中国天山山区降水特征及其研究进展

白磊, 李兰海, 师春香, 刘铁, 孟现勇, 杨艳芬

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830011; 2.中国科学院大学,北京 100046; 3.新疆大学 资源与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830046; 4.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038; 5.国家气象信息中心,北京 100081; 6.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

中国天山山区降水特征及其研究进展

白磊1,2,3, 李兰海1, 师春香5, 刘铁1, 孟现勇4, 杨艳芬6

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830011; 2.中国科学院大学,北京 100046; 3.新疆大学 资源与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830046; 4.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038; 5.国家气象信息中心,北京 100081; 6.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

降水是中国干旱地区水循环过程的重要环节。作为中亚地区“水塔”的天山山区,气候变化背景下降水的变化都会深刻地影响中亚地区的生态及人文环境。近些年,利用多数据源、多角度研究天山山区复杂环流和地理条件下的水汽时空格局与变化趋势成为热点。通过对不同来源近期数据的分析表明,天山山区降水在不同尺度下呈现增长趋势,同时极端降水也呈现增长趋势；对与降水相关的其他因素的分析表明,天山山区净水汽通量和云量均呈现增加趋势,而日照和总辐射呈现减少趋势；然而，由年轮重建百年尺度近代降水和区域气候模式模拟降水的结果却反映出20世纪下半叶天山山区的降水呈减少趋势；对未来气候变化情景下的研究发现，未来天山山区降水总体上呈现增加趋势。

流域;天山山区;径流;降水特征；降雪;灾害;高程

在过去的几十年中，全球降水在频率、强度、持续时间和空间上发生了显著的变化。在干旱半干旱气候地区,降水已成为生态过程中最为重要的限制因子[1]。在我国,西北地区的降水量相对东部地区的降水量大幅度减少,西北地区的人类主要居住在西北绿洲区域。维持这些绿洲存在和发展的河流均发源于西北地区高大的山脉中,并以降水、积雪融化和冰川融化形成的水资源为补给。在新疆,天山山脉横贯新疆中部,将新疆分为南、北两部分,高大的山体拦截了西风气流携带的水汽,使得山区积聚了丰富的降水、积雪、冰川等形式的水资源,成为了新疆南、北疆内陆河的补给源。

在天山山区,降水影响天山云杉林线以下区域[2],并影响草场的长势、覆盖及生物量[3-4],进而影响大气中氮素湿沉降[5]、积雪[6]和水文过程[7]。本文简要回顾了不同视角下天山山区降水的研究进展并展望天山山区降水研究的未来发展方向。

1 天山山区降水现状和变化趋势

1.1 降水的时空分布

1.1.1 基于站点数据源的研究

自20世纪60年代以来,新疆年降水总体呈增加的趋势。在年代际尺度上,20世纪60至80年代,降水呈波动式减少趋势,80年代以后降水呈明显增加趋势。降水增幅最大的地区为天山南坡,且山区的降水增幅大于平原地区，西部的降水增幅大于东部地区[8]。天山山区降水与新疆降水的总体变化趋势相同[9],在一年四季不同区域内均呈现波动式增长趋势[10-13]。在不同海拔高程上,天山山区降水也有不同的变化趋势。天山山区不同时段、不同海拔范围的降水气候倾向率见表1。由表1可知：1992年以前，海拔2 000 m以下地区的降水呈增加趋势,2 000 m以上高海拔地区的降水呈减少趋势；在1992年以后,除海拔1 000 m以下地区的降水呈减少趋势外,其他高程的降水均呈现增加趋势。

表1 天山山区不同时段、不同海拔范围的降水气候倾向率

在新疆地区,由于气象观测站点主要分布在有人居住的地域,导致地基观测网空间分布极为不均匀。在研究中,不仅需要点尺度的气象观测资料,还需要格点化的观测数据。随着GIS技术的发展,各种空间外推插值技术已经广泛应用于气象变量的空间外推插值工作中。而这些传统的外推插值方法(反距加权插值、径向基函数外推、普通克里格插值和协克里格插值)的计算精度均受制于气象观测站点的空间分布[14]。为了解决传统外推插值方法存在的问题,可使用多元回归方法结合地形变量获得降水气候态的背景场,进而获得较为连续的降水空间分布[15]。即便如此,仍然无法捕捉到微尺度的降雨空间格局。

