降水是气候系统中的重要组成部分，受地形、纬度、天气系统、海陆分布等多种因素影响。小时尺度的降水变化特征能够更精确地反映区域降水强度和降水过程，对提高区域精细化模式预报的准确性具有重要意义。20世纪80年代以来，随着气象观测资料时空分辨率的提高，针对夏季降水日变化特征进行的研究表明，夏季陆地降水主要发生在白天，而海面降水多集中于夜间；降水频率及降水强度的峰值时间及其日变化特征与地理位置、地形及其产生的地形风密切相关（Andersson，1969；Bowman et al.，2005）；中国夏季降水日变化存在明显地域差异，如青藏高原及其东部地区的降水多出现在午夜；长江上游地区的最大降水量也多出现在午夜，中游地区峰值出现在清晨；而江淮、黄淮地区则呈现出清晨和午后双峰并存的特征（Yu et al.，2007a；Zhou et al.，2008）。此外，基于小时降水数据，对京津冀（韩函等，2017；高旭旭等，2018）、东北（杨森等，2011；王丽伟等，2019；李晓婷等，2021）、华中（戴泽军等，2009；林春泽等，2016；肖安等，2022）、江淮（王颖等，2019）、西南（唐红玉等，2011）和西北（陈春艳等，2015；苟浩锋等，2020）等区域降水日变化特征的分析结果表明，局地地形和盛行风环流导致各地降水日位相存在明显差异。

新疆位于欧亚大陆腹地，地形复杂，呈现“三山夹两盆”的分布特征，气候不受季风系统的直接影响，降水空间分布极不均匀（张家宝和邓子风，1987）。新疆降水具有突发性强、局地分散性高、短时强降水占比较大的特点，使得预报难度增加。同时，干旱区植被覆盖率低，河川与下垫面渗透力较差，短时强降水易引发泥石流、滑坡和山洪等次生灾害（朱小凡等，2016；杨涛等，2021；黄艳等，2024）。因此，深入理解新疆降水的发生发展规律，建立有效的预报方法，提高降水预报准确性，一直是气象预报工作的重点和难点。

近年来，针对新疆降水的时空变化及演变特征的研究表明，新疆逐时降水频率整体呈“北高南低”分布特征（杨涛和杨莲梅，2003；陈春艳等，2015），强降水时空差异明显，主要峰值出现在5月和8月，且高发时段集中在午后至傍晚（谢泽明等，2018）。强降水频次分布表现出北疆多于南疆、山脉坡面多于谷地和沙漠的特点，但短时强降水的降水贡献率在南疆反而高于北疆，夏季总降水和对流性降水受地形影响显著（秦贺等，2019）。此外，研究还发现，南疆和北疆的夏季降水特征存在明显差异，若仅从全疆区域平均降水特征进行分析，可能无法准确捕捉南疆的降水特征（陈春艳等，2017）。尽管已有研究对新疆降水特征进行了分析，但大多数研究以天山为界，或采用选取代表站的方法进行区域对比，尚缺乏系统、客观的区域分类方法。聚类分析作为一种无监督学习方法，能够基于数据特征对站点进行合理分类，使降水数据划分更为清晰。K-means聚类是最常用的聚类划分算法，已在东北地区、北京、兰州等区域的降水研究中得到应用，其分类结果不仅与当地预报员的经验分区结果基本一致，且更具客观性和高精度（刘伟东等，2014；孙倩倩和刘晶淼，2014；苟浩锋等，2020）。因此，在降水分布极不均匀的新疆地区，利用聚类算法开展暖季降水的分类研究，不仅有助于深化对区域降水特征的认识，也能为精准预报提供科学依据。

本文利用2010—2019年新疆105个国家站点暖季（5—9月）逐时降水观测数据，采用K-means聚类方法对站点进行分类，并结合逐时降水量、降水频率与降水强度指标，分析各类站点的降水日变化特征，旨在深化对新疆暖季降水演变规律的理解，为天气预报员和客观预报研发人员提供科学参考。

