巴丹吉林和腾格里沙漠降水特征初步分析

苏俊礼，汪结华，李江萍，尚可政，康延臻，贾旭伟，邬仲勋

(1.半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州大学大气科学学院， 甘肃　兰州　730000；2.中国人民解放军95994部队，甘肃　酒泉　735000; 3.中国人民解放军92493部队，辽宁　葫芦岛　125000)



巴丹吉林和腾格里沙漠降水特征初步分析

苏俊礼1,2，汪结华3，李江萍1，尚可政1，康延臻1，贾旭伟1，邬仲勋1

(1.半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州大学大气科学学院， 甘肃兰州730000；2.中国人民解放军95994部队，甘肃酒泉735000; 3.中国人民解放军92493部队，辽宁葫芦岛125000)

摘要：巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠作为中国北方最重要的两大沙漠，降水对其形成和演变意义重大。本文利用2008～2013年中国降水融合资料以及2010年8月19日NCEP再分析资料、地面台站观测资料，对比研究了巴丹吉林和腾格里两大沙漠区的降水时空分布特征和一次典型降水个例。结果表明：(1)巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠地区的降水主要集中在5～9月，其它月份降水量均较少；(2)降水融合资料能够细致地刻画出两大沙漠不同季节日均逐时降水量的变化特征；(3)通过个例分析发现，沙漠周边站点资料无法全面反映整个沙漠的降水情况，而降水融合资料显示的降水过程与NCEP资料的高空形势以及要素场分布有很好的对应关系，能够较为细致地反映沙漠降水的全貌。

关键词：巴丹吉林沙漠；腾格里沙漠；融合降水资料

引言

我国西北地区约占国土面积的1/3，干旱和半干旱面积占了80%以上[1]，且区域内山脉、荒漠相互交错，地形复杂。近年来有关学者对西北地区降水的特点及其影响因素做了大量研究[2-9]。但这些研究多侧重于对西北地区整体降水情况的分析，针对区域内沙漠地区降水特征的研究相对较少。水分是荒漠地区变化最敏感的气象要素和生态要素[10]，降水的变化将会对沙漠地区的沙丘移动以及植被覆盖产生较大影响。我国是世界上沙漠最多的国家之一，沙漠广袤千里呈一条弧形带绵延于西北、华北以及东北地区，约处于35°N～50°N，75°E～125°E之间[11]。地处贺兰山以西的内陆高原上的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠是影响西北地区最大的沙漠区域，研究这一沙漠区域的降水变化特征具有理论和实际意义。近年来，学者们对沙漠降水的研究主要有2种方式：(1)根据沙漠周围气象站点的降水资料分析沙漠降水特征；(2)基于沙漠腹地建立观测站而获得的降水资料进行降水特征分析研究。上述2种方法均取得了一系列的研究成果，如赵勇等[11]通过分析库姆塔格沙漠周边6个测站1961～2004 年的气温和降水资料，发现这6个站的降水和气温变化具有较高的相似性和一致性，沙漠周边的气温和降水呈增高和增加趋势，具有较明显的暖湿化趋势；马宁等[12]通过分析巴丹吉林沙漠周边9个气象站点的观测资料，得出其年降水量以0.87 mm/10 a的速率呈微弱增加趋势。另外还发现，近50 a其北缘年降水量略有减少，南缘略有增加，各站点季节降水量变化趋势亦不明显且变化特征不同[13]；黄俊利等[14]利用1966～2009年塔克拉玛干沙漠南缘16个站的逐日降水资料，运用累积频率方法以及Mann-Kendall法和滑动t检验方法，确定了塔克拉玛干沙漠南缘各站极端降水量的阈值，得出极端降水指数的突变特征；王乃昂等[15]利用巴丹吉林沙漠腹地定位观测的降水数据，发现沙漠腹地与外围的降水在季节分布上有较好的一致性，年降水量少于沙漠南缘的阿拉善右旗气象站，但明显多于东南缘、北缘和西北缘；何清等[16]利用塔克拉玛干沙漠腹地的观测资料证实了沙漠腹地也可以出现强降水。这些研究成果一定程度上说明了沙漠的降水特征，但是由于缺乏沙漠降水的全时空资料，因而无法较为全面地展现沙漠腹地的降水特征。本文利用全新的降水数据集资料，研究巴丹吉林—腾格里沙漠的降水时空分布及变化特征，为沙漠气候的研究和沙漠的生态治理提供新的数据支撑。

