乌鲁木齐不同相态级别降水的变化特征分析

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　　摘 要：利用乌鲁木齐5个测站1961—2012年逐月和2013年1—3月降水量资料，运用气候倾向率、变异系数等方法分析了不同相态各等级降水量的气候特征、变化趋势和变异场特征。结果表明：小雨、中雨接近暖季年降水总量分布，其它量级则相反，而冷季除小雪，其它级别与冷季降水分布相同或接近;各等级降水均呈增加趋势，其中暖季大雨达显著水平，而冷季除大暴雪外其它级别均顯著增长;量级越高降水变异系数越大，冷季比暖季降水分布更加不均匀;暖冷季分别在1985年和1989年前后发生了显著突变，主要是由暴雨和暴雪的增加而导致的;除大暴雪外，其它量级降水的增加导致了降水偏丰年，而降水偏少年的各等级降水均减少。
　　关键词：降水量;不同相态;时空分布;乌鲁木齐
　　中图分类号：S164       文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20200515039
　　引言
　　近年来，随着全球气候变暖趋势日益加剧，降水时空分布变化的不均匀性变得更加显著，全球很多地方的极端降水和年降水量的变化趋势出现了明显的差异性[1，2]，两者有的甚至出现反相态变化。国内很多学者也对不同地区各量级降水特征进行了分析，研究表明，全国很多地方的大量级降水呈现增加趋势，而小量级降水呈减少趋势[3-6]。高涛等[7]通过分析我国的极端降水发现，无论是强度还是频次均呈增加趋势，但是有较强的地域差异。事实上，不同等级降水量及降水日数的多少直接决定着旱涝灾害的发生与否。徐新创等[8]对我国近60a的各强度降水变化特征进行研究发现，弱降水增加明显，而强降水变化较为平缓。宁亮[9]发现西北地区的日降水量和极端降水量都具有显著增加的趋势。而刘惠云、成鹏[10，11]等对乌鲁木齐降水研究发现，年降水量总体呈增加趋势，但是由哪级降水造成的并未涉及。因此，针对乌鲁木齐地区不同相态不同等级降水的气候特征及变化规律进行研究是十分有意义的，研究结果将为该地区的旱涝灾害的防御及人工增雨（雪）工作提供理论依据。
　　1 资料选取和方法介绍
　　本文所采用的资料为1961—2013年乌鲁木齐市5个测站逐日降水数据。按照现行新疆气象24h降水量等级的评定标准（表1）[12]，对不同相态各等级降水的变化趋势进行分析。参照辛瑜[13]和毛炜峄[14]综合考虑将11月—次年3月定义为冷季，以降雪量级统计。利用的方法主要有线性趋势分析、Mann-Kendall检验方法等，文中涉及到变化趋势的显著性检验均为F统计检验方法。
　　2 结果分析
　　2.1 不同相态各级别降水量的空间分布
　　
　　图1中分别给出了乌鲁木齐地区冷暖季多年平均的年降水量的空间分布图，从图1a中可以看出，暖季年平均降水量呈西南向东北递减，位于中山带的小渠子年降水量能够达到460mm以上，而位于乌鲁木齐东部的达坂城只有70mm左右，表现出较大的地域差异。从暖季各等级降水贡献率来看，小雨贡献率最大值出现在乌鲁木齐的高山带，达到70%以上，最低值出现在城区和北郊，低于40%;中雨和小雨的贡献率分布十分接近，高低中心基本一致（图1c）;大雨、暴雨和大暴雨贡献率分布基本和暖季年平均降水总量分布呈现相反形式，从东北向西南递减，其城区大雨最高达到30%，而大西沟只有5%（图1e），暴雨和大暴雨的比例各站差别较小，其中暴雨比例1%（大西沟）～15%（城区）（图略）。冷季与暖季分布相比，无论从空间分布还是量级上均存在着较大差异，冷季的降水分布整体上是自西北向东南方向递减（图1b），出现降雪较少的区域仍位于达坂城区，这与暖季降水较少区域一致，降雪的大值区位于乌鲁木齐城区，也仅达到71mm，与暖季降水明显相差较大。