气候变暖正在改变着全球的水分循环，引起水资源在时空上的重新分配，并对降水、蒸发、径流、土壤湿度等产生直接影响(王国庆等，2008)。增暖改变了全球环境干湿变化的分布格局(马柱国和符淙斌，2007)。在中国，年代际尺度上的趋势是北方东干西湿、东部南涝北旱(马柱国等，2005)。在局域，中国东南沿海地区降水显著增加，华北和四川盆地降水有减少趋势(Karl and Knight，1998；翟盘茂等，1999；Zhai et al.,2005；陆虹等，2010)。

我国北方的西湿东干是指西北西部1987年以后降水的持续增加和华北持续近30年的降水偏少(马柱国等，2005)。针对西北西部降水增加的特征和原因过去进行了大量的研究，如施雅风等(2003)发现新疆地区于1987年气候发生突然变化，随着温度升高，降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加，并提出了我国西北气候可能从20世纪的暖干向暖湿转型。Zhai et al.(2005)发现，我国大范围明显的降水增加主要发生在西部，其中西北地区尤为显著。宋连春和张存杰(2003)指出，20世纪西北地区降水量处于下降通道中，后期西北地区中西部降水量有明显的增多趋势，东部降水量持续减少。西北西部的新疆近50年(1955～2000年)来大部分地区降水量呈增加趋势，增减趋势的变化大小在同一地区一致性有所不同(薛燕等，2003)。戴新刚等(2007)分析近20年新疆高温多雨型气候的出现主要是1950～1960年年代际尺度成分的正位相和线性增加趋势部分叠加形成的。关于西北西部降水增多的原因，刘波等(2009)发现新疆地区降水与比湿和低云量之间具有密切的相关性，尤其是低云量的增加可能是导致降水增加的重要原因。研究还表明，新疆降水的变化主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的作用，瞬变涡动增强即天气尺度扰动频度或强度增加，水汽辐合加强进而对应的降水增加(戴新刚和张凯静，2012)；新疆水汽主要来源于西风环流，北冰洋的干冷气流也有一定的影响，因而形成新疆降水北疆多于南疆，西部多于东部，1980年代和1990年代西北西部空中水汽含量明显增加，这是全球变暖促使南方热带海洋水汽向北输送的结果(杨晓丹，2005)，但戴新刚等(2005)发现，新疆的水汽主要来自其以西的湖泊或海洋，其上空的水汽更多地直接来自于较高纬度带。史玉光和孙照渤(2008)的研究结果表明决定新疆降水差异的根本原因不在于水汽的多少，而是由降水产生的动力条件、水汽辐合等因素决定的(刘海红，2012)。南、北疆降水增加的时节和地点与空中水汽变化状况基本一致(柳葳等，2005)，但两者降水变化机制不尽同，北疆降水增加主要与定常波水汽输送增加、水汽辐合增强导致的背景大气水汽含水量上升有关，而南疆降水增加主要是因为瞬变涡动水汽辐合增强(戴新刚等，2013)。

降水变化的原因无外乎两种，一个是来自于大气本身的水平输送水汽的变化，另一个是局地地表过程的热力影响。前述关于大气平流水汽输送变化对西北西部降水增加的作用已有大量研究(如：杨晓丹，2005；戴新刚等，2005)，但局地热力作用对西北西部降水变化影响的研究却很薄弱。研究表明，白天加热后使午后的湿对流达到最强，大部分陆地降水在午后达到最大值(Imaoka and Spencer，2000；Mapes et al.,2003；Smith and Yang，2006)。但是这一结果有很大的区域性差别，如美国洛杉矶山脉以东和大平原地区午夜至早晨降水发生的频率最高，而美国东南部和西部则在午后降水最多(Dai et al.,1999)。在增暖背景下，陆地表面的热力状况会发生变化，昼夜间热力对比差异是否对区域降水的变化产生影响？目前关于这方面的研究还很缺乏。新疆位于东亚内陆，属于典型的干旱区，境内山脉和盆地相间，自南向北，昆仑山脉和天山山脉之间是塔里木盆地，盆地上是中国最大的塔克拉玛干沙漠；天山山脉和阿尔泰山之间是准噶尔盆地，地形地貌复杂，在增暖背景下，这种复杂的地形地貌对降水过程变化的影响至今还不清楚，而这种影响表现的一个重要方面就是昼夜降水的变化。基于以上这些问题，本文将利用实际观测数据研究新疆地区在增暖背景下昼夜降水的变化特征，为研究新疆地区局地作用对降水增加的影响提供事实依据。

