新疆北部暖季短时强降水的时空分布特征

2021-07-17李博渊赵江伟李新豫

沙漠与绿洲气象 2021年2期

李博渊，赵江伟，李新豫，王勇

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500；3.新疆生态气象与卫星遥感中心，新疆乌鲁木齐 830002）

短时强降水（Flash Heavy Rain，FHR）是强对流天气的一类，具有突发性强、持续时间短、来势迅猛等特点，常伴有雷电、大风、冰雹等灾害性天气，易造成城市内涝、山体滑坡、泥石流等灾害，严重影响农牧业生产、人民财产和生命安全，常因造成的损失重大而备受关注。2016年7月31日—8月1日新疆伊犁河谷出现极端特大暴雨，多站日雨量破历史极值，最强日降水发生在巩留县库尔德宁，达100.1 mm；此次极端暴雨具有局地性、极端性、受灾点多等特点，造成民房、农田、牲畜、交通、水利设施等巨大的损失[1-3]。

国内很多学者对不同范围FHR的时空分布做过研究，结果表明其分布具有明显的区域特性。中国总体平均FHR发生频次日变化有3个峰值，主峰在16：00—17：00，次峰在01：00—02：00，第3峰值在早晨07：00—08：00；月变化7月最为活跃，其次为8月，7月第4候最活跃[4-5]。就各区域而言，中国南方FHR日变化具有双峰特征，即早晨、午后至傍晚各有一个峰值[6-8]。西南地区和青藏高原FHR日变化具有明显的夜发特性[9-11]。西北地区东部FHR日变化呈3峰型，峰值分别出现在07：00、18：00、22：00；空间分布短时强降水集中度（Precipitationconcentration Degree，PCD）由东南向西北越来越集中，短时强降水集中期（Precipitation Concentration Period，PCP）自东向西逐步推迟[12]。内蒙古地区及冷涡背景下造成的东北、华北FHR最容易发生在午后至傍晚[13-14]。上述地区FHR月分布主要集中在7、8月；在地域分布上FHR主要发生在山前迎风坡、向风敞开的狭窄河谷或喇叭口等特殊地形附近。

新疆的气象工作者多年来对暴雨研究主要集中在大尺度环流背景、水汽来源及输送等方面[3，15-17]。近年来，随着新疆区域自动站网逐步建立，逐时气象资料在日常预报（尤其是降水资料短临预警）业务中成为不可或缺的重要资料，基于逐时降水资料的研究工作也逐步开展起来[18-22]，为预报员了解新疆夏季降水日变化特征、演变规律以及开展精细化降水预报提供支撑。同时，对FHR个例及数值模拟[1-3]、FHR过程的概念模型及环境参数特征[23-27]等也开展了一些研究，对南疆FHR研究表明，7月和8月上旬发生频繁，日变化呈明显的双峰特征，在凌晨、午后至傍晚较易发生[27]。但上述已有FHR的研究主要针对中国中东部和南疆地区，利用区域自动站资料对新疆北部FHR的研究较少，尤其是FHR时空分布。新疆北部位于中国西北部，属干旱半干旱区，地形复杂，有高山、戈壁、沙漠、湖泊等，暖季FHR频发。因此，有必要对新疆北部暖季FHR开展统计分析，探讨新疆北部FHR时空分布特征及其与地形的关系，以期为新疆短时强降水预报预警提供参考依据。

1 研究区域、资料及方法

1.1 研究区域概况

天山山脉、阿尔泰山、沙吾尔山脉及其余山脉使新疆北部形成两山夹一盆的特殊地形，除山脉和准噶尔盆地地形外，还有向西开口的伊犁河谷、塔额盆地，向东开口的博州（博尔塔拉蒙古自治州）等特殊地形（图1），以及博州赛里木湖、艾比湖和阿勒泰境内的乌伦古湖等有名湖泊。特殊的地形地貌使新疆北部降水机理复杂，为此，将天山北坡（包括塔城南部的乌苏市和沙湾县、石河子市、昌吉回族自治州、乌鲁木齐市）、伊犁（伊犁河谷）、博州、塔城北部（塔额盆地和和布克赛尔蒙古自治县）、克拉玛依市和阿勒泰地区为主要研究对象。

