唐敏麗,肖潺,原韋華
(1.成都信息工程大學,成都 610225;2.國家氣候中心,北京 100081;3.中國科學院大氣物理研究所,北京 100029;4.江西省氣象臺,南昌 330000)
秦嶺山脈是位于中國中部的東西向山脈,其北側是關中平原與黃土高原,南側是漢江谷地與大巴山,三山兩谷的獨特地形與所處的地理位置造就其氣候環(huán)境的特殊性。秦嶺山脈是我國暖溫帶與亞熱帶的分界線,它既能阻止干冷空氣南下,又能阻擋暖濕氣流北上(畢寶貴等,2006)。秦嶺位于南亞季風與東亞季風交匯影響的季風邊緣區(qū),秦嶺及周邊地區(qū)不僅存在夏季的降水峰值,秋季降水同樣明顯,俗稱“華西秋雨”。同時,不同環(huán)流系統以及緯度造成了秦嶺南北氣候的較大差異(宋佃星等,2011)。由于秦嶺地區(qū)降水特征獨特,此前有許多研究關注秦嶺及周邊地區(qū)夏秋兩季的降水特征。對于秦嶺夏季降水研究,主要集中在短時強降水與極端降水的時空變化特征與不同天氣與氣候系統對于降水的影響作用(王曉玲等,2012;高琦等,2020);對秦嶺秋季降水分析則主要集中在秋季降水的氣候特征與個例分析(方建剛等,2008;惠英,2015)方面。
隨著高時空降水分辨率降水數據的出現,降水研究的時間尺度不再局限于候、月、年尺度的演變特征分析,日變化成為天氣氣候系統關注的熱點研究對象。太陽輻射的日變化,導致溫壓濕風等氣象要素表現出明顯日變化特征,其中降水因受海陸分布和復雜地形的影響,在日變化上存在鮮明的區(qū)域差異。對降水日變化的深入研究,一方面有助于理解降水形成的機制,進一步認識區(qū)域天氣和氣候的演變規(guī)律特征;另一方面可為檢驗和評估數值模式提供科學依據,有助于改進模式,對降水的精細化預報也具有指導作用。在小時降水尺度的演變特征上,已有研究表明我國暖季降水在日變化上存在明顯區(qū)域特征:中國大陸東南和東北部的降水量日變化表現為下午單峰型(Yu et al.,2007);中國西南區(qū)域為午夜單峰型(王夫常等,2011);中國中東部地區(qū)為清晨和午后雙峰型(原韋華等,2014);長江上游至下游地區(qū)表現為午夜至清晨滯后的峰值位相特征(Chen et al.,2010;徐明等,2016)。宇如聰等(2016)指出中國大陸暖季降水日變化峰值時間主要表現為下午、清晨、夜間3類典型位相,且降水頻次的清晨峰值更凸出,降水強度以下午峰值為主。同時,降水的持續(xù)時間是反映降水特性的重要指標,降水持續(xù)時間也是區(qū)分不同類型降水事件的一個關鍵因素,長持續(xù)性降水事件的峰值大多位于夜間和清晨,而短持續(xù)性降水事件的極大值則多出現在下午或傍晚(Yu et al.,2007)。李建等(2008)提出北京市暖季午后降水主要表現為持續(xù)時間少于6 h的降水事件,而后半夜至清晨的降水峰值則主要由持續(xù)時間大于6 h的降水事件累積而成。這些研究主要針對我國不同區(qū)域日降水特征進行的分析工作,均指出了不同區(qū)域降水具有顯著的時空差異和區(qū)域特點。
針對秦嶺的降水日變化研究結果表明,以34°N劃分的南北兩側在暖季降水量、降水頻率與降水強度上存在顯著差異;南側降水量與降水強度的日變化峰值位相位于06∶00—08∶00(北京時,下同),降水頻率峰值位相位于06∶00和17∶00,北側降水量與降水頻率峰值位相位于17∶00,而降水強度在06∶00和17∶00都具有峰值位相(張宏芳等,2020)。由于秦嶺地區(qū)降水在年尺度上夏秋兩季都具有降水峰值,且降水性質可能不同,有必要對秦嶺地區(qū)南側漢江谷地與北側關中平原在夏秋兩季降水的精細化特征進行進一步的系統對比和深入分析。這不僅有利于了解復雜地形條件下秦嶺地區(qū)南北的降水差異,也可為降水精細化模擬評估提供依據。
