1991—2020年新疆降水的时空变化特征

2022-06-24李晔曼吾拉卡德尔

广东气象 2022年3期

李晔，曼吾拉·卡德尔

（新疆机场（集团）有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000）

近年来随着全球变暖，极端天气增多，各地的降水量也随之发生变化，李曹明等［1］对韶关地区气候变化对降水量的影响做了阐述；王婷等［2］研究了21世纪以来广州强降水的若干变化。新疆远离海洋，多干旱、半干旱地区，水资源分布极不均匀，是影响和制约新疆经济社会发展与生态环境的关键因素。气候的变化同样使新疆降水量空间和时间分布也发生了一些变化。目前，对新疆降水的研究已经取得了较多的成果。周雪英等［3］对塔克拉玛干腹地平均降水量统计表明，1997—2017年平均降水量明显增加，增湿显著；史玉光等［4］侧重新疆区域高空水汽输送、大气可降水量状况研究，认为面雨量在天山山脉两侧最多，降水量的变化全疆比较一致。本研究在以上研究的基础上，对新疆降水按天山南、北坡（南疆、北疆）和山区进行气候分区，侧重研究以上地区近30年来的降水时空变化特征，该研究对区域水循环、生态环境保护和新疆农牧业的发展，具有重要的科学意义。

1 资料与方法

1.1 数据来源

所用资料为新疆35个气象地面台站1991—2020年逐日降水量数据。依据研究区站点的地理位置和气候特征将新疆地区分为3个气候区：天山北坡气候区、天山山区（海拔1 500 m以上）和天山南坡气候区。35个站点北坡气候区11个、南坡气候区19个、天山山区5个。为保证所选站点数据资料的可靠性，对数据进行了比较后处理。季节界定为冬季从12月—翌年2月、春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月。

1.2 研究方法

采用一元线性趋势法分析降水量的年际变化趋势，根据施能等［5］的方法，计算了降水量的年代序列与自然数数列之间的气候趋势系数，由于量纲一的数，所以可以根据数值大小推断出降水量的长期趋势大小。采用Mann-Kendall非参数检验方法［6］（M-K检验）检验变化趋势的显著性，当趋势系数的绝对值P＜0.05，认为气候变化显著，P＜0.01则为非常显著。用降水变差系数反映年降水量的稳定度，降水变差系数是指年降水量的距平数与多年平均降水量之比的百分数，数值越小，说明年降水量的变率越小。运用Morlet小波分析年降水量的周期变化特征［7］。

2 结果与分析

2.1 降水量空间分布

1）年降水量空间分布。

近30年新疆的年平均降水量为121 mm／年（按所选的35个测站计算），远低于全国年均降水量值［8］。由新疆年平均降水量空间分布（图1）可知，新疆的降水量分布不均匀、不同地区的降水量梯度大。天山北坡和天山山区是降水量的高值区，天山北坡又以偏西、偏北地区为最；天山山区的北部降水量多于南部，海拔高处多于海拔低处，东部的天山余脉降水量显著减少；位于南坡的塔克拉玛干沙漠及环沙漠地区为降水量的低值区，比较而言，沙漠以西降水量多于沙漠以东，南坡的高值区位于偏西地区和中天山附近。

图1 新疆年平均降水量空间分布

对降水量进行梯度比较，天山北坡、山区、南坡的年均降水量分别为200.4、185.1、58.2 mm，其中北坡是南坡的3倍还多。降水量极大值为北坡的伊宁站，降水量是南坡极小值吐鲁番的近145倍。造成南坡降水少的主要原因在于地形，南坡处背风坡，且塔里木盆地西、南、北三面高山阻挡了来自大西洋和北冰洋的水汽，同时气流越过高山进入盆地以后下沉增温，不利于降水云层形成［9］。

2）四季降水量空间分布。

对新疆四季的降水量空间分布进行分析（图略），春季和秋季降水量空间分布相似，天山北坡的西部、北部最多，南坡的沙漠和沙漠以东最少；夏季降水量的高值区移至天山山区，尤其是山区以北降水量充沛；冬季降水量基本来自北坡气候区和山区降雪，南坡气候区西部因紧邻昆仑山脉东侧，降水量也相对丰富。

3）降水离散特点。

夏季降水量占全年降水量45%，可称为新疆的“雨季”，春季和秋季降水量相当，冬季降水量仅占12%（图略）。对不同气候区降水量的极值以及各季降水量在全年的占比进行比较（表1），年降水量极值的最高、最低和高、低的差值在不同气候区有不同表现。

表1 不同气候区降水量的极值及在各季的占比

①最高值分析：北坡气候区和山区相差不大，南坡与北坡差值为183.4 mm，北坡极值远远高于南坡，说明南坡与其他气候区比，大雨级别的降水少。②最低值分析：山区明显高于坡区，南坡与山区差值为196.2 mm，表明南坡气候区出现极端干旱的天数多。③对同一气候区比较，北坡、南坡、山区的极值差分别为190.2、102.1、84.8 mm，表明山区出现极端降水量的情况少，引起降水的天气系统更稳定；北坡气候区出现极大降水的概率相对更大。3个气候区的降水量均为夏季占比高，但相对来说，北坡降水四季分布更均衡，山区降水量冬季与夏季差距更明显，南坡降水量主要在夏、春两季。