图1 新疆北部518个气象观测站点分布及地形

1.2 资料及方法

中国目前尚无统一的短时强降水定义标准，中央气象台和中国中东部地区气象部门均将1 h降水量≥20 mm的降水记为短时强降水。根据尺度分析和降水量与垂直速度的关系，≥10 mm/h的降水一般是由中小尺度天气系统造成的，而≥50 mm/h的降水主要是由小尺度天气系统导致[4]。根据多年的预报服务实践、暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱地区暴雨特点，结合新疆预报业务，新疆气象部门将该标准调整为1 h降水量≥10 mm[26-28]。因此，本文的短时强降水时空分布特征，按雨强≥10 mm/h进行统计分析。

采用经过新疆气象信息中心筛选、整理、检测，并剔除不完整的资料及错误资料，严格实现数据质量控制的新疆北部（范围是79°～92°E，42°～50°N）50个国家站和468个区域自动站，共518个气象观测站2013—2019年5—9月（简称“暖季”）逐时整点前1 h降水资料，筛选出雨强≥10 mm/h的短时强降水事件，运用常规统计、归一化及其异常等方法对新疆北部及各区域短时强降水的时空特征进行分析，并用PCD和PCP方法，定量分析其非均匀性。

需要说明的是，由于所用资料中人为地将降水资料整理成整点资料，这可能导致部分连续1 h超过指定阈值的降水量被划分到两个时段而未达到本文所确定的短时强降水阈值标准，因此，统计的短时强降水频率要低于实际发生的频率。

对短时强降水日变化采用归一化处理[29]。Da（n）代表归一化FHR逐时序列。定义为：

式中，Ra（n）、Ra（i）为第n时和第i时FHR发生频次，n、k取值是1、2、…、24。Da（n）为正，表示该时次的FHR发生频次大于平均频次，Da（n）值越大，表明FHR发生频次偏离程度越大，反之亦然。当Da（n）为0，表示短时强降水发生频次在该时刻为平均值。当Da（n）在任意一时刻都为0，则表示该FHR序列没有日变化特征。

短时强降水频次归一化异常[30]采用公式

参考文献[31]的分析方法，对短时强降水进行PCD和PCP的分析，表达式为

PCDi和PCPi分别为研究时段内第i年FHR频次的集中度和集中期；Ri为研究时段内第i年FHR发生总频次；rij为第i年第j旬所对应的方位角（整个研究时段的方位角设为360°）FHR发生总频次；i为年份（2013、2014、…、2019）；j是旬序（j=1、2、3、…、15）。由（3）和（4）式可知，PCD能够反映FHR频次在研究时段内各个旬的集中程度。PCD越大，说明研究时段内各个旬的短时强降水频次差异越显著，即短时强降水在年内的发生时间越集中。PCP是合成向量的方位角，表征每个旬FHR合成后的总体效应，即向量合成后重心所指示的角度，反映暖季最多FHR出现在哪一旬。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征

新疆北部暖季FHR近7 a来的年变化幅度较大（图2a）。该区FHR 2014年发生频次最少，共发生210次；2016年为新疆北部FHR发生频次的峰值年，共发生了824次，是2014年的3.9倍。2017年明显减少，为466次，2017—2019年略呈减少的趋势。这是因为2014年是超强厄尔尼诺现象的开始年份，2015年春季之后发展形成强超强厄尔尼诺事件，2016年1月开始迅速减弱[32]。庄晓翠等[33]、方国华等[34]研究表明，厄尔尼诺当年或结束年有利于新疆北部夏季降水偏多，开始年或次年有利于降水偏少。因而造成2014年新疆北部FHR发生频次异常偏少，比近7 a年平均发生频次（668次）少458次；2016年FHR发生频次异常偏多，偏多156次。

