中国天山区域云量的变化及其与降水的关系

赵勇，崔彩霞，贾丽红，何冬燕

（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.新疆维吾尔自治区气象台，新疆乌鲁木齐 830002；3.安徽省气候中心，安徽合肥 230031）

中国天山区域云量的变化及其与降水的关系

赵勇1，崔彩霞2，贾丽红2，何冬燕3

（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.新疆维吾尔自治区气象台，新疆乌鲁木齐 830002；3.安徽省气候中心，安徽合肥 230031）

基于1961—2008年天山区域24站云量的逐日资料，使用相关和M-K检验等统计方法，分析中国天山区域云量的时空变化特征及其与降水的关系。结果表明：（1）春季、秋季和冬季，伊犁河谷以北总云量最多，夏季则在中天山和东天山的部分区域最多，低云量在夏季占总云量的比重最大；（2）区域平均总云量在春季和秋季呈减少趋势；低云量在各季节均呈增加趋势，尤其在冬季和夏季；（3）总云量的年代际变化不明显，而低云量自20世纪90年代至今，都处在高值期。（4）低云量在春季、夏季和秋季，均在20世纪90年代，而冬季在2000年左右发生了由少到多的气候突变；总云量未发生明显的气候突变。（5）总云量和低云量均和同期降水有较好的相关性。春季低云量和夏季降水，相关系数可达0.52。

总云量；低云量；降水；天山区域；气候变化

云是气候系统的内部参数，是大气垂直运动和湿度状况的综合体现，直接影响地气系统的水分循环，同时也对各种气候变化起到某种调节作用，其变化从一个特殊侧面反映气候变化。近年来，随着人们对气候变化研究日益深入，愈加认识到云这个气候系统中最复杂因素之一的重要性，开展了一些针对云量变化的研究。

目前研究云量变化，主要基于卫星资料和地面观测资料。丁守国等[1]利用ISCCP最新的D2云气候资料集，分析了总云量及高、中、低云在全球的时空特征，指出近20 a，全球总云量在减少，主要是低云和高云云量呈减少态势，而中云量增加。宜树华等[2]和刘洪利等[3]利用ISCCP资料分析了中国地区和中国西北地区云的气候特征，不同程度地揭示了总云量的分布特征。曾昭美和严中伟[4]利用1950—1988年全国60站月均云量的观测资料，研究发现东北、江淮流域云量减少最多，而南部沿海、西南地区云量增多。吴伟等[5]基于中国35°N以北地区1960—2005年333个站云量观测资料，分析发现我国北方地区云量分布形势与地形吻合较好，冬季天山以北有明显的云量大值区。总云量与降水呈正相关关系，春季相关性最好。陈少勇等[6]利用中国西北地区174个测站1961—2000年总云量资料，分析了40 a来西北地区总云量的时空变化特征，结果发现西北地区总云量从东南向西北减少，新疆北部是西北地区云量空间变化主要的异常区域之一。

虽然针对云量气候变化的研究已有一些，但是针对新疆的还较少，过去该区域的气候变化研究主要集中在降水、气温等因子[7-12]，而云作为气候变化研究的重要因子之一，有必要对其做进一步的研究。此外，随着新疆国民经济发展和人们日常生活的需要，水资源愈加短缺，已成为制约新疆持续发展的瓶颈之一，如何开发空中水，增加水资源，越加受到重视。要提高人工增雨的效益，就需要深入了解云量的时空特征。此外，已有研究表明[11]，云量可以用来预测降水，在干旱区其是否可以作为降水的预测因子呢，也需要进一步讨论。因此，本文基于天山地区测站的资料分析了这一地区总云量和低云量的时空变化特征及其与降水的联系。

2 资料与方法

本文的数据来源于新疆气象信息中心提供的1961—2008年48站逐日云量资料。在资料选取时，进行了简单的质量控制[14]，即剔除在研究时间段内任意一年的数据当中缺测超过5%的台站，基于此在天山两侧地区共选取测站24个（图1）。冬季为前一年的12月和翌年1月和2月，因此冬季时间序列长度为1961/1962—2007/2008共47 a，春季、夏季和秋季为了一致对比分析，均取为1962—2008年，也为47 a。

图1 天山地区气象站点分布

观测资料的单位为成，为了处理方便，定义满云为10成，其余情况云量成数与满云相比，取为百分数。低云是指2 500 m以下的云。将逐日资料平均处理为月均资料。云量资料观测为每天4次，分别为02、08、14和20时，取4个时次的平均为日资料。

