1. 引言
对流性天气是指冰雹、雷暴、闪电等阵性天气，具有突发性强、生命史短、局地性强、灾情重等特点。新疆山脉连绵纵横，形成了有利于对流性天气发生、发展的地势和地形条件。
冰雹是一种强的对流性天气。新疆天山以南的冰雹与地形走势密切相关，在春季和夏季容易发生，且与气温和降水有一定的联系 [1] [2] 。冰雹天气出现在特定的天气形势下，常有不稳定能量的释放 [3] [4] [5] [6] [7] 。雷暴是指积雨云中发生的雷电交作的激烈放电现象 [8] ，新疆每年都会出现因雷暴而引发的人员伤亡以及建筑物击毁、电力中断等灾害损失 [9] 。研究表明中国以及新疆的雷暴天气呈减少趋势且存在周期变化 [10] - [16] ，还有学者对雷暴产生的地面强风、潜势预报、云的水成物组成进行了分析 [17] [18] [19] [20] [21] 。近年来，迅速扩张的城市下垫面对雷暴的发生产生影响 [22] ，也有学者开始考虑冬季雷暴天气的变化趋势及其可能的原因 [23] 。闪电是强对流天气的一种产物，具有高电压，强电磁辐射等特征。基于中国雷电监测定位系统的闪电观测资料，王娟等 [24] 给出了中国闪电的地理分布特征。目前对降水与闪电的关系开展了一些探索性的研究工作 [25] [26] 。
本文对1961~2013年新疆冰雹、雷暴、闪电的地理分布、年变化、日变化及持续时间进行分析，并探讨5~8月对流性天气出现日数与气温、降水的关系，分析结果旨在为对流性天气的预测提供依据。
2. 资料和方法
本文采用1961~2013年53年新疆93个地面气象观测站记录的冰雹和雷暴开始与终止时间、闪电日数资料。所选93站中有54站全天记录冰雹(雷暴)事件的起止时间，其余39站白天(08:00~20:00)记录冰雹(雷暴)的起止时间，夜间(20:00~08:00)只记录冰雹(雷暴)是否出现。因而仅对54个气象站进行日变化、持续时间的统计分析。若某日出现了冰雹、雷暴、闪电之中的一种或一种以上，则该日记为一个对流性天气出现日。
将每次冰雹(雷暴)事件的起止时间换算成长度为1440 (24小时 × 60分钟)的时间序列，序列中某分钟冰雹(雷暴)事件出现记为1，不出现记为0。统计某站53年每分钟冰雹(雷暴)出现的累积次数，它与该站54年出现总日数相比得到每分钟出现频率，用出现频率来分析冰雹(雷暴)的日变化特点。根据每次冰雹(雷暴)事件的开始时间和终止时间，计算得到每次的持续时间。以0.1 h为时间间隔单位，计算某站53年冰雹(雷暴)持续时间出现在不同时间间隔的频率。
3. 对流性天气的时空分布特征
3.1. 冰雹
新疆冰雹集中出现在天山山脉、帕米尔高原、阿尔泰山和西部界山山区。天山山脉西段的昭苏和巴音布鲁克年平均冰雹日数分别超过15 d和10 d，帕米尔高原上年平均日数5 d~10 d，其它山区年平均日数1 d~3 d (图1)。北疆冰雹集中在5~8月，南疆冰雹集中在5~9月。昭苏、巴音布鲁克、乌恰月降雹日数最多的是6月。阿合奇降雹日数自4月开始逐月增多，到8月达到最多。温泉降雹日数也是逐月增多，到7月达到最多。托里5月最多，其后的3个月降雹机会均等。
Figure 1. Annual average hail days in Xinjiang from 1961 to 2013
图1. 1961~2013新疆年平均冰雹日数
新疆的冰雹多发生于午后至傍晚，热力因素和不稳定条件起到了关键作用。昭苏和巴音布鲁克主要出现在14:00~22:00，16:00~19:00是高峰期；托里、温泉主要出现在13:00~22:00，高峰期托里在13:00~16:00，温泉在17:00~20:00；阿合奇集中在16:00~21:00，高峰期在18:00前后；乌恰集中在16:00~22:00，高峰期在17:00~19:00。在新疆有60%的冰雹持续时间在6 min以内。
3.2. 雷暴
