塔克拉玛干沙漠腹地降雨特征分析

钟昕洁, 高宇星, 马 凯, 张爱强, 周成龙,4

(1.巴州气象局, 新疆 库尔勒 841000; 2.西安市气象局， 陕西 西安 710000;3.塔中气象站, 新疆 塔中841000； 4.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002)

塔克拉玛干沙漠腹地降雨特征分析

钟昕洁1, 高宇星2, 马 凯1, 张爱强3, 周成龙1,4

(1.巴州气象局, 新疆 库尔勒 841000; 2.西安市气象局， 陕西 西安 710000;3.塔中气象站, 新疆 塔中841000； 4.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002)

[目的] 探究塔克拉玛干沙漠腹地降雨特征，为该区生态环境建设提供支持。 [方法] 利用塔中气象站2005—2014年4—10月的逐小时降水量资料，通过对雨强、降水量、雨日等综合分析塔中地区近10 a降雨特征。 [结果] 研究区逐小时降水量和降水频次在时次分布上具有较好的一致性，23:00至翌日8：00时为高值区，17：00到22:00为低值区；1 h雨强(用R1表示)，降水频次最多是R1≤0.5 mm的降水，占总频次的64.5%，其次是0.6 mm≤R1≤1.5 mm，但从对降水的贡献率来看0.6 mm≤R1≤1.5 mm的贡献率最高，占总降水量的26.4%，其次是R1≥4.6 mm；不同量级降水过程(用R表示)，0.1 mm≤R≤2 mm的降水过程发生频次最多，R≥6.1mm降水过程对降水量贡献率最大，占总降水量的52.6%；夜间为降水的易发时段；R≥6.1 mm的降水过程主要集中在5—7月，尤其多发生在6月，且有1/2发生在前半夜；5 h以下的降水占了降水总数的85.5%。 [结论] 研究区的降水主要以短时夜雨为主，近年来≥6.1 mm雨日呈增加且稳定趋势，因此沙漠地区有出现大降水的可能性。

降水; 雨强; 持续时间; 塔克拉玛干沙漠腹地

降水作为沙漠地区的重要水分来源，对沙丘移动和植被分布皆有影响[1]，同时对全球气候变化响应也十分敏感[2]。而对于降水的研究，也由过去单一地对降水量研究转向对降水量、雨日、雨强的综合研究。近年来众多学者以逐日、逐小时资料为基础对有关降水事件进行分析，并获取一定认知[3-6]。对于塔克拉玛干沙漠，众多学者大都关注在水汽含量方面，崔丽娜等[7]利用2009年7月和9月塔中站的地基GPS观测数据，给出了塔中及周边地区可降水量的日、月分布特征；俞亚勋[8]、王宝鉴等[9]分别利用NCEP/NCAR1958—2000年和1961—2003年2.5°×2.5°格点再分析资料分析西北地区水汽时空分布特征后，前者认为塔克拉玛干沙漠的水汽含量达到40 mm以上，后者表明塔克拉玛干沙漠地区中心年平均值超过150 mm；赵芬等[10]也认为塔克拉玛干沙漠中心是水汽含量高值区；杨青等[11]利用1976—2009年塔里木盆地5个探空站的实测资料，给出塔克拉玛干沙漠腹地是水汽的低值区中心，水汽含量仅为7～8 mm。可以看出，有关塔克拉玛干沙漠腹地水汽含量的研究目前尚存在不同的看法，而关于该地区降水的研究更鲜有报道，基于此，本研究拟利用塔中气象站2005—2014年4—10月的塔中气象站的逐小时长期连续降水资料对沙漠地区的降水做精细化特征分析，进而与不同下垫面的降水以及沙漠腹地可降水量进行对比分析，从而更直观地体现沙漠腹地的降水特征。

