南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后華南前汛期降水日變化對(duì)比分析

劉亞楠，王東海，李國平，丁偉鈺

(1.成都信息工程大學(xué)，四川成都610225；2.廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海519082；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510641)

1 引 言

華南是我國降水最充沛的地區(qū)，集中在夏季分為前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)，前汛期降水系統(tǒng)主要由西風(fēng)帶降水系統(tǒng)造成，中高緯地區(qū)環(huán)流疊加向南增強(qiáng)并與副高配合[1]，使得降水量占年雨量的50%或以上[2-4]，已有很多專家學(xué)者展開大量研究，但由于前汛期降水受復(fù)雜地形、海陸差異[5]和季風(fēng)等因素影響，降水具有突發(fā)、迅猛特點(diǎn)，因此更小時(shí)間尺度的分析十分必要。國內(nèi)外研究證明降水日變化不僅對(duì)區(qū)域客觀分析具有重要意義，對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展和改進(jìn)有極大的指導(dǎo)意義[6-11]，是提升華南前汛期預(yù)報(bào)預(yù)警工作的有效途徑。

早期研究全球降水和雷暴發(fā)生頻率的日變化發(fā)現(xiàn)，全球不同類型降水在海洋和陸地的日變化有明顯區(qū)別，認(rèn)為大氣相對(duì)濕度和太陽輻射加熱在不同下墊面的日變化是造成區(qū)別的主要因素[12]。隨后又用四種不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)集進(jìn)行降水日變化的評(píng)估，結(jié)果顯示中低緯地區(qū)夏季陸地降水主要發(fā)生在下午到夜晚時(shí)刻，海洋則發(fā)生于半夜至清晨時(shí)分，降水量主要來源于降水的多發(fā)性[13]。強(qiáng)調(diào)日變化的地形相關(guān)性還有許多，使用Precipitation Radar on the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM PR)數(shù)據(jù)將降水系統(tǒng)按尺度大小分類[14]，研究亞洲地區(qū)降水日變化的時(shí)空分布。發(fā)現(xiàn)小降水系統(tǒng)(＜102km2)在陸地多發(fā)，主要發(fā)生于下午早些時(shí)候；大系統(tǒng)(＞104km2)多發(fā)生在晚間平坦大陸且地形相關(guān)性明顯。研究中南半島夏季風(fēng)降水日變化與地形的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)山脈沿海、山谷平原和遠(yuǎn)離山脈迎風(fēng)坡沿海地區(qū)降水有明顯的時(shí)間區(qū)別，非迎風(fēng)坡沿海地區(qū)暴雨是構(gòu)成該地區(qū)氣候降雨模式的主要成員[15]。為了分析降水與對(duì)流的關(guān)系，使用站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析亞洲熱帶地區(qū)降水和對(duì)流活動(dòng)的日變化特征，提出對(duì)流多發(fā)時(shí)段主要分為深夜至清晨以及下午至傍晚兩個(gè)時(shí)段，前一個(gè)多發(fā)時(shí)段主要位于山脈盆谷的迎風(fēng)面及沿海地區(qū)，降水多發(fā)時(shí)段與對(duì)流相似[16]。但由于所用年限不定且年份比較少，使用9年TRMM資料系統(tǒng)地分析印度及其臨近海域季風(fēng)降水的日變化統(tǒng)計(jì)特征[17]，發(fā)現(xiàn)沿海和內(nèi)陸降水晝夜變化階段明顯不同，從赤道向北不同海域的降水階段也不盡相同，大陸則具有典型夜雨模式，但地形影響使得降水區(qū)域性特征明顯。

國內(nèi)也有許多關(guān)于降水日變化的研究，最早使用14年地面小時(shí)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中國夏季降水日變化特征[18]，發(fā)現(xiàn)中國南部大陸和東北地區(qū)、青藏高原及其東部、長(zhǎng)江流域、華中大部區(qū)域特征明顯，南部大陸降水主要發(fā)生在下午較晚時(shí)段。在對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的同時(shí)并進(jìn)一步驗(yàn)證了之前日變化結(jié)果，得到大部分地區(qū)降水頻率和降水強(qiáng)度的日變化與降水量相似[19]。在對(duì)日變化的分析上結(jié)合降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度，采用小時(shí)站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)研究中國南方冷暖兩季的降水日變化[20-21]，發(fā)現(xiàn)冷季降水峰值主要出現(xiàn)在午夜和清晨，很可能是由于垂直不穩(wěn)定條件下層云頂端的輻射冷卻造成。相反，暖季東南地區(qū)的降水峰值出現(xiàn)在下午晚些時(shí)候，主要是由于太陽輻射加熱。用TRMM資料研究3—8月長(zhǎng)江流域降水日變化指出[22]，降水峰值有明顯空間差異，不同流域的降水機(jī)制不同，流域中段主要由后半夜發(fā)展東移的天氣系統(tǒng)造成，而長(zhǎng)江下游多由局地天氣系統(tǒng)造成并形成雨帶。進(jìn)一步分析沿長(zhǎng)江流域影響夏季夜間持續(xù)性降水日變化的機(jī)制[23]，發(fā)現(xiàn)降水通常發(fā)生于夜間且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(超過6 h)，這種沿長(zhǎng)江流域向東衰減的大夜雨現(xiàn)象，主要由于低層對(duì)流層環(huán)流發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)造成。第一次使用多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)研究廣東珠三角 (珠江三角洲)地區(qū)暖季(5—9月)對(duì)流的時(shí)空分布[24]，發(fā)現(xiàn)珠三角沿海及東部山脈迎風(fēng)坡是對(duì)流發(fā)生最頻繁地區(qū)，而沿海對(duì)流發(fā)生發(fā)展主要由海洋向陸地傳送不穩(wěn)定暖濕氣流的輻合引起。進(jìn)一步研究該地區(qū)梅雨季節(jié)對(duì)流日變化[25]，提出下午是對(duì)流多發(fā)時(shí)段，主要由于太陽輻射加熱引起，而夜間多發(fā)于迎風(fēng)坡的對(duì)流則主要由西南平流的抬升增強(qiáng)引起。