使用国家气象信息中心提供的2010—2019年新疆105个国家站暖季（5—9月）逐小时降水观测数据，这些站点的数据记录完整且经过严格的质量控制与检查。利用该数据统计各站点的降水量、降水频率和降水强度，作为样本分类数据，并进行日变化特征分析。用于分析降水日变化突变驱动机制的风场数据来源于欧洲中期天气预报中心提供的第五代全球再分析资料（ERA5），时间分辨率为1 h，空间网格分辨率为0.25°×0.25°。文中所用时间均为北京时。

采用K-means动态聚类方法，基于累计降水量和降水小时数进行二维聚类。聚类过程如下：首先，从10 a数据中随机选取k个样本作为初始聚类中心，或将所有样本划分成k个初始类别，并将各类的质心（均值）作为初始聚类中心；然后，将所有样本按距离原则归入最接近的类，并更新该类的中心；重复上述过程，直至同一类内样本点距离较近，而不同类之间距离较远，且聚类中心不再发生改变（即达到收敛状态），最终获得最优聚类结果（段赛男等，2024）。通常采用平方误差E作为标准测度函数，其计算公式如下：

式中：xi为样本数据，ci表示第i类的质心，n为样本数。

当1 h降水量大于等于0.1 mm时，认为该时次发生降水。逐时平均降水量为该时次累计降水总量；逐时平均降水频率为该时次内降水发生时数与有效总时数的比值，以百分比表示；逐时降水强度为该时次累计降水总量与降水发生时数的比值。

利用K-means聚类方法，对2010—2019年暖季新疆105个国家站的累计降水量和降水时数进行聚类分析，并使用聚类评价指标对不同初始类数的聚类方案进行检验，结果（表1）表明，当样本初始类数k=4时，聚类效果最佳，各类样本内聚性较高，且不同类别之间分离度良好。故将新疆105个站点按聚类结果分成4类（图1、表2），由图2可见，各类别站点的累计降水量和降水时数分布较为集中，不同类别站点的海拔高度差异明显，这表明该聚类方案在分类上较为合理，与地形地貌、海拔高度及主观预报经验等因素具有较好的一致性。

由图3可看出，新疆暖季降水量、降水频率和降水强度的日峰值均出现在傍晚至前半夜。其中，降水量存在两个峰值，分别出现在20：00和次日02：00；降水频率和降水强度各有一个日峰值，分别出现在凌晨和傍晚。降水量和降水强度在傍晚达到峰值，主要受太阳辐射日变化影响，白天地表辐射增强，使地表增温，大气不稳定性增加，从而促进对流性天气的发生，导致降水持续时间较短但强度较大（Yu et al.，2007b）。凌晨降水频率和降水量出现峰值的现象较为常见，其形成机制复杂，层状云造成的持续性降水贡献较为明显（宇如聪等，2014），此外，局部环流的昼夜变化及多种物理过程的共同作用也可能是影响因素（赵玉春和王叶红，2020；张宏芳等，2020）。

图4为不同分类站点暖季平均降水量、降水频率和降水强度的逐时分布，可以看出，不同类别降水量日变化存在明显差异。Ⅰ类站点逐时平均降水量及日变化振幅最小，各时次降水量均低于0.020 mm，呈正午降低、傍晚上升的趋势。Ⅱ类站点降水量最大，日变化特征明显，呈单峰型结构，谷值出现在13：00，14：00降水量开始快速上升，并在20：00达到峰值（约0.150 mm），随后夜间减少，日变幅超过0.090 mm；该类站点主要分布于山区，傍晚前后易产生较强的局地对流降水。Ⅲ类站点降水量日变化呈现“一主两次”的多峰结构，主峰值出现在02：00前后，降水量为0.034 mm，两个次峰值分别出现在09：00和19：00，降水量相近，谷值出现在14：00。Ⅳ类站点降水量日变化具有明显的主、次峰结构，主峰值出现在20：00，降水量为0.069 mm，次峰值出现在02：00，降水量为0.065 mm，06：00—15：00降水量较低。

