長株潭城市群體小時級降水資源分布及變化特征

李晶　汪天穎　朱宏武　陸魁東

摘要：以湖南省長株潭城市群體為研究對象，基于研究區(qū)域11個氣象站1961—2017年3—11月逐小時降水量，分析了該區(qū)域內(nèi)降水日變化、夜間降水量的年代際變化、季節(jié)演變（春、夏、秋季）與早稻抽穗揚花時段降水分布特征。結(jié)果表明，長株潭地區(qū)降水日變化呈現(xiàn)雙峰型分布，小時降水量和降水頻次峰值時次基本一致。各個年代、季節(jié)小時降水量峰值均穩(wěn)定位于4：00～8：00和15：00～16：00，但峰值和次峰值的時次存在差異;隨年代推移，夜間降水量呈現(xiàn)波動上升趨勢，20世紀90年代和21世紀00年代夜間降水量高于日間;春、夏、秋季夜間降水量與日間比值分別為117%、81%、110%;幕阜-連云山丘區(qū)為研究區(qū)域夜間降水量高值區(qū);幕阜-羅霄山脈區(qū)為研究地區(qū)內(nèi)早稻抽穗揚花時段降水量、降水強度的高值區(qū)，株洲中部為同時段降水偏少的地區(qū)。

關(guān)鍵詞：降水日變化;夜間降水量;水稻抽穗揚花期;降水分布;長株潭地區(qū)

中圖分類號：S16;F323.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0044-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.010? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Distribution and variation features of hourly precipitation resource in Chang-Zhu-Tan typical city-group

LI Jing1，2，WANG Tian-ying1，2，ZHU Hong-wu3，LU Kui-dong1，2

（1.Key Lab of Hunan Province for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation，Changsha 410118，China;2.Hunan Meteorological Research Institute of Hunan Province，Changsha 410118，China;3.Hunan Meteorological Information Center，Changsha 410118，China）

Abstract： Taking Chang-Zhu-Tan typical city-group as the research object， based on the hourly precipitation data（1961 to 2017， Mar. to Nov.） from 11 meteorological stations in the study area， the features of interdecadal and seasonal（spring， summer， autumn） variations of the diurnal variation of precipitation， nocturnal precipitation， and precipitation distribution during early rices blooming period were analyzed. The results showed that， the diurnal distribution of hourly precipitation and precipitation frequency in Chang-Zhu-Tan area were both bimodal， and the peaks appeared basically in the same time. The peaks of precipitation in each decade and season were at 4：00～8：00 and 15：00～16：00 stably， but the peak and sub-peak time appeared differently within decades and seasons. With the progress of time， nocturnal precipitation wavelike rose， and became higher than diurnal precipitation in 1990s and 2000s. The ratio of nocturnal and diurnal precipitation in spring， summer and autumn were 117%， 81% and 110%， respectively. Mufu-Lianyun Mountain district was the high center of nocturnal precipitation. During early rices blooming period， Mufu-Luoxiao Mountain district was the high center of rainfall amount and precipitation frequency， while central Zhuzhou was the low center.

Key words： diurnal variation of precipitation; nocturnal precipitation; heading-blooming period of rice; distribution of precipitation; Chang-Zhu-Tan area

長沙、株洲、湘潭地區(qū)（簡稱長株潭地區(qū)）是長江中下游典型的城市群體，作為湖南省經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)，降水資源豐富，農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展水平和生產(chǎn)水平均較高。但由于受季風(fēng)氣候影響，且在全球氣候變化和長株潭城市群快速發(fā)展的大背景下，降水要素變化比較大[1]，因此，研究小時級降水資源分布有利于了解長株潭城市群體的氣候特征，同時有益于氣候資源高效開發(fā)和利用。

