新疆阿勒泰地区夏季短时强降水时空分布特征

赵江伟 ， 庄晓翠， 张云惠

1. 中亚大气科学研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830002 2. 阿勒泰地区气象局， 新疆 阿勒泰 836500 3. 新疆维吾尔自治区气象台， 新疆 乌鲁木齐 830002

0 引 言

短时强降水是强对流天气的主要类型之一，根据气象灾害资料统计，强对流是仅次于暴雨洪涝造成人员伤亡的第二大类气象灾害。相比区域性暴雨，短时强降水主要由中小尺度天气系统造成，具有生命史短、局地性强等特点，故预报难度大。因此，加强对短时强降水天气的研究显得尤为重要。近年来越来越多的气象学者开始关注并研究短时强降水天气过程(段鹤等，2014；庄晓翠等，2017；曾勇和杨莲梅a，2017)。受资料的限制，对短时强降水的气候特征研究较少，且主要集中在中国中东部地区，如宇如聪等(2014)分析了中国暖季4—9月降水分布特征，指出华南地区是我国短时强降水多发区，日变化峰值主要出现在下午、清晨、夜间；徐慧燕等(2016)研究表明，丽水地区短时强降水主要发生在5—9月，呈双峰(6月和8月)分布，日变化呈三峰分布，主峰发生在14—22时，次峰发生在03时和08时。毛冬艳等(2018)研究指出，西南地区短时强降水具有明显的夜发性，02时左右为发生频次的峰值时段，1 h降水量的最大值发生在海拔较高的地区。袁晨和马力(2013)分析表明，都江堰短时强降水的夜雨特征突出，且后半夜比前半夜多；夏季的对流过程一般是沿西北山脉迎风坡生成与发展，随后对流系统发展到东南平原地区；都江堰短时强降水持续时间集中在60—130 min，最长可持续210 min。王浪和马力(2016)的研究表明，宝兴短时强降水集中发生在7、8月。王芬等(2018)分析表明黔西南州短时强降水呈东多西少的空间分布，主要出现在5—8月，夜间为多发时段。韩宁和苗春生(2012)研究表明，陕甘宁三省7—8月是短时强降水的多发期，两大峰值出现在7月下旬和8月中旬，日变化呈双峰分布，1 h降水量大于等于30 mm的短时强降水具有夜间多发性。

1980年以来，新疆的气象工作者对强降水的研究主要集中在暴雨的大尺度环流背景、水汽来源及输送等方面(张家宝等,1986；杨莲梅等,2012)。近年来，许多学者对局地突发性暴雨、致洪性暴雨、诱发地质灾害暴雨进行了细致分析(曾勇和杨莲梅b,2012；李如琦等,2016)。随着区域站网的发展及业务运用，李博渊等(2017)和张超等(2019)在新疆降水日变化和短时强降水过程等方面进行了一些研究。黄艳等(2018)研究表明，南疆短时强降水在7月上旬和8月发生频繁，日变化为明显的双峰特征，在凌晨、午后至傍晚较易发生，张超和贾健(2019)分析表明，乌鲁木齐市短时强降水主要集中在6—8月，6月发生频次最高。由此可见，对新疆短时强降水时空分布特征研究较少，尤其缺少基于区域自动站短时强降水特征的分析。因此，开展短时强降水的气候特征研究，可以更全面地了解和掌握降水的气候特征，也为短临预警提供参考。文中以新疆阿勒泰地区(简称阿勒泰地区)112个自动气象站逐时降水资料为例，对2010—2018年6—8月发生的短时强降水时空分布特征进行分析，并与中国中东部地区和南疆地区进行对比，有助于进一步认识降水的气候特征，为新疆短时临近预警服务及防灾减灾提供参考。

1 研究区概况、资料及方法

1.1 研究区概况

阿勒泰地区位于新疆最北部，准噶尔盆地北沿，地势整体呈现西低东高，南低北高，地形复杂，有高山丘陵、河流湖泊、沙漠戈壁。北部是阿尔泰山脉，呈西北东南走向；西南部为沙吾尔山脉，呈东西走向；南部为准噶尔盆地。该地区位于欧亚大陆中心腹地，远离海洋，属中温带大陆性干旱半干旱气候区，夏季短促、少炎热，多短时强降水。因此，针对阿勒泰地区短时强降水的特征开展研究，具有重要的现实意义。