1.1.2 基于再分析数据源的研究

再分析数据是融合了多种来源数据后经过同化得到的数据,它为站点空间分布稀疏的地区提供了长时间序列可供替代数据。在采用CFSR、ERA-Interim、MERRA再分析数据验证新疆地区夏季地面降水的工作中发现,3套数据均能反映出天山阻隔后的南、北疆降水空间分布特征。在天山山区,ERA-Interim和MERRA 2套再分析数据与站点平均观测数据的年际尺度月降水变化较为一致,但春季月降水量略高于观测降水值[16]。

1.1.3 基于遥感降水数据源的研究

近些年,随着遥感降水反演算法和传感器的发展,已经有大量的遥感定量降水数据可供研究使用。在中天山北坡玛纳斯河流域，利用站点观测降水数据对TRMM 3B42(下文简称3B42)遥感降水数据进行评估发现,3B42降水数据对日降水事件捕捉的准确率较低,但是总体上夏季降水事件捕捉的准确率好于冬季;在年尺度上,3B42降水数据整体低于站点观测值[17]。在天山山区全境,对TRMM 3B43遥感月降水数据进行评估发现,3B43月降水数据能够很好地反映山区降水特征和长时间序列的变化趋势。在1—4月和10—12月估算的结果较好,但在降水集中季节(5—9月)估算的结果不够理想[18]。TRMM卫星监测的降水数据水平分辨率较低,这限制了TRMM数据在流域尺度上的定量应用。由于山区的降水与气温决定着植被的空间分布,因此,可利用NDVI植被指数和地形要素作为依托,在空间上对TRMM数据进行降尺度操作,以满足相关学科对高分辨率降水产品的需要[19]。

1.1.4 基于面雨量数据源的研究

在我国西北地区,雨量站个数较少，仅用少数站点的数据不足以分析全区域的气候变化,缺乏代表性。面雨量是基于地理空间的平均雨量。在地形复杂地区,对站点的面雨量数据进行分析,结果会更精准。天山山区的面积占新疆总面积的16.3%,但其所占的面雨量仅为总雨量的40.4%。由历史资料可知：在1961—2005年,天山山区和新疆区域的面雨量均呈现增长的趋势；天山山区面雨量平均值为1 101.5亿t,最大面雨量出现在1987年,为1 526.6亿t,最小面雨量出现的年份为1997年,约772.3亿t。在时间周期上,天山山区面雨量存在2.9～3.4 a的周期变化规律,与站点降水量的变化周期基本一致；在年内分布上,夏季面雨量的值最大，为1 481.5亿t(占全年的54.4%),说明夏季是新疆区域全年降水量最多的季节;冬季降水量最少,面雨量仅有150.4亿t(占全年的5.5%)[15]。

1.1.5 基于区域气候模式数据源的研究

使用数值模式可在一定程度上解决地基观测站点空间分布不均和遥感降水反演精度不高的问题。在验证模式精度的研究中发现,WRF模式年降水数据与站点观测降水数据分析出的空间格局基本一致,WRF模式能够刻画出复杂地貌环境下的降水空间分布格局。但是WRF模式估算的山区和湖泊地区的降水量要高于实际[20]。在长时间序列区域气候模拟中,RegCM3区域气候模式模拟的降水数据和CRU、WM(站点外推插值)观测的降水数据均表明天山山区降水呈现减少趋势,而这与站点实际观测值的分析结果不同[21]。除此以外,新疆山区的年降水量是站点外推插值数据年降水量的1.3倍[21],而在其他数值模式模拟研究中也存在天山山区年降水量高于其他地区的模拟结果[22]。虽然数值模式存在不足[23],但天山山区中山带以上地区站点分布较少,格点数据均由临近低海拔站点数据外推得到,很难直接证明山区降水高估现象的不合理性。

1.2 极端降水

在区域气候变化中,降水在总量、频次和强度方面都在发生变化。在天山极端降水研究中(表2),1961—2000年间天山山区及南北坡极端降水量均呈现增加趋势。由此可见，极端降水频次的显著增多，可导致极端降水量的显著增多[24]。

表2 天山山区及南北坡极端降水量、频次和强度的年代际变化

在天山山区,天山北坡的冬季降雪一般大于南坡,西部的冬季降雪多于东部,其中天山西部的伊犁河谷冬季降雪量最多[25]。伊犁河谷的新源县、伊宁市和乌鲁木齐市发生暴雪事件的多年平均次数分别为7.6、6.3、3.7次,且伊犁地区的多年平均暴雪事件发生数量为新疆地区之首,并以0.7次/10 a的速率增长[26]。在天山山区,年内降雪多出现在12月上旬至次年的3月中旬,而50%以上的暴雪事件发生在12月至次年1月[26]。同时,强降雪是天山山区雪崩[27]和风吹雪[28]等积雪灾害的主要诱发因素。

