鐘昕潔, 高宇星, 馬 凱, 張愛強(qiáng), 周成龍,4

(1.巴州氣象局, 新疆 庫爾勒 841000; 2.西安市氣象局， 陜西 西安 710000;3.塔中氣象站, 新疆 塔中841000； 4.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 新疆 烏魯木齊 830002)

塔克拉瑪干沙漠腹地降雨特征分析

鐘昕潔1, 高宇星2, 馬 凱1, 張愛強(qiáng)3, 周成龍1,4

(1.巴州氣象局, 新疆 庫爾勒 841000; 2.西安市氣象局， 陜西 西安 710000;3.塔中氣象站, 新疆 塔中841000； 4.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 新疆 烏魯木齊 830002)

[目的] 探究塔克拉瑪干沙漠腹地降雨特征，為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供支持。 [方法] 利用塔中氣象站2005—2014年4—10月的逐小時降水量資料，通過對雨強(qiáng)、降水量、雨日等綜合分析塔中地區(qū)近10 a降雨特征。 [結(jié)果] 研究區(qū)逐小時降水量和降水頻次在時次分布上具有較好的一致性，23:00至翌日8：00時為高值區(qū)，17：00到22:00為低值區(qū)；1 h雨強(qiáng)(用R1表示)，降水頻次最多是R1≤0.5 mm的降水，占總頻次的64.5%，其次是0.6 mm≤R1≤1.5 mm，但從對降水的貢獻(xiàn)率來看0.6 mm≤R1≤1.5 mm的貢獻(xiàn)率最高，占總降水量的26.4%，其次是R1≥4.6 mm；不同量級降水過程(用R表示)，0.1 mm≤R≤2 mm的降水過程發(fā)生頻次最多，R≥6.1mm降水過程對降水量貢獻(xiàn)率最大，占總降水量的52.6%；夜間為降水的易發(fā)時段；R≥6.1 mm的降水過程主要集中在5—7月，尤其多發(fā)生在6月，且有1/2發(fā)生在前半夜；5 h以下的降水占了降水總數(shù)的85.5%。 [結(jié)論] 研究區(qū)的降水主要以短時夜雨為主，近年來≥6.1 mm雨日呈增加且穩(wěn)定趨勢，因此沙漠地區(qū)有出現(xiàn)大降水的可能性。

降水; 雨強(qiáng); 持續(xù)時間; 塔克拉瑪干沙漠腹地

降水作為沙漠地區(qū)的重要水分來源，對沙丘移動和植被分布皆有影響[1]，同時對全球氣候變化響應(yīng)也十分敏感[2]。而對于降水的研究，也由過去單一地對降水量研究轉(zhuǎn)向?qū)邓?、雨日、雨?qiáng)的綜合研究。近年來眾多學(xué)者以逐日、逐小時資料為基礎(chǔ)對有關(guān)降水事件進(jìn)行分析，并獲取一定認(rèn)知[3-6]。對于塔克拉瑪干沙漠，眾多學(xué)者大都關(guān)注在水汽含量方面，崔麗娜等[7]利用2009年7月和9月塔中站的地基GPS觀測數(shù)據(jù)，給出了塔中及周邊地區(qū)可降水量的日、月分布特征；俞亞勛[8]、王寶鑒等[9]分別利用NCEP/NCAR1958—2000年和1961—2003年2.5°×2.5°格點(diǎn)再分析資料分析西北地區(qū)水汽時空分布特征后，前者認(rèn)為塔克拉瑪干沙漠的水汽含量達(dá)到40 mm以上，后者表明塔克拉瑪干沙漠地區(qū)中心年平均值超過150 mm；趙芬等[10]也認(rèn)為塔克拉瑪干沙漠中心是水汽含量高值區(qū)；楊青等[11]利用1976—2009年塔里木盆地5個探空站的實(shí)測資料，給出塔克拉瑪干沙漠腹地是水汽的低值區(qū)中心，水汽含量僅為7～8 mm?？梢钥闯?，有關(guān)塔克拉瑪干沙漠腹地水汽含量的研究目前尚存在不同的看法，而關(guān)于該地區(qū)降水的研究更鮮有報道，基于此，本研究擬利用塔中氣象站2005—2014年4—10月的塔中氣象站的逐小時長期連續(xù)降水資料對沙漠地區(qū)的降水做精細(xì)化特征分析，進(jìn)而與不同下墊面的降水以及沙漠腹地可降水量進(jìn)行對比分析，從而更直觀地體現(xiàn)沙漠腹地的降水特征。

