艾克代·沙拉木，何 清，阿力木·阿巴斯，黃秋霞，王艷麗，仙米西努爾·克里木

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.克孜勒蘇柯爾克孜自治州氣象局，新疆阿圖什 845350；3.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；4.昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100；5.莎車氣象局，新疆 莎車 844700）

全球氣候變暖，使極端天氣氣候事件顯著增多及降水格局發(fā)生了一定的變化，西北地區(qū)強降水事件趨于增多[1]，氣候變化引發(fā)的自然災(zāi)害已引起人們的關(guān)注[2]。因數(shù)據(jù)的限制，大部分研究主要集中在長時間序列尺度上的時空分布特征[3-5]，隨著研究領(lǐng)域的拓展，農(nóng)業(yè)等方面需要更短時間尺度上的研究結(jié)果，因此對不同區(qū)域小時尺度降水的研究逐漸開展并深入[6-10]。新疆降水突發(fā)性強，預(yù)報難度大，植被覆蓋率小，河床與下墊面滲透力較差，暴雨更容易引發(fā)泥石流、滑坡、山洪等次生地質(zhì)災(zāi)害，給當?shù)毓まr(nóng)畜牧生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)造成極大損失。其中暴雨、泥石流等自然災(zāi)害不僅與降水量有關(guān)，還與降水強度密切相關(guān)，尤其是短時間的強降水事件具有突發(fā)性強，小時雨量大等特點，常常導(dǎo)致山洪、泥石流等災(zāi)害。新疆是干旱、半干旱地區(qū)，年平均降水量約147 mm，不到全國平均值的1/4，但暴雨造成的洪水和泥石流是新疆主要災(zāi)害之一[10-12]。暴雨洪水、泥石流等災(zāi)害不僅與降水量有關(guān)，還與降水強度有密切的關(guān)系。政府部門在防洪抗災(zāi)的實踐中迫切要求了解雨強的時空分布特點以及不同重現(xiàn)期的最大降雨強度值。

目前，降水量的研究大多是以長時間序列降水量與極端降水量的時空變化特征為主，Li等[13]研究了長江中下游及其以南地區(qū)降水的日變化；唐紅玉等[14]用西南地區(qū)8個代表站逐時降水資料揭示了該地區(qū)降水的日變化特征。部分學(xué)者對新疆降水特征研究表明[15-16]：新疆降水在1987年發(fā)生了明顯的變化，變化趨勢均以增加為主。

新疆年降水量不同程度地呈現(xiàn)出顯著增加趨勢[17]，極端降水時間具有上升的趨勢[18]。新疆雖然發(fā)生暴雨頻次少，但每年也平均發(fā)生2.3次區(qū)域性暴雨[19]。新疆降水時空差異極大，天山山區(qū)為高頻區(qū)，在5和8月出現(xiàn)較多。強降水具有顯著的日變化特征，主要集中在午后至傍晚[20]。新疆暴雨南北差異明顯，天山山區(qū)雨量最大，占全疆雨量的40.4%，北疆地區(qū)占34.3%，南疆地區(qū)最少為25.3%[21]。楊遼等[22]指出1961—2013年新疆地區(qū)降水量呈增加趨勢，總體特點是自西北向東南減小，區(qū)域性差異顯著。

新疆屬于干旱半干旱區(qū)，氣候不受季風(fēng)系統(tǒng)的直接影響[23]，因而新疆氣候與我國東部地區(qū)存在明顯差異。三山夾兩盆（北為阿爾泰山、中部為天山山脈、南為昆侖山，北疆的準噶爾盆地、南疆的塔里木盆地）的特殊地形使新疆的降水具有獨特的分布特征，北疆多于南疆，北疆年降水量普遍≥200 mm，南疆年降水量普遍≤100 mm，南疆的降水主要集中在北部的天山和西部的帕米爾高原[24]。1960—2014年塔什庫爾干縣年降水量呈增多趨勢，主要集中在夏季[25]。近50年帕米爾高原的四季降水呈上升趨勢，只有夏季的增濕趨勢較顯著[26]。近50年喀什地區(qū)年降水量呈增加趨勢，山區(qū)降水量增加趨勢比平原地區(qū)快[27]。帕米爾高原降水量增加速率高于蒸發(fā)量增加速率，塔里木河3條主要源流區(qū)徑流量仍呈增加趨勢[28]。盡管已有一些關(guān)于新疆逐小時特征方面的研究[29]，但針對帕米爾高原東部地區(qū)逐小時降水量的研究較少。因塔里木盆地西側(cè)及南側(cè)海拔高度均為超過4 000 m以上的高原山地，大氣中水汽已經(jīng)很少，水汽輸送量不大，對塔里木盆地降水提供的水汽不能滿足暴雨所需要的水汽量，目前關(guān)于水汽來源的研究雖然指出了水汽主要路徑及水汽的接力輸送，但其結(jié)構(gòu)和接力輸送機制還不夠明確。

