新疆阿勒泰地區(qū)夏季短時強降水時空分布特征

趙江偉 ， 莊曉翠， 張云惠

1. 中亞大氣科學(xué)研究中心， 新疆 烏魯木齊 830002 2. 阿勒泰地區(qū)氣象局， 新疆 阿勒泰 836500 3. 新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺， 新疆 烏魯木齊 830002

0 引 言

短時強降水是強對流天氣的主要類型之一，根據(jù)氣象災(zāi)害資料統(tǒng)計，強對流是僅次于暴雨洪澇造成人員傷亡的第二大類氣象災(zāi)害。相比區(qū)域性暴雨，短時強降水主要由中小尺度天氣系統(tǒng)造成，具有生命史短、局地性強等特點，故預(yù)報難度大。因此，加強對短時強降水天氣的研究顯得尤為重要。近年來越來越多的氣象學(xué)者開始關(guān)注并研究短時強降水天氣過程(段鶴等，2014；莊曉翠等，2017；曾勇和楊蓮梅a，2017)。受資料的限制，對短時強降水的氣候特征研究較少，且主要集中在中國中東部地區(qū)，如宇如聰?shù)?2014)分析了中國暖季4—9月降水分布特征，指出華南地區(qū)是我國短時強降水多發(fā)區(qū)，日變化峰值主要出現(xiàn)在下午、清晨、夜間；徐慧燕等(2016)研究表明，麗水地區(qū)短時強降水主要發(fā)生在5—9月，呈雙峰(6月和8月)分布，日變化呈三峰分布，主峰發(fā)生在14—22時，次峰發(fā)生在03時和08時。毛冬艷等(2018)研究指出，西南地區(qū)短時強降水具有明顯的夜發(fā)性，02時左右為發(fā)生頻次的峰值時段，1 h降水量的最大值發(fā)生在海拔較高的地區(qū)。袁晨和馬力(2013)分析表明，都江堰短時強降水的夜雨特征突出，且后半夜比前半夜多；夏季的對流過程一般是沿西北山脈迎風(fēng)坡生成與發(fā)展，隨后對流系統(tǒng)發(fā)展到東南平原地區(qū)；都江堰短時強降水持續(xù)時間集中在60—130 min，最長可持續(xù)210 min。王浪和馬力(2016)的研究表明，寶興短時強降水集中發(fā)生在7、8月。王芬等(2018)分析表明黔西南州短時強降水呈東多西少的空間分布，主要出現(xiàn)在5—8月，夜間為多發(fā)時段。韓寧和苗春生(2012)研究表明，陜甘寧三省7—8月是短時強降水的多發(fā)期，兩大峰值出現(xiàn)在7月下旬和8月中旬，日變化呈雙峰分布，1 h降水量大于等于30 mm的短時強降水具有夜間多發(fā)性。

1980年以來，新疆的氣象工作者對強降水的研究主要集中在暴雨的大尺度環(huán)流背景、水汽來源及輸送等方面(張家寶等,1986；楊蓮梅等,2012)。近年來，許多學(xué)者對局地突發(fā)性暴雨、致洪性暴雨、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害暴雨進行了細致分析(曾勇和楊蓮梅b,2012；李如琦等,2016)。隨著區(qū)域站網(wǎng)的發(fā)展及業(yè)務(wù)運用，李博淵等(2017)和張超等(2019)在新疆降水日變化和短時強降水過程等方面進行了一些研究。黃艷等(2018)研究表明，南疆短時強降水在7月上旬和8月發(fā)生頻繁，日變化為明顯的雙峰特征，在凌晨、午后至傍晚較易發(fā)生，張超和賈健(2019)分析表明，烏魯木齊市短時強降水主要集中在6—8月，6月發(fā)生頻次最高。由此可見，對新疆短時強降水時空分布特征研究較少，尤其缺少基于區(qū)域自動站短時強降水特征的分析。因此，開展短時強降水的氣候特征研究，可以更全面地了解和掌握降水的氣候特征，也為短臨預(yù)警提供參考。文中以新疆阿勒泰地區(qū)(簡稱阿勒泰地區(qū))112個自動氣象站逐時降水資料為例，對2010—2018年6—8月發(fā)生的短時強降水時空分布特征進行分析，并與中國中東部地區(qū)和南疆地區(qū)進行對比，有助于進一步認識降水的氣候特征，為新疆短時臨近預(yù)警服務(wù)及防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 研究區(qū)概況、資料及方法