暖季多对流性降水，降水频率日峰值的差异可反映各类站点因热力作用引发对流活动的不同（张宏芳等，2020）。4类站点的降水频率均呈单峰型结构，但峰值时间有所不同。Ⅱ类、Ⅳ类站点多位于山地，海拔较高，午后太阳辐射增强，大气层结不稳定，加之山谷风环流上升支的抬升作用，午后至傍晚对流活动增强，降水更频繁，因此降水频率峰值出现在傍晚，其中，Ⅱ类站点的降水频率在20：00达12.75%，且日变幅较大。Ⅰ类、Ⅲ类站点多位于平原或低海拔区，降水频率峰值出现在夜间，滞后于Ⅱ类和Ⅳ类站点，主要受山谷风环流夜晚下降支在平原区域的辐合作用影响。按海拔高度区分时，各类站点的降水频率峰值时间存在部分重叠，这与前人研究（赵勇等，2010；郭玉琳等，2022；张俊兰等，2023）一致，即降水与海拔高度密切相关。

逐时降水强度的日变化特征与降水量和降水频率存在明显差异，4类站点的降水强度在午后至傍晚均出现峰值，且各类站点峰值差异较小，后半夜至清晨降水强度减小，达到谷值。Ⅰ类站点降水强度最大值出现在20：00（0.94 mm·h^-1），最小值出现在06：00（0.65 mm·h^-1）；Ⅱ类站点降水强度最大值出现在17：00（1.24 mm·h^-1），最小值出现在08：00（0.83 mm·h^-1）；Ⅲ类站点降水强度最大值出现在19：00（1.03 mm·h^-1），最小值出现在06：00（0.74 mm·h^-1）；Ⅳ类站点降水强度日变化波动较大，存在多个峰值，分别出现在20：00（1.05 mm·h^-1）、02：00（1.04 mm·h^-1）、13：00（1.03 mm·h^-1）、16：00（1.03 mm·h^-1），最小值出现在06：00（0.84 mm·h^-1）。

整体来看，4类站点的日变化曲线峰值和谷值出现时间差异较大。区域平均降水指标的峰谷特征与Ⅲ类站点的变化特征较为相似。Ⅰ类站点傍晚降水强度增加所引起的降水量上升，与区域平均特征基本一致，夜间频繁的降水使得平均降水量有所增加，日变化振幅表现为平均降水量较小而降水频率较高；Ⅱ类站点主要位于天山山脉高海拔山区，降水频率和强度共同影响了其平均降水量，且各项指标均呈现明显的日周期性，总体表现为单峰结构，谷值和峰值分别出现在正午和傍晚；Ⅳ类站点主要分布于山腰与山麓，降水强度的日变化特征较为波动，跳跃性强。上述分析结果表明，站点的分类对日变化结构的精细化研究具有重要意义，有助于克服新疆降水分布不均所带来的预报难点，并为优化智能网格降水预报产品提供参考。

图5为2010—2019年新疆区域平均及4类站点暖季逐月累积平均降水量、降水频率、降水强度的逐时分布。可看出，新疆区域平均降水量及4类站点暖季逐月累积平均降水量变化趋势相似，均呈单峰型分布，反映出新疆主汛期降水的分布特征。6月降水量明显增加，是暖季降水量最多的月份；7—8月降水量相对减少并维持平衡，9月降水量明显减少。这一变化与南北两支急流的移动密切相关，6月北支急流可南伸至天山山区，副热带西风急流北进，两者叠加增强了稳定性，有利于降水发生；而5月副热带急流主要活动于偏南地区，7、8月北支急流已北移，导致6月降水最多。区域平均降水量最大值为0.87 mm，最小值为0.47 mm，4类站点平均降水量最大值、最小值分别为Ⅰ类0.45 mm和0.23 mm、Ⅱ类2.96 mm和1.16 mm、Ⅲ类0.80 mm和0.52 mm、Ⅳ类1.69 mm和0.88 mm。不同类别站点平均降水量最大值月较差较大。新疆区域平均和Ⅰ类、Ⅲ类、Ⅳ类站点的降水量变化大致相同，降水主要出现在6月和8月且6月最多，Ⅱ类降水仅集中在6月。具体表现为：Ⅰ类站点降水量在6月存在多个峰值，午后降水量相对较少，5、7、8月夜间降水更明显；Ⅱ类站点降水量月分布相对均匀，降水中心集中、降水时段连续，降水量较大，5—9月降水集中在15：00—00：00；Ⅲ类站点降水量5月主要集中在23：00—次日01：00和08：00—11：00、6月集中在18：00—次日03：00、8月主要在04：00，降水中心点较为分散，降水量不大；Ⅳ类与Ⅱ类相似，傍晚至前半夜降水量集中，其他时段分布较均匀。

