苗運玲 宮恒瑞 張云惠 柴巖紅

（1 新疆維吾爾自治區烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 830006；2 新疆維吾爾自治區氣象局，烏魯木齊 830002）

0 引言

天山作為世界七大山系之一，位于歐亞大陸腹地，是世界上最大的獨立緯向山系，也是世界上距離海洋最遠和全球干旱地區最大的山系。它橫亙在新疆中部并貫穿全境，是影響新疆乃至我國中、西部地區天氣氣候和生態環境的重要天然屏障。近年來，對天山山區降水量空間分布及其變化已經開展了較深入的研究[1-5]。研究[3]顯示，天山山區降水呈現“西多東少，北多南少，高山多外圍少”的特征。天山山區的降水量總體上在增加，天山中部和南部的降水量增加幅度都大于西部[4]。

不同量級降水日數能直接或間接反映出研究區域的降水特征，可以作為衡量某一區域降水是否分配均勻的指標[6-9]。本研究利用1961—2016年東天山北坡5個國家級地面氣象站的降水量數據，分析東天山北坡不同量級降水日數的分布及其變化趨勢，提高對東天山北坡降水量分布和變化的認知程度，以期為東天山北坡生態環境保護和恢復提供基礎數據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

東天山北坡地處亞歐大陸腹地，準噶爾盆地東南側，以88°E為界，地理坐標為42°25′—45°30′N，88°30′—96°23′E，海拔高度742.9～1728.6 m（圖1）。選取該區域具有代表性的5個國家級地面氣象站，分別是昌吉州東部的吉木薩爾、奇臺、木壘縣和哈密北部的巴里坤、伊吾縣，總面積約為11.22萬 km2。該區域氣候較為敏感，生態環境脆弱，地形地貌復雜，總體呈西低東高，北低南高，降水量較少，分布不均勻，氣候干燥，晝夜溫差大，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候。

圖1 東天山北坡地形及氣象站點分布示意圖Fig. 1 Spatial distribution of meteorological stations on the north slope of east Tianshan Mountain

1.2 數據來源

數據來源于新疆維吾爾自治區氣象信息中心，經過嚴格質量控制，資料真實可靠，使用東天山北坡5個國家級地面氣象站1961—2016年逐日降水數據資料。5—9月是東天山北坡主要降水量季節，其降水量占年降水量的60%～80%，因此把5—9月看成該研究區域的汛期。根據2003版《地面氣象觀測規范》[10]規定，天氣現象日界時間以北京時間20時為界，即當日20時至次日20時出現的降水作為一個降水日數，若某次降水跨日（或月）則按出現 2 個降水日數計算。

1.3 分析方法及雨量分級處理

本文所使用的分析方法主要包括線性趨勢、相關系數和多項式擬合等方法。采用Mann-Kendall（簡稱M-K）方法對降水時間序列進行突變分析，為了檢驗氣象要素突變是否達到標準，對突變點進行信噪比S/N檢驗，信噪比公示如下：

由于新疆區域的特殊性，降水量分級標準相對中國內陸大部分地區有所不同，新疆降水評分標準將降水量分為5個量級：微雨（0.0 mm）、小雨（0.1～6.0 mm）、中雨（6.1～12.0 mm）、大雨（12.1～24.0 mm）、暴雨（≥24.1 mm）。本文只統計日降水量≥0.1 mm的降水事件，并將日降水量≥0.1 mm的降水稱為有效降水。各量級降水日數即為該量級的降水日數，將4個有效降水的降水日數之和稱為總降水日數。

