烏魯木齊汛期降水集中度和集中期時空變化特征

苗運玲 ，卓芝正 ，張 軍 ，李如琦 ，楊艷玲 ，王 健 *

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002；2.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000；3.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

降水作為水資源的重要來源，是人類賴以生存和發展不可缺少的最重要物質資源之一。受人類活動、氣候變化等因素的影響，水資源缺乏狀況日趨嚴重，而氣候變化很大程度上決定了水資源的豐欠，隨著全球氣候變暖，加快了大氣水循環，極端天氣氣候事件不斷增加，災害性天氣強度不斷增大，造成降水分布不均勻和區域生態環境不穩定性增強[1-3]。《中國氣候變化藍皮書（2020）》[4]中指出：中國是全球氣候變化的敏感區，1961—2019 年，平均年降水量呈微弱的增加趨勢，平均年降水日數呈顯著減少趨勢，極端強降水事件呈增加趨勢，年累計暴雨（日降水量≥50.0 mm）日數呈增多趨勢；各區域降水變化趨勢差異明顯，青藏地區呈顯著增多趨勢，西南地區呈減少趨勢，其余地區則無明顯變化。為了反映年內總降水量非均勻分配的特征，楊遠東[5]、孔峰[6]、ZHANG[7]等把月、周、候降水看成矢量，提出用降水集中度（PCD）和集中期（PCP）進行分析。此后，國內外眾多學者利用此方法，采用不同時間尺度對年內降水事件的分布進行分析[8-14]。張天宇等[8]得出華北東部地區降水較西部集中，集中期較晚，且均呈顯著的下降趨勢。王米雪等[9]研究表明，中國東南沿海地區PCD在空間上具有明顯地域差異，且差異不斷增強，PCP空間差異性大且不穩定。劉憲鋒等[10]通過對黃土高原地區的研究，發現該地區PCD自東南向西北逐漸增加，且以南北反向型分布，而PCP變化不大，主要集中在7 月中旬和下旬。

烏魯木齊位于亞歐大陸腹地、天山北坡中段，是世界上距離海洋最遠的城市，屬于溫帶大陸性干旱氣候，是“一帶一路”經濟核心城市和面向中亞的國際商貿中心。該地區水資源匱乏，生態環境脆弱，人均水資源為全國平均值的1/5、世界平均值的1/22，是全國30 個嚴重缺水城市之一。烏魯木齊雖擁有冰川融水、地表徑流等不同形態水資源補給，但降水卻是水資源重要補給來源，因此降水多寡直接影響水資源的豐欠。目前針對烏魯木齊降水研究，主要集中在氣候變化、極端降水、旱澇等方面研究[15-20]，而針對降水集中度和集中期研究尚未涉及。烏魯木齊5—9 月降水量占年降水量的73.0%，因此把5—9月界定為烏魯木齊汛期。受地理位置、地形和海拔高度等影響，汛期降水量在時空分布上很不均勻，極易造成旱澇災害。為了揭示烏魯木齊汛期降水變化規律，保障安全度汛，合理存儲、利用水資源，本文利用1978—2020 年烏魯木齊5 個國家級氣象站汛期逐日降水資料，分析該地區汛期候尺度降水集中度和集中期時空分布特征和變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 資料

烏魯木齊地勢起伏懸殊、南北地形差異大，地勢總體呈東北向西南逐漸增高，海拔高度490～5 445 m，高差達到4 955 m。從北到南國家級氣象站依次為米東、烏魯木齊、小渠子、達坂城、大西溝（圖1），烏魯木齊和米東位于北部平原，代表城區，達坂城位于烏魯木齊南郊，代表郊區，小渠子和大西溝地處天山山區，代表山區。各站逐日降水資料均通過新疆氣象局信息中心嚴格控制質量，資料真實可靠。

圖1 烏魯木齊國家氣象站點及海拔高度（單位：m）

1.2 降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的定義和算法

降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）是利用向量原理來定義區域降水量時間分配特征的參數，定量描述降水集中程度和集中出現時段。其定義公式如下：

由公式（1）、（2）可知，PCD能反映在研究時段內各個候降水總量集中程度，取值在0.0～1.0，PCD越接近1，表示降水越集中在某一候，反之降水分布就越均勻，即不集中。PCP則是合成向量的方位角，指示出每個候降水量合成后的總體效應，即向量合成后所指示的最大角度，表示最大候降水量出現在哪個時段。PCP值越大表示研究區內測站最大候降水量出現時間較晚，反之出現時間較早。