1.3 重建历史降水及变化趋势

在区域气候变化评估工作中,器测资料在历史时期覆盖时间较短、空间分布不均匀,对于趋势的预估存在较大的不确定性。因此,需要代用资料弥补器测资料在时间、空间上的不足。在日志、同位素、花粉、沉积物等来源数据的重建中,天山山区对树轮研究较为深入。在自然条件下,树木的生长受到土壤、水分、温度、湿度、光照、风等因素的影响。因此,可通过年轮宽度的变化推断当地过去的气候环境变化情况[29]。天山云杉受到4—10月份降水量的影响[30],由此可通过天山云杉的年轮变化反演出天山中山带(海拔1 500～2 700 m)云杉覆盖地区夏季的降水量变化。

中天山主要流域包括阿克苏河流域、伊犁河流域、特克斯河流域、喀什河流域、玛纳斯河流域。这些河流的上游都广泛分布着天山云杉,且其中一些云杉的树龄在百年以上。基于云杉的年轮数据重建了中天山山区主要流域上游地区百年降水的时间序列[31-36]，1700—2000年中天山主要流域山区年降水量如图1所示。

图1 1700—2000年中天山主要流域山区年降水量

由图1可知,在中天山,南支南坡的阿克苏河流域年降水量要小于其他3个流域的年降水量。这主要是因为天山北坡和伊犁河谷底(包括特克斯河流域)处于迎风坡,来自大西洋的水汽经长途输送到达天山北坡时被迫抬升凝结形成大量降水，当水汽到达背风坡时形成下沉气流,造成焚风效应。在中天山主要流域中,百年平均降水量从大到小依次为:特克斯河流域(333 mm)、喀什河流域(317 mm)、玛纳斯河流域(312 mm)、阿克苏河流域(44 mm)。由此可见,伊犁河谷上游山地(特克斯河流域、喀什河流域)的年降水量要大于天山北坡河流(玛纳斯河流域)上游山地的年降水量。

20世纪下半叶,喀什河流域年降水量的变化趋势为-6 mm/10 a,但在1900—2000年百年时间内呈现出微弱的增加趋势。同时期,中天山北坡中部的玛纳斯河流域和北支南坡的喀什河流域也有类似的变化。在1950—2000年,玛纳斯河流域和喀什河流域年降水量的变化趋势为-7.9 mm/10 a,但在百年尺度上呈减少趋势。同时期，特克斯河流域内的年降水量呈现微弱的减少趋势，且其与中天山南支南坡的阿克苏河流域的变化有一定关系。当特克斯河流域年降水量丰沛时,阿克苏河流域的年降水量却较少。采用功率谱分析方法分析后发现：这些流域有2～3 a的准周期[31-36]；在中长周期上,仍能发现20～30 a、40～50 a以及60 a更长的准周期。

对中天山主要流域年轮反演的干湿年份进行归类发现,从中天山到东天山,不同流域的干湿年份不同[37-39],但都能通过史料逐一进行验证。按照地理位置进行分析可以发现,1700—1830年、1840—1910年、1920—2000年3个阶段中,中天山南支处于降水较少的时期,中天山北坡处于降水较多的时期。新疆的水汽基本来自大西洋、北冰洋,由西向东进入新疆,且经过大量的研究证实新疆及中天山主要流域的水汽受到北大西洋涛动(NAO)等大尺度的大气环流异常影响[40-41]。究其原因,可以这样猜想：在大尺度上，中天山上空的水汽输送量基本恒定,输送路径基本固定,但由于受到一些大气环流异常的影响,输送路径发生轻微的变化,从而导致中天山南支和北坡年降水的异常波动。

在山区，由于气温和降水并不是天山云杉唯一的生长限制因子,这使得树木年轮在反演重建过程中会存在一定的误差,给历史时期气候序列的应用带来局限性。天山横贯新疆并连接中亚,这使得中亚和新疆天山山区在地理上有着一定的联系。天山山区和中亚地区均为温带大陆性气候,同处亚欧大陆腹地和西风环流带。这就存在一种可能:可以利用中亚长时间序列观测数据和统计学手段,重建天山山区历史时期的气候资料。重建的天山山区开都河流域上游巴音布鲁克气象站1901—1960年的月降水量[42]如图2所示。