1 資料與方法

選用塔中氣象站2005—2014年4—10月的的逐小時降水量資料，通過篩選去除缺測的降水記錄，對逐小時降雨高發(fā)時段、降水頻次和不同量級逐小時雨強(qiáng)發(fā)生頻次、雨日等進(jìn)行統(tǒng)計分析。對逐小時降水頻次的統(tǒng)計，只要該時刻內(nèi)降水大于等于0.1 mm，就認(rèn)為該小時內(nèi)有一次降水發(fā)生，然后統(tǒng)計各時次降水頻次的總和。雨強(qiáng)，又稱降雨強(qiáng)度，指單位時間的降雨量，文中雨強(qiáng)均指1 h雨強(qiáng)，現(xiàn)將1 h雨強(qiáng)(用R1表示)分為6個量級，即R1≤0.5 mm，0.6 mm≤R1≤1.5 mm，1.6 mm≤R1≤2.5 mm， 2.6 mm≤R1≤3.5 mm，3.6 mm≤R1≤4.5 mm，R1≥4.6 mm，分別統(tǒng)計各量級發(fā)生的頻次。將1 h雨強(qiáng)不同量級降水量之和占各量級降水量總和的百分比稱為各量級降水對總量級的貢獻(xiàn)率。分析不同量級降水變化特征時，按降水過程來統(tǒng)計降水量，過程降水量用R表示，現(xiàn)將該地區(qū)過程降水量分為：0.1 mm≤R≤2 mm，2.1 mm≤R≤4 mm，4.1 mm≤R≤6 mm以及R≥6.1 mm共4個量級。當(dāng)一次降水結(jié)束后6 h沒有降水發(fā)生，就認(rèn)定為該次降水結(jié)束。對不同量級降水的日變化特征分析，考慮塔中所處時區(qū)，將每日分為4個時段：上午(08：00—13：00)、下午(14：00—19：00)、前半夜(20：00—01：00)、后半夜(02：00—07：00)。雨日定義為日降水量大于等于0.1 mm的日數(shù)，如果前一日20：00(北京時，后同)到當(dāng)日20：00之間的降水量大于等于0.1 mm，就記為一個雨日，這24 h內(nèi)的降水量叫作日雨量。現(xiàn)將該地區(qū)雨日分為：0.6 mm≤雨量≤2 mm，大于等于2.1 mm≤雨量≤4 mm，4.1 mm≤雨量≤6 mm和≥6.1 mm共4個等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 逐小時降水日變化

通過逐小時累積降水量日變化(圖1)可以看出，累積降水量最多的時次是23：00，占總降水量的12.2%，最少的時次是19:00，僅占總降水量的1.2%。夜間23：00至早上08：00為降水量的高值時段，占總降水量的52.5%，17:00至22：00為降水量的低值時段，僅為總降水量的14.6%。近10 a不同年份之間相同時次降水量有很大差異，各時次的降水量有顯著的年際變化，一年之內(nèi)不同時刻的降水量差異也非常大。崔麗娜[7]利用GPS觀測數(shù)據(jù)給出了塔克拉瑪干沙漠腹地日大氣可降水量的兩個極大值出現(xiàn)在08：00和23：00，2個極小值出現(xiàn)在01：00和14：00，且最大值與最小值僅差1 mm。以上可以看出，沙漠腹地的降水量和可降水量在時次分布上具有較好的一致性，但是在降水轉(zhuǎn)化率上差異較為明顯。