1 资料与方法

选用塔中气象站2005—2014年4—10月的的逐小时降水量资料，通过筛选去除缺测的降水记录，对逐小时降雨高发时段、降水频次和不同量级逐小时雨强发生频次、雨日等进行统计分析。对逐小时降水频次的统计，只要该时刻内降水大于等于0.1 mm，就认为该小时内有一次降水发生，然后统计各时次降水频次的总和。雨强，又称降雨强度，指单位时间的降雨量，文中雨强均指1 h雨强，现将1 h雨强(用R1表示)分为6个量级，即R1≤0.5 mm，0.6 mm≤R1≤1.5 mm，1.6 mm≤R1≤2.5 mm， 2.6 mm≤R1≤3.5 mm，3.6 mm≤R1≤4.5 mm，R1≥4.6 mm，分别统计各量级发生的频次。将1 h雨强不同量级降水量之和占各量级降水量总和的百分比称为各量级降水对总量级的贡献率。分析不同量级降水变化特征时，按降水过程来统计降水量，过程降水量用R表示，现将该地区过程降水量分为：0.1 mm≤R≤2 mm，2.1 mm≤R≤4 mm，4.1 mm≤R≤6 mm以及R≥6.1 mm共4个量级。当一次降水结束后6 h没有降水发生，就认定为该次降水结束。对不同量级降水的日变化特征分析，考虑塔中所处时区，将每日分为4个时段：上午(08：00—13：00)、下午(14：00—19：00)、前半夜(20：00—01：00)、后半夜(02：00—07：00)。雨日定义为日降水量大于等于0.1 mm的日数，如果前一日20：00(北京时，后同)到当日20：00之间的降水量大于等于0.1 mm，就记为一个雨日，这24 h内的降水量叫作日雨量。现将该地区雨日分为：0.6 mm≤雨量≤2 mm，大于等于2.1 mm≤雨量≤4 mm，4.1 mm≤雨量≤6 mm和≥6.1 mm共4个等级。

2 结果与分析

2.1 逐小时降水日变化

通过逐小时累积降水量日变化(图1)可以看出，累积降水量最多的时次是23：00，占总降水量的12.2%，最少的时次是19:00，仅占总降水量的1.2%。夜间23：00至早上08：00为降水量的高值时段，占总降水量的52.5%，17:00至22：00为降水量的低值时段，仅为总降水量的14.6%。近10 a不同年份之间相同时次降水量有很大差异，各时次的降水量有显著的年际变化，一年之内不同时刻的降水量差异也非常大。崔丽娜[7]利用GPS观测数据给出了塔克拉玛干沙漠腹地日大气可降水量的两个极大值出现在08：00和23：00，2个极小值出现在01：00和14：00，且最大值与最小值仅差1 mm。以上可以看出，沙漠腹地的降水量和可降水量在时次分布上具有较好的一致性，但是在降水转化率上差异较为明显。

由图1可知，夜间23：00至16：00为降水易发时段，该时段累计降水频次达到了总降水频次的83.5%，且这一时段内各时次降水频次均超过了10次，其中早上06：00降水次数最多，达到了20次。17：00至22：00为降水频次的低值区，最小值出现在20：00，仅有6次降水。塔克拉玛干沙漠腹地近10 a降水频次与降水量通过线性拟合，二者相关性不明显(R2=0.34)，但是二者的日分布却表现较为一致，因此沙漠腹地各时次降水量除和降水频次有关外，其他因素也起到重要作用。对比唐冶[12-13]和王世杰等[14]对伊宁市和乌鲁木齐市所得逐小时降水量和降水频次日分布特征，3种不同下垫面所得结论大致相同。