華南地處丘陵地帶，南部沿海降水受東亞季風(fēng)影響明顯。南海是東亞夏季風(fēng)爆發(fā)最早的地區(qū)之一，研究表明，5月中旬前后南海夏季風(fēng)的突然爆發(fā)標(biāo)志著東亞夏季風(fēng)的到來和雨季的開始。華南洪澇多由前汛期暴雨造成且多發(fā)于5月南海夏季風(fēng)建立以后，此時(shí)暴雨過程與降水量猛增，才算正式進(jìn)入前汛期降水集中期[26-27]，并且中國南部對(duì)流層頂高度也有所下降[28]，因此對(duì)南海夏季風(fēng)的監(jiān)測(cè)包括南海夏季風(fēng)的爆發(fā)、強(qiáng)度變化以及撤退等具有重要意義，對(duì)研究華南前汛期降水更有重要指示作用[29-31]。使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究中國東南地區(qū)降水日變化[21]，大地形差異使其空間分布具有大范圍明顯的季節(jié)差異性，在前汛期無論平均降水率還是晝夜變化振幅都有明顯增強(qiáng)。研究中國地區(qū)暖季(4—9月)短時(shí)暴雨與MCSs日變化的時(shí)空分布特征[32]，也同樣證明短時(shí)暴雨多發(fā)于華南地區(qū)，且暴雨的發(fā)生頻率會(huì)隨東亞夏季風(fēng)的到來和撤退有明顯增減變化。最近，利用CMORPH(the NOAA Climate Prediction Center's Morphing Technique Dataset)融合資料[33]，將華南前汛期按南海夏季風(fēng)爆發(fā)候分為前后兩個(gè)階段研究其降水日變化特征，無論從西南到東南還是爆發(fā)前后來看，振幅都表現(xiàn)出明顯差異。西南地區(qū)降水多發(fā)于午夜至清晨，東南地區(qū)則多發(fā)于下午。因此，用更長(zhǎng)時(shí)間周期來反映華南前汛期降水日變化的統(tǒng)計(jì)特征十分必要。

L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)是我國自行研制的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高空氣象探測(cè)數(shù)據(jù)，能夠連續(xù)自動(dòng)測(cè)定從地表到30 km高空的氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速等，具有高分辨率和實(shí)時(shí)采集能力[28,34]，觀測(cè)時(shí)次為世界時(shí)11時(shí)和23時(shí)一日兩次的定時(shí)觀測(cè)，另外根據(jù)天氣狀況或科學(xué)試驗(yàn)需要進(jìn)行06時(shí)和18時(shí)的加密觀測(cè)。從2010年左右增加了更多氣象要素，因此本文選取2010—2016年華南地區(qū)14個(gè)L波段探空站資料，結(jié)合臺(tái)站降水資料對(duì)華南前汛期降水機(jī)制進(jìn)行一些初步分析。本文借鑒將前汛期分為南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后兩個(gè)階段[33]，采用高質(zhì)量高密度地面觀測(cè)站數(shù)據(jù)來分析14年華南前汛期降水日變化的特征。

接下來的第二部分將對(duì)本文使用的數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行介紹，并分析華南地勢(shì)特征及主要降水帶位置；第三部分主要分析降水量、降水頻率及降水強(qiáng)度的時(shí)空分布特征；第四部分討論環(huán)境場(chǎng)對(duì)降水日變化的影響；第五部分為結(jié)論。

