暴雨是小概率的极端降水事件,易引发洪涝灾害,甚至危及人民生命安全,给国民经济带来巨大损失,因此对暴雨形成机理及预报技术的研究一直是国内外气象学者关注的重点^{[1⇓⇓⇓-5]}。暴雨是在大尺度环流背景下,由中小尺度天气系统热力和动力不稳定造成^[6⇓⇓-9]。随着观测手段和数值模式模拟能力的提高,暴雨的精细化特征和中小尺度系统逐渐被人们认识。我国暴雨主要发生在华南、长江流域和华北地区^[10],具有很强的区域性差异^[11⇓-13],与洪涝有密切关系^[14]。20世纪80年代后,我国总降水量变化不明显,但极端降水强度有增强趋势^[15-16],除华北地区外,其他区域的暴雨频数都明显增加^[17]。有研究预估21世纪末我国极端强降水事件将进一步增加,且极端降水的强度和频率也将增强,我国暴雨洪涝风险可能随时间呈增加趋势^[18]。

新疆南部(简称“南疆”)位于新疆天山山脉以南,昆仑山以北,属典型的干旱区,水资源分布极不均匀,大部分地区的年平均降水量不足100 mm,其降水特征与我国东部季风区存在较大差异^[19-20]。近年来随着国家“一带一路”建设的发展,南疆的战略地位进一步凸显。研究表明,在气候变暖背景下,全球整体呈现干旱化趋势,其中半湿润区干旱化最明显,而干旱区却表现为变湿趋势^[21]。20世纪80年代后期以来,新疆气候由暖干向暖湿转型,且南疆转型信号强于北疆^[22-23],降水呈明显的阶段性增长特征^[24]。近年来,南疆暴雨灾害呈明显增加趋势^[25],暴雨造成的灾害约占当地气象灾害的三分之一以上。目前针对南疆暴雨的研究主要集中在天气学方面^[26],对造成南疆暴雨的大尺度环流背景、中尺度天气系统特征及暴雨的水汽源地和输送路径等有较全面的认识^{[27⇓⇓-30]}。然而,针对南疆暴雨年代际特征的研究还较少,特别是南疆暴雨在暖干和暖湿两个不同的气候背景下,分别呈现怎样的年代际特征,存在何种差异等都还不清晰。基于上述问题,本文利用1961—2020年南疆44个国家气象站逐日降水资料,分别讨论南疆暴雨日数、暴雨雨量和暴雨强度的年代际特征,对比分析上述指标在暖干和暖湿两个不同气候背景下的差异,以期为干旱区极端降水风险防范提供参考。

利用新疆气象信息中心提供的1961—2020年5—9月(暖季)南疆44个国家气象站逐日降水资料分析暴雨特征;使用1961—2020年5—9月NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) 100 hPa、500 hPa高度场和700 hPa风场的逐日平均再分析资料(水平分辨率为2.5°×2.5°)分析环流特征。按照新疆天气预报业务规定^[19],将南疆划分为5个区域,即西部、北部、东部、南部和吐哈盆地(图1)。由于全国暴雨标准在新疆不适用,因此采用新疆降水业务标准^[19],即日降水量R≥24.1 mm为暴雨。暴雨强度为累计暴雨量与累计暴雨日数之比,24 h内2站次及以上国家气象站出现暴雨记为一次暴雨天气过程。

20世纪80年代后期南疆气候发生了由暖干向暖湿的转型^[22-23],因此本文将1961—1990年称为暖干期,1991—2020年称为暖湿期。

表1列出1961—2020年5—9月暖干期和暖湿期南疆暖季暴雨日数、暴雨站次、暴雨雨量、暴雨强度及暴雨雨量占总降水量比例。图2为1961—2020年南疆暖季累计暴雨日数、暴雨站次、暴雨雨量、暴雨强度及暴雨雨量占总降水量比例的年代际变化。可以看出,过去60 a,南疆暖季的累计暴雨日数和暴雨站次均呈增加趋势,二者均在20世纪60年代最少,分别为39 d和55站次,20世纪90年代最多,分别为67 d和91站次。南疆暖季暴雨日数和暴雨站次均存在明显的阶段性差异,20世纪60至80年代(暖干期)二者分别为47.3 d和64站次,20世纪90年代至21世纪10年代(暖湿期)二者分别增加至62.3 d和89站次。可见,进入暖湿期后南疆暖季的暴雨日数和暴雨站次均明显增加。

1961—2020年南疆暖季累计暴雨雨量与暴雨日数类似,也呈增加趋势,且阶段性特征明显。20世纪60年代南疆累计暴雨雨量最少(1715.1 mm),21世纪00年代最多(3056.6 mm)。暖干期南疆平均累计暴雨雨量为2051.8 mm,暖湿期为2932.7 mm,暖湿期较暖干期偏多880.9 mm。