图1 研究区2005—2014年逐小时累积降水量与小时累积降水频次日变化

2.2 雨强和不同量级的降水变化特征

通过对1 h雨强的降水量和降水频次统计得到塔克拉玛干沙漠腹地近10 a中逐小时降水共321次，降水量总和为248.1 mm。如图2所示，1 h雨强，R1≤0.5 mm的累积频次最多，共207次，占降水频次总和的64.5%，累积降水量为45.1 mm，对降水总量的贡献率为18.2%。0.6 mm≤R1≤1.5 mm累积降水71次，占降水频次总和的22.1%，累积降水量为65.6 mm，对降水总量的贡献率为26.4%。1.6 mm≤R1≤2.5 mm累积降水共19次，占降水频次总和的5.9%，累积降水量为38.1 mm，对降水总量的贡献率为15.4%。2.6 mm≤R1≤3.5 mm的降水频次共11次，占降水频次总和的3.4%，共产生降水量为31.7 mm，对降水总量的贡献率为12.8%。3.6 mm≤R1≤4.5 mm和R1≥4.6 mm的累积降水频次分别为4次和9次，分别占降水频次总和的1.2%和2.8%，各产生降水量16.4和51.2 mm，对降水总量的贡献率分别为6.6%和20.6%。综上，沙漠腹地1 h雨强从降水频次来看以R1≤0.5 mm为主，但0.6 mm≤R1≤1.5 mm对降水总量的贡献最大。塔克拉玛干沙漠腹地1 h最大雨强出现在2005年5月15日23时，降水量达到8.5 mm，这在下垫面为沙漠的塔中地区是极其少见的。

图2 研究区不同量级雨强降水量及频次变化特征

图3和表1给出了塔克拉玛干沙漠腹地近10 a不同量级降水频次的逐年变化以及各自总持续时间、总降水量的对比分布。塔中地区降水频次以0.1 mm≤R≤2 mm过程为主，此量级的降水过程变化最为明显，呈波浪式前进，整体有下降趋势，其中2006年出现13次，为近10 a最多，最少出现在2008年，仅6次，10 a共发生此过程93次，共产生降水量54.9 mm，平均每年9.3次，每次0.6 mm，总持续时间为191 h，平均每次持续时间为2 h。2.1 mm≤R≤4 mm和4.1 mm≤R≤6 mm这2个降水过程不同年份间存在一定的差异，其中前者共发生14次，总持续时间87 h，共产生降水39.1 mm，后者10 a间仅发生5次，总持续时间15 h，产生降水总量为23.7 mm。近10 a内R≥6.1 mm降水过程，在2008—2010年没有出现过，但2005年和2011—2013年各发生了2次此类降水过程，可见近年来有增加且稳定的趋势。10 a共发生这样的过程12次，总持续时间为92 h，共产生降水130.4 mm，平均每年都发生1.2次，每次持续时间为7.6 h，每次产生降水11 mm。由此可见R≥6.1 mm的降水过程对整个沙漠降水量贡献最大。

图3 不同量级降水频次(R,mm)的年际变化

降水量级/mm总频次总持续时间/h总降水量/mm01≤R≤29319154921≤R≤4148739141≤R≤6515237R≥6112921304

由表2统计可以得到，上午，下午，前半夜和后半夜分别共出现降水过程30，29，33和32次，即各时间段出现降水过程的概率差别不大。0.1 mm≤R≤2 mm的降水过程最易发生在上午和后半夜，各出现25次，分别占各自时段降水频次的83%和78%，各占此量级降水频次的27%；2.1 mm≤R≤4 mm的降水过程最容易发生在前半夜，占此量级降水频次的36%；4.1 mm≤R≤6 mm的降水过程在下午没出现过，而夜间出现的概率达到该量级的80%；R≥6.1 mm的降水过程最易发生在前半夜，几乎占到了该量级降水频次的50%。沙漠腹地降水易发生在夜间，主要以夜雨为主，唐冶等[13]给出伊宁市小雨降水过程易发生在后半夜，中雨、大雨和暴雨易发生在前半夜；王世杰等[14]经过统计得到乌鲁木齐市前半夜为小雨、中雨和大雨易发时段，下午为暴雨过程易发时段。通过对比，沙漠腹地虽降水量明显少于它们，但降水易发时段大都发生在夜间，这可能与新疆所处地形有关，张家宝等[15]指出，夜间降水次数出现多的原因主要是局地地形和冷空气活动的综合影响。上午，下午，前半夜和后半夜各自共产生降水量分别为47.8，54.6，90.1和55.6 mm。夜间降水的贡献率最大，占总降水量的59%。