新疆雷暴自天山南脉的喀什西部山区、阿克苏西部山区向北经天山西部山区到天山中部山区为一东西走向的带状高发区，带状高发区在阿合奇、乌什、昭苏、特克斯、巴音布鲁克一线和温泉为年平均日数≥ 50 d的高发中心(图2)。北疆西部塔城地区的托里存在年均日数≥ 30 d的多发中心。新疆雷暴在昭苏出现最为频繁，年均出现83 d，而在南疆盆地、北疆盆地、东疆地区则出现较少，尤其在沙漠南缘的和田地区、巴州南部地区出现最少。新疆雷暴在4~10月出现，集中于6~8月，7月雷暴最为活跃。新疆航空市场在每年的6~10月最为火暴，客货运输量较大，飞行活动最为频繁，因而此期间新疆的雷暴对飞行活动影响较大。
Figure 2. Annual average thunderstorm days in Xinjiang from 1961 to 2013
图2. 1961~2013新疆年平均雷暴日数
新疆区域雷暴日变化存在较大的差异，但在一定地域内雷暴的日变化具有相同的趋势。其特征如下：准噶尔盆地西部、北部及东疆地区雷暴13:00~20:00出现较多，高峰期15:00~17:00；北疆沿天山一带的雷暴多出现在18:00~24:00，高峰期21:00~22:00；天山西部、中部和南疆西部山区雷暴14:00~19:00出现较多，高锋期在17:00~18:00。塔里木盆地边缘的西北部、北部、东部、东南部雷暴多发时段较长，从午后16时至次日凌晨05时；塔里木盆地南缘雷暴多出现在17:00~23:00。新疆雷暴的持续时间大部分在1.5 h以内。
3.3. 闪电
新疆闪电在天山南麓从阿克苏地区到巴州，存在一轴向呈东北—西南向与天山山脉走向相近的带状高发区，带状区西部从柯坪到阿克苏至拜城一线为年均闪电日数大于30 d的高发中心(图3)。新疆闪电发生最为频繁的是柯坪站，年均闪电日数达34 d。北疆西部到北疆北部也有一带状高发区，阿拉山口经克拉玛依到福海，高发中心在阿拉山口附近。新疆的闪电年变化曲线分布呈单峰正态形状，闪电出现在3~11月，6~8月为多发期，7月达到峰值。
Figure 3. Annual average lightning days in Xinjiang from 1961 to 2013
图3. 1961~2013新疆年平均闪电日数
4. 对流性天气与气温和降水的关系
新疆对流性天气西多东少，高发区在塔城地区、博州、伊犁河谷、阿克苏地区和南疆西部山区一线，年平均日数在30 d以上(图4)。昭苏位于全疆之冠，高达87 d，阿合奇、温泉、巴音布鲁克、特克斯、柯坪、乌什、拜城在50 d~62 d。5~9月是对流性天气的多发时段，以盛夏7月最多，6月次之。
Figure 4. Annual average convective weather days in Xinjiang from 1961 to 2013
图4. 1961~2013新疆年平均对流性天气日数
为了分析对流性天气的气候成因，计算5~8月对流性天气出现日数与同期平均气温、累计降水量之间的相关系数，并进行显著性检验。相关系数的计算和检验表明，新疆大部分地区5~8月对流性天气出现日数与平均气温之间有着显著的负相关关系，这就意味着有利于对流性天气的影响系统出现时温度偏低。
图5给出相关系数显著的塔城地区、博州、伊犁河谷、阿克苏地区、喀什地区，区域平均对流性天气日数距平和气温距平的年际变化。由图可见，1961年以来对流性天气日数明显减少，塔城地区每10 a减少3.5 d，博州5.5 d，伊犁河谷4.7 d，阿克苏地区2.9 d，喀什地区1.5 d，以1995年为分水岭，之前明显偏多，之后偏少。在1960年代至1970年代中期对流性天气日数与气温有着明显相反的变化趋势，1976年到1996年相反的变化趋势不明显，1997年之后再度表现出明显的相反变化趋势。