東帕米爾高原位于亞洲中部、新疆的西南邊緣，被北、西、南面的天山、薩雷闊勒嶺和喀拉昆侖山所包圍，平均海拔為4000 m以上[30]。帕米爾高原作為中巴經(jīng)濟走廊建設(shè)重點生態(tài)環(huán)境保護區(qū)域之一，在絲綢之路經(jīng)濟帶中具有十分重要的地位和作用。中巴走廊北端穿越帕米爾高原，地形復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，災(zāi)害多樣且頻發(fā)，一直受社會和科學(xué)界關(guān)注[31]。盡管不少學(xué)者對南疆西部降水進行了相關(guān)研究[32-33]，但仍缺少比較系統(tǒng)的研究，本文基于小時尺度的降水資料，較為系統(tǒng)地分析帕米爾高原東部地區(qū)不同月份降水的精細化特征，這對于更好地理解帕米爾高原地區(qū)降水的變化規(guī)律，評估區(qū)域氣候特征，提高防災(zāi)減災(zāi)能力，增強對高原降水形成的認識，提高降水尤其是暴雨預(yù)報能力和氣象服務(wù)水平，為推動“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展和新疆生活和經(jīng)濟發(fā)展提供氣象保障，中巴經(jīng)濟走廊地區(qū)氣候變化研究，氣象水文災(zāi)害風(fēng)險評估以及高原區(qū)域的融冰（雪）洪水預(yù)警提供理論支撐，同時可加強新疆干旱半干旱地區(qū)水資源的合理利用與保護。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文利用2013—2019年帕米爾高原東部100個自動氣象站逐小時的7 a降水資料開展研究（圖1）。所用資料來源于新疆氣象信息中心Cimiss數(shù)據(jù)庫，對自動站數(shù)據(jù)進行了嚴格的質(zhì)量控制，訂正了由于各種原因造成的錯誤，數(shù)據(jù)齊全。具體步驟如下：（1）異常值剔除。對于自動站因儀器故障，缺測的站點數(shù)據(jù)，回查該記錄的原始數(shù)據(jù)，并查找鄰近區(qū)域自動站當天記錄及相關(guān)災(zāi)情記錄，確定為異常則進行剔除；（2）時間連續(xù)性檢查，確保每個時刻的任意一個有效站點在該時刻前后1 h內(nèi)都具有連續(xù)觀測記錄；（3）為防止資料數(shù)據(jù)可能存在的偏差，本文做了進一步質(zhì)量控制，即將逐時降水資料與同站逐日降水資料進行對比，如逐時資料累積日降水量偏差大于逐日降水資料中降水量的10%，則該日資料舍棄[35]；按上述質(zhì)量控制剔除；所用資料均通過了氣候極值檢驗和單站極值檢驗以及數(shù)據(jù)一致性檢驗等質(zhì)量控制，具有較好的代表性。降水定義采用新疆氣象局的業(yè)務(wù)標準，即1 h降水量≥0.1 mm記為有量降水，各站某一時間段降水量為該時段總的降水累積量。統(tǒng)計某一時段內(nèi)出現(xiàn)的降水頻次；某一時段內(nèi)降水量之和除以該時段內(nèi)的降水頻次即為降水強度。本文在分析帕米爾高原地區(qū)降水總體特征的基礎(chǔ)上，對不同月份降水的基本特征進行統(tǒng)計分析，并重點研究了4—9月累積降水量、降水頻次及降水強度空間分布特征。在揭示帕米爾高原東部降水量的小時變化特征基礎(chǔ)上，對各月降水量、降水頻次及降水強度日內(nèi)變化進行了分析和研究。