1.1 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)位于新疆最北部，準(zhǔn)噶爾盆地北沿，地勢整體呈現(xiàn)西低東高，南低北高，地形復(fù)雜，有高山丘陵、河流湖泊、沙漠戈壁。北部是阿爾泰山脈，呈西北東南走向；西南部為沙吾爾山脈，呈東西走向；南部為準(zhǔn)噶爾盆地。該地區(qū)位于歐亞大陸中心腹地，遠離海洋，屬中溫帶大陸性干旱半干旱氣候區(qū)，夏季短促、少炎熱，多短時強降水。因此，針對阿勒泰地區(qū)短時強降水的特征開展研究，具有重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)參考文獻(張家寶和鄧子風(fēng)，1987)對阿勒泰地區(qū)的分區(qū)，結(jié)合地形及站點分布將該區(qū)分為河谷平原(海拔<720 m)、沿山(海拔720—1 000 m)、山麓丘陵(海拔1 001—1 400 m)及山區(qū)(海拔>1 400 m)4個區(qū)域(李博淵等，2017)。阿勒泰地區(qū)站點及地形分布如圖1所示。

圖1 阿勒泰地區(qū)112個站點及地形分布

1.2 數(shù) 據(jù)

目前，中央氣象臺和中國中東部地區(qū)氣象部門將1 h降水量大于等于20 mm的降水記為短時強降水。根據(jù)多年的預(yù)報服務(wù)實踐、暴雨洪水成災(zāi)事實和干旱半干旱地區(qū)暴雨特點，新疆氣象部門將該標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為1 h降水量大于等于10 mm，為了與實際業(yè)務(wù)保持一致，文中的短時強降水定義為降水強度大于等于10 mm/h的降水(黃艷等，2018)。

采用經(jīng)過新疆氣象信息中心數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的2010—2018年6—8月阿勒泰地區(qū)8個國家基本氣象站和104個區(qū)域自動站逐時降水資料，按上述定義篩選出短時強降水事件共416次。

2 短時強降水的時空分布特征

2.1 空間分布

2010—2018年阿勒泰地區(qū)112個自動氣象站共發(fā)生短時強降水416次，發(fā)生頻次為3.7 次/站，發(fā)生最少的站只有1次，最多的站有15次(阿勒泰市園林場站)。從阿勒泰地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次分布(圖2a)可知，阿勒泰地區(qū)短時強降水空間分布極不均勻，可將短時強降水分為活躍區(qū)和不活躍區(qū)。短時強降水發(fā)生頻次大于等于4次的站主要分布在北部阿爾泰山沿山、山麓丘陵、沙吾爾山區(qū)、戈壁與烏倫古湖的交界區(qū)域，這些區(qū)域為短時強降水活躍區(qū)；發(fā)生頻次小于4次的站主要分布在河谷平原及沿山的部分區(qū)域，這些區(qū)域為短時強降水不活躍區(qū)。

圖2 2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)各站短時強降水空間分布(a.強降水發(fā)生頻次，b.各站最大短時強降水量，c.大于等于30 mm/h的短時強降水，d.年發(fā)生次數(shù)大于等于1的短時強降水年均次數(shù))Fig. 2 Spatial distribution of short-term heavy precipitation at stations in Altay area in summer 2010-2018 (a.frequency of short-term heavy precipitation； b.maximum short-term heavy precipitation at stations； c.short-term heavy precipitation ≥ 30 mm/h； d.frequency of short-term heavy precipitation with annual frequency ≥ 1