根據文獻[7-8]中的研究方法，將候降水量看成向量長度，把5—9 月降水期看成一個圓，平均分成30 候，各候按順序均勻分布，每一候相當于12°，各候方位角對應角度見表1。

表1 烏魯木齊汛期各候方位角/（°）

1.3 研究方法

對烏魯木齊汛期降水集中度和集中期研究主要采用線性趨勢分析、6 次多項式擬合、Morlet 小波分析及合成分析等方法，利用SPSS 中雙變量分析法分析汛期降水集中度和集中期與汛期降水量相關性，并對其進行顯著性水平檢驗。為了得到烏魯木齊汛期降水集中度和集中期，先分別計算5 站汛期降水集中度和集中期，然后統計得到烏魯木齊降水集中度和集中期。

2 分析結果

2.1 汛期降水量基本特征

由圖2 可知，1978—2019 年烏魯木齊汛期多年平均降水量為233.4 mm，最大值為354.7 mm，出現在2007 年，最小值為 159.0 mm，出現在 1985 年，極差達195.7 mm，說明年際變化較大。年際變化總體呈波動上升趨勢，上升率為4.53 mm/10 a，但未通過0.05 的顯著性檢驗，說明上升趨勢不顯著。年代際變化呈倒“V”型分布，20 世紀 80 年代末期至 21 世紀初期為降水相對偏多期，其它時期處于偏少期。從6次多項式擬合來看，變化趨勢總體呈單峰型分布，從2000 年左右開始逐漸下降一直持續到2013 年左右，然后呈微弱的上升趨勢，并持續到2019 年。汛期平均降水量，總體呈帶狀分布（圖2b），由西南向東北逐漸減小，最大值出現在大西溝（411.0 mm），最小值出現在達坂城（66.3 mm），達坂城站降水量僅是大西溝的1/6。不同區域降水量從大到小排序為：山區＞城區＞郊區（表2），說明區域差異顯著，即山區的降水量明顯多于城區和郊區；變化速率從高到低排序為（表 3）：山區＞郊區＞城區，但均未通過 0.05 顯著性水平檢驗，說明上升/下降趨勢不顯著。

圖2 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水量年際變化趨勢（a）和空間分布（b）

表2 1978—2019 年烏魯木齊不同區域汛期降水量、降水集中度和集中期多年平均值統計

表3 1978—2019 年烏魯木齊不同區域汛期降水量、降水集中度和集中期變化傾向率

2.2 汛期降水集中度和集中期年際變化趨勢

從圖3 可知，1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度和集中期均呈弱的下降趨勢，表明汛期降水集中程度逐漸減弱，即降水分配趨于均勻，降水集中期逐漸提前，即最大候降水量出現時間逐漸提前。降水集中度變化范圍為0.11～0.52，平均值為0.31，高于全國（0.15～0.25）[6]和北疆平均值（0.20）[12]，而低于東疆平均值（0.35）[15]；降水集中度在近42 a 中有25 a等于或低于平均值，說明這些年份降水分配比較均勻。各年代際變化幅度不大，為0.29～0.33，說明在各個年代降水集中程度較相似。從6 次多項式擬合來看，變化趨勢總體呈波浪型分布，即急劇下降→上升→緩慢下降→急劇上升，且這種上升趨勢一直持續到2019 年。

圖3 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）年際變化趨勢

汛期降水集中期變化范圍在第25～46 候，平均值為第34 候，其中有19 a 集中出現在第34～40 候，說明這些年最大候降水量出現較晚。年代際變化整體呈“V”型分布，最小值出現在20 世紀90 年代末期到21 世紀初期，說明該時期最大候降水量出現較早。通過6 次多項式擬合可知，變化趨勢呈“峰谷”型分布，即：急劇下降→上升→下降→上升→下降，且這種下降趨勢一直持續到2019 年。

2.3 汛期降水集中度和集中期空間分布

2.3.1 多年平均值空間分布

烏魯木齊汛期降水集中度空間分布與降水量空間分布大致相反（圖4a），降水集中程度是由西向東逐漸增大，且東西差異較大，最大值出現在汛期降水量最少的達坂城，為0.51，最小值出現在小渠子，僅為0.21，不及達坂城的1/2。烏魯木齊不同區域汛期降水集中度從大到小順序也與汛期降水量相反，即郊區＞城區＞山區，說明在一定程度上汛期降水量少的區域降水反而比較集中，郊區降水集中程度明顯高于城區和山區。

