新疆短时强降水时空分布精细化特征

杨 涛，张云惠，杨莲梅

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区气候中心，乌鲁木齐 830002；3.新疆维吾尔自治区气象台，乌鲁木齐 830002)

0 引言

新疆属大陆性干旱半干旱气候，具有独特的山地—绿洲—荒漠生态系统格局，降水分布异常不均且受地形影响显著[1-5]，一次强降水过程甚至能改变其气候值。短时强降水指短时间内雨强较大、突发性强、历时短、局地性强的对流天气，而新疆作为干旱区大范围、长时间的降水天气较少，强降水多以短时强降水的形式出现[6-9]，加之生态环境的脆弱，短时强降水引发的次生灾害较重，易导致山洪、泥石流等地质灾害和次生灾害，给新疆社会经济建设造成严重损失，如极端干旱的哈密沁城乡小堡站2018-07-31T6：00—8：00降水量达到29.2 mm/h，2 h降水量达58.4 mm，超过该站年平均降水量；极端干旱的库尔勒站与和静站2012-06-04T16：00—17：00小时降水量分别为46.4 mm/h和53.2 mm/h，突破历史极值，表现出历时短、强度大、局地性强的特点，并造成严重灾害。

短时强降水是新疆主要的气象灾害之一，是气象预报预警的难点和重点，由于新疆站点稀疏、资料缺乏，对短时强降水的研究和认识不足。因此近10 a，国家不断建设和完善新疆自动气象站观测网，约有1927个自动气象站(其中国家基准气象站105个，其余为区域自动气象站)陆续投入业务观测应用，为全面、深入地研究新疆短时强降水发生特征提供了较好的基础资料。目前对新疆的短时强降水时空特征研究，主要针对局部区域或较少的气象站开展研究[10-14]，由于样本数有限，所得结果系统性不够、精细化不足、提炼总结归纳不全。因此，文章在充分利用目前新疆区域时间长度和观测站数最多的资料基础上，利用2010—2018年新疆通过质量控制的1345个自动气象站逐小时降水观测资料，分析新疆短时强降水时空分布精细化特征，以期为深入研究新疆短时强降水形成机理和提高预报预警准确率提供参考。

1 资料和方法

文章利用2010—2018年1345个自动气象站逐小时观测资料进行研究。天山山区及以北区域为北疆，以南为南疆。根据短时强降水发生特点，北疆分析6—8月、南疆则为5—9 月。中央气象台将1 h降水量≥20 mm记为短时强降水，由于新疆干旱气候背景，根据新疆多年的预报服务实践、暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱地区强降水特点，在天气监测和预报预警业务中新疆气象部门将该标准定为1 h降水量≥10 mm记为短时强降水[15-20]。

2 新疆短时强降水空间分布特征

2010—2018年新疆短时强降水年平均频次空间分布见图1所示，短时强降水的空间分布极不均匀，1～2次/a短时强降水主要发生于沿山、山麓丘陵、山地迎风坡、地形陡升区和喇叭口等地形附近；每年2次以上的有44站，主要在博州西部、乌鲁木齐市、昌吉州、南疆西部、阿克苏地区西部北部等海拔为1000～2500 m的浅山区和中山区，其中出现3～5 次/a有12站，主要在博州温泉县、昌吉州山区、阿克苏地区温宿县和乌什县等地的山区。

从北疆各区域看，西天山伊犁河谷181个自动气象站，年平均出现114站次短时强降水，主要发生于北部沿山地区、东部和南部山区，其中霍城县和霍尔果斯市北部山区、昭苏县、特克斯县、巩留县山区频次最多，其次为伊宁县北部山区和尼勒克县山区，河谷平原地区的频次最少。新疆北部阿勒泰地区112个站，年平均出现46站次短时强降水，主要发生于阿尔泰沿山、萨乌尔沿山及丘陵地带的喇叭口地形和地形抬升地带，其中阿尔泰山的沿山和吉木乃县沙吾尔山的北侧迎风坡发生频次最多，其次是福海县乌伦古湖附近，河谷平原地区较少。天山山区及北坡(博州精河县-塔城地区乌苏市和沙湾县-石河子市-昌吉州-乌鲁木齐市一线)231个站，年平均出现149站次短时强降水，主要发生在沿山、山麓丘陵、山地迎风坡、地形陡升区、喇叭口和戈壁湖泊绿洲交界等特殊地形附近，其中昌吉州沿山1000～1500 m海拔的浅山区、临近湖和水库频次最多，其次是塔城地区乌苏市、沙湾县、石河子市和乌鲁木齐市的沿山一带1000～2000 m海拔的迎风坡，准噶尔盆地最少。