既有的降水日變化研究表明，不同地區(qū)、不同季節(jié)的小時級降水量分布可能存在較大差異。前人對降水日變化的研究主要集中于暖濕季節(jié)，如基于地面觀測站[2]和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[3，4]的研究均表明大部分大陸地區(qū)暖季的降水高峰主要位于下午;戴澤軍等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，湖南省夏季降水量、降水頻次和強度均呈現(xiàn)明顯的雙峰型特征（清晨與午后）。此外也有研究表明，同區(qū)域的小時降水量存在季節(jié)的演變[6，7]。不同日尺度時段降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能有諸多影響，如夜間降水可增大日夜溫差，利于干物質(zhì)積累;利于雨水下滲，減少地表蒸發(fā)損失[8，9];同時，夜雨也可能對夜間開花的作物造成洗花，出現(xiàn)不利影響。隨著城市化進程加快，城市群體中水資源供需矛盾突出[10]，氣候變化的背景下作物生育期內(nèi)降水分配格局發(fā)生變化[11]。本研究以長株潭地區(qū)為研究對象，基于11個氣象站1961—2017年3—11月逐小時降水量數(shù)據(jù)，探究城市群體降水日變化，夜間降水量的年代、季節(jié)演變，以及地區(qū)主要農(nóng)作物早稻的抽穗揚花時段降水分布特征，為提高土壤水分利用、精細化作物種植區(qū)劃提供依據(jù)，也可為優(yōu)化防災(zāi)減災(zāi)布局提供技術(shù)參考。

1? 資料與方法

1.1? 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域包括長沙、株洲、湘潭3市（圖1），地處湖南省中東部（北緯26°03′—28°40′，東經(jīng)111°54′—114°15′），屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1 400 mm左右，季節(jié)降雨差異大，春季、夏季降雨量高于秋季和冬季[12]。長株潭地區(qū)東部為幕阜-連云山丘區(qū)，東南部為羅霄山區(qū)，北部局地為濱湖平原區(qū)，其余地區(qū)以崗地丘陵地貌為主。

1.2? 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

研究使用的1961—2017年長株潭地區(qū)11個氣象觀測站逐小時降水資料來自湖南省氣象信息中心。其中1961—2003年逐時降水數(shù)據(jù)源自數(shù)字化的自記紙資料（已經(jīng)過審核），2004—2017年降水數(shù)據(jù)源于自動氣象站。

1.3? 研究方法

研究主要分析長株潭地區(qū)1961—2017年作物主要生長時段（3—11月）的小時級降水資源變化特征（12—2月由于固態(tài)降水多造成自記紙缺測率較高，故未作分析），定義某時次觀測降水量>0.1 mm即認為該時次存在降水。小時降水量（小時降水頻次）為某時次在研究時段內(nèi)的累積降水量（累計降水次數(shù)）與有效觀測頻次之比;峰值時間為24 h內(nèi)降水量最大統(tǒng)計值出現(xiàn)的當?shù)貢r間。在此基礎(chǔ)上，小時級降水量（降水頻次）被劃分為不同季節(jié)（春、夏、秋季，即3—5月、6—8月、9—11月）、夜間（20：00至次日8：00）、早稻抽穗期（6月15日至7月5日）揚花時段（10：00～18：00）的不同集合進行研究。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 長株潭地區(qū)及其中典型站點的降水日變化

長株潭地區(qū)1961—2017年3—11月每站次的小時降水量和降水頻次如圖2所示。研究區(qū)域平均24 h日間降水量（8：00～20：00）為2.30 mm，夜間降水量（20：00至次日8：00）為2.17 mm，日間降水量略高于夜間。平均每站的小時降水量和降水頻次均呈現(xiàn)雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在午夜至凌晨（2：00～8：00）和午后至傍晚（14：00～20：00），低谷值位于前半夜（20：00至次日2：00）。各小時降水量為0.14～0.23 mm，其中峰值出現(xiàn)在8：00，次峰值在16：00，低谷值在23：00;各小時降水頻次為0.08～0.11，其中峰值出現(xiàn)在6：00～7：00，次峰值在16：00，低谷值出現(xiàn)在22：00。小時降水量與降水頻次兩者的峰值基本同步。