所用资料为新疆109个气象观测站1961～2005年夜间[20:00(北京时间，下同)至08:00]、白天(08:00至20:00)的降水记录，为了保证数据在时间和空间上的一致性：(1)剔除闰年2月29日数据；(2)剔除资料长度不够的站点；(3)剔除缺测年份数大于1和一年之中缺测大于6个月以上的台站；(4)对于缺测值用其他年份同一天的多年平均值进行插补，最终有效站点为89个。以43°N为界限，43°N以北是北疆，以南是南疆，北疆有45个站点，南疆44个。在原始资料中，毛毛雨观测记录为―0.1，本文在处理毛毛雨后将其记录改为0，因此在计算降水量和降水日数时忽略了毛毛雨的影响。环流场分析中使用NCEP1的逐日4次再分析资料[2.5°(纬度)×2.5°(经度)]，包括风速和比湿。

降水指标定义：年降水量是指昼、夜降水量超过0.1 mm的年降水总量；年降水日数指昼、夜降水量超过0.1 mm的年降水日数；降水强度是指年降水量与降水日数的比值。

昼、夜降水的变化特征采用了趋势分析法、Mann-Kendall和滑动t检验法，强降水的定义采用百分位法。上述方法具体介绍参见相关文献(Bonsal et al.,2001；符淙斌和王强，1992；张意林等，2008；苑文华等，2010)。

过去关于新疆降水特征的研究不少，但多针对日、月和年降水的变化特征研究，而很少做昼、夜降水的特征分析，另外增暖对温度的影响具有昼夜差异，那么这种影响会不会影响到昼夜降水的时空变化特征呢？本文将针对这些问题进行重点分析，为了便于表述，昼、夜降水量分别用P_d、P_n表示。

图 1为昼、夜降水量及降水日数的多年平均值及昼夜差异的空间分布。由图 1a、1b可知，无论从降水量级还是空间分布来看，新疆P_d、P_n具有很好的一致性，均有明显的区域差异且北疆大于南疆。整个新疆地区年平均的P_d为71 mm，北疆为105.7 mm，南疆为35.8 mm；年平均P_n为81 mm，北疆为120.5 mm，南疆为40.5 mm。天山北部年降水量较大，这与蓝永超等(2008)的研究结果一致，其中北疆的乌鲁木齐和伊犁地区白天和夜间降水最多，并且这些地区的年夜降水量大于昼(图 1c)。89个站有59个站年P_n大于P_d，其中北疆30个，南疆29个。新疆地形复杂导致不同性质的地表温度日变化引起的局地环流可能是产生降水日变化的主要原因，在近山区形成山谷风，其结果是白天在山坡上成云致雨，夜间在盆地边缘造成降水。

图 1

Fig. 1

图 1 多年平均昼、夜降水量(左列)和降水日数(右列)空间分布：(a、d)昼；(b、e)夜；(c、f)夜昼差(夜减昼) Fig. 1 Spatial distribution about the multi-year average day and night precipitation amout(left column) and precipitation days(right column):(a，d)Day;(b，e)night;(c)difference between night and day(night minus day)

图 1d、1e为多年平均的昼、夜降水日数空间分布图。可以看出，新疆地区昼、夜年降水日数的空间分布相似，北疆多，南疆少。整个新疆地区的昼年平均降水日数为37.5 d，北疆平均54.2 d，南疆平均20.3 d。夜年平均降水日数39 d，北疆平均55.9 d，南疆平均21.7 d。降水日数大值区位于新疆北部和中部。降水日数昼夜差的空间分布(图 1f)和降水量昼夜差的空间分布(图 1c)相似，夜降水日数大于昼降水日数的台站有57个，主要分布在天山北坡和塔里木盆地的南边，也就是说大地形的北坡夜雨的日数多于昼雨的日数，原因可能是昼夜局域地表热力作用的结果。

