新疆夏季暴雨精細(xì)化特征分析*

楊 霞 周鴻奎 趙逸舟 唐 震 趙克明

1 新疆氣象臺(tái)，烏魯木齊 830002

2 新疆氣象信息中心，烏魯木齊 830002

3 新疆氣象局，烏魯木齊 830002

4 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072

提 要： 使用2013—2019年901個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水資料，分析了新疆夏季暴雨的精細(xì)化特征，得到以下結(jié)論：新疆的暴雨日數(shù)總體呈北疆多，南疆少，山區(qū)多，平原少的特征；除天山山區(qū)中段外，南疆東南部昆侖山北坡的部分區(qū)域也是新疆暴雨高發(fā)區(qū)。7月(8月)新疆暴雨日數(shù)最多(少)，短時(shí)強(qiáng)降水事件在暴雨中出現(xiàn)的比例也最高(低)，以局地對(duì)流性暴雨(區(qū)域系統(tǒng)性暴雨)為主。新疆75.3%的站點(diǎn)在暴雨日中都出現(xiàn)過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水事件，短時(shí)強(qiáng)降水事件在年平均暴雨日數(shù)不足1天的區(qū)域高發(fā)，在暴雨日數(shù)較多的區(qū)域出現(xiàn)的比例反而較低。短時(shí)強(qiáng)降水事件在暴雨日中出現(xiàn)的比例還隨海拔高度的降低而增加，海拔低于500 m的站點(diǎn)在暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例超過(guò)85%。北疆博爾塔拉州、克拉瑪依市、塔城地區(qū)北部、阿勒泰地區(qū)西部暴雨的“日雨”特征顯著，暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)短，短時(shí)強(qiáng)降水事件的發(fā)生比例高，區(qū)域平均的累計(jì)降水量、降水頻次和平均降水強(qiáng)度的峰值時(shí)段均出現(xiàn)在下午至傍晚前后，以對(duì)流性暴雨為主；伊犁河谷至北疆沿天山一帶和天山山區(qū)暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)長(zhǎng)，短時(shí)強(qiáng)降水事件的發(fā)生比例低，累計(jì)降水量和降水頻次的峰值時(shí)段出現(xiàn)在夜間至上午；平均降水強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在傍晚至前半夜，以系統(tǒng)性暴雨為主；南疆暴雨的日變化特征比北疆復(fù)雜，暴雨的降水性質(zhì)也更為復(fù)雜。

引 言

暴雨是我國(guó)主要的災(zāi)害性天氣之一(陶詩(shī)言，1980；丁一匯和張建云，2009)，其導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害常危及人民生命財(cái)產(chǎn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失(茍阿寧等，2019；劉揚(yáng)和王維國(guó)，2020；許鳳雯等，2020)。我國(guó)暴雨頻發(fā)于長(zhǎng)江中下游、華南、華西和華北等地區(qū)(鮑名和黃榮輝，2006；陳棟等，2015)，暴雨日數(shù)南方多北方少、東部多西部少，沿海多內(nèi)陸少。近年來(lái)，氣象學(xué)者對(duì)我國(guó)季風(fēng)區(qū)暴雨的時(shí)空分布特征、形成機(jī)理和預(yù)報(bào)方法等進(jìn)行了大量研究(吳麗姬等，2007；王東海等，2007；王春學(xué)等，2017；汪玲瑤等，2018；高守亭等，2018)，為暴雨預(yù)報(bào)、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防災(zāi)減災(zāi)提供了科學(xué)依據(jù)(黃榮輝等，2012；廖代強(qiáng)等，2019；蘇冉等，2019)。

