新疆伊犁河谷不同季節降水的日變化特征

楊 霞，張俊蘭，華 燁，許婷婷，張林梅

(新疆維吾爾自治區氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

引 言

降水日變化特征是當前氣候研究領域的一個熱點問題，對降水日變化特征的研究，有助于加深對降水形成機理的理解[1]，也有助于加深對影響區域氣候變化的動力和熱力過程的認識，從而進一步認識數值模式輸出結果的不確定性[2]。目前有關降水日變化特征方面的研究較多[3-6]，如研究發現中國大陸夏季降水日變化的區域性特征明顯[7-8]，且不同區域的降水日位相可能存在關聯；華北地區夏季降水量和降水頻次的日變化都存在明顯的雙峰特征[9]；西南地區夏季降水存在明顯的“夜雨”特征[10]；青藏高原中部地區夏季降水日峰值主要出現在傍晚前后，而高原以東鄰近地區則主要出現在夜間[11-12]。由于暖季是我國季風區降水的主要時段，因此目前針對降水日變化的研究也主要集中在暖季[13-14]，其他季節涉及較少。我國南方地區冷季和暖季降水的日位相存在差異，暖季降水日峰值出現時間的東西差異顯著，而冷季這一差異減小[15]。

新疆地處我國西北部，是典型的干旱半干旱地區，氣候不受東亞夏季風系統的直接影響，降水特征與我國東部季風區存在顯著差異[16-17]。受觀測資料的限制，新疆降水日變化的研究相對較少，且主要集中在夏季[18-20]。北疆地區夏季降水量的日變化呈準單峰型，南疆呈三峰型，且北疆地區逐時降水量和降水頻率均比南疆大[21]。新疆夏季逐時降水量和降水頻率的峰值山區主要出現在18:00—23:00(北京時，下同)，盆地主要出現在00:00—05:00；除南疆盆地東南部外，新疆大部地區降水的日循環與降水的持續性之間存在緊密聯系，夏季短歷時降水事件對夏季總降水量的貢獻率遠高于我國中東部地區[22]。伊犁河谷是新疆最濕潤的地區，被稱為“西域濕島”和“塞外江南”，該區域夏季降水的高發時段在夜間，持續時間為2 h的降水事件對夏季總降水量的貢獻率最高[23]；冬季降水的高發時段在上午，持續12 h以上的降水事件是伊犁河谷冬季總降水量的主要貢獻者[24]。目前，針對伊犁河谷地區降水日變化的研究相對較少，其不同季節降水的日變化特征有何差異還不清晰。本文利用2012—2019年伊犁河谷逐小時降水資料，研究該區域不同季節降水量、降水頻次和降水強度日變化的基本特征，分析伊犁河谷四季不同持續性降水事件的降水量日變化特征及其對季節內總降水量的貢獻，以期進一步加深對伊犁河谷地區不同季節降水日變化特征的理解，為精細化天氣預報和改進數值模式提供一定參考。

1 研究區概況

伊犁河谷(80°09′E—84°56′E、42°14′N—44°50′N)地勢東高西低、東窄西寬，呈喇叭型向西敞開，北、東、南三面環山。按照新疆天氣預報業務規定[16]，將伊犁河谷劃分為3個區域即西部、東部和南部山區，其中西部包括5個氣象站點(霍爾果斯、霍城、察布查爾、伊寧和伊寧縣)，海拔600～700 m；東部包括3個氣象站點(尼勒克、鞏留和新源)，海拔700～1100 m；南部山區包括2個氣象站點(昭蘇和特克斯)，海拔1200～1900 m。圖1為伊犁河谷區域地形及氣象站點分布。

圖1 伊犁河谷區域地形(陰影，單位：m)及氣象站點(圓點)分布Fig.1 The terrain (the shadow, Unit: m) and distribution of meteorological stations (the dots) in the Yili River Valley

2 資料與方法

2.1 資 料

利用2012—2019年伊犁河谷10個國家基準氣象站逐小時降水資料，首先對逐小時降水數據進行質量控制，剔除異常值和不完整資料。文中春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為當年12月至翌年2月。

2.2 小時降水量定義

小時降水量指某一整點至下個整點1 h內降水量大于等于0.1 mm的累計降水總量；若1 h降水量大于等于0.1 mm，則記1次小時降水頻次；逐時累計降水量與對應時次累計降水頻次之比為逐時平均降水強度；降水持續時間指一次降水開始時刻至降水結束時刻的小時數，當某一次降水時次之后連續2 h沒有降水發生則判定為一次持續降水結束[21]。