圖1 研究區(qū)域站點分布

2 年平均降水量的總體特征

通過降水量、頻次和強度的空間分布（圖2）可知，帕米爾高原東部年平均降水量呈南部少于北部、平原少于山區(qū)的特征，年平均降水量最大值為293.85 mm，出現(xiàn)在研究區(qū)北部山區(qū)，最小值≤5.0 mm，出現(xiàn)在東南部。降水頻次的空間分布與降水量相似（圖2b），整個區(qū)域多年平均的降水頻次約為6.97次，大部分區(qū)域＜10次，降水頻次高值集中在西部山區(qū)（12.52次），低值集中在東南部，僅為0.45次。帕米爾高原東部年平均降水強度的空間分布特征與降水量和降水頻次的差異較大（圖2c），研究區(qū)北部和盆地邊緣的降水強度大于西部和西南部山區(qū)，降水強度高值集中在盆地西邊緣，為6.37 mm/d。帕米爾高原東部降水強度空間分布特征與降水量和降水頻次有一定的差異。

圖2 2013—2019年帕米爾高原東部4—9月年平均小時降水量（a）、降水頻次（b）和降水強度（c）的空間分布

從帕米爾高原東部逐月降水量的空間分布（圖3）可知，4月整個區(qū)域年平均降水量為8.65 mm，研究區(qū)西北部最多（35.15 mm），東南部最少（0.02 mm）；高值區(qū)主要集中在北部和西北部山區(qū)。5月整個區(qū)域年平均降水量由4月的8.65 mm增加至20.68 mm，整個區(qū)域具有明顯的增長趨勢，尤其是在研究區(qū)西部比較明顯；年平均降水量在北部山區(qū)最多（43.35 mm），盆地西部邊緣地區(qū)最少（0.01 mm）。6月整個區(qū)域年平均降水量由5月的20.68 mm增加至23.26 mm，具有輕度的增長趨勢；年平均降水量在北部山區(qū)最多（55.64 mm），東南部邊緣地區(qū)最少（0.05 mm）。7月整個區(qū)域年平均降水量由6月的23.26 mm降低至21.36 mm，具有輕度的減少趨勢；年平均降水量在北部山區(qū)最多（50.28 mm），盆地西部邊緣地區(qū)最少（0.21 mm）。8月整個區(qū)域年平均降水量由7月的21.36 mm增加至32.75 mm，具有增長趨勢，尤其是在北部山區(qū)增長最明顯；年平均降水量在北部山區(qū)最多（97.62 mm），研究區(qū)西部地區(qū)最少（2.44 mm）。9月整個區(qū)域年平均降水量由7月的97.62 mm明顯降低至17.79 mm，尤其是在北部山區(qū)降低最明顯；年平均降水量在盆地西部邊緣最多（44.78 mm），研究區(qū)西南部地區(qū)最少（1.12 mm）?？傮w來講，年平均降水量主要集中在北部山區(qū)，8月最多，4月最少。

圖3 2013—2019年帕米爾高原東部逐月降水量（單位：mm）的空間分布

年平均降水頻次逐月空間分布（圖4）與降水量相似。降水頻次4月為0.14～12.42次，平均為2.97次，高值主要集中在研究區(qū)北部和西部，低值主要集中在盆地西部邊緣區(qū)域；5月降水頻次為0.14～14.85次，平均為6.10次，高值主要集中在研究區(qū)北部和西部，低值主要集中在研究區(qū)中部和南部；6月降水頻次為0.42～14.28次，平均為8.48次，整體來講比5月明顯增加，高值主要集中在研究區(qū)北部和西北部，低值主要集中在研究區(qū)中部和南部；7月降水頻次為1.57～13.28次，平均為7.67次，降水頻次比6月略微降低，高值主要集中在盆地邊緣的山區(qū)，低值主要集中平原地區(qū)；8月降水頻次為1.42～18.71次，平均為10.60次，降水頻次比7月明顯的增多，高值主要集中在山區(qū)，低值主要集中平原地區(qū)；9月降水頻次為0.71～11次，平均為6次，降水頻次比7月明顯降低，頻次降低在北部山區(qū)最明顯，降水頻次高值主要集中在山區(qū)，低值主要集中在平原地區(qū)。

