1 降水量

1.1 新疆的年降水量

1.1.1 年降水一般分布

新疆是干旱地區,全新疆的年平均降水量只有146mm,為我國降水量平均值的1/4。新疆各地的降水分布很不均勻,表現為新疆山區降水多于盆地,北疆多于南疆,西部多于東部。若以天山脊為界,將新疆劃分為南北兩區,北疆面積占全疆面積27%,平均降水深度255mm,南疆面積占全疆的73%,平均降水深度106mm,即北疆平均降水深度為南疆2倍多。南北疆平原區相比較,北疆伊犁河谷、塔城盆地年降水量250～350mm,準噶爾盆地降水量150～200mm,降水少的地區為三塘湖、天山尾閭淖毛湖一帶約10～30mm。南疆塔里木盆地北部、西部邊緣為50～100mm,東部和南部不足50mm。且末、若羌僅20mm左右。

南北疆山區降水量的分布:北疆阿爾泰山、沙吾爾山、塔爾巴哈臺山、巴爾魯克山、伊犁河谷的山區、天山北坡中山帶年降水量400～600mm,有的迎風坡山區超過800mm。天山南坡、昆侖山、帕米爾中山帶200～300mm,少數中山區達400mm。阿爾金山區降水約100mm左右,見圖2.3.1。

新疆降水少于東部同緯度地區,與西部中亞地區對比,新疆盆地降水也偏少,而塔克拉瑪干沙漠區是該緯度帶最干的地區。

根據馬力分析,新疆年降水量小的地方占的面積大,年降水量與其籠罩的面積為負指數函數的關系。

1.1.2 年降水量最多和最少的地方

新疆年降水量最多的地方,在鞏乃斯河流域,鞏乃斯雪害研究站年平均降水量達827.0mm(海拔1776m),1970年曾達1140mm,而新源那拉提,1979年達877.0mm。阿爾泰山區中部森塔斯(僅有1958～1960年資料)年降水量608.3mm(海拔1986m),居第二位;天山北坡開墾河降水量為571.0mm(海拔2160m),居第三位。

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圖2.3.1   新疆全區年降水量分布(mm)

由樹木年輪水文研究推斷(重建):歷時300年內,最豐期(1924～1959年)在鞏乃斯河中上游,重建值達1200mm(海拔2200～3000m)。

新疆是極端干旱區,例如塔里木盆地東南區且末年降水量為22.5mm,若羌23.9mm,吐魯番14.7mm,天山尾閭淖毛湖只有13.6mm(1960～1980)(海拔498m)。新疆降水最少的地方為吐魯番盆地托克遜,也是中國降水最少的地方,年降水量僅有6.6mm。據中國科學院綜合考察隊資料,位于吐魯番盆地最南部卻勒塔格山下的庫魯克沙漠,寸草不生。另羅布泊東南有一地方,被稱為“愚公屯”,也沒有降水痕跡,只有古代風蝕地和石膏層。

1.2 降水量的季節分布

從上表2.3.1中可以看到新疆降水在四季所占的百分比。新疆雨雪主要是降落到山區和山麓(見第2篇第6章),而山區的雨雪主要降落在6～8月(夏季),這個特點越到高山越突出(見圖2.3.2)。南疆平原夏季降水量最多,約占全年30～50%,春季次之,冬季最少。

圖2.3.2   烏魯木齊大西溝的年降水量分布(降水集中在6~8月)

另外,地中海(見圖2.3.3a伊斯坦布爾圖)冬季多雨而夏雨少,再向東到中亞(塔什干圖)則轉為冬春多雨夏季少,而中亞以東的新疆西部(伊寧圖)轉為春雨多。到東天山則夏雨多,好像是“多雨季”緩慢東移(見圖2.3.3)。

a.伊斯坦布爾年降水量分布

  b.塔什干年降水量分布            c.伊寧年降水量分布

圖2.3.3   地中海、中亞、新疆西部降水量分布(a.b.c)

1.3 山區降水

正確認識山區降水對于消除新疆河水來自冰川的誤解有重要意義。

1.3.1 新疆各山區年降水量

新疆全境降水總量是2429×108t/a。其中降落在山區(71×104km2)的雨雪占84%,達2048×108t/a 。

新疆山區降水量分為五大體系,可分為:① 阿爾泰山系:年降水等值線呈西北-東南向,最大降水帶在中山地帶,降水量約400～500mm,海拔高度1900～2400m。② 準噶爾界山:烏什庫門爾克爾山、薩吾爾山、塔爾巴哈臺山、扎依爾山、瑪依爾山等,這些山區迎風坡降水量達300～400mm,背風坡可減少150～200mm不等;③ 天山西部-伊犁河谷區:降水量等值線走向沿山脈河谷自西向東,北坡(迎風坡)等值線密集,南坡稀疏。中山帶有個最大降水帶,北坡位于1500～2500m、南坡位于2000～3000m的區域。最大降水約為500～800mm;④ 天山山系:降水等值線沿山坡呈東西向,西低東高,北坡低、南坡高。最大降水帶的年降水量值,天山北坡400～600mm,天山南坡約200mm;⑤ 昆侖山-阿爾金山系:降水等值線走向呈東西向,最大降水帶降水量等值線為150～200mm,海拔高度約3000～4500m,降水量西部偏大,東部偏小。