由圖1可知，夜間23：00至16：00為降水易發(fā)時段，該時段累計降水頻次達(dá)到了總降水頻次的83.5%，且這一時段內(nèi)各時次降水頻次均超過了10次，其中早上06：00降水次數(shù)最多，達(dá)到了20次。17：00至22：00為降水頻次的低值區(qū)，最小值出現(xiàn)在20：00，僅有6次降水。塔克拉瑪干沙漠腹地近10 a降水頻次與降水量通過線性擬合，二者相關(guān)性不明顯(R2=0.34)，但是二者的日分布卻表現(xiàn)較為一致，因此沙漠腹地各時次降水量除和降水頻次有關(guān)外，其他因素也起到重要作用。對比唐冶[12-13]和王世杰等[14]對伊寧市和烏魯木齊市所得逐小時降水量和降水頻次日分布特征，3種不同下墊面所得結(jié)論大致相同。

圖1 研究區(qū)2005—2014年逐小時累積降水量與小時累積降水頻次日變化

2.2 雨強(qiáng)和不同量級的降水變化特征

通過對1 h雨強(qiáng)的降水量和降水頻次統(tǒng)計得到塔克拉瑪干沙漠腹地近10 a中逐小時降水共321次，降水量總和為248.1 mm。如圖2所示，1 h雨強(qiáng)，R1≤0.5 mm的累積頻次最多，共207次，占降水頻次總和的64.5%，累積降水量為45.1 mm，對降水總量的貢獻(xiàn)率為18.2%。0.6 mm≤R1≤1.5 mm累積降水71次，占降水頻次總和的22.1%，累積降水量為65.6 mm，對降水總量的貢獻(xiàn)率為26.4%。1.6 mm≤R1≤2.5 mm累積降水共19次，占降水頻次總和的5.9%，累積降水量為38.1 mm，對降水總量的貢獻(xiàn)率為15.4%。2.6 mm≤R1≤3.5 mm的降水頻次共11次，占降水頻次總和的3.4%，共產(chǎn)生降水量為31.7 mm，對降水總量的貢獻(xiàn)率為12.8%。3.6 mm≤R1≤4.5 mm和R1≥4.6 mm的累積降水頻次分別為4次和9次，分別占降水頻次總和的1.2%和2.8%，各產(chǎn)生降水量16.4和51.2 mm，對降水總量的貢獻(xiàn)率分別為6.6%和20.6%。綜上，沙漠腹地1 h雨強(qiáng)從降水頻次來看以R1≤0.5 mm為主，但0.6 mm≤R1≤1.5 mm對降水總量的貢獻(xiàn)最大。塔克拉瑪干沙漠腹地1 h最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在2005年5月15日23時，降水量達(dá)到8.5 mm，這在下墊面為沙漠的塔中地區(qū)是極其少見的。

圖2 研究區(qū)不同量級雨強(qiáng)降水量及頻次變化特征

圖3和表1給出了塔克拉瑪干沙漠腹地近10 a不同量級降水頻次的逐年變化以及各自總持續(xù)時間、總降水量的對比分布。塔中地區(qū)降水頻次以0.1 mm≤R≤2 mm過程為主，此量級的降水過程變化最為明顯，呈波浪式前進(jìn)，整體有下降趨勢，其中2006年出現(xiàn)13次，為近10 a最多，最少出現(xiàn)在2008年，僅6次，10 a共發(fā)生此過程93次，共產(chǎn)生降水量54.9 mm，平均每年9.3次，每次0.6 mm，總持續(xù)時間為191 h，平均每次持續(xù)時間為2 h。2.1 mm≤R≤4 mm和4.1 mm≤R≤6 mm這2個降水過程不同年份間存在一定的差異，其中前者共發(fā)生14次，總持續(xù)時間87 h，共產(chǎn)生降水39.1 mm，后者10 a間僅發(fā)生5次，總持續(xù)時間15 h，產(chǎn)生降水總量為23.7 mm。近10 a內(nèi)R≥6.1 mm降水過程，在2008—2010年沒有出現(xiàn)過，但2005年和2011—2013年各發(fā)生了2次此類降水過程，可見近年來有增加且穩(wěn)定的趨勢。10 a共發(fā)生這樣的過程12次，總持續(xù)時間為92 h，共產(chǎn)生降水130.4 mm，平均每年都發(fā)生1.2次，每次持續(xù)時間為7.6 h，每次產(chǎn)生降水11 mm。由此可見R≥6.1 mm的降水過程對整個沙漠降水量貢獻(xiàn)最大。

