乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期时空变化特征

苗运玲 ，卓芝正 ，张 军 ，李如琦 ，杨艳玲 ，王 健 *

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830002；2.哈密市气象局，新疆 哈密 839000；3.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

降水作为水资源的重要来源，是人类赖以生存和发展不可缺少的最重要物质资源之一。受人类活动、气候变化等因素的影响，水资源缺乏状况日趋严重，而气候变化很大程度上决定了水资源的丰欠，随着全球气候变暖，加快了大气水循环，极端天气气候事件不断增加，灾害性天气强度不断增大，造成降水分布不均匀和区域生态环境不稳定性增强[1-3]。《中国气候变化蓝皮书（2020）》[4]中指出：中国是全球气候变化的敏感区，1961—2019 年，平均年降水量呈微弱的增加趋势，平均年降水日数呈显著减少趋势，极端强降水事件呈增加趋势，年累计暴雨（日降水量≥50.0 mm）日数呈增多趋势；各区域降水变化趋势差异明显，青藏地区呈显著增多趋势，西南地区呈减少趋势，其余地区则无明显变化。为了反映年内总降水量非均匀分配的特征，杨远东[5]、孔峰[6]、ZHANG[7]等把月、周、候降水看成矢量，提出用降水集中度（PCD）和集中期（PCP）进行分析。此后，国内外众多学者利用此方法，采用不同时间尺度对年内降水事件的分布进行分析[8-14]。张天宇等[8]得出华北东部地区降水较西部集中，集中期较晚，且均呈显著的下降趋势。王米雪等[9]研究表明，中国东南沿海地区PCD在空间上具有明显地域差异，且差异不断增强，PCP空间差异性大且不稳定。刘宪锋等[10]通过对黄土高原地区的研究，发现该地区PCD自东南向西北逐渐增加，且以南北反向型分布，而PCP变化不大，主要集中在7 月中旬和下旬。

乌鲁木齐位于亚欧大陆腹地、天山北坡中段，是世界上距离海洋最远的城市，属于温带大陆性干旱气候，是“一带一路”经济核心城市和面向中亚的国际商贸中心。该地区水资源匮乏，生态环境脆弱，人均水资源为全国平均值的1/5、世界平均值的1/22，是全国30 个严重缺水城市之一。乌鲁木齐虽拥有冰川融水、地表径流等不同形态水资源补给，但降水却是水资源重要补给来源，因此降水多寡直接影响水资源的丰欠。目前针对乌鲁木齐降水研究，主要集中在气候变化、极端降水、旱涝等方面研究[15-20]，而针对降水集中度和集中期研究尚未涉及。乌鲁木齐5—9 月降水量占年降水量的73.0%，因此把5—9月界定为乌鲁木齐汛期。受地理位置、地形和海拔高度等影响，汛期降水量在时空分布上很不均匀，极易造成旱涝灾害。为了揭示乌鲁木齐汛期降水变化规律，保障安全度汛，合理存储、利用水资源，本文利用1978—2020 年乌鲁木齐5 个国家级气象站汛期逐日降水资料，分析该地区汛期候尺度降水集中度和集中期时空分布特征和变化趋势。

1 资料与方法

1.1 资料

乌鲁木齐地势起伏悬殊、南北地形差异大，地势总体呈东北向西南逐渐增高，海拔高度490～5 445 m，高差达到4 955 m。从北到南国家级气象站依次为米东、乌鲁木齐、小渠子、达坂城、大西沟（图1），乌鲁木齐和米东位于北部平原，代表城区，达坂城位于乌鲁木齐南郊，代表郊区，小渠子和大西沟地处天山山区，代表山区。各站逐日降水资料均通过新疆气象局信息中心严格控制质量，资料真实可靠。

图1 乌鲁木齐国家气象站点及海拔高度（单位：m）

1.2 降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的定义和算法

降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）是利用向量原理来定义区域降水量时间分配特征的参数，定量描述降水集中程度和集中出现时段。其定义公式如下：

由公式（1）、（2）可知，PCD能反映在研究时段内各个候降水总量集中程度，取值在0.0～1.0，PCD越接近1，表示降水越集中在某一候，反之降水分布就越均匀，即不集中。PCP则是合成向量的方位角，指示出每个候降水量合成后的总体效应，即向量合成后所指示的最大角度，表示最大候降水量出现在哪个时段。PCP值越大表示研究区内测站最大候降水量出现时间较晚，反之出现时间较早。

