中國天山區(qū)域云量的變化及其與降水的關(guān)系

趙勇，崔彩霞，賈麗紅，何冬燕

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆烏魯木齊 830002；3.安徽省氣候中心，安徽合肥 230031）

中國天山區(qū)域云量的變化及其與降水的關(guān)系

趙勇1，崔彩霞2，賈麗紅2，何冬燕3

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆烏魯木齊 830002；3.安徽省氣候中心，安徽合肥 230031）

基于1961—2008年天山區(qū)域24站云量的逐日資料，使用相關(guān)和M-K檢驗等統(tǒng)計方法，分析中國天山區(qū)域云量的時空變化特征及其與降水的關(guān)系。結(jié)果表明：（1）春季、秋季和冬季，伊犁河谷以北總云量最多，夏季則在中天山和東天山的部分區(qū)域最多，低云量在夏季占總云量的比重最大；（2）區(qū)域平均總云量在春季和秋季呈減少趨勢；低云量在各季節(jié)均呈增加趨勢，尤其在冬季和夏季；（3）總云量的年代際變化不明顯，而低云量自20世紀(jì)90年代至今，都處在高值期。（4）低云量在春季、夏季和秋季，均在20世紀(jì)90年代，而冬季在2000年左右發(fā)生了由少到多的氣候突變；總云量未發(fā)生明顯的氣候突變。（5）總云量和低云量均和同期降水有較好的相關(guān)性。春季低云量和夏季降水，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.52。

總云量；低云量；降水；天山區(qū)域；氣候變化

云是氣候系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)，是大氣垂直運動和濕度狀況的綜合體現(xiàn)，直接影響地氣系統(tǒng)的水分循環(huán)，同時也對各種氣候變化起到某種調(diào)節(jié)作用，其變化從一個特殊側(cè)面反映氣候變化。近年來，隨著人們對氣候變化研究日益深入，愈加認(rèn)識到云這個氣候系統(tǒng)中最復(fù)雜因素之一的重要性，開展了一些針對云量變化的研究。

目前研究云量變化，主要基于衛(wèi)星資料和地面觀測資料。丁守國等[1]利用ISCCP最新的D2云氣候資料集，分析了總云量及高、中、低云在全球的時空特征，指出近20 a，全球總云量在減少，主要是低云和高云云量呈減少態(tài)勢，而中云量增加。宜樹華等[2]和劉洪利等[3]利用ISCCP資料分析了中國地區(qū)和中國西北地區(qū)云的氣候特征，不同程度地揭示了總云量的分布特征。曾昭美和嚴(yán)中偉[4]利用1950—1988年全國60站月均云量的觀測資料，研究發(fā)現(xiàn)東北、江淮流域云量減少最多，而南部沿海、西南地區(qū)云量增多。吳偉等[5]基于中國35°N以北地區(qū)1960—2005年333個站云量觀測資料，分析發(fā)現(xiàn)我國北方地區(qū)云量分布形勢與地形吻合較好，冬季天山以北有明顯的云量大值區(qū)?？傇屏颗c降水呈正相關(guān)關(guān)系，春季相關(guān)性最好。陳少勇等[6]利用中國西北地區(qū)174個測站1961—2000年總云量資料，分析了40 a來西北地區(qū)總云量的時空變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)總云量從東南向西北減少，新疆北部是西北地區(qū)云量空間變化主要的異常區(qū)域之一。

雖然針對云量氣候變化的研究已有一些，但是針對新疆的還較少，過去該區(qū)域的氣候變化研究主要集中在降水、氣溫等因子[7-12]，而云作為氣候變化研究的重要因子之一，有必要對其做進(jìn)一步的研究。此外，隨著新疆國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，水資源愈加短缺，已成為制約新疆持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一，如何開發(fā)空中水，增加水資源，越加受到重視。要提高人工增雨的效益，就需要深入了解云量的時空特征。此外，已有研究表明[11]，云量可以用來預(yù)測降水，在干旱區(qū)其是否可以作為降水的預(yù)測因子呢，也需要進(jìn)一步討論。因此，本文基于天山地區(qū)測站的資料分析了這一地區(qū)總云量和低云量的時空變化特征及其與降水的聯(lián)系。

