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(qū),全新疆的年平均降水量只有146mm,為我國(guó)降水量平均值的1/4。新疆各地的降水分布很不均勻,表現(xiàn)為新疆山區(qū)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(qū),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(qū)相比較,北疆伊犁河谷、塔城盆地年降水量250～350mm,準(zhǔn)噶爾盆地降水量150～200mm,降水少的地區(qū)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(qū)降水量的分布:北疆阿爾泰山、沙吾爾山、塔爾巴哈臺(tái)山、巴爾魯克山、伊犁河谷的山區(qū)、天山北坡中山帶年降水量400～600mm,有的迎風(fēng)坡山區(qū)超過(guò)800mm。天山南坡、昆侖山、帕米爾中山帶200～300mm,少數(shù)中山區(qū)達(dá)400mm。阿爾金山區(qū)降水約100mm左右,見(jiàn)圖2.3.1。

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

根據(jù)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(fù)指數(shù)函數(shù)的關(guān)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(dá)827.0mm(海拔1776m),1970年曾達(dá)1140mm,而新源那拉提,1979年達(dá)877.0mm。阿爾泰山區(qū)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(kāi)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(qū)年降水量分布(mm)

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

新疆是極端干旱區(qū),例如塔里木盆地東南區(qū)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(guó)降水最少的地方,年降水量?jī)H有6.6mm。據(jù)中國(guó)科學(xué)院綜合考察隊(duì)資料,位于吐魯番盆地最南部卻勒塔格山下的庫(kù)魯克沙漠,寸草不生。另羅布泊東南有一地方,被稱(chēng)為“愚公屯”,也沒(méi)有降水痕跡,只有古代風(fēng)蝕地和石膏層。

1.2 降水量的季節(jié)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(qū)和山麓(見(jiàn)第2篇第6章),而山區(qū)的雨雪主要降落在6～8月(夏季),這個(gè)特點(diǎn)越到高山越突出(見(jiàn)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(jiàn)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(zhuǎn)為冬春多雨夏季少,而中亞以東的新疆西部(伊寧圖)轉(zhuǎn)為春雨多。到東天山則夏雨多,好像是“多雨季”緩慢東移(見(jiàn)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(qū)降水

正確認(rèn)識(shí)山區(qū)降水對(duì)于消除新疆河水來(lái)自冰川的誤解有重要意義。

1.3.1 新疆各山區(qū)年降水量

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

新疆山區(qū)降水量分為五大體系,可分為:① 阿爾泰山系:年降水等值線(xiàn)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(zhǔn)噶爾界山:烏什庫(kù)門(mén)爾克爾山、薩吾爾山、塔爾巴哈臺(tái)山、扎依爾山、瑪依爾山等,這些山區(qū)迎風(fēng)坡降水量達(dá)300～400mm,背風(fēng)坡可減少150～200mm不等;③ 天山西部-伊犁河谷區(qū):降水量等值線(xiàn)走向沿山脈河谷自西向東,北坡(迎風(fēng)坡)等值線(xiàn)密集,南坡稀疏。中山帶有個(gè)最大降水帶,北坡位于1500～2500m、南坡位于2000～3000m的區(qū)域。最大降水約為500～800mm;④ 天山山系:降水等值線(xiàn)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(xiàn)走向呈東西向,最大降水帶降水量等值線(xiàn)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(qū)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(dāng)我們從盆地走進(jìn)山麓,再進(jìn)入山區(qū)以后,其降水量會(huì)出現(xiàn)隨海拔高度的增加而增多的現(xiàn)象(很多高山地區(qū)都如此)。由于新疆山區(qū)降水量偏大,有時(shí)稱(chēng)新疆山區(qū)稱(chēng)為“濕島”。新疆所有年降水量大的地方都出現(xiàn)在山區(qū)。

如果山的高度不太高,就僅看到降水量隨高度而增加的現(xiàn)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(zhuǎn)為減少。顯然,降水量不再隨高度而升高,也就表明哪個(gè)高度上的降水量是最大的(比上邊、下邊都大)。這個(gè)降水量最大的位置稱(chēng)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(qū)降水的垂直分布

