1967—2017年新疆降水分配時空特征研究

柳宏斌，連帥明，白悅瑩，景云云，許仲林*

(1.新疆大學地理科學學院，新疆烏魯木齊 830046；2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

降水的分配對于水資源利用、作物生長及生產生活具有重要意義。針對降水的時空分布問題，國內外已有許多學者進行了研究。國外研究多采用降水集中指數(precipitation concentration index，PCI)[1-3]、基尼系數(Gini index,GI)[4-5]等方法進行集中降水分布的研究。如Cortesi等[6]采用日降水集中指數對歐洲1971—2010年530個日降水序列進行分析，結果發現，年度及季節性日降水最大值出現在地中海西部沿西班牙及法國海岸線，緯度及離海距離似乎對降水集中指數的空間分布起著主要作用。Monjo等[7]采用了基尼系數(GI)、降水集中指數(PCI)、泰爾指數(Theil index)等方法對一組世界降水序列進行降水集中度評估，并對各指數的結果進行對比，發現幾個指數間有很強的聯系，并呈現出相同的高、低集中降水相對區域。國內學者如楊若子等[8]對華北地區降水氣候特征進行了分析，發現研究時段中研究區因夏季降水的減少而導致年降水量減少，且降水強度呈增大趨勢，降水時間更加集中；商沙沙等[9]利用西北地區氣象臺站的逐月氣溫和降水資料，對西北地區氣溫及降水的時空變化特征進行了研究，發現西北地區的氣溫及降水呈現波動上升趨勢，年平均氣溫增加集中于準格爾盆地及天山西南部，降水增加在河西走廊東部地區較為顯著。

新疆深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，氣候干燥，是氣候變化的敏感區。全年降水少且多集中于夏季，強降水多發生于6—8月。對新疆降水的研究集中于降水的時空分布特征[10-13]以及降水的水汽來源[14-19]、輸送過程[20]、動力機理和環流背景[21-23]等方面。如張強等[24]采用Copula非參數估計方法分析了新疆極端降水概率的時空分布特征，發現北疆較南疆濕潤，且發生極端降水的概率較大，在同年中發生長歷時降水的概率山區較平原大，發生強度較大的降水事件概率天山南坡大于其他地區；劉海軍等[25]結合新疆65個氣象站點日降水數據，采用連續、分類驗證統計方法對RFE2.0遙感數據在新疆的適用性進行了評價，并實例驗證了RFE2.0在新疆的可靠性。相關研究加深了對于新疆降水時空特征的理解，但對新疆降水年內分配的研究鮮見報道。該研究對新疆50個站點1967—2017年降水年內分配格局、降水集中度、集中期的變化規律，以及降水日數、降水強度等相關指標進行分析，以期為探討區域降水分配特征提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況新疆維吾爾自治區(73°40′～96°18′E、34°25′～48°10′N)位于我國西北邊疆，面積166萬km2，全區邊境多山，山脈與盆地相間排列。北部為阿爾泰山，南部為昆侖山，天山山脈橫貫其中，將新疆分為南北兩部，因此地形整體呈現“三山夾兩盆”分布。本區遠離海洋，深居內陸，大陸性氣候明顯，氣溫變化劇烈，日照充足，降水稀少，各地降水量差異大。

1.2 數據來源該研究所使用的降水資料為1967—2017年逐日降水(以24 h降水計)觀測資料，來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)，進行數據質量分析，并對缺失值進行插補，剔除連續缺失數據的站點，最終保留50個站點(圖1)。

圖1 研究區氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area

1.3 研究方法

1.3.1降水集中度及降水集中期。該研究基于張錄軍等[26-27]定義的集中度與集中期對降水情況進行測算。降水集中度(PCD)與降水集中期(PCP)是將地區一年的降水分配在圓周(-π～π)上，并將各期降水看作向量，將降水所屬的時間看作向量的方向，其數學表達如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Ri為第i年的降水總量，i為研究年份；j為時序，該研究中為日序；rij為第i年第j天的降水量；θj為第j天所對應的方位角。PCD取值在0～1，越接近0則集中度越小，即降水分布越均勻；越接近于1則集中度越大，即降水分布越集中。PCP為合成后的方位角，反映出降水量最大值出現的時段[28]。

