新疆伊犁河谷冷暖季降水时空分布特征

郑博华，李 斌，黄秋霞，李如琦，赵克明

（1.新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐830002；2.昌吉州气象局，新疆 昌吉831100；3.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

衡量一个或多个地区气候变化最明显的特征就是降水，而降水量的大小及分布直接制约着国民经济发展与农业生产丰收，同时与百姓生活也息息相关。KINCER[1]在上世纪初就指出，美国东南沿海台站的降水峰值出现在下午，而中部大多数台站出现在夜间；而国内对降水日变化特征也有不少研究成果，宇如聪等[2]发现长江中上游地区的降水多出现在清晨，青藏高原东部和华南华北地区日降水峰值分别出现在午夜和傍晚[3]，而“夜雨”特征多出现在中国西南地区。因此有时在相邻的区域、相同的持续时间上降水日变化特征都会产生截然不同的差异。日降水时空分布揭示了降水形成的变化规律[4-5]，同时也是决定该地区气候变化特征的重要参数之一，掌握好这些参数可以更为有效地揭开该地区气候变化的方向以及区域水资源的分布情况等[6-9]。

新疆属于典型的干旱、半干旱区域，降水稀少，之前研究主要集中在以月、季、年等相对较大的时间尺度上，如胡翠珍等[10]利用41 a 观测资料分析得到阿克苏地区大降水次数自20 世纪80 年代开始起明显增加,50%以上发生在夏季,高峰期为傍晚；黄艳和郑红莲等利用喀什地区45 a 和58 a 的逐月降水量数据资料，分析了喀什地区降水量分布特征和降水周期变化规律[11-12]；王世杰等[13]使用月降水量资料，分析了20 a 乌鲁木齐站夏季主汛期（5—9 月）降雨特征。虽然新疆整体降水量偏小，但极端降水对降水总量的贡献依然却呈上升趋势[14-19]。为了进一步探究区域降水的时空分布，新疆气象科研工作者逐步开展了以更为精细化的降水资料为基础的降水事件研究，如苗运玲等[20]利用东疆地区6 个国家气象站1961—2016 年汛期（5—9 月）逐日降水资料，分析了东疆地区降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的时空分布特征规律；武胜利等[21]结合巴州地区7 个国家站1961—2013 年气温和降水逐日资料，通过累积距平法、滑动平均等方法，揭开了该地区气温和降水的时空变化特征；周雪英等[22]利用巴音郭楞蒙古自治州巴音布鲁克气象站近50 a 逐日降水数据资料，揭示了山区日降水的变化趋势和极端变化差异；黄秋霞等[23]分析了昌吉市2009—2015 年主汛期（5—8月）降水的日变化特征；赵战成、赵克明等[24-25]分别利用近10 a 和20 a 逐时自动站降水量资料，分析了汛期（5—9 月）塔克拉玛干沙漠东部边缘地区和喀什市降水日变化特征。

伊犁河谷位于我国新疆维吾尔自治区西北角，气候温和湿润，属于温带大陆性气候，北、东、南三面环山，构成“三山夹两谷”的地貌轮廓,自然条件优越，农、牧业发展优势显著；河谷东西长360 km，南北最宽为275 km，呈半封闭地形（朝西开口），利于河谷形成地形雨，年降水量417.6 mm，山区600 mm，是新疆最湿润的地区。由于受西风带系统的频繁过境，加之地形抬升影响，冷季大范围持续性降雪与暖季局地性短时降水频发，因此了解当地降水特征不仅对该地区气象服务极其重要，对人工防雹和增雨（雪）作业有重要的指导作用，甚至对了解新疆气候特征和变化趋势也有重要的意义。

目前，对伊犁河谷降水特征的研究更多地集中在夏季降水日变化，唐冶、黄秋霞等[26-27]利用20 a 伊宁市气象站和5 a 伊犁地区6 个气象站逐小时降水资料，分析主汛期（5—8 月）降水日变化特征，但针对伊犁河谷全年降水和冬季降水时空分布的研究工作几乎没有，对伊犁河谷降水的特征缺乏全面的认识。因此本文从多种角度分析近10 a 伊犁河谷全年降水特别是冷、暖季小时降水的时空分布特征，更为全面地了解伊犁河谷降水的特征和变化趋势，可为当地气象服务以及人影业务工作提供技术支撑。

