1961-2014年廣東汛期小時強降水的日變化特征*

伍紅雨，李春梅，劉蔚琴

(1.廣東省氣候中心，廣東 廣州510641；(2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所∥廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預報重點實驗室，廣東 廣州510641)

我國西部有青藏高原，東部臨太平洋，地形和海陸分布極其復雜，是降水日變化特征最豐富和區(qū)域特征最顯著的地區(qū)，對降水日變化的氣候特征進行分析，這對氣象和水文的精細化預報和服務有重要指導作用[1-2]。21世紀以來，由于高時空分辨率的氣象觀測資料的完善，氣象學者對中國及區(qū)域降水的日變化氣候特征進行了大量研究并取得很有意義的成果。中國大陸夏季降水存在顯著的日變化和區(qū)域特征[3]，南方地區(qū)在冷季、暖季間還存在降水日位相的差異[4]。我國大部分地區(qū)夏季或汛期降水量的日變化呈雙峰型特征，峰值主要出現(xiàn)在午后至傍晚以及清晨兩個時段[5-12]，但西南部“夜雨”特征明顯[13-16]。

廣東(20°-25°N，109°-117°E)地處低緯，北依南嶺，南臨南海，地形復雜，有山地、丘陵、平原、臺地等，地勢北高南低。廣東季風氣候特征極其顯著，一年中有80%的降水集中在汛期(4-9月)，其中前汛期(4-6月)降水以鋒面降水和夏季風降水為主，后汛期(7-9月)降水以熱帶氣旋降水為主[17-19]。廣東是全國降水最多的地方之一，而短時強降水常常導致城市內澇、山洪、泥石流等地質災害，造成人民生命財產的重大損失[20]。伍紅雨等[21]分析指出廣東平均小時強降水的次數(shù)、強度、降水量在年以及前、后汛期的時間尺度上均為顯著上升的趨勢，但沒有對廣東小時強降水日變化特征進行詳細分析。一直以來由于小時降水資料的不完善和未處理，少有對長時間序列的廣東小時強降水日變化的詳細研究，因此本文對汛期廣東小時強降水的日變化進行研究。宇如聰和李建[2]指出，要更深刻理解降水的過程演變特性，除降水量外，還應認識降水頻次和強度的日變化。李建等[22]指出在相關研究中采用小時尺度降水替代日降水資料可更好地反映強度等實際降水的變化，減小取樣的誤差。因此本文采用廣東近54年32個氣象觀測站小時強降水資料，詳細分析廣東汛期以及前后汛期小時強降水量、降水頻次、降水強度的日變化峰值位相整體特征及空間分布，研究結果為深入了解廣東小時強降水的日變化特征以及相關的氣象服務提供信息和依據(jù)。

1 資料與方法

采用廣東省氣候中心整理的1961年1月1日-2014年12月31日廣東32個氣象觀測站逐小時降水資料。本文把單站1小時降水量超過20 mm 定義為一次小時強降水事件，小時強降水頻次定義為出現(xiàn)小時強降水事件的次數(shù)；小時強降水量定義為所有小時強降水事件降水量的總和。小時強降水強度定義為所有小時強降水事件降水量與頻數(shù)之比。小時強降水量、頻次和強度的日變化位相用00-23逐時均值除以24 h均值所得的時間序列表示，得到無量綱化的時間系列，可在一張圖上進行比較；日變化峰值時間位相用日最大值出現(xiàn)時刻表示；日變化峰值振幅用峰值的量值與日均值的比值表示。文中白天(6-20時)，分為早晨(6-9時)，中午(10-13時)，下午(14-20時)；夜間(21-5時)。

選取時段為廣東汛期(4-9月)，其中前汛期(4-6月)，后汛期(7-9月)，分析廣東整個汛期以及前、后汛期小時強降水的降水量、頻次、強度在一天24 h的演變特征。圖1 為選取的廣東32個國家地面氣象觀測站分布。

圖1 廣東32個國家級地面氣象觀測站分布Fig.1 Spatial distribution of the 32 national grounded meteorological observation stations