1研究区域概况

巴丹吉林沙漠，位于我国内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善右旗北部，雅布赖山以西、北大山以北、弱水以东、拐子湖以南，地理位置39°04′N～42°12′N，98°30′E～104°34′E，海拔1 200～1 700 m，总面积约5.2×104km2，是我国第二大沙漠[17](基于遥感的巴丹吉林沙漠范围)，其中西北部还有1万多平方公里的沙漠至今没有人类的足迹。腾格里沙漠位于内蒙古自治区阿拉善左旗西南部和甘肃省中部边境，南越长城，东抵贺兰山，西至雅布赖山与巴丹吉林沙漠相隔，介于37°30′N～40°N，102°20′E～106°E，面积约3.0×104km2，海拔1 200～1 400 m左右，是中国第四大沙漠[18]。由于巴丹吉林和腾格里沙漠同处于阿拉善高原且相邻，故而对这两大沙漠区域的降水同时进行研究，可以更好地诠释西北沙漠的降水特征。

2资料和方法

所用降水资料是国家气象信息中心气象数据研究室制作的中国自动站与CMORPH融合的逐时降水量数据集(1.0版，其网格0.1°)，起止时间是2008年1月1日00时至2013年12月31日24时。此融合数据基于全国3万余个自动观测站逐小时降水量和CMORPH卫星反演的降水产品，采用PDF(Probability Density Function，概率密度匹配方法[19])加OI(Optimum Interpolation，最优插值法[20])两步融合方式生成，经过了包括气候学界限值、区域界限值、时间和空间一致性检查在内的严格质量控制处理。根据评估结果[19-23]，此数据集有效地利用了地面观测和卫星反演降水的优势，降水值及空间分布均更为合理，其优点在于能准确抓住强降水过程，在定量监测强降水中有优势。

在对融合资料分析时，发现研究区域的降水融合资料存在缺测，缺测资料主要集中在12月，缺测资料不足总资料的2%。为了最大限度保证资料的完整性，对资料中的缺测部分进行插值补充。

同时还使用了NCEP/NCAR再分析资料以及地面台站的观测资料。

3降水时空分布特征

3.1降水空间分布

图1为巴丹吉林和腾格里沙漠2008～2013年年降水量的空间分布。可以看出，冬季各月中，两大沙漠大部分地区的月降水量都在5.0 mm以下，且具有很明显不连片的分布特征。究其原因：冬季冷空气处于最强势的时期，来自西伯利亚的强冷空气经中国新疆或者蒙古国使研究区域内冬季常年维持寒冷干旱的气候特征[1]，降水量稀少；而降水分布不连片是由于沙漠上空中小尺度系统的上升下沉运动造成的。值得注意的是，在腾格里沙漠的南缘靠近中卫市的地区有一降水中心，且随着冬季的结束，其中心值不断增大，最大可达20.0 mm以上。进入春季之后，月降水量较冬季有显著增加，降水分布范围更大，且连片的区域也增大，这是由于进入春季，冷空气势力不断减弱，暖湿气流增强，降水量不断增加。首先在腾格里沙漠东南地区出现了较大块的降水区域，可见进入春季后腾格里沙漠的降水量先增加；到5月沙漠腹地的降水量达到20.0 mm以上，部分地方甚至达到了30.0 mm以上，降水已经覆盖了巴丹吉林和腾格里沙漠，且巴丹吉林沙漠的累计降水量超过腾格里沙漠。进入夏季，大气上升运动增强，来自东部的水汽输送加大，导致沙漠区的降水量增加，7月达到累计降水量的峰值，降水区深入巴丹吉林沙漠腹地，出现降水量较大的成片区域。随着秋季的来临，水汽输送的减少以及冷空气势力不断增强，沙漠区域的降水量不断减少，巴丹吉林沙漠的降水量减少最为显著，同时祁连山上空的降水也明显减少，腾格里沙漠虽然还有降水，但累计降水减少也较明显，10月依然呈现出不连续的分布特征，11月的分布状态已经趋向于冬季分布的典型特征。