新疆位于中國(guó)西北部，地域遼闊，地形復(fù)雜，北部的阿爾泰山、中部的天山、南部的昆侖山和北疆的準(zhǔn)噶爾盆地、南疆的塔里木盆地構(gòu)成特殊的“三山夾兩盆”地形。新疆遠(yuǎn)離海洋，是典型的干旱半干旱地區(qū)，主要受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響，降水特征與我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)存在顯著差別(張家寶等，1986；張家寶和鄧子風(fēng)，1987；馬淑紅和席元偉，1997)。新疆的暴雨雨量與我國(guó)東部地區(qū)相比明顯偏少，但其相對(duì)強(qiáng)度很大，一次暴雨過(guò)程的降水量甚至能接近或超過(guò)當(dāng)?shù)氐哪昶骄邓?楊蓮梅，2003)。由于新疆地表植被少，貯水能力差，暴雨極易誘發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害，給人民生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。1996年7月新疆出現(xiàn)持續(xù)性大范圍暴雨過(guò)程，引發(fā)特大洪水造成境內(nèi)3條鐵路干線和主要的國(guó)道、省道幾乎全部中斷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)40.9億元，超過(guò)了新疆1995年地方財(cái)政總收入(馬禹等，1998)。2018年7月31日，新疆哈密市伊州區(qū)沁城鄉(xiāng)小堡發(fā)生極端暴雨，過(guò)程降雨量為110 mm，超過(guò)該地歷史最大年降雨量(52.4 mm)，暴雨引發(fā)射月溝水庫(kù)潰壩，造成多人遇難，當(dāng)?shù)毓?、鐵路、電力和通信設(shè)施嚴(yán)重受損。

研究表明，20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，青藏高原北側(cè)的西北干旱區(qū)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，新疆是顯著轉(zhuǎn)型區(qū)，在整個(gè)西北區(qū)域轉(zhuǎn)型特征最為突出(施雅風(fēng)等，2002；2003)。進(jìn)入21世紀(jì)后，新疆暴雨增多(楊蓮梅等，2011)，特別是近10年新疆暴雨造成的災(zāi)害約占當(dāng)?shù)貧庀鬄?zāi)害的40%。由于受到觀測(cè)技術(shù)水平的限制，20世紀(jì)90年代前，新疆僅有105個(gè)國(guó)家基本氣象站，因此早期開(kāi)展的新疆暴雨特征研究不論是空間尺度還是時(shí)間尺度都相對(duì)較粗(張家寶和鄧子風(fēng)，1987)，難以全面系統(tǒng)地揭示新疆暴雨的精細(xì)化特征。目前，新疆的暴雨研究主要從天氣學(xué)角度，通過(guò)大量的天氣個(gè)例分析，對(duì)造成新疆暴雨的大尺度環(huán)流背景(張?jiān)苹莸龋?015；孫穎姝等，2019)、中尺度天氣系統(tǒng)(楊霞等，2014；曾勇等，2019；劉晶等，2019)和暴雨過(guò)程的水汽輸送及快速集中機(jī)制(張俊蘭等，2016)等都有了一定的認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，隨著自動(dòng)氣象站網(wǎng)的不斷完善，目前新疆已建成1 800余個(gè)自動(dòng)氣象站，高時(shí)空分辨率的降水資料為深入系統(tǒng)地開(kāi)展新疆暴雨精細(xì)化特征研究提供了條件。本文利用2013—2019年區(qū)域加密自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水資料，分析新疆夏季暴雨的精細(xì)化特征，以期進(jìn)一步加深對(duì)干旱區(qū)暴雨的認(rèn)識(shí)，為新疆暴雨預(yù)報(bào)服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料和方法

本文使用2013—2019年夏季(6—8月)新疆901個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水資料進(jìn)行研究，首先對(duì)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水資料進(jìn)行查驗(yàn)，剔除了異常值和缺測(cè)數(shù)據(jù)。

