1971～2017年新疆夏季分級降水特征

李雪婷,靳立亞,李金建

（成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225）

引言

近一個世紀以來，在全球氣候趨勢變暖的背景下，北半球干旱半干旱地區已經成為溫度增長最顯著的地區，其中以中緯度地區的變化最為明顯，降水量的區域性變化尤為明顯[1]。近半個世紀以來，中國每年降水量都呈現出明顯減少的下降趨勢，但西部干旱地區半干旱地區在近50年內卻仍然被認為是400年來年平均降水最充沛的一個時期，多雨情況主要出現在當地冬季氣候急劇變暖的30年中[2]。新疆地處干旱半干旱地區，作為"一帶一路"經濟帶的一個核心地區，增強對新疆地區降水變化的認識，提高新疆地區降水預報能力，這是新疆地區當前的生活、發展的必然需求。已有研究[3-4]表明：新疆地區的氣候并非直接受季風系統作用，由于地形影響，降水分布不均，以天山山脈為界，不同級別的降水量、降水日和降水強度呈現出空間差異，分布整體呈"北多南少"；新疆的降水主要集中在夏季，小雨的貢獻率最高，中雨其次，大雨最少，夏季的降水量與降水日的變動主要受到夏季小雨的影響。

目前，針對新疆地區夏季降雨的氣候特征研究不多。如張新等[5]利用4個站點數據分析了1961～2005年新疆博州地區降雨量和降雨日的時空變化特征。李春芳等[6]利用7個站點數據分析了新疆阿勒泰地區暖季分級降雨氣候特征。周順武等[7]研究了西北地區東部夏季小雨、中雨和大雨這三個不同等級降水的降水量、降水日和降水強度的空間分布特征。杜雅菡等[4]將研究范圍擴大至全疆。總的說來，已有工作大多以局部地區為研究對象，選取數據站點的數量較少，不夠全面細致，而且以往的降水分級標準已經不能滿足當前氣象預報服務的需求。因此，本文選取1971～2017年新疆100個氣象觀測站的逐日降雨資料，在降水分級的基礎上，對新疆夏季分級降水特征進行細致深入的分析，以期加深對區域氣候變化的認識以及促進氣象服務工作的發展。

1 資料與方法

1.1 區域概況

新疆維吾爾自治區處于我國西北邊陲，占國土總面積的六分之一，其地形復雜多變，北部是阿爾泰山，南部為昆侖山系，天山橫跨新疆中部，該地形俗稱“三山夾二盆”。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，日照充足，溫差較大，降水偏少，南疆氣溫高于北疆，而降水少于北疆[8-11]。

1.2 資料

本文中使用的數據是中國氣象局國家氣象信息中心提供的中國2474站24小時累計雨量觀測資料。經過篩選處理后，選取了新疆地區具有較完整觀測記錄的100個站點(站點分布見圖1)。資料序列長度為1971～2017年。根據氣候季節劃分[12]規定6～8月為夏季。

圖1 新疆氣象觀測站點的空間分布

1.3 研究方法

本文采用Mann-Kendall（M-K）檢驗、統計分析、經驗正交函數(EOF)、氣候傾向率、Morlet小波分析等方法進行研究。

1.4 降水標準劃分

鑒于新疆地區的特殊性，《降水強度等級劃分標準(內陸部分)》中的分級標準在新疆地區適用性較差，本文參考肖開提等[13]制定的新疆降水量級標準，提出了新的分級降水標準，具體見表1。

表1 新疆地區分級降水標準

2 新疆夏季降水的時空變化特征

2.1 年平均新疆夏季降水的時空特征

圖2是1971～2017年共47年平均的新疆夏季降水的空間分布。受天山山脈地形因素的影響，新疆夏季降水主要集中在天山山脈附近，天山以北的北疆地區年平均的夏季降水量基本在60mm以上，而南疆在60mm以下，呈由北向南遞減的空間分布特征，烏魯木齊與伊犁河為夏季降水高值區。其中南疆地區同樣因地形因素的影響，夏季降水呈以塔里木盆地為中心向四周遞減的特征，大值區位于南疆西部。

