨克斯坦，蒙古和俄罗斯）;阿尔泰的很大一部分属于俄罗斯和蒙古。阿尔泰作为西风带运输的大部分潮湿气团的屏障，导致西北向东南降水梯度强烈（Klinge等，2003）。这些山区具有较高的季节性温度范围（夏季从 41°C到冬季-47°C）。西伯利亚高地是一个反气旋，以欧亚大陆为中心（40°-65°N，80°-120°E）（Sahsamanoglou等1991），它控制着阿尔泰的冬季天气（Klinge等，2003）。在大雪覆盖的亚洲，通过辐射冷却来维持西伯利亚高压，这与大规模的下降运动有关（Ding和Krishnamurti，1987）。反气旋可以防止阿尔泰山脉蒙古部分的冬季降水，而西风带的侵入很少会导致阿尔泰山脉的俄罗斯部分出现降水（Klinge等，2003）。在夏季，大部分降水是由西风带的潮湿气团运输（Egorina2003）。对于阿尔泰山脉，Popova等描述了大气的环流状况。（1986），但仅适用于一年中的温暖时期;这项研究的时间有限（直到1980年代中期）。阿尔泰山冬季的水文气象条件和环流模式进行了分类和描述Narozhnyj等。（1993）。后来，Subbotina（1995）基于1970-1980年天气图的数据，确定了中亚北部的十四种宏观异常过程。根据宏观过程的类型，Aizen确定了1984-2000年西伯利亚阿尔泰地区降水的区域来源

（Aizen等，2005），分析了阿尔泰，天山和西藏的气候和大气环流变化模式。（Aizen等，2006年），研究了大尺度大气模式与亚洲不同中纬度地区季节和年度时间尺度的区域降水系统修正之间的耦合，包括WesternSiberiaAizen等。（2001年）。利用降水资料，他还研究了大气环流模式与来自Inilchek冰川区（亚洲中部天山）的冰芯核心记录之间的关系（Aizen等，2004）。Gorbatenko等研究了西西伯利亚的环流过程的变化，包括与阿尔泰山脉相邻的区域，以及它们对气候变化的影响。（2011），Volkova等。（2015），但仅使用月度和年度数据。与先前对阿尔泰山脉的研究相反，我们使用了每日数据关于降水和大气环流，我们可以揭示大气环流对降水的直接影响机制。与月平均值和年平均值相比，每日数据的使用是有利的，因为后者仅在平均情况下表征天气情况，并且尤其包括所有时间间隔，甚至包括没有降水的那些时间间隔。

2 资料和方法

2.1数据

我们使用阿尔泰山脉（图1，表1）气象站的数据，这些气象站在运输潮湿气团方面有不同的位置通过Westerlies。气象站Kara-Tyurek（2600米asl）在卡吞范围内运行，Ust-Coksa站（978米asl）位于Uymon洼地。两个车站都位于阿尔泰山脉的迎风坡上。Kyzyl-Ozek（331米asl）和Yailu（480米asl）站位于Mayma河谷和LakeTeletskoye山谷。它们位于阿尔泰山脉（位于西风带以北）的北部外围。三个车站位于阿尔泰山脉的背风坡上。站位于Kosh-Agach（1760米asl）在该雏鸭萧条。气象站Hovd（1400米asl）和Ulgii（171米asl）位于Hovd河谷。为了有一个可靠的起点，对于位于阿尔泰俄罗斯部分的站，我们使用了全俄水文气象信息研究所官方网站的数据-RIHMI-WDC（http://meteo.ru/）。这些气象数据集在存储在RIHMI-WDC之前自动处理质量和同质性控制.RIHMI是俄罗斯气象站官方信息的主要来源。蒙古降水系列气象站-Hovd和Ulgii-由蒙古水文气象研究所提供。为了确定缺失的数据并为蒙古台站提供同质数据，我们使用了国家水文研究所和Voeikov主要地球物理观测台的方法（Bulygina等，2013年）。

图1 阿尔泰山站点分布图

表1 阿尔泰山气象站点

表2 基于B.L. Dzerdzeevskii的北半球ECMs的类型和子类型(Dzerdzeevskii)

1962;Kononova 2009, 2010)