本文用到的主要统计方法有相关、Mann-Kendall检验等，数学推导详见文献[15]。

3 天山地区云量的时空变化特征

图2 总云量的地理分布（单位：%）

3.1 气候分布

由春季总云量分布图可见（图2a），天山地区存在明显的区域差异，伊犁河谷北部最多，可达60%左右，中天山和东天山地区总云量分布相近，前者相对略少一些。夏季总云量的分布自西向东呈少—多—少—多的分布型式，中天山83°～86°E区域和92°E以东，总云量相对最多，最高可达54%，而伊犁河谷以北地区则最少，不足50%（图2b）。秋季总云量分布型和春季类似，呈西北多东南少的形势，但是较春季，总云量要少15%左右（图2c）。冬季总云量的分布也与春季类似，但是相对前者，总云量也要少10%左右（图2d）。综上可见，春、秋及冬季，伊犁河谷及以北区域，是总云量分布最多的区域，而夏季则不同，中天山及东天山的部分区域，是总云量的高值区。

由图3可见，各季节低云量的分布型和总云量相似，但云量要少得多。春季，伊犁河谷地区依然是低云量最多的区域，可达20%以上，其余区域不足15%，最少的东南部区域则在10%以下（图3a）。夏季，中天山83°～86°E区域和92°E以东，低云量最多，可达50%左右（图3b）。秋季和春季类似，但是要少一些，伊犁河谷北部最多，个别测站可达20%以上，大部分不足20%，而中天山及东天山区域，基本上在10%以下（图3c）。冬季，塔城地区的低云量最多，可达20%以上，但是其余地区很少，均不足10%，东南部地区最少，不足5%（图3d）。综上，夏季天山地区的低云量较其他季节多，这和大尺度环流背景有关。夏季，副热带西风急流位于天山上空，带走高空大量气流，由流体补偿原理，低层大气辐合上升补充，同时配合地形和地表热力因素，相对容易形成多降水的对流云系，从而夏季降水也要多于其它季节。

3.2 总云量和低云量的年际变化

春季天山地区的总云量呈减少趋势，下降幅度约为1%/10 a，可达到95%的信度检验。低云量却呈增加趋势，增加幅度略小于总云量的下降幅度，也可达到95%的信度检验，说明春季总云量的减少，主要是由于中高层云量的减少造成的。夏季总云量呈增加趋势，但不显著，基本上以年际变化为主，而夏季低云量有比较显著的增加趋势，可达到95%的信度检验。秋季总云量和春季类似，也呈减少趋势，但不显著，低云量虽呈增加趋势，同样不显著。冬季总云量和低云量均呈增加趋势，并且是显著的。综上可见，四个季节，春季和秋季，总云量减少，并且春季是显著的，夏季和冬季增多，冬季是显著的。低云量均是增多，尤其是夏季和冬季。

3.3 总云量和低云量的年代际变化

表1是天山地区四季不同年代的总云量及距平，可以看出冬季总云量在20世纪60年代偏少，而70年代偏多，80和90年代均为偏少，2000年以来，总云量相对最多。春季总云量在1960—1970年均为偏多，60年代相对最多，80年代至今，均为偏少，其中90年代相对最少，年代际变化特征明显。夏季60 和80年代总云量偏少，90年代以来，总云量偏多，其中90年代最多。秋季总云量呈较明显的年代际变化特征，60年代偏多，而70—90年代偏少，2000年以后，总云量又偏多。

表1 天山地区区域平均的各年代总云量（单位：%）及距平

图4 区域平均总云量和低云量的年际变化

相对于总云量，低云量的年代际变化特征要明显得多（表2）。冬季低云量在20世纪60—80年代偏少，而90年代至今，偏多，其中2000年后，低云量相对最多。春季低云量在60—80年代是偏少的，而90年代以后，均偏多，和冬季类似，也是2000年后，低云量最多。夏季的年代际变化和春季相似，1990年代是低云量最多的时期。秋季与前几个季节有所不同，在60—70年代，低云量偏少，自80年代至今，低云量偏多，同样在2000后，低云量最多。综上，四季低云量均呈增加的年代际变化特征，但秋季略有不同，冬季、春季和秋季，低云量在2000年后最多，而夏季是20世纪90年代最多。

3.4 总云量和低云量的突变检验

表2 天山地区区域平均的各年代低云量（单位：%）及距平

20世纪80年代后期以来，新疆出现了气候由暖干向暖湿转型的强劲信号[14]，天山地区云量是否也存在气候突变？有必要对其变化程度进行突变检验。突变检验的方法较多，本文选用Mann-Kendall方法，这种方法常用来进行气候变化的突变检验，它可以明确指出突变开始的时间，交点便是突变点的开始。

由图5a可见，自20世纪60年代以来，天山地区区域平均的春季低云量有明显的增加趋势，且在2000年以后，这种增加趋势是显著的，达到95%的显著性水平。两条曲线相交于1992年，说明春季低云量在1992年左右发生了由少到多的突变。夏季区域平均的低云量自60年代以来，也是有明显的增加趋势，在1995年后，这种趋势是显著的。两条曲线交于1990年，说明夏季低云量在1990年左右发生了由少到多的突变（图5b）。秋季区域平均的低云量自60年代以来也呈增加趋势，且在2000年以后，这种增加趋势是显著的，两条曲线交于90年左右，说明秋季天山地区低云量在1990年发生了由少到多的气候突变（图5c）。冬季区域平均的低云量自60年代以来呈增加趋势，在2004年以后，这种增加趋势是显著的，达到95%的显著性检验水平。两条曲线交于2000年左右，说明冬季低云量在2000年左右发生了由少到多的气候突变（图5d）。