圖2 1971～2017年年平均新疆夏季降水的空間分布

對1971～2017年新疆區域平均的夏季降水進行MK突變檢驗，結果如圖3所示。UF統計量和UB統計量的曲線交點大致在1987年，且通過0.05水平的顯著性檢驗，表明1987年夏季降水發生了由少到多的突變。1987年之前，夏季降水呈減少趨勢；20世紀80年代～90年代初期，夏季降水呈顯著增加趨勢；1991年之后，夏季降水仍呈增加趨勢；2005年之后，增加趨勢減弱。

圖3 1971～2017年新疆區域平均夏季降水的M-K檢驗

2.2 新疆夏季降水EOF分析

為了客觀描述新疆夏季降水量的空間分布特征，將1971～2017年新疆100個站點的夏季降水數據標準化處理后，進行了EOF分解。表2給出了前5個模態的方差貢獻率及累計方差貢獻率，其中前4個模態的累計方差貢獻率達到了53.13%，可以較好地反映其時空演變特征。

模態 第一 第二 第三 第四 第五方差貢獻率/% 25.06 15.4 7.11 5.56 4.17累計方差貢獻率/% 25.06 40.46 47.57 53.13 57.3

分析第一模態（圖4a）可知，新疆夏季降水變化具有整體一致性，反映出該地區在一定程度上受同一天氣系統控制，南疆西南部為降水波動最顯著區域，其次是45°N附近的北疆西部地區。由對應時間序列(圖4e)可知：1987年之前，夏季降水偏少；1987年之后，夏季降水偏多；1980、1985和2009年夏季降水整體異常偏少，1981、1987、1993和2016年夏季降水整體異常偏多。

分析第二模態（圖4b）可知，新疆夏季降水呈南-北向的的反位相變化特征，主要反映出天山山脈地形因素的影響，烏魯木齊及周邊是變化最顯著的區域。由對應時間序列(圖4f)可知，1985，2000和2007年南疆夏季降水異常偏多，而北疆夏季降水異常偏少，1985，2000和2007年則與之相反。

分析第三模態（圖4c）可知，新疆夏季降水呈東-西向的的反位相變化特征，反映出西部受西風帶控制而東部受到盆地地形影響所造成的差異，北疆西部是變化最顯著的區域，其次是40°N附近的南疆東部地區。由對應時間序列(圖4g)可知，1984，2000和2016年夏季降水分布呈顯著西多東少的特征，1985，2001，2003和2010年則與之相反。

分析第四模態（圖4d）可知，新疆夏季降水呈中部與周邊地區的反位相變化，分別以烏魯木齊及周邊與北疆北部為中心，其變化特征相反。由對應時間序列(圖4h)可知，1999和2013年夏季降水分布呈顯著中部少周圍多的特征，1986，1993和2012年則與之相反。

圖4 1971～2017年新疆夏季降水EOF分解的前四個模態（a～d.空間分布，e～h.時間序列）

3 新疆夏季分級降水的時空變化特征

3.1 長期趨勢變化特征

圖5給出了1971～2017年新疆地區夏季分級降雨雨量與雨日變化趨勢的空間分布。新疆夏季整體雨量(圖5a1)與雨日(圖5a2)呈現明顯上升趨勢，其氣候變化趨勢系數的空間分布與新疆地區夏季降水氣候態十分類似，呈北疆多南疆少、西部多東部少、山區多的特點。其中，夏季小雨的雨量(圖5b1)與雨日(圖5b2)在新疆大部呈一致的上升趨勢，僅南疆部分地區的雨量增加而雨日減少。夏季中雨(圖5c1～2)和大雨(圖5d1～2)的變化趨勢均呈現較為一致的平穩上升趨勢。夏季暴雨雨量(圖5e1)表現為全疆一致的上升趨勢，暴雨雨日(圖5e2)則顯著增多，主要增加區域集中在天山附近與南疆地區，與近年來這些地區暴雨事件頻發的事實相符。

圖5 1971～2017年新疆夏季分級降雨雨量（左）與雨日（右）氣候變化趨勢的空間分布（a1～2.夏季降雨，b1～2.小雨，c1～2.中雨，d1～2.大雨，e1～2.暴雨）