在天山北側(cè)的年降水量隨高度的分布圖上(見(jiàn)圖2.3.4),可以清楚地看到從海拔500m的年降水量127mm/a開(kāi)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(gè)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(jié)變化

實(shí)際的山區(qū)降水量最大高度帶的高度是隨季節(jié)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(qū)至山麓,冬季是最大降水帶的高度最低的季節(jié),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(xù)上升,估計(jì)位于2500m或者更高一些,6～8月合計(jì)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(cè))

1.3.5 最大降水帶與植被

山區(qū)降水的垂直變化也反映在山區(qū)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(mǎn)足天山云杉、落葉松等針葉林的生長(zhǎng),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(qū)間,6～8月降水量在160mm以上,多是好的草原區(qū)域。年降水量在300mm以上的地方是較好的草原區(qū),而年降水量在300～200mm水平時(shí),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(dá)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(lèi)。

1.3.6 如何辨識(shí)和確定最大降水帶

最大降水帶的形成與地形、不同季節(jié)水汽的垂直分布、大氣的環(huán)流活動(dòng)、垂直氣流都有關(guān)。小地形也是影響辨認(rèn)和確定它的一個(gè)重要環(huán)節(jié),尤其在進(jìn)行觀測(cè)站點(diǎn)的選擇時(shí),它與坡面的坳、陷、平臺(tái)等小地形有關(guān),這些小地形將會(huì)降低垂直氣流的抬升力。

若沒(méi)有觀測(cè)記錄而作一般推估時(shí),可依據(jù)山地的植被進(jìn)行衡量,一般在森林區(qū),可作為最大降水帶。在干旱區(qū),半固定沙丘區(qū),有耐旱植物生長(zhǎng)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(shè)立一定數(shù)量的雨量站,進(jìn)行幾年的觀測(cè),即可發(fā)現(xiàn)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(shuō),迎風(fēng)坡最大降水帶海拔低,背風(fēng)坡比迎風(fēng)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(jié)等不同,都有著不同變化,但迎風(fēng)坡最大降水高度總低于背風(fēng)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(yīng)屬于背風(fēng)干旱區(qū)。降水最大高度帶較天山背風(fēng)坡偏高,一般在3500～4500m之間。

帕米爾高原西側(cè)在吉爾吉斯斯坦共和國(guó),大地形為迎風(fēng)坡向。最大降水帶的年降水量400～500mm,個(gè)別可達(dá)800mm�？煞譃槿�種類(lèi)型:① 開(kāi)闊地和迎風(fēng)坡,在不足1000m處降水量開(kāi)始遞增,但遞增較慢,至2500m后,呈迅速增加,至3400m處,可超過(guò)850mm,形成豐濕潤(rùn)區(qū)域降水量。② 相對(duì)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(dá)800mm以上,仍為半濕潤(rùn)區(qū)降水量。③ 局地區(qū)域,有封閉的盆地、峽谷、背風(fēng)坡等地形,降水量從海拔2800m開(kāi)始遞增,至3600m,較快遞增,至4400m達(dá)到最大值,降水量可達(dá)400mm,這種變化和中國(guó)境內(nèi)帕米爾背風(fēng)坡相似。降水量顯然高于中國(guó)帕米爾高原東側(cè)的背風(fēng)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(diǎn)是:外圍少雨,邊緣多雨,內(nèi)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(jīng)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(jīng)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(jīng)隴中、南到四川盆地后達(dá)滇北。

沿高原邊緣是多雨帶,從喜馬拉雅山南坡起,西經(jīng)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?chē)�。南坡降水�?000～2000mm,而北坡則30～100mm,最多降水量在東南坡,達(dá)5000mm以上。

1.3.10 高山冰雪區(qū)有無(wú)第二最大降水帶問(wèn)題

高山地區(qū)氣象資料比較少,不同部門(mén)的研究人員利用不同的數(shù)據(jù),做不同的訂正,如認(rèn)為目前的降雪觀測(cè)用的雨量筒沒(méi)有防風(fēng)圈,這對(duì)于降雪多,風(fēng)比較大的高山區(qū)就使測(cè)量到的降水量有系統(tǒng)性的偏小等等,于是有人提出過(guò)新疆山區(qū)存在兩個(gè)最大降水高度的觀點(diǎn)。對(duì)此,需要有更多的資料和開(kāi)展深入的研究和論證。

