帕米尔高原东部地区4—9月降水日变化特征研究

艾克代·沙拉木，何 清，阿力木·阿巴斯，黄秋霞，王艳丽，仙米西努尔·克里木

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.克孜勒苏柯尔克孜自治州气象局，新疆阿图什 845350；3.新疆气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；4.昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；5.莎车气象局，新疆 莎车 844700）

全球气候变暖，使极端天气气候事件显著增多及降水格局发生了一定的变化，西北地区强降水事件趋于增多[1]，气候变化引发的自然灾害已引起人们的关注[2]。因数据的限制，大部分研究主要集中在长时间序列尺度上的时空分布特征[3-5]，随着研究领域的拓展，农业等方面需要更短时间尺度上的研究结果，因此对不同区域小时尺度降水的研究逐渐开展并深入[6-10]。新疆降水突发性强，预报难度大，植被覆盖率小，河床与下垫面渗透力较差，暴雨更容易引发泥石流、滑坡、山洪等次生地质灾害，给当地工农畜牧生产和人民生命财产造成极大损失。其中暴雨、泥石流等自然灾害不仅与降水量有关，还与降水强度密切相关，尤其是短时间的强降水事件具有突发性强，小时雨量大等特点，常常导致山洪、泥石流等灾害。新疆是干旱、半干旱地区，年平均降水量约147 mm，不到全国平均值的1/4，但暴雨造成的洪水和泥石流是新疆主要灾害之一[10-12]。暴雨洪水、泥石流等灾害不仅与降水量有关，还与降水强度有密切的关系。政府部门在防洪抗灾的实践中迫切要求了解雨强的时空分布特点以及不同重现期的最大降雨强度值。

目前，降水量的研究大多是以长时间序列降水量与极端降水量的时空变化特征为主，Li等[13]研究了长江中下游及其以南地区降水的日变化；唐红玉等[14]用西南地区8个代表站逐时降水资料揭示了该地区降水的日变化特征。部分学者对新疆降水特征研究表明[15-16]：新疆降水在1987年发生了明显的变化，变化趋势均以增加为主。

新疆年降水量不同程度地呈现出显著增加趋势[17]，极端降水时间具有上升的趋势[18]。新疆虽然发生暴雨频次少，但每年也平均发生2.3次区域性暴雨[19]。新疆降水时空差异极大，天山山区为高频区，在5和8月出现较多。强降水具有显著的日变化特征，主要集中在午后至傍晚[20]。新疆暴雨南北差异明显，天山山区雨量最大，占全疆雨量的40.4%，北疆地区占34.3%，南疆地区最少为25.3%[21]。杨辽等[22]指出1961—2013年新疆地区降水量呈增加趋势，总体特点是自西北向东南减小，区域性差异显著。

新疆属于干旱半干旱区，气候不受季风系统的直接影响[23]，因而新疆气候与我国东部地区存在明显差异。三山夹两盆（北为阿尔泰山、中部为天山山脉、南为昆仑山，北疆的准噶尔盆地、南疆的塔里木盆地）的特殊地形使新疆的降水具有独特的分布特征，北疆多于南疆，北疆年降水量普遍≥200 mm，南疆年降水量普遍≤100 mm，南疆的降水主要集中在北部的天山和西部的帕米尔高原[24]。1960—2014年塔什库尔干县年降水量呈增多趋势，主要集中在夏季[25]。近50年帕米尔高原的四季降水呈上升趋势，只有夏季的增湿趋势较显著[26]。近50年喀什地区年降水量呈增加趋势，山区降水量增加趋势比平原地区快[27]。帕米尔高原降水量增加速率高于蒸发量增加速率，塔里木河3条主要源流区径流量仍呈增加趋势[28]。尽管已有一些关于新疆逐小时特征方面的研究[29]，但针对帕米尔高原东部地区逐小时降水量的研究较少。因塔里木盆地西侧及南侧海拔高度均为超过4 000 m以上的高原山地，大气中水汽已经很少，水汽输送量不大，对塔里木盆地降水提供的水汽不能满足暴雨所需要的水汽量，目前关于水汽来源的研究虽然指出了水汽主要路径及水汽的接力输送，但其结构和接力输送机制还不够明确。