2 結果分析

2.1 廣東區(qū)域平均小時強降水的日變化特征

2.1.1 峰值變化 首先分析廣東區(qū)域平均的小時強降水日變化總體特征。圖2為1961-2014年廣東32站平均的小時強降水的降水量、頻次、強度的日變化。可見，整個汛期，包括前、后汛期的小時強降水量和降水頻次的日變化明顯，且兩條曲線很相近，峰值和谷值都是同時出現(xiàn)；而小時強降水的強度日變化很小，說明小時強降水的頻次對降水量的貢獻比強度更為顯著。整個汛期的日變化特征與前汛期最為相似。小時強降水量和強降水頻次均具有典型的雙峰型特征，最大峰值出現(xiàn)在下午16時，次峰值出現(xiàn)在上午8點，谷值出現(xiàn)在夜晚00時。小時強降水量和降水頻次在下午均高于上午，其中在上午10時有個相對的低值出現(xiàn)。這與陳炯等[23]分析指出中國總體平均的陸地短時強降水的頻率主峰出現(xiàn)在午后16-17時吻合。而后汛期小時強降水量和強降水頻次具有單峰型特征，峰值也是出現(xiàn)在下午16時，谷值出現(xiàn)在晚上23時，小時強降水在下午出現(xiàn)的頻次明顯高于上午。對于整個汛期以及前后汛期，廣東小時強降水的強度日變化很小。而對四川而言，小時強降水(20 mm/h)雨強日變化呈夜間活躍單峰型特征[24]。

圖2 1961-2014年廣東區(qū)域平均的小時強降水量、頻次和強度的日變化演變Fig.2 Diurnal variations of the mean hourly heavy precipitation amount (black solid line)，frequency (short-dashed line) and intensity(long-dashed line) in Guangdong during 1961-2014

統(tǒng)計1961-2014年廣東32個觀測站平均的汛期小時強降水發(fā)生頻次在一天24 h各時次的分布得出，小時強降水有71.4%出現(xiàn)在白天(06-20時)，其中14.4%發(fā)生在早晨(6-9時)，17.2%發(fā)生在中午(10-13時)，39.8%發(fā)生在下午(14-20時)，其中有30%出現(xiàn)在下午15-17時這3個時次，是一天中小時強降水最易出現(xiàn)的時次；而夜間(21-5時)占28.6%，夜間9 h是一天中出現(xiàn)小時強降水事件相對較少的時段。汛期小時強降水發(fā)生頻次在午后到傍晚出現(xiàn)峰值，主要來自于大氣對輻射加熱的響應，午后低層大氣穩(wěn)定度降低和對流有效位能增大，對流活動活躍，導致降水峰值的出現(xiàn)。而夜間抬升凝結高度降低，相對濕度升高和大氣可降水量增大有利于早晨長生命史對流系統(tǒng)的發(fā)展，降水次峰值的出現(xiàn)[11]。在后汛期廣東強降水主要由熱帶對流系統(tǒng)所導致，主要出現(xiàn)在下午。因此對于廣東區(qū)域平均而言，上午8時和下午16時的2個強降水峰值都出現(xiàn)在早晚兩個上下班高峰，短時強降水造成城市內澇、滑坡、泥石流等的影響比其他時次更加顯著，要特別注意防范。

2.1.2 峰值站數(shù)變化 下面進一步分析32個觀測站1961-2014年廣東小時強降水量、降水頻次和強度的峰值時間位相出現(xiàn)在不同時次的臺站情況數(shù)占總臺站數(shù)的百分比(圖3)。對于整個汛期(圖3a)，有78.1%的觀測站小時降水峰值出現(xiàn)在13-19時，其中21.9%出現(xiàn)在17時，12.5%分別出現(xiàn)在15、16和18時，9.4%分別出現(xiàn)在上午8時，其余有3-6%的觀測站峰值出現(xiàn)在5-7時，而在20-4時以及白天9-12時沒有觀測站出現(xiàn)過降水峰值。對于小時強降水頻次，有84.4%的觀測站小時降水頻次峰值出現(xiàn)在12-19時，其中21.9%出現(xiàn)在15時，18.9%出現(xiàn)在17時,15.6%出現(xiàn)在16時，9.4%出現(xiàn)在18時，其余有3%～6%的觀測站峰值出現(xiàn)在6時和8-14時，而在20-5時以及白天7時沒有觀測站出現(xiàn)過頻次峰值。對于小時強降水強度，峰值出現(xiàn)的時間變化相對較小，有9.4%的觀測站在18和22時出現(xiàn)強度峰值，而在10 -12時和14-16時沒有觀測站出現(xiàn)強度峰值，其余時次觀測站出現(xiàn)峰值的比率在3%～6.3%之間。