1.3.2插值及面狀降水量評估方法。克里金插值法相較于其他插值方法具有更多優勢，不僅提高了插值精度，也在一定程度上降低了由于采樣不均勻所產生的誤差[29-30]。因此，該研究選擇克里金法對降水量、降水集中度(PCD)、降水集中期(PCP)、變異系數等進行空間插值。

為了避免數據疊加造成面狀區域降水估算過程中數據空間特征缺失，采用泰森多邊形法對區域降水量進行估算[31]。泰森多邊形能保證在每個多邊形內重心附近有一個站點，通過多邊形面積對站點賦權，計算所形成面域的總體降水量。同時，依據行政區劃采用泰森多邊形法劃定該研究的東疆、南疆、北疆分區(圖2)，并對分區降水進行估算。

此外，該研究采用變異系數對研究區降水變異性進行測度，采用相關系數及線性趨勢法對研究區年內降水分配進行測度。

圖2 基于泰森多邊形的研究分區劃定Fig.2 Delineation of the study area based on Tyson polygons

2 結果與分析

2.1 降水特征分析

2.1.1降水頻次分析。從多年平均降水日數(圖3a)來看，新疆降水日數空間上整體呈現從南向北遞增的趨勢。南疆塔克拉瑪干沙漠降水日數在20 d以下，其西部及北部沿天山一帶降水日數為30～50 d；東疆多年平均降水日數在18 d左右，其中吐魯番為全疆最低值，僅為13 d；北疆沿天山一帶降水日數達50 d以上，北疆北部及西部為降水日數高值區，普遍達到90 d，其中昭蘇縣年降水日數達140 d，為全疆降水最頻繁的地區。對全疆降水日數進行線性趨勢分析，發現新疆降水日數呈現增加趨勢，傾向率為1.6 d/10 a;其中，北疆與南疆降水日數增幅分別為1.8、1.9 d/10 a，而東疆降水日數沒有明顯變化。

圖3 新疆多年平均降水日數(a,d)和平均降水強度(b,mm/d)Fig.3 Multi-year average number of precipitation days (a,d) and average precipitation intensity (b,mm/d) in Xinjiang

從多年平均降水強度(圖3b)來看，全疆呈現大部低、局部高的分布態勢。南疆整體偏低，平均降水強度在2.5 mm/d以下，僅西北部地區及塔克拉瑪干沙漠北緣部分地區可達到2.5 mm/d以上；東疆整體較低，僅為1.3 mm/d左右，吐魯番為全疆最低(1.1 mm/d)；北疆沿天山及阿爾泰山一帶平均降水強度較大，最大值為伊犁州昭蘇縣，達3.6 mm/d以上。在研究時段內全疆平均降水強度呈現顯著增加態勢(圖4a)，傾向率為0.075 mm/(d·10 a)。其中，增幅最大的為北疆(圖4b)，傾向率為0.103 mm/(d·10 a)；其次為南疆(圖4c)，傾向率為0.077 mm/(d·10 a)；東疆的增幅最小(圖4d)，僅為0.033 mm/(d·10 a)。

圖4 1967—2017年全疆及分區降水強度Fig.4 Precipitation intensity across the territory and sub-regions of Xinjiang from 1967 to 2017

2.1.2降水變異性及周期分析。降水變異系數可以反映出一個區域是否具有穩定的降水，系數越小表明該區域降水量波動越小、穩定。從圖5可以看出，全疆降水變異系數在0.20～0.65，整體呈現從南向北遞減的態勢。北疆變異系數在0.20～0.35：天山北麓及伊犁地區、阿勒泰山區相較于北疆其他地區變異系數較小，整體降水穩定；南疆變異系數在0.35～0.65，呈現由塔克拉瑪干沙漠以北向南逐漸增加的趨勢，在于田縣、若羌縣達到最大值，表明南疆降水量并不穩定，波動較大；東疆變異系數在0.35～0.55，呈現從東向西增加的趨勢，吐魯番變異系數達0.55，為東疆最大值。對站點多年平均降水量及變異系數進行相關分析，結果顯示相關系數(r)為-0.764(P<0.01)，表明多年平均降水量越高，年際變異性越小，反之，多年平均降水量越少，降水量的年際差異越大。

圖5 1967—2017年新疆降水變異系數空間分布Fig.5 Spatial distribution of the variation coefficient of precipitation in Xinjiang from 1967 to 2017