2 資料和方法

2.1 資料介紹

本文采用中國氣象局國家氣象信息中心提供的2003—2016年4—6月國家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)集，篩選華南(107～117 °E，21～27 °N)地區(qū)248個(gè)站點(diǎn)。該數(shù)據(jù)使用三種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。(1)氣候?qū)W界限值(極值)檢查：若逐小時(shí)降水超出一定范圍，則數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。(2)內(nèi)部一致性檢查：每日逐小時(shí)降水量的日合計(jì)和日降水量比較，若超出一定標(biāo)準(zhǔn)，則數(shù)據(jù)可疑。(3)時(shí)間一致性檢驗(yàn)。對(duì)于部分已知的錄入錯(cuò)誤產(chǎn)生的虛假數(shù)據(jù)采取技術(shù)手段進(jìn)行了去除。質(zhì)量控制結(jié)果客觀反映了中國逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)的整體質(zhì)量狀況良好，逐年正確率均在98%以上，數(shù)據(jù)年均可用率達(dá)99%以上，空間分布上97.5%的臺(tái)站可用率高于99%，汛期可用率高于全年平均值?？傮w而言在空間范圍、年代長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面均優(yōu)于以前的同類產(chǎn)品。在經(jīng)過高質(zhì)量質(zhì)控后，又分別對(duì)各個(gè)站點(diǎn)14年數(shù)據(jù)缺測(cè)大于10%的站點(diǎn)進(jìn)行剔除[35]，最終選出華南地區(qū)248個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)，并對(duì)缺測(cè)降水值剔除。

同時(shí)，我國L波段探空資料在2010年加入風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，因此本文采用2010—2016年4—6月探空資料作為降水機(jī)制分析的依據(jù)，資料經(jīng)過數(shù)據(jù)提取與質(zhì)控，選取華南地區(qū)14個(gè)測(cè)站，由于探空濕度傳感器在低溫條件下靈敏度下降[34]，垂直高度僅為海平面氣壓1 000～300 hPa。

根據(jù)國家氣候中心氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的2003—2016年南海夏季風(fēng)爆發(fā)候時(shí)間，將華南前汛期分為南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后兩部分進(jìn)行對(duì)比分析(圖1)，其中平均爆發(fā)候?yàn)?8，即5月第4候。根據(jù)國家氣候中心的說明，南海夏季風(fēng)爆發(fā)的主要指標(biāo)為監(jiān)測(cè)區(qū)(110～120 °E，10 ～ 20 °N)內(nèi)平均緯向風(fēng)由東風(fēng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)為西風(fēng)以及假相當(dāng)位溫穩(wěn)定地大于340 K的時(shí)間，同時(shí)參考200 hPa和850 hPa以及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的演變。將開始爆發(fā)當(dāng)候算入爆發(fā)前期，按此標(biāo)準(zhǔn)劃分，14年中南海夏季風(fēng)爆發(fā)候前期共749天，爆發(fā)候后期共525天。將主要從前后兩期逐年小時(shí)降水量差異及多年平均小時(shí)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度日變化的時(shí)空分布著手，對(duì)華南前汛期降水日變化做更詳細(xì)的分析。

圖1 歷年南海季風(fēng)爆發(fā)候及強(qiáng)度指數(shù)

2.2 華南地形特征與主要降水帶

圖2所示的是華南地區(qū)地勢(shì)及臺(tái)站、探空站水平分布，圖3為地勢(shì)經(jīng)向平均分布。根據(jù)本文篩選的華南地區(qū)248個(gè)臺(tái)站位置可看出，站點(diǎn)分布較均勻，這為后期采用經(jīng)向平均來研究其降水變化提供可行性。探空站分布相對(duì)稀疏，但基本均勻覆蓋所研究區(qū)域。同時(shí)結(jié)合地勢(shì)剖面圖，華南地區(qū)地勢(shì)由西向東呈明顯下降趨勢(shì)，平均海拔高度不超過500 m，在110°E和114°E附近略形成阻擋形勢(shì)，該地分別有大瑤山和九連山以及羅霄山南部。由于華南地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，丘陵起伏，河谷與盆地錯(cuò)落，兩廣北部是南嶺山脈及羅霄山，其與武夷山形成典型喇叭口地形，兩廣交界處是東北-西南走向的云開大山。廣西地區(qū)山地較多，海拔超過500 m的土石山占全區(qū)總面積的53.1%[36]，其北部為南北走向的大瑤山，南部是呈東北-西南走向的十萬大山。而廣東境內(nèi)地勢(shì)總體北高南低，境內(nèi)丘陵山地起伏，粵西的云霧山、粵北九連山以及粵東蓮花山，三者與廣東中南部最大的平原珠三角地區(qū)形成喇叭口地形[37-38]。

圖2 華南地區(qū)地勢(shì)及站點(diǎn)水平分布

圖3 華南地區(qū)地勢(shì)經(jīng)向平均剖面圖 單位：m，

結(jié)合圖4，華南地區(qū)平均有兩條大降水帶，分別位于南嶺以南大瑤山以北、廣東沿海地區(qū)。這反映在地勢(shì)上能看出雨帶間有明顯的地勢(shì)起伏，基本以110°E為界。由于地形的動(dòng)力作用主要包括阻塞水汽輸送及強(qiáng)迫抬升對(duì)對(duì)流的觸發(fā)，比如迎風(fēng)坡降水增強(qiáng)及背風(fēng)坡削減作用等，熱力作用主要為抬升的冷熱源對(duì)局地?zé)崃Νh(huán)流的影響，因此根據(jù)歷史14年平均降水帶的空間分布可看出，位于南嶺以南喇叭口地形附近的偏北雨帶及位于廣東沿海地區(qū)的偏南雨帶，大地形的影響起到了關(guān)鍵作用[38]。

