郭玉琳， 趙 勇， 周雅蔓,3， 黃秋霞， 余貞誼,5， 顧張杰

（1.新疆阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆 阿勒泰 836500；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆昌吉回族自治州氣象局，新疆 昌吉 831100；5.江西省廬山市氣象局，江西 九江 332900）

降水日變化作為地球上天氣和氣候變化中最顯著的信號之一，具有明顯的區(qū)域差異［1-2］。對特定區(qū)域降水日變化特征的分析與研究，更能準(zhǔn)確地反映出一個區(qū)域天氣氣候發(fā)展和演變的規(guī)律，也因此成為氣象學(xué)者研究的熱點問題之一。早在20 世紀(jì)40年代，我國就開始了相關(guān)研究，呂炯［3］最早發(fā)現(xiàn)了“巴山夜雨”的日變化現(xiàn)象。21 世紀(jì)以來，宇如聰?shù)龋?］指出我國復(fù)雜的地形和海陸分布對開展降水日變化特征的相關(guān)研究更為有利。陳炯等［5］認(rèn)為，我國不同區(qū)域的中尺度對流系統(tǒng)和短時強(qiáng)降水的日變化具有不同的傳播特性和活躍時段，這很難與較大尺度的天氣系統(tǒng)環(huán)流、地勢和海陸等地理分布脫離關(guān)系。呂翔等［6］借助TRMM資料研究中南半島地區(qū)夏季降水的日變化，發(fā)現(xiàn)陸地上降水日變化的振幅和位相受地形、山脈和太陽輻射的共同影響。李德帥［7］指出華南東部的降水日變化主要受到海陸環(huán)流的作用，華南西部的降水日變化主要受山谷環(huán)流的影響。Chen等［8］提出大尺度環(huán)流和青藏高原地形的共同作用，導(dǎo)致了長江流域夜間降水的峰值。白愛娟等［9］揭示了區(qū)域降水日變化與地形之間的密切關(guān)系，發(fā)現(xiàn)傍晚前后青藏高原中部的對流系統(tǒng)有所增強(qiáng)，之后又向東傳播，到達(dá)四川盆地的時間恰好為后半夜，這就是著名的盆地“夜雨”。

新疆地處我國西北部，是極為典型的干旱、半干旱區(qū)域，不同地域的降水日變化有其獨特的氣候特征。陳春艷等［10］揭示出暖濕背景下，南、北疆范圍內(nèi)5—9 月的降水量并不是一致的東部少、西部多，很可能與新疆復(fù)雜地形下的局地氣候特征有關(guān)聯(lián)。楊霞等［11］對比烏魯木齊市冬季降雪和夏季降雨的區(qū)域差異，結(jié)果顯示城區(qū)多發(fā)冬季強(qiáng)降雪，山區(qū)則更易出現(xiàn)夏季強(qiáng)降雨。楊霞等［12］還對比發(fā)現(xiàn)了冬、夏兩季伊犁河谷累積降水頻次的高發(fā)區(qū)域存在顯著差異，夏季主要出現(xiàn)在山區(qū)，冬季則主要出現(xiàn)在平原。鄭博華等［13］發(fā)現(xiàn)喀什地區(qū)全年降水主要以后半年和上午開始的降水過程為主，并且多為短時段降水。趙戰(zhàn)成等［14］發(fā)現(xiàn)塔克拉瑪干沙漠東部邊緣各測站降雨量級以小雨頻次為主導(dǎo)頻次，最小頻次則為暴雨頻次。

