1971～2017年新疆夏季分級(jí)降水特征

李雪婷,靳立亞,李金建

（成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225）

引言

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在全球氣候趨勢(shì)變暖的背景下，北半球干旱半干旱地區(qū)已經(jīng)成為溫度增長(zhǎng)最顯著的地區(qū)，其中以中緯度地區(qū)的變化最為明顯，降水量的區(qū)域性變化尤為明顯[1]。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)每年降水量都呈現(xiàn)出明顯減少的下降趨勢(shì)，但西部干旱地區(qū)半干旱地區(qū)在近50年內(nèi)卻仍然被認(rèn)為是400年來(lái)年平均降水最充沛的一個(gè)時(shí)期，多雨情況主要出現(xiàn)在當(dāng)?shù)囟練夂蚣眲∽兣?0年中[2]。新疆地處干旱半干旱地區(qū)，作為"一帶一路"經(jīng)濟(jì)帶的一個(gè)核心地區(qū)，增強(qiáng)對(duì)新疆地區(qū)降水變化的認(rèn)識(shí)，提高新疆地區(qū)降水預(yù)報(bào)能力，這是新疆地區(qū)當(dāng)前的生活、發(fā)展的必然需求。已有研究[3-4]表明：新疆地區(qū)的氣候并非直接受季風(fēng)系統(tǒng)作用，由于地形影響，降水分布不均，以天山山脈為界，不同級(jí)別的降水量、降水日和降水強(qiáng)度呈現(xiàn)出空間差異，分布整體呈"北多南少"；新疆的降水主要集中在夏季，小雨的貢獻(xiàn)率最高，中雨其次，大雨最少，夏季的降水量與降水日的變動(dòng)主要受到夏季小雨的影響。

目前，針對(duì)新疆地區(qū)夏季降雨的氣候特征研究不多。如張新等[5]利用4個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析了1961～2005年新疆博州地區(qū)降雨量和降雨日的時(shí)空變化特征。李春芳等[6]利用7個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析了新疆阿勒泰地區(qū)暖季分級(jí)降雨氣候特征。周順武等[7]研究了西北地區(qū)東部夏季小雨、中雨和大雨這三個(gè)不同等級(jí)降水的降水量、降水日和降水強(qiáng)度的空間分布特征。杜雅菡等[4]將研究范圍擴(kuò)大至全疆?？偟恼f(shuō)來(lái)，已有工作大多以局部地區(qū)為研究對(duì)象，選取數(shù)據(jù)站點(diǎn)的數(shù)量較少，不夠全面細(xì)致，而且以往的降水分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前氣象預(yù)報(bào)服務(wù)的需求。因此，本文選取1971～2017年新疆100個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日降雨資料，在降水分級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)新疆夏季分級(jí)降水特征進(jìn)行細(xì)致深入的分析，以期加深對(duì)區(qū)域氣候變化的認(rèn)識(shí)以及促進(jìn)氣象服務(wù)工作的發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

新疆維吾爾自治區(qū)處于我國(guó)西北邊陲，占國(guó)土總面積的六分之一，其地形復(fù)雜多變，北部是阿爾泰山，南部為昆侖山系，天山橫跨新疆中部，該地形俗稱(chēng)“三山夾二盆”。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，日照充足，溫差較大，降水偏少，南疆氣溫高于北疆，而降水少于北疆[8-11]。

1.2 資料

本文中使用的數(shù)據(jù)是中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的中國(guó)2474站24小時(shí)累計(jì)雨量觀測(cè)資料。經(jīng)過(guò)篩選處理后，選取了新疆地區(qū)具有較完整觀測(cè)記錄的100個(gè)站點(diǎn)(站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1)。資料序列長(zhǎng)度為1971～2017年。根據(jù)氣候季節(jié)劃分[12]規(guī)定6～8月為夏季。

圖1 新疆氣象觀測(cè)站點(diǎn)的空間分布

1.3 研究方法

本文采用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)、氣候傾向率、Morlet小波分析等方法進(jìn)行研究。

1.4 降水標(biāo)準(zhǔn)劃分

鑒于新疆地區(qū)的特殊性，《降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(內(nèi)陸部分)》中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在新疆地區(qū)適用性較差，本文參考肖開(kāi)提等[13]制定的新疆降水量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，提出了新的分級(jí)降水標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表1。

表1 新疆地區(qū)分級(jí)降水標(biāo)準(zhǔn)

2 新疆夏季降水的時(shí)空變化特征

2.1 年平均新疆夏季降水的時(shí)空特征

圖2是1971～2017年共47年平均的新疆夏季降水的空間分布。受天山山脈地形因素的影響，新疆夏季降水主要集中在天山山脈附近，天山以北的北疆地區(qū)年平均的夏季降水量基本在60mm以上，而南疆在60mm以下，呈由北向南遞減的空間分布特征，烏魯木齊與伊犁河為夏季降水高值區(qū)。其中南疆地區(qū)同樣因地形因素的影響，夏季降水呈以塔里木盆地為中心向四周遞減的特征，大值區(qū)位于南疆西部。