本文所用數據來自中國氣象局國家氣象信息中心提供的“中國國家級地面氣象站逐小時降水數據集(V2.0)”(張強等,2016),該數據集包含全國2400多個國家級地面觀測站(國家基準氣候站、國家基本氣象站和國家一般氣象站)的經過質檢的每日逐小時降水量數據??紤]到秦嶺地區(qū)冷季降水數據資料少,選取1961—2015年55 a暖季(4—10月)的逐時降水資料進行分析;同時本文中取34—41候代表夏季(6月15日—7月24日),47—54候代表秋季(8月19日—9月27日)。研究區(qū)域為秦嶺及周邊(31°—36°N,105°—113°E),所選站點如圖1所示,秦嶺地區(qū)共計210個站點,選取漢江谷地附近的14個站點表示秦嶺南側區(qū)域,關中平原中25個站點表示秦嶺北側區(qū)域,后文中均以這兩個區(qū)域代表秦嶺南北,分析區(qū)域平均特征。
圖1 秦嶺地區(qū)地形特征和臺站位置(其中填色為地形高度(單位:m),紅(藍)色圓點是關中平原(漢江谷地)站點)Fig.1 The terrain features and station locations in the Qinling Mountains,where the color is the terrain height(unit:m).The red(blue)colored dot is the site of Guanzhong Plain(Hanjiang Valley).
參考我國現行降水量等級劃分的國家標準(GB/T 28592-2012),將某時次內降水量≥0.1 mm認定為該時次為有效降水時次,相對應的降水量計為有效降水量(單位:mm)。本文中降水量為00∶00—23∶00逐時累積得出,降水頻次定義為有效降水時次與總觀測非缺測時次的比值(單位:%),降水強度為累積降水量與有效降水時次的比值(單位:mm·h-1)。在關于降水日變化的分析上,對秦嶺地區(qū)各臺站的小時降水量進行統計獲取研究時段00∶00—23∶00每個時刻的累積降水量和有效降水時次,計算出各個時次對應的小時降水量、頻次和強度。在降水事件上,降水事件開始時間定義為2 h以上無降水之后發(fā)生降水的第一個有效時次;在2 h及2 h以上無降水小時之前的有效降水時次,認為是降水事件的結束時次。降水事件的持續(xù)時間是指一次事件從開始到結束所經歷的小時數。本文中所用時間均為北京時,并定義22∶00—03∶00為夜間;04∶00—10∶00為清晨;11∶00—14∶00為中午;15∶00—21∶00為午后。
從暖季降水量空間分布(圖2a)上看,以秦嶺主山脈為分界線,其南邊四川盆地、大巴山和漢江谷地年均降水量都在400 mm以上;而北邊關中平原和黃土高原地區(qū)的站點降水量多在400 mm以下,只有少數站點可達400 mm以上,這與之前的研究結果相一致。秦嶺對西南暖濕氣流的阻擋作用是造成秦嶺南北兩側的降水差異的主要原因(劉曉東等,2003)。圖2b給出暖季降水頻次的空間分布。整體上,降水頻次自西南向東北方向遞減;秦嶺主山脈南邊四川盆地、大巴山和漢江谷地年均降水頻次均在14%以上,最高可達40%以上;而北邊關中平原與黃土高原的降水頻次大多不到14%,最低值不到10%。圖2c給出降水強度的空間分布,秦嶺地區(qū)整體降水強度的范圍在0.9~1.7 mm·h-1之間,秦嶺北側的降水強度在1~1.2 mm·h-1之間,而秦嶺南側的范圍在1.2~1.6 mm·h-1。秦嶺地區(qū)暖季降水量、降水頻次和降水強度的空間分布相一致,秦嶺北側的降水量、降水頻次與降水強度均小于秦嶺南側地區(qū)。
圖2 1961—2015年暖季(4—10月)平均的降水量(a,單位:mm)、降水頻次(b,單位:%)、降水強度(c,單位:mm·h-1)空間分布圖(填色為地形高度,單位:m,下同)Fig.2 Spatial distribution map of(a)average precipitation amount(unit:mm),(b)precipitation frequency(unit:%),and(c)precipitation intensity(unit:mm·h-1)during the warm season(April-October)from 1961 to 2015(The shading is the terrain height,unit:m).