圖3 不同量級降水頻次(R,mm)的年際變化

降水量級/mm總頻次總持續(xù)時間/h總降水量/mm01≤R≤29319154921≤R≤4148739141≤R≤6515237R≥6112921304

由表2統(tǒng)計可以得到，上午，下午，前半夜和后半夜分別共出現(xiàn)降水過程30，29，33和32次，即各時間段出現(xiàn)降水過程的概率差別不大。0.1 mm≤R≤2 mm的降水過程最易發(fā)生在上午和后半夜，各出現(xiàn)25次，分別占各自時段降水頻次的83%和78%，各占此量級降水頻次的27%；2.1 mm≤R≤4 mm的降水過程最容易發(fā)生在前半夜，占此量級降水頻次的36%；4.1 mm≤R≤6 mm的降水過程在下午沒出現(xiàn)過，而夜間出現(xiàn)的概率達(dá)到該量級的80%；R≥6.1 mm的降水過程最易發(fā)生在前半夜，幾乎占到了該量級降水頻次的50%。沙漠腹地降水易發(fā)生在夜間，主要以夜雨為主，唐冶等[13]給出伊寧市小雨降水過程易發(fā)生在后半夜，中雨、大雨和暴雨易發(fā)生在前半夜；王世杰等[14]經(jīng)過統(tǒng)計得到烏魯木齊市前半夜為小雨、中雨和大雨易發(fā)時段，下午為暴雨過程易發(fā)時段。通過對比，沙漠腹地雖降水量明顯少于它們，但降水易發(fā)時段大都發(fā)生在夜間，這可能與新疆所處地形有關(guān)，張家寶等[15]指出，夜間降水次數(shù)出現(xiàn)多的原因主要是局地地形和冷空氣活動的綜合影響。上午，下午，前半夜和后半夜各自共產(chǎn)生降水量分別為47.8，54.6，90.1和55.6 mm。夜間降水的貢獻(xiàn)率最大，占總降水量的59%。

表2 研究區(qū)不同量級降水過程發(fā)生時段統(tǒng)計

注：量級、降水量、持續(xù)時間單位分別為mm，mm，h。

塔克拉瑪干沙漠腹地的降雨10 a間在4和10月僅發(fā)生6次降水過程，因此本研究主要分析5—9月各月的降水過程。從各月降水過程來看，6月為降水過程發(fā)生最多月份，9月為最少月份。通過圖4可以看出，5—9月的降水過程主要以0.1 mm≤R≤2 mm為主，分別占各月降水過程總數(shù)的82.6%，73.8%，71.0%，66.7%和77.8%。2.1 mm≤R≤4 mm的降水過程主要發(fā)生在7月，占此量級發(fā)生頻次的50%；4.1 mm≤R≤6 mm的降水過程在各月中發(fā)生的次數(shù)最少，7和9月沒有發(fā)生過此類降水。R≥6.1 mm的降水主要發(fā)生在6月，占此量級降水頻次的66.7%，8和9月沒有發(fā)生這類降水過程，因此R≥6.1 mm的降水過程主要集中在5—7月，尤其多發(fā)生在6月。

圖4 不同量級降水頻次的月變化(R單位：mm)

