鄭州市5—9月降水的日變化特征

王紀軍，周丹丹

(1.河南省氣候中心，河南 鄭州450003;2.許昌市氣象局，河南 許昌461000)

全球變暖引起降水格局發(fā)生明顯改變，頻度和強度特征受到科學(xué)家的普遍關(guān)注. 降水的日變化是地球天氣和氣候的一個重要特征［1］，對于理解降水形成機理以及評估區(qū)域氣候特征等具有重要意義，是充分理解天氣氣候系統(tǒng)以及水汽循環(huán)的重要方面之一［2］.特定研究區(qū)域降水發(fā)生頻次及其強度的日變化特征對強降水季洪水發(fā)生機理研究具有重要的意義［3］.以前對地面和衛(wèi)星觀測的分析發(fā)現(xiàn)，除了美國中部和一些其他地區(qū)夏季降水高峰出現(xiàn)在凌晨外，大多數(shù)陸地降水的最大值出現(xiàn)在午后［4－9］.上述研究地區(qū)集中在美國和熱帶地區(qū).

降水日變化特征的區(qū)域性極強，以前對降水自記記錄沒有比較好的處理辦法，不能較為準確地反映降水特性，降水的日變化特征研究就有比較大的瓶頸.王伯民等［10］開發(fā)的降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了將降水自記彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槊糠昼娊邓@為系統(tǒng)地研究某一地區(qū)降水的日變化特征提供了堅實的科技支撐. Yu Rucong 等利用1991—2004年588 個氣象臺站逐小時雨量計小時降水?dāng)?shù)據(jù)，研究了中國夏季降水(6—8月)的日變化特征［1］.姚莉等［11］基于1991—2005年485 個氣象站高時間分辨率的雨強資料，利用概率分布與統(tǒng)計檢驗等方法，分析了1 小時雨強的時空分布特征.李明財?shù)龋?2］利用天津市1954—2007年夏季降水自記資料，分析了天津市夏季降水的日變化規(guī)律. 楊森等［13］利用遼寧省25 個氣象觀測站1961—2008年6—8月逐小時降水自記資料，分析了遼寧省夏季降水日變化的基本特征. 唐紅玉等［14］利用西南地區(qū)95 個氣象站1960—2000年的小時降水量自記記錄信息化資料，計算和分析了西南地區(qū)過去40 a 間逐月、逐日的降水頻率和比率.

鄭州市地處河南省中部，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候.由于降水時空分布不均，旱澇時常發(fā)生，對全省和全國的糧食生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重影響. 以前對鄭州市降水的研究多集中于年、月尺度. 劉忠陽等［15］利用小波分析方法對鄭州市1951—2004年年降水距平時間序列進行分析，得到準3，5，9，21 a 的主周期. 劉少華等［16］利用水文序列中的譜分析、有序聚類、kendall 秩次相關(guān)檢驗和Man-kendall 檢驗等方法對鄭州市1951—2008年的年降雨量、汛期和非汛期降雨量序列進行了周期性、突變性和趨勢性分析.于福榮等［17］利用頻譜分析法分離和提取鄭州市降水過程中的周期成分，并用于降水量的中長期預(yù)報. 劉圓圓［18］根據(jù)鄭州站1964—2008年月平均探空資料及地面降水資料，分析了近45 a 鄭州夏季大氣可降水量和地面降水量的演變特征. 王紀軍等［19］利用近50 a 資料分析了陸渾水庫控制區(qū)的夏季降水變化特征.但是，對鄭州市降水量日變化特征的研究未見文獻報道.筆者以鄭州市逐小時降水量資料為基礎(chǔ)，以期揭示鄭州市降水量的日變化特征，為河南省降水變化機理的深入研究以及氣候評估提供參考，為全省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全決策提供依據(jù).

1 降水資料和研究方法

1.1 資 料

研究資料為河南省氣象信息與技術(shù)保障中心提供的鄭州市1955—2005年5—9月份降水日逐小時自記降水的信息化資料，期間自記降水信息化資料共計2 253 d.由于信息化時精度只有0.1 mm，而文中重點分析降水的日變化特征，因而只統(tǒng)計0.1 mm以上的降水日.同時，以人工觀測數(shù)據(jù)為準，對信息化資料進行質(zhì)量控制，即誤差百分率超過50%的降水日不參與分析. 采用以上兩個標準，能夠得到2 034個降水日的逐小時資料.其中7月份降水出現(xiàn)的頻次最高，為550 d，占總?cè)諗?shù)的27%;次高值出現(xiàn)在8月份，達到451 d;而5月份出現(xiàn)293 個降水日，頻次最低，占總?cè)諗?shù)的14.4%，其次為6月份，出現(xiàn)352 個降水日.