根据文献[7-8]中的研究方法，将候降水量看成向量长度，把5—9 月降水期看成一个圆，平均分成30 候，各候按顺序均匀分布，每一候相当于12°，各候方位角对应角度见表1。

表1 乌鲁木齐汛期各候方位角/（°）

1.3 研究方法

对乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期研究主要采用线性趋势分析、6 次多项式拟合、Morlet 小波分析及合成分析等方法，利用SPSS 中双变量分析法分析汛期降水集中度和集中期与汛期降水量相关性，并对其进行显著性水平检验。为了得到乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期，先分别计算5 站汛期降水集中度和集中期，然后统计得到乌鲁木齐降水集中度和集中期。

2 分析结果

2.1 汛期降水量基本特征

由图2 可知，1978—2019 年乌鲁木齐汛期多年平均降水量为233.4 mm，最大值为354.7 mm，出现在2007 年，最小值为 159.0 mm，出现在 1985 年，极差达195.7 mm，说明年际变化较大。年际变化总体呈波动上升趋势，上升率为4.53 mm/10 a，但未通过0.05 的显著性检验，说明上升趋势不显著。年代际变化呈倒“V”型分布，20 世纪 80 年代末期至 21 世纪初期为降水相对偏多期，其它时期处于偏少期。从6次多项式拟合来看，变化趋势总体呈单峰型分布，从2000 年左右开始逐渐下降一直持续到2013 年左右，然后呈微弱的上升趋势，并持续到2019 年。汛期平均降水量，总体呈带状分布（图2b），由西南向东北逐渐减小，最大值出现在大西沟（411.0 mm），最小值出现在达坂城（66.3 mm），达坂城站降水量仅是大西沟的1/6。不同区域降水量从大到小排序为：山区＞城区＞郊区（表2），说明区域差异显著，即山区的降水量明显多于城区和郊区；变化速率从高到低排序为（表 3）：山区＞郊区＞城区，但均未通过 0.05 显著性水平检验，说明上升/下降趋势不显著。

图2 1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水量年际变化趋势（a）和空间分布（b）

表2 1978—2019 年乌鲁木齐不同区域汛期降水量、降水集中度和集中期多年平均值统计

表3 1978—2019 年乌鲁木齐不同区域汛期降水量、降水集中度和集中期变化倾向率

2.2 汛期降水集中度和集中期年际变化趋势

从图3 可知，1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期均呈弱的下降趋势，表明汛期降水集中程度逐渐减弱，即降水分配趋于均匀，降水集中期逐渐提前，即最大候降水量出现时间逐渐提前。降水集中度变化范围为0.11～0.52，平均值为0.31，高于全国（0.15～0.25）[6]和北疆平均值（0.20）[12]，而低于东疆平均值（0.35）[15]；降水集中度在近42 a 中有25 a等于或低于平均值，说明这些年份降水分配比较均匀。各年代际变化幅度不大，为0.29～0.33，说明在各个年代降水集中程度较相似。从6 次多项式拟合来看，变化趋势总体呈波浪型分布，即急剧下降→上升→缓慢下降→急剧上升，且这种上升趋势一直持续到2019 年。

图3 1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水集中度（a）和集中期（b）年际变化趋势

汛期降水集中期变化范围在第25～46 候，平均值为第34 候，其中有19 a 集中出现在第34～40 候，说明这些年最大候降水量出现较晚。年代际变化整体呈“V”型分布，最小值出现在20 世纪90 年代末期到21 世纪初期，说明该时期最大候降水量出现较早。通过6 次多项式拟合可知，变化趋势呈“峰谷”型分布，即：急剧下降→上升→下降→上升→下降，且这种下降趋势一直持续到2019 年。

2.3 汛期降水集中度和集中期空间分布

2.3.1 多年平均值空间分布

乌鲁木齐汛期降水集中度空间分布与降水量空间分布大致相反（图4a），降水集中程度是由西向东逐渐增大，且东西差异较大，最大值出现在汛期降水量最少的达坂城，为0.51，最小值出现在小渠子，仅为0.21，不及达坂城的1/2。乌鲁木齐不同区域汛期降水集中度从大到小顺序也与汛期降水量相反，即郊区＞城区＞山区，说明在一定程度上汛期降水量少的区域降水反而比较集中，郊区降水集中程度明显高于城区和山区。

汛期降水集中期空间分布与集中度空间分布存在显著差异。由图4b 可知，以小渠子为大值中心（第37 候），逐渐向四周减小，最小值出现在米东（第28候），两地差值达9 候（45 d），说明米东最大候降水量出现时间最早，小渠子出现最晚。乌鲁木齐不同区域汛期降水集中期从高到低排序为（表2）：山区＞郊区＞城区，且城区降水集中期低于平均值，说明城区最大候降水量出现时间早于郊区和山区。

