摘要: 本文利用伊犁河谷国家基本站和区域自动站2015年至2021年5至10月小时降水资料及伊宁新一代多普勒天气雷达资料，采用常规统计方法对伊犁河谷短时强降水天气时空分布及雷达回波参数值进行了研究分析。结果表明：(1) 伊犁河谷短时强降水空间分布呈山区多，平原少的特点，霍城县北部、伊宁县北部、尼勒克县、昭苏县、特克斯县及新源县东部等地的山区大部为显著的高发区并都处于山前的迎风坡处；(2) 近7a中，短时强降水年发生频次整体呈减少趋势，年平均为20次，2016年出现最多，2020年为最少年份；(3) 短时强降水有明显的月变化，自5月迅速增加，6月达到峰值，8月开始减少，6月至7月最为活跃；(4) 短时强降水的日变化呈单峰型结构，峰值出现时段在18~23时；河谷不同地区的日变化特征也不尽相同，西部、东部呈单峰型结构，而南部呈双峰型结构；(5) 当雷达回波参数值中最大回波强度 > 47 dBZ，垂直积分液态水含量 > 10.8 kg/m
2，回波顶高 < 9.7 km，S35 > 37.2 km
2时，伊犁河谷易发生短时强降水天气。
Abstract: This study analyzes the spatio-temporal distribution and radar echo parameters of short-time heavy precipitation in the Yili River Valley using hourly precipitation data from national basic stations and regional automatic stations in the valley, as well as Doppler weather radar data from Yining, Xinjiang, for the period from May to October between 2015 and 2021. The analysis employs conventional statistical methods. The results indicate that: (1) The spatial distribution of short-time heavy precipitation in the Yili River Valley is characterized by a higher frequency in mountainous areas and a lower frequency in plains. Most of the mountainous regions in the north of Huocheng County, the north of Yining County, Nilka County, Zhaosu County, Tekes County, and the east of Xinyuan County are significant high-incidence areas and are located on the windward slopes of the mountains. (2) Over the past seven years, the annual frequency of short-time heavy precipitation has shown an overall decreasing trend, with an average of 20 events per year. The highest frequency occurred in 2016, while the lowest was in 2020. (3) Short-time heavy precipitation exhibits a clear monthly variation, increasing rapidly from May, peaking in June, and decreasing from August, with the most active period being from June to July. (4) The diurnal variation of short-time heavy precipitation follows an unimodal pattern, with the peak occurring between 18:00 and 23:00. The diurnal variation characteristics also vary among different regions of the valley, with an unimodal pattern in the west and east, and a bimodal pattern in the south. (5) When the radar echo parameters exceed certain thresholds, specifically a maximum echo intensity greater than 47 dBZ, a vertical integrated liquid water content greater than 10.8 kg/m2, an echo top height less than 9.7 km, and an S35 area greater than 37.2 km2, short-time heavy precipitation is likely to occur in the Yili River Valley.