根据参考文献(张家宝和邓子风，1987)对阿勒泰地区的分区，结合地形及站点分布将该区分为河谷平原(海拔<720 m)、沿山(海拔720—1 000 m)、山麓丘陵(海拔1 001—1 400 m)及山区(海拔>1 400 m)4个区域(李博渊等，2017)。阿勒泰地区站点及地形分布如图1所示。

图1 阿勒泰地区112个站点及地形分布

1.2 数 据

目前，中央气象台和中国中东部地区气象部门将1 h降水量大于等于20 mm的降水记为短时强降水。根据多年的预报服务实践、暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱地区暴雨特点，新疆气象部门将该标准调整为1 h降水量大于等于10 mm，为了与实际业务保持一致，文中的短时强降水定义为降水强度大于等于10 mm/h的降水(黄艳等，2018)。

采用经过新疆气象信息中心数据质量控制的2010—2018年6—8月阿勒泰地区8个国家基本气象站和104个区域自动站逐时降水资料，按上述定义筛选出短时强降水事件共416次。

2 短时强降水的时空分布特征

2.1 空间分布

2010—2018年阿勒泰地区112个自动气象站共发生短时强降水416次，发生频次为3.7 次/站，发生最少的站只有1次，最多的站有15次(阿勒泰市园林场站)。从阿勒泰地区短时强降水发生频次分布(图2a)可知，阿勒泰地区短时强降水空间分布极不均匀，可将短时强降水分为活跃区和不活跃区。短时强降水发生频次大于等于4次的站主要分布在北部阿尔泰山沿山、山麓丘陵、沙吾尔山区、戈壁与乌伦古湖的交界区域，这些区域为短时强降水活跃区；发生频次小于4次的站主要分布在河谷平原及沿山的部分区域，这些区域为短时强降水不活跃区。

图2 2010—2018年夏季阿勒泰地区各站短时强降水空间分布(a.强降水发生频次，b.各站最大短时强降水量，c.大于等于30 mm/h的短时强降水，d.年发生次数大于等于1的短时强降水年均次数)Fig. 2 Spatial distribution of short-term heavy precipitation at stations in Altay area in summer 2010-2018 (a.frequency of short-term heavy precipitation； b.maximum short-term heavy precipitation at stations； c.short-term heavy precipitation ≥ 30 mm/h； d.frequency of short-term heavy precipitation with annual frequency ≥ 1

分析表1和图2d可知，2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水年均频次大于等于1次的站有8个，年均频次最高的站出现在阿勒泰市园林场站1.7次，该站位于阿尔泰山脉迎风坡、山麓丘陵向山区的过度区域(地形陡升区)，并处于向南开口的喇叭口地形处。吉木乃县出现短时强降水年频次大于等于1的站最多，共计3站，分布在沙吾尔山北部迎风坡，并处于山麓丘陵向山区的过度区域(地形陡升区)。阿勒泰市短时强降水年频次大于等于1的站有2个，分布在阿尔泰山地形陡升区和向南开口的喇叭口地形处。哈巴河、布尔津、福海县短时强降水年频次大于等于1的站均有1个，分别位于阿尔泰山脉向南开口的喇叭口、戈壁和乌伦古湖的交界区附近。因此，阿勒泰地区夏季短时强降水主要出现在阿尔泰山脉和沙吾尔山脉迎风坡、地形陡升区、喇叭口地形、戈壁与乌伦古湖交界处等复杂地形附近。