秦嶺地區(qū)南北兩側降水量差異還表現在季節(jié)變化中候降水量最大值出現時段。圖3給出候平均最大降水量出現時間的空間分布,區(qū)域內有44.76%的站點的最大候平均降水出現在38—39候(即7月上旬),28.57%的站點出現在48—51候(即8月底到9月上旬)。在秦嶺北側的關中平原,候降水量最大值主要出現在48—51候;在秦嶺以南的大部分臺站候降水主峰值出現在38—39候。與劉曉東等(2003)指出的秦嶺地區(qū)多年平均汛期出現在6月下旬至10月上旬,其間7月上旬和9月上旬先后出現兩次降水峰值相呼應。為了進一步研究秦嶺南北兩側降水特征差異,根據候降水主峰值出現的時間以及結合地形條件和海拔高度,選取關中平原(107.6°—110°E,34°—34.9°N)的25個站點表示秦嶺北側區(qū)域,漢江谷地(106.6°—109.2°E,33.4°—32.2°N)的14個站點表示南側區(qū)域,后文均以這兩個區(qū)域作為秦嶺南北的代表區(qū)域進行分析。
圖3 秦嶺地區(qū)1961—2015年候平均降水最大值出現時間(單位:候)Fig.3 Time of occurrence for the maximum of the average pentad precipitation from 1961 to 2015 in Qinling area,unit:pentad.
圖4給出兩區(qū)域平均降水量的逐候變化,由圖可見,秦嶺南北兩側的漢江谷地與關中平原的降水逐候變化均表現為雙峰型,峰值時段分別在6月中旬到7月中下旬(34—41候)和8月中下旬到9月底(47—54候),第一個峰值主要是夏季風推進形成的,本文稱之為夏季峰值時段,第二個峰值對應于華西秋雨,本文稱之為秋季峰值時段。對于峰值降水量而言,南側漢江谷地最大降水峰值出現在夏季峰值時段,秋季峰值次之;而北側關中平原則相反,主峰是出現在秋季峰值時段,也就是說北側秋季降水較之其夏季降水更突出。值得一提的是,在整個暖季,秦嶺北側區(qū)域降水量始終小于同時期南側降水量。
圖4 漢江谷地(藍線)和關中平原(紅線)降水量(單位:mm)逐候變化(上(下)坐標為月(候),虛線是區(qū)域平均,實線是五點滑動平均;灰色標出夏秋兩個降水峰值時段)Fig.4 The variation of pentad mean precipitation amount in the Hanjiang Valley(blue line)and the Guanzhong Plain(red line)(unit:mm).The upper x-axises indicate the month(pentad)dashed line is the regional average,and the solid line is the five-point moving average.Gray bars mark the two peak periods of precipitation in summer and autumn.
綜上所述,秦嶺地區(qū)降水在夏秋兩季的特征有所區(qū)別,故后文分別對夏秋兩季降水的小時尺度特征進行對比分析。分析中取34—41候代表夏季(6月15日—7月24日),47—54候代表秋季(8月19日—9月27日),如圖4中灰色陰影所示。
圖5給出夏季降水量、降水頻次、降水強度日變化峰值時間的空間分布。從降水量峰值上看(圖5a),秦嶺地區(qū)有100個臺站出現午后峰值(15∶00—21∶00),70站出現清晨峰值(04∶00—10∶00),還有28站出現夜間峰值(22∶00—03∶00),僅12個臺站降水峰值出現在中午時段(11∶00—14∶00)。秦嶺以南地區(qū),大致以109°E為界,東西兩側降水峰值時間存在差異,西南側以清晨峰值為主,東南側以午后峰值為主。關中平原地區(qū)以午后峰值(126站)為主,而南側漢江谷地只有1個臺站出現午后降水量峰值,其他195站的降水峰值均出現在清晨。對于降水頻次(圖5b)而言,秦嶺地區(qū)整體上以清晨(130站)和午后(65站)峰值為主,其他13站是夜間峰值,僅有1站出現中午時段的降水峰值。在秦嶺南北兩個區(qū)域中,均只有清晨和午后兩種峰值位相,且均是峰值位于清晨的臺站居多。其中,漢江谷地區(qū)域內有179站出現清晨峰值,關中平原地區(qū)則有151站在清晨出現降水頻次峰值。從小時降水強度峰值的空間分布上看(圖5c),出現夜間(44站)和中午(26站)時段峰值的臺站較降水頻次明顯增多,清晨峰值范圍縮小。南側漢江谷地仍以清晨峰值占主導,關中平原地區(qū)的降水強度峰值時間的區(qū)域一致性較差,四個時段峰值均存在,午后峰值臺站最多。夏季秦嶺南側的日變化峰值在降水量、降水頻次和降水強度上都是清晨峰值為主;秦嶺以北地區(qū),降水頻次和降水強度的日變化峰值時間差異較大。
