李勝楠,高 婧,宋 佳,黃玖君,王小剛
(1.額敏縣氣象局,新疆 額敏834600;2.沙灣縣氣象局,新疆 沙灣833003;3.庫爾勒市氣象局,新疆 庫爾勒841000)
降水是重要的氣象要素,是一個地區(qū)氣候變化最直接、最敏感的因素,也是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著全球氣候變暖,氣溫的上升促使水循環(huán)加速[2-3],從而導(dǎo)致降水增加[4]。降水日變化特征的研究已經(jīng)成為當(dāng)前氣候研究領(lǐng)域的一個熱點,它對理解降水形成機理,評估區(qū)域氣候特征和改進(jìn)數(shù)值模式預(yù)報能力等方面有重要作用[5-7]。世界氣候研究計劃(WCRP)在2005年將降水日變化特征的研究確立為需要特別重視和關(guān)注的科學(xué)問題[8]。
早在20世紀(jì)初期有關(guān)降水日變化特征的研究就已開展[9]。隨后,國內(nèi)外學(xué)者都開展了大量的研究工作[10-11]。從全國來看,Yu等[12]利用1991—2004年中國臺站自記降水資料,分析中國大陸夏季降水日變化特征,指出中國夏季降水日變化具有明顯的區(qū)域性,青藏高原及其東部地區(qū)在午夜和凌晨達(dá)到降水極值,華南和東北地區(qū)降水日峰值出現(xiàn)在下午,長江中游地區(qū)的最大降水量出現(xiàn)在清晨,而江淮、黃淮地區(qū)則在清晨及午后呈現(xiàn)雙峰特征。從自然地理分區(qū)來看,東北地區(qū),楊森等[13]指出遼寧省夏季降水日變化中沿海站降水最大值出現(xiàn)在04—08時,內(nèi)陸站點的日變化表現(xiàn)出雙峰值的形式,14—20時為降水最大值出現(xiàn)時間,其原因分別是海陸風(fēng)和熱對流。華北地區(qū),He等[14]指出燕山—太行山一帶暖季日降水峰值經(jīng)常發(fā)生在中午和下午,北方草原峰值在夜間和凌晨。Yu等[15]進(jìn)一步分析華東地區(qū)降水持續(xù)性與降水日變化之間的關(guān)系,指出長持續(xù)性降水的峰值大多位于夜間和清晨,短持續(xù)性降水的極大值多出現(xiàn)在下午或傍晚。西南地區(qū)由王夫常[16]等指出,其降水“夜雨”特征明顯,但存在午后次峰值,且區(qū)域差異顯著,降水頻次和降水強度亦存在明顯日變化。呂炯[17]利用川西氣象站自記降水30 a的觀測資料分析了“巴山夜雨”的特征。西北地區(qū),Sun等[18]通過常規(guī)統(tǒng)計方法研究表明西安市夏季降水日峰值出現(xiàn)在下午至傍晚,累計降水頻次則呈現(xiàn)雙峰型分布。以上各地區(qū)的降水日變化研究相對較多也較為成熟。
對于西北地區(qū)的新疆來說,朱小凡等[19]分析了2008—2013年新疆夏季降水的日變化特征,結(jié)果表明全區(qū)白天和夜間降水量空間特征基本一致,山區(qū)降水量明顯大于盆地,北疆降水量大于南疆地區(qū)。山區(qū)降水峰值主要集中在18:00—23:00,盆地區(qū)域的峰值時間多集中于 0:00—5:00。趙勇等[20]指出新疆北部夏季強降水呈增多、增強趨勢,天山山區(qū)和伊犁河谷尤為明顯。黃秋霞等[21]分析伊犁河谷夏季降水日變化,表明伊犁河谷夏季的降水主要發(fā)生在夜間,且以短時降水為主,降水量高值區(qū)主要集中在21:00—次日08:00。伊寧市主汛期降水主要以夜雨為主,主要集中在22:00—次日09:00,并以3 h的短時間降水貢獻(xiàn)率最大[22]。新疆昌吉市主汛期降水以夜雨為主,最大值出現(xiàn)在00:00[23]。對于南疆地區(qū),趙克明等[24]分析了喀什市近20 a降水的日變化特征,周雪英等[25]利用1960—2011年逐日降水資料分析了南疆巴州巴音布魯克山區(qū)日降水的變化趨勢和突變特征。新疆地區(qū)整體降水量較其他地區(qū)少,而相對于整個新疆,南疆地區(qū)受天山、昆侖山、塔克拉瑪干沙漠等影響其降水量更少,因此,對降水日變化方面的研究相對匱乏。庫爾勒相對于北疆、南疆西部各地區(qū),其受地理位置影響,降水天氣系統(tǒng)無論是從北向南移動,還是從西向東移動,其降水日變化特征均較難把控。
