新疆伊犁河谷冷暖季降水時空分布特征

鄭博華，李 斌，黃秋霞，李如琦，趙克明

（1.新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊830002；2.昌吉州氣象局，新疆 昌吉831100；3.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

衡量一個或多個地區(qū)氣候變化最明顯的特征就是降水，而降水量的大小及分布直接制約著國民經濟發(fā)展與農業(yè)生產豐收，同時與百姓生活也息息相關。KINCER[1]在上世紀初就指出，美國東南沿海臺站的降水峰值出現(xiàn)在下午，而中部大多數(shù)臺站出現(xiàn)在夜間；而國內對降水日變化特征也有不少研究成果，宇如聰?shù)萚2]發(fā)現(xiàn)長江中上游地區(qū)的降水多出現(xiàn)在清晨，青藏高原東部和華南華北地區(qū)日降水峰值分別出現(xiàn)在午夜和傍晚[3]，而“夜雨”特征多出現(xiàn)在中國西南地區(qū)。因此有時在相鄰的區(qū)域、相同的持續(xù)時間上降水日變化特征都會產生截然不同的差異。日降水時空分布揭示了降水形成的變化規(guī)律[4-5]，同時也是決定該地區(qū)氣候變化特征的重要參數(shù)之一，掌握好這些參數(shù)可以更為有效地揭開該地區(qū)氣候變化的方向以及區(qū)域水資源的分布情況等[6-9]。

新疆屬于典型的干旱、半干旱區(qū)域，降水稀少，之前研究主要集中在以月、季、年等相對較大的時間尺度上，如胡翠珍等[10]利用41 a 觀測資料分析得到阿克蘇地區(qū)大降水次數(shù)自20 世紀80 年代開始起明顯增加,50%以上發(fā)生在夏季,高峰期為傍晚；黃艷和鄭紅蓮等利用喀什地區(qū)45 a 和58 a 的逐月降水量數(shù)據(jù)資料，分析了喀什地區(qū)降水量分布特征和降水周期變化規(guī)律[11-12]；王世杰等[13]使用月降水量資料，分析了20 a 烏魯木齊站夏季主汛期（5—9 月）降雨特征。雖然新疆整體降水量偏小，但極端降水對降水總量的貢獻依然卻呈上升趨勢[14-19]。為了進一步探究區(qū)域降水的時空分布，新疆氣象科研工作者逐步開展了以更為精細化的降水資料為基礎的降水事件研究，如苗運玲等[20]利用東疆地區(qū)6 個國家氣象站1961—2016 年汛期（5—9 月）逐日降水資料，分析了東疆地區(qū)降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的時空分布特征規(guī)律；武勝利等[21]結合巴州地區(qū)7 個國家站1961—2013 年氣溫和降水逐日資料，通過累積距平法、滑動平均等方法，揭開了該地區(qū)氣溫和降水的時空變化特征；周雪英等[22]利用巴音郭楞蒙古自治州巴音布魯克氣象站近50 a 逐日降水數(shù)據(jù)資料，揭示了山區(qū)日降水的變化趨勢和極端變化差異；黃秋霞等[23]分析了昌吉市2009—2015 年主汛期（5—8月）降水的日變化特征；趙戰(zhàn)成、趙克明等[24-25]分別利用近10 a 和20 a 逐時自動站降水量資料，分析了汛期（5—9 月）塔克拉瑪干沙漠東部邊緣地區(qū)和喀什市降水日變化特征。

伊犁河谷位于我國新疆維吾爾自治區(qū)西北角，氣候溫和濕潤，屬于溫帶大陸性氣候，北、東、南三面環(huán)山，構成“三山夾兩谷”的地貌輪廓,自然條件優(yōu)越，農、牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢顯著；河谷東西長360 km，南北最寬為275 km，呈半封閉地形（朝西開口），利于河谷形成地形雨，年降水量417.6 mm，山區(qū)600 mm，是新疆最濕潤的地區(qū)。由于受西風帶系統(tǒng)的頻繁過境，加之地形抬升影響，冷季大范圍持續(xù)性降雪與暖季局地性短時降水頻發(fā)，因此了解當?shù)亟邓卣鞑粌H對該地區(qū)氣象服務極其重要，對人工防雹和增雨（雪）作業(yè)有重要的指導作用，甚至對了解新疆氣候特征和變化趨勢也有重要的意義。