將伊犁河谷地區的降水按不同持續時間分為3類[1,21]，即1～6 h為短歷時降水，7～12 h為持續性降水，12 h以上為長持續性降水。

3 結果分析

3.1 降水量日變化

圖2為2012—2019年伊犁河谷不同季節累計降水量日變化。可以看出，伊犁河谷春季、夏季和冬季累計逐時降水量的日變化呈單峰型，秋季呈雙峰型。春季，伊犁河谷逐時降水量的高值時段主要出現在08：00—12：00，10：00降水量最大(162.4 mm)；低值時段主要出現在14：00—17：00，16：00降水量最小(74.4 mm)。夏季降水量高值時段出現在19：00—24：00，22：00降水量最大(213.4 mm)；低值時段主要出現在12：00—17：00，15：00降水量最小(79.6 mm)。秋季降水量的兩個峰值分別出現在12：00(128.2 mm)和23：00(102.8 mm)，谷值分別出現在07：00(82.8 mm)和19：00(82.1 mm)。冬季降水量高值出現在01：00—14：00，10：00達到最大(89.8 mm)；低值時段出現在15：00—24：00，17：00達到最小值(45.2 mm)。綜上可知，伊犁河谷四季累計逐時降水量最小值的出現時間相對集中(15：00—19：00)；而最大值的出現時間存在明顯季節差異，春季、秋季和冬季的最大值都出現在上午；而夏季卻出現在前半夜。此外，夏季降水量峰值和谷值的差距為四季中最大，夏季累計逐時降水量從谷值增大到峰值的速率明顯快于從峰值減小到谷值的速率，這主要與夏季對流系統較活躍，常出現短時強降水天氣有關。

圖2 2012—2019年伊犁河谷春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)累計降水量日變化Fig.2 The diurnal variation of accumulated precipitation in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Yili River Valley during 2012-2019

圖3為2012—2019年伊犁河谷不同季節逐時平均降水量峰值及其出現時間的空間分布。可以看出，春季和夏季伊犁河谷逐時平均降水量最大峰值均出現在昭蘇站，分別為4.1 mm和7.2 mm，最小峰值出現在霍城站，分別為1.3 mm和1.8 mm；秋季伊犁河谷各站逐時平均降水量最大峰值出現在新源和昭蘇兩站，均為2.4 mm，最小峰值出現在霍爾果斯站，為1.4 mm；冬季伊犁河谷逐時平均降水量最大峰值出現在伊寧縣站，為1.8 mm，最小峰值出現在昭蘇和特克斯站，均為0.6 mm。從伊犁河谷不同季節逐時平均降水量峰值來看，除伊寧縣和新源兩站春季最大外，其余8站都是夏季最大。此外，伊犁河谷春季、夏季和秋季逐時平均降水量峰值最大的區域都出現在南部山區，而冬季該區域卻成為伊犁河谷逐時平均降水量峰值最小的區域。伊犁河谷地區山區和平原的降水存在明顯的季節差異，夏季山區大于平原，而冬季則平原大于山區。

圖3 2012—2019年伊犁河谷不同季節逐時平均降水量峰值(左，填色，單位：mm)及其出現時間(右，箭頭)空間分布Fig.3 The distribution of the maximum value (left, the shaded, Unit: mm) and its corresponding time (right, the arrow) of mean hourly precipitation in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

伊犁河谷不同季節逐時平均降水量峰值的出現時間存在區域差異，春季伊犁河谷西部和南部山區逐時平均降水量峰值的出現時間分別在09：00—11：00、18：00，而其東部地區峰值出現時間差異較大；夏季伊犁河谷西部逐時平均降水量峰值的出現時段在19：00—21：00，南部山區昭蘇站和特克斯站分別為22：00和01：00，東部地區的差異仍然較大；秋季除霍爾果斯站外，伊犁河谷西部地區逐時平均降水量峰值出現時段集中在09：00—12：00，東部地區在12：00—13：00，南部山區2站均為23：00；冬季伊犁河谷西部地區逐時平均降水量峰值出現時間與春季類似，出現在09：00—11：00，東部3站均出現在12：00，南部山區出現在06：00—07：00。綜上所述，伊犁河谷西部地區和南部山區區內各站點逐時平均降水量峰值的出現時間在同一季節內相對集中，而東部地區在秋季和冬季較為集中，春季和夏季差異較大。