為探究城市化程度、地形與小時降水量之間的關(guān)聯(lián)，選取6個典型站點進一步探討降水日變化的年代際變化特征（圖3）。6個站點分別為3個市區(qū)站（長沙、株洲、湘潭）、2個山區(qū)站（瀏陽、攸縣）和1個崗地丘陵站（韶山）。由于部分站點在20世紀60年代存在較多缺測，篩選后選用長沙、韶山、攸縣自1970起始數(shù)據(jù)，瀏陽、湘潭、株洲自1960年起始的數(shù)據(jù)進行研究?？傮w來看，瀏陽、攸縣、株洲幾乎在各年代均呈現(xiàn)較顯著的雙峰型分布，其中瀏陽、株洲雙峰型分布常出現(xiàn)峰值和次峰值相當?shù)那闆r。上述站點均位于研究區(qū)域主要山區(qū)，雙峰型的成因可能由于山區(qū)海拔差異造成的地面溫度變化差造成地形性熱力流，利于午后熱對流和清晨對流系統(tǒng)的形成、發(fā)展[13]。各典型站點各年代小時降水量中，20世紀80年代、21世紀00年代的長沙、韶山、湘潭這類崗地丘陵區(qū)站點更容易出現(xiàn)單峰型（峰值出現(xiàn)在午夜至凌晨）或無顯著峰值的分布，可能因為地形變化較少，形成午后對流較弱[14]。21世紀70年代至21世紀00年代長株潭各典型站點的小時降水主峰值主要出現(xiàn)在午夜至凌晨，次峰值在午后至傍晚;而20世紀60年代和21世紀10年代峰值偏向于午后至傍晚，或者出現(xiàn)峰值和次峰值無顯著差別的情況。

小時降水量午后峰值出現(xiàn)時次長沙為13：00～15：00，株洲為14：00～17：00，瀏陽、韶山、湘潭為15：00～18：00，攸縣為16：00～20：00，峰值出現(xiàn)在高度城市化地區(qū)站點的時次整體早于城市化程度較低的站點，可能與城市熱島效應(yīng)增強有關(guān)，城市化程度高的地區(qū)降水對氣溫更為敏感[15]。午夜至凌晨的降水峰值中，長沙、湘潭站點主要出現(xiàn)于5：00～7：00，株洲站點主要出現(xiàn)于6：00～8：00，峰值在長沙、湘潭出現(xiàn)早于株洲，而清晨的降水峰值與持續(xù)性降水關(guān)系密切，長江流域持續(xù)性降水跟隨降水系統(tǒng)由西向東傳播，所以總體上西側(cè)站點的降水峰值出現(xiàn)時次較早[16]。

2.2? 夜間降水資源的年代際變化和季節(jié)分布特征

夜雨是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理想的降水形式[8]，又因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很強的季節(jié)性[17]，為研究長株潭地區(qū)夜間降水量的年代際變化規(guī)律和季節(jié)分布差異，分別繪制研究區(qū)域1961—2017年各年代的小時降水量分布圖，并將長株潭地區(qū)主要農(nóng)作物生長季節(jié)夜間降水資源分為春、夏、秋3季進行研究。

2.2.1? 年代際變化規(guī)律? 長株潭地區(qū)小時降水量年代際變化見圖4。各年代降水日變化均呈現(xiàn)較顯著的雙峰型分布。24 h平均降水量20世紀70年代（4.23 mm/d）、21世紀10年代（4.59 mm/d）較高，21世紀00年代（3.63 mm/d）、20世紀80年代（3.72 mm/d）較低;小時峰值降水量21世紀10年代（0.221 mm/h）、20世紀60年代（0.226 mm/h）較高，21世紀00年代（0.189 mm/h）、20世紀80年代（0.193 mm/h）較低。21世紀00年代和20世紀80年代為研究區(qū)域小時降水量和降水峰值均偏低的年代，也是旱情發(fā)生較多的年代[18]。