圖4為南海夏季風(fēng)爆發(fā)候前后14年日平均降水空間分布圖。爆發(fā)候前期的降水量明顯小于后期，但降水中心落區(qū)基本一致，后期降水量更大且雨帶分布范圍更廣，降水中心主要位于廣西大瑤山以北桂林附近，及越南北部黃連山脈與十萬大山形成的南南西-北北東喇叭口地形[37]，以及北江谷地、粵東、粵西山脈迎風(fēng)坡處。位于兩廣交界處的云開大山至廣西南部，有相對(duì)孤立降水中心存在，這在后期逐小時(shí)降水分布研究中也有明顯體現(xiàn)，主要位于廣西防城、東興一帶。

本文定義華南前汛期每個(gè)站每小時(shí)的降水頻率為該時(shí)次有降水的小時(shí)數(shù)占該時(shí)次總小時(shí)數(shù)(14年)的百分比(后簡(jiǎn)稱降水頻率)，每個(gè)站每小時(shí)的降水強(qiáng)度為該時(shí)次累計(jì)降水量(14年)與該時(shí)次降水小時(shí)數(shù)的比(后簡(jiǎn)稱降水強(qiáng)度)，每個(gè)站每小時(shí)的累計(jì)降水量(14年)為該小時(shí)降水頻率與該小時(shí)降水強(qiáng)度及前后兩期相應(yīng)天數(shù)的乘積 (后簡(jiǎn)稱降水量)[19,39]，本文下面全部使用北京時(shí)間(Beijing Solar Time)。

圖4 南海夏季風(fēng)爆發(fā)候前(a)、后(b)日均降水空間分布圖 單位：mm/day。

3 降水量、降水頻率及降水強(qiáng)度的時(shí)空分布

3.1 降水相關(guān)性及日變化

根據(jù)本文定義，14年南海夏季風(fēng)爆發(fā)候前期共749天，后期共525天(簡(jiǎn)稱前、后期)，為了研究前后兩期降水是否存在相關(guān)性及其變化差異，采用統(tǒng)計(jì)方法分別研究前后期每年及多年平均小時(shí)降水量的標(biāo)準(zhǔn)差Ei(單位：mm/h)及相關(guān)系數(shù)Ri。其中：

fin和lin分別為前期和后期每個(gè)臺(tái)站每小時(shí)平均降水量，fˉi和lˉi分別為前期和后期區(qū)域平均小時(shí)降水量，σf、σl和N分別為前后期區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)差及臺(tái)站個(gè)數(shù)，i為時(shí)次(圖 5)。

圖5 逐年及多年區(qū)域平均前后期小時(shí)降水量標(biāo)準(zhǔn)差(mm/h)及相關(guān)系數(shù) a～e為逐年，f為14年區(qū)域平均。

基本每年前后期區(qū)域平均的小時(shí)降水量相關(guān)性都不超過0.4，甚至還存在一部分負(fù)相關(guān)性，在2003、2007和2012年表現(xiàn)比較明顯，時(shí)次分布分散，但以正相關(guān)為主。從變化幅度來看，振幅主要集中在0.5附近，比較突出的變化年在2003年和2005年，全部時(shí)次變化幅度在0.5以上?；久磕曜兓认鄬?duì)較大的時(shí)段都位于清晨05時(shí)附近和下午17時(shí)左右，說明降水主要受輻射冷卻和加熱作用。圖5e為14年區(qū)域平均逐小時(shí)變化，24 h平均標(biāo)準(zhǔn)差為5.14，平均相關(guān)系數(shù)為0.49。前后期標(biāo)準(zhǔn)差振幅較大的時(shí)段主要集中于凌晨至清晨，即相對(duì)白天太陽輻射加熱及海洋向陸地持續(xù)輸送不穩(wěn)定暖濕氣流而導(dǎo)致多發(fā)對(duì)流降水來說，夜間的降水機(jī)制存在更多突變性。午后出現(xiàn)的3 h明顯振幅增加，尤其16時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為11.91，是24 h中變化幅度第二大時(shí)次。振幅最小時(shí)段為中午12時(shí)。就相關(guān)性而言，前期和后期小時(shí)降水相關(guān)系數(shù)較大的時(shí)次主要集中在中午至下午時(shí)段，說明在南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后，該時(shí)段小時(shí)降水量波動(dòng)較一致。