1.3.2 山區最大降水帶的一般概念

“新疆干旱”主要是指它的盆地(含沙漠)的降水量十分稀少。當我們從盆地走進山麓,再進入山區以后,其降水量會出現隨海拔高度的增加而增多的現象(很多高山地區都如此)。由于新疆山區降水量偏大,有時稱新疆山區稱為“濕島”。新疆所有年降水量大的地方都出現在山區。

如果山的高度不太高,就僅看到降水量隨高度而增加的現象。但是高山上冷,空氣含水量迅速減少,這又是降水量減少的因素。所以有“高山”的地方,降水量隨高度增加到一定的高度以后,降水量就不再增加而轉為減少。顯然,降水量不再隨高度而升高,也就表明哪個高度上的降水量是最大的(比上邊、下邊都大)。這個降水量最大的位置稱為最大降水帶。“最大降水帶”所在的高度在不同的地方是不同的。

1.3.3 新疆山區降水的垂直分布

在天山北側的年降水量隨高度的分布圖上(見圖2.3.4),可以清楚地看到從海拔500m的年降水量127mm/a開始隨著高度增加,年降水量一直增加到2000～2300m高度的534mm/a。它清楚的表示了中山地帶存在著一個年降水量比低層、上層都大的最大降水帶。

1.3.4 最大降水高度的季節變化

實際的山區降水量最大高度帶的高度是隨季節變化而變化,一般為冬季低暖季高。以天山北坡烏魯木齊附近的情況分析,冬季最大降水帶海拔一般900～1300m,約從烏魯木齊市區至山麓,冬季是最大降水帶的高度最低的季節,其最大降水帶降水量為40～60mm。春季最大降水帶大約上升到2000m附近,其降水量約90～120mm。夏季最大降水帶繼續上升,估計位于2500m或者更高一些,6～8月合計降水量接近300mm。秋季最大降水帶與春季最大降水帶海拔高度相同,其降水量比春季少。

圖2.3.4   年降水量隨高度的分布(天山北側)

1.3.5 最大降水帶與植被

山區降水的垂直變化也反映在山區的植被分布上。如天山北坡降水量最多的高度在海拔1700～3200m附近,其雨量約500mm。那里能滿足天山云杉、落葉松等針葉林的生長,于是最大降水帶也就是山腰上的森林帶。而在1700m以下、3200m以上,均是草原帶,這一區間,6～8月降水量在160mm以上,多是好的草原區域。年降水量在300mm以上的地方是較好的草原區,而年降水量在300～200mm水平時,只能形成荒漠性草原,覆蓋率低,牲畜承載量小。在昆侖山、青藏高原很少能達到300mm的年降水量,一般在100～200mm,多為荒漠草原,是適于大牲畜粗飼料型草蒿類。

1.3.6 如何辨識和確定最大降水帶

最大降水帶的形成與地形、不同季節水汽的垂直分布、大氣的環流活動、垂直氣流都有關。小地形也是影響辨認和確定它的一個重要環節,尤其在進行觀測站點的選擇時,它與坡面的坳、陷、平臺等小地形有關,這些小地形將會降低垂直氣流的抬升力。

若沒有觀測記錄而作一般推估時,可依據山地的植被進行衡量,一般在森林區,可作為最大降水帶。在干旱區,半固定沙丘區,有耐旱植物生長的沙丘最高上限或耐旱植被最多地帶,即作為沙丘最大降水帶。這是以指示植物作為最大降水帶判斷方法。而最直接的方法是設立一定數量的雨量站,進行幾年的觀測,即可發現最大降水帶的降水量和它所在的海拔高度。

1.3.7 不同坡向的最大降水帶的分布

由于坡向不同,最大降水帶的高度也差別很大,青藏高原、帕米爾高原、天山、阿爾泰山均如此。一般說,迎風坡最大降水帶海拔低,背風坡比迎風坡高,例如天山北坡最大降水帶的高度約1800～3500m,天山南坡約2500～4000m間。由于所在位向、季節等不同,都有著不同變化,但迎風坡最大降水高度總低于背風坡的高度。