东帕米尔高原位于亚洲中部、新疆的西南边缘，被北、西、南面的天山、萨雷阔勒岭和喀拉昆仑山所包围，平均海拔为4000 m以上[30]。帕米尔高原作为中巴经济走廊建设重点生态环境保护区域之一，在丝绸之路经济带中具有十分重要的地位和作用。中巴走廊北端穿越帕米尔高原，地形复杂，生态环境脆弱，灾害多样且频发，一直受社会和科学界关注[31]。尽管不少学者对南疆西部降水进行了相关研究[32-33]，但仍缺少比较系统的研究，本文基于小时尺度的降水资料，较为系统地分析帕米尔高原东部地区不同月份降水的精细化特征，这对于更好地理解帕米尔高原地区降水的变化规律，评估区域气候特征，提高防灾减灾能力，增强对高原降水形成的认识，提高降水尤其是暴雨预报能力和气象服务水平，为推动“一带一路”战略发展和新疆生活和经济发展提供气象保障，中巴经济走廊地区气候变化研究，气象水文灾害风险评估以及高原区域的融冰（雪）洪水预警提供理论支撑，同时可加强新疆干旱半干旱地区水资源的合理利用与保护。

1 数据和方法

本文利用2013—2019年帕米尔高原东部100个自动气象站逐小时的7 a降水资料开展研究（图1）。所用资料来源于新疆气象信息中心Cimiss数据库，对自动站数据进行了严格的质量控制，订正了由于各种原因造成的错误，数据齐全。具体步骤如下：（1）异常值剔除。对于自动站因仪器故障，缺测的站点数据，回查该记录的原始数据，并查找邻近区域自动站当天记录及相关灾情记录，确定为异常则进行剔除；（2）时间连续性检查，确保每个时刻的任意一个有效站点在该时刻前后1 h内都具有连续观测记录；（3）为防止资料数据可能存在的偏差，本文做了进一步质量控制，即将逐时降水资料与同站逐日降水资料进行对比，如逐时资料累积日降水量偏差大于逐日降水资料中降水量的10%，则该日资料舍弃[35]；按上述质量控制剔除；所用资料均通过了气候极值检验和单站极值检验以及数据一致性检验等质量控制，具有较好的代表性。降水定义采用新疆气象局的业务标准，即1 h降水量≥0.1 mm记为有量降水，各站某一时间段降水量为该时段总的降水累积量。统计某一时段内出现的降水频次；某一时段内降水量之和除以该时段内的降水频次即为降水强度。本文在分析帕米尔高原地区降水总体特征的基础上，对不同月份降水的基本特征进行统计分析，并重点研究了4—9月累积降水量、降水频次及降水强度空间分布特征。在揭示帕米尔高原东部降水量的小时变化特征基础上，对各月降水量、降水频次及降水强度日内变化进行了分析和研究。

图1 研究区域站点分布

2 年平均降水量的总体特征

通过降水量、频次和强度的空间分布（图2）可知，帕米尔高原东部年平均降水量呈南部少于北部、平原少于山区的特征，年平均降水量最大值为293.85 mm，出现在研究区北部山区，最小值≤5.0 mm，出现在东南部。降水频次的空间分布与降水量相似（图2b），整个区域多年平均的降水频次约为6.97次，大部分区域＜10次，降水频次高值集中在西部山区（12.52次），低值集中在东南部，仅为0.45次。帕米尔高原东部年平均降水强度的空间分布特征与降水量和降水频次的差异较大（图2c），研究区北部和盆地边缘的降水强度大于西部和西南部山区，降水强度高值集中在盆地西边缘，为6.37 mm/d。帕米尔高原东部降水强度空间分布特征与降水量和降水频次有一定的差异。

图2 2013—2019年帕米尔高原东部4—9月年平均小时降水量（a）、降水频次（b）和降水强度（c）的空间分布

从帕米尔高原东部逐月降水量的空间分布（图3）可知，4月整个区域年平均降水量为8.65 mm，研究区西北部最多（35.15 mm），东南部最少（0.02 mm）；高值区主要集中在北部和西北部山区。5月整个区域年平均降水量由4月的8.65 mm增加至20.68 mm，整个区域具有明显的增长趋势，尤其是在研究区西部比较明显；年平均降水量在北部山区最多（43.35 mm），盆地西部边缘地区最少（0.01 mm）。6月整个区域年平均降水量由5月的20.68 mm增加至23.26 mm，具有轻度的增长趋势；年平均降水量在北部山区最多（55.64 mm），东南部边缘地区最少（0.05 mm）。7月整个区域年平均降水量由6月的23.26 mm降低至21.36 mm，具有轻度的减少趋势；年平均降水量在北部山区最多（50.28 mm），盆地西部边缘地区最少（0.21 mm）。8月整个区域年平均降水量由7月的21.36 mm增加至32.75 mm，具有增长趋势，尤其是在北部山区增长最明显；年平均降水量在北部山区最多（97.62 mm），研究区西部地区最少（2.44 mm）。9月整个区域年平均降水量由7月的97.62 mm明显降低至17.79 mm，尤其是在北部山区降低最明显；年平均降水量在盆地西部边缘最多（44.78 mm），研究区西南部地区最少（1.12 mm）。总体来讲，年平均降水量主要集中在北部山区，8月最多，4月最少。