从等级分布贡献率来分析，小雪贡献率分布与冷季年降水量呈反向位分布，最小值出现在城区和北郊，达到35%左右，而最大值则达到74.8%，出现在达坂城区（图1d）;中雪贡献率分布全区较为接近，比例在19%（大西沟）～28%（城区）;大雪、暴雪以及大暴雪的贡献率分布与冷季年平均降雪量的分布较为一致，呈现西北向东南方向递减，达坂城区没有出现过大雪以上量级降水，所以贡献率为0，为全区最低，大雪的贡献率最大为北郊的米东区（图1f），暴雪以上量级的贡献率最多地区位于城区，分别达到10.1%和0.8%（图略）。
　　2.2 不同相态各级别降水的变化趋势的空间分布
　　采用回归分析方法分析了乌鲁木齐地区5站各等级降水事件平均降水量的时间变化（表2）。从表2中可以看出，全区各等级降水量均呈上升趋势，其中，大雨等级达到了0.05以上的显著性水平，达到22.91mm/10a的增加;冬季除了暴雪增加的趋势不显著外，其余均达0.05以上显著性水平，其中大雪增加最多（11.08mm/10a）。具体表现为：小雨的变化趋势各区不一致外，均表现不显著，乌鲁木齐和米泉为减少的趋势，其余均为增加，中雨和大雨的增加趋势各地表现的较为统一，中雨显著增加主要分布在高山带的大西沟，而大雨则主要为乌鲁木齐和达坂城区;除达坂城区没有出现过大雪外，其它地区大雪量级均呈极其显著的增加趋势，冬季的小雪量级各地均呈增加趋势，其中达坂城和大西沟达到了显著性水平。中雨、大雨和暴雨在达坂城区表现为下降趋势，在乌鲁木齐则表现为显著增加趋势，其余表现为增加趋势较弱，暴雪天气显著增加仅仅发生在乌鲁木齐，其它各区增加不明显或未出现。大暴雨和大暴雪出现的范围较小，而且各区的增加或减少的趋势均表现不明显。
　　2.3 不同相态各等级降水量的变异场分析
　　变差系数用降水量的标准差与多年平均降水量的比值来表示，可以较大程度上反映出降水的偏差性和异常性。表3给出了乌鲁木齐地区降水量的变差系数的空间分布情况，从小雨的变异系数分布来看，各区的差别较小，说明小雨的空间分布较均匀，年际变化不大;从暖季其它等级降雨的变异系数空间分布来看，除米泉和大西沟没有出现过暴雨以外，其它各区变异系数均呈递增趋势，其中小渠子站在各等级中最小，而达坂城为最大，说明除小雨外其它降水均随着年际变化发生波动，而且量级越大分布越不均匀，稳定性下降明显。从冷季各等级降雪量分布来看，与暖季降雨表现出相似特性，量级越高的降雪变异系数越大，小雪和中雪变异系数达坂城区数值明显比其它地区偏大;大雪最大值主要位于高山带，暴雪主要分布在中山带，达坂城和大西沟均无暴雪出现，大暴雪的分布进一步减小，只在城区和米泉发生，而且变异系数也达到了7.0以上。从以上可以看出，冷季降水无论是从空间上还是时间上均比暖季降水分布更加不均匀，大量级以上的降雪比降雨发生对同地区更具有不确定性，而暴雪量级米东区要比其它地区更具有稳定性。 　　2.4 乌鲁木齐地区降水量突变特征分析
　　2.4.1 冷暖季年降水量的突变检验
　　
　　通过Mann-Kendal法对近52a乌鲁木齐地区冷暖两季降水量时间序列进行突变检测。图2a中的UF和UB曲线于1981—1985年显著性水平a=0.05的临界线内有多个交点，说明在1985年以前暖季降水呈波动变化，并且有几个转折点，但并不明显，1985年后暖季降水呈增加趋勢，并在1999年后超出了临界线。因此，乌鲁木齐地区暖季降水在1985年发生突变，并在1999年以后增加显著。
　　由图2b可知，UF和UB曲线基本上都是在显著性水平a=0.05的临界线内在1989年有一个交点，并且在1990年后超出了临界线，表明乌鲁木齐地区冷季降水量在1990年后显著增加，1989年是近52a乌鲁木齐地区冷季气候增湿的突变点。从冷暖季降水比较来看，暖季降水比冷季的降水突变出现时间较早，但是显著增加的年份却是冷季比暖季提前了16a。