从南疆区域看，南疆西部(喀什地区-克州-和田地区一线)450个站，年平均138站次短时强降水，高频区在喀什地区叶城县、伽师县、克州乌恰县和阿图什市、和田地区于田县和克州阿合奇县。短时强降水频发区域与地形和下垫面特征密切联系，南疆西部短时强降水多发区域在山区、峡谷、绿洲和戈壁或沙漠的交界带，地势平坦的平原和荒漠区短时强降水较少。阿克苏地区地处天山南麓中段、塔里木盆地北缘，是南疆短时强降水天气高频地区，178个自动气象站年平均出现123站次短时强降水，高频区主要集中于西北部乌什县、柯坪县和温宿县3个山区县；此外拜城县和库车县北部山区频次也较多，发生频次最大站为乌什县北部山区英阿瓦提乡的英阿特村和温宿县北部山区的博孜墩乡库尔归鲁克，年均发生次数达3.8次，而该区域南部为塔里木盆地区域短时强降水发生频次较低，年均发生次数低于0.5次，可见，阿克苏地区短时强降水西北部山区最多，中东部山区次之，东南部平原地区最少。巴音郭楞蒙古自治州(简称“巴州”)地处天山南麓东段和塔里木盆地南缘和北缘，是南疆短时强降水天气低频区，221站年平均出现44站次短时强降水，主要发生在南部和北部山区、浅山迎风坡、山麓湖泊交界、戈壁绿洲交界和山脉地形交界低洼处等复杂地形周边，其中和硕县东北侧沿山和且末县南部沿山1700～3000 m海拔发生频次最多，其次是轮台县-库尔勒市-尉犁县-博湖县沿山的浅山区海拔1000～1500 m以及轮台县-库尔勒市的西南侧靠近塔克拉玛干沙漠戈壁绿洲交界处，南疆盆地中部和巴音布鲁克山区较少。

图1 2010—2018年新疆短时强降水平均频次空间分布(单位：次/年)

3 新疆短时强降水特征

3.1 日变化

通过分析北疆各区域短时强降水日变化分布，可知伊犁地区短时强降水具有明显单峰型日变化特征，16：00—03：00为发生高频时段，占日分布的78.9%，低频时段为04：00—15：00，占21.1%，表明午后至夜间易发生强对流天气，最大小时雨强无明显日变化，1 d中的任何时段均可出现最大小时雨强，最大小时雨强达44.3 mm/h。阿勒泰地区短时强降水呈现明显单峰型日变化特征，但高频时段与伊犁地区有显著差异，13：00—22：00为高频时段，占日分布80%，低频时段在23：00—12：00，占20%，该地区最大小时雨强具有明显单峰型日分布，R<20 mm/h主要发生在23：00—12：00，R>20 mm/h主要发生在午后至傍晚，与日分布频次特征一致，最大小时雨强达37.5 mm/h。天山北坡短时强降水具有明显的单峰型日变化特征，16：00—03：00是发生高频时段，占73.8%，低频时段为04：00—15：00，占26.2%，最大小时雨强无明显日变化特征，最大小时雨强达76 mm/h，表明天山及其北麓短时强降水发生频次及小时最大雨强的日变化具有一致性特征，而北部阿勒泰地区具有不同的变化特征。