1.4 沙漠降水

過(guò)去沙漠地區(qū)沒(méi)有氣象資料,人們憑想象認(rèn)為那里降水少,沒(méi)有暴雨。上世紀(jì)80年代以來(lái)在那里設(shè)立氣象站,陸續(xù)有了比較連貫的氣象資料。

1.4.1 沙漠的暴雨和臨時(shí)“湖泊”

在塔里木盆地的滿(mǎn)西(40°06′N(xiāo),83°06′E)1998年7月23日08時(shí)至7月24日08時(shí),24小時(shí)降水達(dá)28.6mm。從23日22時(shí)15分至23時(shí)03分,48分鐘內(nèi)降水達(dá)19.6mm。當(dāng)時(shí)有雷暴,地面風(fēng)向西北風(fēng),后轉(zhuǎn)為北風(fēng),這是塔克拉瑪干沙漠罕見(jiàn)的暴雨。7月23日20時(shí),500hPa知,滿(mǎn)西上空為一傾斜槽,有較大不穩(wěn)定能量積聚,700hPa上,庫(kù)車(chē)至安迪河溫度差大,這是觸發(fā)不穩(wěn)定能量的有利條件。隨著低槽東移,槽前不穩(wěn)定能量釋放,對(duì)流加強(qiáng),積雨云發(fā)展,致使暴雨產(chǎn)生。

暴雨使地表面積水5cm,持續(xù)時(shí)間2天,石油營(yíng)房前積水,有人稱(chēng)為沙漠“湖泊”。沙漠腹地沙層厚度可達(dá)幾十米甚至幾百米,僅僅28mm的降水,何足以滲透沙層?其實(shí)在沙漠區(qū)沙層下面,覆蓋一層第四紀(jì)黃土層,當(dāng)石油工人進(jìn)入營(yíng)地后,吊車(chē)、汽車(chē)、推土機(jī)等,將黃土層上面沙層刮去,又經(jīng)車(chē)輛壓實(shí),致使黃土層較堅(jiān)實(shí),不易滲水,由此產(chǎn)生臨時(shí)“湖泊”

在迎風(fēng)坡的拗陷地的確可積水?dāng)?shù)日,致使蘆葦根部橫生豎長(zhǎng),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(duì)高度在100m左右,形成一山體時(shí),在山體中部,降水量多于山頂,也多于山麓或平原區(qū)。沙丘也具有同樣的分布特征�，F(xiàn)以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中一井(海拔1118.0m)所測(cè)資料佐證之。

塔中一井營(yíng)地正南,有一沙丘相對(duì)高度約80m,共設(shè)置三個(gè)降水量測(cè)點(diǎn),即山頂、北山坡腰(相對(duì)高35.0m),塔中氣象站(相對(duì)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(cè),(小量降水不計(jì)算)結(jié)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(dá)44%,其次是沙山頂部。這測(cè)值是在迎風(fēng)坡測(cè)的,在背風(fēng)坡沒(méi)有設(shè)點(diǎn)。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(fēng)坡,而是在小丘體的背風(fēng)坡。降水量最少的地方不在迎風(fēng)坡,而是在山頂后面的右方坡地,且靠近山頂區(qū)。而山丘兩側(cè),是次小區(qū)。這種分布和大地形山地降水是相反的。

在起伏的向風(fēng)面和山頂,風(fēng)速大,且有上升風(fēng)速的分速;在背風(fēng)面,風(fēng)速小且有下降風(fēng)速的分速。在向風(fēng)面風(fēng)速大,雨滴、毛毛雨、雪花不易停留,山頂風(fēng)速更大,降水少,將雨滴、雪花帶到背風(fēng)坡,風(fēng)速減小,雨滴、雪花降落。這一結(jié)論在國(guó)內(nèi)外都得到證實(shí)。

