烏魯木齊汛期降水集中度和集中期時(shí)空變化特征

苗運(yùn)玲 ，卓芝正 ，張 軍 ，李如琦 ，楊艷玲 ，王 健 *

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002；2.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000；3.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

降水作為水資源的重要來源，是人類賴以生存和發(fā)展不可缺少的最重要物質(zhì)資源之一。受人類活動(dòng)、氣候變化等因素的影響，水資源缺乏狀況日趨嚴(yán)重，而氣候變化很大程度上決定了水資源的豐欠，隨著全球氣候變暖，加快了大氣水循環(huán)，極端天氣氣候事件不斷增加，災(zāi)害性天氣強(qiáng)度不斷增大，造成降水分布不均勻和區(qū)域生態(tài)環(huán)境不穩(wěn)定性增強(qiáng)[1-3]。《中國氣候變化藍(lán)皮書（2020）》[4]中指出：中國是全球氣候變化的敏感區(qū)，1961—2019 年，平均年降水量呈微弱的增加趨勢(shì)，平均年降水日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，極端強(qiáng)降水事件呈增加趨勢(shì)，年累計(jì)暴雨（日降水量≥50.0 mm）日數(shù)呈增多趨勢(shì)；各區(qū)域降水變化趨勢(shì)差異明顯，青藏地區(qū)呈顯著增多趨勢(shì)，西南地區(qū)呈減少趨勢(shì)，其余地區(qū)則無明顯變化。為了反映年內(nèi)總降水量非均勻分配的特征，楊遠(yuǎn)東[5]、孔峰[6]、ZHANG[7]等把月、周、候降水看成矢量，提出用降水集中度（PCD）和集中期（PCP）進(jìn)行分析。此后，國內(nèi)外眾多學(xué)者利用此方法，采用不同時(shí)間尺度對(duì)年內(nèi)降水事件的分布進(jìn)行分析[8-14]。張?zhí)煊畹萚8]得出華北東部地區(qū)降水較西部集中，集中期較晚，且均呈顯著的下降趨勢(shì)。王米雪等[9]研究表明，中國東南沿海地區(qū)PCD在空間上具有明顯地域差異，且差異不斷增強(qiáng)，PCP空間差異性大且不穩(wěn)定。劉憲鋒等[10]通過對(duì)黃土高原地區(qū)的研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)PCD自東南向西北逐漸增加，且以南北反向型分布，而PCP變化不大，主要集中在7 月中旬和下旬。

烏魯木齊位于亞歐大陸腹地、天山北坡中段，是世界上距離海洋最遠(yuǎn)的城市，屬于溫帶大陸性干旱氣候，是“一帶一路”經(jīng)濟(jì)核心城市和面向中亞的國際商貿(mào)中心。該地區(qū)水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，人均水資源為全國平均值的1/5、世界平均值的1/22，是全國30 個(gè)嚴(yán)重缺水城市之一。烏魯木齊雖擁有冰川融水、地表徑流等不同形態(tài)水資源補(bǔ)給，但降水卻是水資源重要補(bǔ)給來源，因此降水多寡直接影響水資源的豐欠。目前針對(duì)烏魯木齊降水研究，主要集中在氣候變化、極端降水、旱澇等方面研究[15-20]，而針對(duì)降水集中度和集中期研究尚未涉及。烏魯木齊5—9 月降水量占年降水量的73.0%，因此把5—9月界定為烏魯木齊汛期。受地理位置、地形和海拔高度等影響，汛期降水量在時(shí)空分布上很不均勻，極易造成旱澇災(zāi)害。為了揭示烏魯木齊汛期降水變化規(guī)律，保障安全度汛，合理存儲(chǔ)、利用水資源，本文利用1978—2020 年烏魯木齊5 個(gè)國家級(jí)氣象站汛期逐日降水資料，分析該地區(qū)汛期候尺度降水集中度和集中期時(shí)空分布特征和變化趨勢(shì)。

1 資料與方法

1.1 資料

烏魯木齊地勢(shì)起伏懸殊、南北地形差異大，地勢(shì)總體呈東北向西南逐漸增高，海拔高度490～5 445 m，高差達(dá)到4 955 m。從北到南國家級(jí)氣象站依次為米東、烏魯木齊、小渠子、達(dá)坂城、大西溝（圖1），烏魯木齊和米東位于北部平原，代表城區(qū)，達(dá)坂城位于烏魯木齊南郊，代表郊區(qū)，小渠子和大西溝地處天山山區(qū)，代表山區(qū)。各站逐日降水資料均通過新疆氣象局信息中心嚴(yán)格控制質(zhì)量，資料真實(shí)可靠。