3.2 時間變化特征

通過圖6可知，1971～2017年區域平均的新疆夏季分級降雨雨量與雨日均呈增加趨勢，其中暴雨的上升趨勢最為顯著，大雨次之，小雨和中雨最弱。如表3所示，統計了多年平均的新疆夏季分級降雨雨日(量)（定義有效雨量(有效雨日)為4個級別的雨量(日)之和），分析發現：新疆地區夏季小雨雨日達到15d，占夏季降水有效雨日的84.5%，同時夏季雨量的39.2%來自小雨降水，表明新疆夏季主要以小雨為主；中雨和大雨對新疆夏季降水量貢獻相近，占新疆夏季降水的50%左右，中雨日約1.8d，大雨日約0.8d；暴雨雨日有0.2d，僅占夏季有效雨日的1.1%，但對雨量大小的貢獻達到了11.6%，表明暴雨對新疆地區夏季降水影響較大。結合圖6可知，暴雨是近47年影響新疆夏季降水的主要因素。

表3 1971～2017年多年平均的新疆夏季分級降雨雨量與雨日特征

圖6 1971～2017年區域平均的新疆夏季分級降雨雨量（左）與雨日（右）的時間變化（a、e.小雨，b、f.中雨，c、g.大雨，d、h.暴雨）

3.3 周期變化

新疆夏季降雨的小波分析(圖7a)表明：1980年前，新疆夏季降雨存在顯著的準3a振蕩周期；1980～1990年，出現了明顯的4～7a振蕩周期；1990～2010年，以準3a周期振蕩為主。

新疆夏季小雨的小波分析(圖7b)表明：1980年前，存在較明顯的3a振蕩周期；1980～1990年，存在6a與10a的振蕩周期；1990～2000年有較明顯的3a和6a振蕩周期。新疆夏季中雨的小波分析(圖7c)表明：1980～1990年，存在5a振蕩周期；在90年代后期轉變為較為明顯且穩定的3a振蕩周期。新疆夏季大雨的小波分析(圖7d)表明：其周期變化與小雨有部分相似，1980年前存在3a的振蕩周期，1980～1990年存在明顯3a和6a振蕩周期，1990～2000年存在較明顯的3a振蕩周期。新疆夏季暴雨的小波分析(圖7e)表明，在1990年前無明顯周期變化，此后存在明顯且較為穩定的3a振蕩周期。

圖7 1971～2017年新疆夏季分級降雨的小波分析（a.夏季降雨，b.小雨，c.中雨，d.大雨，e.暴雨）

4 結論

利用1971～2017年新疆100個氣象觀測站的逐日降雨資料，在降水分級的基礎上，采用EOF、M-K檢驗、小波分析等方法，分析了新疆夏季降水的氣候演變特征。結論如下：

(1) 結合新疆夏季降水實際情況，規定降水量≥0.1mm的日數為降水日，將降水劃分四個等級：小雨(0.1～6.0mm)、中雨(6.1～12.0mm)、大雨(12.1～24.0mm)、暴雨(≥24mm)。

(2)受天山的影響，新疆夏季降水多集中在天山山脈，呈由北向南遞減的分布特征。近47年區域平均的新疆夏季降水呈現持續增長趨勢，存在明顯的多時間尺度波動，并在1987年發生由少到多的突變。

(3)新疆夏季降水的EOF分析表明其空間分布特征較為復雜。第一模態為整體一致變化，反映出該地區在一定程度上受同一天氣系統控制；第二模態為南-北向的的反位相變化，反映了天山山脈地形因素的影響；第三模態為東-西向的反位相變化，反映出西部受西風帶控制而東部受到盆地地形影響所造成的差異；第四模態為中部與周邊地區的反位相變化。

(4)從空間分布來看，新疆夏季各級降水的雨量與雨日均呈現明顯上升趨勢，其氣候變化趨勢系數的空間分布特征與夏季降水的基本一致，也表現出北疆大于南疆、西部大于東部、山區多于盆地和谷地的特點。

(5)從時間變化來看，區域平均的新疆夏季各級降水的雨量與雨日以上升趨勢為主，其中暴雨的上升趨勢最為顯著，大雨次之，小雨和中雨最弱。

(6)新疆夏季各級降水在多種尺度上表現出周期振蕩特征。小雨主要以3a周期為主，在1980～2000年存在6～10a周期。中雨在1990年前存在5a變化周期，后轉變為明顯的3a周期。大雨主要以3a周期為主，在1980～1990年存在6a周期。暴雨降水在1990年后以3a周期變化為主。