在前汛期(圖3b)，有78.1%的觀測站小時強降水量峰值出現(xiàn)在12-19時，其中21.9%出現(xiàn)在15時，12.5%分別出現(xiàn)在16和18時，9.4%分別出現(xiàn)在17和19時，其余有3%～6.3%的觀測站峰值出現(xiàn)在4-6、8和11-12時，而在21-3時以及白天7、9、10、13時沒有觀測站出現(xiàn)過降水峰值。對于小時強降水頻次，有78.1%的觀測站小時降水頻次峰值出現(xiàn)在12-19時，其中18.8%出現(xiàn)在15時，15.6%出現(xiàn)在16、17時，9.4%出現(xiàn)在18、19時，其余有3%～6%的觀測站峰值出現(xiàn)在4、5、8、9、11、12、14、6時和8-14時，而在20-3時以及6、7、10、13時沒有觀測站出現(xiàn)過頻次峰值。對于小時強降水強度，分別有15.6%、9.4%的觀測站強度峰值出現(xiàn)在22、23時，在9、10、11和14、15、18時沒有觀測站出現(xiàn)強度峰值，其余時次觀測站出現(xiàn)峰值的比率在3%～6.3%之間，相對小時強降水量和頻次的峰值觀測站變化，強度的峰值觀測站數(shù)變化要小。

圖3 1961-2014年廣東區(qū)域平均的小時強降水峰值時間位相出現(xiàn)在不同時刻的臺站數(shù)占總臺站數(shù)的百分比Fig.3 Diurnal variations of the mean hourly heavy precipitation for the number of stations percentage to the total number of stations number of stations at which the diurnal peaks occur at the different hours in Guangdong during 1961-2014

在后汛期(圖3c)，小時強降水量和降水頻次峰值觀測站的變化很相近。分別有81.3%、84.4%的觀測站小時降水量和降水頻次峰值出現(xiàn)在13-19時，其中出現(xiàn)在16時均為28.1%的觀測站，分別有15.6和18.8%的觀測站出現(xiàn)在17時，有9.4%的觀測站降水量峰值分別出現(xiàn)在14、18時，有9.4%的觀測站強降水頻次峰值分別出現(xiàn)在15、18時。其余有3%～6.3%的觀測站峰值出現(xiàn)在5、6、8、9、10和12時，而在晚上20時-凌晨4時以及白天7、9、10、13時沒有觀測站出現(xiàn)過降水量峰值和頻次峰值。對于小時強降水強度，有12.5%觀測站強度峰值出現(xiàn)在晚上21時，有9.4%的觀測站強度峰值出現(xiàn)在早上5時和晚上22時，在1、2、11、12、14、16時沒有觀測站出現(xiàn)強度峰值，其余時次觀測站出現(xiàn)峰值的比率在3%～6.3%之間。

可見對于廣東觀測站的小時強降水的降水量和降水頻次峰值出現(xiàn)的時次具有明顯的變化特征，有近8成的觀測站出現(xiàn)在下午，特別集中在15-17時，而21-4時沒有觀測站出現(xiàn)峰值。而小時強降水強度出現(xiàn)的峰值觀測站數(shù)變化相對降水量和頻次要小很多，觀測站峰值主要出現(xiàn)在晚上18-22時。

2.1.3 峰值振幅變化 從1961-2014年廣東區(qū)域平均的小時強降水的降水量、降水頻次和降水強度的日變化峰值振幅(圖4)可見，對于整個汛期(圖4a),降水量和降水頻次的日變化峰值振幅大值都是出現(xiàn)在下午，最大出現(xiàn)在下午15時，而上午峰值振幅小于下午，在8時出現(xiàn)峰值振幅次大值，峰值振幅小值出現(xiàn)在夜晚，谷值出現(xiàn)在00時。在前汛期(圖4b)，小時強降水的降水量和降水頻次的峰值振幅也是出現(xiàn)在下午，其中降水量出現(xiàn)在17時，頻次出現(xiàn)在18時，降水量在上午8時出現(xiàn)了相對大值，夜間峰值振幅小，最小出現(xiàn)在00時。而強度的峰值振幅日變化相對較小，在汛期和前汛期，最大分別出現(xiàn)在凌晨4時和2時。在后汛期(圖4c)，降水量和頻次的峰值振幅下午大于上午，降水量振幅峰值出現(xiàn)在15時，頻次峰值出現(xiàn)在18時。而振幅谷值都是出現(xiàn)在00時。強度的振幅日變化相對汛期和前汛期變動大，峰值振幅最大出現(xiàn)在21時，在凌晨4時出現(xiàn)了次達值?？梢?，對廣東汛期，包括前后汛期的小時強降水量和頻次的峰值振幅日變化下午大于上午，最大出現(xiàn)在15時或18時，谷值出現(xiàn)在晚上00時，而強度的峰值振幅日變化相對較小。