图4 1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水集中度（a）和集中期（b）空间分布

综上所述，位于乌鲁木齐南郊的达坂城，由于北高南低、三面环山，呈半封闭状态，当受天气系统影响时，因地形特殊，降水量相对其它区域小，出现极端降水次数也相对较少，但当受到某次较强天气系统影响时也会出现较大的降水过程，使该地降水比较集中，出现洪涝灾害的可能性较大。位于天山山区的小渠子和大西沟，由于海拔较高，又地处迎风面，地形产生的抬升运动非常大，当天气系统影响时，会造成该区域降水量较大，且出现极端降水次数也较多；同时受局地气候影响，午后出现强对流天气较多，出现降水概率也高于其它区域，故山区降水分配比较均匀，因此可以根据降水集中程度预防灾害性天气带来的危害。汛期降水集中期与影响的天气系统和各地所处的地理位置有密切关系，米东位于乌鲁木齐最北端，海拔高度较低，最大候降水量出现时间早于其它四站，故乌鲁木齐地区出现明显降水过程是由北向南逐渐推进的，因此可依据降水集中时段适时进行汛线调整和水库调度，保证水库安全度汛。

2.3.2 变化趋势空间分布

近42 a 乌鲁木齐各站汛期降水集中度呈减小趋势（图 5a），变化速率在-0.012～-0.001/10 a，说明各站降水集中程度逐渐减弱，其中小渠子下降幅度最大，大西沟下降幅度最小，但均未通过0.05 的显著性检验，说明各站降水集中程度减弱不显著。各站集中期变化趋势与集中度一样，也呈下降趋势（图5b），变化范围在-1.98～-0.22 候/10 a，且米东通过0.01 的显著性检验，说明该站降水集中期下降趋势显著，即最大候降水量出现时间早于其它站点。

图5 1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水集中度（a）和集中期（b）变化趋势空间分布

乌鲁木齐不同区域汛期降水集中度和集中期均呈减小趋势（表3），且降水集中度和集中期变化趋势从高到低的排序一致，为：郊区＞山区＞城区。因此乌鲁木齐不同区域汛期候降水集中程度呈减弱趋势，即降水趋于均匀；降水集中期呈提前趋势，即最大候降水量出现时间提前，其中郊区提前显著，城区最缓。

2.4 汛期降水集中度和集中期周期分析

利用Morlet 小波分析乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期的周期变化特征，其中降水集中度为正表示“集中”，负表示“均匀”，集中期为正表示“推迟”，负表示“提前”。乌鲁木齐汛期降水集中度存在3、6、15 a 左右周期变化（图 6a），其中 6、15 a 左右周期变化具有全域性，呈集中—均匀稳定交替变化。15 a 周期在2019 年时等值线（正）没有闭合，表明汛期降水正处于集中状态。降水集中期存在4、8、12 a 左右的周期变化（图6b），其中4 a 左右的短周期出现在1996 年以后，并在2019 年形成闭合（正），说明汛期降水正处在推迟阶段；12 a 左右长周期变化呈推迟—提前稳定交替变化，等值线（负）在2019年没有形成闭合，表明汛期降水继续维持提前状态。

图6 1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水集中度（a）和集中期（b）周期分析

2.5 汛期降水集中度、集中期与汛期降水量的相关性

为了研究乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期与汛期降水量之间的关系，对其进行了相关分析，并绘制了相关系数空间分布图（图7）。乌鲁木齐汛期降水集中度与降水量相关系数为-0.193，说明汛期降水量越大降水集中程度越弱；各站相关系数在-0.270～0.212，且相关性均较差，均未通过0.05 的显著性检验。从空间分布（图7a）可以看出，在乌鲁木齐站形成一个低值中心，然后逐渐向南增大，且城区以负相关为主，郊区和山区以正相关为主，与赵勇[12]、苗运玲[15]研究结论不太一致，说明城区汛期降水量较大时，降水量在时间分配上比较均匀。

汛期降水集中期与降水量呈负相关，相关系数为-0.350，表明汛期降水量越大降水集中期提前越明显。通过对各站相关性分析发现各站均呈负相关，相关系数在-0.459～-0.041，且只有大西沟通过0.01的显著性检验，表明大西沟降水集中期提前趋势比其它站显著。由图7b 可知，以大西沟为低值区向四周增大，最大值出现在米东，且山区通过了0.01 的显著性检验，说明山区降水集中期提前趋势明显早于城区和郊区。汛期降水集中度与集中期相关系数仅为0.121，没有通过0.05 的显著性检验，表明降水集中程度对降水集中期提前（推迟）影响不显著。