通过分析南疆各区域短时强降水日变化分布可知，南疆西部短时强降水具有明显单峰型日变化特征，17：00—03：00为发生高频时段，占日分布的72%，低频时段为04：00—16：00，占28%，表明午后至夜间易发生强对流天气，最大小时雨强无明显日变化，1 d中的任何时段均可出现最大小时雨强，最大小时雨强达60 mm/h。阿克苏地区短时强降水多发生在14：00—22：00，此时段短时强降水发生次数占52.8%，最大小时雨强无明显日变化，07：00—23：00大部分时次最大雨强都超过30 mm，最大小时雨强达63.5 mm/h。巴州短时强降水呈现单峰日变化，午后16：00—02：00是发生强降水高频时段，占66%，低频时段在03：00—08：00，小时最大雨强值日变化不明显，最大小时雨强达53.2 mm/h。可见南疆区域短时强降水频次均具有明显单峰型日分布，多发生于午后至前半夜，但最大小时雨强却无明显日变化。

3.2 月变化

分析新疆各区域短时强降水分布可知：伊犁州短时强降水6月出现最多，其次为7月，8月最少。R≥10 mm/h，6月平均出现59.6次，7月为36.0次，8月最少为18.2次，R≥20 mm/h，6月平均达9.7次，7月为4.0次，8月仅1.2次；阿勒泰地区短时强降水7月出现最多，其次为6月，8月最少，R≥10 mm/h，6月平均出现16次，7月为22次，8月最少为7次；天山山区及北坡短时强降水6月出现最多，其次是7月和8月，R≥10 mm/h，6月平均为65次，其次7月和8月均为42次，R≥20 mm/h，6月平均为11次，其次7月为5次，8月为4次；各区域R≥20 mm/h次数明显少，表明新疆短时强降水量级以20 mm/h≥R≥10 mm/h为主，同时天山及北麓短时强降水具有一致的月分布，阿勒泰地区与其有所差异。

南疆西部短时强降水7月出现最多，其次是8月和6月，9月和5月也会出现但频次较少，R≥10 mm/h，7月平均为34次，其次8月和6月分别为30.8次和23.5次，R≥20 mm/h，7月平均为5次，其次8月为4.3次，6月仅2.1次；阿克苏地区短时强降水主要出现在6—8月，占总次数87%，5月和9月分别占总次数5.7%和7.3%，8月发生频次最高，6月次之，7月少于6月，R≥10 mm/h，8月平均为27.1次，6月为25.1次，7月为22.1次，9月和5月分别为7.2次和5.3次，R≥20 mm/h，发生频次8月和7月相当，平均发生次数分别为5.0次和4.9次，6月为4.3次，5月和9月明显少于夏季；巴州6月出现最多，其次是8月和7月，R≥10 mm/h，6月平均为14次，7月和8月分别为12和13次，R≥20 mm/h，8月最多2.2次，其次是7月1.8次，6月1.5次。可见南疆各区域短时强降水月分布有所差异。

3.3 持续时间

从短时强降水过程可知：各区域持续时间差异较大，伊犁州持续时间最长达15 h，即2016-06-16T18：00—2016-06-17T08：00，有53站次出现短时强降水；阿勒泰地区持续时间最长达5 h，发生在2017-06-30T14：00—18：00；天山和北坡持续时间最长达12 h，即2016-06-28T18：00—2016-06-29T05：00，有49站次出现短时强降水；南疆西部持续时间最长达8 h，即2016-08-29T05：00—12：00，有19站次出现短时强降水；阿克苏地区持续时间最长达24 h，出现时间是2013-05-27，为系统性层状云为主的降水天气过程并伴有局地对流活动，该地区短时强降水过程持续时间大多在4 h以内，占总次数77.1%；巴州持续时间7 h以内达77%，持续时间在10 h以上为23%，其中降水时间最长为23 h，发生在2018-06-16T20：00—2018-06-17T19：00且末县阿羌乡依山干河，累计降水量59.3 mm，且末南部山区有14站次出现短时强降水，巴州南和北部山区有20站次出现暴雨。

4 结束语

由于新疆占中国面积的六分之一，观测网比较稀疏，不能满足业务和研究的需求，且具有高山冰川—绿洲—沙漠的复杂山盆地形和下垫面，区域气候差异显著。对短时强降水的认识，需要对多源卫星降水融合和多模式再分析的高时空分辨率降水资料等开展进一步相关研究，以弥补无观测站区域短时强降水的研究，为新疆短时强降水对流生成和演变机制、强对流组织形态以及预警技术等奠定基础[21]。