1991—2020年新疆降水的時(shí)空變化特征

李曄，曼吾拉·卡德爾

（新疆機(jī)場(chǎng)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830000）

近年來隨著全球變暖，極端天氣增多，各地的降水量也隨之發(fā)生變化，李曹明等［1］對(duì)韶關(guān)地區(qū)氣候變化對(duì)降水量的影響做了闡述；王婷等［2］研究了21世紀(jì)以來廣州強(qiáng)降水的若干變化。新疆遠(yuǎn)離海洋，多干旱、半干旱地區(qū)，水資源分布極不均勻，是影響和制約新疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素。氣候的變化同樣使新疆降水量空間和時(shí)間分布也發(fā)生了一些變化。目前，對(duì)新疆降水的研究已經(jīng)取得了較多的成果。周雪英等［3］對(duì)塔克拉瑪干腹地平均降水量統(tǒng)計(jì)表明，1997—2017年平均降水量明顯增加，增濕顯著；史玉光等［4］側(cè)重新疆區(qū)域高空水汽輸送、大氣可降水量狀況研究，認(rèn)為面雨量在天山山脈兩側(cè)最多，降水量的變化全疆比較一致。本研究在以上研究的基礎(chǔ)上，對(duì)新疆降水按天山南、北坡（南疆、北疆）和山區(qū)進(jìn)行氣候分區(qū)，側(cè)重研究以上地區(qū)近30年來的降水時(shí)空變化特征，該研究對(duì)區(qū)域水循環(huán)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和新疆農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

所用資料為新疆35個(gè)氣象地面臺(tái)站1991—2020年逐日降水量數(shù)據(jù)。依據(jù)研究區(qū)站點(diǎn)的地理位置和氣候特征將新疆地區(qū)分為3個(gè)氣候區(qū)：天山北坡氣候區(qū)、天山山區(qū)（海拔1 500 m以上）和天山南坡氣候區(qū)。35個(gè)站點(diǎn)北坡氣候區(qū)11個(gè)、南坡氣候區(qū)19個(gè)、天山山區(qū)5個(gè)。為保證所選站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料的可靠性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較后處理。季節(jié)界定為冬季從12月—翌年2月、春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月。

1.2 研究方法

采用一元線性趨勢(shì)法分析降水量的年際變化趨勢(shì)，根據(jù)施能等［5］的方法，計(jì)算了降水量的年代序列與自然數(shù)數(shù)列之間的氣候趨勢(shì)系數(shù)，由于量綱一的數(shù)，所以可以根據(jù)數(shù)值大小推斷出降水量的長(zhǎng)期趨勢(shì)大小。采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法［6］（M-K檢驗(yàn)）檢驗(yàn)變化趨勢(shì)的顯著性，當(dāng)趨勢(shì)系數(shù)的絕對(duì)值P＜0.05，認(rèn)為氣候變化顯著，P＜0.01則為非常顯著。用降水變差系數(shù)反映年降水量的穩(wěn)定度，降水變差系數(shù)是指年降水量的距平數(shù)與多年平均降水量之比的百分?jǐn)?shù)，數(shù)值越小，說明年降水量的變率越小。運(yùn)用Morlet小波分析年降水量的周期變化特征［7］。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量空間分布

1）年降水量空間分布。

近30年新疆的年平均降水量為121 mm／年（按所選的35個(gè)測(cè)站計(jì)算），遠(yuǎn)低于全國(guó)年均降水量值［8］。由新疆年平均降水量空間分布（圖1）可知，新疆的降水量分布不均勻、不同地區(qū)的降水量梯度大。天山北坡和天山山區(qū)是降水量的高值區(qū)，天山北坡又以偏西、偏北地區(qū)為最；天山山區(qū)的北部降水量多于南部，海拔高處多于海拔低處，東部的天山余脈降水量顯著減少；位于南坡的塔克拉瑪干沙漠及環(huán)沙漠地區(qū)為降水量的低值區(qū)，比較而言，沙漠以西降水量多于沙漠以東，南坡的高值區(qū)位于偏西地區(qū)和中天山附近。