1 资料与方法

选用经过新疆气象信息中心数据质量控制后的伊犁河谷气象站逐小时降水资料。文章选取伊犁霍尔果斯、霍城、察布查尔、伊宁、伊宁县、尼勒克、巩留、新源、昭苏、特克斯10 个站点2008 年1 月1 日01 时—2017 年12 月31 日24 时10 a 的逐小时降水数据统计分析降水的逐日、逐时变化特征，站点分布信息如图1、表1 所示。

图1 新疆伊犁河谷站点分布

表1 新疆伊犁河谷站点分布及信息

本文根据降水的不同物理特征将其对应划分为液态降水和固态降水，液态降水（即降雨）主要出现在每年的5—9 月[24]，本文称之为暖季（也为汛期[13，20，24-25]），而固态降水（降雪）主要出现在每年10月—次年4 月，本文称之为冷季。在分析和统计伊犁河谷全年降水过程中，当一次降水开始时刻至降水结束时刻（结束时刻后连续6 h 没有降水）的小时数定义为一次降水持续时间[21]，定义降水量超过0.1 mm/h 为有降水，分别累加逐小时降水量与降水序列，由此分析降水频次、降水强度、不同持续时间降水量和贡献率等[21-24]。

为便于论证，根据这10 个观测站的地理地形位置分为两组，把海拔不高于770 m 分为一组，定义为平原区，即：霍尔果斯722.0 m，霍城640.0 m，察布查尔602.6 m，伊宁662.5 m，伊宁县770.0 m；二组为海拔高于770 m，即：尼勒克1 105.3 m，巩留774.9 m，新源928.2 m，昭苏1 851.0 m，特克斯1 210.4 m，定义为山区。

2 伊犁河谷全年降水日时空分布

利用伊犁河谷10 个气象站逐小时降水量资料，计算了年平均逐时累计降水量。由图2a、2b 可以看出，伊犁河谷暖、冷季平原区、山区降水量变化特征极其明显，暖季中山区降水量均明显大于平原区，占暖季总降水量的70.1%；冷季中平原区、山区则表现相反，平原区占冷季总降水量的51.5%。暖季平原区降水量最大值出现在22：00，为6.31 mm，最小值出现在14：00，为2.16 mm；山区最大值出现在00：00，为14.53 mm，最小值出现在13：00，为7.39 mm。冷季平原区最大值出现在10：00，为13.99 mm，最小值出现在18：00，为6.15 mm；山区最大值出现在11：00，为9.91 mm，最小值出现在17：00，为6.24 mm。从图2a 中可以看出暖季中山区年平均逐时累积降水量明显大于平原区，差值最大值出现在00：00，为9.17 mm；冷季中平原区年平均逐时累积降水量在（03：00—14：00）高于山区，其他时段变化趋势不明显，差值最大值出现在10：00，为4.13 mm。由图2c、2d 可以看出暖季平原区5 个站降水变化与年平均逐时累积降水量变化趋势大致相似，而山区5 个站降水量波动性较大，14：00—00：00 降水量呈波动性变化，其中此时段昭苏较其他站点降水量较高，巩留最低。从图2e、2f 看出，冷季平原区5 个站降水与年平均逐时累积降水量变化趋势相似，且5 个站降水变化趋势也几乎一致，仅伊宁县站各时段的降水量高于其他站点，而山区5 个站各时段降水量则呈波动性变化，新源站降水量高于其他站点。