目前，對伊犁河谷降水特征的研究更多地集中在夏季降水日變化，唐冶、黃秋霞等[26-27]利用20 a 伊寧市氣象站和5 a 伊犁地區(qū)6 個氣象站逐小時降水資料，分析主汛期（5—8 月）降水日變化特征，但針對伊犁河谷全年降水和冬季降水時空分布的研究工作幾乎沒有，對伊犁河谷降水的特征缺乏全面的認識。因此本文從多種角度分析近10 a 伊犁河谷全年降水特別是冷、暖季小時降水的時空分布特征，更為全面地了解伊犁河谷降水的特征和變化趨勢，可為當?shù)貧庀蠓找约叭擞皹I(yè)務工作提供技術支撐。

1 資料與方法

選用經過新疆氣象信息中心數(shù)據(jù)質量控制后的伊犁河谷氣象站逐小時降水資料。文章選取伊犁霍爾果斯、霍城、察布查爾、伊寧、伊寧縣、尼勒克、鞏留、新源、昭蘇、特克斯10 個站點2008 年1 月1 日01 時—2017 年12 月31 日24 時10 a 的逐小時降水數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析降水的逐日、逐時變化特征，站點分布信息如圖1、表1 所示。

圖1 新疆伊犁河谷站點分布

表1 新疆伊犁河谷站點分布及信息

本文根據(jù)降水的不同物理特征將其對應劃分為液態(tài)降水和固態(tài)降水，液態(tài)降水（即降雨）主要出現(xiàn)在每年的5—9 月[24]，本文稱之為暖季（也為汛期[13，20，24-25]），而固態(tài)降水（降雪）主要出現(xiàn)在每年10月—次年4 月，本文稱之為冷季。在分析和統(tǒng)計伊犁河谷全年降水過程中，當一次降水開始時刻至降水結束時刻（結束時刻后連續(xù)6 h 沒有降水）的小時數(shù)定義為一次降水持續(xù)時間[21]，定義降水量超過0.1 mm/h 為有降水，分別累加逐小時降水量與降水序列，由此分析降水頻次、降水強度、不同持續(xù)時間降水量和貢獻率等[21-24]。

為便于論證，根據(jù)這10 個觀測站的地理地形位置分為兩組，把海拔不高于770 m 分為一組，定義為平原區(qū)，即：霍爾果斯722.0 m，霍城640.0 m，察布查爾602.6 m，伊寧662.5 m，伊寧縣770.0 m；二組為海拔高于770 m，即：尼勒克1 105.3 m，鞏留774.9 m，新源928.2 m，昭蘇1 851.0 m，特克斯1 210.4 m，定義為山區(qū)。

2 伊犁河谷全年降水日時空分布

利用伊犁河谷10 個氣象站逐小時降水量資料，計算了年平均逐時累計降水量。由圖2a、2b 可以看出，伊犁河谷暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)降水量變化特征極其明顯，暖季中山區(qū)降水量均明顯大于平原區(qū)，占暖季總降水量的70.1%；冷季中平原區(qū)、山區(qū)則表現(xiàn)相反，平原區(qū)占冷季總降水量的51.5%。暖季平原區(qū)降水量最大值出現(xiàn)在22：00，為6.31 mm，最小值出現(xiàn)在14：00，為2.16 mm；山區(qū)最大值出現(xiàn)在00：00，為14.53 mm，最小值出現(xiàn)在13：00，為7.39 mm。冷季平原區(qū)最大值出現(xiàn)在10：00，為13.99 mm，最小值出現(xiàn)在18：00，為6.15 mm；山區(qū)最大值出現(xiàn)在11：00，為9.91 mm，最小值出現(xiàn)在17：00，為6.24 mm。從圖2a 中可以看出暖季中山區(qū)年平均逐時累積降水量明顯大于平原區(qū)，差值最大值出現(xiàn)在00：00，為9.17 mm；冷季中平原區(qū)年平均逐時累積降水量在（03：00—14：00）高于山區(qū)，其他時段變化趨勢不明顯，差值最大值出現(xiàn)在10：00，為4.13 mm。由圖2c、2d 可以看出暖季平原區(qū)5 個站降水變化與年平均逐時累積降水量變化趨勢大致相似，而山區(qū)5 個站降水量波動性較大，14：00—00：00 降水量呈波動性變化，其中此時段昭蘇較其他站點降水量較高，鞏留最低。從圖2e、2f 看出，冷季平原區(qū)5 個站降水與年平均逐時累積降水量變化趨勢相似，且5 個站降水變化趨勢也幾乎一致，僅伊寧縣站各時段的降水量高于其他站點，而山區(qū)5 個站各時段降水量則呈波動性變化，新源站降水量高于其他站點。