夏季是新疆降水最多的季节，占年降水的43.5%。因此，以夏季为代表，利用昼夜间环流场的差异探寻新疆昼夜降水差异的可能原因。利用NCEP1首先对该区域昼夜间平均的垂直运动的差异进行了分析。图 2为多年平均的垂直运动和水汽通量散度的昼夜差值。可以看出，1961～2005年，新疆大部分区域平均夜间向上的垂直速度大于昼，上升运动较强(图 2a)，有利于降水形成；而夜间水汽低层辐合也强于昼(图 2b)。因此，从环流场来看，相对于白昼，夜间强的上升运动和水汽辐合是导致新疆地区夜雨大于昼雨的环流机制，这样的环流机制应与新疆地区的地形和下垫面特征有关。

图 2

Fig. 2

图 2 1961～2005年夏季新疆平均(a)500 hPa垂直速度和(b)850 hPa水汽通量散度的夜昼差(夜减昼)空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of the differences of(a)500-hPa vertical velocity and (b)850-hPa vapor flux divergence between night and day(night minus day)in summer during 1961-2005 in Xinjiang

图 3为昼、夜降水量和降水日数变化趋势系数的空间分布图。由图 3a、b可以看出，大多数站昼夜降水量均有增加趋势，均占总站数的96%，其中昼51个站通过95%的信度检验，占昼增加趋势总站数的60%，尤其伊犁地区的几个站增加的最大也最显著。夜45个站通过0.05显著性检验，占夜增加趋势总站数的53%，主要集中在阿勒泰、伊犁、哈密以及南疆的喀什地区。昼、夜的线性趋势系数空间分布相似，夜平均系数大于昼，夜降水增加趋势系数占总降水趋势系数的51%。北疆昼、夜降水量的增加率均大于南疆，降水增长率最大区位于北疆的的乌鲁木齐和伊犁地区。降水量夜昼差的趋势(图 3c)中47个站呈增加趋势，但只有少数站通过显著性检验，整个新疆地区夜昼差的变化趋势系数为0.01mm/a。可以断定，在1961～2005年，新疆大部分地区昼夜降水量均呈显著增加趋势，且夜间的降水量的增率大于白昼，在空间分布上表现为北疆的增率大于南疆。

图 3

Fig. 3

图 3 昼、夜降水量(左列)和降水日数(右列)变化趋势的空间分布(实心三角和圆圈表示通过显著性水平为0.05的检验)：(a、d)昼；(b、e)夜；(c、f)夜昼差(夜减昼) Fig. 3 Spatial distribution of variation trends about the day and night precipitation amout(left column) and precipitation days(right column)，soild triangles and circles denote statistically significant trends at 0.05 significance level:(a，d)Day;(b，e)night;(c，f)difference between night and day(night minus day)

图 3d、3e为昼、夜降水日数的变化趋势图。可以看出，昼、夜降水日数呈增加趋势均有82站，占总站数的92%，其中昼、夜分别有48、44个站通过0.05的显著性检验，这些站集中在乌鲁木齐和阿勒泰地区。昼、夜降水日数均有7个站呈减少趋势并且全没通过0.05的显著性检验。夜昼差的趋势图(3f)中呈增加趋势的32个站中有4个是显著的，57个呈减少趋势的站中14个显著，新疆整个地区降水日数夜昼差的变化趋势系数为－0.3 d(10 a)^-1。

总之，过去半个世纪，中国新疆地区总体上夜间年降水量和降水日数均大于白天的年降水量和降水日数，昼、夜年降水量和降水日数总体呈显著的增加趋势，但夜、昼降水量及降水日数之差值没有显著的变化趋势。

图 4给出了整个新疆地区区域平均年P_d、P_n的时间变化。由图 4a可知，在1961～2005年，新疆年P_d、P_n均呈显著地增长趋势(相关系数平方R²＞R_0.05 =0.062)，昼夜间的倾向系数基本接近，分别为5.3 mm(10 a)^-1和5.4 mm(10 a)^-1；P_d、P_n的年际变化一致，而年P_n大于年P_d，45年平均年夜昼降水量差为9.8 mm。从图 4b可以看出，年平均P_n与P_d之差的变化趋势有明显的年代际变化特征，在1975年以前两者之差呈减小趋势，而1991年以后转变为增加趋势。

图 4

Fig. 4

图 4 1961～2005年新疆地区区域平均的年(a)Pd、Pn以及(b)Pn－Pd时间序列 Fig. 4 Time series of annual(a)Pd and Pn，(b)Pn－Pd in Xinjiang during 1961−2005

