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浅析中国大陆日降水峰值时间位相的区域特征

中国学术期刊网【农林学论文】 编辑:天问 气象学报 2016-05-03浅析中国大陆日降水峰值时间位相的区域特征论文作者:宇如聪 李建,原文发表在《气象学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 中国大陆 降水 日变化 
摘要: 利用高密度的中国国家级地面气象站逐时降水数据,系统分析和比较了中国大陆地区暖季降水量、降水频次和降水强度的日变化峰值位相的整体特征、空间分布差异及典型区域平均的日变化演变特征。研究指出,中国大陆暖季降水日变化峰值时间主要表现为下午、清晨、夜间3类典型位相,且整体而言降水频次的清晨峰值更凸出,降水强度以下午峰值为主。综合考虑降水量和降水频次的日变化峰值位相,发现中国大陆地区降水日变化峰值位相在空间分布上存在7个典型区域:下午峰值区(东北至华北山区、东南内陆地区)、夜间峰值区(四川盆地西部至云贵高原东部、华北平原西部贴近山地的区域)和清晨峰值区(华北平原东部、秦巴山区至华中西南部)各两个,以及傍晚至夜间峰值位相的青藏高原区。各典型区域内部具有较一致的降水量和频次的日峰值时间位相,而区域边缘或交界处降水量和频次的峰值位相则相反,主要是降水量的下午主峰值时段与降水频次的清晨主峰值时段的错位。从降水量、降水频次和降水强度的日变化的演变特征来看,午后峰值区、夜间峰值区和青藏高原的傍晚至夜间峰值区的多数台站,都存在降水量位相滞后于降水强度而超前于降水频次的特征,这应是降水演变过程中时间演变不对称性和对流云系发展演变的具体表现。

宇如聪, 李建
中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京, 100081
2015-11-11 收稿; 2015-12-29 改回
资助课题: 北京市优秀博士学位论文指导教师科技项目(20138005801);国家自然科学基金项目(41322034)。
作者简介: 宇如聪,主要从事东亚气候特征及变率分析研究。
 
1 引言

降水日变化是大气热力、动力过程对水循环综合影响的结果,涉及地球气候系统各分量间复杂的相互作用和多种不同时空尺度的物理过程。对降水日变化的深入认识,不仅有助于理解各类降水的形成演变机制,有助于理解区域天气气候演变的物理规律,也将对气象和水文的精细化预报服务有重要指导作用。中国降水日变化的系统研究主要开始于21世纪初,相关工作得益于中国气象局国家气象信息中心整理完成的国家级气象观测站网的部分逐时观测资料和国际上高分辨率卫星观测资料的广泛使用。近十几年来中国降水日变化研究主要围绕3个科学问题展开:(1)降水量日变化的气候特征分析(Yu et al,2007;Li et al,2008;Yuan et al,2010;Xu et al,2011);(2)降水日变化的主要影响因子分析(Yu et al,2009;Chen et al,2010;Huang et al,2010;Bao et al,2011);(3)数值模式对中国降水日变化的模拟能力评估(戴泽军等,2011;沈沛丰等,2011;Yuan,2013;Yuan et al,2013)。宇如聪等(2014)系统回顾了自21世纪初以来关于中国降水日变化研究的主要成果。

降水日变化研究中最基本的科学问题是降水在一天24 h的演变特征。就这一问题,Yu等(2007)已基于中国台站逐时降水观测资料进行了系统研究,指出中国大陆夏季降水存在显著的日变化,且区域特征鲜明:中国大陆东南和东北部的降水量日变化表现为下午单峰型;青藏高原东部和四川盆地为午夜单峰型;长江中游地区为清晨峰值;中国中东部地区(30°—40°N,110°—120°E)为清晨和午后双峰型。上述结论已作为中国降水日变化的核心特征被用于卫星资料检验(Zhou et al,2008;Xu et al,2011)和数值模式结果评估(戴泽军等,2011;Yuan et al,2013)。近年来,随着对降水过程精细化认知需求的不断提升,围绕降水日变化峰值时间位相这个基本科学问题,有两方面基础性工作亟需开展。一是随着高时空分辨率降水资料的不断丰富,有必要基于更高密度的观测站网开展更高空间分辨率的日变化位相分析。考虑到中国天气气候状况的复杂性和降水日变化自身对各类热力、动力因子高度的敏感性,了解更高空间分辨率的降水日变化位相特征一方面可增进对区域天气气候的精细化认识,另一方面也将揭示更多可供深入研究的科学问题。Yu等(2007)使用的站网在中国大陆地区仅包括588个台站,较低密度的站网仅能反映出峰值位相空间分布的大体特征,在代表性区域的选择具有一定局限性,未能全面地反映出中国降水日变化的区域特征。二是此前已有降水日变化的研究主要针对的是降水量,但要真正通过降水日变化更深刻理解降水的过程演变特性,至少还应认识降水频次和强度的日变化。Zhou等(2008)结合2000—2004年地面台站观测和卫星反演的降水资料,比较了降水量、降水频次和降水强度的日变化位相差异,得到降水量和降水频次的日位相没有显著差异的结论,但由于资料的年限过短,样本少,以及卫星反演数据的不确定性,分析结果可能存在不确定性。