3 伊犁河谷全年逐时降水频次时空分布

图2 伊犁河谷暖、冷季（a、b）、分站（c、d、e、f）逐时年平均降水量变化

图3 伊犁河谷暖、冷季（a、b）、分站（c、d、e、f）逐时年平均降水频次日变化

从伊犁河谷全年降水频次分布（图3a、3b）来看，暖、冷季平原区、山区年平均逐时降水频次变化特征依然比较明显，暖季中山区降水频次均明显高于平原区，占暖季总频次的68.6%；而冷季中平原区、山区则表现差距不大，分别占冷季总频次的50.2%和49.8%。一天中暖季平原区最易发生降水的时段为23：00—翌日11：00（≥平均值4.99），此时段降水发生次数达到77.82 次， 占总降水次数的65.0%；而山区最易发生降水的时段为19：00—翌日08：00（≥平均值10.92），此时段降水发生次数达到171.54 次，占总降水次数的65.4%。冷季中平原区最易发生降水的时段为04：00—14：00（≥平均值14.14），占总降水次数的54.2%；冷季山区最易发生降水的时段为00：00—13：00（≥平均值14.05），此时段降水发生次数占总降水次数的63.3%。由图3c、3d 可以看出暖季平原区5 个站降水频次变化和年平均逐时降水频次变化趋势大致相似，而山区5 个站则波动性明显，主要集中在15 时—翌日02 时，此时段昭苏降水频次明显高于其他站点；图3e 中5 个站不仅和冷季平原区年平均逐时降水频次变化趋势相似，且5 个站逐时降水频次波动幅度很小，而冷季山区5 个站则与平原区5 个站形成鲜明对比，波动幅度比较明显（图3f）。

4 伊犁河谷全年逐时降水强度时空分布

从伊犁河谷全年逐时降水强度（图4a、4b）来看，暖、冷季平原区、山区变化特征不明显，存在一定的波动性，变化趋势与累积降水量、降水频次存在差异。暖季平原区逐时降水强度最大值出现在18：00，为1.37 mm·h-1，但18：00 降水频率却低于平均值，累积降水量略高于平均值；降水强度最小值出现在03：00，为0.66 mm·h-1，但03：00 降水频率却高于平均值，累积降水量略低于平均值；暖季山区逐时降水强度最大值出现在16：00，为1.18 mm·h-1，但16：00 累积降水量和降水频次却低于对应平均值。冷季平原区逐时降水强度最大值出现在10：00，为0.66 mm·h-1，10：00 累积降水量为最大值，降水频率为次大值；山区逐时降水强度最大值出现在22：00，为0.68 mm·h-1，对应累积降水量略高于平均值，降水频率却略低于平均值；降水强度最小值出现在07：00，为0.54 mm·h-1，但07：00 累积降水量和降水频率却分别高于对应平均值。

图4 伊犁河谷暖、冷季（a、b）、分站（c、d、e、f）逐时降水强度日变化

综上所述，伊犁河谷暖季和冷季，平原区和山区最高和最低累积降水量、降水频次和降水强度出现时刻并不存在一致性。由图4c、4d 可以看出，除霍尔果斯00：00、16：00、20：00 的降水强度较高外，其余站点暖季逐时降水强度和平均逐时降水强度相似，白天变化平缓，夜间有一定波动幅度；冷季中霍尔果斯02：00—04：00 和19：00—20：00 的降水强度偏高，其余站点逐时降水强度和平均逐时降水强度大致相同，白天与夜间并无明显波动差异（图4e、4f）。

5 伊犁河谷全年不同持续时间降水时空分布

从伊犁河谷暖、冷季不同持续时间的年平均降水次数（图5a）可以看出，降水主要以短时间的降水为主，随着持续时间的增加，降水次数不断递减，暖冷季差距不大，持续1～4 h 暖冷季降水次数分别占降水总次数的50.3%和49.7%。但从暖季来看，山区的降水次数在不同持续时间内均明显高于平原区，平原区和山区持续1 h 的降水次数均为最大值，分别为34.2%和28.9%；平原区、山区持续2～5 h 的降水次数占降水总次数的43.8%和39.9%。冷季不同持续时间的降水次数（图5b）则不同于暖季，降水仍然以短时间降水为主，平原区、山区频次差距不大，变化趋势几乎一致，持续1 h 的降水次数仍为最大值，分别为20.6%和22.7%；但在持续4 h 频次上平原区、山区均出现了次大值，平原区、山区持续2～5 h 的降水次数分别占总降水次数的41.9%和39.3%。