新疆地處干旱半干旱地區(qū)，全國(guó)的暴雨標(biāo)準(zhǔn)和短時(shí)強(qiáng)降水事件的標(biāo)準(zhǔn)在新疆都不適用。本文采用新疆現(xiàn)行的降水業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)(張家寶等，1986)，即日降水量R(指前一日20時(shí)至當(dāng)日20時(shí)各時(shí)次≥0.1 mm 的累計(jì)降水總量)，當(dāng)24.1 mm≤R≤48.0 mm 時(shí)為暴雨，48.1 mm≤R≤96.0 mm為大暴雨，R≥96.1 mm為特大暴雨。將小時(shí)降水量≥10.0 mm的降水事件定義為短時(shí)強(qiáng)降水事件。本文中某站的暴雨日數(shù)指該站日降水量達(dá)到新疆暴雨標(biāo)準(zhǔn)的降雨日數(shù)；某日新疆區(qū)域內(nèi)任意一站出現(xiàn)暴雨，則該日就記為一個(gè)新疆暴雨日；一個(gè)新疆暴雨日內(nèi)出現(xiàn)的總暴雨站次即為當(dāng)日的暴雨站次，其中同時(shí)出現(xiàn)短時(shí)降水事件的暴雨站次即為伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次。平均暴雨站次指累計(jì)暴雨站次與總暴雨站點(diǎn)數(shù)之比。

小時(shí)降水量指某整點(diǎn)到下一個(gè)整點(diǎn)1小時(shí)內(nèi)≥0.1 mm 的累計(jì)降水總量；若某小時(shí)降水量≥0.1 mm，則該小時(shí)記錄1次小時(shí)降水頻次；逐時(shí)累計(jì)降水量與對(duì)應(yīng)時(shí)次累計(jì)降水頻次之比為該小時(shí)多年平均降水強(qiáng)度。暴雨日的降水時(shí)數(shù)指暴雨日中小時(shí)降水量≥0.1 mm的累計(jì)小時(shí)數(shù)，某站暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)指該站暴雨日的累計(jì)降水時(shí)數(shù)與暴雨日數(shù)之比。某一海拔區(qū)間暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的平均比例為該海拔區(qū)間內(nèi)的所有站在暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件比例的平均。

2 結(jié)果分析

2.1 新疆夏季暴雨的基本特征

圖1給出2013—2019年新疆夏季暴雨日數(shù)和暴雨站次的年際和月際分布特征，可以看出：2013—2019年新疆共出現(xiàn)362個(gè)暴雨日和2 722站次暴雨；平均每年出現(xiàn)51.7個(gè)暴雨日和388.9站次暴雨。新疆暴雨日數(shù)和暴雨站次的年變化趨勢(shì)基本一致，但暴雨站次的年變化比暴雨日數(shù)更大。2013—2019年中，2017年的新疆暴雨日數(shù)最多，為60 d，2014年最少，為41 d，二者相差19 d；2016年的暴雨站次最多，為790站次；2014年最少，僅為165站次，二者相差625站次。從新疆暴雨日數(shù)和站次的月變化可以看出(圖1b)，二者的分布特征存在差異，新疆暴雨日數(shù)7月最多，6月次之，8月最少；但暴雨站次卻是6月最多，8月次之，7月最少。由此可知，在夏季的三個(gè)月中， 7月的新疆暴雨日數(shù)雖然最多，但該月的暴雨站次卻最少，說(shuō)明7月新疆更易出現(xiàn)局地性暴雨；8月的新疆暴雨日數(shù)最少，但該月的暴雨站次卻不少，因此8月新疆更易出現(xiàn)區(qū)域性暴雨。

圖1 2013—2019年夏季新疆暴雨日數(shù)和暴雨站次年變化(a)及月變化(b)分布Fig.1 Annual variation (a), monthly variation (b) of rainstorm days and station frequencies in Xinjiang in summer from 2013 to 2019

