1961—2016年汛期東天山北坡不同量級(jí)降水日數(shù)時(shí)空變化特征

苗運(yùn)玲 宮恒瑞 張?jiān)苹?柴巖紅

（1 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 830006；2 新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，烏魯木齊 830002）

0 引言

天山作為世界七大山系之一，位于歐亞大陸腹地，是世界上最大的獨(dú)立緯向山系，也是世界上距離海洋最遠(yuǎn)和全球干旱地區(qū)最大的山系。它橫亙?cè)谛陆胁坎⒇灤┤?，是影響新疆乃至我?guó)中、西部地區(qū)天氣氣候和生態(tài)環(huán)境的重要天然屏障。近年來(lái)，對(duì)天山山區(qū)降水量空間分布及其變化已經(jīng)開(kāi)展了較深入的研究[1-5]。研究[3]顯示，天山山區(qū)降水呈現(xiàn)“西多東少，北多南少，高山多外圍少”的特征。天山山區(qū)的降水量總體上在增加，天山中部和南部的降水量增加幅度都大于西部[4]。

不同量級(jí)降水日數(shù)能直接或間接反映出研究區(qū)域的降水特征，可以作為衡量某一區(qū)域降水是否分配均勻的指標(biāo)[6-9]。本研究利用1961—2016年?yáng)|天山北坡5個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象站的降水量數(shù)據(jù)，分析東天山北坡不同量級(jí)降水日數(shù)的分布及其變化趨勢(shì)，提高對(duì)東天山北坡降水量分布和變化的認(rèn)知程度，以期為東天山北坡生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東天山北坡地處亞歐大陸腹地，準(zhǔn)噶爾盆地東南側(cè)，以88°E為界，地理坐標(biāo)為42°25′—45°30′N(xiāo)，88°30′—96°23′E，海拔高度742.9～1728.6 m（圖1）。選取該區(qū)域具有代表性的5個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象站，分別是昌吉州東部的吉木薩爾、奇臺(tái)、木壘縣和哈密北部的巴里坤、伊吾縣，總面積約為11.22萬(wàn) km2。該區(qū)域氣候較為敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱，地形地貌復(fù)雜，總體呈西低東高，北低南高，降水量較少，分布不均勻，氣候干燥，晝夜溫差大，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候。

圖1 東天山北坡地形及氣象站點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 Spatial distribution of meteorological stations on the north slope of east Tianshan Mountain

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制，資料真實(shí)可靠，使用東天山北坡5個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象站1961—2016年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)資料。5—9月是東天山北坡主要降水量季節(jié)，其降水量占年降水量的60%～80%，因此把5—9月看成該研究區(qū)域的汛期。根據(jù)2003版《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[10]規(guī)定，天氣現(xiàn)象日界時(shí)間以北京時(shí)間20時(shí)為界，即當(dāng)日20時(shí)至次日20時(shí)出現(xiàn)的降水作為一個(gè)降水日數(shù)，若某次降水跨日（或月）則按出現(xiàn) 2 個(gè)降水日數(shù)計(jì)算。

1.3 分析方法及雨量分級(jí)處理

本文所使用的分析方法主要包括線性趨勢(shì)、相關(guān)系數(shù)和多項(xiàng)式擬合等方法。采用Mann-Kendall（簡(jiǎn)稱M-K）方法對(duì)降水時(shí)間序列進(jìn)行突變分析，為了檢驗(yàn)氣象要素突變是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行信噪比S/N檢驗(yàn)，信噪比公示如下：

由于新疆區(qū)域的特殊性，降水量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)中國(guó)內(nèi)陸大部分地區(qū)有所不同，新疆降水評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)將降水量分為5個(gè)量級(jí)：微雨（0.0 mm）、小雨（0.1～6.0 mm）、中雨（6.1～12.0 mm）、大雨（12.1～24.0 mm）、暴雨（≥24.1 mm）。本文只統(tǒng)計(jì)日降水量≥0.1 mm的降水事件，并將日降水量≥0.1 mm的降水稱為有效降水。各量級(jí)降水日數(shù)即為該量級(jí)的降水日數(shù)，將4個(gè)有效降水的降水日數(shù)之和稱為總降水日數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 汛期不同量級(jí)降水日數(shù)基本特征