本文在前人的研究基礎(chǔ)上,利用新疆巴州庫爾勒夏季主汛期(5—8月)降水資料,分析庫爾勒市降水日變化,為今后降水預(yù)報中對理解天氣氣候發(fā)展演變規(guī)律提供有力幫助,為有針對性的氣象服務(wù)提供決策依據(jù),為庫爾勒精細(xì)化預(yù)報提供一定的理論依據(jù),同時也為南疆地區(qū)降水日變化研究提供一些參考。
庫爾勒市,位于新疆維吾爾自治區(qū)中部,85°14′10″~86°34′21″E、41°10′48″~42°21′36″N,北倚天山支脈霍拉山,南距“死亡之?!笔澜绲诙笊衬死敻缮衬本€距離僅70 km。庫爾勒屬暖溫帶大陸性干旱氣候,降水量稀少,蒸發(fā)量大,光熱資源豐富,總?cè)照諗?shù)2990 h,無霜期平均210 d,年平均氣溫11.4℃,年平均降水量56.6 mm,主導(dǎo)風(fēng)向東北風(fēng)。
本文數(shù)據(jù)選取2010—2016年主汛期(5—8月)的數(shù)據(jù)資料,用于研究庫爾勒市夏季降水的日變化特征,所用時間為北京時間。2010—2013年逐時降水資料是庫爾勒市氣象局降水自記紙記錄,經(jīng)過數(shù)字信息化處理后得到的逐小時降水量數(shù)據(jù),在降水自記紙?zhí)幚磉^程中,已經(jīng)對降水自記跡線和時間、自記紙的掃描、降水?dāng)?shù)據(jù)的提取等進(jìn)行了人工檢測,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。2014—2016年逐時降水資料為自動站觀測資料。
本文使用逐時降水量、逐時降水頻次、降水強度、降水晝夜分布、降水量與降水頻次和降水強度的相關(guān)性等指標(biāo),結(jié)合2010—2016年主汛期定時低云量(≥8成)來分析庫爾勒降水的日變化特征(表1)。由于2014年降水觀測改為自動站觀測,夜間不守班,因此本文低云量統(tǒng)計時限為2010—2013年,時次為 02:00、08:00、14:00、20:00。分析過程中,將小時降水量≥0.1 mm的時次定義為有降水發(fā)生。
表1 降水日變化特征指標(biāo)定義
所有數(shù)據(jù)用Excel 2013進(jìn)行統(tǒng)計、整理、計算、制圖,使用DPS 7.05軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。
2.1.1 逐時降水量的變化特征
從圖1可以看出,庫爾勒市逐小時降水量日變化呈明顯的波動性,表現(xiàn)為雙峰型特征,而且可以明顯看出庫爾勒市一日降水量存在2個高值區(qū)和多個低值區(qū),08:00—12:00 和 16:00—17:00 為降水高值區(qū)。16:00—17:00為第一峰值區(qū),降水最大值出現(xiàn)在17:00,降水量 48.2 mm,08:00—12:00 為第二峰值區(qū),降水峰值出現(xiàn)在09:00,為31.3 mm,高值區(qū)降水總量占總降水量的50.60%。降水低值區(qū)出現(xiàn)在21:00—次日 07:00,13:00—15:00 和 18:00—20:00,21:00 為降水最低值,為 4.0 mm。從降水量來看,白天較夜晚累計降水量多,為263.5 mm,占全天降水量的66.96%。
2.1.2 逐時降水頻次的變化特征
從庫爾勒市降水頻次累計日變化圖來看(圖2),降水頻次特征明顯。01:00—14:00 是降水最易發(fā)生時段,為242次,占日降水總次數(shù)的65.23%;一天中最易產(chǎn)生降水的時刻為10:00,達(dá)29次,降水頻次的最低值出現(xiàn)在17:00和20:00,都僅出現(xiàn)7次,而17:00又是累計降水量的最高值(圖1),由此可見庫爾勒主汛期降水量的多少不受降水頻次的影響。對庫爾勒市主汛期各月降水頻次分析發(fā)現(xiàn),除6月降水最易發(fā)生在 05:00—14:00 和 18:00—20:00,其他各月降水頻次高值區(qū)出現(xiàn)時間段與5—8月降水頻次相似。