圖1 烏魯木齊國家氣象站點(diǎn)及海拔高度（單位：m）

1.2 降水集中度（PCD）和集中期（PCP）的定義和算法

降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）是利用向量原理來定義區(qū)域降水量時(shí)間分配特征的參數(shù)，定量描述降水集中程度和集中出現(xiàn)時(shí)段。其定義公式如下：

由公式（1）、（2）可知，PCD能反映在研究時(shí)段內(nèi)各個(gè)候降水總量集中程度，取值在0.0～1.0，PCD越接近1，表示降水越集中在某一候，反之降水分布就越均勻，即不集中。PCP則是合成向量的方位角，指示出每個(gè)候降水量合成后的總體效應(yīng)，即向量合成后所指示的最大角度，表示最大候降水量出現(xiàn)在哪個(gè)時(shí)段。PCP值越大表示研究區(qū)內(nèi)測(cè)站最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間較晚，反之出現(xiàn)時(shí)間較早。

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]中的研究方法，將候降水量看成向量長度，把5—9 月降水期看成一個(gè)圓，平均分成30 候，各候按順序均勻分布，每一候相當(dāng)于12°，各候方位角對(duì)應(yīng)角度見表1。

表1 烏魯木齊汛期各候方位角/（°）

1.3 研究方法

對(duì)烏魯木齊汛期降水集中度和集中期研究主要采用線性趨勢(shì)分析、6 次多項(xiàng)式擬合、Morlet 小波分析及合成分析等方法，利用SPSS 中雙變量分析法分析汛期降水集中度和集中期與汛期降水量相關(guān)性，并對(duì)其進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)。為了得到烏魯木齊汛期降水集中度和集中期，先分別計(jì)算5 站汛期降水集中度和集中期，然后統(tǒng)計(jì)得到烏魯木齊降水集中度和集中期。

2 分析結(jié)果

2.1 汛期降水量基本特征

由圖2 可知，1978—2019 年烏魯木齊汛期多年平均降水量為233.4 mm，最大值為354.7 mm，出現(xiàn)在2007 年，最小值為 159.0 mm，出現(xiàn)在 1985 年，極差達(dá)195.7 mm，說明年際變化較大。年際變化總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，上升率為4.53 mm/10 a，但未通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，說明上升趨勢(shì)不顯著。年代際變化呈倒“V”型分布，20 世紀(jì) 80 年代末期至 21 世紀(jì)初期為降水相對(duì)偏多期，其它時(shí)期處于偏少期。從6次多項(xiàng)式擬合來看，變化趨勢(shì)總體呈單峰型分布，從2000 年左右開始逐漸下降一直持續(xù)到2013 年左右，然后呈微弱的上升趨勢(shì)，并持續(xù)到2019 年。汛期平均降水量，總體呈帶狀分布（圖2b），由西南向東北逐漸減小，最大值出現(xiàn)在大西溝（411.0 mm），最小值出現(xiàn)在達(dá)坂城（66.3 mm），達(dá)坂城站降水量僅是大西溝的1/6。不同區(qū)域降水量從大到小排序?yàn)椋荷絽^(qū)＞城區(qū)＞郊區(qū)（表2），說明區(qū)域差異顯著，即山區(qū)的降水量明顯多于城區(qū)和郊區(qū)；變化速率從高到低排序?yàn)椋ū?3）：山區(qū)＞郊區(qū)＞城區(qū)，但均未通過 0.05 顯著性水平檢驗(yàn)，說明上升/下降趨勢(shì)不顯著。

圖2 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水量年際變化趨勢(shì)（a）和空間分布（b）

表2 1978—2019 年烏魯木齊不同區(qū)域汛期降水量、降水集中度和集中期多年平均值統(tǒng)計(jì)

表3 1978—2019 年烏魯木齊不同區(qū)域汛期降水量、降水集中度和集中期變化傾向率

2.2 汛期降水集中度和集中期年際變化趨勢(shì)