表1 2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水年均频次大于等于1次的站点信息

2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水共发生416次，各站最大短时强降水强度在10.1—37.5 mm/h。分析图2b可知，各站雨强在10.0—20.0 mm/h的最大短时强降水主要分布在阿勒泰市和富蕴县南部、福海县大部河谷平原、沙吾尔山东部背风坡及部分山麓丘陵地带。各站雨强大于等于20.0 mm/h的最大短时强降水主要分布在阿尔泰山和沙吾尔山的沿山、山麓丘陵、山区，这些站点多位于喇叭口地形(如阿勒泰市园林场、布尔津县库须根)、地形陡升区(如吉木乃县阔克责克)等特殊地形附近。大于等于30.1 mm的短时强降水发生频次最少，范围最小，共发生了7次(图2c)，分布在沿山向山麓丘陵、山麓丘陵向山区及喇叭口等特殊地形附近。阿勒泰地区极值短时强降水出现在哈巴河县合孜勒哈克村站(37.5 mm/h)，该站位于河谷向沿山过渡的喇叭口地形附近，北部为阿尔泰山脉，地形为北高南低，当西南或偏南气流遇山脉时，在山前辐合加强，系统移动滞缓，有利于强降水的发生。

进一步分析可知，山地迎风坡、地形陡升区、喇叭口等特殊地形附近更容易发生短时强降水，说明特殊地形能够加强气流的强迫抬升或辐合，对降水起到增幅作用。

2.2 时间分布

2.2.1 年分布

图3a、b是2010—2018年阿勒泰地区不同强度的短时强降水年发生次数，各站大于等于10 mm/h的短时强降水年平均发生了46次，年际变化大，与气候背景及降水多寡有关。2017年出现最多达95次，2010年最少为10次。大于等于20 mm/h的短时强降水年平均发生7次，仅占总次数的14.7%，发生频次呈骤减趋势，2017年出现最多为17次，而2014年出现最少为1次。大于等于30 mm/h的短时强降水年平均发生不到1次，仅占总次数的1.7%，继续呈骤减趋势，2017年出现最多为3次，有5个年份没有出现过大于等于30 mm/h 的短时强降水。可见，阿勒泰地区大于等于30 mm/h的短时强降水的发生是小概率事件。

从图3c逐年短时强降水最大值的演变可见，各年最大短时强降水差异较大，共有4 a出现了雨强大于等于30 mm/h的短时强降水。年最大短时强降水出现在2017年6月30日15时哈巴河县合孜勒哈克村站，降水强度达37.5 mm/h，该站地形复杂，位于山前有利于地形抬升，又处于向南开口的喇叭口地形附近，同时海拔较低、午后热力条件最好。其次是2013年6月23日19:00阿勒泰市阔仕萨依尔沟站，降水强度达34.4 mm/h，该站位于沿山向山麓丘陵的过渡区域，同时也位于向南开口的喇叭口地形附近。第三是2012年7月15日20:00布尔津县也拉曼村勃拉德站，降水强度达32.8 mm/h，该站地形阿勒泰市阔仕萨依尔沟相似。这些站点均位于阿尔泰沿山、喇叭口地形、地形陡升区域或平原向山脉的过渡区域等复杂地形附近。结合表1可知，阿勒泰地区年最大短时强降水与发生频次没有直接的关系，主要与特殊地形有关。

图3 2010—2018年阿勒泰地区短时强降水年次数(a)、雨强分级年频次(b)、雨强年最大值(c)

2.2.2 月、旬分布

2010—2018年夏季阿勒泰地区雨强大于等于10 mm/h的短时强降水7月出现最多，共计148次，平均23次；6月次之，共计148次，平均16.4次；8月最少，共计65次，平均7.2次。各站大于等于20 mm/h的短时强降水发生频次锐减，7月平均3.4次，6月平均2.6次，8月不到1次。各站大于等于30 mm/h的短时强降水共发生了7次，主要发生在6月和7月(图略)。可见，随着雨强的增大，短时强降水出现次数明显减少。

2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水分级旬发生频次呈单峰型(图4)。各站雨强大于等于10 mm/h的短时强降水在6月上、中旬分别平均发生2.8、3.1次，到下旬突增至10.1次，7月上旬继续增多，达11.1次，7月中、下旬骤减为5.8、5.7次。8月上、中旬继续减少，中旬最少为1.1次，8月下旬略有增多。各站大于等于20 mm/h的短时强降水主要发生在6月下旬到7月中旬，平均为1.3—1.7次，其余各旬不足1次；各站大于等于30 mm/h的短时强降水主要发生在6月下旬，共发生了5次，其次是7月中旬，共发生2次。可见，2010—2018年阿勒泰地区短时强降水主要发生在6月下旬到7月上旬，这与中国中东部地区短时强降水主要发生在7—8月不同(宇如聪等，2014)。