图5 伊犁河谷暖、冷季（a、b）全年降水不同持续时间的年平均频次

从图6a、6b 中不难发现伊犁河谷暖、冷季平原区、山区全年降水不同持续时间的年平均降水量存在一定波动性，与降水频次相似，主要以短时间的降水量为主，其中暖季平原区、山区变化趋势存在差异，而冷季平原区、山区变化则趋于平缓。暖季平原区降水持续2 h 和山区降水持续4 h 的年平均降水量最多，分别达到14.13 mm 和20.78 mm，贡献率分别为13.0%和7.9%（均为最大值）；平原区降水持续时间超过12 h 后，降水量明显下降，而山区持续时间则达到21 h。结合不同持续时间的降水量的贡献率（图7a）可以看出，虽然暖季山区不同持续时间降水量均高于平原区，但贡献率却不及平原区；山区不同持续时间降水量最大值和次大值为4 h 和3 h，降水贡献率达到7.9%和7.2%，而平原区对应贡献率却为10.1%和11.9%；暖季平原区、山区持续1 h 的降水次数虽然最多，但其降水量和降水贡献率却不是最大。

在不同持续时间的年平均降水量中，冷季平原区、山区最大值均出现在4 h，分别为16.58 mm 和16.95 mm，结合不同持续时间的降水量的贡献率（图7b）可以看出，冷季平原区、山区降水贡献率最大值同样出现在4 h，分别为7.8%和8.3%，可以得出与暖季类似平原区、山区持续1 h 的降水次数虽然最多，但是其降水量和降水贡献率却不是最大；与暖季相比，冷季平原区、山区不同持续时间的降水贡献率和不同持续时间的降水量有相似的变化规律。

图6 伊犁河谷暖、冷季（a、b）全年降水不同持续时间的年平均降水量

图7 伊犁河谷暖、冷季（a、b）全年降水不同持续时间的年平均降水贡献率

6 结论

（1）伊犁河谷地区逐时年平均降水量和降水频次变化特征明显，暖季山区降水量和降水频次明显大于平原区，而冷季中山区却低于平原区。暖季平原区、山区降水量最大值分别出现在22：00 和00：00；冷季平原区、山区降水量最大值分别出现在10：00和11：00。全天中暖季平原区最容易发生降水的时段为23：00—翌日11：00；山区为19：00—翌日08：00。冷季平原区最容易发生降水的时段为04：00—14：00；山区为00：00—13：00。降水强度暖、冷季变化特征不明显，变化趋势与降水量、降水频次存在差异，暖季平原区逐时降水强度最大值出现在18：00；山区逐时降水强度最大值出现在16：00。冷季平原区逐时降水强度最大值出现在10：00；山区逐时降水强度最大值出现在22：00。

（2）伊犁河谷地区全年降水主要以短时段降水为主，随着降水时间的持续增长，降水次数则不断减少。其中，暖、冷季平原区、山区降水持续1 h 的次数均为最大值，但暖季平原区降水持续2 h 和暖季山区持续4 h 的降水量及贡献率为最大值，而冷季平原区、山区最大值则均出现在持续4 h。

（3）从伊犁河谷暖、冷季平原区、山区降水量及降水频次综合来看，暖季中平原区、山区变化特征明显，暖季山区降水量和降水频次明显大于平原区，且以局地降水为主，降雨主要集中在山区；而冷季中则以系统性天气为主，山区降水量和降水频次略低于平原区，降雪平原区略大于山区。从伊犁河谷暖、冷季平原区、山区最大降水量时间及最易发生降水时段来看，暖季中平原区、山区变化特征依然明显，暖季平原区、山区降水量最大值出现在傍晚到前半夜，由于河谷地区水汽充沛，加之午后地表温度骤升，热力条件充足，山区受地形抬升易产生对流性降水，也就解释了暖季山区降水量、降水频次均明显大于平原区的原因。

（4）伊犁昭苏是新疆主要的冰雹区与人工防雹区，从暖季山区降水量极大值与易降水时段分析，午后开始易产生对流冰雹天气，因此在对流产生的初期开展雷达观测等手段，提早进行人工防雹作业，抑制冰雹的形成，减少或避免冰雹灾害造成的各项损失；冷季平原区、山区降水量最大值（10：00 和11：00）均出现在上午，时间间隔近，可能原因为大部分天气系统移动发展方向都为由西向东，即先平原后山区。结合平原区和山区最易发生降水时段，从人工影响天气的角度来看，此时间段更有利于开展飞机、地面人工增雨（雪）工作，提高空中水资源转化率，缓解经济开发和保护生态环境所面临的水资源短缺问题。