1971～2017年新疆夏季分级降水特征

2021-07-05李雪婷靳立亚李金建

高原山地气象研究 2021年2期

李雪婷,靳立亚,李金建

（成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225）

引言

近一个世纪以来，在全球气候趋势变暖的背景下，北半球干旱半干旱地区已经成为温度增长最显著的地区，其中以中纬度地区的变化最为明显，降水量的区域性变化尤为明显[1]。近半个世纪以来，中国每年降水量都呈现出明显减少的下降趋势，但西部干旱地区半干旱地区在近50年内却仍然被认为是400年来年平均降水最充沛的一个时期，多雨情况主要出现在当地冬季气候急剧变暖的30年中[2]。新疆地处干旱半干旱地区，作为"一带一路"经济带的一个核心地区，增强对新疆地区降水变化的认识，提高新疆地区降水预报能力，这是新疆地区当前的生活、发展的必然需求。已有研究[3-4]表明：新疆地区的气候并非直接受季风系统作用，由于地形影响，降水分布不均，以天山山脉为界，不同级别的降水量、降水日和降水强度呈现出空间差异，分布整体呈"北多南少"；新疆的降水主要集中在夏季，小雨的贡献率最高，中雨其次，大雨最少，夏季的降水量与降水日的变动主要受到夏季小雨的影响。

目前，针对新疆地区夏季降雨的气候特征研究不多。如张新等[5]利用4个站点数据分析了1961～2005年新疆博州地区降雨量和降雨日的时空变化特征。李春芳等[6]利用7个站点数据分析了新疆阿勒泰地区暖季分级降雨气候特征。周顺武等[7]研究了西北地区东部夏季小雨、中雨和大雨这三个不同等级降水的降水量、降水日和降水强度的空间分布特征。杜雅菡等[4]将研究范围扩大至全疆。总的说来，已有工作大多以局部地区为研究对象，选取数据站点的数量较少，不够全面细致，而且以往的降水分级标准已经不能满足当前气象预报服务的需求。因此，本文选取1971～2017年新疆100个气象观测站的逐日降雨资料，在降水分级的基础上，对新疆夏季分级降水特征进行细致深入的分析，以期加深对区域气候变化的认识以及促进气象服务工作的发展。

1 资料与方法

1.1 区域概况

新疆维吾尔自治区处于我国西北边陲，占国土总面积的六分之一，其地形复杂多变，北部是阿尔泰山，南部为昆仑山系，天山横跨新疆中部，该地形俗称“三山夹二盆”。新疆属于典型的温带大陆性气候，日照充足，温差较大，降水偏少，南疆气温高于北疆，而降水少于北疆[8-11]。

1.2 资料

本文中使用的数据是中国气象局国家气象信息中心提供的中国2474站24小时累计雨量观测资料。经过筛选处理后，选取了新疆地区具有较完整观测记录的100个站点(站点分布见图1)。资料序列长度为1971～2017年。根据气候季节划分[12]规定6～8月为夏季。

图1 新疆气象观测站点的空间分布

1.3 研究方法

本文采用Mann-Kendall（M-K）检验、统计分析、经验正交函数(EOF)、气候倾向率、Morlet小波分析等方法进行研究。

1.4 降水标准划分

鉴于新疆地区的特殊性，《降水强度等级划分标准(内陆部分)》中的分级标准在新疆地区适用性较差，本文参考肖开提等[13]制定的新疆降水量级标准，提出了新的分级降水标准，具体见表1。

表1 新疆地区分级降水标准

2 新疆夏季降水的时空变化特征

2.1 年平均新疆夏季降水的时空特征

图2是1971～2017年共47年平均的新疆夏季降水的空间分布。受天山山脉地形因素的影响，新疆夏季降水主要集中在天山山脉附近，天山以北的北疆地区年平均的夏季降水量基本在60mm以上，而南疆在60mm以下，呈由北向南递减的空间分布特征，乌鲁木齐与伊犁河为夏季降水高值区。其中南疆地区同样因地形因素的影响，夏季降水呈以塔里木盆地为中心向四周递减的特征，大值区位于南疆西部。