以往大多研究發(fā)現(xiàn)地形是導(dǎo)致降水日變化的一個重要因子，目前針對新疆降水日變化的研究多集中在盆地或谷地，山區(qū)降水的日變化特征討論甚少。天山山區(qū)是新疆降水最為充沛的區(qū)域，已有針對該區(qū)域降水的研究大多利用日降水及以上相對較長時間尺度資料［15-17］。相對而言，小時尺度資料具有較高的時間分辨率，也更能準(zhǔn)確的反應(yīng)出降水事件的時間變化特點和發(fā)生發(fā)展的規(guī)律［18］。因此，本文基于2012—2018 年夏季（6—8 月）逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)，分析天山山區(qū)夏季降水的日變化特征，并揭示其與海拔高度的關(guān)系。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國境內(nèi)的新疆天山山區(qū)，位置介于81°08′～94°42′E，42°46′～43°53′N 之間，海拔1105.3～3539.0 m。天山橫亙于亞洲腹地，呈緯向分布，天山山系是亞洲中部最大的山系。習(xí)慣上將中國境內(nèi)的天山稱之為東天山，中亞地區(qū)的天山稱之為西天山。東天山橫亙于新疆全境，是南北疆氣候的分水嶺，東西長約1700 km，占天山山系總長度的2/3，南北寬為250～350 km，山脊平均高度在4000 m左右［19］。天山山區(qū)降水受地形和西風(fēng)環(huán)流的影響，具有“西多東少，北多南少”的特點［17,20-21］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用國家氣象信息中心提供的天山山區(qū)11 個國家氣象站點（圖1）2012—2018 年夏季（6—8月）逐小時降水資料進(jìn)行分析，研究時段內(nèi)巴里坤、天池、烏魯木齊牧試站、小渠子、巴侖臺、巴音布魯克、尼勒克、特克斯、伊吾和昭蘇10個國家氣象站無缺測數(shù)據(jù)，僅天山大西溝站異常和缺測數(shù)據(jù)不足0.001%。數(shù)據(jù)完整性較好，在使用數(shù)據(jù)前，進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，剔除了異常和缺測數(shù)據(jù)。11個國家氣象站信息見表1，其中，尼勒克、特克斯、巴里坤、伊吾和巴侖臺5個站位于1800 m以下的低海拔地區(qū)，昭蘇、小渠子、烏魯木齊牧試站、天池、巴音布魯克和天山大西溝6 個站位于1800 m 以上的高海拔地區(qū)，最低海拔為1105.3 m 處的尼勒克，最高海拔為3539.0 m處的天山大西溝。

表1 天山山區(qū)11個氣象站點信息Tab.1 Information of the 11 meteorological stations in Tianshan Mountains

圖1 天山山區(qū)11個氣象站點分布Fig.1 Distribution of the 11 meteorological stations in Tianshan Mountains

1.3 研究方法

在降水過程中，若小時降水量≥0.1 mm，則將該時次記作有降水發(fā)生［22］，基于此，統(tǒng)計分析降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度（降水量與降水頻次的比值）的日變化特征。假設(shè)一次降水發(fā)生之后連續(xù)2 h再無降水發(fā)生，以此認(rèn)定一次降水過程的結(jié)束，把一次降水事件從開始時刻到結(jié)束時刻的小時數(shù)定義為一次降水的持續(xù)時間［23］。按照降水持續(xù)時間的長短將持續(xù)性降水事件分為短時降水（1～3 h）、中時降水（4～6 h）和長時降水（＞6 h）［24］。單位時間的降雨量又被稱為降雨強(qiáng)度，根據(jù)1 h降雨量（R）的大小將降雨強(qiáng)度劃分成不同等級：微雨（0.1 mm≤R≤1.0 mm）、小雨（1.1 mm≤R≤3.0 mm）和中雨及以上（R≥3.1 mm）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計［25-27］。另外，參考崔彩霞等［28］將新疆區(qū)域按照每日09:00—20:00（北京時間，下同）作為白天，21:00—08:00 視為夜間的標(biāo)準(zhǔn)，對降水的日變化特征進(jìn)行晝夜差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水的日變化特征

2.1.1總降水的日變化基本特征 根據(jù)天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水特征量的日變化曲線（圖2），對比降水頻次和降水強(qiáng)度的日變化曲線，發(fā)現(xiàn)降水頻次和降水量的日變化曲線較為接近，說明相比降水強(qiáng)度，降水頻次對降水量日變化規(guī)律的貢獻(xiàn)要更大，這與我國西南部的降水日變化特征較為一致［29］。天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水量和總降水頻次都呈現(xiàn)夜間大于白天的分布特征，峰值都出現(xiàn)在20:00—22:00，谷值都出現(xiàn)在12:00—13:00。天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水強(qiáng)度白天整體呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的變化趨勢，夜間與之相反，高值時段大致分布在16:00—次日03:00，最高值出現(xiàn)在16:00—17:00，低值時段大約發(fā)生在04:00—15:00，最低值分別出現(xiàn)在07:00和09:00。