2013—2019年夏季，新疆共有694個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)暴雨，平均每年約99個(gè)，占總站點(diǎn)數(shù)的11%。新疆各站年平均暴雨日數(shù)的分布總體呈北疆多，南疆少；山區(qū)多，平原少的特征(圖2)。伊犁河谷東部南部、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)中段東段、南疆西部山區(qū)和南疆東南部昆侖山北部山區(qū)的年平均暴雨日數(shù)較多，其中天山山區(qū)中段是暴雨日數(shù)最多的地區(qū)，年平均暴雨日數(shù)可達(dá)3.6 d，南北疆其他地區(qū)的年平均暴雨日數(shù)均不足1 d。由于新疆105個(gè)國(guó)家基本氣象站主要分布在平原地區(qū)，山區(qū)站點(diǎn)較少，特別是南疆的山區(qū)站點(diǎn)更少，而且主要分布在南疆西部，因此過(guò)去使用國(guó)家基本氣象站降水資料開(kāi)展的新疆暴雨研究，無(wú)法反映出南疆東南部昆侖山北坡部分山區(qū)站點(diǎn)也是新疆暴雨高發(fā)區(qū)的特征(楊蓮梅，2003)。本文利用區(qū)域加密自動(dòng)氣象站的降水資料分析后發(fā)現(xiàn)，南疆東南部昆侖山北坡部分山區(qū)站點(diǎn)的年平均暴雨日數(shù)最多可達(dá)2.4 d，該數(shù)值大于南疆西部山區(qū)，與北疆沿天山一帶接近。然而，目前針對(duì)南疆暴雨的研究主要集中在西部，對(duì)南疆南部昆侖山北坡暴雨涉及的較少，對(duì)這一區(qū)域暴雨的形成機(jī)制尚不清晰，還需要進(jìn)一步深入研究。

圖2 2013—2019年夏季新疆各站年平均暴雨日數(shù)(彩色圓點(diǎn))分布Fig.2 Spatial distribution of mean annual rainstorm days (color dots) in Xinjiang in summer from 2013 to 2019

表1給出新疆不同海拔(H)區(qū)間的站點(diǎn)數(shù)、暴雨站數(shù)和暴雨站次分布，可以看出，新疆70%以上的觀測(cè)站點(diǎn)都分布在500 m2 500 m的站點(diǎn)最少，僅有52個(gè)，其中38.5%的站點(diǎn)(20個(gè))出現(xiàn)過(guò)暴雨，每站平均出現(xiàn)暴雨5.5次；1 500 m

表1 2013—2019年夏季新疆暴雨站數(shù)、暴雨站次和短時(shí)強(qiáng)降水事件在不同海拔(H)區(qū)間的分布Table 1 The distributions of the number of rainstorm stations, rainstorm station frequencies and short-time severe precipitation events at different altitudes (H) intervals in Xinjiang in summer from 2013 to 2019

2.2 暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的特征

新疆暴雨的突發(fā)性強(qiáng)，歷時(shí)短，暴雨天氣過(guò)程中常常存在由中小尺度對(duì)流系統(tǒng)造成的短時(shí)強(qiáng)降水事件，許多暴雨過(guò)程的1 h最大降水量，6 h降水量和日降水量都很接近，這也是干旱區(qū)暴雨不同于季風(fēng)區(qū)暴雨的特征(張家寶和鄧子風(fēng)，1987)。為了弄清新疆夏季暴雨中短時(shí)強(qiáng)降水事件的發(fā)生情況，本文分別統(tǒng)計(jì)了2013—2019年夏季新疆暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例。由圖3a可以看出，新疆平均每年有173.9站次暴雨中伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件，暴雨中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的站次占暴雨總站次的年平均比例為44.7%。2013—2019年中，2016年伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次最多，為318站次，但該年伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次占總暴雨站次的比例最低，僅為40.3%；2014年伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次最少，為73站次，2019年伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次占總暴雨站次的比例最高，為51.1%。從夏季逐月分布可以看出(圖3b)，新疆6月伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次最多；7月次之，8月最少；但7月伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次占總暴雨站次的比例最高，6月次之，8月最少。對(duì)比圖1b和圖3b不難看出，7月新疆暴雨日數(shù)最多，暴雨中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例也最高，因此7月的暴雨多由局地強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)造成，影響范圍相對(duì)較小，從而使得該月的暴雨站次是夏季3個(gè)月中最少的。8月新疆暴雨日數(shù)最少，暴雨中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例最低，因此8月的暴雨多由系統(tǒng)性降水造成，影響范圍相對(duì)較大，從而使得該月的暴雨站次并不少。

圖3 2013—2019年夏季伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次和伴有短時(shí)強(qiáng)降水事件的暴雨站次占總暴雨站次的比例的年變化(a)和月變化(b)Fig.3 Annual variation (a) and monthly variation (b) in Xinjiang in summer from 2013 to 2019 both rainstorm station frequencies with short-time severe precipitation and the proportion of rainstorm station frequencies accompanied by short-time severe precipitation to total rainstorm station frequencies