图2 重建的巴音布鲁克气象站1901—1960年逐月降水量

相对于气温,降水是概率事件,所以其在时空分布上存在很大的不确定性。但这种方法延长了流域气候资料序列的长度,为更好地评价未来气候变化条件下的流域水资源奠定了基础。

1.4 未来气候变化下降水的变化趋势

全球及中国范围内,有关未来气候变化的工作已经进行了不少。在这些已有的研究中,采用了多种降尺度方法,以提高未来气候变化情景数据在区域尺度的模拟效果。在这些方法中,Delta方法是一种简单的降尺度方法[43]。由Delta方法计算可知：在东天山,降水将呈现增加的变化趋势;在中天山南支和北支及西天山,降水将呈现减少的变化趋势[44]；到21世纪末期,西天山地区的年降水量将减少约2 mm，中天山地区的年降水量将增加约20 mm，伊犁河流域将增加约20 mm，东天山地区将增加约5 mm。除Delta方法外,新疆地区还利用区域气候模式RegCM3对GCM全球气候模式进行了25 km高水平分辨率模拟。模拟结果发现,降水在山区和盆地过渡地带的变化最明显,并呈现出显著增加的变化趋势[45]。

1.5 降水误差

目前,地基观测降水主要由雨量计直接观测获得，但观测结果存在一定的误差。一方面,雨量计在不同地域会有不同的来源误差；另一方面,安置位置和标准不同也会造成降水误差。在中国大部分地区，降水误差是动力损失,但在西北干旱地区,湿润和微量降水观测损失也起着重要的作用[46]。基于上述观测规律,观测和修正后的中国平均降水量分别为 565.2、654.9 mm,平均修正量为89.7 mm[47]。

在天山山区乌鲁木齐河流域夏季(5—8月)的不同形态降水观测试验中,降雨、雨夹雪和雪3种降水形态的修正量较大，分别达到6.7%、14.3%、15.8%,换算为降水量分别为3.8、4.4、32.9 mm。在1959—1985年中,大西沟站5—8月多年平均降水量为330.7 mm,修正(增加26.0%修正量)后为416.7 mm。其他月份累计平均降水量为92.8 mm,修正(增加15.8%动力损失)后为107.5 mm。因此，大西沟站经修正的多年平均降水量为524.2 mm,比历史观测的多年平均降水量(423.5 mm)多23.6%[48]。在对大西沟站所在的乌鲁木齐河流域上3种高度(0.3、0.7、2.0 m)的标准雨量计和2种防风圈雨量计进行全流域的观测研究中发现:当降水形态为雨夹雪和雪时,英雄桥水文站地面雨量计的捕捉率明显高于其他站点(可能由于风吹雪现象影响);在2.0 m标准雨量计高度上,降水形态为雨夹雪时,乌鲁木齐站的捕捉率最小(可能由于城市热岛效应影响);当降水形态为雪时,英雄桥水文站和天山冰川水文站降水捕捉率相对较小[49]。综上所述,降水的观测误差可能来自气温、风速和雨量计布置高度。气温可以控制降水的形态、湿润损失和蒸发损失,风速可对不同降水形态的观测产生误差,而不同高度的观测也会有不同的结果。

1.6 天山山区固、液态降水分离

固态和液态降水的识别对于水文模型在高寒山区的应用极为重要。一般水文模型如SRM等都采用温度判别法[50]。在温度判别法中,又分为单温度和双温度之分[51]。此类方法相对于大气模式下采用云微物理方案来判断降雪相对简单,且有较高的精度。在中天山的开都河流域,利用巴音布鲁克站(2 458 m)、巴伦台站(1 739 m)、焉耆站(1 279 m)和库尔勒站(931 m)4个站点，在不同高度上分析降雨形态与气温的关系，发现:对于降水,95%累计频率的降雨事件分别发生在2～14 ℃、6～21 ℃、3～26 ℃、7～29 ℃的气温区间内;对于降雪,95%累计频率的降雪事件分别发生在-27～7 ℃、-13～8 ℃、-19～4 ℃、-16～8 ℃的气温区间内[52]。降雪发生的气温区间相对于降雨发生的气温区间在不同海拔高度上的变化范围均要宽泛。分析整理4个站点的数据可以发现:降雨100%累计频率判断为降雪时,气温依次为-10、-2、-11、-7 ℃;降雨100%累计频率判断为降水时,气温依次为17、9、17、12 ℃。由此可见,单温度可作为固、液态降水的临界值,但即便在同一流域内仍然存在极强的空间异质性。然而,在寒区水文模拟中,基于不同来源的降水数据和气温临界值参数,春季融雪径流模拟会有所差异。