根據(jù)兩個(gè)時(shí)期降水頻率的24 h逐時(shí)空間分布(圖略)可看出，前期頻率大值中心范圍明顯小于后期，并且主要位于夜間南嶺以北地區(qū)，廣東沿海未出現(xiàn)帶狀中心。而后期頻率大值中心從凌晨02時(shí)左右明顯增強(qiáng)，位于華南西部廣西貴州交界，大值中心隨時(shí)間從西北向東南移動(dòng)。凌晨至清晨，頻率大值中心主要分兩部分，除西北部大范圍超過21%的大值中心外，廣東沿海的粵中至粵東也出現(xiàn)帶狀大值中心。從上午開始，西北部頻率中心減弱東移，而廣東降水頻率隨時(shí)間增加，出現(xiàn)全省范圍的中心，至傍晚20時(shí)隨時(shí)間向粵東東移減弱。說明夏季風(fēng)對(duì)降水頻率變化的影響主要作用在華南沿海的廣東地區(qū)，極大地增加了廣東地區(qū)降水概率。圖6為降水頻率的時(shí)間經(jīng)向分布圖，將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為0.03×0.03的格點(diǎn)數(shù)據(jù)后，在21～27°N內(nèi)做經(jīng)向平均。無論前后期，降水頻率在112°E附近都有明顯的時(shí)間變化：以西降水頻率多發(fā)于夜間至清晨，以東全天都有降水頻率高值區(qū)，但中心主要集中于中午至傍晚，量值在凌晨時(shí)刻?hào)|部小于西部。后期降水頻率明顯增加，但前后期整體分布形勢(shì)相似，說明華南地區(qū)降水的大地形作用不可忽視。結(jié)合圖3可看出從高原到兩廣丘陵地勢(shì)的明顯過渡。結(jié)合前后兩期，頻率最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在凌晨的04—08時(shí)、午后的12—19時(shí)。前期站點(diǎn)小時(shí)平均頻率最大值為20.1%，位于江西井岡山站，多年區(qū)域平均頻率為13%；后期站點(diǎn)小時(shí)平均最大頻率為22.3%，位于廣東海豐，多年區(qū)域平均頻率為15.1%。根據(jù)大值中心分布來看，前期頻率大于26%的站點(diǎn)有10個(gè)共24個(gè)時(shí)次，包括廣西靈川、永福、昭平、資源、灌陽、蒙山6站，貴州都勻、麻江、黎平和丹寨4站，其中貴州省麻江和丹寨站時(shí)間占比最多，都為5個(gè)時(shí)次。后期頻率大于26%的站點(diǎn)共18個(gè)，總時(shí)次為39，包括廣東海豐、揭西、豐順、大埔、新豐、佛岡、普寧7站，廣西鳳山、東興、防城、靈川、永福、東蘭、南丹7站，貴州都勻、丹寨、荔波3站以及江西井岡山。最大占比為廣西防城站共5個(gè)時(shí)次，其次為廣西南丹站和江西井岡山站，分別占4個(gè)時(shí)次。

降水強(qiáng)度的24 h逐時(shí)空間分布(圖略)更是表現(xiàn)出明顯的前后期區(qū)別。前期大強(qiáng)度中心只位于廣東沿海一帶，主要出現(xiàn)在白天，午后最強(qiáng)；后期出現(xiàn)大片強(qiáng)度中心，從凌晨開始主要位于廣西西部及粵西，至早上開始逐步東移，于午后全部位于廣東境內(nèi)，強(qiáng)度中心范圍達(dá)到最大。因此華南地區(qū)降水的特征，在南海夏季風(fēng)爆發(fā)前主要表現(xiàn)為西部高頻、南部高強(qiáng)，在南海夏季風(fēng)爆發(fā)后則形成西北-東南南的高頻率高強(qiáng)度降水形態(tài)。圖7為降水強(qiáng)度的時(shí)間經(jīng)向分布。前期大值中心全部集中在白天沿海地區(qū)；后期在地理位置上表現(xiàn)出明顯的時(shí)間差：西部地區(qū)強(qiáng)度中心主要位于夜間和上午時(shí)分；東部地區(qū)中心主要集中于白天。降水強(qiáng)度的兩極化趨勢(shì)很明顯，大值中心基本全部落在廣東沿?；浳鞲浇?。前期站點(diǎn)小時(shí)平均降水強(qiáng)度最大值為3.4 mm/h，位于廣東陽江，后期站點(diǎn)小時(shí)平均降水強(qiáng)度最大值為4.3 mm/h，出現(xiàn)在廣東省臺(tái)山市上川島站附近，前后振幅變化對(duì)比不大。