從新疆夏季各站暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)比例的空間分布可以看出(圖4)，全疆有198個(gè)站點(diǎn)在夏季暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例為100%，這些站點(diǎn)主要分布在北疆的博爾塔拉州、塔城地區(qū)北部、克拉瑪依市、阿勒泰地區(qū)西部、天山北坡中段和南疆塔里木盆地。北疆伊犁河谷、天山山區(qū)中段、阿勒泰地區(qū)東部和南疆西北部山區(qū)暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例為50%左右；天山山區(qū)西段是新疆暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)比例最低的區(qū)域，不足30%。對(duì)比圖4和圖2不難看出，新疆各站年平均暴雨日數(shù)和暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)比例的空間分布存在較大差異：在暴雨日數(shù)較多的伊犁河谷和天山山區(qū)中段，暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例較低，而在北疆博爾塔拉州、塔城地區(qū)北部、克拉瑪依市、阿勒泰地區(qū)西部和南疆塔里木盆地等年平均暴雨日數(shù)不足1 d的區(qū)域，大部分站點(diǎn)暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例都較高，甚至為100%?？梢?jiàn)，新疆短時(shí)強(qiáng)降水事件在暴雨日數(shù)較少的區(qū)域出現(xiàn)比例較高，在暴雨日數(shù)較多的區(qū)域出現(xiàn)比例反而較少，這一特征與我國(guó)東部地區(qū)存在差異。

圖4 2013—2019年夏季新疆夏季暴雨中短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)的比例(彩色圓點(diǎn))Fig.4 Proportion (colored dots) of short-time severe precipitation events of summer rainstorm in Xinjiang from 2013 to 2019

進(jìn)一步分析新疆不同海拔區(qū)間的站點(diǎn)在暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例可以看出(表1)，2013—2019年，新疆共有527個(gè)站點(diǎn)在暴雨日中出現(xiàn)過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水事件，占總暴雨站點(diǎn)的75.9%，其中H>2 500 m的暴雨站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例最低，僅為30%，其他3個(gè)海拔區(qū)間的暴雨站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例均超過(guò)70%。由表1還可以看出，新疆暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例隨海拔高度的降低而增加，H≤500 m的站點(diǎn)在暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例(85.4%)約是H>2 500 m(42%)站點(diǎn)的2倍。由表1還可以看出，新疆H≤500 m的地區(qū)，出現(xiàn)過(guò)暴雨的站點(diǎn)數(shù)比例和每站平均出現(xiàn)的暴雨次數(shù)都是最少的，但是這些站點(diǎn)在暴雨日中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水事件的比例卻超過(guò)85%，說(shuō)明新疆H≤500 m的站點(diǎn)很少出現(xiàn)暴雨，每次暴雨幾乎都是由強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)造成的短時(shí)強(qiáng)降水事件產(chǎn)生的。

2.3 暴雨降水時(shí)數(shù)及晝夜分布

過(guò)去由于觀測(cè)資料的限制，無(wú)法精確地獲得暴雨日的降水時(shí)數(shù)，本文利用自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料，逐站統(tǒng)計(jì)其暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)(R)，得到新疆區(qū)域暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)為11.3 h。由圖5可以看出，北疆各站按暴雨日數(shù)平均的降水時(shí)數(shù)的空間差異較大，除阿勒泰地區(qū)東部外，博爾塔拉州、塔城地區(qū)北部、克拉瑪依市和阿勒泰地區(qū)西部暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)均小于12 h；而伊犁河谷至北疆沿天山一帶、天山山區(qū)大部地區(qū)暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)均大于12 h；南疆各站暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)的空間差異不顯著。為了進(jìn)一步分析新疆各站暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)的分布特征，按照R≤6 h、612 h將暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)分為3類，可以看出，R≤6的站點(diǎn)共有107個(gè)，占總暴雨站數(shù)的15.4%，主要分布在新疆87°E以西地區(qū)，除哈密市北部的個(gè)別站點(diǎn)外，南北疆87°E以東的區(qū)域基本沒(méi)有(圖5b)。612 h的站點(diǎn)共有301個(gè)，占總暴雨站數(shù)的43.4%，主要分布在北疆的伊犁河谷、天山山區(qū)、阿勒泰地區(qū)東部以及南疆的高海拔山區(qū)(圖5d)。綜上所述，新疆80%以上站點(diǎn)R>6 h，R>12 h的站點(diǎn)集中分布在伊犁河谷和天山山區(qū)，R≤6 h的站點(diǎn)主要分布在新疆西部，東部幾乎沒(méi)有。

