2008-2020年巴丹吉林沙漠降水特征分析

2008-2020年巴丹吉林沙漠降水特征分析
采用中国自动站与CMORPH融合的逐时降水量0.1°网格数据集（1.0版），对巴丹吉林沙漠2008-2020年期间降水时间空间分布特征以降雨量、降雨频次为主要讨论对象，通过纵向的年代比较，以及横向的年内季节或者月份之间的比较两个方向进行概括。

分析过程中同时对降雨量分级处理，以及选取极端降雨个例分析其环流形势，力求对降雨特征详细说明，最后得出如下结论：1、巴丹吉林沙漠地区2008年-2020年年降雨总量总体呈增加趋势。

2、沙漠降雨主要集中在夏季、各季节降雨总量差异明显。

3、巴丹吉林沙漠地区单天最大降雨量的分布规律基本与月降雨最大值分布、年降雨总量分布基本规律一致。

4、降雨量地理分布致符合西北少，东南多的规律。

而这与巴丹吉林沙漠地势呈东南高、西北低的特点相对应。

5、降雨量最大值基本分布在沙漠边缘地区。

6、降雨强度小的降雨频次空间分布差异大，降雨强度大的降雨频次空间分布差异小。

关键词：巴丹吉林沙漠，降雨，时空分布，个例分析
1. 引言
巴丹吉林沙漠（北纬39°30’～42°，东经98°30’～104°）以一居民点而得名，是中国四大沙漠之一，位于我国内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善右旗，合黎山、北大山以北、雅布赖山以西、西北为雅布赖山、拐子湖、古居延泽以南,黑河正义峡出山口、弱水东岸至古日乃湖以东,南北宽约354 km2,东西长约442 km,面积约为5.21万平方公里[1]。

其中的巴彦淖尔、吉诃德沙山是世界上最高的沙丘。

高大沙山和湖泊交错分布的独特景观吸引了众多学者的关注[2-4]。

巴丹吉林沙漠属温带大陆性沙漠气候，气候极为干旱，年均温7～8℃，夏季高温酷热，最高温度可达38-43℃，平均气温25.3℃,光照强烈，是内蒙古自治区光照最充足、太阳能资源最丰富的地区之一。

冬季平均气温9.1℃,平均气温年较差达34.4℃,属典型的“冷沙漠”[5]。

年蒸发量大于3500mm，蒸发量是降水量的40-80倍。

年均风速4米/秒，八级大风日为30天左右，主要为西北风。

当今全球变化,荒漠化和生物多样性,是国际上的三个热点问题,受到各国政府和科学家高度重视和关心。

根据IPCC报告，在全球气候变化的大背景下的降水格局将发生显著变化:年降水量、降水强度增大，其中极端降水事件将更加频
繁。

且不同的地区对全球变化的响应不同，降水量变化区域差异特征显著:我国东北北部、包括长江中下游的东南部和广大西部地区降水增加，东北东南部以及华北地区和西北东部地区降水明显减少。

而新疆近50 年来降水量增加最为显著，且北疆冬、夏、秋季降水量均显著增加。

就极端降水事件而言在20世纪80年代以后增多显著[6-10]。

全球增暖，气候干旱，地下水位下降，引起草场退化和生物多样性锐减，土地沙漠化扩张。

沙漠由于下垫面性质特殊，能及时对气候冷暖和干湿的变化做出响应。

西北干旱半干旱区面积将近我国国土面积52%，植被稀疏、主要由沙漠、戈壁构成，对全球气候变化响应最为敏感[11]。

而巴丹吉林沙漠面积较广，地理位置处在对气候变化响应敏感的季风区边缘[12-13]，近几十年周边地区绿洲退化、土地荒漠化形势日趋严峻，沙尘天气频发，生态环境恶化程度加深[14-16]，处于沙漠腹地的湖泊亦出现明显退缩[17]，其隶属阿拉善盟的境内还有腾格里沙漠、雅玛雷克沙漠、乌兰布和沙漠三大沙漠。

大部分地区地表干旱，植被稀少，是入侵中国的各路冷空气必经之地，也是中国沙尘暴主要源区之一[18-19]。

由于大风、气候干旱及人为活动的影响，巴丹吉林沙漠面积也在不断扩张，并以年均15-20米的速度向腾格里沙漠靠拢，在两大沙漠之间形成三处明显“握手”。

沙漠的生成主要因为缺少水，而因为缺水被称为生命的禁区。

降水是淡水资源的重要来源，而且又是全球以及各地水循环的关键环节，尤其对于干旱荒漠地区，降水带来的淡水更是人类赖以生存的重要资源，同时也能直接反映环境变迁、气候变化[13]。