圖1 新疆年平均降水量空間分布

對(duì)降水量進(jìn)行梯度比較，天山北坡、山區(qū)、南坡的年均降水量分別為200.4、185.1、58.2 mm，其中北坡是南坡的3倍還多。降水量極大值為北坡的伊寧站，降水量是南坡極小值吐魯番的近145倍。造成南坡降水少的主要原因在于地形，南坡處背風(fēng)坡，且塔里木盆地西、南、北三面高山阻擋了來自大西洋和北冰洋的水汽，同時(shí)氣流越過高山進(jìn)入盆地以后下沉增溫，不利于降水云層形成［9］。

2）四季降水量空間分布。

對(duì)新疆四季的降水量空間分布進(jìn)行分析（圖略），春季和秋季降水量空間分布相似，天山北坡的西部、北部最多，南坡的沙漠和沙漠以東最少；夏季降水量的高值區(qū)移至天山山區(qū)，尤其是山區(qū)以北降水量充沛；冬季降水量基本來自北坡氣候區(qū)和山區(qū)降雪，南坡氣候區(qū)西部因緊鄰昆侖山脈東側(cè)，降水量也相對(duì)豐富。

3）降水離散特點(diǎn)。

夏季降水量占全年降水量45%，可稱為新疆的“雨季”，春季和秋季降水量相當(dāng)，冬季降水量?jī)H占12%（圖略）。對(duì)不同氣候區(qū)降水量的極值以及各季降水量在全年的占比進(jìn)行比較（表1），年降水量極值的最高、最低和高、低的差值在不同氣候區(qū)有不同表現(xiàn)。

表1 不同氣候區(qū)降水量的極值及在各季的占比

①最高值分析：北坡氣候區(qū)和山區(qū)相差不大，南坡與北坡差值為183.4 mm，北坡極值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南坡，說明南坡與其他氣候區(qū)比，大雨級(jí)別的降水少。②最低值分析：山區(qū)明顯高于坡區(qū)，南坡與山區(qū)差值為196.2 mm，表明南坡氣候區(qū)出現(xiàn)極端干旱的天數(shù)多。③對(duì)同一氣候區(qū)比較，北坡、南坡、山區(qū)的極值差分別為190.2、102.1、84.8 mm，表明山區(qū)出現(xiàn)極端降水量的情況少，引起降水的天氣系統(tǒng)更穩(wěn)定；北坡氣候區(qū)出現(xiàn)極大降水的概率相對(duì)更大。3個(gè)氣候區(qū)的降水量均為夏季占比高，但相對(duì)來說，北坡降水四季分布更均衡，山區(qū)降水量冬季與夏季差距更明顯，南坡降水量主要在夏、春兩季。

為了進(jìn)一步探究新疆降水空間分布特征，計(jì)算各測(cè)站的降水變差系數(shù)來反映當(dāng)?shù)氐慕邓€(wěn)定程度。各測(cè)站的變差系數(shù)在17% ～105%之間，數(shù)值相對(duì)比全國(guó)變差系數(shù)偏高［10］，主要是數(shù)值跨度大，說明新疆地區(qū)降水總體相對(duì)不穩(wěn)定，各地雨量、雨強(qiáng)各有特點(diǎn)。對(duì)比降水變差系數(shù)的空間分布（圖略）和年降水量的空間分布圖發(fā)現(xiàn)，降水量最少的南坡降水變差系數(shù)大，降水量最多的北坡變差系數(shù)小于南坡，但數(shù)值有高有低，山區(qū)變差系數(shù)相對(duì)小，表明山區(qū)降水量相對(duì)穩(wěn)定，南坡相對(duì)降水更不穩(wěn)定，北坡各測(cè)站穩(wěn)定度差異大。山區(qū)降水量相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)論與通過極值分析得出的結(jié)論相互印證。