图4 2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水分级各旬发生频次

2.2.3 日变化

分析2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水逐时平均次数(图5a)可见，短时强降水有明显的日变化，13—22时发生次数显著增加，共计37次，占总次数的80%；峰值出现在19时。23时—次日12时发生次数相对较少，共计9次，占总次数的20%；谷值出现在05时。分析逐时最大值雨强(图5b)可见，极大值出现在15时(37.5 mm/h)，极小值出现在05时(11.1 mm/h)。小于20 mm/h的短时强降水发生在23时至次日12时，大于20 mm/h的短时强降水发生在13—22时。短时强降水逐时雨强极大值与逐时平均次数的日变化基本一致，与中国中东部地区短时强降水的日变化具有夜发特性不同(宇如聪等，2014；徐慧燕等，2016；王芬等，2018)，与南疆地区短时强降水日变化具有双峰特征，凌晨、午后至傍晚较易发生也不同(黄艳等，2018)。主要是因为阿勒泰地区位于中高纬度夏季昼长夜短，气温日较差大，白天升温迅速，尤其是午后太阳辐射增温达最强，至傍晚前后大气层结不稳定性显著增强，易产生局地强对流天气。

图5 2010—2018年夏季阿勒泰地区短时强降水逐时平均次数日变化(a)和逐时最大值雨强 (b)Fig. 5 Daily variation of hourly average times of short-term heavy precipitation (a), hourly maximum rainfall intensity (b) in Altay during summer from 2010 to 2018

2.2.4 持续时间

2010—2018年夏季阿勒泰地区各站短时强降水持续时间为1—2 h，其中持续时间为1 h的降水发生频次最高，占总次数的78%，主要出现在阿尔泰和沙吾尔沿山和山麓丘陵区。从空间分布来看，当短时强降水落区自西向东移动时，其影响区域较大，过程持续时间长，多站出现短时强降水，把满足此条件的短时强降水事件也称为区域性短时强降水；近9 a阿勒泰地区区域性短时强降水共出现8次，持续时间(图略)最长为5 h，发生在2017年6月30日14—18时，先后共17站出现短时强降水。

3 结论与讨论

文中基于2010—2018年夏季阿勒泰地区112个自动气象站逐时降水资料，采用常规统计方法分析了阿勒泰地区夏季短时强降水空间分布和年、月、旬分布特征，所得结论如下

1) 阿勒泰地区的特殊地形对短时强降水有明显增幅作用，阿尔泰山和沙吾尔山迎风坡、地形陡升区、喇叭口地形及戈壁和乌伦古湖交界区等复杂地形附近的短时强降水发生频次、量级均高于河谷平原区域。

2) 阿勒泰地区各站短时强降水发生次数年际变化大，雨强的大小与发生频次的多少成负相关关系，年最大短时强降水与发生频次没有强相关关系，主要与特殊地形有关。

3) 阿勒泰地区短时强降水旬发生频次呈单峰型分布，高峰值时间段出现在6月下旬至7月上旬；逐时平均次数日变化也呈单峰型分布，高峰值时间段出现在午后至傍晚。

4) 2010—2018年夏季阿勒泰地区各站短时强降水持续时间较短，持续时间为1 h的短时强降水发生频次最高；区域性短时强降水发生频次较少，仅发生了8次，为小概率事件。

研究发现，阿勒泰地区夏季短时强降水与地形有密切的关系，其月旬变化及日变化不同于中国中东部地区，与南疆也存在差异。阿勒泰地区位于远离海洋的中高纬地区，地形地貌复杂，较弱的西来系统遇山地减弱北收，主要影响阿勒泰地区中西部。地形、天气系统路径及水汽条件等都可能是造成阿勒泰地区短时强降水日、旬、月变化与中国中东部和南疆差异的影响因素。