本文主要研究2008-2020年期间巴丹吉林沙漠地区降雨量，降雨频次，时空分布特点，以及各种不同强度等级的降雨事件发生的频次规律，以及随季节的变化情况。

由此综合分析降雨特征，以期揭示其降水规律及最近几年降水量是否较往年有较大改变。

亦可为沙漠气候资源利用和周边地区沙漠化治理提供理论依据，这对当地生态环境保护和社会经济发展现实意义重大。

2.数据和方法
本文采用中国自动站与CMORPH融合的逐时降水量0.1°网格数据集（1.0版）。

该数据集由国家气象信息中心气象数据研究室制作并提供使用。

数据集使用降水数据有地面和卫星两个来源。

包括：
1）来自全国3万多个自动观测站（包括区域自动站和国家级自动站）的地面观测降水资料的逐时降水量。

2）卫星反演降水产品来自由美国环境预测中心的气候预测中心所开发的实时卫星反演CMORPH降水产品，原始CMORPH资料的时间分辨率为30分钟，空间分辨率为8km。

该数据集在融合资料处理过程中用到的地面观测资料经过了严格的质量控制。

质量状况、数据完整性均达到了良好状态。

为了分析2008-2020年巴丹吉林沙漠地区的降雨量，降雨频次变化特点以及沙漠地形对于各自的影响。

根据巴丹吉林沙漠的实际空间范围在北纬39°33′---41°57′、东经98°33′--103°57′、并考虑本次研究所用的网格精度0.1°，研究过程提取了属于巴丹吉林沙漠区域的格点在时间长度为2008年1月1日至2020年12月31日的逐时降雨资料予以统计，最终确定研究巴丹吉林沙漠及其附近地区格点数为25*55、共计1375个格点。

该提取部分的资料中降水缺测文件时间为2009年11月、12月，2011年10月、11月各半个月左右，基本集中在冬季，所有缺测文件数量只占总文件数量的4％左右，故处理过程中忽略缺测文件的影响。

3.降水时空分布特征
3.1降雨时间分布特征
本文通过纵向的年代比较，以及横向的年内季节或者月份之间的比较两个方向对巴丹吉林沙漠2008-2020年期间降雨时间分布特征进行概括。

主要讨论对象为降雨量、降雨频次（气象学规定日降水量≥0.1 mm 为一个降水日,降水频次即降水日数）。

其中降水频次与总日数的比值称为降水频率。

图3-1 巴丹吉林沙漠2008-2020年年降雨总量格点均值统计分布图
3.1.1年降水总量特点
本文对于年降雨量的统计处理为区域内各格点年降雨总量值的平均值，且由于沙漠年降雨总量小，对于原始数据中格点值大于100的数据认为是不合理数据故处理以0做替代去除，从而得到巴丹吉林沙漠地区2008到2020年年降雨总量依次为：100.5118mm、103.4836mm、125.1743mm、86.7697mm、220.7234mm、192.8783mm。

图3-2 巴丹吉林沙漠6年（2008-2020年）月降雨总量分布图3-3 巴丹吉林沙漠2008-2020年年内单天最大降雨量
存在由于2011年10月、11月资料的不完整，使得2011年年降雨总量统计值与实际值比较偏小的可能。

所以可以考虑认为巴丹吉林沙漠年降雨总量在2008年-2012年有逐年增加的趋势。

2020年相对2012年有下降趋势，但是与2008年，2009年相比年降雨总量仍然增加。

6年中年降雨总量差值在数据完全完整的2012年与2008年达120.2116mm。

相当于2008年一年降雨量，这说明巴丹吉林沙漠最近几年降水量有一定的波动。

图3-4 巴丹吉林沙漠2008-2020年降雨月均值分布
3.1.2降水季节变化特点
季节分布特点本文季节划分采用现今通用的以天文季节与气候季节相结合定义的四季。