1961—2016年?yáng)|天山北坡經(jīng)濟(jì)帶汛期總降水日數(shù)為167 d。結(jié)合表1分析可知，該區(qū)域不同量級(jí)降水日數(shù)具有以下特征：（1）隨著降水量級(jí)的上升，對(duì)應(yīng)降水日數(shù)迅速減小。小雨日數(shù)所占比重最大，占總降水日數(shù)79.04%，對(duì)總降水日數(shù)貢獻(xiàn)最大；其次是中雨日數(shù)為11.98%，其余降水日數(shù)均低于10%。（2）從不同量級(jí)降水日數(shù)氣候傾向率可以看出，小雨日數(shù)變化趨勢(shì)不明顯；其他降水日數(shù)均呈增加趨勢(shì)，大雨日數(shù)增加最明顯，中雨日數(shù)的增加是導(dǎo)致汛期總降水日數(shù)增加的主要原因；其次是暴雨日數(shù)，二者均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)。（3）從總降水日數(shù)與不同量級(jí)降水日數(shù)相關(guān)系數(shù)可知，除了暴雨日數(shù)與總降水日數(shù)相關(guān)系數(shù)較小且沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)外，其余降水日數(shù)均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，其中與小雨日數(shù)相關(guān)性最好，達(dá)到0.92，表明小雨日數(shù)對(duì)總降水日數(shù)貢獻(xiàn)最大，暴雨日數(shù)貢獻(xiàn)最小。（4）年際分布差異大。各量級(jí)不同降水日數(shù)最多年份大多集中出現(xiàn)在1984—1988年，暴雨日數(shù)出現(xiàn)在1998年；最少降水日數(shù)出現(xiàn)年份比較分散，其中沒(méi)有暴雨出現(xiàn)的年份主要集中在20世紀(jì)80年代中期以前。（5）年際變化大?？偨邓諗?shù)最多達(dá)226 d，最少僅有114 d。

表1 1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期不同量級(jí)降水日數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 The number of precipitation days for different magnitudes during flood season on the north slope of east tianshan Mountain from 1961 to 2016

2.2 汛期不同量級(jí)降水日數(shù)空間分布特征

圖2 1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期平均總降水日數(shù)（a）、小雨日數(shù)（b）、中雨日數(shù)（c）、大雨日數(shù)（d）和暴雨日數(shù)（e）空間分布（單位：d）Fig. 2 Spatial distribution of average total precipitation days (a), the number of light rain days (b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on the north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016 (Unit: d)

從1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期不同量級(jí)降水日數(shù)空間分布可知（圖2），總降水日數(shù)（圖2a）主要是以木壘為高值中心（37.5 d）逐漸向東西兩側(cè)減小，其次是巴里坤（37.1 d），最低值出現(xiàn)在海拔高度最低的吉木薩爾（30.1 d）。小雨日數(shù)（圖2b）以巴里坤（28.1 d）為大值中心逐漸向兩側(cè)減小，其次是海拔最高的伊吾（27.5 d），最小值依然出現(xiàn)在吉木薩爾（24.2 d）；其他降水日數(shù)的空間分布與總降水日數(shù)相似，都是以木壘為高值中心逐漸向兩側(cè)減小，最低值出現(xiàn)區(qū)域不同，而是出現(xiàn)在哈密市東北部的伊吾縣。

綜上分析可知，不同量級(jí)降水日數(shù)空間分布都是以某一高值區(qū)為中心逐漸向東西兩側(cè)減小，不同的是高值區(qū)和低值區(qū)出現(xiàn)區(qū)域不同，高值區(qū)集中出現(xiàn)在木壘（小雨日數(shù)出現(xiàn)在巴里坤），低值區(qū)集中出現(xiàn)在吉木薩爾和伊吾。從各區(qū)域不同量級(jí)降水日數(shù)所占比重可知（圖略），隨著降水量級(jí)的增大，對(duì)應(yīng)降水日數(shù)也迅速減小，其中小雨日數(shù)占總降水日數(shù)比重最大，5個(gè)縣均在72%以上，其中伊吾所占比重最高，達(dá)到89%以上。因此可知，總降水日數(shù)越少的區(qū)域，小雨日數(shù)所占比重越大，反之越??；暴雨日數(shù)所占比重最小，在0.6%～3.7%，其中木壘出現(xiàn)暴雨日數(shù)最多，占3.7%，伊吾出現(xiàn)最少，僅占0.6%。

2.3 汛期不同量級(jí)降水日數(shù)氣候趨勢(shì)分布特征

圖3 1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期平均總降水日數(shù)（a）、小雨日數(shù)（b）、中雨日數(shù)（c）、大雨日數(shù)（d）和暴雨日數(shù)（e）氣候變化趨勢(shì)空間分布（單位：d/10 a，陰影部分通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)）Fig. 3 Spatial distribution of climate change trend of average total precipitation days (a), the number of light rain days(b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on the north slope of east Tianshan mountain from 1961 to 2016 (Unit: d/10 a, the shaded part passes a significance level of 0.05)