為了探究研究時段內研究區降水的變化是否具有周期性，對基于泰森多邊形的新疆降水量進行小波分析[32-34]。從小波實部圖(圖6a)及方差(圖6d)來看，在研究時段內，新疆降水量存在3～5、7～12、13～17、22～32年的4類尺度變化周期，呈現明顯的大尺度周期背景下的多個小周期疊加的態勢，局部化特征明顯，并且在22～32年的尺度上最為顯著。小波系數模(圖6b)及模方(圖6c)顯示，在研究時段內，25～32年時間尺度的模值較大，主要集中于1967—1976、2006—2017年，表明在該時間段內降水的周期性較強，并且在1967—1976年周期變化趨于減弱，2006—2017年處于周期性增強階段。

2.1.3典型年合成分析。合成分析可以更加清晰地反映典型年降水的空間分布及降水特征。從圖7可以看出，降水高值年中，南北疆降水量均呈現整體少、局部多的空間特征，均為山區降水量較平原及盆地多；降水低值年北疆西部、南疆西部降水量較多。北疆西部、北疆及南疆沿天山一帶部分地區典型年降水量較其他區域豐富，而東疆及南疆塔克拉瑪干沙漠以南地區典型年降水量較少。

考察典型年降水量在不同區域之間的差異性，結果發現(表1)，降水高值年全疆降水量相較于常規年增加47.79%，南疆增幅最高，達58.99%；北疆次之，為43.96%；東疆增幅最小，僅為9.25%。但在降水低值年，北疆降幅為29.07%；東疆和南疆降幅分別為34.15%和35.39%。從降水日數來看，不論高、低值年全疆降水日數變化幅度在20%(10 d)左右，南、北疆降水日數變化幅度也在20%左右；在降水高值年，東疆降水日數增加并不顯著，增幅僅為5.31%，但在低值年降水日數下降達21.64%。從降水強度來看，相較于常規年，高值年全疆降水強度增幅達26.83%，其中南疆增幅最大，達33.73%，其次為北疆(24.67%)，東疆最小，增幅僅為5.17%；在降水低值年，南疆降水強度降幅達16.57%，為全疆最高；東疆降幅為16.09%，北疆降幅為12.78%。整體而言，在高值年，南北疆降水強度的變化較為明顯，而在低值年，降水日數的變化更為明顯。東疆無論在高值年還是低值年，降水日數的變化相對較為明顯。

注：a.小波實部；b.小波系數模；c.小波系數模方；d.小波方差。Note: a.Real part of wavelet;b.Wavelet coefficient modules;c.Modular square of wavelet coefficients;D.Wavelet variance.圖6 1967—2017年新疆降水量小波分析Fig.6 Wavelet analysis of precipitation in Xinjiang from 1967 to 2017

圖7 1967—2017年新疆降水高值年(a)和降水低值年(b)降水量空間分布(單位：mm)Fig.7 Spatial distribution of precipitation in years of high precipitation (a) and low precipitation (b) in Xinjiang from 1967 to 2017

2.2 降水集中度與集中期特征分析

2.2.1集中度和集中期的時空分布。對新疆多年平均降水集中度和集中期進行插值，得到集中度和集中期的空間分布(圖8)。從圖8a可以看出，全疆的降水集中度總體在0.17～0.78，并呈現由南疆到北疆遞減的趨勢，表明降水的年內分配由南疆向北疆逐漸趨于均勻；南疆大部集中度在0.54以上，塔克拉瑪干沙漠周邊及山區降水集中度有明顯降低，表明南疆整體降水較為集中；北疆降水集中度在0.54以下，自南向北遞減，在阿勒泰地區降至最低值，即北疆降水分配相對較為均勻。從集中期的分布(圖8b)來看，全疆的降水集中期從西南方向東北方逐漸推遲；其中南疆降水集中期主要在6月下旬至7月上旬，東疆集中在7月上旬到中旬；北疆除伊犁外集中在7月至8月上旬，伊犁則集中于6月底，相較于北疆其他地區較早。

研究時段內新疆的降水集中度呈現明顯的波動狀態，振蕩范圍為0.20～0.60。其中，1981、2007、2013年為高值年，集中度均大于0.55，表明這3年的降水集中于年內某個時段；2006、2009、2010年為集中度的低值年，均小于0.30，表明期間降水均勻分布于年內各時段。在研究期內，有30年的集中度在>0.40～0.50，占研究時段的58.82%；集中度在0.20～0.30、>0.30～0.40、>0.50～0.60分別有3、9、9年，占比分別為5.88%、17.65%、17.65%。>0.30～0.60為集中度的主要分布區間，說明新疆降水具有明顯的季節性。結合降水集中度的線性擬合趨勢來看，新疆降水的集中度呈降低趨勢，降幅約為0.011/10 a ，表明降水在時間分布上趨于均勻化。