即3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12、1、2月为冬季。

不同季节有不同的环流形势，不同的环流形势主导的天气状况也各不相同，所以降雨量、降雨频次会随着季节变化而变化。

统计得出2008-2020年的月降雨量最大值月份依次为：7月、8月、5月、12月、7月、6月。

而2008-2020年各年最大降雨日依次为：7月17日、8月17日、5月24日、12月16日、7月20日、6月18日。

沙漠地区发生强降水的频率极低，但由于沙漠地区降雨总量较小，一旦发生
强降水事件其所产生的雨量将占全年降雨总量很大比重、所以单天最大降雨量的分布规律基本与月降雨最大值分布、年降雨总量分布基本规律一致。

纵观6年来年降雨最大值出现月份，虽然不同，但以夏季出现最多，其次2010出现在了春季（2011年在部分数据缺失的情况下出现在了冬季），说明巴丹吉林沙漠一年降水量主要集中在夏季、而6年各季节的降雨总量年平均值为：春季5.6734mm、夏季92.9967mm、秋季23.8525mm、冬季3.5223mm。

夏季的降雨量占6年年降雨平均总量的73.78%，按贡献配额大小其后为秋季18.92% 、春季4.5%、冬季2.79%，可以看出各季节降雨总量差异明显。

图3-5 巴丹吉林沙漠6年（2008-2020年）降雨量月均值
3.1.3不同强度降水时间分布特征
不同强度的降雨对土壤环境的作用不同，可能是周期长达数十年、影响深层土壤水分动态的大事件，也可能是仅土壤表面湿润的小事件有研究表明，强度为2mm/day的小降水事件只会引起土壤表层微生物的活动，导致土壤硝态氮发生短暂的分解脉动或增加，大于3 mm 的降水可提高土壤结皮生物的净碳收益或者某些高大植物的碳同化速率，而大于25 mm 的降水则可能引起多数荒漠植物萌发[20-27]。

因此，研究干旱地区降水强度等级级特征和变化趋势可更精细地了解降水与荒漠植被之间的关系。

气象学上降水强度常用日降水量定义，强度由小到大与降雨量的对应关系依次为：小雨（0.1-5 mm/day），“小到中雨”（5.1-10 mm/day），中雨(10.1-17 mm/day)，“中到大雨”(17.1-25 mm/day)，大雨(25.1-38 mm/day）“大到暴雨”
(38.1-50 mm/day），暴雨(50 mm/day以上)[27-29]。

根据资料显示选取的研究区域大多数格点数据各季大部分降水强度都在10 mm/day以下，中雨以上，特别是“大到暴雨”事件很少发生。

故本文决定将降雨强度按以下降雨量区间划分为7个等级：0.1-1mm/day）、1-3mm/day）、3-5mm/day、5-10mm/day、10-20mm/day、
20-30mm/day、30mm/day以上。

特别将降水强度为0.1-0.9的小雨（即降雨量
<1mm/day的雨日）称为弱降水。

弱降水尽管强度小，但由于出现频率高，所以
对于干旱沙漠地区的降水总量的贡献非常值得关注。

定义某季节内降水频次与全年降水频次（降水量）的百分比称为该季节降水频次（降水量）在全年降水频次（降水量）的配额，即降水频次（降水量）的季节配额。

图3-6 巴丹吉林沙漠2008-2020各等级降雨频次分布
图3-7 2008-2020年各等级内降雨频次分布
2008-2020年各等级降雨频次在年内的具体配额数值分布虽然不同，但是相对大小顺序基本相同。

即频次配额由大到小依次为：0-0.1mm/day、1-3mm/day、3-10mm/day、10-30mm/day、30YSmm/day、且可以看出各等级配额分布具有明显差异，也就是小雨强度，降雨事件主要发生在0.1-3mm/day等级段，其次是“小到中雨”而若考虑>10mm中雨大雨等级在6年里的降雨频率为6.99%，则配额更小，所以再一次说明沙漠地区出现大雨、暴雨等强度大的降雨事件概率很小。

同时可以看出2012年降雨频次虽然不是最多，但是由于降雨量>5mm的等级内频次较多，所以2012年年降雨总量是6年里最大值。

这也可以验证降雨频率小的极端降水事件对于降雨总量小的沙漠来说在雨量上的配额贡献占很大比重这一说法。

3.2降水空间分布特征
3.2.1降水量空间分布特征
图3-8给出了巴丹吉林沙漠区域格点2008-2020年里各年年降雨总量分布，
将提取数据的格点区域以几何中心为原点描绘方位，发现其降雨量的地理分布大致符合西北少，东南多的规律。