20世纪下半叶,天山山区冬季降雪以(11～14)mm/10 a的速率波动式增长[53],其中年降雪量有一个与太阳活动周期相似的11 a周期[54]。但自1980年取消降水相态观测后,降雪占年降水的比率(S/P)开始作为分析指标,天山山区伊犁河谷、中天山和中山带(1 500～2 500 m)的S/P指数均呈现下降趋势[55],从这一方面也验证了该区域变暖的趋势。

2 天山山区水汽和云量的变化趋势

在水循环过程中,水通过地表或水体的蒸发,经过水汽输送,并以降水的形式返回地表。对于降水,影响其强度和空间分布的最重要过程是水汽输送。降水除有充足的水汽来源外,还需要降水条件。对研究区域气候变化中的降水进行分析时,也需要针对水汽来源和云量进行研究。

2.1 水汽通量的变化

对新疆极端降雪的研究发现,暴雪时空分布主要由大气环流决定[26]。由此可见,大气水汽输运的含量会显著影响降雨时空分布格局。天山山脉横贯新疆,在天山南、北区域各形成了一个水汽含量的高值中心[56]。由站点精确计算的新疆地区年均大气水汽含量空间分布中,准噶尔盆地(中心最大值12 mm)和天山西部(中心最大值14 mm)为高值区,塔里木盆地虽然并不存在高值区,但是大气中水汽含量要高于天山中部和东部[57]。

天山山区的整层水汽主要集中在天山的西部。从整体分布上看,整层水汽在地域上的分布为北部大于南部、东部；水汽量由天山向南、北坡递增,其中南坡递增量大于北坡[58]。同样,水汽在天山西部伊犁河流域也有类似的规律：西部多于东部,平原多于山地,迎风坡大于背风坡[69]。在年代际上,天山山区的整层水汽经历了“增多—减少—增多—减少”的变化趋势[59]。在1961—2009年间,天山山区水汽呈增多趋势,但在2005年以后呈减少趋势。水汽距平在20世纪60至80年代均为负值,90年代后开始为正值,并在21世纪初叶达到较高水平。利用NCAR再分析数据计算1961—2000年的水汽输送量、总输入量、总输出量和净收入量的年际变化,结果发现，水汽总输入量和总输出量均呈显著线性减小趋势,但总输出量减小的趋势略大于总输入量,使得净收入量呈增加趋势[60]。

在时间周期上,天山山区年水汽量的变化以3.2 a和2.9 a的周期最为显著,夏季的显著周期为2.9 a和2.3 a,秋季的以3.6 a和3.2 a的周期最为显著。研究发现,天山山区水汽的变化和一些环流指数密切相关：西风指数2.7 a的周期与天山山区水汽的变化周期基本相符；天山山区年和冬季水汽的变化周期与北大西洋涛动指数(NAO)显著相关，而NAO的2.5 a和2.7 a的振荡周期与水汽的变化周期基本相符[61]；青藏高原环流指数的振荡周期(2.0 a)与水汽的变化周期相近。对比青藏高原,天山降水的变化趋势与青藏高原热源的变化趋势一致,青藏高原热源增强时天山降水增多,热源减弱时天山降水减少[58]。

在先前的研究中,有专家认为新疆区域的水汽发源地主要位于里海、黑海、地中海、大西洋和北冰洋[62]。通过对更大范围的区域分析发现,新疆不同季节的水汽发源地不同[57]。在春、秋两季,新疆水汽来源于西伯利亚和蒙古方向的西北风水汽输送带、由孟加拉湾路径到达新疆南部的西南风水汽输送带和大西洋的西风水汽输送带;在夏季,新疆主要受西风和西北风两股水汽输送带影响(水汽发源地为北大西洋和北冰洋[72]);在冬季,新疆主要受西风水汽输送带的影响(水汽来源于地中海和里海),仅南疆盆地受到来自青藏高原中西部的西南暖湿气流的影响。而天山山区的水汽来源与新疆全区域的水汽来源有所区别:春季,天山山区水汽来源于挪威海、里海和阿拉伯海;夏季,水汽来源于北冰洋和阿拉伯海[58]。