2.1.2不同持續(xù)時間降水事件的日變化特征 降水的日變化規(guī)律和降水的持續(xù)性關(guān)系密切［30］。圖3為3種不同持續(xù)時間降水事件年均夏季逐時累積降水特征量的日變化曲線，降水持續(xù)時間對降水各特征量的影響顯而易見，與天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水特征量的日變化（圖2）相比，不同持續(xù)時間降水事件的年均夏季逐時累積降水量和降水頻次（圖3）并非全部表現(xiàn)為夜間大于白天的分布特征。天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水量（圖2a）夜間大于白天的分布特征是由持續(xù)4～6 h的中時降水量和持續(xù)時間＞6 h的長時降水量共同作用的結(jié)果，持續(xù)時間＞6 h的長時降水頻次主導(dǎo)了天山山區(qū)夏季逐時累積總降水頻次（圖2b）夜間大于白天的分布。持續(xù)4～6 h的中時降水量峰值和谷值主導(dǎo)了總降水量的峰值和谷值，3 種不同持續(xù)時間降水頻次的峰值和谷值共同影響了總降水頻次的峰值和谷值。如圖3c所示，持續(xù)時間＞6 h的長時降水強(qiáng)度日變化起伏最為顯著，高值區(qū)大致出現(xiàn)在03:00—13:00，最高值分別出現(xiàn)在11:00 和13:00，低值區(qū)大致出現(xiàn)在14:00—次日02:00，最低值出現(xiàn)在18:00—19:00。持續(xù)時間＞6 h的長時降水強(qiáng)度與天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水強(qiáng)度（圖2c）的晝夜分布趨勢恰好相反，即持續(xù)時間＞6 h的長時降水強(qiáng)度夜間整體逐漸增強(qiáng)，白天與之相反；持續(xù)1～3 h 和持續(xù)4～6 h 的年均夏季逐時累積降水強(qiáng)度日變化波動性較不明顯。

圖3 不同持續(xù)時間降水事件年均夏季逐時累積降水特征量的日變化Fig.3 Diurnal variations of annual average summer hourly cumulative precipitation characteristics of precipitation events of different durations

2.1.3不同等級降水事件的日變化特征 降水等級對降水日變化分布特征的影響不容忽視［31］。根據(jù)降水強(qiáng)度的不同，本文對天山山區(qū)夏季降水分等級進(jìn)行分析與討論。由3種不同等級降水事件年均夏季逐時累積降水量和降水頻次的日變化曲線（圖4）可以看出，微雨、小雨和中雨及以上等級的降水量和降水頻次日變化規(guī)律性較為一致，對比天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水量（圖2a）和總降水頻次（圖2b）的日變化分布來看，3 種不同等級降水事件共同影響了天山山區(qū)年均夏季逐時累積總降水量和總降水頻次夜間大于白天、峰值出現(xiàn)在20:00—22:00、谷值發(fā)生在12:00—13:00 的日變化基本特征。

圖4 不同等級降水事件年均夏季逐時累積降水特征量的日變化Fig.4 Diurnal variations of annual average summer hourly cumulative precipitation characteristics of different precipitation category events

2.2 降水與海拔高度的關(guān)系

新疆降水多與地形密切相關(guān)，趙勇等［32］發(fā)現(xiàn)新疆北部夏季強(qiáng)降水各特征量隨著地形高度的增加，表現(xiàn)出增多或增強(qiáng)的特點，北疆冬季降水受地形影響的規(guī)律性并不明顯［33］。那么天山山區(qū)夏季降水各特征量與海拔高度的關(guān)系又將如何呢？以下將對天山山區(qū)夏季降水隨海拔高度的變化做出進(jìn)一步分析。