由近56 a東天山北坡汛期不同量級(jí)降水日數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布（圖3）可知，總降水日數(shù)和小雨日數(shù)變化趨勢(shì)較一致，這與小雨日數(shù)占總降水日數(shù)比重在72%以上有絕對(duì)的關(guān)系。因此，在一定程度上，各站小雨日數(shù)的趨勢(shì)變化基本可以代表總降水日數(shù)變化趨勢(shì)。其中吉木薩爾和奇臺(tái)呈增加趨勢(shì)，其他3縣呈減小趨勢(shì)，不同的是總降水日數(shù)中5縣均未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，總趨勢(shì)是以吉木薩爾增加最明顯，達(dá)到0.72 d/10 a，且逐漸向東減小，最小值出現(xiàn)在伊吾；而小雨日數(shù)中巴里坤減小最顯著（-0.9 d/10 a，P＜0.05），其他4個(gè)縣均未通過(guò)檢驗(yàn)。中雨日數(shù)趨勢(shì)變化與大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)相似，5個(gè)縣均呈增加趨勢(shì)，不同的是中雨日數(shù)5個(gè)縣均未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)；大雨日數(shù)中，有2個(gè)縣通過(guò)0.05和1個(gè)縣通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，巴里坤增加最顯著，達(dá)到0.48 d/10 a（P＜0.01），伊吾增加趨勢(shì)最?。≒＞0.05）；暴雨日數(shù)中，木壘增加最明顯，達(dá)到0.26 d/10 a（P＜0.01），增加趨勢(shì)最弱的是吉木薩爾（P＞0.05）。

2.4 汛期不同量級(jí)降水日數(shù)年代際變化特征

為了分析東天山北坡不同量級(jí)降水日數(shù)的年代際變化趨勢(shì)，利用6次多項(xiàng)式擬合方法對(duì)該區(qū)域不同降水日數(shù)進(jìn)行序列擬合。由圖4可知，近56 a東天山北坡汛期總降水日數(shù)和小雨日數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，呈單峰雙谷型，峰值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初期，谷值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期和21世紀(jì)前10年的末期，20世紀(jì)70—90年代以及近6年均呈增加趨勢(shì)。中雨日數(shù)20世紀(jì)60—90年代初期呈增加趨勢(shì)，隨后逐漸減小持續(xù)到21世紀(jì)初期，然后逐漸增加。大雨日數(shù)從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初期呈微弱波動(dòng)增加趨勢(shì)，隨后快速增加。暴雨日數(shù)呈雙峰雙谷型，峰值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期和90年代末期，谷值出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末期和21世紀(jì)前10年的末期，隨后增加明顯。綜合分析表明，各量級(jí)降水日數(shù)均在進(jìn)入21世紀(jì)前10年后呈增加趨勢(shì)，預(yù)計(jì)這種增加趨勢(shì)仍將持續(xù)。

2.5 汛期不同量級(jí)降水日數(shù)的突變分析

圖4 1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期不同量級(jí)降水日數(shù)年代際變化趨勢(shì)Fig. 4 The trend of number of precipitation days for different magnitude during flood season on the north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016

為了檢驗(yàn)1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期不同量級(jí)降水日數(shù)較長(zhǎng)時(shí)間序列變化信號(hào)，利用M-K法進(jìn)行變化趨勢(shì)分析的同時(shí)進(jìn)行突變分析。從圖5可知，總降水日數(shù)、小雨日數(shù)和中雨日數(shù)變化趨勢(shì)相似，UF和UB曲線在臨界線（±1.96）范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，但相交的年份不同，通過(guò)信噪比檢驗(yàn)各交點(diǎn)S/N均小于1，說(shuō)明三者在研究期內(nèi)均未發(fā)生突變；同時(shí)從UF曲線演變可知從20世紀(jì)90年代末期以后呈下降趨勢(shì)，并在未來(lái)仍將持續(xù)。大雨日數(shù)在1977年之后UF曲線呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，與UB曲線相交于1991年，通過(guò)信噪比檢驗(yàn)該交點(diǎn)S/N＞1，說(shuō)明1991年是東天山北坡大雨日數(shù)的突變年，1998年超過(guò)臨界線，表明為顯著的上升趨勢(shì)；暴雨日數(shù)中UF和UB曲線在1980年以前出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，利用信噪比檢驗(yàn)所有交點(diǎn)只有1980年S/N＞1，表明該年是暴雨日數(shù)的突變年，1990年超過(guò)臨界線，表明從該年開(kāi)始為顯著上升趨勢(shì)，同樣這種上升趨勢(shì)在未來(lái)仍將持續(xù)。

圖5 1961-2016年?yáng)|天山北坡汛期總降水日數(shù)（a）、小雨日數(shù)（b）、中雨日數(shù)（c）、大雨日數(shù)（d）和暴雨日數(shù)（e）突變分析Fig. 5 The analysis of abrupt change points of total precipitation days (a), the number of light rain days (b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016