图7 1978—2019 年乌鲁木齐汛期降水集中度（a）、集中期（b）与汛期降水量相关性空间分布

2.6 多降水年和少降水年降水集中度和集中期合成分析

为了探究乌鲁木齐汛期降水异常偏多和偏少年（以下简称“多降水年”和“少降水年”）的降水集中度和集中期分布情况，选取近42 a 中降水量异常偏多和偏少的5 a 降水集中度和集中期进行合成分析。多降水年分别是 1988、1996、1998、2003 和 2007 年，少降水年依次是 1980、1985、1997、2010 和 2014 年。经合成分析发现，乌鲁木齐汛期多降水年和少降水年降水集中度分别为0.29、0.34，集中期分别为第31、38 候，说明少降水年降水集中程度高于多降水年，降水集中期明显晚于多降水年，即少降水年最大候降水量出现时间晚于多降水年。

多降水年（图8a）和少降水年（图8c）降水集中度空间分布各有异同。相同之处是变化趋势大致是自东向西逐渐减小，最大值均出在达坂城，这与汛期多年降水集中度空间分布较一致，说明达坂城在多降水年、少降水年和正常年份降水集中程度都高于其它站；不同之处是最小值出现站点不同，多降水年出现在乌鲁木齐站，少降水年出现在小渠子，且乌鲁木齐站、大西沟、达坂城多降水年和少降水年降水集中度差值相差较大，均超过0.11。

多降水年（图8b）和少降水年（图8d）降水集中期空间分布大致都是由北向南逐渐推迟的，其中少降水年空间分布与汛期多年降水集中期空间分布较相似，最大值和最小值出现站点相同，且各站少降水年均晚于多降水年，即少降水年最大候降水量出现时间比多降水年晚；从二者差值来看，除大西沟相差较大以外（达13 候），其它站差值不超过6 候。

图8 1978—2019 年乌鲁木齐汛期多降水年降水集中度（a）、集中期（b）和少降水年降水集中度（c）、集中期（d）空间分布

因此，当汛期降水量异常偏多且降水集中度异常偏大，出现局地洪涝灾害可能性就很大；反之，汛期降水量异常偏少但降水集中度异常偏大，出现干旱和局地短时强降水概率很大。因此在气候变暖背景下，密切关注乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期变化对合理调配水资源、防范旱涝灾害具有十分重要的现实意义。

3 结论与讨论

（1）近42 a 乌鲁木齐汛期降水集中度呈逐年下降趋势，下降率为-0.007/10 a，即汛期降水分配趋于均匀化。降水集中期呈提前趋势，以-1.045 候/10 a 的速率提前，即汛期最大候降水量出现时间逐渐提前。

（2）乌鲁木齐汛期降水集中度和集中期空间分布明显不同，降水集中度是自西向东逐渐增大，最大值出现在降水量最少的达坂城，说明降水量越少降水越集中。降水集中期以小渠子为高值中心向四周减小，最小值出现在米东（第28 候），总体呈“北早南晚”空间分布特征。

（3）乌鲁木齐各站汛期降水集中度与降水量的相关性较差，表明降水集中度对汛期降水量影响不显著。各站降水集中期与降水量呈负相关，但只有大西沟通过0.01 的显著性检验，表明该站降水集中期提前趋势比其它站显著。降水集中度与集中期呈较弱的正相关，说明降水集中程度对降水集中期提前或推迟影响不显著。

（4）通过对多降水年和少降水年降水集中度和集中期合成分析发现：少降水年降水集中度和集中期均大于多降水年，即少降水年降水集中程度高于多降水年，降水集中期晚于多降水年，表明在汛期降水异常偏少时降水集中度偏大，集中期偏晚，发生干旱的概率较大。从空间分布来看，多降水年和少降水年降水集中度是从西向东逐渐增大，呈“东高西低”空间分布特征；降水集中期总体呈现由北向南逐渐推迟的态势，即“北早南晚”分布特征。

通过对乌鲁木齐汛期候尺度降水集中度和集中期时空特征及变化规律分析，进一步揭示了该地区汛期降水的气候变化特性，为气象部门进行气候诊断和预测提供数据支持，同时为水利、农牧业等部门提早应对旱涝提供了科学性的指导。