新疆伊犁河谷不同季节降水的日变化特征

杨 霞，张俊兰，华 烨，许婷婷，张林梅

(新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

降水日变化特征是当前气候研究领域的一个热点问题，对降水日变化特征的研究，有助于加深对降水形成机理的理解[1]，也有助于加深对影响区域气候变化的动力和热力过程的认识，从而进一步认识数值模式输出结果的不确定性[2]。目前有关降水日变化特征方面的研究较多[3-6]，如研究发现中国大陆夏季降水日变化的区域性特征明显[7-8]，且不同区域的降水日位相可能存在关联；华北地区夏季降水量和降水频次的日变化都存在明显的双峰特征[9]；西南地区夏季降水存在明显的“夜雨”特征[10]；青藏高原中部地区夏季降水日峰值主要出现在傍晚前后，而高原以东邻近地区则主要出现在夜间[11-12]。由于暖季是我国季风区降水的主要时段，因此目前针对降水日变化的研究也主要集中在暖季[13-14]，其他季节涉及较少。我国南方地区冷季和暖季降水的日位相存在差异，暖季降水日峰值出现时间的东西差异显著，而冷季这一差异减小[15]。

新疆地处我国西北部，是典型的干旱半干旱地区，气候不受东亚夏季风系统的直接影响，降水特征与我国东部季风区存在显著差异[16-17]。受观测资料的限制，新疆降水日变化的研究相对较少，且主要集中在夏季[18-20]。北疆地区夏季降水量的日变化呈准单峰型，南疆呈三峰型，且北疆地区逐时降水量和降水频率均比南疆大[21]。新疆夏季逐时降水量和降水频率的峰值山区主要出现在18:00—23:00(北京时，下同)，盆地主要出现在00:00—05:00；除南疆盆地东南部外，新疆大部地区降水的日循环与降水的持续性之间存在紧密联系，夏季短历时降水事件对夏季总降水量的贡献率远高于我国中东部地区[22]。伊犁河谷是新疆最湿润的地区，被称为“西域湿岛”和“塞外江南”，该区域夏季降水的高发时段在夜间，持续时间为2 h的降水事件对夏季总降水量的贡献率最高[23]；冬季降水的高发时段在上午，持续12 h以上的降水事件是伊犁河谷冬季总降水量的主要贡献者[24]。目前，针对伊犁河谷地区降水日变化的研究相对较少，其不同季节降水的日变化特征有何差异还不清晰。本文利用2012—2019年伊犁河谷逐小时降水资料，研究该区域不同季节降水量、降水频次和降水强度日变化的基本特征，分析伊犁河谷四季不同持续性降水事件的降水量日变化特征及其对季节内总降水量的贡献，以期进一步加深对伊犁河谷地区不同季节降水日变化特征的理解，为精细化天气预报和改进数值模式提供一定参考。

1 研究区概况

伊犁河谷(80°09′E—84°56′E、42°14′N—44°50′N)地势东高西低、东窄西宽，呈喇叭型向西敞开，北、东、南三面环山。按照新疆天气预报业务规定[16]，将伊犁河谷划分为3个区域即西部、东部和南部山区，其中西部包括5个气象站点(霍尔果斯、霍城、察布查尔、伊宁和伊宁县)，海拔600～700 m；东部包括3个气象站点(尼勒克、巩留和新源)，海拔700～1100 m；南部山区包括2个气象站点(昭苏和特克斯)，海拔1200～1900 m。图1为伊犁河谷区域地形及气象站点分布。

图1 伊犁河谷区域地形(阴影，单位：m)及气象站点(圆点)分布Fig.1 The terrain (the shadow, Unit: m) and distribution of meteorological stations (the dots) in the Yili River Valley

2 资料与方法

2.1 资 料

利用2012—2019年伊犁河谷10个国家基准气象站逐小时降水资料，首先对逐小时降水数据进行质量控制，剔除异常值和不完整资料。文中春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为当年12月至翌年2月。

2.2 小时降水量定义

小时降水量指某一整点至下个整点1 h内降水量大于等于0.1 mm的累计降水总量；若1 h降水量大于等于0.1 mm，则记1次小时降水频次；逐时累计降水量与对应时次累计降水频次之比为逐时平均降水强度；降水持续时间指一次降水开始时刻至降水结束时刻的小时数，当某一次降水时次之后连续2 h没有降水发生则判定为一次持续降水结束[21]。