1.3.8 帕米爾高原的最大降水帶

帕米爾高原東緣在塔里木盆地西部,應屬于背風干旱區。降水最大高度帶較天山背風坡偏高,一般在3500～4500m之間。

帕米爾高原西側在吉爾吉斯斯坦共和國,大地形為迎風坡向。最大降水帶的年降水量400～500mm,個別可達800mm。可分為三種類型:① 開闊地和迎風坡,在不足1000m處降水量開始遞增,但遞增較慢,至2500m后,呈迅速增加,至3400m處,可超過850mm,形成豐濕潤區域降水量。② 相對封閉谷地:谷底起始海拔1500m附近至2000m,降水隨高度增加緩慢,至2500m后,迅速增加,至3900m處,降水量達800mm以上,仍為半濕潤區降水量。③ 局地區域,有封閉的盆地、峽谷、背風坡等地形,降水量從海拔2800m開始遞增,至3600m,較快遞增,至4400m達到最大值,降水量可達400mm,這種變化和中國境內帕米爾背風坡相似。降水量顯然高于中國帕米爾高原東側的背風坡。

1.3.9 青藏高原降水帶分布

青藏高原位于30°～40°N間,其年降水分布特點是:外圍少雨,邊緣多雨,內部降水是東面多雨西邊少,最大降水帶繞纏腰間,中小地形有局部的影響。

從年降水量圖知(圖略),高原外圍少雨帶,從恒河谷向西北,經塔爾沙漠、伊(朗)、阿(富汗)邊境,再沿60°～65°E之間到中亞沙漠,折向東,經塔克拉瑪干大沙漠,古爾班通特沙漠,中蒙邊界到105°E附近,向南經隴中、南到四川盆地后達滇北。

沿高原邊緣是多雨帶,從喜馬拉雅山南坡起,西經帕米爾高原、沿高原北緣、至祁連山是高原坡度最大地帶,有著上升氣流作用。它像一條腰帶圍繞高原周圍。南坡降水在1000～2000mm,而北坡則30～100mm,最多降水量在東南坡,達5000mm以上。

1.3.10 高山冰雪區有無第二最大降水帶問題

高山地區氣象資料比較少,不同部門的研究人員利用不同的數據,做不同的訂正,如認為目前的降雪觀測用的雨量筒沒有防風圈,這對于降雪多,風比較大的高山區就使測量到的降水量有系統性的偏小等等,于是有人提出過新疆山區存在兩個最大降水高度的觀點。對此,需要有更多的資料和開展深入的研究和論證。

1.4 沙漠降水

過去沙漠地區沒有氣象資料,人們憑想象認為那里降水少,沒有暴雨。上世紀80年代以來在那里設立氣象站,陸續有了比較連貫的氣象資料。

1.4.1 沙漠的暴雨和臨時“湖泊”

在塔里木盆地的滿西(40°06′N,83°06′E)1998年7月23日08時至7月24日08時,24小時降水達28.6mm。從23日22時15分至23時03分,48分鐘內降水達19.6mm。當時有雷暴,地面風向西北風,后轉為北風,這是塔克拉瑪干沙漠罕見的暴雨。7月23日20時,500hPa知,滿西上空為一傾斜槽,有較大不穩定能量積聚,700hPa上,庫車至安迪河溫度差大,這是觸發不穩定能量的有利條件。隨著低槽東移,槽前不穩定能量釋放,對流加強,積雨云發展,致使暴雨產生。

暴雨使地表面積水5cm,持續時間2天,石油營房前積水,有人稱為沙漠“湖泊”。沙漠腹地沙層厚度可達幾十米甚至幾百米,僅僅28mm的降水,何足以滲透沙層?其實在沙漠區沙層下面,覆蓋一層第四紀黃土層,當石油工人進入營地后,吊車、汽車、推土機等,將黃土層上面沙層刮去,又經車輛壓實,致使黃土層較堅實,不易滲水,由此產生臨時“湖泊”

在迎風坡的拗陷地的確可積水數日,致使蘆葦根部橫生豎長,這也是沙漠奇觀。

1.4.2 低山、高沙丘“最大”降水高度帶

一般講,低山相對高度在100m左右,形成一山體時,在山體中部,降水量多于山頂,也多于山麓或平原區。沙丘也具有同樣的分布特征。現以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中一井(海拔1118.0m)所測資料佐證之。

塔中一井營地正南,有一沙丘相對高度約80m,共設置三個降水量測點,即山頂、北山坡腰(相對高35.0m),塔中氣象站(相對山間洼地高約10.0m之余)。1999年8月起,作了三次降水量值觀測,(小量降水不計算)結果均顯示出降水量在大沙丘中間有一最大值,其百分比在山腰處,可達44%,其次是沙山頂部。這測值是在迎風坡測的,在背風坡沒有設點。推估,降水隨高度分布差異較小。