根據(jù)降水頻率和強(qiáng)度得到前后兩期降水量的24 h逐時(shí)空間分布(圖略)，降水大值中心隨時(shí)間從華南西北部向東南沿海移動(dòng)。從凌晨開始，華南西北部出現(xiàn)明顯大值區(qū)，至清晨時(shí)刻?hào)|移至華南中部南嶺一帶，中午時(shí)分降水中心基本全部移入廣東境內(nèi)，午時(shí)降水中心強(qiáng)度略有減弱，至下午到傍晚時(shí)刻于粵西、粵中部加強(qiáng)，并于夜間中心持續(xù)向粵東移動(dòng)。前期，降水中心主要位于南嶺一帶及粵中地區(qū)，分別出現(xiàn)在早上和下午。后期，降水中心主要位于廣東大部，中心范圍明顯大于前期，時(shí)次也從下午提前至午后出現(xiàn)。即在華南西北部，降水主要發(fā)生在凌晨至清晨，東南沿海地帶降水多發(fā)于下午至傍晚，中部南嶺一帶降水則多發(fā)于中午時(shí)段。此特征與降水頻率變化更加吻合。圖8為小時(shí)降水量所占該時(shí)期區(qū)域平均小時(shí)降水量比值的時(shí)間經(jīng)向分布圖，前后兩期整體的時(shí)間經(jīng)向分布趨勢(shì)基本一致，在112°E附近有明顯的時(shí)間轉(zhuǎn)折。

圖6 南海季風(fēng)爆發(fā)前期(a)和后期(b)降水頻率時(shí)間-經(jīng)向分布 單位：%。

圖7 南海季風(fēng)爆發(fā)前期(a)和后期(b)降水強(qiáng)度時(shí)間-經(jīng)向分布 單位：mm/h。

3.2 振幅分析

為了進(jìn)一步研究日變化幅度，將降水時(shí)次分為00—07時(shí)、08—15時(shí)以及16—23時(shí)三部分，采用統(tǒng)計(jì)的手法分別研究三個(gè)時(shí)段內(nèi)前后期降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度的區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)差[40]沿經(jīng)向變化特征(圖9)。以0.5度為單位做經(jīng)向分割，每個(gè)經(jīng)度單位所在站點(diǎn)個(gè)數(shù)如表1所示。

圖8 南海季風(fēng)爆發(fā)前期(a)和后期(b)降水量與區(qū)域平均降水量比率的時(shí)間-經(jīng)向分布

圖9 前期(左)、后期(右)北京時(shí)00—07時(shí)、08—15時(shí)及16—23時(shí)降水量(a,b)、降水頻率(c,d)及降水強(qiáng)度

表1 經(jīng)向站點(diǎn)個(gè)數(shù)

由圖9可知，除了降水強(qiáng)度后期變化幅度明顯大于前期外，降水頻率和降水量在前后期波動(dòng)相似，地理差異的時(shí)間變化一致。降水量的變化幅度在112°E左右出現(xiàn)了時(shí)間的轉(zhuǎn)變：以西變化幅度較大時(shí)段主要位于夜間，白天相對(duì)穩(wěn)定且相似；以東變化幅度較大時(shí)段主要位于早上至午后，前期降水量相對(duì)穩(wěn)定。降水頻率時(shí)間轉(zhuǎn)變也位于112°E附近，以西波動(dòng)時(shí)段與降水量相似，但以東變化幅度在前后期都較小且基本一致，即以東地區(qū)前汛期降水發(fā)生概率相對(duì)穩(wěn)定且多發(fā)性明顯，考慮華南沿海地區(qū)地勢(shì)平坦，受太陽輻射加熱相對(duì)均勻，水汽輸送除珠江口地區(qū)喇叭口地形外并無大范圍阻塞形勢(shì)。降水強(qiáng)度相對(duì)于地理位置的差異來說，針對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后的變化差異更加明顯，前期波動(dòng)主要發(fā)生在清晨至午后，后期波動(dòng)多發(fā)于夜間，且波動(dòng)幅度整體大于前期。整體來看，三者變化相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間都在下午至傍晚，結(jié)合時(shí)間經(jīng)向分布來看，該時(shí)段是降水發(fā)生相對(duì)穩(wěn)定偏多的時(shí)期。因此后期降水量波動(dòng)更多受降水強(qiáng)度影響，尤其在112°E以東區(qū)域，南海夏季風(fēng)的爆發(fā)主要影響降水強(qiáng)度的日變化。