除降水量外，降水日数和降水强度也是表征降水特征的主要指标，为此在这里同样分析区域平均昼、夜降水日数和强度的变化，目的是进一步了解昼、夜降水的特征差异。图 5a给出了年昼、夜降水日数时间序列。由图可知，昼、夜降水日数均呈显著增加趋势，增加幅度分别为1.8、1.5 d(10 a)^-1。虽然昼的降水日数增长趋势大，但是45年里昼降水日数始终小于夜。图 5b是年昼夜降水强度的区域平均变化，由图 5b可知45年里夜降水强度大于昼，昼、夜都呈显著的增长趋势，趋势系数夜[0.053 mm d^-1(10 a)^-1]大于昼[0.046 mm d^-1(10 a)^-1]。昼、夜降水量和各自降水日数的线性相关系数都达到0.88以上，而昼、夜降水量和各自降水强度的相关系数最高为0.45，说明降水量的增加主要是由降水日数的增加引起，而降水强度对降水量增加的影响较小。

图 5

Fig. 5

图 5 1961～2005年新疆地区昼、夜(a)降水日数和(b)降水强度时间序列Fig. 5 Time seies of(a)precipitation days and (b)precipitation intensity in daytime and nighttime in Xinjiang during 1961−2005

关于毛毛雨变化的气候特征，过去的研究发现中国区域毛毛雨普遍减少(严中伟和杨赤，2000)，但这些研究均是基于日降水观测数据的分析结 果，昼、夜毛毛雨的变化及差异却不清楚，这里将针对这个问题进行重点分析。

图 6给出了年昼、夜毛毛雨日数的变化趋 势。从图 6可以看出，平均来讲昼毛毛雨日数为42 d，夜毛毛雨的日数33.7 d，昼、夜毛毛雨日数具有显著的减少趋势，这与用日降水数据研究的结果一致(严中伟和杨赤，2000)。但值得注意的是昼和夜毛毛雨减少趋势的系数不同，昼毛毛雨日数减少率大于夜，昼、夜减少率分别为1.6、1.3 d(10 a)⁻¹。

图 6

Fig. 6

图 6 1961～2005年新疆地区昼、夜毛毛雨日数时间序列 Fig. 6 Time series of drizzle days in daytime and nighttime in Xinjiang during 1961−2005

上述分析说明毛毛雨昼、夜分布具有显著的变化趋势，那么，作为降水的另一个极端过程，强降水的变化到底怎样？这里我们利用百分位法得出各个站点昼、夜强降水阈值，即将1961～2005年日降水量≥0.1 mm的逐年日降水进行从小到大的排序，计算该年百分位数，将45年第90百分位值平均值作为强降水阈值。然后计算1961～2005年各年超过阈值的降水日数、降水量，分别作为该年强降水发生的日数和强降水量。计算89个站逐年强降水的日数、降水量的算术平均值作为新疆逐年强降水日数、降水量序列，而强降水量除以强降水日数定义为强降水强度。

图 7给出了区域平均的昼、夜强降水的变化。可以看出，夜间的强降水量大于白昼，昼、夜强降水量都呈显著的增加趋势，昼、夜强降水量的增加趋势分别为3.3、3.6 mm(10 a)⁻¹(图 7a)。分析发 现，昼、夜强降水量和各自总降水量有很好的线性相关性，相关系数均在0.95以上，说明强降水量对总降水量的影响很大。昼、夜强降水日数约为各自降水日数的10%，但昼、夜强降水量分别占昼、夜总降水量的48%、47%。图 7b给出昼夜强降水日数的变化趋势。可以看出，1961～2005年大部分年份夜降水日数大于昼，并且这45年的夜平均强降水日数大于昼。昼、夜强降水日数均呈增加趋势，分别为0.34、0.33 d(10 a)⁻¹，并通过了0.05的显著性检验。

图 7

Fig. 7

图 7 1961～2005年新疆地区昼、夜年平均(a)强降水量、(b)强降水日数和(c)强降水强度时间序列 Fig. 7 Time series of annual heavy precipitation(a)amount，(b)days，and (c)intensity in daytime and nighttime in Xinjiang during 1961−2005