图3 2013—2019年帕米尔高原东部逐月降水量（单位：mm）的空间分布

年平均降水频次逐月空间分布（图4）与降水量相似。降水频次4月为0.14～12.42次，平均为2.97次，高值主要集中在研究区北部和西部，低值主要集中在盆地西部边缘区域；5月降水频次为0.14～14.85次，平均为6.10次，高值主要集中在研究区北部和西部，低值主要集中在研究区中部和南部；6月降水频次为0.42～14.28次，平均为8.48次，整体来讲比5月明显增加，高值主要集中在研究区北部和西北部，低值主要集中在研究区中部和南部；7月降水频次为1.57～13.28次，平均为7.67次，降水频次比6月略微降低，高值主要集中在盆地边缘的山区，低值主要集中平原地区；8月降水频次为1.42～18.71次，平均为10.60次，降水频次比7月明显的增多，高值主要集中在山区，低值主要集中平原地区；9月降水频次为0.71～11次，平均为6次，降水频次比7月明显降低，频次降低在北部山区最明显，降水频次高值主要集中在山区，低值主要集中在平原地区。

逐月降水强度的空间分布（图5），与降水量和频次存在较大差异。4月降水强度为0.2～16.7 mm/d，平均为2.97 mm/d，强度大值集中在北部和中部，小值集中在西部和南部。5月降水强度为0.1～13.4 mm/d，平均为3.45 mm/d，强度大值集中在盆地西边缘平原区，小值在研究区西部和南部。6—9月降水强度明显小于4—5月，降水强度空间分布基本相似，6—9月降水强度分别为0.13～5.14、0.13～5.75、1.14～5.51、0.83～7.02 mm/d，平均分别为2.63、2.52、2.94、2.88 mm/d。

图5 2013—2019年帕米尔高原东部逐月降水强度（单位：mm/h）的空间分布

年平均降水量主要集中在北部山区，8月最多；降水频次大值集中在周边山区，8月最多；降水强度大值集中在中间平原地区，4月最强。

从帕米尔高原东部各时次平均降水量、降水频次和降水强度日变化特征曲线（图6）可知，降水量、降水频次和降水强度日变化特征存在差异。小时降水量峰值主要出现在12—23时（北京时，下同），其中13和20时最大，小时降水量为0.94 mm/h；00—10时为小时降水量的低值时段，其中05时最小，降水量为0.70 mm/h。小时降水频次的日变化曲线与小时极端降水量曲线特征存在一定差异，小时降水频次15时—次日01时为强度高值时段，14—20时呈逐渐增加趋势，最小值0.11 mm/h出现在14时，最大值0.17 mm/h出现在20时；从20时—次日14时呈下降趋势。帕米尔高原小时降水强度逐小时差异较大，其中00—09时为高值时段，10—23时为低值时段，最高值为1.40 mm/h，出现在07时，最低值为0.96 mm/h，出现在13时。

图6 2013—2019年帕米尔高原东部小时平均降水量（a）、降水频次（b）和降水强度（c）逐小时变化

帕米尔高原东部不同地区各月小时平均降水量各时次变化差异较大（图7）。4—9月小时降水量的高值时段均集中在12时—次日23时（北京时，下同），该时段降水量基本＞0.8 mm/h，00—08时为低值时段，降水量＜0.7 mm（图7a）。6个月中，4月的小时降水量最小，7月的小时降水量最大，其中18时左右是一个高值中心，小时降水量＞1.0 mm/h；05时左右为低值中心，小时降水量＜0.7 mm。

降水频次逐月的日变化特征与降水量差异较大（图7b），16时—次日04时为帕米尔高原东部地区小时降水频次的高值时段，6月降水频次最高，且在20时左右存在高值中心，降水频次均＞0.19次。10—16时为低值时段，降水频次＜0.12次。

逐月小时降水强度的日变化特征与降水量和降水频次的分布特征差别较大（图7c）。4月降水强度最大中心出现在10时，为2.07 mm/h。7月降水强度高值时段为00—10时，降水强度超过1.71 mm/h，12—23时为相对低值时段，降水强度在0.9 mm/h左右。9月北部降水强度相对较弱，00—10时为一个相对高值区，最大降水强度为1.36 mm/h，出现在06时；12—23时为相对低值时段，降水强度在0.8 mm/h左右。