圖2 庫爾勒市主汛期逐時降水頻次累計日變化
2.1.3 降水強度的變化特征
從多年降水強度日變化(圖3)來看,其變化特征與降水量累計日變化(圖1)略相似??梢钥闯?,22:00—24:00、11:00、16:00—17:00、19:00—20:00 的降水強度大于平均值,其余時次的降水強度小于平均值。降水強度高值區(qū)出現(xiàn)在 16:00—17:00,17:00降水強度最大,達(dá)到 6.9 mm/h,而 16:00—17:00 也是逐時降水量的第一峰值區(qū)(圖1),因此可以初步定論:該時段的降水量和雨強均較大;降水強度最低值出現(xiàn)在 21:00、07:00,同為 0.4 mm/h,降水量低值區(qū)也出現(xiàn)在 21:00—次日 07:00,同時 21:00 也是累計降水量的最低值(圖1)。
圖3 庫爾勒市主汛期降水強度日變化
圖4為庫爾勒市主汛期逐時降水量≥0.1 mm、≥1 mm、≥3 mm的累計出現(xiàn)頻次變化圖,從降水頻次上來看,≥0.1 mm的降水頻次有明顯波動性,22:00的降水頻次最低,為4次,從23:00—次日10:00總體呈上升趨勢,其中10:00的頻次最多,達(dá)22次,此后頻次呈下降趨勢。≥1 mm量級的頻次變化較平緩,整體變化趨勢與≥0.1 mm相似,也為先上升后下降,08:00、10:00 最大,同為 6 次,出現(xiàn)頻次最少為1次,且多個時次的降水頻次為1次,分別是21:00、23:00、01:00、14:00、19:00、20:00。在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn),≥3 mm量級出現(xiàn)次數(shù)較少,并且逐時次有出現(xiàn)0的情況,從圖中可以看出,≥3 mm量級變化趨勢較緩,在09:00達(dá)到最大,為3次。各級降水逐時頻次分布(圖4)對比逐時降水量累計日變化(圖1)和降水頻次累計日變化(圖2)發(fā)現(xiàn),其變化形式與降水頻次累計日變化大體相似,整體呈先上升后下降趨勢,且均在 09:00、10:00 達(dá)到最高值。
圖4 各級降水逐時頻次分布日變化
從各月降水量晝夜分布(圖5a)看,8月夜間降水量明顯多于白天,為66 mm,占全天降水總量的72.13%,白天降水比率為27.87%,其他各月(5、6、7月)降水量均表現(xiàn)為白天多于夜間,白天降水量占全天降水量的比率依次為64.70%、75.92%、65.29%,初步認(rèn)為庫爾勒市主汛期降水夜雨特征不明顯,主要以白天降水為主。從各月降水頻次晝夜分布圖(圖5b)來看,5、6、7、8月白天降水頻次占全天頻次的比率分別為57.14%、45.54%、53.33%、42.39%。從相關(guān)性來看,白天降水頻次占全天頻次的比率與白天降水量呈弱的負(fù)相關(guān),沒有顯著差異,相關(guān)系數(shù)為-0.152。
圖5 庫爾勒主汛期(5—8月)降水量(a)和降水頻次(b)晝夜分布
從圖 6 可以看出,02:00—08:00≥8 成低云量出現(xiàn)頻次和定時時次累計降水量變化呈一致性,均表現(xiàn)為 02:00—08:00 呈上升趨勢,到 08:00 達(dá)到最大,隨后逐漸降低。即≥8成低云量出現(xiàn)多的時次,降水量也較多??梢?,≥8成低云量影響了庫爾勒主汛期降水量日變化的多少。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),≥8成低云量出現(xiàn)頻次和定時時次累計降水量變化趨勢與逐時降水頻次(圖 2)02:00—20:00 的整體變化趨勢一致,均在08:00—10:00達(dá)到高值區(qū)。整體來看,≥8成低云量出現(xiàn)頻次多的時刻,更容易產(chǎn)生降水,且降水量較多。