2.2.1逐時累積降水最大值與海拔高度的關(guān)系 由圖5 可知，年均夏季逐時累積降水量最大值和降水頻次最大值隨著海拔高度的遞增整體呈相似的振蕩特點，峰值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)，谷值都出現(xiàn)在低海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)的降水量最大值和降水頻次最大值都高于低海拔地區(qū)，即與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)更易產(chǎn)生降水量最大值和降水頻次最大值。年均夏季逐時累積降水強(qiáng)度最大值在低海拔地區(qū)隨海拔高度增加，呈一直遞減的趨勢，高海拔地區(qū)出現(xiàn)振蕩變化，峰值和谷值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)。降水量最大值和降水強(qiáng)度最大值隨著海拔高度的遞增都并非一直增加，二者峰值都出現(xiàn)在海拔1942.5 m 處，在海拔3539.0 m 反而少于1942.5 m處，這與以往研究結(jié)果［32］相一致，2000 m以上隨著海拔高度的增加，降水量最大值又開始減少，到海拔3600 m左右又有所增加，這很可能與天山地形動力作用有一定的關(guān)系［34］。

圖5 年均夏季逐時累積降水特征量最大值隨海拔高度的變化Fig.5 Variations of the maximum annual average summer hourly cumulative precipitation characteristics changing with altitude

2.2.2不同持續(xù)時間降水事件與海拔高度的關(guān)系 在3種不同持續(xù)時間的降水事件中（圖6），年均夏季逐時累積降水量和降水強(qiáng)度都以持續(xù)時間＞6 h的長時降水為主，降水頻次以持續(xù)1～3 h 的短時降水為主。持續(xù)時間＞6 h的長時降水量沿著海拔高度的遞增也并非一直增加（圖6a），變化趨勢與年均夏季逐時累積降水量最大值（圖5a）相似；3 種不同持續(xù)時間的降水量峰值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)，谷值都出現(xiàn)在低海拔地區(qū)。持續(xù)1～3 h的降水頻次沿海拔高度呈現(xiàn)雙峰型分布（圖6b），峰值分別出現(xiàn)在海拔1851.0 m 和3539.0 m 處，低值區(qū)分別出現(xiàn)在海拔1679.4～1732.4 m 和1942.5 m 處；持續(xù)4～6 h 和持續(xù)時間＞6 h的降水頻次峰值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)，谷值都出現(xiàn)在低海拔地區(qū)1728.6 m處。3種不同持續(xù)時間的降水強(qiáng)度變化趨勢并不完全相同（圖6c），以持續(xù)時間＞6 h的長時降水強(qiáng)度波動性最為顯著，持續(xù)時間＞6 h的降水強(qiáng)度和年均夏季逐時累積降水強(qiáng)度最大值（圖5c）的峰值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)1942.5 m 處。由此還可以看出，3 種不同持續(xù)時間的降水量和降水頻次峰值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)；高海拔地區(qū)持續(xù)1～3 h 的降水量和持續(xù)4～6 h 的降水頻次都多于低海拔地區(qū)，即相比低海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)多發(fā)短時降水量和中時降水頻次；持續(xù)時間＞6 h的長時降水量和降水強(qiáng)度峰值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)1942.5 m處。

圖6 不同持續(xù)時間降水事件年均夏季逐時累積降水特征量隨海拔高度的變化Fig.6 Variations of annual average summer hourly cumulative precipitation characteristics of precipitation events of different durations changing with altitude

2.2.3不同等級降水事件與海拔高度的關(guān)系 在3種不同等級降水事件中（圖7），微雨等級的年均夏季逐時累積降水量偏少，年均夏季逐時累積降水頻次以微雨等級居多。3種不同等級降水事件的降水量和降水頻次隨著海拔高度的遞增并非一直增加，最大值都出現(xiàn)在高海拔地區(qū)，最小值都出現(xiàn)在低海拔地區(qū)1728.6 m 處。其中，微雨及小雨等級降水量和降水頻次的峰值出現(xiàn)在高海拔地區(qū)3539.0 m處。低海拔地區(qū)的小雨等級降水量和降水頻次要少于高海拔地區(qū)。對比發(fā)現(xiàn)，降水量最大值（圖5a）、持續(xù)時間＞6 h的長時降水量（圖6a）和中雨及以上等級降水量（圖7a）峰值出現(xiàn)在高海拔地區(qū)1942.5 m 處的天池站，谷值都出現(xiàn)在低海拔地區(qū)1728.6 m處的伊吾站。