圖5 夏季降水量(a)、降水頻次(b)、降水強度(c)的日變化峰值時間的空間分布(其中填色是地形高度(單位:m);彩色圓點表示峰值時間所在時段:藍色為夜間(22∶00—03∶00),綠色為清晨(04∶00—10∶00),棕色為中午(11∶00—14∶00),紅色為下午(15∶00—21∶00))Fig.5 The spatial distribution of the peak time of summer(a)precipitation amount,(b)precipitation frequency,and(c)precipitation intensity.The shading is the terrain,unit:m.The colored dots indicate the peak time:blue is night(22∶00—03∶00),green is early morning(04∶00—10∶00),brown is noon(11∶00—14∶00),red is the afternoon(15∶00—21∶00).
圖6給出秋季降水量、降水頻次、降水強度的空間分布。由圖可見,降水量(圖6a)、降水頻次(圖6b)和降水強度(圖6c)均以清晨峰值為主。降水頻次的清晨峰值臺站最多,降水量次之,降水強度最少。從降水量上看,以110°E為界,110°E西側降水量峰值時間與降水頻次更為接近,110°E東側以降水量峰值時間與降水強度更相似。位于110°E以西的關中平原和漢江谷地均以清晨峰值為主導。在降水強度上,降水峰值時刻有86個臺站(占40.95%)出現在清晨,52個臺站在午后,34站在中午,38站在夜間。在秦嶺南側漢江谷地92.86%的臺站出現清晨峰值,北側關中平原中52%(36%)的臺站出現清晨(中午)峰值。
圖6 同圖5,但為秋季降水量(a)、降水頻次(b)、降水強度(c)的日變化峰值時間空間分布Fig.6 Same as Fig.5,but for precipitation in autumn.
對比夏秋兩季,秦嶺南側漢江谷地的降水量、降水頻次和降水強度的日變化峰值時間均為清晨峰值主導,但秋季清晨峰值臺站更多;關中平原的降水量和降水強度,則由夏季的午后峰值主導轉為秋季的清晨峰值主導。
除降水峰值時間外,降水量、降水頻次和降水強度的日變化曲線可以給出更加豐富和完整的降水日內演變特征。圖7給出秦嶺地區(qū)夏秋兩季降水量(圖7a)、降水頻次(圖7b)、和降水強度(圖7c)的區(qū)域平均日變化曲線。
秦嶺地區(qū)降水量、降水頻次、降水強度日變化峰值位相主要是清晨與午后,從夏季到秋季的午后峰值比例減小,清晨峰值比例增加(黑線)。在降水量(圖7a)和降水強度(圖7c)上,夏季午后峰值強于清晨峰值,秋季則是清晨峰值強于午后,但降水強度日變化振幅更弱。夏秋兩季的降水頻次(圖7b)都以清晨降水為主,但在秋季清晨和午后降水頻次更接近。
圖7 夏季(實線)與秋季(虛線)區(qū)域平均的降水量(a)、降水頻次(b)、降水強度(c)的逐時變化(黑線表示秦嶺地區(qū),藍線表示南側漢江谷地、紅線表示北側關中平原)Fig.7 The diurnal cycle of(a)precipitation amount,(b)precipitation frequency,and(c)precipitation intensity in summer(solid line)and autumn(dotted line)averaged in the Qinling region(black lines),the Hanjiang Valley(blue lines)and the Guanzhong Plain(red lines).