長株潭地區(qū)夜間降水量年代際分布列于表1。1961—2017年各年代長株潭地區(qū)夜間降水量為1.77～2.22 mm/d。隨年代的推移，夜間降水呈現(xiàn)增減交替的變化，日間降水量呈先減少后增加的趨勢，而夜間與日間降水量的比值則呈先升高后降低的趨勢。20世紀60年代夜間降水量低于日間，為日間降水量的79%;20世紀70年代、20世紀80年代、21世紀10年代夜間降水量與日間差異不大，分別為日間降水量的95%、97%、94%;20世紀90年代、21世紀00年代是夜間降水量比例最高的年代，分別達到日間降水量的112%、111%。20世紀70年代及之后，夜間降水量均達到日間的90%以上，且呈現(xiàn)波動上升趨勢。對于20世紀80年代和21世紀00年代這類降水整體偏少的年代，夜間降水量比例提升有利于提高土壤水分的利用效率。

2.2.2? 季節(jié)演變特征? 研究區(qū)域不同季節(jié)平均每站的小時降水量和降水頻次同樣呈現(xiàn)雙峰型分布（圖5）。24 h總降水量和總降水頻次春季（5.91 mm，3.22次）>夏季（5.08 mm，1.77次）>秋季（2.43 mm，1.74次）。春季、秋季降水峰值和降水頻次峰值均位于午夜至凌晨，次峰值位于午后至傍晚;夏季與之相反，峰值位于午后至傍晚，次峰值位于午夜至凌晨。研究的3個季節(jié)中，春季降水最為豐富，也易造成油菜、春生蔬菜等出現(xiàn)漬澇災(zāi)害;夏季降水略少于春季，但由于局地?zé)崃娖?，午后易形成強對流[19，20]，長株潭地區(qū)主要農(nóng)作物雙季早稻的抽穗開花期正處于夏季，午后暴雨易造成“大雨洗花”，作物授粉不良，嚴重影響產(chǎn)量;秋季降水相對春、夏季偏少，易形成秋旱[21]。

長株潭地區(qū)春、夏、秋季夜間降水量分別為3.19、2.27、1.27 mm/d。春季、秋季的夜間降水量均高于日間，夜間降水量分別為日間的117%和110%;夏季與之相反，夜間降水量低于日間，僅為日間降水量的81%（表2）?？傮w來看，雖然研究區(qū)域秋季夜間降水量低于夏季，但降水利用效率較夏季高。

研究區(qū)域不同季節(jié)的夜間降水量分布如圖6所示，可知夜間降水主要集中在2：00～8：00。春季夜間降水高值區(qū)主要位于幕阜-連云山丘區(qū)和羅霄山脈西北側(cè)，該地區(qū)20：00至次日2：00平均降水量為1.30～1.50 mm，2：00～8：00在1.8 mm以上;低值區(qū)位于湘潭地區(qū)。夏季夜間降水高值區(qū)主要位于瀏陽和長沙西部，20：00至次日2：00平均降水量為0.95～1.10 mm，2：00～8：00為1.25～1.55 mm;株洲地區(qū)和湘潭局部地區(qū)為降水低值區(qū)。秋季株洲中部以北和羅霄山區(qū)為夜間降水高值區(qū)，20：00～2：00平均降水量為0.50～0.55 mm，2：00～8：00為0.70 mm以上;低值區(qū)主要位于湘潭北部和株洲中部。從各個季節(jié)來看，研究區(qū)域內(nèi)幕阜-連云山丘區(qū)均處于夜間降水高值區(qū)。

2.3? 水稻抽穗揚花時段降水分布特征

水稻是長株潭地區(qū)的主要農(nóng)作物，雙季稻是其主要種植方式。雙季早稻的抽穗揚花期處于夏季，正是午后強對流易形成的時期[19]。水稻開花時間一般在上午10：00至下午，中午達到高峰。此處選取長株潭地區(qū)雙季早稻抽穗揚花期（6月15日至7月5日）10：00～18：00為研究時段，繪制地區(qū)降水分布圖（圖7）。