圖5 2013—2019年夏季新疆各站暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)分布(a)；暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)R≤6 h(b)，612 h(d)的站點(diǎn)分布(彩色圓點(diǎn))Fig.5 Mean rainfall hours of summer rainstorm in Xinjiang (a), site distribution with R ≤6 h (b), 612 h (d) (colored dots) from 2013 to 2019

研究表明，新疆夏季降水的夜雨特征明顯(崔彩霞等，2008)，那么新疆夏季暴雨是否也具有明顯的夜雨特征呢？為弄清這個(gè)問(wèn)題，本文按白天(08—20時(shí))和夜間(20—08時(shí))兩個(gè)時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)站白天和夜間的降水量及降水時(shí)數(shù)占總暴雨降水量和降水時(shí)數(shù)的比例。由圖6可以看出，北疆地區(qū)夏季暴雨降水量晝夜比例的空間差異較大，博爾塔拉州、塔城地區(qū)、克拉瑪依市和阿勒泰地區(qū)東部以晝雨為主，白天降水量占暴雨總降水量的比例超過(guò)80%(圖6a)；而伊犁河谷和天山山區(qū)中段地區(qū)以夜雨為主，夜間降水量占暴雨總降水量的比例超過(guò)70%(圖6b)。北疆地區(qū)暴雨日的降水時(shí)數(shù)晝夜比例的空間分布與暴雨降水量存在差異，博爾塔拉州、塔城地區(qū)、克拉瑪依市和阿勒泰地區(qū)西部暴雨日的降水時(shí)數(shù)白天多(圖6c)，天山山區(qū)中段夜間多，伊犁河谷地區(qū)晝夜比例接近(圖6d)。南疆除西部地區(qū)，暴雨降水量和降水時(shí)數(shù)均以夜間居多外，其他區(qū)域的晝夜差異不顯著。

圖6 2013—2019年夏季新疆暴雨08—20時(shí)降水量(a)和降水時(shí)數(shù)(c)；20—08時(shí)降水量(b)，降水時(shí)數(shù)(d)分別占總暴雨降水量和總降水時(shí)數(shù)的比例(彩色圓點(diǎn))Fig.6 The ratio (color dots) of precipitation (a， b) and precipitation hour (c, d) to total rainstorm precipitation and total rainstorm precipitation hour respectively in Xinjiang during (a, c) 08:00 BT-20:00 BT and (b, d) 20:00 BT-08:00 BT in summer from 2013 to 2019

2.4 暴雨的日變化特征

日變化是全球天氣氣候系統(tǒng)變化的最基本模態(tài)之一，降水的日變化差異在諸多氣象變量中表現(xiàn)的最為顯著(宇如聰?shù)龋?014)。新疆地處干旱半旱區(qū)，其夏季暴雨呈現(xiàn)怎樣的日變化特征呢？由前文分析可知，北疆地區(qū)暴雨的降水性質(zhì)存在顯著的區(qū)域差異，博爾塔拉州、克拉瑪依市、塔城地區(qū)北部、阿勒泰地區(qū)西部暴雨日數(shù)少，但暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例高；伊犁河谷至北疆沿天山一帶和天山山區(qū)的暴雨日數(shù)多，但暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例低。為進(jìn)一步分析不同區(qū)域夏季暴雨的日變化特征，本文將北疆劃分為兩個(gè)區(qū)域，即北疆Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，其中北疆Ⅰ區(qū)包括博爾塔拉州、塔城地區(qū)、克拉瑪依市和阿勒泰地區(qū)西部，北疆Ⅱ區(qū)包括伊犁河谷至北疆沿天山一帶和天山山區(qū)(圖4)。