鄭州市2 034 個降水日的人工觀測和自記觀測信息化的日降水量之間的對比關(guān)系如圖1所示. 自記降水的信息化數(shù)據(jù)總體上與人工觀測的數(shù)據(jù)高度一致，相關(guān)系數(shù)可以達到99.8%，能夠通過信度為0.001極顯著水平的檢驗［20］. 鄭州市自記降水信息化資料的誤差百分率如圖2所示，誤差百分率為－46% ～47%，且誤差百分率絕對值大于35%的18個降水日中，僅有4 個降水日的降水量超過5.0 mm，其余均在5.0 mm 以下.通過對圖1和圖2的分析可知，可以利用該信息化資料準確揭示鄭州市降水的日變化規(guī)律.

圖1 自記日降水量與觀測值的關(guān)系

圖2 自記降水信息化資料的誤差百分率

1.2 方 法

假設(shè)2 個要素的時間序列分別表示為xi和yi，i=1，2，…，N－1，N. x 和y 之間的線性相關(guān)擬合式表示為

式中:yi(i=1，2，…，N)為因變量時間序列;xi(i=1，2，…，N)為自變量時間序列;b1為線性方程斜率;b0為截距.

兩要素的線性相關(guān)系數(shù)為

兩變量線性相關(guān)的顯著性用相關(guān)系數(shù)法確定.給定顯著性水平，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得到臨界值.如果相關(guān)系數(shù)的絕對值大于臨界值，表明兩要素間存在顯著的線性關(guān)系;否則，認為二者之間線性關(guān)系不顯著或者不存在線性關(guān)系.

如果xi表示的是序數(shù)，通常把b =10b1稱為氣候傾向率.兩變量之間的線性相關(guān)和多項式擬合均用EXCEL 軟件進行計算，并采用逐時降水量、逐時降水頻次、逐時降水強度和不同持續(xù)時間降水4 個指標，對鄭州市降水的日變化特征進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 逐小時降水頻次的變化

圖3給出了鄭州市1955—2005年5—9月份各時段降水出現(xiàn)的合計頻次. 無論是18:01—次日06:00作為黑夜，還是19:01—次日07:00 作為黑夜，黑夜的降水概率均超過52%，因此鄭州市夜雨特征明顯.1:01—2:00 為降水最為頻發(fā)時段，出現(xiàn)627 d，與統(tǒng)計日數(shù)的比率達到31%;另外還有2:01—3:00、3:01—4:00、5:01—6:00 和6:01—7:00共計4 個時次的降水出現(xiàn)頻次超過600 次. 鄭州市2 034 個降水日分配在12 894 h 內(nèi)，表明降水平均持續(xù)時長只有6.3 h.

5—9月份各個時段降水出現(xiàn)的總頻次為波狀多峰值分布，峰值依次出現(xiàn)在1:01—2:00、5:01—6:00、22. 01—23:00、17:01—18:00 和14:01—15:00，頻 次 分 別 為627，605，558，552，509 次.從1:01—2:00 開始，到11:01—12:00 結(jié)束，各個時次降水出現(xiàn)的頻次具有顯著的線性下降趨勢，能夠通過信度為0. 01 的顯著性檢驗，減少趨勢為－16.1 次/h.

圖3 1955—2005年鄭州市逐時降水頻次分布

圖4給出了鄭州市1955—2005年5—9月份逐小時的降水出現(xiàn)頻次.5—9月份中，各個時次降水頻次最大值多出現(xiàn)在7月份，24 h 中，有16 個時段達到最大，集中在0:00—16:00，這與7月份降水日數(shù)最多息息相關(guān). 而降水日次數(shù)多的8月份，只有10:00—11:00 的降水頻次達到最大值.其余時段降水頻次均在9月份達到最大. 而出現(xiàn)頻次最低的月份則與降水日出現(xiàn)頻次相同，5月份出現(xiàn)得最多，達到17 個時次.

5月份出現(xiàn)降水的頻次最低，平均為80.17 次，小時間變化不明顯，均方差為6.61，極值比也只有1.38;6月份和5月份的降水頻次接近，但小時間的變化明顯高于5月份，其均方差和極值比分別為12.26 和1.70;7月份出現(xiàn)降水的頻次最多，但小時間變化特征明顯，均方差和極值比分別為19.40 和1.60;8月份和9月份的降水出現(xiàn)頻次相當(dāng)，其小時間均方差和極值比也比較接近.