3.2 降水頻次日變化

圖4為2012—2019年伊犁河谷不同季節累計降水頻次的日變化。可以看出，春季伊犁河谷降水頻發于03：00—13：00，11個時次的累計降水頻次都超過150次；10：00累計降水頻次最多，為196.7次；15：00—22：00累計降水頻次相對較少，17：00最少，為104.7次。夏季20：00至次日07：00的降水頻次較多，22：00最多，為156.0次；12：00—17：00的降水頻次較少，15：00最少，僅為90.0次。秋季各時次累計降水頻次的差異較小，08：00—13：00的降水頻次相對較多，其中11：00最多，為164.7次；17：00—22：00降水頻次相對較少，19：00最少，為128.0次。冬季03：00—14：00的累計降水頻次較多，其中12：00最多，為202.3次；15：00—23：00累計降水頻次相對較少，20：00最少，為116.0次。綜上可知，在同一季節內，伊犁河谷累計降水頻次的日變化特征與累計降水量類似，春季、秋季和冬季累計降水頻次的高值時段和低值時段的出現時間基本一致，高值時段主要出現在清晨至上午，低值時段主要出現在下午至前半夜；夏季差異較大，累計降水頻次的高值時段主要出現在傍晚至次日清晨，低值時段主要出現在中午至午后。

圖4 2012—2019年伊犁河谷春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)累計降水頻次的日變化Fig.4 The diurnal variation of accumulated precipitation frequency in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Yili River Valley during 2012-2019

圖5為2012—2019年伊犁河谷不同季節逐時平均降水頻次峰值及其出現時間的空間分布。可以看出，春季伊犁河谷各站逐時平均降水頻次的最大峰值出現在新源站，為3.7次，最小峰值出現在霍爾果斯站，為1.8次；夏季伊犁河谷逐時平均降水頻次的最大峰值出現在昭蘇站，為5.2次，最小峰值出現在霍爾果斯站，為1.29次；秋季伊犁河谷逐時平均降水頻次的最大峰值現在新源站，為2.8次，最小峰值也出現在霍爾果斯站，為1.7次；冬季伊犁河谷各站逐時平均降水頻次的最大峰值出現在伊寧縣站，為3.46次，最小峰值出現在特克斯站，僅為1.33次。伊犁河谷各站夏季和冬季逐時平均降水頻次峰值的空間分布特征存在明顯的區域差異，夏季東部地區和南部山區大于西部地區，而冬季則與之相反。

圖5 2012—2019年伊犁河谷不同季節逐時平均降水頻次峰值(左，填色，單位：次)及其出現時間(右，箭頭)的空間分布Fig.5 The distribution of the maximum value (left, the shaded, Unit: times) and its corresponding time (right, the arrow) of the mean hourly precipitation frequency in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

伊犁河谷不同季節逐時平均降水頻次峰值的出現時間也存在區域差異，春季伊犁河谷西部和東部地區逐時平均降水頻次峰值出現在09：00—11：00，南部山區出現在20：00；夏季伊犁河谷西部地區逐時平均降水頻次峰值出現在01：00—04：00，南部山區均出現在20：00—22：00，東部地區3站的峰值出現時間差異較大；秋季伊犁河谷西部地區逐時平均降水頻次峰值的出現時間與春季類似，也出現在09：00—11：00，南部山區2站都出現在23：00，東部地區3站峰值出現時間的差異仍較大；冬季伊犁河谷西部和東部地區逐時平均降水頻次峰值出現在08：00—12：00，南部山區2站的峰值出現時間差異較大。

3.3 降水強度日變化

圖6為2012—2019年伊犁河谷不同季節逐時平均降水強度峰值及其出現時間的空間分布。可以看出，春季察布查爾站的逐時平均降水強度峰值最大(2.02 mm·h-1)，伊寧站最小(0.37 mm·h-1)；夏季霍城站的逐時平均降水強度峰值最大(2.88 mm·h-1)，昭蘇站最小(0.37 mm·h-1)；秋季霍爾果斯站的逐時平均降水強度峰值最大(1.46 mm·h-1)，尼勒克站最小(0.97 mm·h-1)；冬季霍爾果斯站的逐時平均降水強度峰值最大(0.67 mm·h-1)，昭蘇站最小(0.34 mm·h-1)。綜上可知，伊犁河谷各站的平均降水強度峰值的最大值均出現在夏季，最小值都出現在冬季。