3 伊犁河谷全年逐時降水頻次時空分布

圖2 伊犁河谷暖、冷季（a、b）、分站（c、d、e、f）逐時年平均降水量變化

圖3 伊犁河谷暖、冷季（a、b）、分站（c、d、e、f）逐時年平均降水頻次日變化

從伊犁河谷全年降水頻次分布（圖3a、3b）來看，暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)年平均逐時降水頻次變化特征依然比較明顯，暖季中山區(qū)降水頻次均明顯高于平原區(qū)，占暖季總頻次的68.6%；而冷季中平原區(qū)、山區(qū)則表現(xiàn)差距不大，分別占冷季總頻次的50.2%和49.8%。一天中暖季平原區(qū)最易發(fā)生降水的時段為23：00—翌日11：00（≥平均值4.99），此時段降水發(fā)生次數(shù)達到77.82 次， 占總降水次數(shù)的65.0%；而山區(qū)最易發(fā)生降水的時段為19：00—翌日08：00（≥平均值10.92），此時段降水發(fā)生次數(shù)達到171.54 次，占總降水次數(shù)的65.4%。冷季中平原區(qū)最易發(fā)生降水的時段為04：00—14：00（≥平均值14.14），占總降水次數(shù)的54.2%；冷季山區(qū)最易發(fā)生降水的時段為00：00—13：00（≥平均值14.05），此時段降水發(fā)生次數(shù)占總降水次數(shù)的63.3%。由圖3c、3d 可以看出暖季平原區(qū)5 個站降水頻次變化和年平均逐時降水頻次變化趨勢大致相似，而山區(qū)5 個站則波動性明顯，主要集中在15 時—翌日02 時，此時段昭蘇降水頻次明顯高于其他站點；圖3e 中5 個站不僅和冷季平原區(qū)年平均逐時降水頻次變化趨勢相似，且5 個站逐時降水頻次波動幅度很小，而冷季山區(qū)5 個站則與平原區(qū)5 個站形成鮮明對比，波動幅度比較明顯（圖3f）。

4 伊犁河谷全年逐時降水強度時空分布

從伊犁河谷全年逐時降水強度（圖4a、4b）來看，暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)變化特征不明顯，存在一定的波動性，變化趨勢與累積降水量、降水頻次存在差異。暖季平原區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在18：00，為1.37 mm·h-1，但18：00 降水頻率卻低于平均值，累積降水量略高于平均值；降水強度最小值出現(xiàn)在03：00，為0.66 mm·h-1，但03：00 降水頻率卻高于平均值，累積降水量略低于平均值；暖季山區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在16：00，為1.18 mm·h-1，但16：00 累積降水量和降水頻次卻低于對應平均值。冷季平原區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在10：00，為0.66 mm·h-1，10：00 累積降水量為最大值，降水頻率為次大值；山區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在22：00，為0.68 mm·h-1，對應累積降水量略高于平均值，降水頻率卻略低于平均值；降水強度最小值出現(xiàn)在07：00，為0.54 mm·h-1，但07：00 累積降水量和降水頻率卻分別高于對應平均值。