從表2可以看出,逐時累計降水量與降水強度的相關(guān)性較好,通過了0.01的顯著性檢驗,但與逐時累計降水頻次相關(guān)性差,說明庫爾勒主汛期5—8月降水量受短時強降水的影響明顯。同時得出,逐時累計降水頻次與降水強度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且差異顯著。而各定時時次累計降水量與各定時時次≥8成低云量出現(xiàn)頻次有較強的相關(guān)性,通過了0.02的顯著性檢驗。
圖6 ≥8成低云量日變化
表2 逐時降水量、降水頻次、降水強度、≥8成低云量出現(xiàn)頻次的相關(guān)性
分析降水量日變化(圖1)發(fā)現(xiàn),庫爾勒降水日變化表現(xiàn)為午前、午后雙峰形式,午后峰值大于午前;降水頻次表現(xiàn)為午前多于午后;降水強度表現(xiàn)為午后強于午前,即說明午前易發(fā)生降水,但降水量小,午后出現(xiàn)降水次數(shù)雖較少,但降水強度較大。同時,整理庫爾勒主汛期(5—8月)平均空氣溫度日變化發(fā)現(xiàn),16:00—17:00 是全天溫度最高的時間段,這與午后易產(chǎn)生熱對流相符合。午后的太陽輻射強度大,地面蒸發(fā)強,易造成不穩(wěn)定的對流性降水,因此可以解釋降水最高值區(qū)出現(xiàn)在降水頻次少而降水量多的午后;對于午前降水高值區(qū)08:00—09:00,通過整理庫爾勒站點2010—2016年主汛期(5—8月)出現(xiàn)降水時刻兩分鐘平均風(fēng)向發(fā)現(xiàn),08:00—09:00出現(xiàn)風(fēng)向最多依次為ENE(東東北)、NE(東北)、E(東),結(jié)合地形圖(圖7)來看,庫爾勒位于天山支脈霍拉山的南面,庫魯克塔山的西面,呈夾角形勢,ENE(東東北)、NE(東北)、E(東)方向的風(fēng)能夠為庫爾勒帶來北方冷空氣或者焉耆盆地的濕潤空氣,同時也由于地形阻擋,以上方向帶來的濕空氣力量會被削弱,這也就解釋了08:00—09:00段降水頻次多降水量卻較少的原因。針對降水最低值21:00分析發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)風(fēng)向最多為WSW(西西南)、WNW(西西北),從地形圖上可以看出,WSW(西西南)方向的風(fēng)經(jīng)過塔里木盆地,所帶來的空氣較為干燥,而WNW(西西北)方向的風(fēng)經(jīng)過天山山脈的阻擋,濕潤的水汽無法到達(dá)庫爾勒或者水汽含量相對減弱,不易產(chǎn)生降水,因此該時刻降水量最少。
圖7 庫爾勒地理位置圖
(1)2010—2016年庫爾勒主汛期(5—8月)降水總量393.5 mm,且累計降水量高值區(qū)均出現(xiàn)在白天;降水主峰值區(qū)在16:00—17:00,次峰值區(qū)在08:00—12:00,最高值在 17:00,最低值出現(xiàn)在21:00。因此本文初步判斷庫爾勒主汛期降水量以白天累計降水為主。
(2)2010—2016年庫爾勒主汛期(5—8月)降水頻次共371次,一天中最易產(chǎn)生降水的時刻為10:00,降水頻次的最低值出現(xiàn)在 17:00 和 20:00。而降水強度在 17:00 最大,最低值出現(xiàn)在 21:00、07:00。說明午后降水較強。
(3)庫爾勒主汛期≥0.1 mm的降水出現(xiàn)頻次最多,≥3 mm出現(xiàn)頻次最少。因此可以確定,庫爾勒主汛期降水主要以微到小雨為主。同時,定時時次≥8成低云量出現(xiàn)頻次和定時時次累計降水量具有顯著的相關(guān)性;累計降水量與降水強度間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平,因此,≥8成低云量是影響庫爾勒產(chǎn)生降水多少的直接原因。