为了进一步探究新疆降水空间分布特征，计算各测站的降水变差系数来反映当地的降水稳定程度。各测站的变差系数在17% ～105%之间，数值相对比全国变差系数偏高［10］，主要是数值跨度大，说明新疆地区降水总体相对不稳定，各地雨量、雨强各有特点。对比降水变差系数的空间分布（图略）和年降水量的空间分布图发现，降水量最少的南坡降水变差系数大，降水量最多的北坡变差系数小于南坡，但数值有高有低，山区变差系数相对小，表明山区降水量相对稳定，南坡相对降水更不稳定，北坡各测站稳定度差异大。山区降水量相对稳定的结论与通过极值分析得出的结论相互印证。

以上分析表明，新疆降水量有明显自南向北的向上梯度，地区分布差异大。不论是南坡、北坡，还是山区，均有降水量西部大于东部的特点。同时，降水的空间分布四季也各有其特点，3个气候区的降水均呈夏季最多，冬季最少的分布。夏季高值在山区，春秋集中在北坡偏西，冬季主要在北坡偏西、偏北的地区。北坡气候区四季降水量更均衡但易出现极端降水天气，降水的稳定度差异性大，很稳定和很不稳定站点均存在。山区降水过程比较稳定，但降水量来源更依赖于夏季，冬、夏降水量梯度大。南坡出现极端干旱的天数相对其他两个区多，且出现大雨级别的降水少，降水主要集中在夏、春两季，降水的稳定度差。

2.2 降水量的时间分布

1）年降水量时间变化。

近30年新疆降水量整体以每10年增加0.65 mm的趋势增加，p＝0.048通过显著性检验（图2）。35个站点中仅8个站点气候趋势为减少，77%的测站近30年降水量均呈现出增加趋势，年际倾向率在每10年0.9～28.6 mm之间。由历年降水量变化并结合10年滑动平均曲线可知，新疆平均降水量主要经历了由“少→多→稳定”的3个时段。10年滑动平均曲线20世纪90年代的降水量以每10年6.8 mm的趋势减少，2000年代以每10年6.3 mm的趋势增加，2010年代以每10年1.8 mm的趋势缓慢增加（图略）。即从20世纪90年代中后期开始，降水年际振荡由减少转为快速增加趋势后，再转为平稳增加。

图2 1991—2010年新疆降水量年际变化曲线

2）四季降水量时间变化。

从新疆不同季节降水量的时间变化（图略）可以看出，新疆春季、秋季和冬季呈上升趋势，上升速率每10年为0.7、5.0和0.9 mm，其中秋季p＝0.003通过0.01的非常显著性检验；夏季则呈下降趋势，平均每10年下降0.7 mm，与年降水量变化的趋势相反。秋季增幅明显，是年降水量增加的主要贡献季节。对夏、秋两季降水量做10年滑动平均曲线，夏季在20世纪90年代、2000年代、2010年代的气候趋势均为减少，平均每10年分别下降11.8、13.6、22.5 mm，如以10年为一跨度衡量新疆夏季降水，明显看出降水量在加速减少；秋季在20世纪90年代、2000年代、2010年代的气候趋势均为增加，平均每10年分别下降5.0、8.8、21.1 mm，2010—2020年的降水量增加趋势达到显著（P＝0.05）。以10年为一跨度衡量新疆秋季降水量，降水量在加速增加，其中的原因还需进一步探讨。

3）不同气候区降水量时间变化。

近30年来，新疆南坡、北坡和山区气候区的降水量均呈增加趋势（图略），平均每10年上升2.5、9.0、12.6 mm，但山区降水量增加更多，可见近30年新疆年降水量的增加，山区及北坡贡献大于南坡地区，这对新疆河流补给、草原和蓄水量都很有利［11］。

对每个气候区年际变化分块分析发现，35个测站中气候趋势为下降的8个站点，南、北坡气候区分别占5和2个，南坡降水减少区域5站点中4个测站位于东部地区，反映出天山以东余脉为降水的集中减少区，而南坡西部个别地区增幅明显，喀什站通过0.05的增长显著性检验，环塔克拉玛干沙漠地区增幅小，且增幅较均匀。北坡地区（11个站点）只有阿勒泰和富蕴的降水量为下降趋势，未通过显著性检验，但偏北的哈巴河和偏西的阿拉山口站通过了0.01的非常显著增长检验，反映了北坡降水气候趋势增减分布的差异性。山区的5个测站中，仅巴里坤通过了0.05的显著性检验。可以推测，各站降水增减速度的差异将进一步增大新疆降水的空间差异。

4）降水量周期。

由新疆年降水量小波能量谱时频特征及方差变化（图3）可知，存在准10年和准20年振荡周期，从其周期变化可以看出，20世纪90年代后期、21世纪00年代后期的降水量偏少，21世纪00年代中期和10年代中后期降水量偏多。

图3 1991—2020年降水Morlet小波周期（a）和小波方差（b）

综合以上分析，新疆降水量近30年呈增加趋势，增速经历了少-多-稳的过程，春、冬两季变化平稳略有上升，秋季增加明显，通过0.01的非常显著检验，年降水量增加的贡献主要在秋季，且以10年为一单位，降水量的增加速率在加速。夏季降水量为减少趋势，且以10年为一单位，降水量的减少速率在加速；3个气候区降水量气候趋势均为增加，但南坡增加速度小于山区和北坡，降水量减少的测站也主要在南坡，此发展态势将进一步加剧新疆降水的空间差异，出现多者恒多、少者更少的布局。新疆降水量小波分析表明存在准10年和准20年的周期。