2.2 云量的变化

云通过影响降水和辐射从而影响气候,对气候存在反馈过程。在利用地基观测对云特性的反演分析中发现，分析结果多受地形及观测网分布的影响,尤其在中国西部地区,难以对大尺度的云系特征进行全面的研究。随着科学技术的发展,遥感卫星云产品ISCCP数据和MODIS云分类产品等数值模式云分析产品[63]不断产生,从而可以在空间和时间上弥补地基观测网的不足。

在中国西北地区,天山、帕米尔高原、昆仑山、祁连山是云量的高值区(平均总云量为50%～60%),且有明显的四季分布特点[64]。天山山区各时期总云量和低云量距平见表3。由表3可以看出:天山山区冬季总云量在1962—1970年和1981—2000年为偏少,1971—1980年和2001—2008年为偏多,2000年以后总云量相对最多;春季总云量在1962—1980年为偏多,1981—2008年均为偏少,其中1971—1980年相对最多,1991—2000年相对最少;夏季总云量在1962—1970年和1981—1990年为偏少,1971—1980年、1991—2008年为偏多,其中1991—2000年相对最多;秋季总云量呈较明显的年代际变化特征,1962—1970年为偏多,而1971—2000年为偏少,2000年后总云量为偏多[76]。相对于总云量,低云量的年代际变化特征要明显得多。冬季和春季的低云量均在1962—1990年表现为偏少,1991—2008年表现为偏多,且均在2000年后达到最多;夏季低云量的年代际变化特征和冬季、春季相似,但1991—2000年是低云量最多的时期;秋季低云量与前几个季节有所不同,在1962—1980年为偏少,1991—2008年为偏多,同样在2000年后为最多[65]。

表3 天山山区各时期总云量和低云量距平 %

注:“+”表示距平为正,“-”表示距平为负。“|”左侧为总云量,右侧为低云量。

基于遥感云分类产品的分析发现,天山山区各种云类的比例都在31%以下。将各种云类进行合并,可分为高云、中云、低云、厚云。高云在1—4月份所占比例逐渐增加,且在4月份达到最大,随后至12月份比例一直下降;中云的年平均所占比例为20%～32%,在4种云中比例最高,且冬季(12月—次年1月)的比例最高;低云在4种云中所占的比例最低,且在各月之间的平均值变化不大,总体在5%～10%范围内变化,秋季比例较高;厚云的分布相对于低云所占的比例要大得多,比例在10%～30%范围内波动,且6月份的比例最低,秋季和春季的比例较高[66]。

地形对中天山北坡的云量和降水分布有着重要的影响。在暖季,地形对降水的影响是非常突出的,因此，暖季在山区有着极丰富的地形云资源和优越的降水条件,盛夏的山区是实施人工增雨首选的季节和地带[67]。在对乌鲁木齐附近山区的云量和水汽观测中,统计了不同时段和时间上水汽和云量的关系，见表4。由表4可知：在观测点,夜间云量最少,上午居中,下午最多；而水汽含量却呈减少趋势,夜间最多,上午居中,下午最低。这可能与多地形云凝结成云的过程有关[68]，造成天山山区盛夏的午后云雨较多。

表4 分时段云量、水汽统计表

2.3 日照的变化

在1961—2010年间,新疆日照时数总体呈减少趋势,但存在空间差异[69]。天山山区日照空间的变化趋势与新疆地区的整体变化趋势类似。日照时数显著减少的站点依次是巴伦台、乌苏站;日照时数显著增加的站点依次是伊宁、拜城、七角井、石河子、伊吾、达坂城站[70]。在天山山区周边地区,38°N以北地区的日照时数呈减少趋势,以南地区的呈增加趋势[71]。在年内尺度上(表5),天山山区的日照时数与新疆地区的日照时数近似,时数由大到小依次是夏季、春季、秋季和冬季。天山山区全年及四季的日照变化倾向率依次为-19.42、3.72、-4.27、-4.30、-14.36 h/10 a[72]。在中纬度地区,每日的日照时数为8～16 h，因此，天山山区每过10 a,冬季时间将缩短1 d。天山山区的日照变化趋势与冬季云量和降水的变化趋势基本相同。

表5 天山山区和新疆地区的各时期日照时数 h

注:“+”“-”为日照时数距平符号;“|”左、右侧的数据分别为天山山区和新疆地区的平均年、季日照时数。

参考WMO气候异常年份标准的定义,设定距平值超过标准差2.0倍的年份为“异常年份”,大于标准差(1.5～2.0)倍的年份为“接近异常年份”。应用此标准对天山山区历史日照数据进行分析发现：春季日照中,1998年为异常偏少年;夏季日照中,1967年和1973年为异常偏多年,1989年为严重偏少年;秋季日照中,1987年为异常偏少年,1978年为异常偏多年;冬季日照中,1967年为异常偏多年,2004年为异常偏少年[70]。