逐月累积降水频率的逐时分布特征与降水量基本一致，6月降水频率最高，9月最低。从不同类型站点的逐月日变化可看出，Ⅰ类站点夜间至清晨的高频降水特征与降水量日变化更为突出，降水主要出现在23：00以后，尤其是06：00—07：00；Ⅱ类与Ⅰ类相反，降水频率最高的时段出现在16：00—次日00：00，频率峰值可达18%，而05：00—14：00降水频率较低；Ⅲ类站点在6月和8月呈现“一主一次”结构，5月和6月傍晚19：00—次日12：00降水频率较高，而7月和8月仅在02：00—09：00之间出现高频降水；Ⅳ类站点6月降水频率较高，峰值出现在22：00（8%），其他月份降水频率分布较均匀。

逐时降水强度的高值区与降水量和降水频率不同，表现出各类站点的强度差异不明显，且5—9月各类站点的月累积降水强度的分布差异明显。区域平均降水强度7月最大，9月最小，16：00—23：00为高值时段，最大降水强度为1.2 mm·h^-1；Ⅰ类站点5月降水强度较大，之后逐渐减弱，8月暖季降水强度最弱，高值时段出现在20：00前后，最大降水强度为1.0 mm·h^-1，9月整体降水强度偏弱，01：00为次强时段；Ⅱ类站点7月和8月累计降水强度最强，9月偏弱，16：00—23：00为主要高值时段，最大降水强度为1.5 mm·h^-1；Ⅲ类站点6月和7月降水强度较强，高值时段为16：00—23：00，最大降水强度为1.2 mm·h^-1；Ⅳ类站点7月和8月降水强度略偏强，逐月日变化呈现高值分散、普遍较强的特点，降水强度普遍大于0.8 mm·h^-1，最大降水强度为1.2 mm·h^-1。

总体来看，降水量与降水频率的日变化月分布特征基本一致，降水量的日变化表现为随海拔上升而更加集中，而降水强度的月分布差异明显，Ⅱ类和Ⅳ类站点在7月和8月降水强度最强，Ⅰ类站点5月、Ⅲ类站点6月最强。若仅从全区平均角度进行分析，难以捕捉到这些差异特征。因此，分类分析月变化特征有助于优化智能网格预报产品的精细化阈值订正，建立基于分类、分月、分时段的多阈值消空订正方案，从而提升新疆降水预报的准确率。

图6为2010—2019年新疆区域平均及4类站点暖季逐年平均降水量、降水频率、降水强度的逐时分布。从各时次降水量和频率的逐年变化可以看出，新疆暖季的区域平均降水量、频率和降水强度呈波动式增加趋势。其中2016年为降水各项指标最强的一年，《2016年中国气候公报》（中国气象局和国家气候委员会，2017）指出，2016年受到超强厄尔尼诺影响，中国气候异常，极端天气事件频发，暴雨洪涝和台风灾害严重，平均气温较常年偏高、平均年降水量创下历史新高。而2014年为降水量和降水频率偏少年，降水强度变化不大。

2010—2012年，新疆4类站点的平均降水量和降水频率变化趋势明显不同，2013—2019年则趋于一致，降水强度的年际变化差异较大。从逐年降水指标的变化可看出，新疆发生在20：00—次日04：00的平均降水量和降水频率在2013年和2016年达到峰值，其中2016年降水的日循环发生了从常年的单日循环到半日循环的转变。Ⅰ类站点的降水在2011年与区域平均及其他3类站点有明显差异，降水量偏少；2010、2013、2016年平均降水量和降水频率在00：00—04：00达到峰值，而降水强度在傍晚至夜间较大。Ⅱ类站点降水在2013、2015年最多，2015年相比2013年平均降水量和降水频率在19：00—23：00增加，而在00：00—02：00减小；降水强度峰出现在2011年和2015—2016年。Ⅲ类站点以北疆平原站为主，平均降水量和降水频率的逐时变化与区域站点相似；对比2013年和2016年两个降水偏强年发现，2016年的日降水量峰值比2013年晚2 h，而降水强度每间隔1 a等幅振荡。Ⅳ类站点的平均降水量在2016年呈“多峰”结构，降水频率及强度对降水量贡献明显，00：00—04：00、08：00—09：00及18：00—23：00的高降水频率与14：00—17：00的较强降水强度分别导致相应时段的降水量高值；其他年份则为“单峰”结构。