塔城地区、博州、伊犁河谷、阿克苏地区、喀什地区对流性天气平均日数分别为26、34、37、28、19 d。当气温距平≥ 0.5℃时，塔城地区、博州、伊犁河谷、阿克苏地区、喀什地区对流性天气日数为负距平的正确率分别为79%、87%、79%、87%、80%，对流性天气日数的平均负距平分别为−3、−5、−6、−5、−5 d；当气温距平≤ −0.5℃时，塔城地区、博州、伊犁河谷、阿克苏地区、喀什地区对流性天气日数为正距平的正确率分别为81%、67%、78%、80%、86%，对流性天气日数的平均正距平分别为6、7、5、5、5 d。这表明在多数情况下，当气温距平偏高(低)幅度超过0.5℃时，对流性天气日数就会偏少(多)。这为对流性天气日数偏多偏少的预测提供了一种技术手段。
而5~8月对流性天气出现日数与降水量之间只在塔城地区、喀什地区有着显著的正相关关系，这就意味着在这些地区，5~8月的降水主要来自对流性天气。图6给出塔城地区、喀什地区区域平均对流性天气日数距平和降水量距平百分率的年际变化。在塔城地区以1986年为界，之前对流性天气日数与降水量的变化趋势一致性较差，之后一致性较好。喀什地区在1960年代至1980年代对流性天气日数与降水量有着一致的变化趋势，1995之后变化趋势的一致性欠佳。
Figure 5. Interannual variations of convective weather days and temperature anomalies from May to August 1961-2013
图5. 1961~2013年5~8月对流性天气日数距平和气温距平的年际变化
Figure 6. Interannual variation of convective weather days anomaly and precipitation anomaly percentage from May to August 1961-2013
图6. 1961~2013年5~8月对流性天气日数距平和降水量距平百分率的年际变化
当降水量距平百分率≥ 20%时，塔城和喀什地区对流性天气日数为正距平的正确率分别为77%、90%，对流性天气日数正距平分别为4、5 d；当降水量距平百分率≤−20%时，塔城和喀什地区对流性天气日数为负距平的正确率分别为72%、85%，对流性天气日数负距平分别为−3、−3 d。塔城和喀什地区在多数情况下，当降水量距平百分率偏多(少)幅度超过20%时，对流性天气日数就会偏多(少)。这一结果也可作为预测对流性天气出现日数偏多偏少的一种依据。
5. 结论
新疆冰雹集中出现在天山山脉、帕米尔高原、阿尔泰山和西部界山山区，昭苏和巴音布鲁克年平均冰雹日数分别超过15 d和10 d。冰雹集中在5~9月，多发生于午后至傍晚的14:00~22:00，16:00~19:00是高峰期，有60%的冰雹持续时间在6 min以内。新疆雷暴自天山南脉的喀什西部山区、阿克苏西部山区向北经天山西部山区到天山中部山区为一东西走向的年平均日数≥ 50 d的带状高发区。雷暴集中于6~8月，午后至傍晚的14:00~19:00出现较多，高锋期在17:00~18:00。雷暴的持续时间大部分在1.5 h以内。新疆闪电在天山南麓从阿克苏地区到巴州，存在一轴向呈东北–西南向与天山山脉走向相近的带状高发区，闪电6~8月为多发期。
新疆对流性天气西多东少，高发区在塔城地区、博州、伊犁河谷、阿克苏地区和南疆西部山区一线，年平均日数在30 d以上。5~9月是对流性天气的多发时段。5~8月新疆大部分地区对流性天气日数与平均气温之间有着显著的负相关关系，在多数情况下当气温距平偏高(低)幅度超过0.5℃时，对流性天气日数就会偏少(多)。而5~8月对流性天气日数与降水量之间只在塔城地区、喀什地区有着显著的正相关关系，在多数情况下当降水量距平百分率偏多(少)幅度超过20%时，对流性天气日数就会偏多(少)。对流性天气多发区气温和降水可作为预测对流性天气日数出现多寡的一种依据。
基金项目
公益性行业(气象)科研专项经费项目(GYHY201306047)。
NOTES
*通讯作者。