圖7 不同等級降水事件年均夏季逐時累積降水特征量隨海拔高度的變化Fig.7 Variations of annual average summer hourly cumulative precipitation characteristics of different precipitation category events changing with altitude

3 討論

以往不少專家就地形如何對降水日變化的物理機(jī)制產(chǎn)生影響做出過深入研究，Barros 等［35］認(rèn)為喜馬拉雅山南坡的夜間輻合由山體強(qiáng)迫產(chǎn)生的重力波與局地大氣的熱力學(xué)狀態(tài)共同產(chǎn)生。Yuan等［36］認(rèn)為青藏高原東側(cè)四川盆地和平原的夜間降水峰值受海拔較高的青藏高原與海拔較低的平原盆地構(gòu)成的大尺度“山谷風(fēng)”環(huán)流影響產(chǎn)生。He等［37］認(rèn)為山地平原渦管是造成我國華北山地-平原地區(qū)不同區(qū)域日變化特征不同的主要原因。天山山區(qū)地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，地形地貌復(fù)雜，降水日變化有其自身的氣候特點。相比以往針對天山山區(qū)的研究大多利用日降水及以上相對較長時間尺度資料，本研究基于天山山區(qū)11個國家氣象站點的逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)，對降水的日變化特征進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，對降水與海拔高度之間的規(guī)律取得了初步的認(rèn)識，但地形對降水的影響機(jī)制還不清楚。另外，本研究只考慮了海拔高度與降水之間的聯(lián)系，然而地形對降水的影響是極為復(fù)雜的，坡向、坡面、山間盆地和植被等地形因子對降水的作用也是不可忽視的。今后，需要通過數(shù)值模擬進(jìn)一步探討天山山區(qū)夏季降水日變化產(chǎn)生的物理機(jī)制，增加不同地形因子對降水影響的研究。

4 結(jié)論

本文采用新疆天山山區(qū)11 個國家氣象站2012—2018年夏季（6—8月）逐小時降水資料，基于總降水的基本特征、不同持續(xù)時間降水事件和不同等級降水事件的特征，分析了近7 a夏季天山山區(qū)降水特征量的峰值和谷值、白天（09:00—20:00）和夜間（21:00—08:00）的日變化，并揭示了海拔高度對降水的影響。主要結(jié)論如下：

（1）總降水量和總降水頻次都出現(xiàn)夜間大于白天、峰值在20:00—次日22:00、谷值在12:00—13:00的日變化基本特征。3種不同持續(xù)時間的降水頻次峰值和谷值共同影響了總降水頻次的峰值和谷值，3種不同等級的降水量和降水頻次共同主導(dǎo)了總降水量和總降水頻次的日變化基本特征?？偨邓畯?qiáng)度白天整體增強(qiáng)、夜間與之相反，高值時段大致分布在16:00—次日03:00、低值時段大約發(fā)生在04:00—15:00 的日變化基本特征，持續(xù)時間＞6 h 的降水強(qiáng)度日變化起伏最為顯著，但與總降水強(qiáng)度的日變化基本特征并不一致。

（2）降水與海拔密切相關(guān)，降水量最大值和降水強(qiáng)度最大值、持續(xù)時間＞6 h的長時降水量和降水強(qiáng)度、中雨及以上等級的降水量都在海拔2000 m左右存在一個最大降水帶；另外，與低海拔地區(qū)相比，降水量最大值和降水頻次最大值、持續(xù)1～3 h 的短時降水量和持續(xù)4～6 h 的中時降水頻次、小雨等級降水量和降水頻次都更易發(fā)生在高海拔地區(qū)。