以上分析表明，新疆降水量有明顯自南向北的向上梯度，地區(qū)分布差異大。不論是南坡、北坡，還是山區(qū)，均有降水量西部大于東部的特點(diǎn)。同時(shí)，降水的空間分布四季也各有其特點(diǎn)，3個(gè)氣候區(qū)的降水均呈夏季最多，冬季最少的分布。夏季高值在山區(qū)，春秋集中在北坡偏西，冬季主要在北坡偏西、偏北的地區(qū)。北坡氣候區(qū)四季降水量更均衡但易出現(xiàn)極端降水天氣，降水的穩(wěn)定度差異性大，很穩(wěn)定和很不穩(wěn)定站點(diǎn)均存在。山區(qū)降水過程比較穩(wěn)定，但降水量來源更依賴于夏季，冬、夏降水量梯度大。南坡出現(xiàn)極端干旱的天數(shù)相對(duì)其他兩個(gè)區(qū)多，且出現(xiàn)大雨級(jí)別的降水少，降水主要集中在夏、春兩季，降水的穩(wěn)定度差。

2.2 降水量的時(shí)間分布

1）年降水量時(shí)間變化。

近30年新疆降水量整體以每10年增加0.65 mm的趨勢(shì)增加，p＝0.048通過顯著性檢驗(yàn)（圖2）。35個(gè)站點(diǎn)中僅8個(gè)站點(diǎn)氣候趨勢(shì)為減少，77%的測(cè)站近30年降水量均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，年際傾向率在每10年0.9～28.6 mm之間。由歷年降水量變化并結(jié)合10年滑動(dòng)平均曲線可知，新疆平均降水量主要經(jīng)歷了由“少→多→穩(wěn)定”的3個(gè)時(shí)段。10年滑動(dòng)平均曲線20世紀(jì)90年代的降水量以每10年6.8 mm的趨勢(shì)減少，2000年代以每10年6.3 mm的趨勢(shì)增加，2010年代以每10年1.8 mm的趨勢(shì)緩慢增加（圖略）。即從20世紀(jì)90年代中后期開始，降水年際振蕩由減少轉(zhuǎn)為快速增加趨勢(shì)后，再轉(zhuǎn)為平穩(wěn)增加。

圖2 1991—2010年新疆降水量年際變化曲線

2）四季降水量時(shí)間變化。

從新疆不同季節(jié)降水量的時(shí)間變化（圖略）可以看出，新疆春季、秋季和冬季呈上升趨勢(shì)，上升速率每10年為0.7、5.0和0.9 mm，其中秋季p＝0.003通過0.01的非常顯著性檢驗(yàn)；夏季則呈下降趨勢(shì)，平均每10年下降0.7 mm，與年降水量變化的趨勢(shì)相反。秋季增幅明顯，是年降水量增加的主要貢獻(xiàn)季節(jié)。對(duì)夏、秋兩季降水量做10年滑動(dòng)平均曲線，夏季在20世紀(jì)90年代、2000年代、2010年代的氣候趨勢(shì)均為減少，平均每10年分別下降11.8、13.6、22.5 mm，如以10年為一跨度衡量新疆夏季降水，明顯看出降水量在加速減少；秋季在20世紀(jì)90年代、2000年代、2010年代的氣候趨勢(shì)均為增加，平均每10年分別下降5.0、8.8、21.1 mm，2010—2020年的降水量增加趨勢(shì)達(dá)到顯著（P＝0.05）。以10年為一跨度衡量新疆秋季降水量，降水量在加速增加，其中的原因還需進(jìn)一步探討。

3）不同氣候區(qū)降水量時(shí)間變化。

近30年來，新疆南坡、北坡和山區(qū)氣候區(qū)的降水量均呈增加趨勢(shì)（圖略），平均每10年上升2.5、9.0、12.6 mm，但山區(qū)降水量增加更多，可見近30年新疆年降水量的增加，山區(qū)及北坡貢獻(xiàn)大于南坡地區(qū)，這對(duì)新疆河流補(bǔ)給、草原和蓄水量都很有利［11］。