整体而言，巴丹吉林和腾格里沙漠的降水主要集中在5～9月，因此，可将此时段称之为这两大沙漠的雨期。降水量的最大值出现在7～8月，在进入雨期后巴丹吉林沙漠的区域总降水量多于腾格里沙漠，这与祁连山地区的水汽输送以及巴丹吉林沙漠处于上游地区有很大关系，但在雨期之外，特别是冬季，虽然沙漠区域的降水完全呈现不连片分布，但这一特征主要体现在腾格里沙漠地区，而巴丹吉林沙漠地区的降水量大部分在5.0 mm以下，因此在雨期之外腾格里沙漠的降水量要高于巴丹吉林沙漠。纵观全年降水量的空间分布，祁连山地区的水汽输送对于两大沙漠地区，特别是对临近的巴丹吉林沙漠的降水有显著影响。

3.2降水时间变化

3.2.1降水量年内变化

由于巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠靠近祁连山地区，为了便于比较，以祁连山降水量作为基准，计算对比巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和祁连山各自的月均降水总量和格点均值(图2)。由图2可见，3个区域总降水量和格点均值都有相同的月变化趋势，均从5月开始降水量增加，至7月达最大值，之后呈递减趋势，尤其9～10月递减最为明显。从图2b还看出，巴丹吉林沙漠降水的格点均值在10月至翌年5月期间均低于腾格里沙漠和祁连山地区。然而雨季来临之后，特别是6、7月，巴丹吉林沙漠降水量的格点均值超过了其它两区域同期的格点降水值。

图1　巴丹吉林和腾格里沙漠地区2008～2013年各月平均降水量空间分布(单位：mm)

图2　巴丹吉林和腾格里沙漠以及祁连山地区逐月平均降水量(a)以及逐月格点均值(b)

3.2.2降水量日变化

为了更好地对比巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及祁连山地区各季节的降水变化特征，分别计算上述3个地区不同季节日均逐时降水量的格点均值(图3)。由图3a可见，冬季的降水较其它季节的降水量小一个数量级，特别是巴丹吉林沙漠和祁连山地区午后的降水量基本趋于0。冬季，巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和祁连山地区日均逐时降水量都呈现相似的变化趋势，整体而言，从凌晨00时(北京时，下同)左右开始降水量逐渐增加，至06时左右达到最大值，之后开始下降。值得注意的是，腾格里沙漠的逐时降水量在02时降到全天的最低值，之后开始上升；祁连山地区和巴丹吉林沙漠地区相比腾格里沙漠地区降水量下降较早，且下降幅度大于腾格里沙漠地区。春季(图3b)，由于不同区域气温回升速率不同，暖湿气流增强的强度也存在差异，3个区域的日均逐时降水量变化特征差异显著，02～10时祁连山地区春季日均逐时降水量显著高于巴丹吉林和腾格里沙漠地区。另外还看出，巴丹吉林沙漠和祁连山地区日降水量有相同的变化趋势，都是从02时开始降水量增加，至04时左右达到最大，之后开始减少；腾格里沙漠地区春季降水量的日变化较微弱，峰值出现在00时。

夏季，由于“雨期”的到来，巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及祁连山地区的日均逐时降水量呈现出完全不同的变化特征。其中，祁连山地区的降水量日变化呈单峰型分布，07～14时期间，降水量均高于其它两区域，峰值出现在10时；巴丹吉林沙漠的夏季逐日降水量呈双峰型分布，主峰出现在04时，次高峰出现在16时；腾格里沙漠夏季日降水量波动幅度较小，格点均值维持在0.04 mm左右，只在傍晚出现减少的情况(图3c)。秋季(图3d)，巴丹吉林沙漠的日均逐时降水量在11时之前变化较平稳，之后开始持续升高，至15时达到峰值，尔后开始持续下降，于20时降为全天的最低值；腾格里沙漠的日均逐时降水量变化呈双峰型分布，主峰出现在14时，次高峰出现在23时；祁连山地区则呈波动变化形态，中午左右降水量值相对最低。