图7 2013—2019年帕米尔高原东部平均小时降水量（a，单位：mm）、降水频次（b，单位：次）和降水强度（c，单位：mm/h）的各月逐时变化

总体来看，降水量主要集中在18时左右，降水频次主要集中在18—23时，降水强度夜间略高于白天。

高原降水的分布复杂，既与大气候条件有关，又受地形和海拔高度的影响。帕米尔高原降水量与海拔高度关系的初步研究结果（图8）表明，帕米尔高原东部年平均降水量随着海拔高度的升高而增加（图8a）。海拔高度＜2 500 m时，年平均降水量随着海拔高度的增加速度明显高于整体的增加速度（图8b），本文还发现海拔高度＞2 500 m时，年平均降水量随着海拔高度的升高而下降（图8c）。

图8 2013—2019年帕米尔高原东部年平均降水量与海拔高度的关系

降水频次和降水强度与海拔高度还存在一定的相关性（图9）。降水频次随着海拔高度的升高而增多（图9a），海拔高度＜3 000 m时，降水频次与海拔高度的相关性较为明显，降水频次随着海拔高度的升高而增多（图9b）。海拔高度＞3 000 m降水频次与海拔高度存在负相关，降水频次随着海拔高度的升高而减少（图9c）。

图9 2013—2019年帕米尔高原东部年平均降水频次与海拔高度的关系

降水强度与海拔高度存在一定的相关性（图10）。降水强度随着海拔高度的升高而降低（图10a），海拔高度＜2 500 m时，降水强度与海拔高度的相关性较明显，降水强度随着海拔高度的升高而增强（图10b）。海拔高度＞2 500 m时，降水强度与海拔高度存在负相关，降水强度随着海拔高度的升高而降低（图10c）。

图10 2013—2019年帕米尔高原东部降水强度与海拔高度的关系

3 结论与讨论

通过对帕米尔高原东部地区100个自动站2013—2019年4—9月逐小时降水资料分析，得到以下结论：

（1）帕米尔高原东部年平均降水量呈南部少于北部，平原少于山区的特征。降水频次集中在西部山区，东南部最少。研究区北部和盆地边缘的降水强度大于西部和西南部山区。这可能与研究区复杂地形下的局地气候特征有关。

（2）帕米尔高原东部逐月降水量呈北部和西北部高，盆地西部边缘地区最少的特征，8月最多，4月最少。年平均降水频次高值主要集中在研究区北部和西部，低值主要集中在盆地西部边缘区域。逐月降水强度空间分布特征与降水量和频次也存在较大差异，降水强度集中在平原地区，4月最强。

（3）降水量、降水频次和降水强度日变化特征存在一定差异。小时降水量峰值主要出现在12—23时，低值时段为00—10时。小时降水频次15时—次日01时为高值时段，14—20时呈逐渐增加趋势。小时降水强度日高值时段为00—09时，低值时段为10—23时。

（4）帕米尔高原东部各月小时平均降水量各时次变化差异较大。4—9月小时降水量的高值时段都集中在12时—次日23时。小时降水量4月最小，7月最大，其中18时左右是高值中心。小时降水频次6月最高，降水频次高值时段为16时—次日04时，且在20时左右存在高值中心。降水强度7月最强，其高值时段为00—10时。总体来看，降水量主要集中在18时左右，降水频次主要集中在18—23时，降水强度夜间略高于白天。

（5）年平均降水量、降水频次及降水强度与海拔高度存在明显的相关性，＜2 500 m时，降水量随着海拔的升高而增加；＞2 500 m时，降水量随着海拔的升高而降低。＜3 000 m时，降水频次随着海拔的升高而增多；＞3 000 m时，随着海拔的升高而减少。降水强度与海拔高度整体呈负相关，降水强度随着海拔的升高而减弱；＜2 500 m时，降水强度随海拔高度而加强；＞2 500 m时，降水强度随着海拔高度的升高而减弱。

帕米尔高原居内陆，不受季风系统的直接影响，降水特征与我国东部季风区存在差异。帕米尔高原小时降水的区域性差异较大，地表植被稀少，生态环境脆弱，小时降水频次和强度的变化将给该地区次生灾害的防御带来巨大的挑战。本文利用帕米尔高原东部2013—2019年4—9月逐小时的降水观测资料，分析了逐年小时降水的时空变化特征、频次及强度变化特征，以及对海拔高度与年平均降水量、降水频次及降水强度之间的关系进行了相关的分析，获得了帕米尔高原小时降水变化特征的一些新的认识，对深入了解高原半干旱地区降水日变化具有一定的参考意义。但限于所用研究资料的年限较短，难以揭示小时降水的长期变化趋势，另外，高原地形复杂，关于帕米尔高原小时降水特征分析的相关结论是否也适用于其他区域需要在今后的工作中进行验证。未来将对帕米尔高原极端降水进行进一步分析，解释形成极端强降水的动力机制和云物理条件等，开展更加深入的研究。