圖2 1971～2017年年平均新疆夏季降水的空間分布

對(duì)1971～2017年新疆區(qū)域平均的夏季降水進(jìn)行MK突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。UF統(tǒng)計(jì)量和UB統(tǒng)計(jì)量的曲線(xiàn)交點(diǎn)大致在1987年，且通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表明1987年夏季降水發(fā)生了由少到多的突變。1987年之前，夏季降水呈減少趨勢(shì)；20世紀(jì)80年代～90年代初期，夏季降水呈顯著增加趨勢(shì)；1991年之后，夏季降水仍呈增加趨勢(shì)；2005年之后，增加趨勢(shì)減弱。

圖3 1971～2017年新疆區(qū)域平均夏季降水的M-K檢驗(yàn)

2.2 新疆夏季降水EOF分析

為了客觀描述新疆夏季降水量的空間分布特征，將1971～2017年新疆100個(gè)站點(diǎn)的夏季降水?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，進(jìn)行了EOF分解。表2給出了前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，其中前4個(gè)模態(tài)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了53.13%，可以較好地反映其時(shí)空演變特征。

模態(tài) 第一 第二 第三 第四 第五方差貢獻(xiàn)率/% 25.06 15.4 7.11 5.56 4.17累計(jì)方差貢獻(xiàn)率/% 25.06 40.46 47.57 53.13 57.3

分析第一模態(tài)（圖4a）可知，新疆夏季降水變化具有整體一致性，反映出該地區(qū)在一定程度上受同一天氣系統(tǒng)控制，南疆西南部為降水波動(dòng)最顯著區(qū)域，其次是45°N附近的北疆西部地區(qū)。由對(duì)應(yīng)時(shí)間序列(圖4e)可知：1987年之前，夏季降水偏少；1987年之后，夏季降水偏多；1980、1985和2009年夏季降水整體異常偏少，1981、1987、1993和2016年夏季降水整體異常偏多。

分析第二模態(tài)（圖4b）可知，新疆夏季降水呈南-北向的的反位相變化特征，主要反映出天山山脈地形因素的影響，烏魯木齊及周邊是變化最顯著的區(qū)域。由對(duì)應(yīng)時(shí)間序列(圖4f)可知，1985，2000和2007年南疆夏季降水異常偏多，而北疆夏季降水異常偏少，1985，2000和2007年則與之相反。

分析第三模態(tài)（圖4c）可知，新疆夏季降水呈東-西向的的反位相變化特征，反映出西部受西風(fēng)帶控制而東部受到盆地地形影響所造成的差異，北疆西部是變化最顯著的區(qū)域，其次是40°N附近的南疆東部地區(qū)。由對(duì)應(yīng)時(shí)間序列(圖4g)可知，1984，2000和2016年夏季降水分布呈顯著西多東少的特征，1985，2001，2003和2010年則與之相反。

分析第四模態(tài)（圖4d）可知，新疆夏季降水呈中部與周邊地區(qū)的反位相變化，分別以烏魯木齊及周邊與北疆北部為中心，其變化特征相反。由對(duì)應(yīng)時(shí)間序列(圖4h)可知，1999和2013年夏季降水分布呈顯著中部少周?chē)嗟奶卣鳎?986，1993和2012年則與之相反。

圖4 1971～2017年新疆夏季降水EOF分解的前四個(gè)模態(tài)（a～d.空間分布，e～h.時(shí)間序列）

3 新疆夏季分級(jí)降水的時(shí)空變化特征

3.1 長(zhǎng)期趨勢(shì)變化特征

圖5給出了1971～2017年新疆地區(qū)夏季分級(jí)降雨雨量與雨日變化趨勢(shì)的空間分布。新疆夏季整體雨量(圖5a1)與雨日(圖5a2)呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，其氣候變化趨勢(shì)系數(shù)的空間分布與新疆地區(qū)夏季降水氣候態(tài)十分類(lèi)似，呈北疆多南疆少、西部多東部少、山區(qū)多的特點(diǎn)。其中，夏季小雨的雨量(圖5b1)與雨日(圖5b2)在新疆大部呈一致的上升趨勢(shì)，僅南疆部分地區(qū)的雨量增加而雨日減少。夏季中雨(圖5c1～2)和大雨(圖5d1～2)的變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)較為一致的平穩(wěn)上升趨勢(shì)。夏季暴雨雨量(圖5e1)表現(xiàn)為全疆一致的上升趨勢(shì)，暴雨雨日(圖5e2)則顯著增多，主要增加區(qū)域集中在天山附近與南疆地區(qū)，與近年來(lái)這些地區(qū)暴雨事件頻發(fā)的事實(shí)相符。

圖5 1971～2017年新疆夏季分級(jí)降雨雨量（左）與雨日（右）氣候變化趨勢(shì)的空間分布（a1～2.夏季降雨，b1～2.小雨，c1～2.中雨，d1～2.大雨，e1～2.暴雨）