表2 研究区不同量级降水过程发生时段统计

注：量级、降水量、持续时间单位分别为mm，mm，h。

塔克拉玛干沙漠腹地的降雨10 a间在4和10月仅发生6次降水过程，因此本研究主要分析5—9月各月的降水过程。从各月降水过程来看，6月为降水过程发生最多月份，9月为最少月份。通过图4可以看出，5—9月的降水过程主要以0.1 mm≤R≤2 mm为主，分别占各月降水过程总数的82.6%，73.8%，71.0%，66.7%和77.8%。2.1 mm≤R≤4 mm的降水过程主要发生在7月，占此量级发生频次的50%；4.1 mm≤R≤6 mm的降水过程在各月中发生的次数最少，7和9月没有发生过此类降水。R≥6.1 mm的降水主要发生在6月，占此量级降水频次的66.7%，8和9月没有发生这类降水过程，因此R≥6.1 mm的降水过程主要集中在5—7月，尤其多发生在6月。

图4 不同量级降水频次的月变化(R单位：mm)

2.3 不同持续时间降水变化特征

图5给出了不同持续时间降水的日变化特征，可以看出不同持续时间的降水在一日之内表现出了不同的变化特征。各时刻主要还是以持续1～3 h的降水为主，其中06：00出现9次，为最多，23：00次多，为7次，02:00,10:00,11:00和20：00出现次数最少，各仅1次。随着持续时间的增加，各时刻降水频次明显减少，10 a中持续时间在7 h以上的共出现了17次，持续10～12 h的降水共发生了6次，分别出现在11:00，18：00以及夜间22：00到翌日02：00，持续13～15和16 h以上的降水仅各出现了1次，分别发生在07:00和22：00。塔克拉玛干沙漠腹地近10 a共124次降水过程(表3)，持续1 h的降水共54次，占降水总频次的43.5%，持续2～5 h的降水分别占降水总频次的19.4%，8.9%，6.5%和7.3%，5 h以下的降水占降水总数的85.5%。因此塔克拉玛干沙漠腹地主要还是以短时降水为主。

表3 研究区不同持续时间的频次对比

图5 研究区不同持续时间的日变化

2.4 雨日的变化特征

表4给出了塔克拉玛干沙漠腹地不同等级雨日的逐年变化状况。

由表4可以看出，塔克拉玛干沙漠腹地近10 a共有降雨日数125 d，平均每年12.5 d，年降雨日数超过15 d的分别出现在2005和2010年，2009年降雨日数仅7 d。大于等于0.1 mm小于等于2 mm的雨日总数为95 d，平均每年9.5 d，其中2006年和2010年有13 d，为10 a中最大，2008,2009和2014年有7 d，为10 a中最小，整体降水日数还是以此等级为主，它占到总雨日的76%。大于等于6.1 mm的雨日10 a共12 d，其中2008—2010年没有发生这样等级的雨日，但2011—2014年都有2 d这类较大的降水，大于等于6.1 mm的雨日有增加且稳定的趋势。塔克拉玛干沙漠腹地各等级的雨日年际变化显著，如大于等于2.1 mm小于等于4 mm和大于等于4.1 mm小于等于6 mm的降水日数，有的年份一年可以出现几天，而有的一年之内也没有出现过。

表4 雨日的年变化统计

3 讨论与结论

(1) 塔克拉玛干沙漠腹地近10 a逐小时累积降水量和累积频次在时次分布上具有较好的一致性，23：00至翌日08：00为高值区，17：00到22：00为低值区，但二者相关性不明显，相关系数R2为0.34，且各时次降水转化率差异较为明显。。

(2) 1 h雨强，降水频次最多量级是R1≤0.5 mm的降水，占总频次的64.5%，其次是0.6 mm≤R1≤1.5 mm，但从对降水的贡献率来看0.6 mm≤R1≤1.5 mm的贡献率最高，占总降水量的26.4%，其次是R1≥4.6 mm的降水；不同量级降水过程均有较明显的年际差异，0.1 mm≤R≤2 mm的降水过程发生频次最多，但从对降水量贡献来看，R≥6.1 mm降水过程的贡献率最大，占总降水量的52.6%。