逐月降水強度的空間分布（圖5），與降水量和頻次存在較大差異。4月降水強度為0.2～16.7 mm/d，平均為2.97 mm/d，強度大值集中在北部和中部，小值集中在西部和南部。5月降水強度為0.1～13.4 mm/d，平均為3.45 mm/d，強度大值集中在盆地西邊緣平原區(qū)，小值在研究區(qū)西部和南部。6—9月降水強度明顯小于4—5月，降水強度空間分布基本相似，6—9月降水強度分別為0.13～5.14、0.13～5.75、1.14～5.51、0.83～7.02 mm/d，平均分別為2.63、2.52、2.94、2.88 mm/d。

圖5 2013—2019年帕米爾高原東部逐月降水強度（單位：mm/h）的空間分布

年平均降水量主要集中在北部山區(qū)，8月最多；降水頻次大值集中在周邊山區(qū)，8月最多；降水強度大值集中在中間平原地區(qū)，4月最強。

從帕米爾高原東部各時次平均降水量、降水頻次和降水強度日變化特征曲線（圖6）可知，降水量、降水頻次和降水強度日變化特征存在差異。小時降水量峰值主要出現(xiàn)在12—23時（北京時，下同），其中13和20時最大，小時降水量為0.94 mm/h；00—10時為小時降水量的低值時段，其中05時最小，降水量為0.70 mm/h。小時降水頻次的日變化曲線與小時極端降水量曲線特征存在一定差異，小時降水頻次15時—次日01時為強度高值時段，14—20時呈逐漸增加趨勢，最小值0.11 mm/h出現(xiàn)在14時，最大值0.17 mm/h出現(xiàn)在20時；從20時—次日14時呈下降趨勢。帕米爾高原小時降水強度逐小時差異較大，其中00—09時為高值時段，10—23時為低值時段，最高值為1.40 mm/h，出現(xiàn)在07時，最低值為0.96 mm/h，出現(xiàn)在13時。

圖6 2013—2019年帕米爾高原東部小時平均降水量（a）、降水頻次（b）和降水強度（c）逐小時變化

帕米爾高原東部不同地區(qū)各月小時平均降水量各時次變化差異較大（圖7）。4—9月小時降水量的高值時段均集中在12時—次日23時（北京時，下同），該時段降水量基本＞0.8 mm/h，00—08時為低值時段，降水量＜0.7 mm（圖7a）。6個月中，4月的小時降水量最小，7月的小時降水量最大，其中18時左右是一個高值中心，小時降水量＞1.0 mm/h；05時左右為低值中心，小時降水量＜0.7 mm。

降水頻次逐月的日變化特征與降水量差異較大（圖7b），16時—次日04時為帕米爾高原東部地區(qū)小時降水頻次的高值時段，6月降水頻次最高，且在20時左右存在高值中心，降水頻次均＞0.19次。10—16時為低值時段，降水頻次＜0.12次。

逐月小時降水強度的日變化特征與降水量和降水頻次的分布特征差別較大（圖7c）。4月降水強度最大中心出現(xiàn)在10時，為2.07 mm/h。7月降水強度高值時段為00—10時，降水強度超過1.71 mm/h，12—23時為相對低值時段，降水強度在0.9 mm/h左右。9月北部降水強度相對較弱，00—10時為一個相對高值區(qū)，最大降水強度為1.36 mm/h，出現(xiàn)在06時；12—23時為相對低值時段，降水強度在0.8 mm/h左右。

圖7 2013—2019年帕米爾高原東部平均小時降水量（a，單位：mm）、降水頻次（b，單位：次）和降水強度（c，單位：mm/h）的各月逐時變化

總體來看，降水量主要集中在18時左右，降水頻次主要集中在18—23時，降水強度夜間略高于白天。

高原降水的分布復(fù)雜，既與大氣候條件有關(guān)，又受地形和海拔高度的影響。帕米爾高原降水量與海拔高度關(guān)系的初步研究結(jié)果（圖8）表明，帕米爾高原東部年平均降水量隨著海拔高度的升高而增加（圖8a）。海拔高度＜2 500 m時，年平均降水量隨著海拔高度的增加速度明顯高于整體的增加速度（圖8b），本文還發(fā)現(xiàn)海拔高度＞2 500 m時，年平均降水量隨著海拔高度的升高而下降（圖8c）。

圖8 2013—2019年帕米爾高原東部年平均降水量與海拔高度的關(guān)系

降水頻次和降水強度與海拔高度還存在一定的相關(guān)性（圖9）。降水頻次隨著海拔高度的升高而增多（圖9a），海拔高度＜3 000 m時，降水頻次與海拔高度的相關(guān)性較為明顯，降水頻次隨著海拔高度的升高而增多（圖9b）。海拔高度＞3 000 m降水頻次與海拔高度存在負相關(guān)，降水頻次隨著海拔高度的升高而減少（圖9c）。