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

1.5 降水的統(tǒng)計(jì)特征

1.5.1 降水資料的一般格式

降水是時(shí)有時(shí)無(wú)的氣象要素,而且它的數(shù)量變化很大。關(guān)于它的記錄和分析比連續(xù)變化的氣象變量(如溫度)就要復(fù)雜一些。體現(xiàn)降水的信息格式有:在天氣圖(地理底圖)上給出某時(shí)刻的正在降雨的區(qū)域、一個(gè)階段(1天或者旬、月、年)降水量等值線(xiàn)圖。在單站降水?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上的很多特征量:平均值、降水變率、離差系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、偏態(tài)系數(shù)等等。在氣象部門(mén)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表上還可以找到一日最大降水量、一次最長(zhǎng)連續(xù)降水的日數(shù)和雨量、各種級(jí)別的日降水量的出現(xiàn)次數(shù)、最長(zhǎng)的無(wú)雨日數(shù)等。

水文部門(mén)要面向防洪和工程建設(shè)的保證率,對(duì)歷史上的最大降水、24小時(shí)、12小時(shí)、6小時(shí)、1小時(shí)的最大降水量和一定的流域內(nèi)的降水的維持時(shí)間、籠罩面積、降水量的關(guān)系都十分關(guān)心,并且開(kāi)展了專(zhuān)門(mén)分析。而降水的出現(xiàn)概率在工程和天氣預(yù)告上都有實(shí)用意義。

這些關(guān)于降水的統(tǒng)計(jì)對(duì)象,有的比較容易從基本報(bào)表中得到,有的要開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的分析研究才可能得到結(jié)論。下面介紹幾個(gè)統(tǒng)計(jì)特征量。

1.5.2 降水變率

降水變率是描述降水量的相對(duì)變化(變化程度)的一種特征量,用百分比表示,它是當(dāng)年降水ri(年,或者月)與多年平均值 的差的絕對(duì)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(qū)降水變率還有降水量大的地區(qū)降水變率小的特點(diǎn)。新疆降水量山區(qū)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(zhǔn)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(qū)為28～35%,吐魯番和塔克拉瑪干沙漠腹地區(qū)可達(dá)50～60% 。

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

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

1.5.3 降水變差系數(shù)Cv

描述變量相對(duì)變化的另外一個(gè)特征量是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變差系數(shù)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(fù)值的場(chǎng)合(如攝氏溫度)。其公式為 

σ是變量的標(biāo)準(zhǔn)差。研究發(fā)現(xiàn)新疆各地的年降水變差系數(shù)Cv與年平均降水量 之間存在負(fù)冪關(guān)系,降水量大,Cv值就小: 

(張學(xué)文)

1.5.4 一日最大降水量

新疆干旱,大范圍的大降水過(guò)程比較少。但是小范圍的強(qiáng)降水時(shí)有發(fā)生。1963年6月13日塔城盆地的哈拉依敏水文站4小時(shí)降雨122.1mm。1981年若羌7月5日14小時(shí)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(shí)間20時(shí)為日界)出現(xiàn)在天山北坡的天池,達(dá)95.3mm(1978年6月12日)。另?yè)?jù)《新疆降水概論》記載,調(diào)查資料,和田排孜互提在80分鐘內(nèi)降水量達(dá)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(qū)要超過(guò)這些測(cè)值。

由于“24小時(shí)最大降水量”可以不在固定的北京時(shí)間20時(shí)到20時(shí)這一時(shí)間段做統(tǒng)計(jì),從而應(yīng)當(dāng)統(tǒng)計(jì)出更大的最大降水量,統(tǒng)計(jì)顯示有的地方它可以比20～20時(shí)的最大降水量大一倍。

無(wú)論一日最大降水量、還是24小時(shí)最大降水量,對(duì)設(shè)計(jì)水庫(kù)庫(kù)容、水壩、公路、鐵路、航道的涵洞、橋梁、城市地下水、水力發(fā)電、溢洪道建設(shè)、防汛、浮橋、集輸管道等,都是必須考慮的。