分析表1和圖2d可知，2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水年均頻次大于等于1次的站有8個，年均頻次最高的站出現(xiàn)在阿勒泰市園林場站1.7次，該站位于阿爾泰山脈迎風(fēng)坡、山麓丘陵向山區(qū)的過度區(qū)域(地形陡升區(qū))，并處于向南開口的喇叭口地形處。吉木乃縣出現(xiàn)短時強降水年頻次大于等于1的站最多，共計3站，分布在沙吾爾山北部迎風(fēng)坡，并處于山麓丘陵向山區(qū)的過度區(qū)域(地形陡升區(qū))。阿勒泰市短時強降水年頻次大于等于1的站有2個，分布在阿爾泰山地形陡升區(qū)和向南開口的喇叭口地形處。哈巴河、布爾津、福?？h短時強降水年頻次大于等于1的站均有1個，分別位于阿爾泰山脈向南開口的喇叭口、戈壁和烏倫古湖的交界區(qū)附近。因此，阿勒泰地區(qū)夏季短時強降水主要出現(xiàn)在阿爾泰山脈和沙吾爾山脈迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口地形、戈壁與烏倫古湖交界處等復(fù)雜地形附近。

表1 2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水年均頻次大于等于1次的站點信息

2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水共發(fā)生416次，各站最大短時強降水強度在10.1—37.5 mm/h。分析圖2b可知，各站雨強在10.0—20.0 mm/h的最大短時強降水主要分布在阿勒泰市和富蘊縣南部、福?？h大部河谷平原、沙吾爾山東部背風(fēng)坡及部分山麓丘陵地帶。各站雨強大于等于20.0 mm/h的最大短時強降水主要分布在阿爾泰山和沙吾爾山的沿山、山麓丘陵、山區(qū)，這些站點多位于喇叭口地形(如阿勒泰市園林場、布爾津縣庫須根)、地形陡升區(qū)(如吉木乃縣闊克責(zé)克)等特殊地形附近。大于等于30.1 mm的短時強降水發(fā)生頻次最少，范圍最小，共發(fā)生了7次(圖2c)，分布在沿山向山麓丘陵、山麓丘陵向山區(qū)及喇叭口等特殊地形附近。阿勒泰地區(qū)極值短時強降水出現(xiàn)在哈巴河縣合孜勒哈克村站(37.5 mm/h)，該站位于河谷向沿山過渡的喇叭口地形附近，北部為阿爾泰山脈，地形為北高南低，當(dāng)西南或偏南氣流遇山脈時，在山前輻合加強，系統(tǒng)移動滯緩，有利于強降水的發(fā)生。

進一步分析可知，山地迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口等特殊地形附近更容易發(fā)生短時強降水，說明特殊地形能夠加強氣流的強迫抬升或輻合，對降水起到增幅作用。

2.2 時間分布

2.2.1 年分布

圖3a、b是2010—2018年阿勒泰地區(qū)不同強度的短時強降水年發(fā)生次數(shù)，各站大于等于10 mm/h的短時強降水年平均發(fā)生了46次，年際變化大，與氣候背景及降水多寡有關(guān)。2017年出現(xiàn)最多達95次，2010年最少為10次。大于等于20 mm/h的短時強降水年平均發(fā)生7次，僅占總次數(shù)的14.7%，發(fā)生頻次呈驟減趨勢，2017年出現(xiàn)最多為17次，而2014年出現(xiàn)最少為1次。大于等于30 mm/h的短時強降水年平均發(fā)生不到1次，僅占總次數(shù)的1.7%，繼續(xù)呈驟減趨勢，2017年出現(xiàn)最多為3次，有5個年份沒有出現(xiàn)過大于等于30 mm/h 的短時強降水。可見，阿勒泰地區(qū)大于等于30 mm/h的短時強降水的發(fā)生是小概率事件。