汛期降水集中期空間分布與集中度空間分布存在顯著差異。由圖4b 可知，以小渠子為大值中心（第37 候），逐漸向四周減小，最小值出現在米東（第28候），兩地差值達9 候（45 d），說明米東最大候降水量出現時間最早，小渠子出現最晚。烏魯木齊不同區域汛期降水集中期從高到低排序為（表2）：山區＞郊區＞城區，且城區降水集中期低于平均值，說明城區最大候降水量出現時間早于郊區和山區。

圖4 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）空間分布

綜上所述，位于烏魯木齊南郊的達坂城，由于北高南低、三面環山，呈半封閉狀態，當受天氣系統影響時，因地形特殊，降水量相對其它區域小，出現極端降水次數也相對較少，但當受到某次較強天氣系統影響時也會出現較大的降水過程，使該地降水比較集中，出現洪澇災害的可能性較大。位于天山山區的小渠子和大西溝，由于海拔較高，又地處迎風面，地形產生的抬升運動非常大，當天氣系統影響時，會造成該區域降水量較大，且出現極端降水次數也較多；同時受局地氣候影響，午后出現強對流天氣較多，出現降水概率也高于其它區域，故山區降水分配比較均勻，因此可以根據降水集中程度預防災害性天氣帶來的危害。汛期降水集中期與影響的天氣系統和各地所處的地理位置有密切關系，米東位于烏魯木齊最北端，海拔高度較低，最大候降水量出現時間早于其它四站，故烏魯木齊地區出現明顯降水過程是由北向南逐漸推進的，因此可依據降水集中時段適時進行汛線調整和水庫調度，保證水庫安全度汛。

2.3.2 變化趨勢空間分布

近42 a 烏魯木齊各站汛期降水集中度呈減小趨勢（圖 5a），變化速率在-0.012～-0.001/10 a，說明各站降水集中程度逐漸減弱，其中小渠子下降幅度最大，大西溝下降幅度最小，但均未通過0.05 的顯著性檢驗，說明各站降水集中程度減弱不顯著。各站集中期變化趨勢與集中度一樣，也呈下降趨勢（圖5b），變化范圍在-1.98～-0.22 候/10 a，且米東通過0.01 的顯著性檢驗，說明該站降水集中期下降趨勢顯著，即最大候降水量出現時間早于其它站點。

圖5 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）變化趨勢空間分布

烏魯木齊不同區域汛期降水集中度和集中期均呈減小趨勢（表3），且降水集中度和集中期變化趨勢從高到低的排序一致，為：郊區＞山區＞城區。因此烏魯木齊不同區域汛期候降水集中程度呈減弱趨勢，即降水趨于均勻；降水集中期呈提前趨勢，即最大候降水量出現時間提前，其中郊區提前顯著，城區最緩。

2.4 汛期降水集中度和集中期周期分析

利用Morlet 小波分析烏魯木齊汛期降水集中度和集中期的周期變化特征，其中降水集中度為正表示“集中”，負表示“均勻”，集中期為正表示“推遲”，負表示“提前”。烏魯木齊汛期降水集中度存在3、6、15 a 左右周期變化（圖 6a），其中 6、15 a 左右周期變化具有全域性，呈集中—均勻穩定交替變化。15 a 周期在2019 年時等值線（正）沒有閉合，表明汛期降水正處于集中狀態。降水集中期存在4、8、12 a 左右的周期變化（圖6b），其中4 a 左右的短周期出現在1996 年以后，并在2019 年形成閉合（正），說明汛期降水正處在推遲階段；12 a 左右長周期變化呈推遲—提前穩定交替變化，等值線（負）在2019年沒有形成閉合，表明汛期降水繼續維持提前狀態。

圖6 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）周期分析

2.5 汛期降水集中度、集中期與汛期降水量的相關性

為了研究烏魯木齊汛期降水集中度和集中期與汛期降水量之間的關系，對其進行了相關分析，并繪制了相關系數空間分布圖（圖7）。烏魯木齊汛期降水集中度與降水量相關系數為-0.193，說明汛期降水量越大降水集中程度越弱；各站相關系數在-0.270～0.212，且相關性均較差，均未通過0.05 的顯著性檢驗。從空間分布（圖7a）可以看出，在烏魯木齊站形成一個低值中心，然后逐漸向南增大，且城區以負相關為主，郊區和山區以正相關為主，與趙勇[12]、苗運玲[15]研究結論不太一致，說明城區汛期降水量較大時，降水量在時間分配上比較均勻。