圖10為降水量、降水頻率及降水強(qiáng)度14年區(qū)域平均的24 h標(biāo)準(zhǔn)化，南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后有明顯區(qū)別：前期，降水量波動(dòng)峰值主要受降水頻率影響，二者同時(shí)在清晨出現(xiàn)最大正波動(dòng)，說明清晨降水多發(fā)現(xiàn)象并不穩(wěn)定。降水強(qiáng)度在午后出現(xiàn)波動(dòng)高峰，此時(shí)降水量波動(dòng)最小接近0，降水頻率呈負(fù)變化，說明前期中午時(shí)段降水頻率低、降水強(qiáng)度有不穩(wěn)定增加。三者在21時(shí)左右同時(shí)出現(xiàn)明顯減小的波動(dòng)變化，為一天中發(fā)生暴雨概率最小階段；后期，三者變化趨勢(shì)幾乎一致，一共出現(xiàn)兩個(gè)峰值，一個(gè)位于清晨，一個(gè)位于下午。相對(duì)于前期來說，清晨的變化主要體現(xiàn)在降水頻率更加穩(wěn)定，降水強(qiáng)度增加且波動(dòng)增大；下午的變化主要體現(xiàn)在降水頻率由減少變?yōu)樵黾佣▌?dòng)幅度幾乎不變。相對(duì)穩(wěn)定時(shí)段后期由午后提前至10時(shí)左右，大氣受太陽輻射加熱作用的影響更加明顯。后期一天中谷值波動(dòng)同樣出現(xiàn)在22時(shí)附近，即此時(shí)無論南海夏季風(fēng)爆發(fā)與否，大氣都相對(duì)穩(wěn)定少雨。后期各時(shí)段降水具有一致的多發(fā)、高強(qiáng)特征。綜上所述，前期降水主要由多次少量造成，而南海夏季風(fēng)的爆發(fā)明顯增加了暴雨事件，帶來的影響在清晨主要作用于降水強(qiáng)度，在下午主要作用于降水頻率，使得后期三者變化趨勢(shì)相近。

圖10 前期(a)、后期(b)降水量、降水頻率及降水強(qiáng)度區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)化24 h分布

4 環(huán)境場(chǎng)對(duì)降水日變化的影響

華南前汛期降水不僅有明顯的日變化特征，就前后期一天中不同時(shí)段的降水落區(qū)也有明顯的地理特征。圖11為2010—2016年4—6月前期和后期小時(shí)降水量大于等于10 mm的小時(shí)數(shù)，分別在早上08時(shí)和下午20時(shí)的探空站點(diǎn)分布。近海地區(qū)相應(yīng)降水過程的次數(shù)明顯大于華南北部。兩個(gè)時(shí)次降水發(fā)生最多的站點(diǎn)分別為清遠(yuǎn)和桂林，一個(gè)位于南嶺以南，一個(gè)位于珠江口以北。主要區(qū)別在于前期，桂林在下午沒有出現(xiàn)該量級(jí)以上的天氣過程，后期降水過程早晚分布均勻；而清遠(yuǎn)在季風(fēng)爆發(fā)前后的降水分布有明顯反轉(zhuǎn)，前期降水主要發(fā)生在早上，而后期則位于下午。為了分析南海夏季風(fēng)爆發(fā)對(duì)降水頻率和降水強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步分析不同時(shí)段降水各物理機(jī)制的變化。

圖11 探空站降水過程(≥10 mm/h)的時(shí)次分布

圖12為利用探空資料分別計(jì)算了該區(qū)域站點(diǎn)的 K 指數(shù)、500 hPa 和 850 hPa 的 θse差(Δθse)、500 hPa溫度露點(diǎn)差[(T-Td)500]、850 hPa溫度露點(diǎn)差[(TTd)850]、500 hPa 和 850 hPa溫差[ΔT(500－850)]及 850 hPa和925 hPa、500 hPa和850 hPa的風(fēng)垂直切變，共7種包括熱力、動(dòng)力的物理量變化，并疊加其標(biāo)準(zhǔn)化波動(dòng)及各站小時(shí)平均降水量值，其中TTd500、TTd850分別表示500 hPa和850 hPa溫度露點(diǎn)差，TT表示500 hPa和850 hPa溫度差，sher925和sher850表示850 hPa和925 hPa以及500 hPa和850 hPa風(fēng)切變。

降水事件在夏季風(fēng)爆發(fā)前20時(shí)最少、量級(jí)也最低，前期降水事件主要集中在兩廣境內(nèi)；發(fā)生事件最多是在南海夏季風(fēng)爆發(fā)后08時(shí)，共9個(gè)站，陽江平均小時(shí)降水量超過50 mm/h。后期早上08時(shí)平均小時(shí)降水量明顯增加的站集中在山脈抬升處和沿海地區(qū)，傍晚20時(shí)集中在兩條雨帶位置。由于暴雨的發(fā)展主要與低層暖濕空氣團(tuán)有關(guān)，而產(chǎn)生降水的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展則與中上層干冷空氣團(tuán)有關(guān)，上層冷平流以及與低層暖濕空氣的疊置對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴的爆發(fā)具有很重要的影響，二者都能造成降水但形成機(jī)制和物理量差異明顯[41]。據(jù)分析，在季風(fēng)爆發(fā)前，華南地區(qū)清晨多強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴，而傍晚暴雨系統(tǒng)旺盛；季風(fēng)爆發(fā)后，較內(nèi)陸地區(qū)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象更明顯，沿海地區(qū)低層風(fēng)切變減小。一方面說明南海夏季風(fēng)的爆發(fā)在清晨更多作用于對(duì)暴雨系統(tǒng)的增長(zhǎng)，在傍晚則更多作用于增加強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)生頻率，另一方面根據(jù)區(qū)域降水量的日變化對(duì)比，也說明季風(fēng)爆發(fā)對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生頻率的作用更加明顯。