图2 近7 a暖季新疆北部FHR事件发生频次的年变化（a）和月变化（b）

新疆北部暖季FHR发生频次月际分布上呈单峰型特征（图2b），5月开始该区FHR发生频次迅速增多，6月达到峰值，之后逐月减小，9月最少。5月短时强降水发生的频次为369次，6月迅速增多，共发生1 267次；7月次之，为993次；8、9月快速减小，分别为596、114次。由近7 a新疆北部FHR旬发生频次的变化分布（图3）可知，5月FHR波动增加，下旬之后逐旬增加，至6月下旬达峰值，为545次；7月上旬至9月下旬新疆北部FHR波动减少，9月上旬最少，仅22次；呈现出迅速增多，缓慢减少的特点；与中国中东部短时强降水7月为峰值，呈现出缓慢增多、迅速减少的特点不同[4]。张家宝等[15-16]研究表明，5月副热带西风急流位于南疆、强度较弱，6月初迅速北跳增强至天山山脉，且整个夏季都维持在天山山脉附近，9月开始缓慢南撤。夏季500 hPa副热带锋区（南支）位于45°N附近；6月极锋锋区位于北欧至新疆北部（北支），7月北上至北冰洋沿岸，8月开始回到6月的位置。因此，6月新疆北部受南、北2支锋区影响，FHR发生频次明显增多；7月受南支锋区影响，全年最热，热力不稳定度最大，FHR发生仅次于6月；8月也受2支锋区影响，但热力条件差于6月，FHR发生位于第三。另外，张云惠等[35]研究表明，新疆夏季降水主要受中亚低涡影响，以6月最盛，7月次之。可见，新疆北部FHR主要发生在6—7月（占67.7%），6月下旬最多，8月明显减少。与夏季副热带西风急流的活跃、南北支锋区在北疆汇合、中亚低涡的活跃及热力条件有关。

图3 近7 a暖季新疆北部短时强降水事件发生频次的旬变化

2013—2019年暖季新疆北部FHR日变化具有明显单峰型特征（图4），FHR归一化分布图上（图4a），FHR午后开始迅速增多。归一化频次（归一化值）14：00—15：00由-0.45快速增大到0.04，16：00—23：00为0.65～1.13；峰值0.93～1.13出现在17：00—19：00，偏离的幅度达137%～167%，在峰值附近偏离程度相对平稳；峰点在19：00为1.13（图4b）。00：00—01：00由0.35迅速下降到-0.08，03：00—14：00为-0.34～-0.85，10：00为弱小峰值（-0.85）。06：00—09：00和11：00—13：00在-0.64～-0.74（图4a），偏离的幅度为-95%～-110%，在谷值附近，偏离幅度变化较平稳；谷点在08：00为-0.74（图4b）。暖季新疆北部短时强降水事件日变化归一化演变与偏离幅度的变化结果有很好的一致性，上述结论与陈春艳等[18]、李博渊等[19]研究的新疆夏季降水日变化特征的结论基本一致。新疆北部位于中高纬度，暖季昼长夜短，昼夜温差大；白天升温迅速，午后至傍晚热力不稳定最强；傍晚，山坡由于辐射降温出现山风环流，低层暖湿气流抬升触发不稳定能量；这些是新疆北部FHR午后至夜间频发的主要原因。