(3) 夜间为沙漠腹地降水的易发时段，与不同下垫面对比，所得结论较为一致，这与局地地形和冷空气活动的综合影响有关[15]。R≥6.1 mm降水过程主要集中在5—7月，尤其多发生在6月，且有1/2发生在前半夜。

(4) 塔克拉玛干沙漠腹地主要还是以短时降水为主，06：00出现频次最多，23：00次之，其中5 h以下降水占降水总数的85.5%。

(5) 从近10 a沙漠腹地≥6.1 mm的雨日来看，有增加且稳定的趋势，各等级雨日年际变化显著，有的年份一年可以出现几天，而有的一年之内也没有出现过。

新疆地区降雨过程具有地域特色，其形成机制与季风区有很大差异。塔克拉玛干沙漠腹地近年来R≥6.1 mm的降水过程呈现增加趋势。何清等[16]结合1988年塔克拉玛干沙漠的实测资料证实沙漠腹地大暴雨存在的可能性，王敏仲等[17]总结4大云系只要进入塔里木盆地活动，都会影响沙漠降水。而我们对于沙漠腹地较大降雨的关注和研究都较少，防灾减灾和利用气象资源能力与社会经济发展的需要还有很大差距。因此对该地区降水的环流形势、动力机制和水汽来源等问题都有待进一步的研究，以提高该地区降雨的预报准确率。

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Analysis of Rainfall Variation In Hinterland of Taklamakan Desert

ZHONG Xinjie1, GAO Yuxing2, MA Kai1, ZHANG Aiqiang3, ZHOU Chenglong1,4

(1.BazhouMeteorologicalBureau,Kuerle,Xinjiang841000,China; 2.Xi’anMeteorologicalBureau,Xi’an,Shaanxi710000,China; 3.TazhongMeteorologicalStation,Tazhong,Xinjiang841000,China； 4.InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi,Xinjiang830002,China)

[Objedtive] The characteristics of precipitation in the hinterland of Taklimakan Desert were explored to provide support for the construction of ecological environment. [Methods] Based on the hourly precipitation data from April to October during 2005—2014 from Tazhong meteorological station, the rainfall intensity， precipitation and the days of precipitation, etc. were analyzed to describe the rainfall characteristics of Tazhong area. [Results] The diurnal variations of hourly precipitation and rainfall frequency were consistent in the study area. The peaks of hourly rainfall and rainfall frequency both occurred from 23:00 to 08:00, and the minimum value occurred from 17:00 to 22:00. The frequency of rainfall(represented byR1)≤0.5 mm were the most and accounted for 64.5% of all rainfall events, the following intensities were 0.6 mm≤R1≤1.5 mm andR1≥4.6 mm. The contribution of 0.6 mm≤R1≤1.5 mm was the highest and accounted for 26.4% of the total precipitation amount. In terms of the magnitude of precipitation(R), light rain or less of 0.1 mm≤R≤2 mm occurred the most, butR≥6.1 mm precipitation events had the highest contribution to the total precipitation, the value was 52.6%. The rain was more frequently occurred in night time. Moderate rain focused from May to July, especially in June, half of that occurred in the first half of night. The precipitation duration of less than or equal to 5 h accounted for 85.5%. [Conclusion] The precipitation in the study area were mainly composed of short-time night-rain. In recent years，the precipitation of ≥6.1 mm showed a trend of stable increase， so the large precipitation in desert area may be possible.

rainfall; rainfall intensity; duration; the hinterland of Taklimakan Desert

2015-11-20

2016-02-29

公益性行业(气象)科研专项“干旱气象科学研究—我国北方干旱致灾过程及机理”(GYHY201506001)

钟昕洁(1989—),女(汉族),新疆维吾尔自治区库尔勒市人,助理工程师,主要从事公共气象服务。E-mail:baohululdacheng@163.com。

周成龙(1986—),男(汉族),江苏省邳州市人,硕士,工程师,主要从事沙漠气象研究。E-mail:592432611@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.051

A

1000-288X(2016)06-0303-05

P458.1, S157.1

文献参数： 钟昕洁, 高宇星, 马凯等.塔克拉玛干沙漠腹地降雨特征分析[J].水土保持通报，2016,36(6)：303-307.