1961年以来,南疆暴雨强度呈缓慢增加趋势,暖湿期和暖干期的差异不大。20世纪60、70、80年代暴雨强度分别为30.3、31.5、31.5 mm·d^-1,20世纪60至80年代平均强度为31.1 mm·d^-1;20世纪90年代、21世纪00、10年代暴雨强度分别为30.8、34.4、33.0 mm·d^-1,20世纪90至21世纪10年代平均强度为32.7 mm·d^-1。

20世纪60、70、80年代(暖干期),南疆暖季暴雨雨量占总降水量的比例分别为9.3%、9.8%、10.7%;20世纪90年代、21世纪00、10年代(暖湿期)分别为11.6%、11.5%、8.7%。1961—2020年南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例的变化趋势不明显,其中20世纪80年代至21世纪00年代的占比相对较高,暖干期、暖湿期南疆暴雨雨量占总降水量比例分别为10.0%、10.6%,暖湿期仅比暖干期增加0.6%,可见二者差异不大。

南疆位于干旱区,暴雨较少,1961—2020年南疆暖季平均暴雨日数的空间分布总体呈西部多、东部少,山区多、平原少的特征,阿合奇站的年平均暴雨日数最多,为1.1 d,吐哈盆地最少,不足0.1 d,吐鲁番和托克逊2站未出现暴雨,南疆其他地区的平均暴雨日数为0.1~0.4 d(图略)。图3为不同年代和不同气候背景下南疆累计暴雨日数的空间分布。可以看出,20世纪60年代,南疆共有25站出现暴雨,占总站数的56.8%,西部山区的累计暴雨日数为5~9 d;吐哈盆地无暴雨出现,其他区域累计暴雨日数为1~2 d。20世纪70年代,南疆总暴雨站数增加为26个,西部山区的累计暴雨日数减少为4~8 d,吐哈盆地出现暴雨1 d,其他区域为2~4 d。20世纪80年代,南疆总暴雨站点数突增至35个,最大累计暴雨日数在西部山区(7 d),吐哈盆地仍为1 d,南疆其他区域累计暴雨日数与20世纪70年代接近。20世纪90年代至21世纪10年代,南疆暴雨的总站数维持在32站左右,西部山区的最大累计暴雨日数增加至15 d,吐哈盆地增加至3 d,其余区域为5~7 d。

在暖干期,南疆共有41站出现暴雨,西部山区的累计暴雨日数为11~24 d,其中阿合奇站最多(24 d);南部、东部和吐哈盆地为1~2 d,其他区域为3~8 d。进入暖湿期后,南疆暴雨站数减少为39站,西部山区的累计暴雨日数增加至13~40 d,南部和东部增加至4~11 d,其他区域为2~10 d。由南疆暖湿期与暖干期累计暴雨日数差值的空间分布(图略)可以看出,南疆暖湿期有43.2%的站点累计暴雨日数多于暖干期,主要分布在南疆西部山区、南部和东部,其中西部山区的最大累计暴雨日数约为暖干期的1.7倍,西南部个别站点甚至为暖干期的10倍之多。南疆暖湿期有31.8%的站点累计暴雨日数少于暖干期,主要分布在南疆北部和吐哈盆地。20世纪80年代中后期受西北北部蒙古高压反气旋环流增强的影响,除西北地区东部外,我国西北其他大部分地区500 hPa南风分量近年来一致趋于增强,南风增强的地方与水汽增多的地方基本一致,新疆西南部地区就是南风明显增强的区域之一^[21]。因此,暖湿期南疆西南部暴雨日数异常增加,可能与南风水汽的异常输入有关。

图4为不同年代和不同气候背景下南疆暖季累计暴雨雨量的空间分布。可以看出,20世纪60年代,南疆西部山区的累计暴雨雨量在150.0~300.0 mm,吐哈盆地无暴雨,其他区域累计暴雨雨量在30.0~80.0 mm。20世纪70、80年代,南疆西部山区累计暴雨雨量有所减少(100.0~250.0 mm),但其他区域略有增加(40.0~150.0 mm)。20世纪90年代,南疆西部山区的累计暴雨雨量增加至250.0~350.0 mm,北部个别站点超过200.0 mm,其他地区在50.0~120.0 mm左右。21世纪00、10年代,南疆偏西、偏南地区的累计暴雨雨量继续增加,特别是西部山区增加至500.0 mm左右,南部增加至150.0 mm左右。

