巴丹吉林和騰格里沙漠降水特征初步分析

蘇俊禮，汪結(jié)華，李江萍，尚可政，康延臻，賈旭偉，鄔仲勛

(1.半干旱氣候變化教育部重點實驗室，蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 甘肅　蘭州　730000；2.中國人民解放軍95994部隊，甘肅　酒泉　735000; 3.中國人民解放軍92493部隊，遼寧　葫蘆島　125000)

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巴丹吉林和騰格里沙漠降水特征初步分析

蘇俊禮1,2，汪結(jié)華3，李江萍1，尚可政1，康延臻1，賈旭偉1，鄔仲勛1

(1.半干旱氣候變化教育部重點實驗室，蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 甘肅蘭州730000；2.中國人民解放軍95994部隊，甘肅酒泉735000; 3.中國人民解放軍92493部隊，遼寧葫蘆島125000)

摘要：巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠作為中國北方最重要的兩大沙漠，降水對其形成和演變意義重大。本文利用2008～2013年中國降水融合資料以及2010年8月19日NCEP再分析資料、地面臺站觀測資料，對比研究了巴丹吉林和騰格里兩大沙漠區(qū)的降水時空分布特征和一次典型降水個例。結(jié)果表明：(1)巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠地區(qū)的降水主要集中在5～9月，其它月份降水量均較少；(2)降水融合資料能夠細致地刻畫出兩大沙漠不同季節(jié)日均逐時降水量的變化特征；(3)通過個例分析發(fā)現(xiàn)，沙漠周邊站點資料無法全面反映整個沙漠的降水情況，而降水融合資料顯示的降水過程與NCEP資料的高空形勢以及要素場分布有很好的對應(yīng)關(guān)系，能夠較為細致地反映沙漠降水的全貌。

關(guān)鍵詞：巴丹吉林沙漠；騰格里沙漠；融合降水資料

引言

我國西北地區(qū)約占國土面積的1/3，干旱和半干旱面積占了80%以上[1]，且區(qū)域內(nèi)山脈、荒漠相互交錯，地形復(fù)雜。近年來有關(guān)學(xué)者對西北地區(qū)降水的特點及其影響因素做了大量研究[2-9]。但這些研究多側(cè)重于對西北地區(qū)整體降水情況的分析，針對區(qū)域內(nèi)沙漠地區(qū)降水特征的研究相對較少。水分是荒漠地區(qū)變化最敏感的氣象要素和生態(tài)要素[10]，降水的變化將會對沙漠地區(qū)的沙丘移動以及植被覆蓋產(chǎn)生較大影響。我國是世界上沙漠最多的國家之一，沙漠廣袤千里呈一條弧形帶綿延于西北、華北以及東北地區(qū)，約處于35°N～50°N，75°E～125°E之間[11]。地處賀蘭山以西的內(nèi)陸高原上的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠是影響西北地區(qū)最大的沙漠區(qū)域，研究這一沙漠區(qū)域的降水變化特征具有理論和實際意義。近年來，學(xué)者們對沙漠降水的研究主要有2種方式：(1)根據(jù)沙漠周圍氣象站點的降水資料分析沙漠降水特征；(2)基于沙漠腹地建立觀測站而獲得的降水資料進行降水特征分析研究。上述2種方法均取得了一系列的研究成果，如趙勇等[11]通過分析庫姆塔格沙漠周邊6個測站1961～2004 年的氣溫和降水資料，發(fā)現(xiàn)這6個站的降水和氣溫變化具有較高的相似性和一致性，沙漠周邊的氣溫和降水呈增高和增加趨勢，具有較明顯的暖濕化趨勢；馬寧等[12]通過分析巴丹吉林沙漠周邊9個氣象站點的觀測資料，得出其年降水量以0.87 mm/10 a的速率呈微弱增加趨勢。另外還發(fā)現(xiàn)，近50 a其北緣年降水量略有減少，南緣略有增加，各站點季節(jié)降水量變化趨勢亦不明顯且變化特征不同[13]；黃俊利等[14]利用1966～2009年塔克拉瑪干沙漠南緣16個站的逐日降水資料，運用累積頻率方法以及Mann-Kendall法和滑動t檢驗方法，確定了塔克拉瑪干沙漠南緣各站極端降水量的閾值，得出極端降水指數(shù)的突變特征；王乃昂等[15]利用巴丹吉林沙漠腹地定位觀測的降水?dāng)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沙漠腹地與外圍的降水在季節(jié)分布上有較好的一致性，年降水量少于沙漠南緣的阿拉善右旗氣象站，但明顯多于東南緣、北緣和西北緣；何清等[16]利用塔克拉瑪干沙漠腹地的觀測資料證實了沙漠腹地也可以出現(xiàn)強降水。這些研究成果一定程度上說明了沙漠的降水特征，但是由于缺乏沙漠降水的全時空資料，因而無法較為全面地展現(xiàn)沙漠腹地的降水特征。本文利用全新的降水?dāng)?shù)據(jù)集資料，研究巴丹吉林—騰格里沙漠的降水時空分布及變化特征，為沙漠氣候的研究和沙漠的生態(tài)治理提供新的數(shù)據(jù)支撐。