圖4 1961-2014年廣東區(qū)域平均的小時強降水峰值時間位相出現(xiàn)在不同時次區(qū)域平均日變化峰值振幅Fig.4 Diurnal variations of the mean hourly heavy precipitation for the regional mean diurnal amplitudes at which the diurnal peaks occur at the different hours in Guangdong during 1961-2014

2.2 廣東小時強降水日變化的區(qū)域差異

2.2.1 峰值變化 上面分析了廣東小時強降水的總體特征，下面分析廣東小時強降水的區(qū)域差異。圖5為前汛期廣東32個觀測站小時強降水各要素日變化峰值時間位相的空間分布。從小時強降水量峰值分布(圖5a)可見，南部沿海的日降水量峰值主要出現(xiàn)在早晨到中午，雷州半島和除南部沿海的廣東大部地區(qū)出現(xiàn)在下午，只有汕尾、曲江和從化這3站出現(xiàn)在夜間。從小時強降水頻次峰值分布(圖5b)可見，南部沿海的日降水頻次峰值主要出現(xiàn)在早晨到中午，雷州半島和我省除南部沿海的地區(qū)出現(xiàn)在下午，曲江出現(xiàn)在夜間?？梢娦r強降水量和頻次的峰值區(qū)域分布差異與午后對流發(fā)展和海陸差異有關。南部沿海受海陸熱力差異影響，導致風場日變化，引起早晨到中午從南海向華南的水汽輻合，出現(xiàn)降水峰值[25]，而廣東其余大部分地區(qū)主要是在下午受熱對流活動影響，出現(xiàn)降水峰值。從小時強降水強度峰值分布(圖5c)可見，強度峰值大部出現(xiàn)在夜間，珠江口附近和沿海部分觀測站出現(xiàn)在早晨，連州出現(xiàn)在中午，梅州、汕頭、廣寧、臺山出現(xiàn)在下午。

圖5 前汛期廣東小時強降水日變化峰值時間位相的空間分布(每個臺站用顏色標示出峰值時間所在時段：藍色為夜間，綠色為清晨，黃色為中午，紅色為下午)Fig.5 Spatial distributions of the diurnal peak phases of the hourly heavy precipitation in the first flood season in Guangdong(the colored dots denote the peaks occurring in the different periods of time；blue for night，green for early morning，yellow for noon，and red for afternoon)

圖6為后汛期廣東32個觀測站小時強降水各要素日變化峰值時間位相的空間分布。從小時強降水量峰值分布(圖6a)和頻次(圖6b)分布完全相同，說明小時強降水頻次多，對應降水量也多。小時強降水量和降水頻次的日峰值除上川島出現(xiàn)在中午，珠江口東西兩側沿海出現(xiàn)在早晨外，其余大部分地區(qū)的峰值都是出現(xiàn)在下午?？梢姀V東前后汛期的小時強降水量和降水頻次的峰值時間日位相空間分布是大部分相似的，這與Zhou等[26]分析指出中國夏季降水量和降水頻次的日位相沒有顯著差異的結論相一致。日變化峰值有明顯的區(qū)域差異，白愛娟等[27]分析指出四川盆地夜雨與高原地形對周邊地區(qū)降水日變化影響有關，這種影響類似于熱帶地區(qū)海陸邊界的影響。從小時強降水強度峰值分布(圖6c)可見，強度峰值廣東沿海主要出現(xiàn)在早晨，其余地區(qū)主要出現(xiàn)在下午和晚上。