将伊犁河谷地区的降水按不同持续时间分为3类[1,21]，即1～6 h为短历时降水，7～12 h为持续性降水，12 h以上为长持续性降水。

3 结果分析

3.1 降水量日变化

图2为2012—2019年伊犁河谷不同季节累计降水量日变化。可以看出，伊犁河谷春季、夏季和冬季累计逐时降水量的日变化呈单峰型，秋季呈双峰型。春季，伊犁河谷逐时降水量的高值时段主要出现在08：00—12：00，10：00降水量最大(162.4 mm)；低值时段主要出现在14：00—17：00，16：00降水量最小(74.4 mm)。夏季降水量高值时段出现在19：00—24：00，22：00降水量最大(213.4 mm)；低值时段主要出现在12：00—17：00，15：00降水量最小(79.6 mm)。秋季降水量的两个峰值分别出现在12：00(128.2 mm)和23：00(102.8 mm)，谷值分别出现在07：00(82.8 mm)和19：00(82.1 mm)。冬季降水量高值出现在01：00—14：00，10：00达到最大(89.8 mm)；低值时段出现在15：00—24：00，17：00达到最小值(45.2 mm)。综上可知，伊犁河谷四季累计逐时降水量最小值的出现时间相对集中(15：00—19：00)；而最大值的出现时间存在明显季节差异，春季、秋季和冬季的最大值都出现在上午；而夏季却出现在前半夜。此外，夏季降水量峰值和谷值的差距为四季中最大，夏季累计逐时降水量从谷值增大到峰值的速率明显快于从峰值减小到谷值的速率，这主要与夏季对流系统较活跃，常出现短时强降水天气有关。

图2 2012—2019年伊犁河谷春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)累计降水量日变化Fig.2 The diurnal variation of accumulated precipitation in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Yili River Valley during 2012-2019

图3为2012—2019年伊犁河谷不同季节逐时平均降水量峰值及其出现时间的空间分布。可以看出，春季和夏季伊犁河谷逐时平均降水量最大峰值均出现在昭苏站，分别为4.1 mm和7.2 mm，最小峰值出现在霍城站，分别为1.3 mm和1.8 mm；秋季伊犁河谷各站逐时平均降水量最大峰值出现在新源和昭苏两站，均为2.4 mm，最小峰值出现在霍尔果斯站，为1.4 mm；冬季伊犁河谷逐时平均降水量最大峰值出现在伊宁县站，为1.8 mm，最小峰值出现在昭苏和特克斯站，均为0.6 mm。从伊犁河谷不同季节逐时平均降水量峰值来看，除伊宁县和新源两站春季最大外，其余8站都是夏季最大。此外，伊犁河谷春季、夏季和秋季逐时平均降水量峰值最大的区域都出现在南部山区，而冬季该区域却成为伊犁河谷逐时平均降水量峰值最小的区域。伊犁河谷地区山区和平原的降水存在明显的季节差异，夏季山区大于平原，而冬季则平原大于山区。

图3 2012—2019年伊犁河谷不同季节逐时平均降水量峰值(左，填色，单位：mm)及其出现时间(右，箭头)空间分布Fig.3 The distribution of the maximum value (left, the shaded, Unit: mm) and its corresponding time (right, the arrow) of mean hourly precipitation in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

伊犁河谷不同季节逐时平均降水量峰值的出现时间存在区域差异，春季伊犁河谷西部和南部山区逐时平均降水量峰值的出现时间分别在09：00—11：00、18：00，而其东部地区峰值出现时间差异较大；夏季伊犁河谷西部逐时平均降水量峰值的出现时段在19：00—21：00，南部山区昭苏站和特克斯站分别为22：00和01：00，东部地区的差异仍然较大；秋季除霍尔果斯站外，伊犁河谷西部地区逐时平均降水量峰值出现时段集中在09：00—12：00，东部地区在12：00—13：00，南部山区2站均为23：00；冬季伊犁河谷西部地区逐时平均降水量峰值出现时间与春季类似，出现在09：00—11：00，东部3站均出现在12：00，南部山区出现在06：00—07：00。综上所述，伊犁河谷西部地区和南部山区区内各站点逐时平均降水量峰值的出现时间在同一季节内相对集中，而东部地区在秋季和冬季较为集中，春季和夏季差异较大。