总云量四个季节均呈稳态变化，没有气候突变发生。

4 天山地区云量与降水的关系

4.1 总云量、低云量和降水的相关

为了研究天山地区总云量、低云量与降水的相关情况，分季节给出总云量、低云量与降水的相关系数。由表3可见，四季总云量和低云量与降水均呈正相关关系，大部分可以通过99.9%的信度检验，冬季总云量与降水的相关系数最高，可达0.58，而夏季低云量与降水有最好的相关关系。夏季总云量与降水的相关关系相对最低，这可能是由于该区域天气主要受西风带系统控制，其它三季温度低，不易形成对流，因此系统性降水为主，而夏季对流较旺盛，配合地形，易发生局地降水，即使天空大范围有云，常是中高云，但未必有大降水。低云量与降水的相关系数基本上都要大于总云量（除冬季），说明低云对降水的贡献要大于中高云系，因此在利用空中水资源时，要根据不同季节作业。

表3 总云量和低云量与降水的相关系数

图5 低云量的气候突变检验，虚线表示95%信度水平

4.2 低云量与降水的关系

由4.1的分析可知，低云量、总云量和同期降水均有较好的相关关系。从预测的角度出发，前季的云量和后季的降水的关系如何呢？相关分析发现（图6），24站区域平均的春季低云量和夏季降水存在较好的相关关系，相关系数达到0.54，可以作为夏季降水的一个长期预报因子。其它季节的低云量和后一个季节降水的相关性均不显著。总云量与后一个季节降水的相关系数基本上要小于低云量，不显著。从表4可见，低云量存在一个较好的持续性，尤其在春季和夏季之间，相关系数可达0.52，从这个角度来说，春季低云量和夏季降水之间存在较高的相关性，与春季和夏季低云量之间较好的持续性有关。

图6 春季低云量和夏季降水的年际变化

表4 不同季节低云量之间的相关系数

5 结论

不同季节，云量的空间分布有所差异，春、秋及冬季，伊犁河谷及以北区域，是总云量分布最多的区域，中天山及东天山的部分区域，是夏季总云量的高值区，低云量的分布特点和总云量类似。夏季低云量最多，同时所占总云量比重也最大，这和夏季的环流特点有关。春季和秋季的总云量呈减少趋势，夏季和冬季的总云量呈增加趋势，但低云量均呈增加趋势，夏季和冬季尤其显著。总云量的年代际特征不如低云量明显，1990年代至今，各季节低云量处在高值期。春季、夏季和秋季在1990年代发生了气候突变，而冬季在2000年左右。总云量均为稳态变化，未发生气候突变。

总云量和低云量均和同期降水存在较好的相关关系，冬季总云量和降水有最好的相关性，而夏季低云量和降水相关性相对最好。总体来说，低云量和降水的相关性要优于总云量，对降水的贡献要大于中、高云量。相关分析表明，春季低云量和夏季降水之间有较高的相关系数，可达0.52，这和春季和夏季的低云量存在较好的持续性有关。

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The Change of Cloud Coverage in Tianshan Mountain in China and Its Relation with Precipitation

ZHAO Yong1，CUI Caixia2，JIA Lihong2，HE Dongyan3
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China；3.Anhui Climate Center，Hefei 230031，China）

Based on daily cloud coverage data at 24 stations in Tianshan Mountain area from 1961 to 2008,the spatial and temporal variation features of cloud coverage in Tianshan Mountain area were analyzed by the statistical methods,such as correlation and Mann-Kendall Test.The results showed:（1）the total cloud coverage in Yili valley and to its north was the most,but the low cloud coverage was the most in some areas of middle and eastern Tianshan mountains and the ratio between low cloud coverage and total cloud coverage was the most in summer；（2）the regional average total cloud coverage presented decreasing trend in spring and autumn,and the low cloud coverage for four seasons all presented increasing trends,especially in winter and summer；（3）the decadal variation of the total cloud coverage was not obvious,and it had been in high value period since 1990；（4）the climate jump of the low cloud coverage had occurred in spring,summer and autumn in 1990s,and in winter around 2000；（5）both of total cloud coverage and low cloud coverage had a good correlation with precipitation,especially the low cloud coverage in spring with summer precipitation and the correlation coefficient was 0.54.

total cloud cover；low cloud cover；precipitation；Tianshan mountain；climate change

P426

B

1002-0799（2013）06-0001-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.001

2013-07-24

国家科技支撑计划项目（2012BAC23B01）资助。

赵勇（1979-），男，副研究员，主要从事干旱区气候变化研究工作。E-mail：zhaoyong@idm.cn