库尔勒市主汛期降水日变化特征分析

李胜楠，高 婧，宋 佳，黄玖君，王小刚

（1.额敏县气象局，新疆 额敏834600；2.沙湾县气象局，新疆 沙湾833003；3.库尔勒市气象局，新疆 库尔勒841000）

降水是重要的气象要素，是一个地区气候变化最直接、最敏感的因素，也是水循环的重要环节[1]。随着全球气候变暖，气温的上升促使水循环加速[2-3]，从而导致降水增加[4]。降水日变化特征的研究已经成为当前气候研究领域的一个热点，它对理解降水形成机理，评估区域气候特征和改进数值模式预报能力等方面有重要作用[5-7]。世界气候研究计划（WCRP）在2005年将降水日变化特征的研究确立为需要特别重视和关注的科学问题[8]。

早在20世纪初期有关降水日变化特征的研究就已开展[9]。随后，国内外学者都开展了大量的研究工作[10-11]。从全国来看，Yu等[12]利用1991—2004年中国台站自记降水资料，分析中国大陆夏季降水日变化特征，指出中国夏季降水日变化具有明显的区域性，青藏高原及其东部地区在午夜和凌晨达到降水极值，华南和东北地区降水日峰值出现在下午，长江中游地区的最大降水量出现在清晨，而江淮、黄淮地区则在清晨及午后呈现双峰特征。从自然地理分区来看，东北地区，杨森等[13]指出辽宁省夏季降水日变化中沿海站降水最大值出现在04—08时，内陆站点的日变化表现出双峰值的形式，14—20时为降水最大值出现时间，其原因分别是海陆风和热对流。华北地区，He等[14]指出燕山—太行山一带暖季日降水峰值经常发生在中午和下午，北方草原峰值在夜间和凌晨。Yu等[15]进一步分析华东地区降水持续性与降水日变化之间的关系，指出长持续性降水的峰值大多位于夜间和清晨，短持续性降水的极大值多出现在下午或傍晚。西南地区由王夫常[16]等指出，其降水“夜雨”特征明显，但存在午后次峰值，且区域差异显著，降水频次和降水强度亦存在明显日变化。吕炯[17]利用川西气象站自记降水30 a的观测资料分析了“巴山夜雨”的特征。西北地区，Sun等[18]通过常规统计方法研究表明西安市夏季降水日峰值出现在下午至傍晚，累计降水频次则呈现双峰型分布。以上各地区的降水日变化研究相对较多也较为成熟。

对于西北地区的新疆来说，朱小凡等[19]分析了2008—2013年新疆夏季降水的日变化特征，结果表明全区白天和夜间降水量空间特征基本一致，山区降水量明显大于盆地，北疆降水量大于南疆地区。山区降水峰值主要集中在18：00—23：00，盆地区域的峰值时间多集中于 0：00—5：00。赵勇等[20]指出新疆北部夏季强降水呈增多、增强趋势，天山山区和伊犁河谷尤为明显。黄秋霞等[21]分析伊犁河谷夏季降水日变化，表明伊犁河谷夏季的降水主要发生在夜间，且以短时降水为主，降水量高值区主要集中在21：00—次日08：00。伊宁市主汛期降水主要以夜雨为主，主要集中在22：00—次日09：00，并以3 h的短时间降水贡献率最大[22]。新疆昌吉市主汛期降水以夜雨为主，最大值出现在00：00[23]。对于南疆地区，赵克明等[24]分析了喀什市近20 a降水的日变化特征，周雪英等[25]利用1960—2011年逐日降水资料分析了南疆巴州巴音布鲁克山区日降水的变化趋势和突变特征。新疆地区整体降水量较其他地区少，而相对于整个新疆，南疆地区受天山、昆仑山、塔克拉玛干沙漠等影响其降水量更少，因此，对降水日变化方面的研究相对匮乏。库尔勒相对于北疆、南疆西部各地区，其受地理位置影响，降水天气系统无论是从北向南移动，还是从西向东移动，其降水日变化特征均较难把控。

本文在前人的研究基础上，利用新疆巴州库尔勒夏季主汛期（5—8月）降水资料，分析库尔勒市降水日变化，为今后降水预报中对理解天气气候发展演变规律提供有力帮助，为有针对性的气象服务提供决策依据，为库尔勒精细化预报提供一定的理论依据，同时也为南疆地区降水日变化研究提供一些参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

库尔勒市，位于新疆维吾尔自治区中部，85°14′10″～86°34′21″E、41°10′48″～42°21′36″N，北倚天山支脉霍拉山，南距“死亡之海”世界第二大沙漠——塔克拉玛干沙漠直线距离仅70 km。库尔勒属暖温带大陆性干旱气候，降水量稀少，蒸发量大，光热资源丰富，总日照数2990 h，无霜期平均210 d，年平均气温11.4℃，年平均降水量56.6 mm，主导风向东北风。