從圖3c逐年短時強降水最大值的演變可見，各年最大短時強降水差異較大，共有4 a出現(xiàn)了雨強大于等于30 mm/h的短時強降水。年最大短時強降水出現(xiàn)在2017年6月30日15時哈巴河縣合孜勒哈克村站，降水強度達37.5 mm/h，該站地形復(fù)雜，位于山前有利于地形抬升，又處于向南開口的喇叭口地形附近，同時海拔較低、午后熱力條件最好。其次是2013年6月23日19:00阿勒泰市闊仕薩依爾溝站，降水強度達34.4 mm/h，該站位于沿山向山麓丘陵的過渡區(qū)域，同時也位于向南開口的喇叭口地形附近。第三是2012年7月15日20:00布爾津縣也拉曼村勃拉德站，降水強度達32.8 mm/h，該站地形阿勒泰市闊仕薩依爾溝相似。這些站點均位于阿爾泰沿山、喇叭口地形、地形陡升區(qū)域或平原向山脈的過渡區(qū)域等復(fù)雜地形附近。結(jié)合表1可知，阿勒泰地區(qū)年最大短時強降水與發(fā)生頻次沒有直接的關(guān)系，主要與特殊地形有關(guān)。

圖3 2010—2018年阿勒泰地區(qū)短時強降水年次數(shù)(a)、雨強分級年頻次(b)、雨強年最大值(c)

2.2.2 月、旬分布

2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)雨強大于等于10 mm/h的短時強降水7月出現(xiàn)最多，共計148次，平均23次；6月次之，共計148次，平均16.4次；8月最少，共計65次，平均7.2次。各站大于等于20 mm/h的短時強降水發(fā)生頻次銳減，7月平均3.4次，6月平均2.6次，8月不到1次。各站大于等于30 mm/h的短時強降水共發(fā)生了7次，主要發(fā)生在6月和7月(圖略)?？梢姡S著雨強的增大，短時強降水出現(xiàn)次數(shù)明顯減少。

2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水分級旬發(fā)生頻次呈單峰型(圖4)。各站雨強大于等于10 mm/h的短時強降水在6月上、中旬分別平均發(fā)生2.8、3.1次，到下旬突增至10.1次，7月上旬繼續(xù)增多，達11.1次，7月中、下旬驟減為5.8、5.7次。8月上、中旬繼續(xù)減少，中旬最少為1.1次，8月下旬略有增多。各站大于等于20 mm/h的短時強降水主要發(fā)生在6月下旬到7月中旬，平均為1.3—1.7次，其余各旬不足1次；各站大于等于30 mm/h的短時強降水主要發(fā)生在6月下旬，共發(fā)生了5次，其次是7月中旬，共發(fā)生2次?？梢?，2010—2018年阿勒泰地區(qū)短時強降水主要發(fā)生在6月下旬到7月上旬，這與中國中東部地區(qū)短時強降水主要發(fā)生在7—8月不同(宇如聰?shù)龋?014)。