2 結果與分析

2.1 汛期不同量級降水日數基本特征

1961—2016年東天山北坡經濟帶汛期總降水日數為167 d。結合表1分析可知，該區域不同量級降水日數具有以下特征：（1）隨著降水量級的上升，對應降水日數迅速減小。小雨日數所占比重最大，占總降水日數79.04%，對總降水日數貢獻最大；其次是中雨日數為11.98%，其余降水日數均低于10%。（2）從不同量級降水日數氣候傾向率可以看出，小雨日數變化趨勢不明顯；其他降水日數均呈增加趨勢，大雨日數增加最明顯，中雨日數的增加是導致汛期總降水日數增加的主要原因；其次是暴雨日數，二者均通過0.01顯著性檢驗。（3）從總降水日數與不同量級降水日數相關系數可知，除了暴雨日數與總降水日數相關系數較小且沒有通過0.05顯著性檢驗外，其余降水日數均通過0.01顯著性檢驗，其中與小雨日數相關性最好，達到0.92，表明小雨日數對總降水日數貢獻最大，暴雨日數貢獻最小。（4）年際分布差異大。各量級不同降水日數最多年份大多集中出現在1984—1988年，暴雨日數出現在1998年；最少降水日數出現年份比較分散，其中沒有暴雨出現的年份主要集中在20世紀80年代中期以前。（5）年際變化大。總降水日數最多達226 d，最少僅有114 d。

表1 1961—2016年東天山北坡汛期不同量級降水日數統計Table 1 The number of precipitation days for different magnitudes during flood season on the north slope of east tianshan Mountain from 1961 to 2016

2.2 汛期不同量級降水日數空間分布特征

圖2 1961—2016年東天山北坡汛期平均總降水日數（a）、小雨日數（b）、中雨日數（c）、大雨日數（d）和暴雨日數（e）空間分布（單位：d）Fig. 2 Spatial distribution of average total precipitation days (a), the number of light rain days (b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on the north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016 (Unit: d)

從1961—2016年東天山北坡汛期不同量級降水日數空間分布可知（圖2），總降水日數（圖2a）主要是以木壘為高值中心（37.5 d）逐漸向東西兩側減小，其次是巴里坤（37.1 d），最低值出現在海拔高度最低的吉木薩爾（30.1 d）。小雨日數（圖2b）以巴里坤（28.1 d）為大值中心逐漸向兩側減小，其次是海拔最高的伊吾（27.5 d），最小值依然出現在吉木薩爾（24.2 d）；其他降水日數的空間分布與總降水日數相似，都是以木壘為高值中心逐漸向兩側減小，最低值出現區域不同，而是出現在哈密市東北部的伊吾縣。

綜上分析可知，不同量級降水日數空間分布都是以某一高值區為中心逐漸向東西兩側減小，不同的是高值區和低值區出現區域不同，高值區集中出現在木壘（小雨日數出現在巴里坤），低值區集中出現在吉木薩爾和伊吾。從各區域不同量級降水日數所占比重可知（圖略），隨著降水量級的增大，對應降水日數也迅速減小，其中小雨日數占總降水日數比重最大，5個縣均在72%以上，其中伊吾所占比重最高，達到89%以上。因此可知，總降水日數越少的區域，小雨日數所占比重越大，反之越小；暴雨日數所占比重最小，在0.6%～3.7%，其中木壘出現暴雨日數最多，占3.7%，伊吾出現最少，僅占0.6%。

2.3 汛期不同量級降水日數氣候趨勢分布特征

圖3 1961—2016年東天山北坡汛期平均總降水日數（a）、小雨日數（b）、中雨日數（c）、大雨日數（d）和暴雨日數（e）氣候變化趨勢空間分布（單位：d/10 a，陰影部分通過0.05顯著性檢驗）Fig. 3 Spatial distribution of climate change trend of average total precipitation days (a), the number of light rain days(b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on the north slope of east Tianshan mountain from 1961 to 2016 (Unit: d/10 a, the shaded part passes a significance level of 0.05)