從圖3 可知，1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度和集中期均呈弱的下降趨勢(shì)，表明汛期降水集中程度逐漸減弱，即降水分配趨于均勻，降水集中期逐漸提前，即最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前。降水集中度變化范圍為0.11～0.52，平均值為0.31，高于全國（0.15～0.25）[6]和北疆平均值（0.20）[12]，而低于東疆平均值（0.35）[15]；降水集中度在近42 a 中有25 a等于或低于平均值，說明這些年份降水分配比較均勻。各年代際變化幅度不大，為0.29～0.33，說明在各個(gè)年代降水集中程度較相似。從6 次多項(xiàng)式擬合來看，變化趨勢(shì)總體呈波浪型分布，即急劇下降→上升→緩慢下降→急劇上升，且這種上升趨勢(shì)一直持續(xù)到2019 年。

圖3 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）年際變化趨勢(shì)

汛期降水集中期變化范圍在第25～46 候，平均值為第34 候，其中有19 a 集中出現(xiàn)在第34～40 候，說明這些年最大候降水量出現(xiàn)較晚。年代際變化整體呈“V”型分布，最小值出現(xiàn)在20 世紀(jì)90 年代末期到21 世紀(jì)初期，說明該時(shí)期最大候降水量出現(xiàn)較早。通過6 次多項(xiàng)式擬合可知，變化趨勢(shì)呈“峰谷”型分布，即：急劇下降→上升→下降→上升→下降，且這種下降趨勢(shì)一直持續(xù)到2019 年。

2.3 汛期降水集中度和集中期空間分布

2.3.1 多年平均值空間分布

烏魯木齊汛期降水集中度空間分布與降水量空間分布大致相反（圖4a），降水集中程度是由西向東逐漸增大，且東西差異較大，最大值出現(xiàn)在汛期降水量最少的達(dá)坂城，為0.51，最小值出現(xiàn)在小渠子，僅為0.21，不及達(dá)坂城的1/2。烏魯木齊不同區(qū)域汛期降水集中度從大到小順序也與汛期降水量相反，即郊區(qū)＞城區(qū)＞山區(qū)，說明在一定程度上汛期降水量少的區(qū)域降水反而比較集中，郊區(qū)降水集中程度明顯高于城區(qū)和山區(qū)。

汛期降水集中期空間分布與集中度空間分布存在顯著差異。由圖4b 可知，以小渠子為大值中心（第37 候），逐漸向四周減小，最小值出現(xiàn)在米東（第28候），兩地差值達(dá)9 候（45 d），說明米東最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間最早，小渠子出現(xiàn)最晚。烏魯木齊不同區(qū)域汛期降水集中期從高到低排序?yàn)椋ū?）：山區(qū)＞郊區(qū)＞城區(qū)，且城區(qū)降水集中期低于平均值，說明城區(qū)最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間早于郊區(qū)和山區(qū)。

圖4 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）空間分布

綜上所述，位于烏魯木齊南郊的達(dá)坂城，由于北高南低、三面環(huán)山，呈半封閉狀態(tài)，當(dāng)受天氣系統(tǒng)影響時(shí)，因地形特殊，降水量相對(duì)其它區(qū)域小，出現(xiàn)極端降水次數(shù)也相對(duì)較少，但當(dāng)受到某次較強(qiáng)天氣系統(tǒng)影響時(shí)也會(huì)出現(xiàn)較大的降水過程，使該地降水比較集中，出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性較大。位于天山山區(qū)的小渠子和大西溝，由于海拔較高，又地處迎風(fēng)面，地形產(chǎn)生的抬升運(yùn)動(dòng)非常大，當(dāng)天氣系統(tǒng)影響時(shí)，會(huì)造成該區(qū)域降水量較大，且出現(xiàn)極端降水次數(shù)也較多；同時(shí)受局地氣候影響，午后出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣較多，出現(xiàn)降水概率也高于其它區(qū)域，故山區(qū)降水分配比較均勻，因此可以根據(jù)降水集中程度預(yù)防災(zāi)害性天氣帶來的危害。汛期降水集中期與影響的天氣系統(tǒng)和各地所處的地理位置有密切關(guān)系，米東位于烏魯木齊最北端，海拔高度較低，最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間早于其它四站，故烏魯木齊地區(qū)出現(xiàn)明顯降水過程是由北向南逐漸推進(jìn)的，因此可依據(jù)降水集中時(shí)段適時(shí)進(jìn)行汛線調(diào)整和水庫調(diào)度，保證水庫安全度汛。