1. 引言
短时强降水是指降水强度大、持续时间短、突发性强、局地性强的强对流天气的一种，这种天气在平原地区易造成城市内涝，山区则易发滑坡、山洪、泥石流等地质灾害，严重危害人民生命安全、影响农牧业生产等。伊犁河谷属于温带大陆性气候，地形复杂，北、东、南三面环山，具有独特的“喇叭口”地形，且海拔由西向东逐渐抬升，降水分布不均且受地形影响显著[1]-[3]。伊犁河谷在5~10月出现长时间、大范围的降水天气较少，强降水多以短时强降水为主。
国内众多学者已对短时强降水的时空分布进特征行了深入研究，沈伟、付超等[4] [5]在研究江苏、江西等地区暖季短时强降水的时空分布特征，发现短时强降水在早晨、午后至傍晚各有一个峰值，日变化具有明显的双峰特征。宇如聪等[6]分析我国暖季降水分布特征指出，华南地区是我国短时强降水的多发区，日变化峰值主要出现在午后、清晨和夜间；姚莉等[7]研究1 h雨强在我国的时空分布特征发现，西南和华南地区日变化最为明显，但雨强在不同等级之间的差异并不大；王浪等[8]研究宝兴县短时强降水，表明短时强降水主要发生在7~8月。徐慧燕等[9]分析丽水地区的短时强降水，指出短时强降水主要出现在5~9月，峰值在6月和8月，日变化呈3峰结构，主峰出现在14~22时，次峰出现在3时和8时。贺发胜等[10]研究河源市短时强降水，指出短时强降水在5月和8月出现频次最多，4~5月容易发生在清晨和下午，其余月份容易发生在下午。
近年来在新疆地区，也有许多气象学者对短时强降水的分布特征进行了深入研究。杨涛等[11]研究表明，新疆短时强降水空间分布极不均匀，每个区域短时强降水日变化明显，月变化不一致；秦贺等[12]研究表明，北疆和南疆短时强降水的月分布呈单峰型，具有迅速增强、迅速减弱的特征；全疆短时强降水的日变化为3峰结构，主峰在午后，次峰在前半夜和清晨，北疆与之相同，而南疆3个峰值时间和强度都与北疆存在显著差异。李博渊等[13]研究表明，新疆北部短时强降水发生频次年变化大，主要发生在6~7月，6月下旬为峰值，且日变化呈明显的单峰型，峰值主要发生在17~19时，显著的高发区是在山脉的迎风坡和喇叭口地形附近。黄艳等[14]研究表明，南疆短时强降水主要发生在7月上旬和8月，日变化为明显的双峰特征，在凌晨、午后至傍晚较易发生。还有许多气象工作者[15]-[24]，通过对本地区短时强降水过程的时空分布、环流条件等研究分析，得到短时强降水分布特征、演变规律等。
从上述疆内外的研究中可以发现，不同地区短时强降水的时空分布特征存在很大差异。伊犁河谷地形复杂，特别是随着全球气候变暖背景下，短时强降水成为伊犁河谷5~10月的主要灾害性天气之一，但对于伊犁河谷这一特定地区短时强降水的研究却相对较少，尤其对出现短时强降水时的雷达参数的统计分析研究的更少。因此，本文旨在基于已有的研究成果的基础上，进一步分析伊犁河谷短时强降水的时空分布特征及雷达参数统计分析，以期为伊犁河谷短时强降水的预报预警提供参考依据。
2. 资料说明
Figure 1. Yili River Valley topography and the site distribution
图1. 伊犁河谷地形及站点分布
降水资料选用伊犁河谷国家站和区域自动站2015~2021年5~10月小时降水实况数据，地形和站点分布见图1；雷达资料为同时段(每6 min 1次)伊宁新一代多普勒天气雷达探测资料。
由于新疆干旱气候背景，在天气监测和预报预警业务中新疆气象部门把短时强降水的标准定为1小时降水量 ≥ 10 mm的强降水[1]。由于近些年伊犁河谷出现1小时降水量 ≥ 20 mm短时强降水的站点和频次均在增多，因此本文选取1小时降水量 ≥ 20 mm数据进行了重点统计分析。每个站点出现≥20 mm/h的雨量记为一个站次，其中年平均值为2015~2021年的平均值。
本部分将伊犁河谷地区分为西部(伊宁市、伊宁县、霍尔果斯市、霍城县、察布查尔县)，东部(尼勒克县、新源县、巩留县)，南部(昭苏县、特克斯县)进行分析。
3. 短时强降水时空分布特征
3.1. 空间分布特征
2015~2021年伊犁河谷10个国家站和89个区域自动站出现过短时强降水，各站短时强降水累计次数为143站次。由(图2)可以看出，伊犁河谷降水空间分布不均，呈现山区多，平原少的特点。尼勒县出现最多，共计31次，占总站次的21.7%，第二为霍城县，23次，占16.1%，其次为昭苏县和特克斯县，分别为22次和21次，占15.2%和14.7%，其余各县(市)共计46次，占32.2%，其中最少出现在伊宁市，只有2次，仅占1.4%。两个极值站点为：昭苏县洪纳海乡乌鲁昆盖村(极值雨强为28.9 mm/h，出现在2015年6月8日11时)、霍城县芦草沟镇别西阿尕什村小东沟(极值雨强为37.3mm/h，出现在2016年5月18日10时)短时强降水次数最多，均为5次。