1研究區(qū)域概況

巴丹吉林沙漠，位于我國內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善右旗北部，雅布賴山以西、北大山以北、弱水以東、拐子湖以南，地理位置39°04′N～42°12′N，98°30′E～104°34′E，海拔1 200～1 700 m，總面積約5.2×104km2，是我國第二大沙漠[17](基于遙感的巴丹吉林沙漠范圍)，其中西北部還有1萬多平方公里的沙漠至今沒有人類的足跡。騰格里沙漠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗西南部和甘肅省中部邊境，南越長城，東抵賀蘭山，西至雅布賴山與巴丹吉林沙漠相隔，介于37°30′N～40°N，102°20′E～106°E，面積約3.0×104km2，海拔1 200～1 400 m左右，是中國第四大沙漠[18]。由于巴丹吉林和騰格里沙漠同處于阿拉善高原且相鄰，故而對這兩大沙漠區(qū)域的降水同時進行研究，可以更好地詮釋西北沙漠的降水特征。

2資料和方法

所用降水資料是國家氣象信息中心氣象數(shù)據(jù)研究室制作的中國自動站與CMORPH融合的逐時降水量數(shù)據(jù)集(1.0版，其網(wǎng)格0.1°)，起止時間是2008年1月1日00時至2013年12月31日24時。此融合數(shù)據(jù)基于全國3萬余個自動觀測站逐小時降水量和CMORPH衛(wèi)星反演的降水產(chǎn)品，采用PDF(Probability Density Function，概率密度匹配方法[19])加OI(Optimum Interpolation，最優(yōu)插值法[20])兩步融合方式生成，經(jīng)過了包括氣候?qū)W界限值、區(qū)域界限值、時間和空間一致性檢查在內(nèi)的嚴格質(zhì)量控制處理。根據(jù)評估結(jié)果[19-23]，此數(shù)據(jù)集有效地利用了地面觀測和衛(wèi)星反演降水的優(yōu)勢，降水值及空間分布均更為合理，其優(yōu)點在于能準確抓住強降水過程，在定量監(jiān)測強降水中有優(yōu)勢。

在對融合資料分析時，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的降水融合資料存在缺測，缺測資料主要集中在12月，缺測資料不足總資料的2%。為了最大限度保證資料的完整性，對資料中的缺測部分進行插值補充。

同時還使用了NCEP/NCAR再分析資料以及地面臺站的觀測資料。

3降水時空分布特征

3.1降水空間分布

圖1為巴丹吉林和騰格里沙漠2008～2013年年降水量的空間分布?？梢钥闯觯靖髟轮?，兩大沙漠大部分地區(qū)的月降水量都在5.0 mm以下，且具有很明顯不連片的分布特征。究其原因：冬季冷空氣處于最強勢的時期，來自西伯利亞的強冷空氣經(jīng)中國新疆或者蒙古國使研究區(qū)域內(nèi)冬季常年維持寒冷干旱的氣候特征[1]，降水量稀少；而降水分布不連片是由于沙漠上空中小尺度系統(tǒng)的上升下沉運動造成的。值得注意的是，在騰格里沙漠的南緣靠近中衛(wèi)市的地區(qū)有一降水中心，且隨著冬季的結(jié)束，其中心值不斷增大，最大可達20.0 mm以上。進入春季之后，月降水量較冬季有顯著增加，降水分布范圍更大，且連片的區(qū)域也增大，這是由于進入春季，冷空氣勢力不斷減弱，暖濕氣流增強，降水量不斷增加。首先在騰格里沙漠東南地區(qū)出現(xiàn)了較大塊的降水區(qū)域，可見進入春季后騰格里沙漠的降水量先增加；到5月沙漠腹地的降水量達到20.0 mm以上，部分地方甚至達到了30.0 mm以上，降水已經(jīng)覆蓋了巴丹吉林和騰格里沙漠，且巴丹吉林沙漠的累計降水量超過騰格里沙漠。進入夏季，大氣上升運動增強，來自東部的水汽輸送加大，導(dǎo)致沙漠區(qū)的降水量增加，7月達到累計降水量的峰值，降水區(qū)深入巴丹吉林沙漠腹地，出現(xiàn)降水量較大的成片區(qū)域。隨著秋季的來臨，水汽輸送的減少以及冷空氣勢力不斷增強，沙漠區(qū)域的降水量不斷減少，巴丹吉林沙漠的降水量減少最為顯著，同時祁連山上空的降水也明顯減少，騰格里沙漠雖然還有降水，但累計降水減少也較明顯，10月依然呈現(xiàn)出不連續(xù)的分布特征，11月的分布狀態(tài)已經(jīng)趨向于冬季分布的典型特征。