伊犁河谷不同季節逐時平均降水強度峰值的出現時間也存在差異。春季南部山區逐時平均降水強度峰值的出現時間均為18：00，而西部和東部地區各站逐時平均降水強度峰值出現時間差異較大；夏季伊犁河谷西部逐時平均降水強度峰值的出現時間集中在20：00—21：00，東部和南部山區各站逐時平均降水強度峰值的出現時間差異較大；秋季伊犁河谷東部逐時平均降水強度峰值的出現時間集中在12：00—13：00，南部山區在12：00—16：00，西部各站逐時平均降水強度峰值的出現時間差異較大；冬季伊犁河谷西部逐時平均降水強度峰值的出現時間出現在05：00—11：00，東部出現在19：00—21：00，南部山區各站峰值的出現時間差異較大。

對比圖3、圖5和圖6可以看出，伊犁河谷春季、秋季和冬季大部分站點逐時平均降水量峰值的出現時間與逐時平均降水頻次峰值的出現時間較為一致，而夏季大部分站點逐時平均降水量峰值的出現時間則與逐時平均降水強度峰值的出現時間較為一致，說明伊犁河谷春季、秋季和冬季降水量與降水頻次的關系密切，即春、秋、冬季降水量多主要是由于降水頻次多；而夏季降水量則與降水強度的關系更為密切，降水量多主要由降水強度大造成。

圖6 2012—2019年伊犁河谷不同季節逐時平均降水強度峰值(左，填色，單位：mm·h-1)及其出現時間(右，箭頭)的空間分布Fig.6 The distribution of the maximum value (left, the shaded, Unit: mm·h-1) and its corresponding time (right, the arrow) of mean hourly precipitation intensity in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

3.4 不同持續性降水事件日變化

圖7為2012—2019年伊犁河谷不同季節不同持續時間的累計降水頻次和累計降水量的占比。可以看出，持續時間為1～6 h的短歷時降水事件在伊犁河谷四季的出現比例均最高，該類事件在四季中占各季總降水頻次的比例分別為春季81%、夏季89%、秋季76%、冬季70%；7～12 h的持續性降水事件在伊犁河谷四季的出現比例次之，該類事件在四季中占各季總降水頻次的比例分別為春季15%、夏季9%、秋季17%、冬季19%；12 h以上的長持續性降水事件在伊犁河谷四季的出現比例均最少，該類事件在四季中占各季總降水頻次的比例分別為春季4%、夏季2%、秋季7%、冬季11%。綜上可知，伊犁河谷地區四季均以短歷時降水事件為主，長持續性降水事件的出現頻次最少，短歷時降水事件在夏季的出現比例最高，長持續性降水事件在冬季的出現比例最高。

圖7 2012—2019年伊犁河谷不同季節不同持續性降水事件累計降水頻次(a)及累計降水量(b)占比Fig.7 The percentage of accumulated precipitation frequency (a) and accumulated precipitation (b) for different duration precipitation in different seasons in the Yili River Valley during 2012-2019

伊犁河谷地區春季短歷時降水、持續性降水和長持續性降水事件的降水量對春季總降水量的貢獻率分別為48%、33%和19%，夏季分別為60%、22%和18%，秋季分別為33%、36%和31%，冬季分別為31%、33%和36%。可見，伊犁河谷地區春季和夏季以短歷時降水事件和持續性降水事件為主，二者的降水量對春季和夏季總降水量的貢獻率均過80%；秋季和冬季3類降水事件降水量對季節內總降水量的貢獻率大致相當，基本上各占1/3。

綜上所述，短歷時降水事件在伊犁河谷地區四季中出現的比例最高，特別是夏季，該類事件的出現比例接近90%，且短歷時降水事件是夏季總降水量的最大貢獻者(60%)；秋季和冬季雖然仍以短歷時降水事件為主，其出現率分別為76%和70%，但該類降水事件對秋季和冬季總降水量的貢獻率僅為33%和31%，遠低于夏季。此外，由于冬季以穩定性降水為主，降水時間相對較長，因此冬季的短歷時降水事件出現率為四季中最低；而持續性降水事件和長持續性降水事件出現率為四季中最高，二者是冬季總降水量的主要貢獻者，貢獻率接近70%。