2.6 汛期不同量級(jí)降水日數(shù)與總降水量的關(guān)系

從近56 a東天山北坡汛期總降水量的空間分布可知（圖略），總雨量與總降水日數(shù)、中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)空間分布比較一致，均以木壘為大值中心，逐漸向東西兩側(cè)減小，低值區(qū)位于伊吾。汛期總降水量線性趨勢(shì)變化（圖略）與總降水日數(shù)、中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)變化較一致，為明顯的增加趨勢(shì)，達(dá)到45.06 mm/10 a；從氣候傾向率的空間分布可知（圖略）與中雨日數(shù)、大雨日數(shù)相似，均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，增加最明顯的是巴里坤，伊吾增加最?。徊煌氖峭ㄟ^(guò)顯著性檢驗(yàn)范圍和站點(diǎn)不同，總降水量有3個(gè)縣通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)。汛期總降水量與不同量級(jí)降水日數(shù)的相關(guān)系數(shù)全部通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)（表略），與小雨日數(shù)相關(guān)性最差，僅為0.36，而與其他降水日數(shù)相關(guān)系數(shù)均在0.65以上，說(shuō)明中、大、暴雨日數(shù)與汛期總降水量關(guān)系較密切，其中與大雨日數(shù)相關(guān)系數(shù)最好，高達(dá)0.84，其次是暴雨為0.74。

圖6 1961—2016年?yáng)|天山北坡汛期總降水量與總降水日數(shù)（a）、小雨日數(shù)（b）、中雨日數(shù)（c）、大雨日數(shù)（d）和暴雨日數(shù)（e）相關(guān)系數(shù)空間分布（陰影部分通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)）Fig. 6 Spatial distribution of correlation coefficient between total precipitation and total precipitation days (a), the number of light rain days (b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on the north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016 (the shaded part passes a significance level of 0.05)

從不同量級(jí)降水日數(shù)與汛期總降水量相關(guān)系數(shù)空間分布可知（圖6），總降水量與總降水日數(shù)相關(guān)性密切，5個(gè)縣均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)最高出現(xiàn)在吉木薩爾，為0.68；與小雨日數(shù)相關(guān)性相對(duì)較差，只有3個(gè)縣通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)性最好的為伊吾，達(dá)到0.42；與小雨日數(shù)相比，中雨日數(shù)與總雨量相關(guān)性有所提高，1個(gè)縣通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，4個(gè)縣通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)性最好的仍出現(xiàn)在伊吾，升至0.64；而大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)與總雨量相關(guān)性更高，5個(gè)縣均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，大雨日數(shù)相關(guān)性最好出現(xiàn)在巴里坤，為0.71；暴雨日數(shù)為0.70，出現(xiàn)在木壘。因此在汛期隨著降水量級(jí)升高，降水日數(shù)與汛期總降水量的相關(guān)系數(shù)也不斷增大，小雨日數(shù)與總雨量相關(guān)性相對(duì)較差，與大雨日數(shù)相關(guān)性最好。

3 結(jié)論

1）近56 a東天山北坡汛期總降水日數(shù)為167 d，小雨日數(shù)占總降水日數(shù)比重達(dá)79.04%，且隨著降水量級(jí)的上升，對(duì)應(yīng)的降水日數(shù)迅速減小，暴雨日數(shù)僅為3 d。從氣候傾向率變化可知，小雨日數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)，其他降水日數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中大雨日數(shù)增加最明顯，達(dá)到1.27 d/10 a，它的增加是導(dǎo)致汛期總降水日數(shù)增加的主要原因。

2）從不同量級(jí)降水日數(shù)的空間分布可知，都是以某一高值區(qū)為中心逐漸向東西兩側(cè)減小，不同的是高值區(qū)和低值區(qū)出現(xiàn)區(qū)域不同，高值區(qū)大都集中出現(xiàn)在木壘（小雨日數(shù)出現(xiàn)在巴里坤），低值區(qū)集中出現(xiàn)在吉木薩爾和伊吾。具體表現(xiàn)為總降水日數(shù)越少的區(qū)域，小雨日數(shù)所占比重越大，暴雨日數(shù)所占比重越小。

3）通過(guò)6次多項(xiàng)式擬合方法對(duì)東天山北坡近56 a不同雨日進(jìn)行序列擬合發(fā)現(xiàn)，總降水日數(shù)和小雨日數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，呈單峰雙谷型，其他降水日數(shù)變化不太一致，但總的來(lái)說(shuō)各量級(jí)降水日數(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)前十年后均呈增加趨勢(shì)。

4）利用近56 a東天山北坡汛期不同量級(jí)降水日數(shù)與總降水量關(guān)系可知，隨著降水量級(jí)升高，降水日數(shù)與汛期總降水量的相關(guān)系數(shù)也不斷增大。