降水的日循环特征是不同尺度和类型非均匀地表强迫及大气环流相互作用的结果。新疆位于中高纬度地区，暖季500 hPa的西风气流及850 hPa的西北偏东气流对降水有重要影响（张家宝和邓子风，1987）。2016年降水日循环发生突变，11：00前后出现峰值。针对这一变化的可能原因，从环流驱动方面进行分析（图7），2010—2019年5—9月平均风速大于等于8.0 m·s^-1的区域集中在巴尔喀什湖及其以东地区，而2016年500 hPa西风气流强盛，新疆西部的风速较多年平均偏大1.0~2.5 m·s^-1，大气垂直上升运动强烈，风速高值区自西向东贯穿55°E—100°E的地区，水汽不断输送至新疆上空后快速冷却凝结，有利于降水形成。低空的气流强度和位置对新疆暖季降水的影响同样明显，850 hPa高度，北疆北部为偏西风、天山中段为偏北风、塔里木盆地为东风，这些风向均与各区域迎风坡地形强迫抬升作用相契合，有利于水汽输送和辐合，为降水的发生提供了良好的动力和水汽条件，因而导致2016年暖季降水量在早晨出现峰值。

本文利用2010—2019年暖季（5—9月）小时降水数据对新疆105个国家站进行了K-means聚类分析，并通过平均降水量、降水频率和降水强度3个指标的日变化及逐年、逐月变化特征分析了各类站点的降水特征，得出以下主要结论。

1 ）暖季新疆站点可分为4类，I类主要为南疆和荒漠区类站点，暖季累计降水量最少；II类为天山山区类站点，海拔高、降水丰富；III类为北疆及西天山南坡区类站点，累计降水量差异小，且与全疆平均特征最为相似；IV类为山谷区类站点。

2 ）新疆地形复杂、下垫面类型多样，导致降水日变化差异明显。I类站点傍晚降水强度高，夜间降水频发，平均降水量日变化振幅小而降水频率大；II类站点降水频率和强度共同影响平均降水量，3个降水指标均呈单循环日变化特征，谷值和峰值分别出现在正午和傍晚；IV类站点降水量日变化呈“一主一次”的双峰结构，降水频率峰值出现在傍晚，强度特征曲线波动较大。

3 ）各类站点的平均降水量和降水频率逐月趋势基本一致，6月为暖季峰值，9月为谷值，但日变化存在较大差异。I类和III类站点傍晚至夜间存在多个降水峰值时段；II类和IV类站点降水较为集中，降水量在傍晚最大，降水频率与降水量的分布相似。降水强度的月分布差异明显，II类和IV类站点降水强度最大在7月或8月，I（III）类站点在5（6）月最大，但各类站点逐时降水强度的峰值没有明显差异。

4 ）2016年是新疆暖季降水最强的一年，2014年则为平均降水量和降水频率偏低的年份，降水强度变化不大。2016年11：00前后500 hPa西风气流连续且偏强，850 hPa北疆西北气流及塔里木盆地偏东气流明显增强，环流异常驱动区域平均降水量发生突变，由单日循环转为半日循环，IV类站点的3个降水指标也发生明显变化，由“单峰”转变为“多峰”结构。

本文通过对新疆暖季降水的精细化研究，揭示了新疆降水的演变规律，对于水资源的合理利用及防汛抗旱具有重要意义。由于使用的数据仅为2010—2019年国家站的降水数据，样本量较小，因此分析结果可能未全面反映降水的日变化特征。未来的研究应利用高精度、长时序数据刻画城市内部、山丘盆地等复杂地理条件下的降水日变化分布。此外，对于新疆暖季降水日变化形成机制的理解仍不完全，未来应通过高分辨率模式模拟深入探讨中小尺度系统、热力环流等因素的日变化特征与降水的关系，从而揭示新疆暖季降水日变化的物理机制。