對(duì)每個(gè)氣候區(qū)年際變化分塊分析發(fā)現(xiàn)，35個(gè)測(cè)站中氣候趨勢(shì)為下降的8個(gè)站點(diǎn)，南、北坡氣候區(qū)分別占5和2個(gè)，南坡降水減少區(qū)域5站點(diǎn)中4個(gè)測(cè)站位于東部地區(qū)，反映出天山以東余脈為降水的集中減少區(qū)，而南坡西部個(gè)別地區(qū)增幅明顯，喀什站通過0.05的增長(zhǎng)顯著性檢驗(yàn)，環(huán)塔克拉瑪干沙漠地區(qū)增幅小，且增幅較均勻。北坡地區(qū)（11個(gè)站點(diǎn)）只有阿勒泰和富蘊(yùn)的降水量為下降趨勢(shì)，未通過顯著性檢驗(yàn)，但偏北的哈巴河和偏西的阿拉山口站通過了0.01的非常顯著增長(zhǎng)檢驗(yàn)，反映了北坡降水氣候趨勢(shì)增減分布的差異性。山區(qū)的5個(gè)測(cè)站中，僅巴里坤通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)?？梢酝茰y(cè)，各站降水增減速度的差異將進(jìn)一步增大新疆降水的空間差異。

4）降水量周期。

由新疆年降水量小波能量譜時(shí)頻特征及方差變化（圖3）可知，存在準(zhǔn)10年和準(zhǔn)20年振蕩周期，從其周期變化可以看出，20世紀(jì)90年代后期、21世紀(jì)00年代后期的降水量偏少，21世紀(jì)00年代中期和10年代中后期降水量偏多。

圖3 1991—2020年降水Morlet小波周期（a）和小波方差（b）

綜合以上分析，新疆降水量近30年呈增加趨勢(shì)，增速經(jīng)歷了少-多-穩(wěn)的過程，春、冬兩季變化平穩(wěn)略有上升，秋季增加明顯，通過0.01的非常顯著檢驗(yàn)，年降水量增加的貢獻(xiàn)主要在秋季，且以10年為一單位，降水量的增加速率在加速。夏季降水量為減少趨勢(shì)，且以10年為一單位，降水量的減少速率在加速；3個(gè)氣候區(qū)降水量氣候趨勢(shì)均為增加，但南坡增加速度小于山區(qū)和北坡，降水量減少的測(cè)站也主要在南坡，此發(fā)展態(tài)勢(shì)將進(jìn)一步加劇新疆降水的空間差異，出現(xiàn)多者恒多、少者更少的布局。新疆降水量小波分析表明存在準(zhǔn)10年和準(zhǔn)20年的周期。

3 結(jié)論

1）新疆年平均降水量、降水變差系數(shù)空間分布不均勻。降水量呈現(xiàn)自南向北快速增加的格局，整體而言北坡降水略高于山區(qū)，是南坡的2倍以上；每個(gè)氣候區(qū)都有西部降水多于東部的特點(diǎn)。

2）近30年新疆年平均降水量呈增加趨勢(shì)，經(jīng)歷了由“少→多→穩(wěn)定”的3個(gè)時(shí)段。20世紀(jì)90年代后期開始，降水年際振蕩由減少轉(zhuǎn)為快速增加趨勢(shì)直至近10年平穩(wěn)增加。新疆降水量小波分析表明存在準(zhǔn)10年和準(zhǔn)20年的周期。

3）新疆降水季節(jié)分布呈現(xiàn)夏季最多，冬季最少的格局。春、冬兩季的年變化平穩(wěn)略有上升，秋季非常顯著增加，且降水量的增加速率在加速。夏季降水量為減少趨勢(shì)，且降水量的減少速率在加速，這一結(jié)論同“新疆夏季降水逐年增加”的普遍認(rèn)識(shí)相反。

4）新疆北坡降水量四季分布更均衡，相對(duì)易出現(xiàn)極端降水天氣，降水很穩(wěn)定和很不穩(wěn)定區(qū)均存在；山區(qū)降水量來源更依賴于夏季。降水過程比較穩(wěn)定；南坡降水主要集中在夏、春兩季，降水的穩(wěn)定度差。

5）3個(gè)氣候區(qū)降水量氣候趨勢(shì)均為增加，但南坡增加速度小于山區(qū)和北坡，降水量減少的測(cè)站也主要在南坡，此發(fā)展態(tài)勢(shì)將進(jìn)一步加劇新疆降水的空間差異。