图4 近7 a暖季新疆北部FHR事件日变化演变归一化（a）、偏离幅度（b）

2.2 空间分布特征

暖季新疆北部短时强降水发生频次与地势分布特征匹配比较一致，近7 a来，发生频次最多的为45次，位于博州温泉县哈日布呼镇珠斯仑站，该站位于喇叭口地形附近。FHR发生频次≤10次的站点有427个，各地均有发生；发生在11～20次的站点有72个，主要分布在伊犁河谷、博州和天山北坡，其次是塔城北部，阿勒泰地区较少；＞20次的站点有17个（图5a），主要分布在伊犁河谷、博州西部、天山北坡，其它区域在研究时段内没有发生过。新疆北部各站FHR平均雨强在10.1～30.1 mm/h，因此，本文按10.1～20 mm/h和20.1～30.1 mm/h两个级别来讨论该区域平均雨强的分布特征。≤20 mm/h的站点有481个；＞20 mm/h的站点有36个，主要分布在天山北坡及其以北的北疆地区，伊犁河谷和博州发生站点较少（图5b）。FHR主要发生在沿山一带迎风坡、喇叭口地形及湖泊与陆地的交界附近，主要集中在伊犁河谷、天山北坡、向东开口的博州、向西开口的塔额盆地（塔城北部）以及阿尔泰山和沙吾尔山等地沿山一带；准噶尔盆地较少。FHR高频值均在迎风坡和喇叭口地形附近，表明特殊地形对气流的强迫抬升作用很明显。平均雨强较强的区域主要分布在天山北坡及其以北的北疆地区。

图5 近7 a暖季新疆北部FHR发生频次空间分布（a）和平均雨强（b）

2.3 气候特征

特殊的地形地貌使新疆北部降水机理复杂，为了更好地分析FHR气候特征，将新疆北部分为阿勒泰、塔城北部、博州、伊犁河谷、克拉玛依和天山北坡6个区域。近7 a暖季新疆北部短时强降水共发生3 339次，其中伊犁河谷发生最多（1 141次），天山北坡次之（956次），克拉玛依最少（62次）。但从近7 a各区域各测站FHR发生的平均站次来看，博州平均站次最多，达10.4次/站；伊犁河谷次之，为8.0次/站，克拉玛依最少，仅为2.3次/站（表1）。博州是向东开口的喇叭口地形，伊犁河谷是典型的向西开口的喇叭口地形，均有利于水汽在特殊地形附近辐合抬升。另外，博州境内有高山湖泊——赛里木湖和艾比湖，因此，该区发生FHR平均站次较多。伊犁河谷地处西风气流迎风坡，同时又是典型的向西开口的喇叭口地形，地形动力抬升作用也较强，因而FHR发生的平均站次仅次于博州。塔城北部、天山北坡、阿勒泰地区主要是迎风坡，FHR频次相对适中。克拉玛依地处塔城东部的吾尔喀什尔山背风坡和准噶尔盆地，故FHR频次最少。再次说明了新疆北部特殊地形对暖季FHR的发生起着决定性作用。

表1 近7 a暖季新疆北部各区域短时强降水统计结果

近7 a来，新疆北部各区域FHR发生频次PCD平均值的趋势和大小均不相同。新疆北部PCD平均值为0.47，说明短时强降水频次年内发生时间相对分散，博州最明显，伊犁河谷和塔城北部次之。由表2可知，阿勒泰地区FHR发生频次的PCD最大，平均值达0.76，博州最小，为0.40，伊犁河谷和塔城北部为次小，为0.48，克拉玛依和天山北坡PCD平均值分别是0.57和0.51；表明新疆北部FHR年内发生频次，最北的阿勒泰地区最集中，而喇叭口地形的博州、伊犁河谷和塔城北部相对分散，天山北坡和位于准噶尔盆地的克拉玛依相对较分散，即FHR年内集中程度由南向北、由西向东逐渐集中。