云量是影响日照时数最直接的因素。在分析云量和日照时数的关系中发现,天山山区年日照时数与年均总云量和低云量的相关系数分别为-0.404和-0.764,总体上呈负相关。根据前文分析可知,天山山区年均总云量的变化呈微弱的减少趋势,而年均低云量呈增加趋势,这与日照时数减少的趋势相对应[83]。日照时数的变化也会影响辐射的变化。1961—2000年,新疆总辐射呈显著下降趋势[73],这与云量和日照的变化一致。

3 地形对天山山区降水的影响

地形可以引起水汽抬升,是降水发生的重要条件之一。在地形上,地貌、坡度、坡向和高程等都会对降水的时空分布产生显著影响。

3.1 坡向的影响

天山山区以中天山的天格尔峰为分水岭,北坡为乌鲁木齐河流域,南坡为乌拉斯台河流域。天格尔山南、北坡各站点海拔及多年平均年降水量见表6。由表6可知:北坡的年降水量大于南坡;总体上看,南、北坡的年降水量都随着海拔高度的增加而增加;海拔大致相同的站点,北坡站点的降水量远大于南坡站点。由历史资料可知：在年内尺度上,天山北坡的春、夏季降水量多于秋、冬季,最大月降水量出现在5、6月；南坡降水的季节性特征更相似于高山区(乌鲁木齐河源的大西沟气象站),最大月降水量均出现在7月,尤其是大西沟和巴伦台气象站的降水年内变化过程完全一致[74]。

表6 天格尔山南、北坡各站点海拔及多年平均年降水量

有专家按照8个方位对天山山区的年降水量进行分析发现,W方向的年均降水量为最大值(360 mm/a);其次为NW和N方向,年均降水量分别为350、330 mm/a;而S方向的年均降水量最小(300 mm/a)。总体上,降水主要集中在N、NW、NE和W方向上[75]。

3.2 高程的影响

山区降水在垂直方向上的分布规律影响着山区生态景观的空间分布。同时，山区生态景观的空间分布也影响着降水的空间分布,这使得山区降水的空间分布和形成机理异常复杂。在天山山区,由于山区的复杂地形和空中水汽流动方向的影响,山区降水在垂直方向上并不表现为简单地随海拔高度增加而增加,反而在不同的地貌单元下(如迎风坡和背风坡),随着海拔高程的变化呈现“S”型变化[76]。天山山区不同地貌单元的降水在垂直方向上的递增率见表7。由表7可知:天山南坡中段的降水(由TRMM微波降水数据计算)在垂直方向上的递增率变幅相对于其他地区的偏大;伊犁河流域和天山南坡中段迎风坡降水在垂直方向上的递增率的变幅比背风坡的大,而天山北坡中段和天山北坡西段背风坡降水在垂直方向上的递增率大于迎风坡。

表7 天山山区不同地貌单元的降水在垂直方向上的递增率 mm/100 m

天山山区年降水量和高程的变化关系如图3所示。在图3中,散点是天山山区全境(从吉尔吉克斯坦至新疆哈密东部星星峡)按照100 m间隔划分高程带上的TRMM卫星测得的年均降水量[75-76]。由图3可以看出，中天山各个地貌单元内年均降水量的变化规律和天山全境降水量的变化规律基本一致,均在3 500 m高程处达到最大值,之后开始减少。在站点数据基础上进一步分析可知：天山北坡乌鲁木齐河流域山区中，冬季的最大降水高程带最低,位于海拔900～1 300 m，夏季最高,位于海拔1 900～2 300 m;天山南坡最大年降水高度基本在2 500 m左右；天山北坡最大年降水高度在海拔2 000 m,次高程带在海拔3 500 m左右[77]。

图3 天山山区年降水量和高程的变化关系

4 天山山区降水研究的发展方向

气候系统是一个复杂的系统,涉及多学科、多领域内容。天山山区作为中亚及新疆地区主要河流的发源地,降水变化将导致水文循环及区域生态环境的变化。在过去近60 年的时间里,天山山区降水大体呈现波动式增长趋势,并在未来气候变化下也呈现增长趋势。天山山区降水的增长除总量的增长外,极端降水发生频率也呈现增长趋势。通过对水汽来源的分析,天山山区的降水增长是由于水汽输送量的增加所致。与此同时,水汽的增加必然会导致云量的增加,这与观测的日照变化一致。这些研究结果给生态、水文等领域提供了坚实的研究基础,但仍有不足，还有待进一步研究:

1)流域尺度的水汽追踪。在乌鲁木齐河流域，已经有学者对降水中O18同位素开展了研究。通过对降水中同位素的研究,可以对流域尺度的降水来源和小区域的 “蒸发-降水”水文循环进行更加细致的研究[78]。除此外,还可以利用数值模拟手段(HYSPLIT模型)辅助同位素的水文研究[79]。

2)多源降水融合。TRMM系列卫星退役,标志着TRMM降水数据将停止更新。高时空分辨率的降水产品(GsMap、CHIRPS和CMORPH)限于星载传感器和降水反演算法问题,对于中亚干旱、半干旱地区的强降水、脉冲降水和降雪的捕捉能力较差,而对于中亚地区的湖泊和冰川等地区的估计过高。使用新传感器的GPM[80]降水产品虽然在天山山区的精度有显著提高,但仍然无法克服遥感降水存在的问题。地基多普勒雷达可以提供1 km分辨率分钟级降水产品,然而由于频段噪声、遮挡和算法等问题,目前无法取得满意的精度[81]。将多种来源的数据进行融合[82],是未来技术和科学有效结合的发展方向。

3)高分辨率数值模拟。数值模式可以融合多源数据进行同化,同时考虑地形要素对降水的分布,弥补地基观测和遥感观测降水的不足。由于计算能力、观测数据和同化算法的制约,无论再分析数据还是数值预报,降水空间分辨率和精度都较低。中亚天山山区地形复杂,因此需要WRF等数值模式进行高分辨模拟,以研究复杂的降雨空间格局。影响WRF模式高分辨率最直接的因素是边界场初值、云微物理过程和计算能力。在2015年，美国GFS预报产品公布0.25°产品,欧洲ECWMF中心推出0.125°预报产品。数值模拟已有大尺度高分辨率产品。在精度上,ECWMF中心新一代再分析产品ERA5对于云量和降水的模拟已有明显的改善;中国气象局再分析数据CRA40在中国地区精度上已有显著提高。随着异构计算的推广,计算瓶颈解决后，使用数值模式在天山山区进行高分辨率的模拟研究将成为主流方向。

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AnOverviewofPrecipitationCharacteristicsandItsResearchProgressinTianshanMountainsArea,China

BAI Lei1,2,3, LI Lanhai1, SHI Chunxiang5, LIU Tie1, MENG Xianyong4, YANG Yanfen6

(1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences,Urumqi, 830011, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.College of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 4.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;5.National Meteorological Information Center, Beijing 100081, China; 6.State KeyLaboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

Precipitation is a crucial driving factor of the water cycle in arid area of China, for Tianshan mountains area, the "Water Tower" in the Central Asia, its change of precipitation under climate change deeply affects the ecological and social environment in Central Asia. In recent years, from many angles and using multi-data sources to study the spatial and temporal pattern and variation of water vapor under the conditions of complex terrain and local atmospheric circulation in Tianshan mountains area has become a hotspot for multidisciplinary research. Analyzing the recent data from sources, results show that the annual precipitation in Tianshan mountains area has tended to increase at different temporal scales accompanied with increasing trend on extreme precipitation. After analyzing the related factors with precipitation, results show that the net water vapor flux and cloud cover in Tianshan mountains area show an increasing trend with decreasing trend in daily sunshine and total radiation flux. However, the reconstruction precipitation from tree ring on centennial scale and regional climate model shows a decreasing trend in Tianshan mountains area after 1950s. According to the research results of future climate change scenarios, the future precipitation of Tianshan mountains area tend to increase. The comprehensive study shows that the slope and elevation are highly correlation coefficient to the spatial pattern of precipitation in Tianshan mountains area.

basin; mountainous area; runoff; precipitation characteristics; snowfall; disaster; elevation

2017-02-13

自治区科研创新项目(XJGRI2015017);中国科学院仪器功能开发技术创新项目(Y634231)。

白磊(1986—)，男，新疆哈密人，博士研究生，从事遥感降水方面的研究。E-mail：caecar1986@qq.com。

李兰海(1964—)，男，江西信丰人，研究员，博导，博士，从事生态水文方面的研究。E-mail：lilh@ms.xjb.ac.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.05.005

TV125；P426.6

A

1002-5634(2017)05-0038-11

(责任编辑张陵)