图2 1971～2017年年平均新疆夏季降水的空间分布

对1971～2017年新疆区域平均的夏季降水进行MK突变检验，结果如图3所示。UF统计量和UB统计量的曲线交点大致在1987年，且通过0.05水平的显著性检验，表明1987年夏季降水发生了由少到多的突变。1987年之前，夏季降水呈减少趋势；20世纪80年代～90年代初期，夏季降水呈显著增加趋势；1991年之后，夏季降水仍呈增加趋势；2005年之后，增加趋势减弱。

图3 1971～2017年新疆区域平均夏季降水的M-K检验

2.2 新疆夏季降水EOF分析

为了客观描述新疆夏季降水量的空间分布特征，将1971～2017年新疆100个站点的夏季降水数据标准化处理后，进行了EOF分解。表2给出了前5个模态的方差贡献率及累计方差贡献率，其中前4个模态的累计方差贡献率达到了53.13%，可以较好地反映其时空演变特征。

模态第一第二第三第四第五方差贡献率/% 25.06 15.4 7.11 5.56 4.17累计方差贡献率/% 25.06 40.46 47.57 53.13 57.3

分析第一模态（图4a）可知，新疆夏季降水变化具有整体一致性，反映出该地区在一定程度上受同一天气系统控制，南疆西南部为降水波动最显著区域，其次是45°N附近的北疆西部地区。由对应时间序列(图4e)可知：1987年之前，夏季降水偏少；1987年之后，夏季降水偏多；1980、1985和2009年夏季降水整体异常偏少，1981、1987、1993和2016年夏季降水整体异常偏多。

分析第二模态（图4b）可知，新疆夏季降水呈南-北向的的反位相变化特征，主要反映出天山山脉地形因素的影响，乌鲁木齐及周边是变化最显著的区域。由对应时间序列(图4f)可知，1985，2000和2007年南疆夏季降水异常偏多，而北疆夏季降水异常偏少，1985，2000和2007年则与之相反。

分析第三模态（图4c）可知，新疆夏季降水呈东-西向的的反位相变化特征，反映出西部受西风带控制而东部受到盆地地形影响所造成的差异，北疆西部是变化最显著的区域，其次是40°N附近的南疆东部地区。由对应时间序列(图4g)可知，1984，2000和2016年夏季降水分布呈显著西多东少的特征，1985，2001，2003和2010年则与之相反。

分析第四模态（图4d）可知，新疆夏季降水呈中部与周边地区的反位相变化，分别以乌鲁木齐及周边与北疆北部为中心，其变化特征相反。由对应时间序列(图4h)可知，1999和2013年夏季降水分布呈显著中部少周围多的特征，1986，1993和2012年则与之相反。

图4 1971～2017年新疆夏季降水EOF分解的前四个模态（a～d.空间分布，e～h.时间序列）

3 新疆夏季分级降水的时空变化特征

3.1 长期趋势变化特征

图5给出了1971～2017年新疆地区夏季分级降雨雨量与雨日变化趋势的空间分布。新疆夏季整体雨量(图5a1)与雨日(图5a2)呈现明显上升趋势，其气候变化趋势系数的空间分布与新疆地区夏季降水气候态十分类似，呈北疆多南疆少、西部多东部少、山区多的特点。其中，夏季小雨的雨量(图5b1)与雨日(图5b2)在新疆大部呈一致的上升趋势，仅南疆部分地区的雨量增加而雨日减少。夏季中雨(图5c1～2)和大雨(图5d1～2)的变化趋势均呈现较为一致的平稳上升趋势。夏季暴雨雨量(图5e1)表现为全疆一致的上升趋势，暴雨雨日(图5e2)则显著增多，主要增加区域集中在天山附近与南疆地区，与近年来这些地区暴雨事件频发的事实相符。

图5 1971～2017年新疆夏季分级降雨雨量（左）与雨日（右）气候变化趋势的空间分布（a1～2.夏季降雨，b1～2.小雨，c1～2.中雨，d1～2.大雨，e1～2.暴雨）