汛期降水集中期與降水量呈負相關，相關系數為-0.350，表明汛期降水量越大降水集中期提前越明顯。通過對各站相關性分析發現各站均呈負相關，相關系數在-0.459～-0.041，且只有大西溝通過0.01的顯著性檢驗，表明大西溝降水集中期提前趨勢比其它站顯著。由圖7b 可知，以大西溝為低值區向四周增大，最大值出現在米東，且山區通過了0.01 的顯著性檢驗，說明山區降水集中期提前趨勢明顯早于城區和郊區。汛期降水集中度與集中期相關系數僅為0.121，沒有通過0.05 的顯著性檢驗，表明降水集中程度對降水集中期提前（推遲）影響不顯著。

圖7 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）、集中期（b）與汛期降水量相關性空間分布

2.6 多降水年和少降水年降水集中度和集中期合成分析

為了探究烏魯木齊汛期降水異常偏多和偏少年（以下簡稱“多降水年”和“少降水年”）的降水集中度和集中期分布情況，選取近42 a 中降水量異常偏多和偏少的5 a 降水集中度和集中期進行合成分析。多降水年分別是 1988、1996、1998、2003 和 2007 年，少降水年依次是 1980、1985、1997、2010 和 2014 年。經合成分析發現，烏魯木齊汛期多降水年和少降水年降水集中度分別為0.29、0.34，集中期分別為第31、38 候，說明少降水年降水集中程度高于多降水年，降水集中期明顯晚于多降水年，即少降水年最大候降水量出現時間晚于多降水年。

多降水年（圖8a）和少降水年（圖8c）降水集中度空間分布各有異同。相同之處是變化趨勢大致是自東向西逐漸減小，最大值均出在達坂城，這與汛期多年降水集中度空間分布較一致，說明達坂城在多降水年、少降水年和正常年份降水集中程度都高于其它站；不同之處是最小值出現站點不同，多降水年出現在烏魯木齊站，少降水年出現在小渠子，且烏魯木齊站、大西溝、達坂城多降水年和少降水年降水集中度差值相差較大，均超過0.11。

多降水年（圖8b）和少降水年（圖8d）降水集中期空間分布大致都是由北向南逐漸推遲的，其中少降水年空間分布與汛期多年降水集中期空間分布較相似，最大值和最小值出現站點相同，且各站少降水年均晚于多降水年，即少降水年最大候降水量出現時間比多降水年晚；從二者差值來看，除大西溝相差較大以外（達13 候），其它站差值不超過6 候。

圖8 1978—2019 年烏魯木齊汛期多降水年降水集中度（a）、集中期（b）和少降水年降水集中度（c）、集中期（d）空間分布

因此，當汛期降水量異常偏多且降水集中度異常偏大，出現局地洪澇災害可能性就很大；反之，汛期降水量異常偏少但降水集中度異常偏大，出現干旱和局地短時強降水概率很大。因此在氣候變暖背景下，密切關注烏魯木齊汛期降水集中度和集中期變化對合理調配水資源、防范旱澇災害具有十分重要的現實意義。

3 結論與討論

（1）近42 a 烏魯木齊汛期降水集中度呈逐年下降趨勢，下降率為-0.007/10 a，即汛期降水分配趨于均勻化。降水集中期呈提前趨勢，以-1.045 候/10 a 的速率提前，即汛期最大候降水量出現時間逐漸提前。

（2）烏魯木齊汛期降水集中度和集中期空間分布明顯不同，降水集中度是自西向東逐漸增大，最大值出現在降水量最少的達坂城，說明降水量越少降水越集中。降水集中期以小渠子為高值中心向四周減小，最小值出現在米東（第28 候），總體呈“北早南晚”空間分布特征。

（3）烏魯木齊各站汛期降水集中度與降水量的相關性較差，表明降水集中度對汛期降水量影響不顯著。各站降水集中期與降水量呈負相關，但只有大西溝通過0.01 的顯著性檢驗，表明該站降水集中期提前趨勢比其它站顯著。降水集中度與集中期呈較弱的正相關，說明降水集中程度對降水集中期提前或推遲影響不顯著。

（4）通過對多降水年和少降水年降水集中度和集中期合成分析發現：少降水年降水集中度和集中期均大于多降水年，即少降水年降水集中程度高于多降水年，降水集中期晚于多降水年，表明在汛期降水異常偏少時降水集中度偏大，集中期偏晚，發生干旱的概率較大。從空間分布來看，多降水年和少降水年降水集中度是從西向東逐漸增大，呈“東高西低”空間分布特征；降水集中期總體呈現由北向南逐漸推遲的態勢，即“北早南晚”分布特征。

通過對烏魯木齊汛期候尺度降水集中度和集中期時空特征及變化規律分析，進一步揭示了該地區汛期降水的氣候變化特性，為氣象部門進行氣候診斷和預測提供數據支持，同時為水利、農牧業等部門提早應對旱澇提供了科學性的指導。