进一步对比南疆暖季累计暴雨雨量在不同气候背景下的差异可以看出,在暖干期,西部山区累计暴雨雨量为338.0~815.0 mm,其中阿合奇站最多(815.0 mm),吐哈盆地不足100.0 mm,南疆其他区域在50.0~250.0 mm。在暖湿期,南疆西部山区的累计暴雨雨量增加至395.0~1316.0 mm,而南疆西部平原和南部的累计降雨量增加至250.0~350.0 mm。从南疆暖湿期和暖干期累计暴雨雨量差值的空间分布(图略)可以看出,南疆暖湿期有23站的累计暴雨雨量多于暖干期,这些站点主要分布在南疆西部和南部;暖湿期有18站累计暴雨雨量少于暖干期,这些站点主要分布在南疆北部和吐哈盆地。

全球变暖促进大气循环加速,使得新疆的外来水汽输入量增多,加之新疆本区气温上升明显,从而使得区域内小循环增强,当地空中水汽蒸发量加大,进而引起降水量增加^[24]。由前文分析可知,1961—2020年,南疆大部区域的暴雨日数和暴雨雨量均呈增加趋势,暖干期暴雨日数和暴雨雨量的大值区都集中在南疆西部山区,平原相对较少,主要由于南疆地处干旱区,水汽条件匮乏,因此平原地区较难形成暴雨;而山区在迎风坡地形抬升的有利条件下,较平原区更易形成暴雨,所以在暖干期和暖湿期,南疆山区暴雨日数和暴雨雨量均多于平原。但进入暖湿期后,由于外来水汽输送量和本地水汽蒸发量增加,南疆水汽增加,区域内暴雨所需的水汽条件得到改善,因此山区和平原的暴雨日数及暴雨雨量均有明显增加,其中南疆西部山区的累计暴雨雨量约为暖干期的1.5倍,南疆南部平原区累计暴雨雨量约为暖干期的6.8倍。

图5为不同年代和不同气候背景下南疆暖季暴雨强度的空间分布。可以看出,20世纪60至80年代,南疆各年代暴雨强度的区域性特征均不明显;20世纪90年代后,南疆北部、西部的暴雨强度增强。对比前文分析不难看出,南疆暖季暴雨日数和暴雨雨量都表现为山区大于平原,过去60 a,南疆各年代暴雨日数和暴雨雨量的最大值均出现在南疆西部山区的阿合奇站,其海拔高度为1985.1 m;但南疆暖季暴雨强度与暴雨日数和暴雨雨量不同,即各年代暴雨强度的最大值都出现在低海拔站点(海拔高度为887.7~1204.7 m)。研究表明,南疆山区站点的暴雨多以持续性降水为主,而平原地区的暴雨则多由强对流系统引发的短时强降水造成^[31],因此南疆平原地区的累计暴雨日数和暴雨雨量虽然小于山区,但其暴雨强度却远大于山区,如2018年5月21日和田地区皮山县1 h降水量达53.8 mm,接近其年平均降水量(54.2 mm)。

从暖干期南疆暖季暴雨强度的空间分布可以看出,有16站暴雨强度小于30.0 mm·d^-1,占39.0%;有23站暴雨强度在30.0~40.0 mm·d^-1,占56.1%;有2站暴雨强度大于40.0 mm·d^-1,占4.9%;暴雨强度相对较大的区域主要集中在南疆北部和东部,其中南疆东部若羌站的暴雨强度最大,达56.8 mm·d^-1。在暖湿期,有10站暴雨强度小于30.0 mm·d^-1,占25.7%;有27站暴雨强度在30.0~40.0 mm·d^-1,占69.2%;有2站暴雨强度大于40.0 mm·d^-1,占5.1%;暴雨强度相对较大的区域主要集中在南疆北部,最大达52.3 mm·d^-1。对比南疆暴雨强度在暖湿期和暖干期的差异(图略)可以看出,在暖湿期,南疆暴雨强度在30.0~40.0 mm·d^-1的站点比例明显增加,有24站暴雨强度增强,17站暴雨强度减弱,其中暴雨强度增强的站点主要位于南疆北部、西部和西南部,减弱的站点主要位于吐哈盆地。

图6为不同年代和不同气候背景下南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例的空间分布。可以看出,20世纪60年代,南疆暴雨雨量占总降水量的比例在4.6%~31.7%,最大值位于南疆东南部(31.7%);20世纪70年代,南疆暴雨雨量占总降水量的比例在4.0%~41.5%,最大值位于南疆南部(41.5%);20世纪80年代,南疆暴雨雨量占总降水量的比例在4.4%~36.5%,最大值位于南疆东南部(36.5%);20世纪90年代至21世纪10年代,南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例的最大值有所降低,在29.0%~32.4%,但仍位于南疆南部和东南部。1961—2020年,南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例的大值区主要分布在南疆南部和东南部,对比图3和图4可以发现,这些区域各年代暴雨日数不超过3 d,年平均降水量大多在50.0 mm左右,这些区域暴雨出现的频次虽少,但一次暴雨过程的降水量能接近甚至超过其年平均降水量^[20],因此暴雨雨量占总降水量的比例明显高于我国东部季风区。