幕阜山區(qū)和羅霄山脈區(qū)為研究區(qū)域早稻抽穗揚花時段降水的高值區(qū)，時段內(nèi)平均降水量在3.1 mm以上，湘潭南部、株洲中部為降水低值區(qū)，平均降水量在2.8 mm以下;幕阜-連云山丘區(qū)為該時段降水頻次的高值區(qū)，時段內(nèi)平均降水頻次高于1.08次，湘潭北部、株洲中部降水頻次較低，平均頻次在1.02次以下。研究時段內(nèi)羅霄山區(qū)降水量高而降水頻次不高，說明該地區(qū)降水強度較高，出現(xiàn)早稻“洗花”風(fēng)險較高;株洲中部降水量和降水頻次均偏低，“洗花”風(fēng)險較低。

3? 小結(jié)與討論

1）長株潭地區(qū)降水日變化呈現(xiàn)雙峰型分布，小時降水量和降水頻次峰值時次基本一致。各個年代、各季節(jié)小時降水量峰值均穩(wěn)定位于4：00～8：00和15：00～16：00，從年代際變化來看，除20世紀60年代，其他年代的峰值均位于午夜至凌晨，次峰值位于午后;從季節(jié)演變來看，春、秋季降水峰值和降水頻次峰值均位于午夜至凌晨，次峰值位于午后至傍晚;夏季峰值位于午后至傍晚，次峰值位于午夜至凌晨。

2）研究區(qū)域夜間降水量略低于日間。隨年代推移，夜間降水呈現(xiàn)增減交替、波動上升的變化，夜間降水量在21世紀10年代達到最高值（2.22 mm/d），與日間降水量的比值呈先升高后降低的趨勢，20世紀60年代之后均為日間降水量的90%以上，其中20世紀90年代和21世紀00年代在110%以上。春、夏、秋季夜間降水量與日間比值分別為117%、81%、110%。夜間降水主要集中在后半夜，幕阜-連云山丘區(qū)為研究區(qū)域夜間降水高值區(qū)。

3）幕阜-羅霄山脈區(qū)為長株潭地區(qū)早稻抽穗揚花時段降水的高值區(qū)，幕阜-連云山丘區(qū)為同時段降水頻次的高值區(qū)。研究時段內(nèi)幕阜-連云山區(qū)降水量和降水頻次均較高，羅霄山區(qū)降水強度較高，是早稻“洗花”風(fēng)險高值區(qū);株洲中部降水量和降水頻次均偏低，屬于研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)險低值區(qū)。

本研究應(yīng)用長株潭地區(qū)11個氣象站點1961—2017年長序列的逐小時降水數(shù)據(jù)，對降水日變化、夜間降水量的年代際變化和季節(jié)演變特征進行了有益探討。研究地區(qū)中部以東夏季的降水峰值出現(xiàn)在下午居多，與戴澤軍等[5]的湖南省夏季降水日變化峰值時次分布圖相符。本研究發(fā)現(xiàn)崗地丘陵區(qū)夏季的降水峰值偏向午夜至清晨，與Yu等[22]的結(jié)論較為一致。長株潭地區(qū)夜雨資源豐富，且與山區(qū)分布關(guān)聯(lián)度高，該分布特征與段春鋒等[23]研究結(jié)果符合程度較高，說明研究地區(qū)內(nèi)降水均與地形變化關(guān)聯(lián)緊密。研究區(qū)域內(nèi)雙季早稻抽穗揚花時段中，幕阜-羅霄山脈區(qū)降水頻次較高、強度較大，加上城市的熱島效應(yīng)，夏季午后降水峰值提前，偏向正午的早稻盛花期，造成“大雨洗花”的風(fēng)險增加，可以結(jié)合當?shù)氐匦苇h(huán)境，選擇背風(fēng)區(qū)域進行種植。

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