3.2 时间变化特征

通过图6可知，1971～2017年区域平均的新疆夏季分级降雨雨量与雨日均呈增加趋势，其中暴雨的上升趋势最为显著，大雨次之，小雨和中雨最弱。如表3所示，统计了多年平均的新疆夏季分级降雨雨日(量)（定义有效雨量(有效雨日)为4个级别的雨量(日)之和），分析发现：新疆地区夏季小雨雨日达到15d，占夏季降水有效雨日的84.5%，同时夏季雨量的39.2%来自小雨降水，表明新疆夏季主要以小雨为主；中雨和大雨对新疆夏季降水量贡献相近，占新疆夏季降水的50%左右，中雨日约1.8d，大雨日约0.8d；暴雨雨日有0.2d，仅占夏季有效雨日的1.1%，但对雨量大小的贡献达到了11.6%，表明暴雨对新疆地区夏季降水影响较大。结合图6可知，暴雨是近47年影响新疆夏季降水的主要因素。

表3 1971～2017年多年平均的新疆夏季分级降雨雨量与雨日特征

图6 1971～2017年区域平均的新疆夏季分级降雨雨量（左）与雨日（右）的时间变化（a、e.小雨，b、f.中雨，c、g.大雨，d、h.暴雨）

3.3 周期变化

新疆夏季降雨的小波分析(图7a)表明：1980年前，新疆夏季降雨存在显著的准3a振荡周期；1980～1990年，出现了明显的4～7a振荡周期；1990～2010年，以准3a周期振荡为主。

新疆夏季小雨的小波分析(图7b)表明：1980年前，存在较明显的3a振荡周期；1980～1990年，存在6a与10a的振荡周期；1990～2000年有较明显的3a和6a振荡周期。新疆夏季中雨的小波分析(图7c)表明：1980～1990年，存在5a振荡周期；在90年代后期转变为较为明显且稳定的3a振荡周期。新疆夏季大雨的小波分析(图7d)表明：其周期变化与小雨有部分相似，1980年前存在3a的振荡周期，1980～1990年存在明显3a和6a振荡周期，1990～2000年存在较明显的3a振荡周期。新疆夏季暴雨的小波分析(图7e)表明，在1990年前无明显周期变化，此后存在明显且较为稳定的3a振荡周期。

图7 1971～2017年新疆夏季分级降雨的小波分析（a.夏季降雨，b.小雨，c.中雨，d.大雨，e.暴雨）

4 结论

利用1971～2017年新疆100个气象观测站的逐日降雨资料，在降水分级的基础上，采用EOF、M-K检验、小波分析等方法，分析了新疆夏季降水的气候演变特征。结论如下：

(1) 结合新疆夏季降水实际情况，规定降水量≥0.1mm的日数为降水日，将降水划分四个等级：小雨(0.1～6.0mm)、中雨(6.1～12.0mm)、大雨(12.1～24.0mm)、暴雨(≥24mm)。

(2)受天山的影响，新疆夏季降水多集中在天山山脉，呈由北向南递减的分布特征。近47年区域平均的新疆夏季降水呈现持续增长趋势，存在明显的多时间尺度波动，并在1987年发生由少到多的突变。

(3)新疆夏季降水的EOF分析表明其空间分布特征较为复杂。第一模态为整体一致变化，反映出该地区在一定程度上受同一天气系统控制；第二模态为南-北向的的反位相变化，反映了天山山脉地形因素的影响；第三模态为东-西向的反位相变化，反映出西部受西风带控制而东部受到盆地地形影响所造成的差异；第四模态为中部与周边地区的反位相变化。

(4)从空间分布来看，新疆夏季各级降水的雨量与雨日均呈现明显上升趋势，其气候变化趋势系数的空间分布特征与夏季降水的基本一致，也表现出北疆大于南疆、西部大于东部、山区多于盆地和谷地的特点。

(5)从时间变化来看，区域平均的新疆夏季各级降水的雨量与雨日以上升趋势为主，其中暴雨的上升趋势最为显著，大雨次之，小雨和中雨最弱。