而这与巴丹吉林沙漠平均海拔为1 200 ～1 900 m,地势呈东南高、西北低[30]的特点相对应。

进一步讨论降雨量，降雨频次的区域分布特点。

1、对于降雨量的考虑，2008-2020年里年降雨最大地点均属于东南地区，东南、西北两地降雨量差异最明显的是2009年，其次是2012年。

没有逐年增加或者减少的一般规律。

2、将选取研究巴丹吉林沙漠地区看成精度为0.1格点的25*55的行列式，2008年-2020年每年的年降雨量以及对应的最大值位置分别为77.1mm--(13*48)、84.4mm--(1*38)、91.9mm--(6*28) 、
91.5mm--(9*53) 、99.6mm--(3*32)、99.1mm--(16*2) 。

可以看出年降雨最大值虽然出现在固定位置、除去最小的比较靠内的2008年，其他年里最大值出现的位置基本位于边缘地区。

图3-8 2008-2020年格点年降雨量年分布
3.2.2 不同等级降水空间分布特征
对于不同等级的降雨量，降雨频次大小影响作如下讨论：在不同等级降雨强度里，降雨频次的地理分布各不相同，以各等级降雨频次的跨度，即降雨频次最大值与最小值之差作为比较各等级降雨空间分布差异大小的标准。

则差异最大的是0.1-1等级，最小为30YS等级。

所以可以看出对于降雨强度小的降雨频次空
间分布差异大，降雨强度大的降雨频次空间分布差异小。

图3-9 2008-2020各等级降雨频次空间分布
4.降水个例分析
选取2010年发生在5月24日的该年最强一次降水过程作为为个例来分析其环流形势如下：
5月24日凌晨8时由500hpa高空图显示，欧亚大陆高纬度地区为两槽一脊环流形势，结合前一日500hpa天气图可知，原位于新疆北部上游小槽减弱东移，我国东北地区大槽加深，并出现闭合低压系统，控制范围由东北地区扩大到山西地区。

而新疆南部有小槽出现，并将快速东移发展，未来我国青海，甘肃等地区天气将受其影响。

同日，700hpa显示，朝鲜半岛低压系统继续控制山东，江苏省地区，与此同时青海地区小槽发展为闭合低压系统，将东移合并，甘肃地区，巴丹吉林沙漠地区处在低压槽前，有较强西南气流，提供充沛水汽带来降水。

本次降水过程影响范围较广，巴丹吉林沙漠大部分地区有降水，全天降水量达91.9mm,占2010年全年降雨量的73.41%。

以下是本次降水过程发生前一天5月23日晚8时环流形势图：
图4-1 2010年5月23日20时500Hp
图4-2 2010年5月23日20时700Hp 给出此次过程的降水量的分布图如下：
图4-3 2010年4月24日降水分布图
5、结论
分析巴丹吉林沙漠地区2008-2020年降水规律。

为沙漠气候资源利用和周边地区沙漠化治理提供理论依据，这对当地生态环境保护和社会经济发展具有重要的现实意义。

本文采用中国自动站与CMORPH融合的逐时降水量0.1°网格数据集（1.0版），选取属于巴丹吉林沙漠地区时间长度为2008年1月1日至2020年12月31日的逐时降雨资料予以统计以沙漠降雨量和降雨频次为研究对象，揭示沙漠降雨的时间和空间分布特征。

得出如下结论：
1、巴丹吉林沙漠地区2008年-2012年年降雨总量持续增加，2020年相对2012年年降雨量有所减少，但总体呈增加趋势。

2、沙漠降雨主要集中在夏季，夏季的降雨量占6年年降雨平均总量的73.78%，按贡献配额大小其后为秋季18.92% 、春季4.5%、冬季2.79%，可以看出各季节降雨总量差异明显。

3、沙漠地区发生强降水的频率极低，但由于沙漠地区降雨总量较小，一旦发生强降水事件其所产生的雨量将占全年降雨总量很大比重、所以单天最大降雨量的分布规律基本与月降雨最大值分布、年降雨总量分布基本规律一致。

4、降雨量地理分布致符合西北少，东南多的规律。

而这与巴丹吉林沙漠地势呈东南高、西北低的特点相对应。

5、降雨量最大值基本分布在沙漠边缘地区。

降雨强度小的降雨频次空间分布差异大，降雨强度大的降雨频次空间分布差异小。