1.2 资料来源

本文数据选取2010—2016年主汛期（5—8月）的数据资料，用于研究库尔勒市夏季降水的日变化特征，所用时间为北京时间。2010—2013年逐时降水资料是库尔勒市气象局降水自记纸记录，经过数字信息化处理后得到的逐小时降水量数据，在降水自记纸处理过程中，已经对降水自记迹线和时间、自记纸的扫描、降水数据的提取等进行了人工检测，实现了数据的质量控制。2014—2016年逐时降水资料为自动站观测资料。

1.3 分析方法

本文使用逐时降水量、逐时降水频次、降水强度、降水昼夜分布、降水量与降水频次和降水强度的相关性等指标，结合2010—2016年主汛期定时低云量（≥8成）来分析库尔勒降水的日变化特征（表1）。由于2014年降水观测改为自动站观测，夜间不守班，因此本文低云量统计时限为2010—2013年，时次为 02：00、08：00、14：00、20：00。分析过程中，将小时降水量≥0.1 mm的时次定义为有降水发生。

表1 降水日变化特征指标定义

1.4 数据处理

所有数据用Excel 2013进行统计、整理、计算、制图，使用DPS 7.05软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 逐时降水量、逐时降水频次、降水强度的变化特征

2.1.1 逐时降水量的变化特征

从图1可以看出，库尔勒市逐小时降水量日变化呈明显的波动性，表现为双峰型特征，而且可以明显看出库尔勒市一日降水量存在2个高值区和多个低值区，08：00—12：00 和 16：00—17：00 为降水高值区。16：00—17：00为第一峰值区，降水最大值出现在17：00，降水量 48.2 mm，08：00—12：00 为第二峰值区，降水峰值出现在09：00，为31.3 mm，高值区降水总量占总降水量的50.60%。降水低值区出现在21：00—次日 07：00，13：00—15：00 和 18：00—20：00，21：00 为降水最低值，为 4.0 mm。从降水量来看，白天较夜晚累计降水量多，为263.5 mm，占全天降水量的66.96%。

2.1.2 逐时降水频次的变化特征

从库尔勒市降水频次累计日变化图来看（图2），降水频次特征明显。01：00—14：00 是降水最易发生时段，为242次，占日降水总次数的65.23%；一天中最易产生降水的时刻为10：00，达29次，降水频次的最低值出现在17：00和20：00，都仅出现7次，而17：00又是累计降水量的最高值（图1），由此可见库尔勒主汛期降水量的多少不受降水频次的影响。对库尔勒市主汛期各月降水频次分析发现，除6月降水最易发生在 05：00—14：00 和 18：00—20：00，其他各月降水频次高值区出现时间段与5—8月降水频次相似。

图2 库尔勒市主汛期逐时降水频次累计日变化

2.1.3 降水强度的变化特征

从多年降水强度日变化（图3）来看，其变化特征与降水量累计日变化（图1）略相似。可以看出，22：00—24：00、11：00、16：00—17：00、19：00—20：00 的降水强度大于平均值，其余时次的降水强度小于平均值。降水强度高值区出现在 16：00—17：00，17：00降水强度最大，达到 6.9 mm/h，而 16：00—17：00 也是逐时降水量的第一峰值区（图1），因此可以初步定论：该时段的降水量和雨强均较大；降水强度最低值出现在 21：00、07：00，同为 0.4 mm/h，降水量低值区也出现在 21：00—次日 07：00，同时 21：00 也是累计降水量的最低值（图1）。

图3 库尔勒市主汛期降水强度日变化

2.2 各级降水逐时频次的变化特征

图4为库尔勒市主汛期逐时降水量≥0.1 mm、≥1 mm、≥3 mm的累计出现频次变化图，从降水频次上来看，≥0.1 mm的降水频次有明显波动性，22：00的降水频次最低，为4次，从23：00—次日10：00总体呈上升趋势，其中10：00的频次最多，达22次，此后频次呈下降趋势。≥1 mm量级的频次变化较平缓，整体变化趋势与≥0.1 mm相似，也为先上升后下降，08：00、10：00 最大，同为 6 次，出现频次最少为1次，且多个时次的降水频次为1次，分别是21：00、23：00、01：00、14：00、19：00、20：00。在进行数据统计时发现，≥3 mm量级出现次数较少，并且逐时次有出现0的情况，从图中可以看出，≥3 mm量级变化趋势较缓，在09：00达到最大，为3次。各级降水逐时频次分布（图4）对比逐时降水量累计日变化（图1）和降水频次累计日变化（图2）发现，其变化形式与降水频次累计日变化大体相似，整体呈先上升后下降趋势，且均在 09：00、10：00 达到最高值。