3.2 降水频次日变化

图4为2012—2019年伊犁河谷不同季节累计降水频次的日变化。可以看出，春季伊犁河谷降水频发于03：00—13：00，11个时次的累计降水频次都超过150次；10：00累计降水频次最多，为196.7次；15：00—22：00累计降水频次相对较少，17：00最少，为104.7次。夏季20：00至次日07：00的降水频次较多，22：00最多，为156.0次；12：00—17：00的降水频次较少，15：00最少，仅为90.0次。秋季各时次累计降水频次的差异较小，08：00—13：00的降水频次相对较多，其中11：00最多，为164.7次；17：00—22：00降水频次相对较少，19：00最少，为128.0次。冬季03：00—14：00的累计降水频次较多，其中12：00最多，为202.3次；15：00—23：00累计降水频次相对较少，20：00最少，为116.0次。综上可知，在同一季节内，伊犁河谷累计降水频次的日变化特征与累计降水量类似，春季、秋季和冬季累计降水频次的高值时段和低值时段的出现时间基本一致，高值时段主要出现在清晨至上午，低值时段主要出现在下午至前半夜；夏季差异较大，累计降水频次的高值时段主要出现在傍晚至次日清晨，低值时段主要出现在中午至午后。

图4 2012—2019年伊犁河谷春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)累计降水频次的日变化Fig.4 The diurnal variation of accumulated precipitation frequency in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Yili River Valley during 2012-2019

图5为2012—2019年伊犁河谷不同季节逐时平均降水频次峰值及其出现时间的空间分布。可以看出，春季伊犁河谷各站逐时平均降水频次的最大峰值出现在新源站，为3.7次，最小峰值出现在霍尔果斯站，为1.8次；夏季伊犁河谷逐时平均降水频次的最大峰值出现在昭苏站，为5.2次，最小峰值出现在霍尔果斯站，为1.29次；秋季伊犁河谷逐时平均降水频次的最大峰值现在新源站，为2.8次，最小峰值也出现在霍尔果斯站，为1.7次；冬季伊犁河谷各站逐时平均降水频次的最大峰值出现在伊宁县站，为3.46次，最小峰值出现在特克斯站，仅为1.33次。伊犁河谷各站夏季和冬季逐时平均降水频次峰值的空间分布特征存在明显的区域差异，夏季东部地区和南部山区大于西部地区，而冬季则与之相反。

图5 2012—2019年伊犁河谷不同季节逐时平均降水频次峰值(左，填色，单位：次)及其出现时间(右，箭头)的空间分布Fig.5 The distribution of the maximum value (left, the shaded, Unit: times) and its corresponding time (right, the arrow) of the mean hourly precipitation frequency in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

伊犁河谷不同季节逐时平均降水频次峰值的出现时间也存在区域差异，春季伊犁河谷西部和东部地区逐时平均降水频次峰值出现在09：00—11：00，南部山区出现在20：00；夏季伊犁河谷西部地区逐时平均降水频次峰值出现在01：00—04：00，南部山区均出现在20：00—22：00，东部地区3站的峰值出现时间差异较大；秋季伊犁河谷西部地区逐时平均降水频次峰值的出现时间与春季类似，也出现在09：00—11：00，南部山区2站都出现在23：00，东部地区3站峰值出现时间的差异仍较大；冬季伊犁河谷西部和东部地区逐时平均降水频次峰值出现在08：00—12：00，南部山区2站的峰值出现时间差异较大。

3.3 降水强度日变化

图6为2012—2019年伊犁河谷不同季节逐时平均降水强度峰值及其出现时间的空间分布。可以看出，春季察布查尔站的逐时平均降水强度峰值最大(2.02 mm·h-1)，伊宁站最小(0.37 mm·h-1)；夏季霍城站的逐时平均降水强度峰值最大(2.88 mm·h-1)，昭苏站最小(0.37 mm·h-1)；秋季霍尔果斯站的逐时平均降水强度峰值最大(1.46 mm·h-1)，尼勒克站最小(0.97 mm·h-1)；冬季霍尔果斯站的逐时平均降水强度峰值最大(0.67 mm·h-1)，昭苏站最小(0.34 mm·h-1)。综上可知，伊犁河谷各站的平均降水强度峰值的最大值均出现在夏季，最小值都出现在冬季。