表2 近7 a新疆北部各区域平均短时强降水频次的PCD和PCP

从年变化曲线（图6a）来看，近7 a新疆北部PCD变化呈波动减少的趋势，PCD平均值2014年最大（0.64），即FHR出现时间相对集中，其它年份PCD平均值在0.36～0.47，即FHR出现时间相对分散，2018年PCD最小（0.36），说明北疆FHR年内发生频次的集中程度越来越弱。阿勒泰地区PCD为M型呈略减小的趋势，2019年最小（0.55），其它年份为0.67～0.91，2018年最大（0.91），其次是2015年，为0.89（图6b）。塔城北部PCD呈波动减少的趋势，PCD平均值2014年最大（0.66），其它年份为0.23～0.59，2018年PCD最小，为0.23（图6c）。博州PCD呈波动减少的趋势，PCD平均值2014年最大（0.66），其它年份为0.20～0.47，小于塔城北部，说明博州和塔城北部相似，尤其是2018年PCD最小，为0.20（图6d）。伊犁河谷PCD呈增大的趋势，PCD平均值2013年最小（0.22），其它年份为0.49～0.57，2015年PCD最大，为0.57（图6e）。克拉玛依PCD年际波动呈W的减小趋势，PCD平均值2016年最大（0.83），其它年份为0.31～0.69，2015、2018年PCD最小，均为0.31，是FHR发生相对最分散的年份（图6f）。天山北坡PCD呈波动增加的趋势，PCD平均值2014年最大（0.71），其它年份为0.37～0.66，2015年PCD最小，为0.37，是FHR发生相对最分散的年份（图6g）。阿勒泰、塔城北部、博州、克拉玛依FHR发生频次PCD年变化呈波动减小的趋势，说明上述区域FHR年内发生频次的集中程度越来越弱，尤其是博州。伊犁河谷和天山北坡FHR发生频次PCD年变化呈波动增多的趋势，说明这两个地区FHR年内发生频次的集中程度越来越强，尤其是伊犁河谷（图6）。

暖季新疆北部平均PCP主要在144°～180°，表明新疆北部暖季短时强降水集中发生的时间在6月中旬到7月中旬，其中伊犁河谷平均PCP最小，为144.9°，表明该区域FHR暖季集中发生的时间最早（6月中旬前后），其它区域均相对较晚；阿勒泰PCP最大（179.2°），表明该区域暖季FHR集中发生的时间最晚（7月上旬前后）。

近7 a新疆北部PCP年变化呈略有减少趋势，FHR集中期PCP在133°～191°变化，2017年6月中旬前后最小，即集中程度出现得最早，2018年7月中旬前后最大，即集中程度最晚，说明在研究时段内暖季北疆FHR集中发生的时间越来越早（图6a）。分析近7 a阿勒泰地区FHR的PCP年变化曲线（图6b）可知，PCP变化呈增加趋势，并在163°～205°变化，最小值出现在2017年7月上旬前后，最大值出现在2019年7月下旬前后，说明阿勒泰地区FHR发生集中程度呈推后的趋势。塔城北部PCP的年变化趋势与北疆类似，呈减小的趋势，其值在138°～226°变化，最小值出现在2014年7月中旬前后，最大值出现在2013年8月上旬前后（图6c），说明塔城北部FHR发生集中程度呈提前的趋势。博州PCP的年变化趋势与阿勒泰类似，呈增多的趋势，其值在112°～230°变化，最小值出现在2015年6月中旬前后，最大值出现在2018年8月中旬前后（图6d），说明博州FHR发生集中程度呈推后的趋势。伊犁河谷PCP的年变化趋势与塔城北部类似，呈减小的趋势；其值在104°～182°变化，最小值出现在2017年6月中旬前后，最大值出现在2013年7月中旬前后（图6e），说明伊犁河谷FHR年内发生集中程度呈提前的趋势。克拉玛依PCP的年变化趋势与伊犁类似，呈减小的趋势，其值在127°～216°变化，最小值出现在2018年6月中旬前后，最大值出现在2015年7月下旬前后（图6f），说明克拉玛依FHR年内发生集中程度呈提前的趋势。天山北坡PCP的年变化趋势与阿勒泰类似，呈增多的趋势，其值在115°～250°变化，最小值出现在2017年6月中旬前后，最大值出现在2018年8月上旬前后，说明天山北坡FHR年内发生集中程度呈推后的趋势（图6g）。由此可见，近7 a阿勒泰、博州和天山北坡FHR发生的PCP年变化呈增加的趋势，表明暖季FHR年内集中发生的时间越来越晚；塔城北部、伊犁河谷和克拉玛依FHR发生的PCP年变化呈减少趋势，表明暖季FHR年内集中发生的时间越来越早。