圖4 鄭州市1955—2005年5—9月逐小時降水頻次

逐小時降水頻次5月份與6月份具有顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為45.7%，能夠通過信度為0.05的顯著性檢驗，這里只分析5月份的降水頻次日變化特征.5月逐小時降水頻次最大值出現(xiàn)在17:01—18:00，共計出現(xiàn)95 次降水，還有21:01—22:00 的降水頻次超過90 次，達到91 次;最小值出現(xiàn)在11:01—12:00，僅有69 次，4:01—5:00、10:01—11:00和16:01—17:00 降水均為71 次，為次小值.5月逐小時降水頻次呈波狀分布模態(tài)，11:01—12:00到次日4:01—5:00，降水頻次基本為波動下降趨勢;接著，直到7:01—8:00，降水頻次直線上升;隨后，直至11:01—12:00，降水頻次則為直線下降;12:01—13:00 到15:01—16:00，降水頻次相對平穩(wěn)，多在80 次左右;17:01—18:00 以后，降水頻次相對較多，多在80 次以上. 降水頻次的日內(nèi)變化特征可以用二項式很好地擬合，相關(guān)系數(shù)為60.6%，能夠通過信度為0.002 水平的顯著性檢驗，其擬合式為

7月份逐小時降水頻次和8、9月份的相關(guān)關(guān)系極為顯著，均能通過信度為0.001 極顯著水平的檢驗，其中7月份與8、9月份相關(guān)系數(shù)分別達到78.0%和62.8%.7月份各個時段降水出現(xiàn)的頻次大體上呈明顯的單峰變化左偏特征，最大值出現(xiàn)在5:01—6:00，出現(xiàn)165 次;并且其前后各1 h 的頻次相等，均為163 次;最小值為20:01—21:00，僅有103 次，其次為19:01—20:00，有109 次. 5:01—6:00以前降水頻次有一致的增長趨勢，23:01—次日1:00 的增加速率最快，從127 次躍變到148 次;之后則表現(xiàn)為波動狀態(tài)，但總體上為下降趨勢.利用二次多項式可以很好地擬合該月降水頻次的日變化特征，相關(guān)系數(shù)達到72.6%，能夠通過0.001 信度的顯著性檢驗［18］，其擬合公式為

式中:F 為頻率，%;i 為時間，h.

2.2 逐小時降水量的變化

圖5給出了鄭州市1955—2005年5—9月份各時段平均降水強度. 平均降水強度指的是該時段出現(xiàn)的合計降水量與該時段出現(xiàn)降水頻次的比值.5—9月份各個時段平均降水強度具有明顯的階段性變化特征:23:01—次日0:00 到6:01—7:00 這個時段降水強度基本為線性下降趨勢，在6:01—7:00 出現(xiàn)降水強度的最低值，僅有1.44 mm/(h·次);而12:01—13:00 到15:01—16:00 這個時段降水強度則波狀上升;從14:01—15:00 開始到23:01—次日0:00 這一段時間降水強度相對較大，多在1.70 mm/(h·次)以上，其中在17:01—18:00 出現(xiàn)降水強度的最大值，為2.32 mm/(h·次).5—9月份降水平均強度的日變化可以用二項式得到準確的擬合，相關(guān)系數(shù)達到63.8%，可以通過0.002 信度的顯著性檢驗，擬合式為

式中:R 為降水強度，mm/(h·次);i 為時間，h.

圖5 1955—2005年鄭州市逐時平均降水強度分布

圖6給出了鄭州市1955—2005年5—9月份逐小時的平均降水強度，指的是該時段出現(xiàn)降水的合計量與該時段出現(xiàn)頻次的比值.

平均降水強度的最大值出現(xiàn)在7月份的17:01—18:00，強度值為3.5 mm/(h·次)，次大值同樣出現(xiàn)在7月份，強度為3. 2 mm/(h·次)，集中出現(xiàn)在14:01—16:00.平均強度的最小值則出現(xiàn)在5月份的9:01—10:00，其值為0.8 mm/(h·次);次小值為0.9 mm/(h·次)，分別出現(xiàn)在5月的8:01—9:00和9月的1:01—2:00;平均降水強度在1.0 mm/(h·次)出現(xiàn)了7 個時次，分別在5月的6:01—8:00、16:01—17:00 以及9月的22:01—23:00、2:01—4:00和14:01—15:00.從各月各時段降水平均強度的日變化特征看，7月份各時段強度的平均值最大，為2.40 mm/(h·次)，各時段間強度差異較大;均方差為5 個月的最大值，達到0.48;極值比為次小值，達到2.06.9月份各時段強度平均最小，其值為1.28 mm/(h·次);時段間均方差為5 個月的最小值，達到0.24;極值比則為中間值，其值為2.11.5月份降水強度平均為次小值，時段間均方差0.31，同樣為5 個月中的次小值;但極值比是5 個月中的最大值，達到2.50.8月降水強度和7月份相當(dāng)，只是其平均強度、時段間均方差和極值比均比7月份小一些.6月份與5月份的統(tǒng)計型態(tài)類似，6月份時段間均方差大于5月份的，但極值比卻小于5月份的.