圖7給出北疆Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和南疆暴雨日中各時(shí)次累計(jì)降水量、累計(jì)降水頻次和平均降水強(qiáng)度的日變化特征曲線?？梢钥闯?，北疆Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)累計(jì)降水量日變化曲線的峰值時(shí)段和谷值時(shí)段幾乎呈反位相分布，北疆Ⅰ區(qū)降水量的峰值時(shí)段為15—20時(shí)，谷值時(shí)段為02—14時(shí)(圖7a1)；北疆Ⅱ區(qū)的峰值時(shí)段則為22時(shí)至次日13時(shí)，谷值時(shí)段為14—21時(shí)(圖7a2)。南疆地區(qū)累計(jì)降水量日變化曲線呈多峰型(圖7a3)，04、10和18時(shí)為3個(gè)相對(duì)峰值，21時(shí)是南疆降水量最少時(shí)次，降水量不到峰值時(shí)次的1/2。北疆Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和南疆地區(qū)累計(jì)降水頻次的日變化曲線均呈單峰型(圖7b)，累計(jì)降水頻次最大時(shí)次分別出現(xiàn)在16、11和04時(shí)。北疆I區(qū)平均降水強(qiáng)度與累計(jì)降水量的日變化曲線分布較為相似，峰值時(shí)段也在15—20時(shí)，谷值時(shí)段為02時(shí)至次日14時(shí)(圖7c1)。北疆Ⅱ區(qū)平均降水強(qiáng)度日變化曲線也呈單峰型，降水強(qiáng)度最大時(shí)次出現(xiàn)在23時(shí)。南疆平均降水強(qiáng)度日變化曲線呈雙峰型，峰值時(shí)次分別出現(xiàn)在18時(shí)和22時(shí)，05—14時(shí)的平均降水強(qiáng)度較小。

圖7 2013—2019年夏季新疆不同區(qū)域暴雨日累計(jì)降水量(a)、累計(jì)降水頻次(b)、平均降水強(qiáng)度(c)的日變化特征(a1，b1，c1)北疆Ⅰ區(qū)，(a2，b2，c2)北疆Ⅱ區(qū)，(a3，b3，c3)南疆Fig.7 Diurnal variation characteristics of accumulated precipitation (a), accumulated precipitation frequency (b) and average precipitation intensity (c) during rainstorm days in different regions of Xinjiang in summer from 2013 to 2019 (a1, b1, c1) District Ⅰ of northern Xinjiang, (a2, b2, c2) District Ⅱ of northern Xinjiang, (a3, b3, c3) southern Xinjiang

綜上所述，北疆Ⅰ區(qū)暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)較短，短時(shí)強(qiáng)降水事件在暴雨日中高發(fā)，累計(jì)降水量、累計(jì)降水頻次和平均降水強(qiáng)度的峰值時(shí)段一致，均在下午至傍晚前后；因此該區(qū)域的暴雨主要由午后至傍晚前后的對(duì)流性降水造成。北疆Ⅱ區(qū)的累計(jì)降水量和累計(jì)降水頻次的峰值時(shí)段接近，均在夜間至上午，平均降水強(qiáng)度的峰值在傍晚前后至前半夜，該區(qū)域暴雨日短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例較低，暴雨的平均降水時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，暴雨以系統(tǒng)性降水為主。南疆地區(qū)暴雨的降水性質(zhì)較為復(fù)雜，其累計(jì)降水量和平均降水強(qiáng)度在凌晨和傍晚均存在一個(gè)峰值，而累計(jì)降水頻次卻只在凌晨存在一個(gè)峰值，因此南疆地區(qū)的暴雨在夜間時(shí)段降水量多可能是由于降水頻次多，而在傍晚時(shí)段降水量多，可能是因?yàn)檫@一時(shí)段的降水強(qiáng)度大所致，由于傍晚前后是南疆對(duì)流系統(tǒng)較為活躍的時(shí)段，因此這一時(shí)段雖然降水頻次不多，但由對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的降水強(qiáng)度較大，從而使得降水量較多。