整體而言，巴丹吉林和騰格里沙漠的降水主要集中在5～9月，因此，可將此時段稱之為這兩大沙漠的雨期。降水量的最大值出現(xiàn)在7～8月，在進入雨期后巴丹吉林沙漠的區(qū)域總降水量多于騰格里沙漠，這與祁連山地區(qū)的水汽輸送以及巴丹吉林沙漠處于上游地區(qū)有很大關(guān)系，但在雨期之外，特別是冬季，雖然沙漠區(qū)域的降水完全呈現(xiàn)不連片分布，但這一特征主要體現(xiàn)在騰格里沙漠地區(qū)，而巴丹吉林沙漠地區(qū)的降水量大部分在5.0 mm以下，因此在雨期之外騰格里沙漠的降水量要高于巴丹吉林沙漠。縱觀全年降水量的空間分布，祁連山地區(qū)的水汽輸送對于兩大沙漠地區(qū)，特別是對臨近的巴丹吉林沙漠的降水有顯著影響。

3.2降水時間變化

3.2.1降水量年內(nèi)變化

由于巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠靠近祁連山地區(qū)，為了便于比較，以祁連山降水量作為基準，計算對比巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和祁連山各自的月均降水總量和格點均值(圖2)。由圖2可見，3個區(qū)域總降水量和格點均值都有相同的月變化趨勢，均從5月開始降水量增加，至7月達最大值，之后呈遞減趨勢，尤其9～10月遞減最為明顯。從圖2b還看出，巴丹吉林沙漠降水的格點均值在10月至翌年5月期間均低于騰格里沙漠和祁連山地區(qū)。然而雨季來臨之后，特別是6、7月，巴丹吉林沙漠降水量的格點均值超過了其它兩區(qū)域同期的格點降水值。

圖1　巴丹吉林和騰格里沙漠地區(qū)2008～2013年各月平均降水量空間分布(單位：mm)

圖2　巴丹吉林和騰格里沙漠以及祁連山地區(qū)逐月平均降水量(a)以及逐月格點均值(b)

3.2.2降水量日變化

為了更好地對比巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠以及祁連山地區(qū)各季節(jié)的降水變化特征，分別計算上述3個地區(qū)不同季節(jié)日均逐時降水量的格點均值(圖3)。由圖3a可見，冬季的降水較其它季節(jié)的降水量小一個數(shù)量級，特別是巴丹吉林沙漠和祁連山地區(qū)午后的降水量基本趨于0。冬季，巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和祁連山地區(qū)日均逐時降水量都呈現(xiàn)相似的變化趨勢，整體而言，從凌晨00時(北京時，下同)左右開始降水量逐漸增加，至06時左右達到最大值，之后開始下降。值得注意的是，騰格里沙漠的逐時降水量在02時降到全天的最低值，之后開始上升；祁連山地區(qū)和巴丹吉林沙漠地區(qū)相比騰格里沙漠地區(qū)降水量下降較早，且下降幅度大于騰格里沙漠地區(qū)。春季(圖3b)，由于不同區(qū)域氣溫回升速率不同，暖濕氣流增強的強度也存在差異，3個區(qū)域的日均逐時降水量變化特征差異顯著，02～10時祁連山地區(qū)春季日均逐時降水量顯著高于巴丹吉林和騰格里沙漠地區(qū)。另外還看出，巴丹吉林沙漠和祁連山地區(qū)日降水量有相同的變化趨勢，都是從02時開始降水量增加，至04時左右達到最大，之后開始減少；騰格里沙漠地區(qū)春季降水量的日變化較微弱，峰值出現(xiàn)在00時。