1.4.3 小山丘小沙丘降水分布

小山丘,指直徑在10m左右,高度在2m左右的小丘體,或者是錐形沙丘,它的降水分布不同于低山和大沙丘。首先,最多降水不在迎風坡,而是在小丘體的背風坡。降水量最少的地方不在迎風坡,而是在山頂后面的右方坡地,且靠近山頂區。而山丘兩側,是次小區。這種分布和大地形山地降水是相反的。

在起伏的向風面和山頂,風速大,且有上升風速的分速;在背風面,風速小且有下降風速的分速。在向風面風速大,雨滴、毛毛雨、雪花不易停留,山頂風速更大,降水少,將雨滴、雪花帶到背風坡,風速減小,雨滴、雪花降落。這一結論在國內外都得到證實。

小山丘或起伏地形,隨著山丘面積和高度之比,也相應的擴大。但它仍屬起伏小地形的范疇。

1.5 降水的統計特征

1.5.1 降水資料的一般格式

降水是時有時無的氣象要素,而且它的數量變化很大。關于它的記錄和分析比連續變化的氣象變量(如溫度)就要復雜一些。體現降水的信息格式有:在天氣圖(地理底圖)上給出某時刻的正在降雨的區域、一個階段(1天或者旬、月、年)降水量等值線圖。在單站降水數據基礎上的很多特征量:平均值、降水變率、離差系數、標準差、偏態系數等等。在氣象部門的統計報表上還可以找到一日最大降水量、一次最長連續降水的日數和雨量、各種級別的日降水量的出現次數、最長的無雨日數等。

水文部門要面向防洪和工程建設的保證率,對歷史上的最大降水、24小時、12小時、6小時、1小時的最大降水量和一定的流域內的降水的維持時間、籠罩面積、降水量的關系都十分關心,并且開展了專門分析。而降水的出現概率在工程和天氣預告上都有實用意義。

這些關于降水的統計對象,有的比較容易從基本報表中得到,有的要開展專門的分析研究才可能得到結論。下面介紹幾個統計特征量。

1.5.2 降水變率

降水變率是描述降水量的相對變化(變化程度)的一種特征量,用百分比表示,它是當年降水ri(年,或者月)與多年平均值 的差的絕對值的平均值,再用多年平均值除。即

年降水量的變率一般要比月降水變率小。在新疆地區降水變率還有降水量大的地區降水變率小的特點。新疆降水量山區比盆地大,那里的降水變率小。

北疆額爾齊斯河流域、伊犁河流域、準噶爾盆地南緣的天山北麓,年降水變率很小,一般在18～25%之間。南疆沿天山南麓地區為28～35%,吐魯番和塔克拉瑪干沙漠腹地區可達50～60% 。

月降水變率分布規律和年降水變率相似,但比年變率大40～70%,個別月份可達150%以上,托克遜2～4月非常大。

新疆平原區降水變率與中國同緯度(東部區)比較偏大,北疆準噶爾盆地區比東北松遼平原高出5～10%,南疆塔里木盆地區比同緯度華北地區大10～20%。

1.5.3 降水變差系數Cv

描述變量相對變化的另外一個特征量是統計學中的變差系數Cv ,它可以用于變量大于0的情況(如降水),不能用于變量平均值為0,或者負值的場合(如攝氏溫度)。其公式為 

σ是變量的標準差。研究發現新疆各地的年降水變差系數Cv與年平均降水量 之間存在負冪關系,降水量大,Cv值就小: 

(張學文)

1.5.4 一日最大降水量

新疆干旱,大范圍的大降水過程比較少。但是小范圍的強降水時有發生。1963年6月13日塔城盆地的哈拉依敏水文站4小時降雨122.1mm。1981年若羌7月5日14小時下了73.5mm的暴雨,為年降水量的4倍。

新疆一日最大降水量(以北京時間20時為日界)出現在天山北坡的天池,達95.3mm(1978年6月12日)。另據《新疆降水概論》記載,調查資料,和田排孜互提在80分鐘內降水量達130mm(1980年5月23日)。北疆一日最大降水量為40～80mm,南疆35～75mm,山區要超過這些測值。

由于“24小時最大降水量”可以不在固定的北京時間20時到20時這一時間段做統計,從而應當統計出更大的最大降水量,統計顯示有的地方它可以比20～20時的最大降水量大一倍。

無論一日最大降水量、還是24小時最大降水量,對設計水庫庫容、水壩、公路、鐵路、航道的涵洞、橋梁、城市地下水、水力發電、溢洪道建設、防汛、浮橋、集輸管道等,都是必須考慮的。