圖4 伊犁河谷暖、冷季（a、b）、分站（c、d、e、f）逐時降水強度日變化

綜上所述，伊犁河谷暖季和冷季，平原區(qū)和山區(qū)最高和最低累積降水量、降水頻次和降水強度出現(xiàn)時刻并不存在一致性。由圖4c、4d 可以看出，除霍爾果斯00：00、16：00、20：00 的降水強度較高外，其余站點暖季逐時降水強度和平均逐時降水強度相似，白天變化平緩，夜間有一定波動幅度；冷季中霍爾果斯02：00—04：00 和19：00—20：00 的降水強度偏高，其余站點逐時降水強度和平均逐時降水強度大致相同，白天與夜間并無明顯波動差異（圖4e、4f）。

5 伊犁河谷全年不同持續(xù)時間降水時空分布

從伊犁河谷暖、冷季不同持續(xù)時間的年平均降水次數(shù)（圖5a）可以看出，降水主要以短時間的降水為主，隨著持續(xù)時間的增加，降水次數(shù)不斷遞減，暖冷季差距不大，持續(xù)1～4 h 暖冷季降水次數(shù)分別占降水總次數(shù)的50.3%和49.7%。但從暖季來看，山區(qū)的降水次數(shù)在不同持續(xù)時間內均明顯高于平原區(qū)，平原區(qū)和山區(qū)持續(xù)1 h 的降水次數(shù)均為最大值，分別為34.2%和28.9%；平原區(qū)、山區(qū)持續(xù)2～5 h 的降水次數(shù)占降水總次數(shù)的43.8%和39.9%。冷季不同持續(xù)時間的降水次數(shù)（圖5b）則不同于暖季，降水仍然以短時間降水為主，平原區(qū)、山區(qū)頻次差距不大，變化趨勢幾乎一致，持續(xù)1 h 的降水次數(shù)仍為最大值，分別為20.6%和22.7%；但在持續(xù)4 h 頻次上平原區(qū)、山區(qū)均出現(xiàn)了次大值，平原區(qū)、山區(qū)持續(xù)2～5 h 的降水次數(shù)分別占總降水次數(shù)的41.9%和39.3%。

圖5 伊犁河谷暖、冷季（a、b）全年降水不同持續(xù)時間的年平均頻次

從圖6a、6b 中不難發(fā)現(xiàn)伊犁河谷暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)全年降水不同持續(xù)時間的年平均降水量存在一定波動性，與降水頻次相似，主要以短時間的降水量為主，其中暖季平原區(qū)、山區(qū)變化趨勢存在差異，而冷季平原區(qū)、山區(qū)變化則趨于平緩。暖季平原區(qū)降水持續(xù)2 h 和山區(qū)降水持續(xù)4 h 的年平均降水量最多，分別達到14.13 mm 和20.78 mm，貢獻率分別為13.0%和7.9%（均為最大值）；平原區(qū)降水持續(xù)時間超過12 h 后，降水量明顯下降，而山區(qū)持續(xù)時間則達到21 h。結合不同持續(xù)時間的降水量的貢獻率（圖7a）可以看出，雖然暖季山區(qū)不同持續(xù)時間降水量均高于平原區(qū)，但貢獻率卻不及平原區(qū)；山區(qū)不同持續(xù)時間降水量最大值和次大值為4 h 和3 h，降水貢獻率達到7.9%和7.2%，而平原區(qū)對應貢獻率卻為10.1%和11.9%；暖季平原區(qū)、山區(qū)持續(xù)1 h 的降水次數(shù)雖然最多，但其降水量和降水貢獻率卻不是最大。