2.3 不同持續(xù)時間降水變化特征

圖5給出了不同持續(xù)時間降水的日變化特征，可以看出不同持續(xù)時間的降水在一日之內(nèi)表現(xiàn)出了不同的變化特征。各時刻主要還是以持續(xù)1～3 h的降水為主，其中06：00出現(xiàn)9次，為最多，23：00次多，為7次，02:00,10:00,11:00和20：00出現(xiàn)次數(shù)最少，各僅1次。隨著持續(xù)時間的增加，各時刻降水頻次明顯減少，10 a中持續(xù)時間在7 h以上的共出現(xiàn)了17次，持續(xù)10～12 h的降水共發(fā)生了6次，分別出現(xiàn)在11:00，18：00以及夜間22：00到翌日02：00，持續(xù)13～15和16 h以上的降水僅各出現(xiàn)了1次，分別發(fā)生在07:00和22：00。塔克拉瑪干沙漠腹地近10 a共124次降水過程(表3)，持續(xù)1 h的降水共54次，占降水總頻次的43.5%，持續(xù)2～5 h的降水分別占降水總頻次的19.4%，8.9%，6.5%和7.3%，5 h以下的降水占降水總數(shù)的85.5%。因此塔克拉瑪干沙漠腹地主要還是以短時降水為主。

表3 研究區(qū)不同持續(xù)時間的頻次對比

圖5 研究區(qū)不同持續(xù)時間的日變化

2.4 雨日的變化特征

表4給出了塔克拉瑪干沙漠腹地不同等級雨日的逐年變化狀況。

由表4可以看出，塔克拉瑪干沙漠腹地近10 a共有降雨日數(shù)125 d，平均每年12.5 d，年降雨日數(shù)超過15 d的分別出現(xiàn)在2005和2010年，2009年降雨日數(shù)僅7 d。大于等于0.1 mm小于等于2 mm的雨日總數(shù)為95 d，平均每年9.5 d，其中2006年和2010年有13 d，為10 a中最大，2008,2009和2014年有7 d，為10 a中最小，整體降水日數(shù)還是以此等級為主，它占到總雨日的76%。大于等于6.1 mm的雨日10 a共12 d，其中2008—2010年沒有發(fā)生這樣等級的雨日，但2011—2014年都有2 d這類較大的降水，大于等于6.1 mm的雨日有增加且穩(wěn)定的趨勢。塔克拉瑪干沙漠腹地各等級的雨日年際變化顯著，如大于等于2.1 mm小于等于4 mm和大于等于4.1 mm小于等于6 mm的降水日數(shù)，有的年份一年可以出現(xiàn)幾天，而有的一年之內(nèi)也沒有出現(xiàn)過。

表4 雨日的年變化統(tǒng)計

3 討論與結(jié)論

(1) 塔克拉瑪干沙漠腹地近10 a逐小時累積降水量和累積頻次在時次分布上具有較好的一致性，23：00至翌日08：00為高值區(qū)，17：00到22：00為低值區(qū)，但二者相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)R2為0.34，且各時次降水轉(zhuǎn)化率差異較為明顯。。

(2) 1 h雨強(qiáng)，降水頻次最多量級是R1≤0.5 mm的降水，占總頻次的64.5%，其次是0.6 mm≤R1≤1.5 mm，但從對降水的貢獻(xiàn)率來看0.6 mm≤R1≤1.5 mm的貢獻(xiàn)率最高，占總降水量的26.4%，其次是R1≥4.6 mm的降水；不同量級降水過程均有較明顯的年際差異，0.1 mm≤R≤2 mm的降水過程發(fā)生頻次最多，但從對降水量貢獻(xiàn)來看，R≥6.1 mm降水過程的貢獻(xiàn)率最大，占總降水量的52.6%。

(3) 夜間為沙漠腹地降水的易發(fā)時段，與不同下墊面對比，所得結(jié)論較為一致，這與局地地形和冷空氣活動的綜合影響有關(guān)[15]。R≥6.1 mm降水過程主要集中在5—7月，尤其多發(fā)生在6月，且有1/2發(fā)生在前半夜。

(4) 塔克拉瑪干沙漠腹地主要還是以短時降水為主，06：00出現(xiàn)頻次最多，23：00次之，其中5 h以下降水占降水總數(shù)的85.5%。

(5) 從近10 a沙漠腹地≥6.1 mm的雨日來看，有增加且穩(wěn)定的趨勢，各等級雨日年際變化顯著，有的年份一年可以出現(xiàn)幾天，而有的一年之內(nèi)也沒有出現(xiàn)過。