由近56 a東天山北坡汛期不同量級降水日數變化趨勢的空間分布（圖3）可知，總降水日數和小雨日數變化趨勢較一致，這與小雨日數占總降水日數比重在72%以上有絕對的關系。因此，在一定程度上，各站小雨日數的趨勢變化基本可以代表總降水日數變化趨勢。其中吉木薩爾和奇臺呈增加趨勢，其他3縣呈減小趨勢，不同的是總降水日數中5縣均未通過0.05顯著性檢驗，總趨勢是以吉木薩爾增加最明顯，達到0.72 d/10 a，且逐漸向東減小，最小值出現在伊吾；而小雨日數中巴里坤減小最顯著（-0.9 d/10 a，P＜0.05），其他4個縣均未通過檢驗。中雨日數趨勢變化與大雨日數、暴雨日數相似，5個縣均呈增加趨勢，不同的是中雨日數5個縣均未通過0.05顯著性檢驗；大雨日數中，有2個縣通過0.05和1個縣通過0.01顯著性檢驗，巴里坤增加最顯著，達到0.48 d/10 a（P＜0.01），伊吾增加趨勢最小（P＞0.05）；暴雨日數中，木壘增加最明顯，達到0.26 d/10 a（P＜0.01），增加趨勢最弱的是吉木薩爾（P＞0.05）。

2.4 汛期不同量級降水日數年代際變化特征

為了分析東天山北坡不同量級降水日數的年代際變化趨勢，利用6次多項式擬合方法對該區域不同降水日數進行序列擬合。由圖4可知，近56 a東天山北坡汛期總降水日數和小雨日數變化趨勢基本一致，呈單峰雙谷型，峰值出現在20世紀90年代初期，谷值出現在20世紀60年代中期和21世紀前10年的末期，20世紀70—90年代以及近6年均呈增加趨勢。中雨日數20世紀60—90年代初期呈增加趨勢，隨后逐漸減小持續到21世紀初期，然后逐漸增加。大雨日數從20世紀60年代到21世紀初期呈微弱波動增加趨勢，隨后快速增加。暴雨日數呈雙峰雙谷型，峰值出現在20世紀60年代中期和90年代末期，谷值出現在20世紀70年代末期和21世紀前10年的末期，隨后增加明顯。綜合分析表明，各量級降水日數均在進入21世紀前10年后呈增加趨勢，預計這種增加趨勢仍將持續。

2.5 汛期不同量級降水日數的突變分析

圖4 1961—2016年東天山北坡汛期不同量級降水日數年代際變化趨勢Fig. 4 The trend of number of precipitation days for different magnitude during flood season on the north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016

為了檢驗1961—2016年東天山北坡汛期不同量級降水日數較長時間序列變化信號，利用M-K法進行變化趨勢分析的同時進行突變分析。從圖5可知，總降水日數、小雨日數和中雨日數變化趨勢相似，UF和UB曲線在臨界線（±1.96）范圍內出現多個交點，但相交的年份不同，通過信噪比檢驗各交點S/N均小于1，說明三者在研究期內均未發生突變；同時從UF曲線演變可知從20世紀90年代末期以后呈下降趨勢，并在未來仍將持續。大雨日數在1977年之后UF曲線呈波動上升趨勢，與UB曲線相交于1991年，通過信噪比檢驗該交點S/N＞1，說明1991年是東天山北坡大雨日數的突變年，1998年超過臨界線，表明為顯著的上升趨勢；暴雨日數中UF和UB曲線在1980年以前出現多個交點，利用信噪比檢驗所有交點只有1980年S/N＞1，表明該年是暴雨日數的突變年，1990年超過臨界線，表明從該年開始為顯著上升趨勢，同樣這種上升趨勢在未來仍將持續。

圖5 1961-2016年東天山北坡汛期總降水日數（a）、小雨日數（b）、中雨日數（c）、大雨日數（d）和暴雨日數（e）突變分析Fig. 5 The analysis of abrupt change points of total precipitation days (a), the number of light rain days (b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016