由前文分析可知,1961—2020年南疆暖季总暴雨雨量占总降水量的比例为10.3%,其中暖干期为10.0%、暖湿期为10.6%,因此以10.0%为标准进一步分析暖干期和暖湿期南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例的空间分布。可以看出,在暖干期,南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例小于10.0%的站点有23站,占暴雨站数的56.1%,大于10.0%的站点有18站,占43.9%;暴雨雨量占总降水量比例的最大值分布在南疆东部,达25.1%。在暖湿期,南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例小于10.0%的站点有18站,占46.2%,大于10.0%的站点有21站,占53.8%;暴雨雨量占总降水量比例的最大值也出现在南疆东部,达20.3%。此外,南疆西部和西南部暴雨雨量占总降水量的比例也相对较大,占比超过18.0%。对比南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例在暖湿期和暖干期的差异(图略)可以看出,在暖湿期,南疆暖季暴雨雨量占总降水量比例超过10.0%的站点增加,有19站暴雨雨量占总降水量的比例增加,平均增加幅度为5.9%,其中南疆西南部暴雨雨量占总降水量比例增多最明显,异常增加幅度超过10.0%。南疆暖季有23站暴雨雨量占总降水量的比例减少,平均减少幅度为3.6%。

中亚低槽、中亚低涡和塔里木东风低空急流是造成南疆暖季暴雨的主要影响系统,当伊朗副热带高压东伸北挺,新疆东部高压西伸北抬,两高压之间为中亚低值系统(低槽或低涡),且在塔里木盆地东部有东风低空急流配合时,南疆易出现暴雨^[19]。表2为1961—2020年5—9月暖干期和暖湿期南疆不同类型暴雨过程统计。可以看出,暖干(湿)期,南疆暖季共有29(45)次暴雨过程,其中低槽型暴雨过程有12(37)次,占比41.4%(82.2%),低涡型暴雨过程有17(8)次,占比58.6%(17.8%)。南疆暖季暴雨在暖干期以低涡型为主,在暖湿期以低槽型为主。

图7为暖干期和暖湿期南疆暖季低槽型暴雨和低涡型暴雨的500 hPa位势高度场、风场及850 hPa风场合成。可以看出,在南疆暖季低槽型暴雨中,低槽主体位于60°E—80°E、35°N—45°N,南疆位于低槽前部,受西南气流控制,塔里木盆地东部有一支偏东气流,自东向西伸入至85°E附近。从南疆暖季低槽型暴雨在暖湿期和暖干期的环流差值场[图8(a)]可以看出,中高纬乌拉尔山地区和贝加尔湖地区为反气旋式环流异常控制,萨彦岭附近为气旋式环流异常控制,南疆上空500 hPa存在北风异常,850 hPa存在东风异常。在南疆暖季低涡型暴雨中,低涡主体位于65°E—75°E、40°N—45°N,暖干期的低涡范围较暖湿期略大,南疆位于低涡前部,塔里木盆地东部的偏东气流西伸至80°E附近。从南疆暖季低涡型暴雨在暖湿期和暖干期的环流差值场[图8(b)]可以看出,中高纬环流异常与低槽型相反,即中高纬乌拉尔山地区和贝加尔湖地区为气旋式环流异常控制,萨彦岭附近为反气旋式环流异常控制,南疆上空500 hPa和850 hPa均存在南风异常。综上可知,南疆暖季不同类型的暴雨在不同的气候背景下,其环流配置存在差异,造成上述差异的物理机制还需进一步深入研究。

(1)1961年以来,南疆暖季的累计暴雨日数、暴雨站次和暴雨雨量在暖湿期均明显多于暖干期,但暴雨强度和暴雨雨量占总降水量的比例在暖干期与暖湿期的差异不大。

(2)南疆暖季山区的暴雨日数和暴雨雨量均大于平原地区,但平原的暴雨强度却大于山区,南疆各年代暴雨强度极值都出现在平原低海拔站点。

(3)暖干期,南疆暖季累计暴雨日数和暴雨雨量的大值区均在山区。暖湿期,南疆大部地区的累计暴雨日数和暴雨雨量均有所增加,其中西部山区的最大累计暴雨日数较暖干期增加约1.7倍,累计暴雨雨量增加约1.5倍;南部平原区的最大累计暴雨日数较暖干期增加超过10倍,累计暴雨雨量较暖干期增加6.8倍。此外,暖湿期南疆西南部地区的暴雨强度和暴雨雨量占总降水量的比例也均比暖干期明显增加。

(4)南疆暖季暴雨在暖干期以低涡型为主,在暖湿期以低槽型为主;850 hPa偏东气流在低涡型暴雨中比低槽型暴雨西伸更加明显,在暖湿期与暖干期环流差值场中,低槽型暴雨和低涡型暴雨在中高纬地区的环流异常呈反向变化特征。