伊犁河谷不同季节逐时平均降水强度峰值的出现时间也存在差异。春季南部山区逐时平均降水强度峰值的出现时间均为18：00，而西部和东部地区各站逐时平均降水强度峰值出现时间差异较大；夏季伊犁河谷西部逐时平均降水强度峰值的出现时间集中在20：00—21：00，东部和南部山区各站逐时平均降水强度峰值的出现时间差异较大；秋季伊犁河谷东部逐时平均降水强度峰值的出现时间集中在12：00—13：00，南部山区在12：00—16：00，西部各站逐时平均降水强度峰值的出现时间差异较大；冬季伊犁河谷西部逐时平均降水强度峰值的出现时间出现在05：00—11：00，东部出现在19：00—21：00，南部山区各站峰值的出现时间差异较大。

对比图3、图5和图6可以看出，伊犁河谷春季、秋季和冬季大部分站点逐时平均降水量峰值的出现时间与逐时平均降水频次峰值的出现时间较为一致，而夏季大部分站点逐时平均降水量峰值的出现时间则与逐时平均降水强度峰值的出现时间较为一致，说明伊犁河谷春季、秋季和冬季降水量与降水频次的关系密切，即春、秋、冬季降水量多主要是由于降水频次多；而夏季降水量则与降水强度的关系更为密切，降水量多主要由降水强度大造成。

图6 2012—2019年伊犁河谷不同季节逐时平均降水强度峰值(左，填色，单位：mm·h-1)及其出现时间(右，箭头)的空间分布Fig.6 The distribution of the maximum value (left, the shaded, Unit: mm·h-1) and its corresponding time (right, the arrow) of mean hourly precipitation intensity in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

3.4 不同持续性降水事件日变化

图7为2012—2019年伊犁河谷不同季节不同持续时间的累计降水频次和累计降水量的占比。可以看出，持续时间为1～6 h的短历时降水事件在伊犁河谷四季的出现比例均最高，该类事件在四季中占各季总降水频次的比例分别为春季81%、夏季89%、秋季76%、冬季70%；7～12 h的持续性降水事件在伊犁河谷四季的出现比例次之，该类事件在四季中占各季总降水频次的比例分别为春季15%、夏季9%、秋季17%、冬季19%；12 h以上的长持续性降水事件在伊犁河谷四季的出现比例均最少，该类事件在四季中占各季总降水频次的比例分别为春季4%、夏季2%、秋季7%、冬季11%。综上可知，伊犁河谷地区四季均以短历时降水事件为主，长持续性降水事件的出现频次最少，短历时降水事件在夏季的出现比例最高，长持续性降水事件在冬季的出现比例最高。

图7 2012—2019年伊犁河谷不同季节不同持续性降水事件累计降水频次(a)及累计降水量(b)占比Fig.7 The percentage of accumulated precipitation frequency (a) and accumulated precipitation (b) for different duration precipitation in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

伊犁河谷地区春季短历时降水、持续性降水和长持续性降水事件的降水量对春季总降水量的贡献率分别为48%、33%和19%，夏季分别为60%、22%和18%，秋季分别为33%、36%和31%，冬季分别为31%、33%和36%。可见，伊犁河谷地区春季和夏季以短历时降水事件和持续性降水事件为主，二者的降水量对春季和夏季总降水量的贡献率均过80%；秋季和冬季3类降水事件降水量对季节内总降水量的贡献率大致相当，基本上各占1/3。

综上所述，短历时降水事件在伊犁河谷地区四季中出现的比例最高，特别是夏季，该类事件的出现比例接近90%，且短历时降水事件是夏季总降水量的最大贡献者(60%)；秋季和冬季虽然仍以短历时降水事件为主，其出现率分别为76%和70%，但该类降水事件对秋季和冬季总降水量的贡献率仅为33%和31%，远低于夏季。此外，由于冬季以稳定性降水为主，降水时间相对较长，因此冬季的短历时降水事件出现率为四季中最低；而持续性降水事件和长持续性降水事件出现率为四季中最高，二者是冬季总降水量的主要贡献者，贡献率接近70%。