根據(jù)各物理量標(biāo)準(zhǔn)化變量，相對(duì)于季風(fēng)爆發(fā)的影響來說，其分布特征似乎更具有固定的時(shí)間特點(diǎn)。早08時(shí)無論季風(fēng)爆發(fā)與否都具有K指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的特征，而在季風(fēng)爆發(fā)前，500 hPa和850 hPa的溫度露點(diǎn)差對(duì)降水的指示作用更加穩(wěn)定，后期低層風(fēng)切變的指示作用相對(duì)較好，晚20時(shí)各物理量變化波動(dòng)較早上更大，相對(duì)穩(wěn)定的指示量為500 hPa溫度露點(diǎn)差。

圖12 各物理量及平均小時(shí)降水量在前期(上)、后期(下)08時(shí)(左)和20時(shí)(右)的站點(diǎn)變化 灰色柱狀圖為各物理量平均值，與降水量共同使用左邊坐標(biāo)軸；彩色柱狀圖為各物理量標(biāo)準(zhǔn)化變量，使用右邊坐標(biāo)軸。

5 總結(jié)與討論

利用華南地區(qū)(107～117 °E，21～27 °N)的248個(gè)國家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，主要根據(jù)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度的時(shí)空分布，分析研究了2003—2016年4—6月華南前汛期降水日變化，并按照南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間分別討論了季風(fēng)爆發(fā)前后兩期的降水特征。針對(duì)華南地區(qū)地勢(shì)整體由西北向東南傾斜的特點(diǎn)，分析了降水與地形的關(guān)系。

(1)華南前汛期降水主要形成兩個(gè)雨帶，一個(gè)位于南嶺以南附近，另一個(gè)位于廣東沿海地區(qū)。偏北雨帶降水主要發(fā)生在后半夜至清晨，偏南雨帶主要發(fā)生在中午至下午時(shí)分。從地形經(jīng)向分布看出明顯地勢(shì)下降變化，對(duì)降水日變化時(shí)間轉(zhuǎn)變明顯：西側(cè)降水多發(fā)于夜間至清晨，東側(cè)多發(fā)于午后至下午。南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后降水中心基本一致，但后期降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度都明顯大于前期。

(2)南海季風(fēng)爆發(fā)前后降水的年相關(guān)性很小，前期降水量的多少不會(huì)影響后期降水，甚至還有相當(dāng)一部分負(fù)相關(guān)存在。從波動(dòng)幅度來看，多年變化主要集中在0.5附近。每年變化幅度相對(duì)較大的時(shí)段都位于清晨05時(shí)附近和下午17時(shí)左右，多年平均前后期標(biāo)準(zhǔn)差在午后出現(xiàn)3 h明顯降水量波動(dòng)。多年變化幅度最小時(shí)段為中午12時(shí)，前后期相關(guān)系數(shù)較大時(shí)次主要位于中午至下午時(shí)段，很好地印證了凌晨時(shí)段降水波動(dòng)最明顯的特點(diǎn)。

(3)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度的經(jīng)向變化幅度在112°E附近有明顯時(shí)間轉(zhuǎn)折：以西降水頻率多發(fā)于夜間至清晨，以東全天都有降水頻率高值區(qū)，但中心主要集中于中午至傍晚。在南海夏季風(fēng)爆發(fā)前，華南地區(qū)的降水形勢(shì)主要表現(xiàn)為西部高頻、南部高強(qiáng)，在季風(fēng)爆發(fā)后則形成西北-東南南的高頻率高強(qiáng)度降水形態(tài)，華南沿海廣東地區(qū)降水概率明顯增加?？偟膩碚f，南海夏季風(fēng)的爆發(fā)主要增加降水強(qiáng)度[42]的日變化，前期降水主要由多次少量造成，而南海夏季風(fēng)的爆發(fā)明顯增加了暴雨事件，使得后期降水特征的變化趨于一致。

(4)南海夏季風(fēng)的爆發(fā)在清晨更多作用于對(duì)暴雨系統(tǒng)的增長(zhǎng)，在傍晚則更多作用于增加強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)生頻率，季風(fēng)爆發(fā)對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生頻率的作用更加明顯。相對(duì)于季風(fēng)影響，環(huán)境場(chǎng)物理量變化在固定時(shí)間的特點(diǎn)更加明顯，高K值對(duì)華南前汛期降水的指示作用最穩(wěn)定。

華南地區(qū)處于東亞季風(fēng)環(huán)境，且地理地表屬性復(fù)雜，從而導(dǎo)致了華南降水的復(fù)雜多變。本文根據(jù)地面小時(shí)降水，結(jié)合南海季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間，初步分析了南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后華南前汛期降水日變化特征，及影響日變化環(huán)境場(chǎng)的地理和時(shí)間變化，加深了華南降水時(shí)空變化特征的認(rèn)識(shí)。今后將深入分析降水機(jī)制，增加結(jié)論的普適性。