在不同持續(xù)時間的年平均降水量中，冷季平原區(qū)、山區(qū)最大值均出現(xiàn)在4 h，分別為16.58 mm 和16.95 mm，結合不同持續(xù)時間的降水量的貢獻率（圖7b）可以看出，冷季平原區(qū)、山區(qū)降水貢獻率最大值同樣出現(xiàn)在4 h，分別為7.8%和8.3%，可以得出與暖季類似平原區(qū)、山區(qū)持續(xù)1 h 的降水次數(shù)雖然最多，但是其降水量和降水貢獻率卻不是最大；與暖季相比，冷季平原區(qū)、山區(qū)不同持續(xù)時間的降水貢獻率和不同持續(xù)時間的降水量有相似的變化規(guī)律。

圖6 伊犁河谷暖、冷季（a、b）全年降水不同持續(xù)時間的年平均降水量

圖7 伊犁河谷暖、冷季（a、b）全年降水不同持續(xù)時間的年平均降水貢獻率

6 結論

（1）伊犁河谷地區(qū)逐時年平均降水量和降水頻次變化特征明顯，暖季山區(qū)降水量和降水頻次明顯大于平原區(qū)，而冷季中山區(qū)卻低于平原區(qū)。暖季平原區(qū)、山區(qū)降水量最大值分別出現(xiàn)在22：00 和00：00；冷季平原區(qū)、山區(qū)降水量最大值分別出現(xiàn)在10：00和11：00。全天中暖季平原區(qū)最容易發(fā)生降水的時段為23：00—翌日11：00；山區(qū)為19：00—翌日08：00。冷季平原區(qū)最容易發(fā)生降水的時段為04：00—14：00；山區(qū)為00：00—13：00。降水強度暖、冷季變化特征不明顯，變化趨勢與降水量、降水頻次存在差異，暖季平原區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在18：00；山區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在16：00。冷季平原區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在10：00；山區(qū)逐時降水強度最大值出現(xiàn)在22：00。

（2）伊犁河谷地區(qū)全年降水主要以短時段降水為主，隨著降水時間的持續(xù)增長，降水次數(shù)則不斷減少。其中，暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)降水持續(xù)1 h 的次數(shù)均為最大值，但暖季平原區(qū)降水持續(xù)2 h 和暖季山區(qū)持續(xù)4 h 的降水量及貢獻率為最大值，而冷季平原區(qū)、山區(qū)最大值則均出現(xiàn)在持續(xù)4 h。

（3）從伊犁河谷暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)降水量及降水頻次綜合來看，暖季中平原區(qū)、山區(qū)變化特征明顯，暖季山區(qū)降水量和降水頻次明顯大于平原區(qū)，且以局地降水為主，降雨主要集中在山區(qū)；而冷季中則以系統(tǒng)性天氣為主，山區(qū)降水量和降水頻次略低于平原區(qū)，降雪平原區(qū)略大于山區(qū)。從伊犁河谷暖、冷季平原區(qū)、山區(qū)最大降水量時間及最易發(fā)生降水時段來看，暖季中平原區(qū)、山區(qū)變化特征依然明顯，暖季平原區(qū)、山區(qū)降水量最大值出現(xiàn)在傍晚到前半夜，由于河谷地區(qū)水汽充沛，加之午后地表溫度驟升，熱力條件充足，山區(qū)受地形抬升易產生對流性降水，也就解釋了暖季山區(qū)降水量、降水頻次均明顯大于平原區(qū)的原因。

（4）伊犁昭蘇是新疆主要的冰雹區(qū)與人工防雹區(qū)，從暖季山區(qū)降水量極大值與易降水時段分析，午后開始易產生對流冰雹天氣，因此在對流產生的初期開展雷達觀測等手段，提早進行人工防雹作業(yè)，抑制冰雹的形成，減少或避免冰雹災害造成的各項損失；冷季平原區(qū)、山區(qū)降水量最大值（10：00 和11：00）均出現(xiàn)在上午，時間間隔近，可能原因為大部分天氣系統(tǒng)移動發(fā)展方向都為由西向東，即先平原后山區(qū)。結合平原區(qū)和山區(qū)最易發(fā)生降水時段，從人工影響天氣的角度來看，此時間段更有利于開展飛機、地面人工增雨（雪）工作，提高空中水資源轉化率，緩解經濟開發(fā)和保護生態(tài)環(huán)境所面臨的水資源短缺問題。