表1 全疆及分區降水典型年與常規年降水特征Table 1 Typical and conventional annual precipitation characteristics of precipitation across the territory and sub-region

圖8 1967—2017年新疆降水集中度(a)和降水集中期(b)的空間分布Fig.8 Spatial distribution of precipitation-concentration degree (a) and precipitation-concentration period (b) in Xinjiang from 1967 to 2017

研究時段內新疆降水的集中期也呈現明顯的波動變化，波動范圍在6月中旬到7月底。就不同時期而言，1978、2006年降水集中期在6月中旬左右，為研究時段內最早的年份；1975、1977、1989、1995、2001、2009、2016年的降水集中期均在7月下旬。總體而言，研究時段內集中降水期在6月的年份為13年，其中在6月上旬的為2年，占研究時段的3.92%，在6月下旬的有11年，占研究時段的21.57%；集中期在7月有38年，其中在7月上旬的有17年，占研究時段的33.33%，在7月中旬的有13年，占研究時段的25.49%，在7月下旬的有8年，占研究時段的15.69%。因此，新疆降水較為集中時段為7月上、中旬。從變化趨勢來看，在研究時段內新疆的降水集中期并沒有顯著的變化，即集中降水期沒有顯著的提前或延后。

分區域來看，東疆、南疆及北疆在降水集中度和集中期的年際變化差異較大(圖9)。從集中度變化來看，3個區域的波動幅度均在0.40左右，北疆及東疆呈現降低態勢，降水的年內分配趨于平均，集中度傾向率分別為-0.018/10 a、-0.027/10 a；南疆降水集中度則沒有明顯變化。從集中期變化來看，北疆及東疆呈現提前趨勢，傾向率均為-0.025 d/10 a;南疆降水集中期呈推遲態勢，傾向率為0.030 d/10 a。綜合來看，北疆降水趨于均勻，降水集中期有提前趨勢；南疆降水集中程度變化不大，但降水集中期有推遲趨勢；東疆降水年內分配趨于均勻，降水集中期提前。

2.2.2集中度與集中期周期分析。為進一步研究新疆降水集中度和降水集中期的變化態勢，對集中度和集中期進行小波分析。從降水集中度來看(圖10)，在研究時段內主要呈現4～8、7～13、11～20、25～32年的時間尺度周期；在1967—1983年以11～20年的短周期為主，1996年以后則以8～13年的短周期為主，并在研究時段內呈現顯著的短周期縮減狀態。結合降水集中度的小波系數模(圖10b)及模方(圖10c)來看，研究時段內7～13、15～20、25～32年時間尺度的周期變化明顯，周期性較強，其中以25～32年周期最為顯著，分布于整個研究時段內，呈現顯著的高低交替形態。

注：a1、b1為北疆；a2、b2為南疆；a3、b3為東疆。Note:a1 and b1 were northern Xinjiang;A2 and b2 were southern Xinjiang;A3 and b3 were eastern Xinjiang.圖9 1967—2017年分區降水集中度(a)和降水集中期(b)的時間變化Fig.9 Temporal variation of precipitation-concentration degree (a) and precipitation-concentration period (b) in the sub-region from 1967 to 2017

注：a.小波實部；b.小波系數模；c.小波系數模方；d.小波方差。Note: a.Real part of wavelet;b.Wavelet coefficient modules;c.Modular square of wavelet coefficients;D.Wavelet variance.圖10 1967—2017年新疆降水集中度小波分析Fig.10 Wavelet analysis of precipitation-concentration degree in Xinjiang from 1967 to 2017

從降水集中期來看，在研究時段內呈現4～7、7～14、9～16、23～32年的多尺度周期態勢。其中，23～32年大尺度周期占據整個研究時段，呈現集中期推遲或提前交替狀態。同時，在1970年之前，存在4～7、11～15年的小尺度周期；1970—1996年則以7～14年周期為主；1996年以后，則以9～16年為主的小尺度周期，同時周期時間尺度有所擴大。綜合來看，在研究時段內集中期最為顯著的是7～14、25～32年時間尺度的周期。其中，25～32年周期主要分布在2000年之前；7～14年周期分布于整個研究時段內，且在1977年之前呈弱變化狀態，2000年后周期性增強，并在2005—2010年達到峰值。