秦嶺南側地區(qū),降水量、降水頻次和降水強度上夏秋兩季變化較小,均為清晨峰值;降水頻次雖然主峰出現在清晨,但在午后時段,降水頻次也有小幅增加。在秦嶺北側的關中平原,降水量與降水強度的日變化在夏秋差別較大,降水量都呈現出雙峰形態(tài),夏季降水的主峰在午后,次峰在清晨,而秋季主峰在清晨,次峰在午后;夏秋兩季降水強度呈現出04∶00開始上升到21∶00的單峰,夏季在午后16∶00到達峰值,而秋季(清晨09∶00)提前7 h到達峰值,降水頻次上夏秋兩季變化較小,都表現為清晨主峰,午后次峰的雙峰型。
對于南北兩個區(qū)域,降水頻次在夏秋兩季的清晨峰值時間相同,但漢江谷地秋季(夏季)的午后降水次峰值時間滯后關中平原1 h(2 h);降水強度則是秦嶺北側以清晨至午后的降水峰值為主,秦嶺南側以清晨時段峰值為主。在秦嶺北側,夏秋兩季降水量的日變化特征受降水強度影響更明顯;在秦嶺南側,降水量、降水頻次和降水強度的日變化特征較為一致。
除降水日變化峰值時間的特征之外,降水事件的持續(xù)時間以及不同持續(xù)時間的降水事件演變特征,也是表征降水特性的重要指標。夏季秦嶺地區(qū)的平均持續(xù)時間(圖8a)整體上在5 h以下,南北兩側區(qū)域內持續(xù)時間都處于3.9~5 h之間;夏季降水事件的最長持續(xù)時間(圖8b)在秦嶺整個區(qū)域上平均為42.05 h,秦嶺北側平均為43.43 h,秦嶺南側平均為50.21 h,夏季最長時間為74 h發(fā)生在秦嶺南側的寧強站。而秋季平均持續(xù)降水時長(圖8c)整體在3.8 h以上,而南北兩側地區(qū)都在5~6.2 h之間,秋季最長持續(xù)時間(圖8d)在秦嶺整個區(qū)域上平均為61.03 h,秦嶺北側平均為66.71 h,秦嶺南側平均為70.29 h,秋季在秦嶺北側隴縣站最長持續(xù)時間有121 h。
圖8 夏季(a、b)、秋季(c、d)降水事件平均持續(xù)時間(a、c)和最長持續(xù)時間(b、d)的空間分布(單位:h),填色為地形(單位:m)Fig.8 The spatial distribution(unit:h)of(a,c)the average duration and(b,d)the longest duration of precipitation events in(a,b)summer,and(c,d)autumn.Shading is topography(unit:m).
夏季和秋季的平均持續(xù)時長都在秦嶺主山脈附近較長,遠離秦嶺地區(qū)降水持續(xù)時間較短。無論降水事件的平均持續(xù)時間還是最大持續(xù)時間,均是秋季長于夏季,這與華西秋雨區(qū)域內的連陰雨相對應。
圖9分別給出夏季(秋季)標準化后秦嶺南北不同持續(xù)時間降水事件的降水量日變化特征。在秦嶺南北兩地區(qū)內,夏季持續(xù)時間為3 h及以下的短時降水事件的峰值時間均較為一致地出現在18∶00—21∶00;持續(xù)時間超過9 h的持續(xù)性降水事件則主要為06∶00—09∶00的降水峰值。南北兩區(qū)域的差異,主要出現在持續(xù)時間在4~8 h之間的中等持續(xù)時間降水事件中。在夏季,漢江谷地的中等持續(xù)時間降水事件主峰值出現在清晨時段,在中午到午后僅存在次峰值;而在關中平原地區(qū),中等持續(xù)性降水在夏季存在隨持續(xù)時間延長而峰值位相由午后向中午至清晨延遲滯后的特征。這種位相滯后的特征在關中平原和南側的漢江谷地的秋季也有較弱的體現。
圖9 夏季(a、b)和秋季(c、d)標準化后漢江谷地(a、c)和關中平原(b、d)區(qū)域平均不同持續(xù)時間降水事件的降水量日變化(單位:h)Fig.9 The daily variation of precipitation(unit:h)in(a,c)Hanjiang Valley and(b,d)Guanzhong Plain of average precipitation events over different durations after taking normalization in(a,b)summer and(c,d)autumn.