从(图3)极值雨强分布图来看，短时强降水主要以20.0~29.9 mm/h为主，占总次(88次)的75.0%，各县均有分布，其中西部占36.4%、东部占34.8%、南部占38.8%，主要分布于平原地区；30.1~39.8 mm/h的极值雨强占20.5%，其中西部占33.%、东部占38.0%、南部占27.8%，主要分布在沿山地区；而42.8~44.3 mm/h的极值雨强仅有4次，西部2次，东部2次，主要分布在霍城县北部、伊宁县北部和新源县东部等山区，其中最大极值雨强为44.3 mm/h，2016年6月17日4时发生伊宁县麻扎乡上博尔博松村站。
从以上伊犁河谷短时强降水站次和极值统计来看，霍城县北部、伊宁县北部、新源县东部、尼勒克县、昭苏县及特克斯县等地的山区大部为显著的高发区，并都处于山前的迎风坡处，说明伊犁河谷的短时强降水受特殊的地形影响较大。
Figure 2. Short-time heavy precipitation in various counties (cities) of the Yili River Valley from 2015 to 2021
图2. 2015~2021年伊犁河谷各县(市)短时强降水
Figure 3. Spatial distribution of extreme rainfall intensity for short-time heavy precipitation in the Yili River Valley from 2015 to 2021
图3. 2015~2021年伊犁河谷短时强降水极值雨强空间分布图
3.2. 时间分布特征
3.2.1. 年变化特征
2015~2021年5~10月，伊犁河谷短时强降水共出现143次，年平均20次，从(图4)可知，河谷短时强降水年发生频次整体呈现减少趋势。短时强降水峰值年份为2016、2018及2021年，最多为2016年，达56次，而2019~2021年整体偏少，尤其2020年最少，仅发生2次。
Figure 4. Annual variation curve of annual cumulative frequency of short-time heavy precipitation in the Yili River Valley from 2015 to 2021
图4. 2015~2021年伊犁河谷短时强降水年累积频次年变化曲线
对比分析伊犁河谷西部、东部、南部短时强降水频次的年分布发现，西部和东部短时强降水次数均为50次、南部为43次，年均分别为7次、7次、6次，2017、2020、2021年西部短时强降水维持在平均水平之下，东部短时强降水在2019~2021年均不足平均水平，而南部2015、2019~2021年均在平均水平之下；西部短时强降水两个峰值年份为2016年和2018年，最多为2016年的19次，东部短时强降水峰值年份为2015~2016年，均为17次，而南部短时强降水峰值年份为2016年，为20次。逐年对比发现，2015年河谷短时强降水共发生29次，其中东部就为17次，而南部仅为4次，2019年河谷短时强降水共发生10次，其中西部为8次，东部为2次，而南部没有出现短时强降水；其它年份，河谷西部、东部、南部短时强降水发生频次差距均在2~3次。
3.2.2. 月变化特征
由图5伊犁河谷短时强降水的月分布图可知，月累积变化呈现明显单峰型，5月共13次，占总次9.1%，6月达到峰值76次，占比为53.1%，7月减少为40次，占28.0%，8月为10次，占7.0%，9月、10月迅速减少至2次，均占1.4%，且6~7月出现频次占总频次的比例高达81.1%。说明，河谷短时强降水在6~7月最为活跃，6月达到峰值。
对比伊犁河谷西部、东部、南部短时强降水频次的月分布发现，均呈现单峰型，西部、东部短时强降水频次自5月迅速增加，6月达到峰值，7月迅速减少，整体呈迅速增强、迅速减弱的特点；而南部5~6月缓慢增多，7月达到峰值，8月迅速减少，整体为缓慢增加、迅速减弱的特点。西部峰值出现在6月，为34次，占总次(50次)的68.0%，东部峰值也出现在6月，为33次，占总次(50次)的66.0%，而南部峰值出现在7月，为21次，占总次(43次)的48.8%。
Figure 5. Monthly variation curve of cumulative frequency of short-time heavy precipitation in the Yili River Valley from 2015 to 2021
图5. 2015~2021年伊犁河谷短时强降水累积频次月变化曲线
3.2.3. 日变化