綜合來看，降水集中度和集中期周期在一定程度上同步。從大周期背景來看，兩者都是集中于25～32年，集中度在1975年之前及2005年以后最為顯著且在周期內均為集中度低值域；而集中期在2000年之前呈現較為顯著的提早、推遲的周期變化。從小尺度來看，集中度存在2005年以后的7～13年周期及1972年之前的15～20年周期，其中2005年后小周期呈現為嵌套于集中度降低大周期下的交替變化狀態；集中期則體現為研究時段內周期變化逐漸加強，顯著性逐漸增加態勢，其中，2005—2012年為峰值，總體呈現為嵌套于集中期交替大周期下的交替變化狀態。

3 討論

區域降水量可采用各個站點降水的均值進行計算，但在研究過程中發現，降水均值受數據極值影響嚴重。新疆面積廣大，地形地貌復雜，且區域間降水類型、成因各不相同，降水量差異較大，采用均值方法進行評價，會產生較大偏差。因此該研究通過構建泰森多邊形進行加權，并分別對全疆、北疆、南疆、東疆進行權重分析以計算面狀區域降水量。

通過對比由泰森多邊形法及算數平均法得出的結論發現，采用泰森多邊形進行新疆面狀降水評估時，加權面狀降水量相較于算數平均值算法所得面狀降水量數值較低。其成因可能為南疆氣象站點較少且分布零散，而泰森多邊形是基于站點間關系進行多邊形構建，導致南疆多邊形面積大、權重高，繼而導致全疆降水量評估時數值偏低。同時，泰森多邊形法得到的集中度值相對較高，且在研究時段內變化的幅度較大。由于研究區站點數量有限，且部分站點因數據不連續而被剔除，因此降水資料僅能代表臺站附近降水情況，無法代表整體區域，且降水插值并沒有很好地表現出降水的空間特征，如山區降水、盆地周邊降水。因此，在后續研究中，為了更加真實地體現研究區的降水特征及空間分布情況，需要繼續采用長時間序列數據進行分析同時輔以區域自動觀測站數據、數值預報數據以及相關衛星產品進行多角度綜合分析，以期更好地揭示研究區降水規律。

4 結論

該研究基于1967—2017年新疆50個氣象站點逐日降水觀測資料，系統分析了新疆降水分配及集中情況，得出以下結論：

(1)在研究時段內，新疆降水頻次空間差異明顯。北疆年降水日數在50 d以上，西部山區及北部山區達90 d，降水強度較高；南疆塔克拉瑪干沙漠年降水日數在20 d以下，其西部及北部沿天山一帶為30～50 d，降水強度在2.5 mm/d以下；東疆年降水日數在20 d以下，降水強度為1.3 mm/d。降水日數及降水強度均呈現增加趨勢，傾向率分別為1.6 d/10 a、0.075 mm/(d·10 a)。

(2)降水變異系數與多年平均降水量呈負相關，降水越多的區域，降水年際差異越小。全疆降水變異系數在0.20～0.65，呈由北向南遞增態勢。其中，天山北麓、伊犁地區及阿勒泰山區降水穩定；南疆塔克拉瑪干沙漠以北向南變異系數呈增加態勢，降水穩定性下降；東疆變異系數自東向西增加，吐魯番為東疆最大值。

(3)全疆降水集中度在0.17～0.78，呈由南疆向北疆遞減態勢，降水分配由南向北趨于均勻，且降水集中程度呈降低態勢，降幅約0.011/10 a。南疆除山區外集中度均高，北疆降水分配較均勻，東疆居中。全疆降水集中期在6月中旬至7月底、8月初，呈現西南向東北推遲，即南疆最先進入集中降水時段，其次為北疆西部、東疆，北疆北部最晚。

(4)典型年合成分析表明，南北疆在降水高值年變化明顯，表現為降水強度增加，在低值年則表現為降水日數變化更顯著；東疆在典型年表現均為降水日數更為顯著。周期分析表明，新疆降水存在顯著周期，呈現大周期背景下小周期交替態勢；現階段處于25～32年降水偏少周期，且周期性特征處于增強階段；降水集中度周期也以25～32年為主，現階段處于集中度由低向高轉變的交替過程中，周期性增強。