根據降水日變化峰值時間的不同,將兩個區(qū)域降水持續(xù)時間小于等于6 h的降水定義為短時降水,而降水持續(xù)時間大于9 h的降水定義為持續(xù)性降水,對不同降水事件的降水占比進行分析。圖10給出持續(xù)性降水事件的降水量和降水頻次在總降水中的占比情況,短時降水與之相反(圖略),短時降水量在夏秋兩季上對于總降水的貢獻都不大。由圖可見,持續(xù)性降水貢獻總降水的比例在夏季(秋季)大部分地區(qū)在0.5(0.65)以上。夏季持續(xù)性事件降水量占總降水量的比值都在0.5~0.8之間,秋季持續(xù)性事件降水量占總降水量的比值在0.65~0.85之間。兩季間,無論是秦嶺北側還是南側夏季持續(xù)性降水量占比都小于秋季。夏季持續(xù)性事件降水頻次占總降水量的比值在0.15至0.3,秋季持續(xù)性降水頻次的比值略高,在0.225至0.35之間。無論在降水量還是降水頻次上持續(xù)性事件的占總降水的比例都是秋季較大,在漢江谷地較關中平原略大。
圖10 夏季(a、c)和秋季(b、d)持續(xù)性降水的降水量(a,b)和降水頻次(c,d)占總降水的比值Fig.10 Percentage of(a,b)precipitation amount and(c,d)precipitation frequency of continuous precipitation to total precipitation in(a,c)summer and(b,d)autumn.
本文從降水逐候變化及日變化角度,通過對秦嶺地區(qū)1961—2015年夏秋兩季小時尺度降水演變特征進行分析,得到如下結論:
(1)秦嶺南側漢江谷地年均降水量、降水頻次和降水強度均大于北側關中平原。從秦嶺南北兩側降水的逐候演變來看,南北兩側均為夏秋雙峰型降水,但北側降水主峰值出現在秋季,秦嶺南側降水主峰值出現在夏季。
(2)從降水日變化峰值時刻位相上看,秦嶺地區(qū)降水量、降水頻次、降水強度日變化峰值位相主要是清晨與午后,從夏季到秋季的午后峰值比例減小,清晨峰值比例增加。在夏秋兩季上,南側漢江谷地降水量、降水頻次和降水強度均以清晨峰值為主,僅在降水頻次在夏季出現了午后的次峰值;而北側關中平原的降水量日變化夏秋變化較大,且主要由降水強度貢獻,在夏季降水強度在午后較強,而秋季清晨降水強度更大。
(3)從降水持續(xù)性上看,夏季降水事件持續(xù)時長要小于秋季,夏季和秋季的平均持續(xù)時長都在秦嶺主山脈附近較長,遠離秦嶺地區(qū)降水持續(xù)時間較短,而秋季在秦嶺北側隴縣站有最長持續(xù)時間(121 h)。而不同持續(xù)時間的降水事件,兩區(qū)域在夏秋均表現為持續(xù)9 h以上(3 h以下)的降水為清晨(午后)降水峰值,持續(xù)性事件占總降水的比例為秋季較大。南北兩區(qū)域降水日變化的差別主要存在于持續(xù)時間為4~8 h的中等持續(xù)時間降水事件中。
從夏秋兩季降水日變化的對比中見,漢江谷地地區(qū)夏秋兩季降水日變化特征變化較小,降水日變化特征與四川盆地地區(qū)較為相似。秦嶺南側四川盆地的夜雨與低層環(huán)流的日變化(Chen et al.,2010)、盆地的云輻射效應(Li et al.,2008)等因子密切相關。而秦嶺北側的關中平原,在秋季上午時段的降水量和降水強度明顯增大增強,這與此前Li等(2008)針對我國東部降水日變化的季節(jié)變化特征一致。此前研究表明,午后(傍晚)的降水峰值多由太陽輻射加熱引起的熱力不穩(wěn)定因素所致,且張宏芳等(2020)指出關中平原地區(qū)的午后上升氣流,可與高原上空西風氣流形成正反饋上升機制,有利于短時強降水的形成。而在秋季,熱力強迫相對夏季減弱,降水量在清晨和上午達到最大,持續(xù)性降水比例增大。秦嶺地區(qū)的夏秋兩季南北兩側降水日變化的物理機制有待深入分析。