　　2.4.2 各等级降水量与降水量突变的相关性分析
　　
　　 从突变分析中可以得出，暖、冷两季降水总量分别在1985年和1989年进行突变，因此选取这2个年份作为节点，分别计算降水总量突变前后各等级降水和降水总量的相关性分析，从而确定是哪个等级降水导致了降水总量的突变。从表中可以看出，暖季降水量在突变发生之前，主要是大雨、暴雨和降水总量的相关性较好，小雨、大暴雨对降水总量的相关性较差;而突变时间以后，各个等级降水和降水总量的相关性均有所增加，但是暴雨对降水总量的相关性明显增大。因此可以得出，在突变后降水量的显著增加主要是暴雨量的增加而导致的。冷季降水的相关性变化与暖季表现出相似的变化特征，突变后也是暴雪对降水总量的相关性大幅增加，但是突变前，小雪和中雪对降水总量的相关性明显较好。
　　2.5 异常降水年份不同相态各级别降水量的空间分布差异性研究  为了分析乌鲁木齐地区不同年份降水情况，将1961—2013年乌鲁木齐地区冷暖季平均年降水量作标准化处理，将距平△S达到1倍标准差（σ）的事件称为异常事件，△S>σ定义为降水偏丰年，△S<-σ定义为降水偏少年，表5给出52a来乌鲁木齐地区降水活动情况。
　　
　　表6给出了52a各等级降水年平均量在异常年份的差异情况。从表中可以看出，除了大暴雪偏少外，其它等级降水量的增多导致了降水偏丰年，而对于降水偏少年，各个等级的降水均出现不同程度的减少。从各个等级的年降水量分析，除大暴雪外其它量级均为降水偏丰年明显大于降水偏少年;暖季降水偏丰年，大暴雨偏多2倍，暴雨次之，大雨较少，而从冷季偏丰年分析，暴雪最多，其次大雪，中雪最少，未出现大暴雪;在暖季降水偏少年，未出现过大暴雨，小雨偏少不到10%，其它等级偏少20%～50%，而冷季偏少年偏少幅度更加明显，除小雪外，均达到了40%以上。降水过程的强度及频数与旱涝关系密切，暖季中小雨年降水量虽然最多，但年分布的频次较均匀，所以对总降水量多寡的贡献并不高;大暴雨虽然少，但其年发生的频率跳跃性大，所以对总降水量的贡献并不低;无论是在降水偏多年还是偏少年，较之其它量级的降水，大雨和暴雨的变化都比较明显，即大雨和暴雨的多少对旱涝的影响很大。在冷季降水中也得到同样的验证，暴雪和大雪事件仍是决定年降水总量的多少最大的因素。
　　3 结论
　　暖季期间乌鲁木齐地区年平均降水量呈西南向东北递减的空间分布，小雨、中雨贡献率分布接近暖季年平均降水总量分布，而大雨、暴雨和大暴雨分布呈现相反形式;冷季的降水分布整体上是自西北向东南方向递减，小雪贡献率分布与冷季年降水量呈反向位分布，而其它级别接近或相同。近52a来，乌鲁木齐地区各等级降水量随着年际变化均呈线性增加趋势，其中大雨增加最为显著，而除大暴雪外，其它降雪级别均增加的较为显著;从不同相态不同等级降水量分布来看，表现出相似特性，量级越高的降水变异系数越大，与暖季降水分布相比，冷季降水的空间分布和时间分布都更加不均匀。从各站分布来看，暖季小渠子站稳定性最好，冷季米东站体现最好;暖季在1985年有少到多的显著突变，增多的原因主要是暴雨量级显著增加，冷季降水在1989年前后发生突变，主要是暴雪量增加而导致的;冷暖季的降水偏多年和偏少年各等级降水波动幅度明显不同，冷季偏多年表现为除大暴雪未发生外，各个等级降水年降水量均明显偏多，而暖季偏多年，各个等级降水年降水量均明显增加，其中大暴雨量级偏多最为明显;偏少年冷暖季最高量级降水均未出现，其它等级降水量均明显减少，其中暖季主要体现在暴雨偏少最为显著，而冷季则为大雪减少的最多。
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　　（责任编辑 常阳阳）
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