2 資料與方法

本文的數(shù)據(jù)來源于新疆氣象信息中心提供的1961—2008年48站逐日云量資料。在資料選取時，進(jìn)行了簡單的質(zhì)量控制[14]，即剔除在研究時間段內(nèi)任意一年的數(shù)據(jù)當(dāng)中缺測超過5%的臺站，基于此在天山兩側(cè)地區(qū)共選取測站24個（圖1）。冬季為前一年的12月和翌年1月和2月，因此冬季時間序列長度為1961/1962—2007/2008共47 a，春季、夏季和秋季為了一致對比分析，均取為1962—2008年，也為47 a。

圖1 天山地區(qū)氣象站點分布

觀測資料的單位為成，為了處理方便，定義滿云為10成，其余情況云量成數(shù)與滿云相比，取為百分?jǐn)?shù)。低云是指2 500 m以下的云。將逐日資料平均處理為月均資料。云量資料觀測為每天4次，分別為02、08、14和20時，取4個時次的平均為日資料。

本文用到的主要統(tǒng)計方法有相關(guān)、Mann-Kendall檢驗等，數(shù)學(xué)推導(dǎo)詳見文獻(xiàn)[15]。

3 天山地區(qū)云量的時空變化特征

圖2 總云量的地理分布（單位：%）

3.1 氣候分布

由春季總云量分布圖可見（圖2a），天山地區(qū)存在明顯的區(qū)域差異，伊犁河谷北部最多，可達(dá)60%左右，中天山和東天山地區(qū)總云量分布相近，前者相對略少一些。夏季總云量的分布自西向東呈少—多—少—多的分布型式，中天山83°～86°E區(qū)域和92°E以東，總云量相對最多，最高可達(dá)54%，而伊犁河谷以北地區(qū)則最少，不足50%（圖2b）。秋季總云量分布型和春季類似，呈西北多東南少的形勢，但是較春季，總云量要少15%左右（圖2c）。冬季總云量的分布也與春季類似，但是相對前者，總云量也要少10%左右（圖2d）。綜上可見，春、秋及冬季，伊犁河谷及以北區(qū)域，是總云量分布最多的區(qū)域，而夏季則不同，中天山及東天山的部分區(qū)域，是總云量的高值區(qū)。

由圖3可見，各季節(jié)低云量的分布型和總云量相似，但云量要少得多。春季，伊犁河谷地區(qū)依然是低云量最多的區(qū)域，可達(dá)20%以上，其余區(qū)域不足15%，最少的東南部區(qū)域則在10%以下（圖3a）。夏季，中天山83°～86°E區(qū)域和92°E以東，低云量最多，可達(dá)50%左右（圖3b）。秋季和春季類似，但是要少一些，伊犁河谷北部最多，個別測站可達(dá)20%以上，大部分不足20%，而中天山及東天山區(qū)域，基本上在10%以下（圖3c）。冬季，塔城地區(qū)的低云量最多，可達(dá)20%以上，但是其余地區(qū)很少，均不足10%，東南部地區(qū)最少，不足5%（圖3d）。綜上，夏季天山地區(qū)的低云量較其他季節(jié)多，這和大尺度環(huán)流背景有關(guān)。夏季，副熱帶西風(fēng)急流位于天山上空，帶走高空大量氣流，由流體補(bǔ)償原理，低層大氣輻合上升補(bǔ)充，同時配合地形和地表熱力因素，相對容易形成多降水的對流云系，從而夏季降水也要多于其它季節(jié)。

3.2 總云量和低云量的年際變化

春季天山地區(qū)的總云量呈減少趨勢，下降幅度約為1%/10 a，可達(dá)到95%的信度檢驗。低云量卻呈增加趨勢，增加幅度略小于總云量的下降幅度，也可達(dá)到95%的信度檢驗，說明春季總云量的減少，主要是由于中高層云量的減少造成的。夏季總云量呈增加趨勢，但不顯著，基本上以年際變化為主，而夏季低云量有比較顯著的增加趨勢，可達(dá)到95%的信度檢驗。秋季總云量和春季類似，也呈減少趨勢，但不顯著，低云量雖呈增加趨勢，同樣不顯著。冬季總云量和低云量均呈增加趨勢，并且是顯著的。綜上可見，四個季節(jié)，春季和秋季，總云量減少，并且春季是顯著的，夏季和冬季增多，冬季是顯著的。低云量均是增多，尤其是夏季和冬季。