3.2 時(shí)間變化特征

通過(guò)圖6可知，1971～2017年區(qū)域平均的新疆夏季分級(jí)降雨雨量與雨日均呈增加趨勢(shì)，其中暴雨的上升趨勢(shì)最為顯著，大雨次之，小雨和中雨最弱。如表3所示，統(tǒng)計(jì)了多年平均的新疆夏季分級(jí)降雨雨日(量)（定義有效雨量(有效雨日)為4個(gè)級(jí)別的雨量(日)之和），分析發(fā)現(xiàn)：新疆地區(qū)夏季小雨雨日達(dá)到15d，占夏季降水有效雨日的84.5%，同時(shí)夏季雨量的39.2%來(lái)自小雨降水，表明新疆夏季主要以小雨為主；中雨和大雨對(duì)新疆夏季降水量貢獻(xiàn)相近，占新疆夏季降水的50%左右，中雨日約1.8d，大雨日約0.8d；暴雨雨日有0.2d，僅占夏季有效雨日的1.1%，但對(duì)雨量大小的貢獻(xiàn)達(dá)到了11.6%，表明暴雨對(duì)新疆地區(qū)夏季降水影響較大。結(jié)合圖6可知，暴雨是近47年影響新疆夏季降水的主要因素。

表3 1971～2017年多年平均的新疆夏季分級(jí)降雨雨量與雨日特征

圖6 1971～2017年區(qū)域平均的新疆夏季分級(jí)降雨雨量（左）與雨日（右）的時(shí)間變化（a、e.小雨，b、f.中雨，c、g.大雨，d、h.暴雨）

3.3 周期變化

新疆夏季降雨的小波分析(圖7a)表明：1980年前，新疆夏季降雨存在顯著的準(zhǔn)3a振蕩周期；1980～1990年，出現(xiàn)了明顯的4～7a振蕩周期；1990～2010年，以準(zhǔn)3a周期振蕩為主。

新疆夏季小雨的小波分析(圖7b)表明：1980年前，存在較明顯的3a振蕩周期；1980～1990年，存在6a與10a的振蕩周期；1990～2000年有較明顯的3a和6a振蕩周期。新疆夏季中雨的小波分析(圖7c)表明：1980～1990年，存在5a振蕩周期；在90年代后期轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為明顯且穩(wěn)定的3a振蕩周期。新疆夏季大雨的小波分析(圖7d)表明：其周期變化與小雨有部分相似，1980年前存在3a的振蕩周期，1980～1990年存在明顯3a和6a振蕩周期，1990～2000年存在較明顯的3a振蕩周期。新疆夏季暴雨的小波分析(圖7e)表明，在1990年前無(wú)明顯周期變化，此后存在明顯且較為穩(wěn)定的3a振蕩周期。

圖7 1971～2017年新疆夏季分級(jí)降雨的小波分析（a.夏季降雨，b.小雨，c.中雨，d.大雨，e.暴雨）

4 結(jié)論

利用1971～2017年新疆100個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日降雨資料，在降水分級(jí)的基礎(chǔ)上，采用EOF、M-K檢驗(yàn)、小波分析等方法，分析了新疆夏季降水的氣候演變特征。結(jié)論如下：

(1) 結(jié)合新疆夏季降水實(shí)際情況，規(guī)定降水量≥0.1mm的日數(shù)為降水日，將降水劃分四個(gè)等級(jí)：小雨(0.1～6.0mm)、中雨(6.1～12.0mm)、大雨(12.1～24.0mm)、暴雨(≥24mm)。

(2)受天山的影響，新疆夏季降水多集中在天山山脈，呈由北向南遞減的分布特征。近47年區(qū)域平均的新疆夏季降水呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，存在明顯的多時(shí)間尺度波動(dòng)，并在1987年發(fā)生由少到多的突變。

(3)新疆夏季降水的EOF分析表明其空間分布特征較為復(fù)雜。第一模態(tài)為整體一致變化，反映出該地區(qū)在一定程度上受同一天氣系統(tǒng)控制；第二模態(tài)為南-北向的的反位相變化，反映了天山山脈地形因素的影響；第三模態(tài)為東-西向的反位相變化，反映出西部受西風(fēng)帶控制而東部受到盆地地形影響所造成的差異；第四模態(tài)為中部與周邊地區(qū)的反位相變化。

(4)從空間分布來(lái)看，新疆夏季各級(jí)降水的雨量與雨日均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，其氣候變化趨勢(shì)系數(shù)的空間分布特征與夏季降水的基本一致，也表現(xiàn)出北疆大于南疆、西部大于東部、山區(qū)多于盆地和谷地的特點(diǎn)。

(5)從時(shí)間變化來(lái)看，區(qū)域平均的新疆夏季各級(jí)降水的雨量與雨日以上升趨勢(shì)為主，其中暴雨的上升趨勢(shì)最為顯著，大雨次之，小雨和中雨最弱。

(6)新疆夏季各級(jí)降水在多種尺度上表現(xiàn)出周期振蕩特征。小雨主要以3a周期為主，在1980～2000年存在6～10a周期。中雨在1990年前存在5a變化周期，后轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的3a周期。大雨主要以3a周期為主，在1980～1990年存在6a周期。暴雨降水在1990年后以3a周期變化為主。