圖4 2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水分級各旬發(fā)生頻次

2.2.3 日變化

分析2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水逐時平均次數(shù)(圖5a)可見，短時強降水有明顯的日變化，13—22時發(fā)生次數(shù)顯著增加，共計37次，占總次數(shù)的80%；峰值出現(xiàn)在19時。23時—次日12時發(fā)生次數(shù)相對較少，共計9次，占總次數(shù)的20%；谷值出現(xiàn)在05時。分析逐時最大值雨強(圖5b)可見，極大值出現(xiàn)在15時(37.5 mm/h)，極小值出現(xiàn)在05時(11.1 mm/h)。小于20 mm/h的短時強降水發(fā)生在23時至次日12時，大于20 mm/h的短時強降水發(fā)生在13—22時。短時強降水逐時雨強極大值與逐時平均次數(shù)的日變化基本一致，與中國中東部地區(qū)短時強降水的日變化具有夜發(fā)特性不同(宇如聰?shù)龋?014；徐慧燕等，2016；王芬等，2018)，與南疆地區(qū)短時強降水日變化具有雙峰特征，凌晨、午后至傍晚較易發(fā)生也不同(黃艷等，2018)。主要是因為阿勒泰地區(qū)位于中高緯度夏季晝長夜短，氣溫日較差大，白天升溫迅速，尤其是午后太陽輻射增溫達最強，至傍晚前后大氣層結(jié)不穩(wěn)定性顯著增強，易產(chǎn)生局地強對流天氣。

圖5 2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)短時強降水逐時平均次數(shù)日變化(a)和逐時最大值雨強 (b)Fig. 5 Daily variation of hourly average times of short-term heavy precipitation (a), hourly maximum rainfall intensity (b) in Altay during summer from 2010 to 2018

2.2.4 持續(xù)時間

2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)各站短時強降水持續(xù)時間為1—2 h，其中持續(xù)時間為1 h的降水發(fā)生頻次最高，占總次數(shù)的78%，主要出現(xiàn)在阿爾泰和沙吾爾沿山和山麓丘陵區(qū)。從空間分布來看，當(dāng)短時強降水落區(qū)自西向東移動時，其影響區(qū)域較大，過程持續(xù)時間長，多站出現(xiàn)短時強降水，把滿足此條件的短時強降水事件也稱為區(qū)域性短時強降水；近9 a阿勒泰地區(qū)區(qū)域性短時強降水共出現(xiàn)8次，持續(xù)時間(圖略)最長為5 h，發(fā)生在2017年6月30日14—18時，先后共17站出現(xiàn)短時強降水。

3 結(jié)論與討論

文中基于2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)112個自動氣象站逐時降水資料，采用常規(guī)統(tǒng)計方法分析了阿勒泰地區(qū)夏季短時強降水空間分布和年、月、旬分布特征，所得結(jié)論如下

1) 阿勒泰地區(qū)的特殊地形對短時強降水有明顯增幅作用，阿爾泰山和沙吾爾山迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口地形及戈壁和烏倫古湖交界區(qū)等復(fù)雜地形附近的短時強降水發(fā)生頻次、量級均高于河谷平原區(qū)域。

2) 阿勒泰地區(qū)各站短時強降水發(fā)生次數(shù)年際變化大，雨強的大小與發(fā)生頻次的多少成負相關(guān)關(guān)系，年最大短時強降水與發(fā)生頻次沒有強相關(guān)關(guān)系，主要與特殊地形有關(guān)。

3) 阿勒泰地區(qū)短時強降水旬發(fā)生頻次呈單峰型分布，高峰值時間段出現(xiàn)在6月下旬至7月上旬；逐時平均次數(shù)日變化也呈單峰型分布，高峰值時間段出現(xiàn)在午后至傍晚。

4) 2010—2018年夏季阿勒泰地區(qū)各站短時強降水持續(xù)時間較短，持續(xù)時間為1 h的短時強降水發(fā)生頻次最高；區(qū)域性短時強降水發(fā)生頻次較少，僅發(fā)生了8次，為小概率事件。

研究發(fā)現(xiàn)，阿勒泰地區(qū)夏季短時強降水與地形有密切的關(guān)系，其月旬變化及日變化不同于中國中東部地區(qū)，與南疆也存在差異。阿勒泰地區(qū)位于遠離海洋的中高緯地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，較弱的西來系統(tǒng)遇山地減弱北收，主要影響阿勒泰地區(qū)中西部。地形、天氣系統(tǒng)路徑及水汽條件等都可能是造成阿勒泰地區(qū)短時強降水日、旬、月變化與中國中東部和南疆差異的影響因素。