图3　巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及祁连山地区各季节降水量的日变化

4降水个例分析

4.1降水概况

由于沙漠范围内特别是沙漠腹地很少有长期气象水文站，所以对沙漠降水的研究通常是以一次观测试验或是沙漠周边站点资料替代进行分析。然而，本文所采用的降水融合资料有着全时空的特点，可以更好地展现沙漠降水的特点。进行个例分析时，选取巴丹吉林沙漠周边的3个站(鼎新站、拐子湖站和阿拉善右旗站，见图4)。其中，鼎新站位于40.18°N、99.31°E，处于巴丹吉林沙漠的西部边缘；拐子湖站位于41.22°N、102.22°E，处于其北部边缘；阿拉善右旗站位于39.13°N、101.41°E，处于其南部边缘。可用这3个站点资料表征巴丹吉林沙漠的降水状况。分析发现，2010年8月11～19日期间，3个站点的降水量均为0。然而，融合降水资料分析发现，2010年8月19日在巴丹吉林沙漠腹地和腾格里沙漠西北地区有降水分布(图4)。由此可见，沙漠周边的站点降水资料无法全面代表整个沙漠的降水情况。

图4　选取的站点分布以及2010年8月19日

4.2天气形势

利用NCEP/NCAR再分析资料分析2010年8月19日的高空环流形势以及相关物理量的特征。从图5中可以看出，2010年8月19日整个亚欧大陆是2槽2脊形势，影响我国的系统是北方延伸至贝加尔湖的深槽和西太平洋副热带高压。02时(图5a)，深槽的尾部已经移至巴丹吉林沙漠的上游，巴丹吉林沙漠地区受槽前西南气流影响；同时西太平洋副热带高压跃过30°N。08时(图5b)，深槽进一步东移，处于100°E经线上，并有所加深；而副热带高压进一步向北推近。14时(图5c)，深槽移至腾格里沙漠上空，西太平洋副热带高压西伸幅度较大。20时(图5d)，深槽已经移出腾格里沙漠上空，西太平洋副热带高压也退回到100°E以东区域。可见08时和14时，巴丹吉林和腾格里沙漠均受到深槽控制，与此同时，西太平洋副热带高压不断西伸，共同使得沙漠地区受强烈偏南暖湿气流影响，为沙漠腹地的降水提供了充沛的水汽条件。

图5　2010年8月19日02时(a)、08时(b)、14时(c)、20时(d)500 hPa

从图4可以看出，2010年8月19日的降水主要集中在巴丹吉林沙漠的东部沿40°N一线，而腾格里沙漠的降水主要在38°N～39°N一线的方向上，为此沿39°N和40°N做比湿和垂直速度的纬向垂直剖面(图6)。由图6可知，08时沿39°N方向上在巴丹吉林和腾格里沙漠的100°E～106°E区域已经有较强的水汽分布，此时垂直方向上气流以下沉运动为主(图6a)，不利于降水发生；20时(图6b)，垂直方向上的水汽含量有所增加，比湿达8×10-5g/kg，与此同时，在100°E～106°E范围内400 hPa以下均以上升运动为主，垂直速度最大值达0.2×10-3Pa/s，这与图5巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠处于槽区，气流辐合产生上升运动相对应。沿40°N的纬向剖面(图6c和图6d)与39°N的分布情况相同。由此可见，融合资料显示的累计降水状况和相关物理量的分布有较好的对应关系，说明在偏南暖湿气流影响下，通过强烈的垂直运动造成了此次降水过程。

图6　2010年8月19日08时(a，c)、20时(b、d)沿39°N(a、b)、40°N(c、d)