2.2 Dzerdzeevski的分类

BLDzerdzeevskii在1960年代提出的基本循环机制（ECMs）（Dzerdzeevskii1962,1966,1969）构成了北半球大气过程分类的基础。在对500hPa水平的地形地形图进行分析的基础上，根据1）北极地区的大气压力是高还是低，将大气的动力状态分配给一种确定的ECM类型;2）阻塞过程的数量从0到4不等;3）南方气旋的数量和轨迹从2变化Dzerdzeevskii区分了41种ECM亚型（表2）。字母表中的第一个字母（a，b，c，d）区分同一子类型中的ECM，不同的是阻塞过程的数量和旋风的数量。字母“w”（冬季）和“s”（夏季）表示北极地区ECMs压力的季节性差异。关于41的每日数据ECM的亚型呈现在BLDzerdzeevskii的“基本环机制（ECMs）的连续变化日期”中（http://atmospheric-circulation.ru/about-us/).对于北半球，根据某些常见的相似性，这41种亚型的ECM进一步组织成13种类型。（Dzerdzeevskii1962;Kononova2009,2010）。BLDzerdzeevskii的分类由世界气象组织Mitchell等，1966）采用，Barry和Perry1973），Przybylak（2003）和Brencic（2016）描述。对于北半球的每个部门（大西洋，欧洲，西伯利亚，远东，太平洋和美国部门），BLDzerdzeevskii通过ECM亚型的流行确定了流通组

（Dzerdzeevskii1962;Kononova2009,2010;http//atmospheric-circulation.ru/about-us/）。主导流通群体的变化使他们能够识别每个部门的流通时代。由于阿尔泰山脉属于西伯利亚地区，我们的研究涉及北半球西伯利亚地区（CGSS）的环流群（见表3）。图2显示了西伯利亚部门每个流通组的一个ECM子类型。BLDzerdzeevskii，然后NKKononova从1899年开始为西伯利亚部门确定了三个循环时期：1）经向（1899-1931），2）附近的波动。

表3 西伯利亚地区的欧洲板块流通体系(Kononova 2009)

因此，Dzerdzeevski的分类详细描述了整个北半球和西伯利亚地区的大气过程的变化，其中包括阿尔泰山脉。N.Kononova进一步说详细阐述了它，她的作品产生了“日期ECM的连续变化“，与为中亚开发的其他已完成的大气环流模式区域分类相比具有优势，特别是阿尔泰（Popova等，1986;Narozhnyi等，1993;Subbotina，1995）。BLDzerdzeevskii（Kononova2009）的分类分析显示，个体ECM的年平均持续时间与NAO遥相关模式之间的相关性表明Dzerdzeevskii分类的高适用性。应该指出的是，这种分类有效地用于估算降水同位素组成与大气环流模式之间的关系，例如在斯洛文尼亚（Brencic等，2015）以及评估降水和冰川物质平衡的变化。俄罗斯天山山脉的Tuyuksu冰川（Kononova等，2015）。Tursunova（2014年，2015年）报告了BLDzerdzeyevskii对大气环流过程与南哈萨克斯坦和中亚河流流域径流变化的相互关系。

2.3方法

我们使用经典的Mann-Kendall检验来检验降水时间序列中是否存在趋势（Mann1945;Kendall1975）此外，非参数Mann-Kendall-Sneyer 测试。然后我们将研究区间划分为步进变化点的两个时间子区间，并将它们相互比较。让x1,hellip;， xn为数据点。后来有一将ni定义为元素xj在xi之前的个数(jlt;i)等使x_jlt;x_i，并引入测试统计量

在零假设（无阶跃变化点）下，tk 正态分布，均值和方差由下式给出：

最后，计算u_k规范化的统计变量定义如下：

为了解释在两个时期的降水中观察到的变化，我们比较了ECM的连续变化与日降水的日历，并计算了每个确定的ECM对降水的贡献（以％表示）。为此，我们计算了在所考虑的时间间隔内在41个ECM中的每一个发生的每日降水的总量（以mm为单位）。获得的值允许我们计算ECMs亚型的降水分布（以％表示）（Malygina等2013;Malygina等，2014a，2014b）。然后我们将41种ECM的结果分组为8个CGSS。因此，我们计算了8个CGSS对整体降水的贡献（％）考虑时间间隔以及由阶跃变化分开的两个子间隔，以及温暖和寒冷季节。为了对具有相似ECM的站点进行分组导致降水，我们使用了凝聚层次聚类（AHC），这是一种简单的迭代分类方法。首先，我们计算了N个对象之间的差异。然后，如果这种聚类导致给定聚集标准的最小化，则将两个对象聚集在一起。通过这种方式，我们创建了一个包含这两个对象的类。然后我们重复了这个类和N-2个剩余对象的过程。这个过程一直持续到所有物体都聚集在一起（Everittetal.2010）。这些连续的聚类操作产生二元聚类树（树状图），其根表示包含所有观察的类。这种树形图表示分区的层次结构。

图2 给出了基本循环机制(ECMs)循环群子类型的动力学规划西伯利亚航段:a) 13s;12 b);c) 6;d) 13 w;5 e);f) 5 d;g) 8 c;h) 12bs(箭头表示温带气旋，双遮光过程，低压和高压）(Kononova 2009)

3 结论

3.1降水趋势

Mann-Kendall测试表明，在1959年至2014年的间隔期间，不

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