图4 各级降水逐时频次分布日变化

2.3 主汛期（5—8月）累计降水量、降水频次昼夜分布

从各月降水量昼夜分布（图5a）看，8月夜间降水量明显多于白天，为66 mm，占全天降水总量的72.13%，白天降水比率为27.87%，其他各月（5、6、7月）降水量均表现为白天多于夜间，白天降水量占全天降水量的比率依次为64.70%、75.92%、65.29%，初步认为库尔勒市主汛期降水夜雨特征不明显，主要以白天降水为主。从各月降水频次昼夜分布图（图5b）来看，5、6、7、8月白天降水频次占全天频次的比率分别为57.14%、45.54%、53.33%、42.39%。从相关性来看，白天降水频次占全天频次的比率与白天降水量呈弱的负相关，没有显著差异，相关系数为-0.152。

图5 库尔勒主汛期（5—8月）降水量（a）和降水频次（b）昼夜分布

2.4 ≥8成低云量的日变化特征

从图 6 可以看出，02：00—08：00≥8 成低云量出现频次和定时时次累计降水量变化呈一致性，均表现为 02：00—08：00 呈上升趋势，到 08：00 达到最大，随后逐渐降低。即≥8成低云量出现多的时次，降水量也较多。可见，≥8成低云量影响了库尔勒主汛期降水量日变化的多少。进一步分析发现，≥8成低云量出现频次和定时时次累计降水量变化趋势与逐时降水频次（图 2）02：00—20：00 的整体变化趋势一致，均在08：00—10：00达到高值区。整体来看，≥8成低云量出现频次多的时刻，更容易产生降水，且降水量较多。

2.5 相关性分析

从表2可以看出，逐时累计降水量与降水强度的相关性较好，通过了0.01的显著性检验，但与逐时累计降水频次相关性差，说明库尔勒主汛期5—8月降水量受短时强降水的影响明显。同时得出，逐时累计降水频次与降水强度呈负相关关系，并且差异显著。而各定时时次累计降水量与各定时时次≥8成低云量出现频次有较强的相关性，通过了0.02的显著性检验。

图6 ≥8成低云量日变化

表2 逐时降水量、降水频次、降水强度、≥8成低云量出现频次的相关性

3 降水日变化原因分析

分析降水量日变化（图1）发现，库尔勒降水日变化表现为午前、午后双峰形式，午后峰值大于午前；降水频次表现为午前多于午后；降水强度表现为午后强于午前，即说明午前易发生降水，但降水量小，午后出现降水次数虽较少，但降水强度较大。同时，整理库尔勒主汛期（5—8月）平均空气温度日变化发现，16：00—17：00 是全天温度最高的时间段，这与午后易产生热对流相符合。午后的太阳辐射强度大，地面蒸发强，易造成不稳定的对流性降水，因此可以解释降水最高值区出现在降水频次少而降水量多的午后；对于午前降水高值区08：00—09：00，通过整理库尔勒站点2010—2016年主汛期（5—8月）出现降水时刻两分钟平均风向发现，08：00—09：00出现风向最多依次为ENE（东东北）、NE（东北）、E（东），结合地形图（图7）来看，库尔勒位于天山支脉霍拉山的南面，库鲁克塔山的西面，呈夹角形势，ENE（东东北）、NE（东北）、E（东）方向的风能够为库尔勒带来北方冷空气或者焉耆盆地的湿润空气，同时也由于地形阻挡，以上方向带来的湿空气力量会被削弱，这也就解释了08：00—09：00段降水频次多降水量却较少的原因。针对降水最低值21：00分析发现，出现风向最多为WSW（西西南）、WNW（西西北），从地形图上可以看出，WSW（西西南）方向的风经过塔里木盆地，所带来的空气较为干燥，而WNW（西西北）方向的风经过天山山脉的阻挡，湿润的水汽无法到达库尔勒或者水汽含量相对减弱，不易产生降水，因此该时刻降水量最少。

图7 库尔勒地理位置图

4 结论

（1）2010—2016年库尔勒主汛期（5—8月）降水总量393.5 mm，且累计降水量高值区均出现在白天；降水主峰值区在16：00—17：00，次峰值区在08：00—12：00，最高值在 17：00，最低值出现在21：00。因此本文初步判断库尔勒主汛期降水量以白天累计降水为主。

（2）2010—2016年库尔勒主汛期（5—8月）降水频次共371次，一天中最易产生降水的时刻为10：00，降水频次的最低值出现在 17：00 和 20：00。而降水强度在 17：00 最大，最低值出现在 21：00、07：00。说明午后降水较强。

（3）库尔勒主汛期≥0.1 mm的降水出现频次最多，≥3 mm出现频次最少。因此可以确定，库尔勒主汛期降水主要以微到小雨为主。同时，定时时次≥8成低云量出现频次和定时时次累计降水量具有显著的相关性；累计降水量与降水强度间的相关性达到极显著水平，因此，≥8成低云量是影响库尔勒产生降水多少的直接原因。