从图 7c可知，45年内夜平均强降水强度大于昼，昼强降水强度增长趋势为0.065 mm d⁻¹(10 a)⁻¹，夜为0.063 mm d⁻¹(10 a)⁻¹，昼、夜降水强度的增加趋势基本相当，但仅昼的增长趋势通过0.05显著性检验。结合图 7a、7b分析得，强降水日数与强降水量的变化趋势相似，昼强降水日数与昼强降水量线性相关系数为0.92，夜的为0.88，可见昼夜强降水量增加主要是强降水日数显著增加的结果，而降水强度的影响不大。这与利用日降水研究所得出的结果一致(杨莲梅，2003)。

概括起来，新疆年平均昼、夜降水量、降水日数、降水强度均呈显著增加趋势，降水量和降水强度的增加趋势为夜大于昼，而降水日数则为昼大于夜；强降水过程也有相似的结果。降水量的增加是降水日数增加引起的，降水强度的影响较小。新疆地区昼、夜毛毛雨日数均呈现显著的减少趋势，昼毛毛雨日数及其减少率均大于夜的。

已有的结果说明，新疆地区年降水量在1980年代后期有一个突然的增加(突变)，其转折点在1987年(施雅风等，2003)。利用M−K方法，在此分析了1961～2005新疆年昼、夜降水量的M−K曲线(图略)，正向序列表明昼夜均有增加的趋势，根据两图中正向序列和逆向序列的交点位置，确定昼夜降水量的突变年分别为1986年、1991年，夜的突变时间点晚于昼5年。并且无论昼夜两者的UF曲线都呈超过了显著性水平0.05的临界线，表明昼、夜降水量的增加趋势是显著的。而昼、夜滑动t检验计算值(昼t_d=4.49，夜t_n=3.30)均大于t_0.05=2.02，均通过0.05的显著性检验，证明昼和夜降水量在1986年、1991年有一个由少到多的突变。昼突变前后平均值之差为14.5 mm，夜为13.6 mm。那么为什么夜间降水的突变点较昼间降水的突变点晚5年呢？造成年昼、夜间降水突变点差异的原因值得深入研究。

本文利用新疆89个气象站的观测资料对新疆地区1961～2005年的昼、夜降水量、降水日数、降水强度及毛毛雨和强降水过程的时空变化特征进行了分析，通过分析可以得出以下结论：

(1)1961～2005年新疆区域平均昼、夜降水量均呈显著地增加趋势，昼、夜间增加趋势分别为5.3 mm(10 a)⁻¹和5.4 mm(10 a)⁻¹；昼、夜降水量的年际变化基本一致，且年夜间降水的总量大于年白天降水的总量，45年平均夜昼降水量差为9.8 mm。

(2)昼、夜年降水日数均呈显著的增加趋势，增加幅度分别为1.8、1.5 d(10 a)⁻¹。45年间平均昼降水日数小于夜。45年里夜降水强度大于昼，昼、夜都呈显著的增长趋势，趋势系数夜大于昼。降水量的增加主要是由降水日数的增加引起的。

(3)昼夜毛毛雨日数具有显著的减少趋势，这与用日降水数据研究的结果一致。年昼毛毛雨日数大于夜，昼、夜减少率分别为1.6、1.3 d(10 a)⁻¹。夜强降水量大于昼，昼、夜强降水量显著的增加趋势分别为3.3、3.6 mm(10 a)⁻¹。45年内夜平均强降水日数和强降水强度均大于昼。昼、夜强降水量增加主要是强降水日数显著增加的结果。昼、夜强降水量和各自的总降水量有很好的相关，强降水量对总降水量的影响很大。

(4)昼、夜降水量都存在由少到多的显著突变，但两者发生突变时间不同，昼降水发生突变的时间为1986年而夜降水量在1991年。

降水的形成过程既有大尺度气候背景的影响，又同时受局地陆气相互作用的影响。本文的分析说明，在新疆地区降水量持续增加大背景下，昼、夜降水的变化具有明显的差异，尤其是变化趋势的差异，如为什么在增暖背景下夜降水量增加趋势大于白天的增加趋势，而降水日数的增加趋势却有相反的结果，昼、夜降水的突变点为什么不一致，白天毛毛雨日数减少的趋势比夜间毛毛雨减少大的原因是什么？对这些问题的回答需要利用陆气耦合的高分辨率区域气候模式的模拟研究去诠释，这将是值得进一步研究的科学问题。