本研究围绕上述两方面问题,利用高密度的地面台站观测的逐时降水资料,系统分析各台站的逐时降水量、频次和强度的日变化峰值时间位相和振幅,以期能全面了解和理解中国降水日变化的丰富内涵,并为开展相关科学研究和无缝隙的精细化降水预报服务提供科学依据和参考。

2 资料与方法

本研究所用的数据源于由中国气象局国家气象信息中心提供的“中国国家级地面气象站逐小时降水数据集(V1.0)”(张强等,2016),该数据集包含中国2420个国家级地面气象观测站(国家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站)的逐时降水数据。考虑到数据的完整性,选取2000—2013年14个暖季(5—10月)的逐时降水资料进行分析,并滤除了少量缺测时次较多的台站,最终使用的站网如图 1所示,共计2394个站点。在本研究中,降水量用01—24时逐时刻的降水量在整个分析时段内分别累加得出;降水频次为所有有效降水小时数(降水量大于等于0.1 mm)在01—24时分别累加得出;在01—24时每个时刻,分别用该时刻累积降水量除以累积降水频次,便得出对应时刻的降水强度。降水量、频次和强度的日变化位相用01—24时逐时均值除以24 h均值所得的时间序列表示,这种无量纲化处理使降水量、频次和强度的日变化可在同一纵坐标中得到显示;日变化峰值时间位相用日最大值出现时刻表示;日变化峰值振幅用峰值的量值与日均值的比值表示。所有时刻均为当地时间。


图 1 中国2394个国家级地面气象观测站的分布情况(黑色叉号代表台站位置,填色为地形高度)
Fig. 1 Spatial distribution of the 2394 national rain gauge stations(The black crosses denote the stations, and the shading represents surface elevation)
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3 降水日变化的整体特征

为了了解中国降水量、频次和强度日变化峰值时间位相和振幅大小的整体特征,首先在图 2a中给出了整个中国大陆暖季平均的降水量、降水频次和降水强度的日变化演变曲线。降水量的日变化显示的是基本均等的“双峰”位相,位于当地时间16—17时的峰值略高于05—06时的峰值,对应的有两个低谷分别在11和22时。降水频次的日变化主峰值出现在06时,主要低谷在12时,下午后逐步到达一个相对较高状态并维持到前半夜,随后逐步增大并达到清晨峰值。降水强度呈现出单峰型特征,在17时达到峰值,在下午时段以外的平均小时降水强度差别不大。总的来看,降水量的清晨峰值主要源于降水频次的贡献,而降水量的午后峰值与降水强度的关系更为紧密。


图 2 (a)中国大陆平均的暖季降水量(黑色实线)、频次(蓝色长虚线)和强度(红色短虚线)的日变化演变曲线,(b)暖季降水量(黑色实线)、频次(蓝色长虚线)和强度(红色短虚线)的峰值时间位相出现在不同时刻的台站数占总台站数的百分比,(c)暖季降水量(黑色实线)、频次(蓝色长虚线)和强度(红色短虚线)的峰值时间位相出现在不同时刻的台站的平均日变化振幅Fig. 2 (a) Diurnal variations of warm season precipitation amount (black solid line),frequency (blue long-dashed line) and intensity (red short-dashed line);(b) the number of stations (expressed as the percentage to the total number of stations) at which the diurnal peaks of warm season precipitation amount (black solid line),frequency (blue long-dashed line) and intensity (red short-dashed line) occur at the different hours;and (c) the amplitudes of warm season precipitation amount (black solid line),frequency (blue long-dashed line) and intensity (red short-dashed line) averaged over the stations peaking at the different hours
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通过对降水量、频次和强度的日峰值出现在不同时刻的台站数量进行统计,图 2b给出了各时刻峰值站点数占总站点数的百分比。多数台站降水量和强度的日峰值出现在当地时间15—18时前后,而多数台站降水频次的峰值时间位相出现在当地时间06时前后,在06时一个时次达到频次峰值的站点数占总站点数的20.0%。在中午前后出现降水量和频次峰值位相的台站很少,特别值得指出的是,没有一个台站在12时出现降水频次峰值位相。

除位相外,振幅是日变化的另一个重要特征,图 2c中给出了各时刻峰值对应的平均振幅。无论是降水量还是频次和强度,峰值位相发生在各小时的台站平均日变化振幅都在1.2以上,降水量的日变化振幅最大,降水强度的日变化振幅次之,降水频次的振幅最小。值得注意的是,虽然降水量和频次峰值位相发生在午夜的台站占总台站数的比重并不凸出,但其台站平均日变化振幅都较大,而降水频次峰值位相发生在整个白天的台站平均日变化振幅都较小。