中国中东部地区及新疆地区夏季降水日循环与降水持续性联系紧密[8,23]。为弄清伊犁河谷四季降水日循环与降水持续性是否存在联系，分析2012—2019年伊犁河谷四季不同持续时间的降水量在不同时刻的分布特征(图8)。可以看出，春季总降水量的主要贡献者是持续2～8 h的降水事件，其中持续4～5 h和7～8 h的降水事件对春季总降水量的贡献最大，上述两个降水事件的降水量大值区均出现在10：00—12：00，与春季累计降水量日变化的峰值区相对应。持续时间小于6 h的降水事件是伊犁河谷夏季总降水量的主要贡献者，其降水量大值区主要出现在18：00—24：00，也对应夏季累计降水量日变化的峰值区。秋季持续时间在12 h以内的降水事件对总降水量的贡献较大，其中以持续4～5 h和8～9 h的降水事件对秋季总降水量的贡献最大，二者降水量大值区分别出现在20：00—23：00和10：00—12：00，也分别与秋季累计降水量日变化中的两个峰值区相对应。冬季持续4～16 h降水事件的降水量占冬季总降水量的比重较大，其中持续6～8 h的降水事件对冬季总降水量的贡献最大，其降水量大值时段出现在04：00—12：00，与冬季累计降水量日变化中的峰值区相对应。

图8 2012—2019年伊犁河谷春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)不同持续时间降水量在不同时刻的分布(阴影，单位：mm)及不同持续时间累计降水量(实线)Fig.8 The distribution of precipitation with different durations at different times (the shaded, Unit: mm), and cumulative precipitation with different durations (the line) in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Yili River Valley during 2012-2019

综上所述，伊犁河谷四季降水的日循环与降水的持续性之间关系密切，春季、夏季和秋季的短历时降水主要出现在20：00至次日02：00，持续性降水和长持续性降水主要出现在06：00—12：00；冬季3类不同持续时间的降水事件主要集中出现在04：00—12：00。伊犁河谷四季不同持续时间降水事件对各季总降水量的贡献都呈现随降水持续时间延长而下降的特征，春季、夏季和秋季的下降速率明显大于冬季。

4 结 论

(1)伊犁河谷地区累计逐时降水量日变化在春季、夏季和冬季呈单峰型，秋季呈双峰型。春季、秋季和冬季累计逐时降水量日变化的高值时段都出现在上午(10：00—12：00)，夏季则出现在前半夜(22：00)；四季累计逐时降水量日变化低值时段较统一，都出现在下午(15：00—19：00)。

(2)同一季节内累计降水频次的日变化特征与累计降水量类似；春季、秋季和冬季累计逐时降水频次的高发时段在清晨至上午(08：00—13：00)，低发时段在下午至晚上(15：00—23：00)；夏季的高发时段在傍晚至清晨(20：00至次日07：00)，低发时段在中午至下午(12：00—17：00)。

(3)伊犁河谷地区四季中短历时降水事件的出现比例最高，春季和夏季该类事件的出现比例分别为81%和90%，是春季和夏季总降水量的最大贡献者；秋季和冬季虽然仍以短历时降水事件为主，但其对季节内总降水量的贡献率远低于春季和夏季，3类降水事件降水量对总降水量的贡献率大致相当，基本上各占1/3。

(4)伊犁河谷四季降水的日循环与降水的持续性之间存在密切关系，春季持续2～8 h的降水事件是降水量日变化峰值的主要贡献者；夏季1～4 h的短持续性降水事件是降水量日变化峰值的主要贡献者；秋季和冬季3类不同持续时间降水事件对降水量日变化峰值的贡献大致相等。

新疆伊犁河谷地区降水日变化存在显著的季节差异，环流系统的演变、季风的影响、太阳辐射的季节性变化、不同季节的盛行风向和水汽供应等都会对降水日变化造成影响[1]。新疆地处欧亚大陆腹地、远离海洋、地形地貌复杂，特殊的大气环流和水汽条件，造成新疆与我国东部地区的降水特征存在显著差异。本文仅对伊犁河谷四季降水日变化特征进行了统计分析，对其中的物理机制尚未触及，今后将进一步分析造成上述差异的原因，从而加深对西北干旱区不同类型降水物理机制的理解，为数值模式改进提供参考。

DOI:10.1029/2006GL028129.

DOI:10.1029/2007GL030315.