夏季，由于“雨期”的到來，巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠以及祁連山地區(qū)的日均逐時降水量呈現(xiàn)出完全不同的變化特征。其中，祁連山地區(qū)的降水量日變化呈單峰型分布，07～14時期間，降水量均高于其它兩區(qū)域，峰值出現(xiàn)在10時；巴丹吉林沙漠的夏季逐日降水量呈雙峰型分布，主峰出現(xiàn)在04時，次高峰出現(xiàn)在16時；騰格里沙漠夏季日降水量波動幅度較小，格點均值維持在0.04 mm左右，只在傍晚出現(xiàn)減少的情況(圖3c)。秋季(圖3d)，巴丹吉林沙漠的日均逐時降水量在11時之前變化較平穩(wěn)，之后開始持續(xù)升高，至15時達到峰值，爾后開始持續(xù)下降，于20時降為全天的最低值；騰格里沙漠的日均逐時降水量變化呈雙峰型分布，主峰出現(xiàn)在14時，次高峰出現(xiàn)在23時；祁連山地區(qū)則呈波動變化形態(tài)，中午左右降水量值相對最低。

圖3　巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠以及祁連山地區(qū)各季節(jié)降水量的日變化

4降水個例分析

4.1降水概況

由于沙漠范圍內(nèi)特別是沙漠腹地很少有長期氣象水文站，所以對沙漠降水的研究通常是以一次觀測試驗或是沙漠周邊站點資料替代進行分析。然而，本文所采用的降水融合資料有著全時空的特點，可以更好地展現(xiàn)沙漠降水的特點。進行個例分析時，選取巴丹吉林沙漠周邊的3個站(鼎新站、拐子湖站和阿拉善右旗站，見圖4)。其中，鼎新站位于40.18°N、99.31°E，處于巴丹吉林沙漠的西部邊緣；拐子湖站位于41.22°N、102.22°E，處于其北部邊緣；阿拉善右旗站位于39.13°N、101.41°E，處于其南部邊緣。可用這3個站點資料表征巴丹吉林沙漠的降水狀況。分析發(fā)現(xiàn)，2010年8月11～19日期間，3個站點的降水量均為0。然而，融合降水資料分析發(fā)現(xiàn)，2010年8月19日在巴丹吉林沙漠腹地和騰格里沙漠西北地區(qū)有降水分布(圖4)。由此可見，沙漠周邊的站點降水資料無法全面代表整個沙漠的降水情況。

圖4　選取的站點分布以及2010年8月19日

4.2天氣形勢

利用NCEP/NCAR再分析資料分析2010年8月19日的高空環(huán)流形勢以及相關(guān)物理量的特征。從圖5中可以看出，2010年8月19日整個亞歐大陸是2槽2脊形勢，影響我國的系統(tǒng)是北方延伸至貝加爾湖的深槽和西太平洋副熱帶高壓。02時(圖5a)，深槽的尾部已經(jīng)移至巴丹吉林沙漠的上游，巴丹吉林沙漠地區(qū)受槽前西南氣流影響；同時西太平洋副熱帶高壓躍過30°N。08時(圖5b)，深槽進一步東移，處于100°E經(jīng)線上，并有所加深；而副熱帶高壓進一步向北推近。14時(圖5c)，深槽移至騰格里沙漠上空，西太平洋副熱帶高壓西伸幅度較大。20時(圖5d)，深槽已經(jīng)移出騰格里沙漠上空，西太平洋副熱帶高壓也退回到100°E以東區(qū)域。可見08時和14時，巴丹吉林和騰格里沙漠均受到深槽控制，與此同時，西太平洋副熱帶高壓不斷西伸，共同使得沙漠地區(qū)受強烈偏南暖濕氣流影響，為沙漠腹地的降水提供了充沛的水汽條件。

圖5　2010年8月19日02時(a)、08時(b)、14時(c)、20時(d)500 hPa

從圖4可以看出，2010年8月19日的降水主要集中在巴丹吉林沙漠的東部沿40°N一線，而騰格里沙漠的降水主要在38°N～39°N一線的方向上，為此沿39°N和40°N做比濕和垂直速度的緯向垂直剖面(圖6)。由圖6可知，08時沿39°N方向上在巴丹吉林和騰格里沙漠的100°E～106°E區(qū)域已經(jīng)有較強的水汽分布，此時垂直方向上氣流以下沉運動為主(圖6a)，不利于降水發(fā)生；20時(圖6b)，垂直方向上的水汽含量有所增加，比濕達8×10-5g/kg，與此同時，在100°E～106°E范圍內(nèi)400 hPa以下均以上升運動為主，垂直速度最大值達0.2×10-3Pa/s，這與圖5巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠處于槽區(qū)，氣流輻合產(chǎn)生上升運動相對應(yīng)。沿40°N的緯向剖面(圖6c和圖6d)與39°N的分布情況相同。由此可見，融合資料顯示的累計降水狀況和相關(guān)物理量的分布有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明在偏南暖濕氣流影響下，通過強烈的垂直運動造成了此次降水過程。