3.3 總云量和低云量的年代際變化

表1是天山地區(qū)四季不同年代的總云量及距平，可以看出冬季總云量在20世紀(jì)60年代偏少，而70年代偏多，80和90年代均為偏少，2000年以來，總云量相對最多。春季總云量在1960—1970年均為偏多，60年代相對最多，80年代至今，均為偏少，其中90年代相對最少，年代際變化特征明顯。夏季60 和80年代總云量偏少，90年代以來，總云量偏多，其中90年代最多。秋季總云量呈較明顯的年代際變化特征，60年代偏多，而70—90年代偏少，2000年以后，總云量又偏多。

表1 天山地區(qū)區(qū)域平均的各年代總云量（單位：%）及距平

圖4 區(qū)域平均總云量和低云量的年際變化

相對于總云量，低云量的年代際變化特征要明顯得多（表2）。冬季低云量在20世紀(jì)60—80年代偏少，而90年代至今，偏多，其中2000年后，低云量相對最多。春季低云量在60—80年代是偏少的，而90年代以后，均偏多，和冬季類似，也是2000年后，低云量最多。夏季的年代際變化和春季相似，1990年代是低云量最多的時期。秋季與前幾個季節(jié)有所不同，在60—70年代，低云量偏少，自80年代至今，低云量偏多，同樣在2000后，低云量最多。綜上，四季低云量均呈增加的年代際變化特征，但秋季略有不同，冬季、春季和秋季，低云量在2000年后最多，而夏季是20世紀(jì)90年代最多。

3.4 總云量和低云量的突變檢驗

表2 天山地區(qū)區(qū)域平均的各年代低云量（單位：%）及距平

20世紀(jì)80年代后期以來，新疆出現(xiàn)了氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的強(qiáng)勁信號[14]，天山地區(qū)云量是否也存在氣候突變？有必要對其變化程度進(jìn)行突變檢驗。突變檢驗的方法較多，本文選用Mann-Kendall方法，這種方法常用來進(jìn)行氣候變化的突變檢驗，它可以明確指出突變開始的時間，交點便是突變點的開始。

由圖5a可見，自20世紀(jì)60年代以來，天山地區(qū)區(qū)域平均的春季低云量有明顯的增加趨勢，且在2000年以后，這種增加趨勢是顯著的，達(dá)到95%的顯著性水平。兩條曲線相交于1992年，說明春季低云量在1992年左右發(fā)生了由少到多的突變。夏季區(qū)域平均的低云量自60年代以來，也是有明顯的增加趨勢，在1995年后，這種趨勢是顯著的。兩條曲線交于1990年，說明夏季低云量在1990年左右發(fā)生了由少到多的突變（圖5b）。秋季區(qū)域平均的低云量自60年代以來也呈增加趨勢，且在2000年以后，這種增加趨勢是顯著的，兩條曲線交于90年左右，說明秋季天山地區(qū)低云量在1990年發(fā)生了由少到多的氣候突變（圖5c）。冬季區(qū)域平均的低云量自60年代以來呈增加趨勢，在2004年以后，這種增加趨勢是顯著的，達(dá)到95%的顯著性檢驗水平。兩條曲線交于2000年左右，說明冬季低云量在2000年左右發(fā)生了由少到多的氣候突變（圖5d）。

總云量四個季節(jié)均呈穩(wěn)態(tài)變化，沒有氣候突變發(fā)生。

4 天山地區(qū)云量與降水的關(guān)系

4.1 總云量、低云量和降水的相關(guān)

為了研究天山地區(qū)總云量、低云量與降水的相關(guān)情況，分季節(jié)給出總云量、低云量與降水的相關(guān)系數(shù)。由表3可見，四季總云量和低云量與降水均呈正相關(guān)關(guān)系，大部分可以通過99.9%的信度檢驗，冬季總云量與降水的相關(guān)系數(shù)最高，可達(dá)0.58，而夏季低云量與降水有最好的相關(guān)關(guān)系。夏季總云量與降水的相關(guān)關(guān)系相對最低，這可能是由于該區(qū)域天氣主要受西風(fēng)帶系統(tǒng)控制，其它三季溫度低，不易形成對流，因此系統(tǒng)性降水為主，而夏季對流較旺盛，配合地形，易發(fā)生局地降水，即使天空大范圍有云，常是中高云，但未必有大降水。低云量與降水的相關(guān)系數(shù)基本上都要大于總云量（除冬季），說明低云對降水的貢獻(xiàn)要大于中高云系，因此在利用空中水資源時，要根據(jù)不同季節(jié)作業(yè)。