4 降水日变化的区域差异

图 2a、b显示中国大陆整体平均的降水日变化峰值位相主要是下午和清晨,但图 2c表明降水日变化峰值为夜间位相的日变化振幅较大,具有其特殊性。为考察降水日变化的区域差异,图 3a、b分别给出了降水量日变化峰值时间位相和峰值振幅。为了更清晰地显示峰值时间位相的区域特征,将峰值位相按时间段分为4类:夜间(北京时间22—03时)、清晨(04—09时)、正午(10—13时)和下午(14—21时)。注意并未采用等时段分解,下午时段包括了傍晚,占8 h,而中午时段只占4 h,这主要是考虑到图 2显示的中国降水日变化的整体位相特征的时间分布。


图 3 中国暖季降水量日变化峰值时间位相的空间分布 (每个台站用颜色标示出峰值时间所在时段: 蓝色为夜间,绿色为清晨,棕色为中午,红色为下午) (a)和相应的日峰值振幅(b)Fig. 3 Spatial distributions of the diurnal peak phases (the colored dots denote the peaks occurring in the different periods of time: blue for night, green for early morning, brown for noon, and red for afternoon) (a) and the corresponding amplitude (b) of the warm season precipitation amount
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比较图 3a和Yu等(2007)的图 1,虽然后者是对夏季6—8月平均,这里是5—10月平均,资料的年份也不同,但图 3a所揭示的暖季降水量日变化时间位相和振幅的区域分布与Yu等(2007)的图 1比较接近。最为显著的特征是:(1)沿30°N附近105°E以西的青藏高原东部和四川西侧降水量峰值时间均出现在夜间,且日变化振幅大,很多台站在峰值时段的降水量超过24 h平均降水量的2倍,表明这些地区的降水夜雨特征明显;(2)在上述西南夜雨区以东、112°E以西的大片站点在清晨达到降水量峰值,华北平原东部近海区域和东南沿海(特别是海岛站)也表现为清晨峰值,且这些地区日峰值振幅相对较弱;(3)105°E以东和35°N以北的大部分台站和东南内陆地区的降水量峰值时间位相多出现在下午时段,且日变化振幅较大,多在1.5以上;(4)中东部地区,位于长江和黄河之间的台站,日峰值的区域一致性差,多种位相相间分布,且日变化振幅很小,多在1.5以下;(5)降水量峰值时间出现在中午时段的站点很少;(6)在新疆,多数台站的降水量日变化时间位相以下午至夜间为主,由于Yu等(2007)所用站点较少,在其结果中不易辨别出这一区域的日变化相位和振幅特征;(7)中国95°E以西的地区降水量日变化振幅均较大,该区域46.6%(16.8%)站点的降水量日变化振幅在2(2.5)以上。

除上述结论外,本研究所用的更高密度站网资料还揭示了一些更精细的降水量日变化特征:华北平原及其西南部的部分台站夜雨也很明显;清晨峰值位相的台站多出现在夜间峰值位相台站的东部或周边,两者可能具有某种关联性,只是前者较后者时间位相滞后;正午时段位相的台站主要是分散在清晨和下午位相台站的过渡区,没有连成片,没有区域性特征;从川西高原到四川盆地再向东偏南和从华北西部山区到华北平原再向东南,呈现出一致的峰值位相空间演变,均依次为下午、夜间、清晨的峰值位相,都显示了很好的区域关联特征;东南内陆的下午位相与其西北侧的清晨位相形成了清晰的东北—西南向的交界线。另外,虽然海上的台站缺乏,在华南沿海从海岛到内陆,也基本可看出,降水量峰值时间位相依次出现清晨、正午和下午的演变特征。

图 4a、b分别为降水频次日变化峰值时间位相和日变化振幅。与降水量相比,频次峰值时间分布最突出的特点是清晨站点大幅增加,清晨峰值站点占总站点数的百分比从图 3a中的24.8%上升至53.4%,这与图 2b中频次曲线的清晨峰值站点高比例相一致。青藏高原东部和四川西侧的夜间峰值区减小,而其东部的清晨峰值区大幅扩张,与中国中东部地区和华北东部的清晨峰值站点相连接,并继续向东北延伸至东北地区东部,形成贯穿中国西南—东北地区的大范围清晨峰值区,同时中国西北地区的清晨峰值站点数也显著增多。在105°E以东,自北向南基本为午后—清晨—午后的分布,北方和东南地区的午后站点数较降水量均有显著减少。华北出现下午峰值位相的台站更局限在相对高海拔山区,华北的夜间位相台站清晰地处于下午和清晨位相台站的分界处,显示了更好的区域关联性。东南内陆的下午位相与清晨位相的分界线较图 3a中的位置更偏向东南。比较图 3b和4b,降水频次日变化振幅的空间分布型与降水量基本一致,两者空间相关系数达到0.697;最明显的差异是频次振幅整体偏小,绝大多数站点(98.2%)的降水频次振幅小于降水量振幅;图 4b中大部分站点(89.4%)的振幅在1.5以下,振幅大于2.0的站点仅有9个,所有站点中最大振幅为2.41,而图 3b中振幅在2.0以上的站点有199个,最大振幅达到3.92。