2.3.2 變化趨勢(shì)空間分布

近42 a 烏魯木齊各站汛期降水集中度呈減小趨勢(shì)（圖 5a），變化速率在-0.012～-0.001/10 a，說明各站降水集中程度逐漸減弱，其中小渠子下降幅度最大，大西溝下降幅度最小，但均未通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，說明各站降水集中程度減弱不顯著。各站集中期變化趨勢(shì)與集中度一樣，也呈下降趨勢(shì)（圖5b），變化范圍在-1.98～-0.22 候/10 a，且米東通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，說明該站降水集中期下降趨勢(shì)顯著，即最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間早于其它站點(diǎn)。

圖5 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）變化趨勢(shì)空間分布

烏魯木齊不同區(qū)域汛期降水集中度和集中期均呈減小趨勢(shì)（表3），且降水集中度和集中期變化趨勢(shì)從高到低的排序一致，為：郊區(qū)＞山區(qū)＞城區(qū)。因此烏魯木齊不同區(qū)域汛期候降水集中程度呈減弱趨勢(shì)，即降水趨于均勻；降水集中期呈提前趨勢(shì)，即最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間提前，其中郊區(qū)提前顯著，城區(qū)最緩。

2.4 汛期降水集中度和集中期周期分析

利用Morlet 小波分析烏魯木齊汛期降水集中度和集中期的周期變化特征，其中降水集中度為正表示“集中”，負(fù)表示“均勻”，集中期為正表示“推遲”，負(fù)表示“提前”。烏魯木齊汛期降水集中度存在3、6、15 a 左右周期變化（圖 6a），其中 6、15 a 左右周期變化具有全域性，呈集中—均勻穩(wěn)定交替變化。15 a 周期在2019 年時(shí)等值線（正）沒有閉合，表明汛期降水正處于集中狀態(tài)。降水集中期存在4、8、12 a 左右的周期變化（圖6b），其中4 a 左右的短周期出現(xiàn)在1996 年以后，并在2019 年形成閉合（正），說明汛期降水正處在推遲階段；12 a 左右長周期變化呈推遲—提前穩(wěn)定交替變化，等值線（負(fù)）在2019年沒有形成閉合，表明汛期降水繼續(xù)維持提前狀態(tài)。

圖6 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）和集中期（b）周期分析

2.5 汛期降水集中度、集中期與汛期降水量的相關(guān)性

為了研究烏魯木齊汛期降水集中度和集中期與汛期降水量之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)分析，并繪制了相關(guān)系數(shù)空間分布圖（圖7）。烏魯木齊汛期降水集中度與降水量相關(guān)系數(shù)為-0.193，說明汛期降水量越大降水集中程度越弱；各站相關(guān)系數(shù)在-0.270～0.212，且相關(guān)性均較差，均未通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。從空間分布（圖7a）可以看出，在烏魯木齊站形成一個(gè)低值中心，然后逐漸向南增大，且城區(qū)以負(fù)相關(guān)為主，郊區(qū)和山區(qū)以正相關(guān)為主，與趙勇[12]、苗運(yùn)玲[15]研究結(jié)論不太一致，說明城區(qū)汛期降水量較大時(shí)，降水量在時(shí)間分配上比較均勻。

汛期降水集中期與降水量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.350，表明汛期降水量越大降水集中期提前越明顯。通過對(duì)各站相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)各站均呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.459～-0.041，且只有大西溝通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明大西溝降水集中期提前趨勢(shì)比其它站顯著。由圖7b 可知，以大西溝為低值區(qū)向四周增大，最大值出現(xiàn)在米東，且山區(qū)通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，說明山區(qū)降水集中期提前趨勢(shì)明顯早于城區(qū)和郊區(qū)。汛期降水集中度與集中期相關(guān)系數(shù)僅為0.121，沒有通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，表明降水集中程度對(duì)降水集中期提前（推遲）影響不顯著。