5小结

(1)巴丹吉林和腾格里沙漠地区的降水主要集中在5～9月，其中7月的降水量最大，在沙漠腹地最大降水量可达60 mm以上，其它月份降水量较少，且呈现不连片分布的特征。

(2)巴丹吉林沙漠在进入雨期(5～9月)之后，其格点的平均降水量大于腾格里沙漠，而其它时间均低于腾格里沙漠。

(3)冬季，巴丹吉林和腾格里沙漠降水量的日变化峰值都出现在06时，降水量级小；春季，两沙漠的降水量日峰值分别出现在04时和00时，降水量级增大；夏季处于沙漠雨期，巴丹吉林沙漠地区的降水量日变化呈双峰型，主峰值出现在04时，次峰值出现在16时，而腾格里沙漠降水量变幅小，维持在0.04 mm左右；秋季，巴丹吉林沙漠日均逐时降水量呈单峰型，峰值出现在15时，而腾格里沙漠呈双峰型，日主峰值出现在13时，次峰值出现在23时。

(4)站点降水观测资料与同期降水融合资料对比分析发现，站点无降水而在融合资料上却显示出了降水，特别是在沙漠腹地有较强降水，这说明周边站点降水观测资料无法全面反映沙漠的降水情况。降水融合资料所反映的降水过程与NCEP资料的高空形势以及要素场分布特征有很好的对应关系，它更为细致地刻画出沙漠降水的分布特征。

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Preliminary Analysis of Precipitation Characteristics in the Badain Jaran and Tengger Deserts

SU Junli1,2, WANG Jiehua3, LI Jiangping1, SHANG Kezheng1,KANG Yanzhen1, JIA Xuwei1, WU Zhongxun1

(1.KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeofMinistryofEducation,CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.The95994TroopsofPLA,Jiuquan735000,China;3.The92493TroopsofPLA,Huludao125000,China)

Abstract:As the most important deserts in Northern China, the precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts played a significant role on their formation and evolution. In this paper, based on the hourly merged precipitation during 2008-2013, the NCEP/NCAR reanalysis data and observations from weather stations on 19 August 2010, the spatial and temporal distributions of precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts were studied, firstly. And on this basis, the precipitaion of a typical precipitation process occurring on 19 August 2010 there was contrastively analyzed. The results are as follows:(1) The precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts concentrated on May to September, while it was less in other months. (2) The merged data of precipitation could meticulously describe the hourly change characteristics of precipitation in four seasons in the two deserts. (3) By analyzing the circulation pattern and relevant physical quantities of a rainfall case, it was found that the observed precipitation from sites around the desert couldn’t entirely reflect the precipitation in the whole desert, however the merged precipitation product was closely related with the atmospheric circulation situation and element fields from NCEP data, and it can embody the panorama of precipitation in the Badain Jaran and Tengger deserts.

Key words:Badain Jaran desert; Tengger desert; merged precipitation data

中图分类号：P426.6

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0261-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0261

作者简介：苏俊礼(1990-)，男，回族，宁夏同心人，硕士研究生，研究方向为现代天气预报技术和极端天气气候. E-mail：sujl13@lzu.edu.cn通讯作者：李江萍(1977-)，女，甘肃静宁人，博士，主要从事干旱气候和极端天气气候的研究. E-mail：shangkz@lzu.edu.cn

基金项目：国家公益性(气象)行业专项项目(GYHY201306047 )、兰州大学中央高校基本科研业务费专项(lzujbky-2013-5，lzujbky-2013-m03)和甘肃省国际科技合作计划项目(1204WCGA016)共同资助

收稿日期：2015-08-31；改回日期：2015-11-16

苏俊礼，汪结华，李江萍，等.巴丹吉林和腾格里沙漠降水特征初步分析[J].干旱气象，2016，34(2)：261-268, [SU Junli, WANG Jiehua, LI Jiangping, et al. Preliminary Analysis of Precipitation Characteristics in the Badain Jaran and Tengger Deserts[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):261-268], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0261