新疆地區(qū)降雨過程具有地域特色，其形成機(jī)制與季風(fēng)區(qū)有很大差異。塔克拉瑪干沙漠腹地近年來R≥6.1 mm的降水過程呈現(xiàn)增加趨勢。何清等[16]結(jié)合1988年塔克拉瑪干沙漠的實(shí)測資料證實(shí)沙漠腹地大暴雨存在的可能性，王敏仲等[17]總結(jié)4大云系只要進(jìn)入塔里木盆地活動，都會影響沙漠降水。而我們對于沙漠腹地較大降雨的關(guān)注和研究都較少，防災(zāi)減災(zāi)和利用氣象資源能力與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要還有很大差距。因此對該地區(qū)降水的環(huán)流形勢、動力機(jī)制和水汽來源等問題都有待進(jìn)一步的研究，以提高該地區(qū)降雨的預(yù)報準(zhǔn)確率。

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Analysis of Rainfall Variation In Hinterland of Taklamakan Desert

ZHONG Xinjie1, GAO Yuxing2, MA Kai1, ZHANG Aiqiang3, ZHOU Chenglong1,4

(1.BazhouMeteorologicalBureau,Kuerle,Xinjiang841000,China; 2.Xi’anMeteorologicalBureau,Xi’an,Shaanxi710000,China; 3.TazhongMeteorologicalStation,Tazhong,Xinjiang841000,China； 4.InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi,Xinjiang830002,China)

[Objedtive] The characteristics of precipitation in the hinterland of Taklimakan Desert were explored to provide support for the construction of ecological environment. [Methods] Based on the hourly precipitation data from April to October during 2005—2014 from Tazhong meteorological station, the rainfall intensity， precipitation and the days of precipitation, etc. were analyzed to describe the rainfall characteristics of Tazhong area. [Results] The diurnal variations of hourly precipitation and rainfall frequency were consistent in the study area. The peaks of hourly rainfall and rainfall frequency both occurred from 23:00 to 08:00, and the minimum value occurred from 17:00 to 22:00. The frequency of rainfall(represented byR1)≤0.5 mm were the most and accounted for 64.5% of all rainfall events, the following intensities were 0.6 mm≤R1≤1.5 mm andR1≥4.6 mm. The contribution of 0.6 mm≤R1≤1.5 mm was the highest and accounted for 26.4% of the total precipitation amount. In terms of the magnitude of precipitation(R), light rain or less of 0.1 mm≤R≤2 mm occurred the most, butR≥6.1 mm precipitation events had the highest contribution to the total precipitation, the value was 52.6%. The rain was more frequently occurred in night time. Moderate rain focused from May to July, especially in June, half of that occurred in the first half of night. The precipitation duration of less than or equal to 5 h accounted for 85.5%. [Conclusion] The precipitation in the study area were mainly composed of short-time night-rain. In recent years，the precipitation of ≥6.1 mm showed a trend of stable increase， so the large precipitation in desert area may be possible.

rainfall; rainfall intensity; duration; the hinterland of Taklimakan Desert

2015-11-20

2016-02-29

公益性行業(yè)(氣象)科研專項“干旱氣象科學(xué)研究—我國北方干旱致災(zāi)過程及機(jī)理”(GYHY201506001)

鐘昕潔(1989—),女(漢族),新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市人,助理工程師,主要從事公共氣象服務(wù)。E-mail:baohululdacheng@163.com。

周成龍(1986—),男(漢族),江蘇省邳州市人,碩士,工程師,主要從事沙漠氣象研究。E-mail:592432611@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.051

A

1000-288X(2016)06-0303-05

P458.1, S157.1

文獻(xiàn)參數(shù)： 鐘昕潔, 高宇星, 馬凱等.塔克拉瑪干沙漠腹地降雨特征分析[J].水土保持通報，2016,36(6)：303-307.