中國中東部地區及新疆地區夏季降水日循環與降水持續性聯系緊密[8,23]。為弄清伊犁河谷四季降水日循環與降水持續性是否存在聯系，分析2012—2019年伊犁河谷四季不同持續時間的降水量在不同時刻的分布特征(圖8)。可以看出，春季總降水量的主要貢獻者是持續2～8 h的降水事件，其中持續4～5 h和7～8 h的降水事件對春季總降水量的貢獻最大，上述兩個降水事件的降水量大值區均出現在10：00—12：00，與春季累計降水量日變化的峰值區相對應。持續時間小于6 h的降水事件是伊犁河谷夏季總降水量的主要貢獻者，其降水量大值區主要出現在18：00—24：00，也對應夏季累計降水量日變化的峰值區。秋季持續時間在12 h以內的降水事件對總降水量的貢獻較大，其中以持續4～5 h和8～9 h的降水事件對秋季總降水量的貢獻最大，二者降水量大值區分別出現在20：00—23：00和10：00—12：00，也分別與秋季累計降水量日變化中的兩個峰值區相對應。冬季持續4～16 h降水事件的降水量占冬季總降水量的比重較大，其中持續6～8 h的降水事件對冬季總降水量的貢獻最大，其降水量大值時段出現在04：00—12：00，與冬季累計降水量日變化中的峰值區相對應。

圖8 2012—2019年伊犁河谷春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)不同持續時間降水量在不同時刻的分布(陰影，單位：mm)及不同持續時間累計降水量(實線)Fig.8 The distribution of precipitation with different durations at different times (the shaded, Unit: mm), and cumulative precipitation with different durations (the line) in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Yili River Valley during 2012-2019

綜上所述，伊犁河谷四季降水的日循環與降水的持續性之間關系密切，春季、夏季和秋季的短歷時降水主要出現在20：00至次日02：00，持續性降水和長持續性降水主要出現在06：00—12：00；冬季3類不同持續時間的降水事件主要集中出現在04：00—12：00。伊犁河谷四季不同持續時間降水事件對各季總降水量的貢獻都呈現隨降水持續時間延長而下降的特征，春季、夏季和秋季的下降速率明顯大于冬季。

4 結 論

(1)伊犁河谷地區累計逐時降水量日變化在春季、夏季和冬季呈單峰型，秋季呈雙峰型。春季、秋季和冬季累計逐時降水量日變化的高值時段都出現在上午(10：00—12：00)，夏季則出現在前半夜(22：00)；四季累計逐時降水量日變化低值時段較統一，都出現在下午(15：00—19：00)。

(2)同一季節內累計降水頻次的日變化特征與累計降水量類似；春季、秋季和冬季累計逐時降水頻次的高發時段在清晨至上午(08：00—13：00)，低發時段在下午至晚上(15：00—23：00)；夏季的高發時段在傍晚至清晨(20：00至次日07：00)，低發時段在中午至下午(12：00—17：00)。

(3)伊犁河谷地區四季中短歷時降水事件的出現比例最高，春季和夏季該類事件的出現比例分別為81%和90%，是春季和夏季總降水量的最大貢獻者；秋季和冬季雖然仍以短歷時降水事件為主，但其對季節內總降水量的貢獻率遠低于春季和夏季，3類降水事件降水量對總降水量的貢獻率大致相當，基本上各占1/3。

(4)伊犁河谷四季降水的日循環與降水的持續性之間存在密切關系，春季持續2～8 h的降水事件是降水量日變化峰值的主要貢獻者；夏季1～4 h的短持續性降水事件是降水量日變化峰值的主要貢獻者；秋季和冬季3類不同持續時間降水事件對降水量日變化峰值的貢獻大致相等。

新疆伊犁河谷地區降水日變化存在顯著的季節差異，環流系統的演變、季風的影響、太陽輻射的季節性變化、不同季節的盛行風向和水汽供應等都會對降水日變化造成影響[1]。新疆地處歐亞大陸腹地、遠離海洋、地形地貌復雜，特殊的大氣環流和水汽條件，造成新疆與我國東部地區的降水特征存在顯著差異。本文僅對伊犁河谷四季降水日變化特征進行了統計分析，對其中的物理機制尚未觸及，今后將進一步分析造成上述差異的原因，從而加深對西北干旱區不同類型降水物理機制的理解，為數值模式改進提供參考。

DOI:10.1029/2006GL028129.

DOI:10.1029/2007GL030315.