从图6可知，伊犁河谷短时强降水主要出现在午后至凌晨，即当日15时至次日01时，共计123次，占总次数的83%。短时强降水的日变化呈单峰型结构，15时起迅速增多，峰值出现时段在18~23时，其中23时频次最多，为19次。短时强降水在后半夜大幅下降，03~14时发生次数相对较少，共计24次，占总次数的17%，其中09时频次最少，为0次。
对比伊犁河谷西部、东部、南部短时强降水日变化来看，西部、东部与河谷短时强降水日变化相同，呈单峰型结构，但峰值出现时次有前后差异，而南部呈双峰型结构。西部短时强降水峰值出现时段与河谷相同，也出现在18~23时，其中18时频次最多，为8次；东部峰值时段在20时至次日01时，22时频次最多，为8次；南部短时强降水出现时段较西部和东部偏早，15时迅速增加，17~20时出现主峰，18时频次最多，为7次，次峰出现在23时，频次为6次。
Figure 6. Diurnal variation curve of cumulative frequency of short-time heavy precipitation in the Yili River Valley from 2015 to 2021
图6. 2015~2021年伊犁河谷短时强降水累积频次日变化曲线
4. 雷达回波参数值分析
目前新一代天气雷达可监测到多种高时空分辨率的产品，这些强对流天气分析产品极大地增强了短时和临近灾害性天气的监测和预警能力，但这些产品需要根据本地区特殊地形进行试用和总结，才能有效地提高强对流天气的识别准确率。为此，统计了2015~2021年5~10月伊犁河谷短时强降水天气发生期间，伊宁新一代天气雷达系统识别出并产生强降水的风暴单体作为样本。伊宁新一代天气雷达风暴识别追踪分析临近预报产品识别出了101个强降水风暴单体，共计有119站出现短时强降水。伊犁河谷短时强降水主要是对流性强降水，统计最大反射率因子强度、垂直液态水含量、回波顶高及35 dBZ以上强度回波的面积(S35)等参数，由此得到短时强降水风暴单体的参数值。
Table 1. Statistics of radar echo parameters
表1. 雷达回波参数统计表
|
|
最大反射率因子强度/dBZ |
垂直积分液态水含量/(kg/m2) |
回波顶高/km |
回波面积/km2 |
5~9月 |
最大 |
63 |
26.9 |
14.5 |
163.1 |
最小 |
37 |
1.1 |
4.8 |
16.5 |
平均 |
50.5 |
10.8 |
8.5 |
53.8 |
≥70% |
>47 |
>6 |
<9.7 |
>37.2 |
统计表1结果表明，短时强降水发生时最大反射率因子强度最大值63 dBz，最小37 dBz，平均50.5 dBz，大于等于50 dBz的几率为61%；垂直液态水含量最大达26 kg/m2，平均为10.8 kg/m2；回波顶高最高为15.5 km，最低4.8 km，平均8.5 km；S35最大为163.1 km2，最小16.6km 2，平均53.8 km2。70%以上的短时强降水最大反射率因子强度在47 dBZ以上，垂直积分液态水含量在10.8 kg/m2以上，回波顶高低于9.7 km，S35为37.2 km2以上。根据上述统计的结果，设定雷达参数阈值，当相应的雷达参数阈值满足时，伊犁河谷发生1小时降水量 ≥ 20 mm短时强降水天气可能性较大。
5. 结论与讨论
本文利用2015~2021年5~10月伊犁河谷10个国家基本站和89个区域自动站逐小时降水资料，系统分析了伊犁河谷短时强降水的时空分布特征和雷达回波参数值的统计，得出以下结论：
(1) 伊犁河谷短时强降水空间分布不均，呈现山区多，平原少的特点。出现最多的是尼勒克县，其次是霍城县，最少的是伊宁市。霍城县北部，伊宁县北部、新源县东部、尼勒克县、特克斯县及昭苏县等地的山区为显著高发区，并都处于山前的迎风坡处。
(2) 近7年中，伊犁河谷短时强降水年发生频次整体呈现减少趋势，年平均为20次；2016年是出现短时强降水最多年份，达56次，2020年为最少年份，仅发生2次。
(3) 伊犁河谷短时强降水有明显的月变化。自5月迅速增加，6月达到峰值，7月略有减少，8月开始迅速减少。河谷短时强降水6~7月最为活跃，短时强降水次数占总次数的81.1%。
(4) 伊犁河谷短时强降水的日变化呈单峰型结构，峰值出现时段在18~23时。河谷不同地区的日变化特征不尽相同，西部、东部与河谷短时强降水日变化特征相同，呈单峰型结构，峰值出现时段和强度与之也存在差异，而南部呈双峰型结构。
(5) 当雷达回波参数值中最大回波强度 > 47 dBZ，垂直液态水含量在>10.8 kg/m2，回波顶高 < 9.7 km，S35 > 37.2 km2时，伊犁河谷易发生1小时降水量 ≥ 20 mm短时强降水天气。
由于伊犁河谷短时强降水受特殊的地形影响较大，目前河谷区域气象站点空间分布不均匀，总体上是平原多、山区少，因此可能会对短时强降水的空间分布统计造成一定影响。
基金项目
伊犁哈萨克自治州科技计划项目(YJC2023A10)；新疆气象局科学研究项目(QN202405)。
NOTES
*通讯作者。