圖7 1978—2019 年烏魯木齊汛期降水集中度（a）、集中期（b）與汛期降水量相關(guān)性空間分布

2.6 多降水年和少降水年降水集中度和集中期合成分析

為了探究烏魯木齊汛期降水異常偏多和偏少年（以下簡稱“多降水年”和“少降水年”）的降水集中度和集中期分布情況，選取近42 a 中降水量異常偏多和偏少的5 a 降水集中度和集中期進(jìn)行合成分析。多降水年分別是 1988、1996、1998、2003 和 2007 年，少降水年依次是 1980、1985、1997、2010 和 2014 年。經(jīng)合成分析發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊汛期多降水年和少降水年降水集中度分別為0.29、0.34，集中期分別為第31、38 候，說明少降水年降水集中程度高于多降水年，降水集中期明顯晚于多降水年，即少降水年最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間晚于多降水年。

多降水年（圖8a）和少降水年（圖8c）降水集中度空間分布各有異同。相同之處是變化趨勢(shì)大致是自東向西逐漸減小，最大值均出在達(dá)坂城，這與汛期多年降水集中度空間分布較一致，說明達(dá)坂城在多降水年、少降水年和正常年份降水集中程度都高于其它站；不同之處是最小值出現(xiàn)站點(diǎn)不同，多降水年出現(xiàn)在烏魯木齊站，少降水年出現(xiàn)在小渠子，且烏魯木齊站、大西溝、達(dá)坂城多降水年和少降水年降水集中度差值相差較大，均超過0.11。

多降水年（圖8b）和少降水年（圖8d）降水集中期空間分布大致都是由北向南逐漸推遲的，其中少降水年空間分布與汛期多年降水集中期空間分布較相似，最大值和最小值出現(xiàn)站點(diǎn)相同，且各站少降水年均晚于多降水年，即少降水年最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間比多降水年晚；從二者差值來看，除大西溝相差較大以外（達(dá)13 候），其它站差值不超過6 候。

圖8 1978—2019 年烏魯木齊汛期多降水年降水集中度（a）、集中期（b）和少降水年降水集中度（c）、集中期（d）空間分布

因此，當(dāng)汛期降水量異常偏多且降水集中度異常偏大，出現(xiàn)局地洪澇災(zāi)害可能性就很大；反之，汛期降水量異常偏少但降水集中度異常偏大，出現(xiàn)干旱和局地短時(shí)強(qiáng)降水概率很大。因此在氣候變暖背景下，密切關(guān)注烏魯木齊汛期降水集中度和集中期變化對(duì)合理調(diào)配水資源、防范旱澇災(zāi)害具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)論與討論

（1）近42 a 烏魯木齊汛期降水集中度呈逐年下降趨勢(shì)，下降率為-0.007/10 a，即汛期降水分配趨于均勻化。降水集中期呈提前趨勢(shì)，以-1.045 候/10 a 的速率提前，即汛期最大候降水量出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前。

（2）烏魯木齊汛期降水集中度和集中期空間分布明顯不同，降水集中度是自西向東逐漸增大，最大值出現(xiàn)在降水量最少的達(dá)坂城，說明降水量越少降水越集中。降水集中期以小渠子為高值中心向四周減小，最小值出現(xiàn)在米東（第28 候），總體呈“北早南晚”空間分布特征。

（3）烏魯木齊各站汛期降水集中度與降水量的相關(guān)性較差，表明降水集中度對(duì)汛期降水量影響不顯著。各站降水集中期與降水量呈負(fù)相關(guān)，但只有大西溝通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，表明該站降水集中期提前趨勢(shì)比其它站顯著。降水集中度與集中期呈較弱的正相關(guān)，說明降水集中程度對(duì)降水集中期提前或推遲影響不顯著。

（4）通過對(duì)多降水年和少降水年降水集中度和集中期合成分析發(fā)現(xiàn)：少降水年降水集中度和集中期均大于多降水年，即少降水年降水集中程度高于多降水年，降水集中期晚于多降水年，表明在汛期降水異常偏少時(shí)降水集中度偏大，集中期偏晚，發(fā)生干旱的概率較大。從空間分布來看，多降水年和少降水年降水集中度是從西向東逐漸增大，呈“東高西低”空間分布特征；降水集中期總體呈現(xiàn)由北向南逐漸推遲的態(tài)勢(shì)，即“北早南晚”分布特征。

通過對(duì)烏魯木齊汛期候尺度降水集中度和集中期時(shí)空特征及變化規(guī)律分析，進(jìn)一步揭示了該地區(qū)汛期降水的氣候變化特性，為氣象部門進(jìn)行氣候診斷和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)為水利、農(nóng)牧業(yè)等部門提早應(yīng)對(duì)旱澇提供了科學(xué)性的指導(dǎo)。