圖6 鄭州市1955—2005年5—9月逐小時平均降水強度

從平均降水強度的日變化上看，5—9月份具有不同的特征.

5月份平均降水強度最大值為2:01—3:00的2.0 mm/(h·次)，最小值為9:01—10:00 的0.8 mm/(h·次).平均降水強度具有較顯著的下降趨勢，降低速度為每小時下降0.018 mm/(h·次);相關(guān)系數(shù)為38.5%，可以通過信度為0.10 的顯著性檢驗.

6月份平均降水強度的最大值為23:01—次日0:00 的2.8 mm/(h·次);次大值為17:01—18:00的2.2 mm/(h·次);最小值為12:01—13:00 的1.2 mm/(h·次);次小值為1.4 mm/(h·次)，在10 個時段出現(xiàn)，依次為2:01—3:00、4:01—7:00、9:01—10:00、11:01—12:00、14:01—15:00、16:01—17:00 和18:01—20:00.6月份平均降水強度的時間變化趨勢與5月份相同，也具有較顯著的下降趨勢;6月份平均降水強度的下降速率和相關(guān)系數(shù)也與5月份相當(dāng)，分別為－0.017 mm/(h·次)和34.3%.

7月份平均降水強度最小值出現(xiàn)在12:01—13:00，其值為1.7 mm/(h·次);次小值為1.8 mm/(h·次)，依次出現(xiàn)在20:01—21:00 和5:01—7:00.與5，6月份不同，平均降水強度具有比較顯著的上升趨勢，速度為0.023 mm/(h·次)，相關(guān)系數(shù)接近信度0.10的顯著性水平.

8，9月份的平均降水強度均沒有顯著的線性趨勢，主要以波動性為主. 最大降水量多出現(xiàn)在前半夜，中午時分的降水量最小.

2.3 5—9月逐小時降水強度與降水頻次的關(guān)系

鄭州市1955—2005年5—9月份逐小時平均降水強度與降水發(fā)生頻次的關(guān)系如圖7所示.5—9月份逐小時平均降水強度和合計降水頻次呈現(xiàn)極為顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P ＜0.001)，說明鄭州市降水量的日變化特征與一日內(nèi)各時段的降水頻次有直接的關(guān)系.平均降水強度每提高1 mm/h，降水頻次增加11.57 次.

圖7 鄭州市5—9月逐小時平均降水強度與降水頻次的變化

3 結(jié) 語

利用鄭州市1955—2005年5—9月份降水日逐小時自記降水的信息化資料對5—9月份逐小時降水量進行了統(tǒng)計分析，結(jié)論如下.

1)5—9月份降水日變化呈現(xiàn)多峰狀波狀，但夜雨特征明顯，1:01—2:00 為降水最為頻發(fā)的時段，占統(tǒng)計日數(shù)近31%，各時次降水頻次最大值出現(xiàn)在7月份，降水頻次5月和6月顯著相關(guān)，7月和8，9月份相關(guān)極為顯著. 各個時次降水出現(xiàn)的頻次具有顯著的線性下降趨勢，趨勢為－4.01 次/h.

2)5—9月各個時段平均降水強度具有明顯的階段性變化特征，可以用二次多項式擬合，且能通過信度為0.002 的顯著性水平檢驗.平均降水強度的最大值和次大值均出現(xiàn)在7月份，分別為17:01—18:00 和14:01—16:00，強度值各自為3. 5 mm/(h·次)和3.2 mm/(h·次).平均強度的最小值則出現(xiàn)在5月份的9:01—10:00，其值為0.8 mm/(h·次);次小值為0.9 mm/(h·次)，分別出現(xiàn)在5月的8:01—9:00和9月的1:01—2:00.

3)從平均降水強度的日變化特征來看，5，6月份的平均降水強度均具有較顯著的下降趨勢，氣候傾向率各自為－0.18 mm/10 h 和－0.17 mm/10 h;7月份則具有較顯著的上升趨勢，速度為0.23 mm/10 h;均能通過或接近通過0.10 的顯著性水平.8，9月份平均降水強度則以波動性為主，沒有顯著的趨勢特征.

4)逐小時平均降水強度與降水發(fā)生頻率之間有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，平均降水強度每提高1 mm/h，降水頻次增加11.57 次.

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