2.6 汛期不同量級降水日數與總降水量的關系

從近56 a東天山北坡汛期總降水量的空間分布可知（圖略），總雨量與總降水日數、中雨日數、大雨日數和暴雨日數空間分布比較一致，均以木壘為大值中心，逐漸向東西兩側減小，低值區位于伊吾。汛期總降水量線性趨勢變化（圖略）與總降水日數、中雨日數、大雨日數和暴雨日數變化較一致，為明顯的增加趨勢，達到45.06 mm/10 a；從氣候傾向率的空間分布可知（圖略）與中雨日數、大雨日數相似，均表現為增加趨勢，增加最明顯的是巴里坤，伊吾增加最小；不同的是通過顯著性檢驗范圍和站點不同，總降水量有3個縣通過0.01顯著性檢驗。汛期總降水量與不同量級降水日數的相關系數全部通過0.01顯著性檢驗（表略），與小雨日數相關性最差，僅為0.36，而與其他降水日數相關系數均在0.65以上，說明中、大、暴雨日數與汛期總降水量關系較密切，其中與大雨日數相關系數最好，高達0.84，其次是暴雨為0.74。

圖6 1961—2016年東天山北坡汛期總降水量與總降水日數（a）、小雨日數（b）、中雨日數（c）、大雨日數（d）和暴雨日數（e）相關系數空間分布（陰影部分通過0.05顯著性檢驗）Fig. 6 Spatial distribution of correlation coefficient between total precipitation and total precipitation days (a), the number of light rain days (b), the number of moderate rain days (c), the number of heavy rain days (d) and the number of rainstorm days (e) during flood season on the north slope of east Tianshan Mountain from 1961 to 2016 (the shaded part passes a significance level of 0.05)

從不同量級降水日數與汛期總降水量相關系數空間分布可知（圖6），總降水量與總降水日數相關性密切，5個縣均通過0.01顯著性檢驗，相關系數最高出現在吉木薩爾，為0.68；與小雨日數相關性相對較差，只有3個縣通過0.01顯著性檢驗，相關性最好的為伊吾，達到0.42；與小雨日數相比，中雨日數與總雨量相關性有所提高，1個縣通過0.05顯著性檢驗，4個縣通過0.01顯著性檢驗，相關性最好的仍出現在伊吾，升至0.64；而大雨日數、暴雨日數與總雨量相關性更高，5個縣均通過0.01顯著性檢驗，大雨日數相關性最好出現在巴里坤，為0.71；暴雨日數為0.70，出現在木壘。因此在汛期隨著降水量級升高，降水日數與汛期總降水量的相關系數也不斷增大，小雨日數與總雨量相關性相對較差，與大雨日數相關性最好。

3 結論

1）近56 a東天山北坡汛期總降水日數為167 d，小雨日數占總降水日數比重達79.04%，且隨著降水量級的上升，對應的降水日數迅速減小，暴雨日數僅為3 d。從氣候傾向率變化可知，小雨日數呈明顯下降趨勢，其他降水日數呈增加趨勢，其中大雨日數增加最明顯，達到1.27 d/10 a，它的增加是導致汛期總降水日數增加的主要原因。

2）從不同量級降水日數的空間分布可知，都是以某一高值區為中心逐漸向東西兩側減小，不同的是高值區和低值區出現區域不同，高值區大都集中出現在木壘（小雨日數出現在巴里坤），低值區集中出現在吉木薩爾和伊吾。具體表現為總降水日數越少的區域，小雨日數所占比重越大，暴雨日數所占比重越小。

3）通過6次多項式擬合方法對東天山北坡近56 a不同雨日進行序列擬合發現，總降水日數和小雨日數變化趨勢基本一致，呈單峰雙谷型，其他降水日數變化不太一致，但總的來說各量級降水日數在進入21世紀前十年后均呈增加趨勢。

4）利用近56 a東天山北坡汛期不同量級降水日數與總降水量關系可知，隨著降水量級升高，降水日數與汛期總降水量的相關系數也不斷增大。