表3 總云量和低云量與降水的相關(guān)系數(shù)

圖5 低云量的氣候突變檢驗，虛線表示95%信度水平

4.2 低云量與降水的關(guān)系

由4.1的分析可知，低云量、總云量和同期降水均有較好的相關(guān)關(guān)系。從預(yù)測的角度出發(fā)，前季的云量和后季的降水的關(guān)系如何呢？相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)（圖6），24站區(qū)域平均的春季低云量和夏季降水存在較好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.54，可以作為夏季降水的一個長期預(yù)報因子。其它季節(jié)的低云量和后一個季節(jié)降水的相關(guān)性均不顯著?？傇屏颗c后一個季節(jié)降水的相關(guān)系數(shù)基本上要小于低云量，不顯著。從表4可見，低云量存在一個較好的持續(xù)性，尤其在春季和夏季之間，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.52，從這個角度來說，春季低云量和夏季降水之間存在較高的相關(guān)性，與春季和夏季低云量之間較好的持續(xù)性有關(guān)。

圖6 春季低云量和夏季降水的年際變化

表4 不同季節(jié)低云量之間的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)論

不同季節(jié)，云量的空間分布有所差異，春、秋及冬季，伊犁河谷及以北區(qū)域，是總云量分布最多的區(qū)域，中天山及東天山的部分區(qū)域，是夏季總云量的高值區(qū)，低云量的分布特點和總云量類似。夏季低云量最多，同時所占總云量比重也最大，這和夏季的環(huán)流特點有關(guān)。春季和秋季的總云量呈減少趨勢，夏季和冬季的總云量呈增加趨勢，但低云量均呈增加趨勢，夏季和冬季尤其顯著?？傇屏康哪甏H特征不如低云量明顯，1990年代至今，各季節(jié)低云量處在高值期。春季、夏季和秋季在1990年代發(fā)生了氣候突變，而冬季在2000年左右。總云量均為穩(wěn)態(tài)變化，未發(fā)生氣候突變。

總云量和低云量均和同期降水存在較好的相關(guān)關(guān)系，冬季總云量和降水有最好的相關(guān)性，而夏季低云量和降水相關(guān)性相對最好?？傮w來說，低云量和降水的相關(guān)性要優(yōu)于總云量，對降水的貢獻(xiàn)要大于中、高云量。相關(guān)分析表明，春季低云量和夏季降水之間有較高的相關(guān)系數(shù)，可達(dá)0.52，這和春季和夏季的低云量存在較好的持續(xù)性有關(guān)。

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The Change of Cloud Coverage in Tianshan Mountain in China and Its Relation with Precipitation

ZHAO Yong1，CUI Caixia2，JIA Lihong2，HE Dongyan3
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China；3.Anhui Climate Center，Hefei 230031，China）

Based on daily cloud coverage data at 24 stations in Tianshan Mountain area from 1961 to 2008,the spatial and temporal variation features of cloud coverage in Tianshan Mountain area were analyzed by the statistical methods,such as correlation and Mann-Kendall Test.The results showed:（1）the total cloud coverage in Yili valley and to its north was the most,but the low cloud coverage was the most in some areas of middle and eastern Tianshan mountains and the ratio between low cloud coverage and total cloud coverage was the most in summer；（2）the regional average total cloud coverage presented decreasing trend in spring and autumn,and the low cloud coverage for four seasons all presented increasing trends,especially in winter and summer；（3）the decadal variation of the total cloud coverage was not obvious,and it had been in high value period since 1990；（4）the climate jump of the low cloud coverage had occurred in spring,summer and autumn in 1990s,and in winter around 2000；（5）both of total cloud coverage and low cloud coverage had a good correlation with precipitation,especially the low cloud coverage in spring with summer precipitation and the correlation coefficient was 0.54.

total cloud cover；low cloud cover；precipitation；Tianshan mountain；climate change

P426

B

1002-0799（2013）06-0001-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.001

2013-07-24

國家科技支撐計劃項目（2012BAC23B01）資助。

趙勇（1979-），男，副研究員，主要從事干旱區(qū)氣候變化研究工作。E-mail：zhaoyong@idm.cn