圖6 后汛期廣東小時強降水日變化峰值時間位相的空間分布(每個臺站用顏色標示出峰值時間所在時段：藍色為夜間，綠色為清晨，黃色為中午，紅色為下午)Fig.6 Spatial distributions of the diurnal peak phases of the hourly heavy precipitation in the second flood season in Guangdong(the colored dots denote the peaks occurring in the different periods of time；blue for night，green for early morning，yellow for noon，and red for afternoon)

2.2.2 日峰值振幅變化 圖7為前汛期廣東32個觀測站小時強降水各要素日峰值振幅分布。從小時強降水量日峰值振幅分布(圖7a)可見，日峰值振幅介于1.5～3.8之間，存在3個大值中心，分別位于西部的羅定(3.8)，東部的五華(3.4)和北部的南雄(2.5)，沿海觀測站的峰值振幅較小，大都在2.0以下；小時強降水頻次日峰值振幅(圖7b)介于1.5～3.3之間，總體呈從沿海向內陸增加的趨勢，最大位于西部的羅定(3.3)，第二、第三分別是北部的曲江(3.0)和連平(2.9)，沿海觀測站的日峰值振幅較小，最小是深圳(1.5)；小時強降水強度日峰值振幅(圖7c)除羅定最大為2.1外，其余觀測站介于1.1～1.6之間，強度的日峰值振幅差異明顯小于降水量和頻次，變化相對較小。

圖7 前汛期廣東小時強降水的日峰值振幅分布Fig.7 Spatial distributions of the diurnal peak amplitude of the hourly heavy precipitation in the first flood season in Guangdong

圖8為后汛期廣東32個觀測站小時強降水各要素日峰值振幅分布。從小時強降水量的日峰值振幅分布(圖8a)可見，日峰值振幅介于1.4～3.5之間，存在3個大值中心，分別位于西部的羅定(3.5)，東部的五華(3.2)和北部的連平(3.2)，日峰值振幅從沿海向內陸遞增,日峰值振幅沿海觀測站1.4～2.0，中北部2.0～3.5；從小時強降水頻次和降水量的日峰值振幅變化(圖8b)很相似，振幅介于1.5～3.3之間，主體呈從沿海向內陸增加的趨勢，最大位于西部的羅定(3.3)，北部的曲江(3.0)和連平(2.9)，最小是位于南部沿海的深圳(1.5)；從小時強降水強度日峰值振幅(圖8c)分布可見，日峰值振幅呈北高南低的分布，最大前3位分別是北部的連州(2.5)、曲江(2.2)和佛岡(2.1)，最小位于南部的臺山(1.1)，強度的日峰值振幅介于1.1～2.5之間，明顯小于降水量和頻次的日峰值的區(qū)域差異。

圖8 后汛期廣東小時強降水的日峰值振幅分布Fig.8 Spatial distributions of the diurnal peak amplitude of the hourly heavy precipitation in the second flood season in Guangdong

3 結 論

利用1961-2014年廣東32個地面氣象觀測站逐小時降水資料，分析了廣東小時強降水的降水量、降水頻次和降水強度在整個汛期以及前、后汛期的日變化整體特征和區(qū)域差異。主要結論如下：

1) 廣東區(qū)域平均的汛期小時強降水的降水量、降水頻次的峰值都是出現(xiàn)在下午16時，次峰值出現(xiàn)在上午8時，而小時強降水的強度日變化不明顯。

2) 廣東汛期小時強降水量和降水頻次的峰值分布存在區(qū)域差異，南部沿海峰值出現(xiàn)在早晨(6-9時)和中午(10-13時)，雷州半島和其余地區(qū)出現(xiàn)在下午(14-20時)。小時強降水的強度峰值在白天和夜晚都可以出現(xiàn)。

3) 在汛期，包括前后汛期，廣東區(qū)域平均的小時強降水量和頻次的振幅日變化下午大于上午，峰值出現(xiàn)在15時或18時，谷值出現(xiàn)在晚上00時，而強度的振幅日變化相對較小。

4) 前、后汛期小時強降水量日峰值振幅存在3個大值中心，分別位于西部的羅定，東部的五華和北部的南雄、連平。小時強降水頻次日峰值振幅總體呈從沿海向內陸增加的趨勢，而強度日峰值振幅區(qū)域差異小。