圖9 2013—2019年帕米爾高原東部年平均降水頻次與海拔高度的關(guān)系

降水強度與海拔高度存在一定的相關(guān)性（圖10）。降水強度隨著海拔高度的升高而降低（圖10a），海拔高度＜2 500 m時，降水強度與海拔高度的相關(guān)性較明顯，降水強度隨著海拔高度的升高而增強（圖10b）。海拔高度＞2 500 m時，降水強度與海拔高度存在負相關(guān)，降水強度隨著海拔高度的升高而降低（圖10c）。

圖10 2013—2019年帕米爾高原東部降水強度與海拔高度的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

通過對帕米爾高原東部地區(qū)100個自動站2013—2019年4—9月逐小時降水資料分析，得到以下結(jié)論：

（1）帕米爾高原東部年平均降水量呈南部少于北部，平原少于山區(qū)的特征。降水頻次集中在西部山區(qū)，東南部最少。研究區(qū)北部和盆地邊緣的降水強度大于西部和西南部山區(qū)。這可能與研究區(qū)復(fù)雜地形下的局地氣候特征有關(guān)。

（2）帕米爾高原東部逐月降水量呈北部和西北部高，盆地西部邊緣地區(qū)最少的特征，8月最多，4月最少。年平均降水頻次高值主要集中在研究區(qū)北部和西部，低值主要集中在盆地西部邊緣區(qū)域。逐月降水強度空間分布特征與降水量和頻次也存在較大差異，降水強度集中在平原地區(qū)，4月最強。

（3）降水量、降水頻次和降水強度日變化特征存在一定差異。小時降水量峰值主要出現(xiàn)在12—23時，低值時段為00—10時。小時降水頻次15時—次日01時為高值時段，14—20時呈逐漸增加趨勢。小時降水強度日高值時段為00—09時，低值時段為10—23時。

（4）帕米爾高原東部各月小時平均降水量各時次變化差異較大。4—9月小時降水量的高值時段都集中在12時—次日23時。小時降水量4月最小，7月最大，其中18時左右是高值中心。小時降水頻次6月最高，降水頻次高值時段為16時—次日04時，且在20時左右存在高值中心。降水強度7月最強，其高值時段為00—10時?？傮w來看，降水量主要集中在18時左右，降水頻次主要集中在18—23時，降水強度夜間略高于白天。

（5）年平均降水量、降水頻次及降水強度與海拔高度存在明顯的相關(guān)性，＜2 500 m時，降水量隨著海拔的升高而增加；＞2 500 m時，降水量隨著海拔的升高而降低。＜3 000 m時，降水頻次隨著海拔的升高而增多；＞3 000 m時，隨著海拔的升高而減少。降水強度與海拔高度整體呈負相關(guān)，降水強度隨著海拔的升高而減弱；＜2 500 m時，降水強度隨海拔高度而加強；＞2 500 m時，降水強度隨著海拔高度的升高而減弱。

帕米爾高原居內(nèi)陸，不受季風(fēng)系統(tǒng)的直接影響，降水特征與我國東部季風(fēng)區(qū)存在差異。帕米爾高原小時降水的區(qū)域性差異較大，地表植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，小時降水頻次和強度的變化將給該地區(qū)次生災(zāi)害的防御帶來巨大的挑戰(zhàn)。本文利用帕米爾高原東部2013—2019年4—9月逐小時的降水觀測資料，分析了逐年小時降水的時空變化特征、頻次及強度變化特征，以及對海拔高度與年平均降水量、降水頻次及降水強度之間的關(guān)系進行了相關(guān)的分析，獲得了帕米爾高原小時降水變化特征的一些新的認識，對深入了解高原半干旱地區(qū)降水日變化具有一定的參考意義。但限于所用研究資料的年限較短，難以揭示小時降水的長期變化趨勢，另外，高原地形復(fù)雜，關(guān)于帕米爾高原小時降水特征分析的相關(guān)結(jié)論是否也適用于其他區(qū)域需要在今后的工作中進行驗證。未來將對帕米爾高原極端降水進行進一步分析，解釋形成極端強降水的動力機制和云物理條件等，開展更加深入的研究。