圖6　2010年8月19日08時(a，c)、20時(b、d)沿39°N(a、b)、40°N(c、d)

5小結(jié)

(1)巴丹吉林和騰格里沙漠地區(qū)的降水主要集中在5～9月，其中7月的降水量最大，在沙漠腹地最大降水量可達60 mm以上，其它月份降水量較少，且呈現(xiàn)不連片分布的特征。

(2)巴丹吉林沙漠在進入雨期(5～9月)之后，其格點的平均降水量大于騰格里沙漠，而其它時間均低于騰格里沙漠。

(3)冬季，巴丹吉林和騰格里沙漠降水量的日變化峰值都出現(xiàn)在06時，降水量級??；春季，兩沙漠的降水量日峰值分別出現(xiàn)在04時和00時，降水量級增大；夏季處于沙漠雨期，巴丹吉林沙漠地區(qū)的降水量日變化呈雙峰型，主峰值出現(xiàn)在04時，次峰值出現(xiàn)在16時，而騰格里沙漠降水量變幅小，維持在0.04 mm左右；秋季，巴丹吉林沙漠日均逐時降水量呈單峰型，峰值出現(xiàn)在15時，而騰格里沙漠呈雙峰型，日主峰值出現(xiàn)在13時，次峰值出現(xiàn)在23時。

(4)站點降水觀測資料與同期降水融合資料對比分析發(fā)現(xiàn)，站點無降水而在融合資料上卻顯示出了降水，特別是在沙漠腹地有較強降水，這說明周邊站點降水觀測資料無法全面反映沙漠的降水情況。降水融合資料所反映的降水過程與NCEP資料的高空形勢以及要素場分布特征有很好的對應(yīng)關(guān)系，它更為細致地刻畫出沙漠降水的分布特征。

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Preliminary Analysis of Precipitation Characteristics in the Badain Jaran and Tengger Deserts

SU Junli1,2, WANG Jiehua3, LI Jiangping1, SHANG Kezheng1,KANG Yanzhen1, JIA Xuwei1, WU Zhongxun1

(1.KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeofMinistryofEducation,CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.The95994TroopsofPLA,Jiuquan735000,China;3.The92493TroopsofPLA,Huludao125000,China)

Abstract:As the most important deserts in Northern China, the precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts played a significant role on their formation and evolution. In this paper, based on the hourly merged precipitation during 2008-2013, the NCEP/NCAR reanalysis data and observations from weather stations on 19 August 2010, the spatial and temporal distributions of precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts were studied, firstly. And on this basis, the precipitaion of a typical precipitation process occurring on 19 August 2010 there was contrastively analyzed. The results are as follows:(1) The precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts concentrated on May to September, while it was less in other months. (2) The merged data of precipitation could meticulously describe the hourly change characteristics of precipitation in four seasons in the two deserts. (3) By analyzing the circulation pattern and relevant physical quantities of a rainfall case, it was found that the observed precipitation from sites around the desert couldn’t entirely reflect the precipitation in the whole desert, however the merged precipitation product was closely related with the atmospheric circulation situation and element fields from NCEP data, and it can embody the panorama of precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts.

Key words:Badain Jaran desert; Tengger desert; merged precipitation data

中圖分類號：P426.6

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-02-0261-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0261

作者簡介：蘇俊禮(1990-)，男，回族，寧夏同心人，碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代天氣預(yù)報技術(shù)和極端天氣氣候. E-mail：sujl13@lzu.edu.cn通訊作者：李江萍(1977-)，女，甘肅靜寧人，博士，主要從事干旱氣候和極端天氣氣候的研究. E-mail：shangkz@lzu.edu.cn

基金項目：國家公益性(氣象)行業(yè)專項項目(GYHY201306047 )、蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(lzujbky-2013-5，lzujbky-2013-m03)和甘肅省國際科技合作計劃項目(1204WCGA016)共同資助

收稿日期：2015-08-31；改回日期：2015-11-16

蘇俊禮，汪結(jié)華，李江萍，等.巴丹吉林和騰格里沙漠降水特征初步分析[J].干旱氣象，2016，34(2)：261-268, [SU Junli, WANG Jiehua, LI Jiangping, et al. Preliminary Analysis of Precipitation Characteristics in the Badain Jaran and Tengger Deserts[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):261-268], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0261