3 結(jié)論與討論

本文使用2013—2019年901個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水資料，分析了新疆夏季暴雨的精細(xì)化特征，得到以下結(jié)論：

(1)7月新疆暴雨日數(shù)最多，短時(shí)強(qiáng)降水事件在暴雨日中的出現(xiàn)比例也最高，但暴雨站次最少，因此7月多局地對(duì)流性暴雨；8月新疆暴雨日數(shù)最少，但暴雨站次卻較多，暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例最低，因此8月多區(qū)域系統(tǒng)性暴雨。

(2)新疆各站年平均暴雨日數(shù)總體呈北疆多，南疆少，山區(qū)多，平原少的特征；天山山區(qū)中段是新疆年平均暴雨日數(shù)最多的區(qū)域。由于缺乏山區(qū)站點(diǎn)的觀測(cè)，國(guó)家基本氣象站降水資料無(wú)法分析出南疆南部昆侖山北坡的山區(qū)站點(diǎn)也是新疆暴雨高發(fā)區(qū)域的特征，區(qū)域加密自動(dòng)氣象站降水資料揭示該區(qū)域年平均暴雨日數(shù)最多可達(dá)2.4 d，與北疆沿天山一帶接近。

(3)新疆75.3%的站點(diǎn)在暴雨日中都出現(xiàn)過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水事件，短時(shí)強(qiáng)降水事件在年平均暴雨日數(shù)不足1 d的區(qū)域高發(fā)，在暴雨日數(shù)較多的區(qū)域出現(xiàn)的比例反而較低。暴雨日中短時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)比例隨海拔高度的降低而增加，海拔低于500 m站點(diǎn)的比例(85.4%)約是海拔高于2 500 m站點(diǎn)(42%)的2倍。

(4)新疆80%以上站點(diǎn)暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)都大于6 h，暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)大于12 h的站點(diǎn)集中分布在伊犁河谷和天山山區(qū)，暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)小于6 h的站點(diǎn)主要分布在新疆西部，東部幾乎沒(méi)有。北疆地區(qū)夏季暴雨降水量晝夜比例的空間差異較大，博爾塔拉州、塔城地區(qū)北部、克拉瑪依市和阿勒泰地區(qū)東部以晝雨為主；伊犁河谷和天山山區(qū)中段以夜雨為主。南疆除西部地區(qū)夜雨特征明顯外，其他區(qū)域的晝夜差異不顯著。

(5)北疆暴雨的日變化特征存在顯著的區(qū)域差異，北疆Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)累計(jì)降水量日變化的峰值和谷值時(shí)段呈反位相分布，北疆Ⅰ區(qū)累計(jì)降水量、累計(jì)降水頻次和平均降水強(qiáng)度的峰值時(shí)段均在下午至傍晚前后，該區(qū)域暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)短，短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生比例高，以局地對(duì)流性暴雨為主；北疆Ⅱ區(qū)累計(jì)降水量和降水頻次的峰值時(shí)段在夜間至上午；平均降水強(qiáng)度的峰值在傍晚前后至前半夜，該區(qū)域暴雨日的平均降水時(shí)數(shù)長(zhǎng)，短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生比例低，以區(qū)域系統(tǒng)性暴雨為主；南疆地區(qū)暴雨的降水日變化特征更為復(fù)雜，暴雨的降水性質(zhì)也更復(fù)雜。

新疆地域遼闊，擁有高山、戈壁、沙漠、綠洲等復(fù)雜地形，強(qiáng)降水形成的機(jī)制與我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)存在較大差異。本文僅對(duì)新疆暴雨的精細(xì)化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，未涉及機(jī)理研究，今后將結(jié)合環(huán)流特征，從動(dòng)力、熱力等方面，利用數(shù)值模式模擬等方式，進(jìn)一步探究新疆不同區(qū)域，不同降水性質(zhì)的暴雨過(guò)程的中尺度天氣系統(tǒng)特征和強(qiáng)降水形成的物理機(jī)制。