江西省降水日變化時空分布特征

肖 安，尹小飛，劉獻(xiàn)耀

（江西省氣象臺，江西省氣象局天氣預(yù)報開放實驗室，江西 南昌 330096）

引言

我國海陸交錯、地形起伏極為復(fù)雜，使得我國降水日變化的區(qū)域差異既顯著又復(fù)雜［1-5］。提高對我國區(qū)域降水日變化的科學(xué)認(rèn)識，有助于全面正確理解天氣和氣候形成發(fā)展過程［6］，也有助于進(jìn)一步認(rèn)識數(shù)值模式輸出結(jié)果的不確定性［7-9］。充分利用多源觀測數(shù)據(jù)尤其是臺站歷史觀測資料對日內(nèi)降水特征進(jìn)行分析和研究，是天氣和氣候研究與預(yù)報的重要內(nèi)容和熱點課題［6］。其中，短時強(qiáng)降水（≥20 mm·h-1）由于突發(fā)性強(qiáng)、歷時短，易造成洪澇災(zāi)害，其日分布特征也受到了廣泛的關(guān)注［10-11］，研究成果有利于各級政府部門正確制定相應(yīng)的防洪策略，在應(yīng)對由短時強(qiáng)降水造成的洪澇災(zāi)害有一定的參考價值。

中國小時降水具有明顯的東高、西低，沿海高、內(nèi)陸低的空間分布特征［12-13］，但降水日變化有較明顯的區(qū)域差異。華中地區(qū)年極端小時降水頻次在15：00—20：00（北京時，下同）最多，21：00至次日02：00次之，03：00—08：00、09：00—14：00明顯減少［14］；華北京津冀地區(qū)在午夜至凌晨多發(fā)6 h以上的持續(xù)性降水，午后至傍晚易出現(xiàn)短歷時降水［15］，北京的小時降水日變化具有雙峰型結(jié)構(gòu)［16］；廣東汛期降水時數(shù)日變化呈雙峰型特征，小時降水強(qiáng)度日變化呈單峰型特征，且空間差異較大［17］；山東魯中山區(qū)、魯南及半島個別地區(qū)短歷時降水一般始于午后（13：00—18：00），而魯中山區(qū)周邊及半島沿海一帶多以夜雨為主，持續(xù)性降水過程多始于夜間［18-19］；河南降水頻率和強(qiáng)度的日變化呈雙峰型特征，均在凌晨和傍晚出現(xiàn)峰值，凌晨的峰值最大［20］；甘肅的降水比率峰值出現(xiàn)在18：00—23：00，頻率峰值出現(xiàn)在22：00至次日11：00［21］，其中蘭州短時強(qiáng)降水事件主要發(fā)生在7月下旬至8月，21：00—22：00是高發(fā)時段，且短時強(qiáng)降水頻次空間分布不均，總體南多北少［22］。

江西位于長江以南的亞熱帶季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，由暴雨或短時強(qiáng)降水造成的山洪、滑坡、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害時有發(fā)生，對生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。開展江西省降水（含短時強(qiáng)降水）日分布特征研究，有利于提高對江西降水日變化及演變規(guī)律的認(rèn)識，有較重大的防災(zāi)減災(zāi)意義。為此，本文利用1979—2019年3—11月江西省86個國家氣象站逐小時降水觀測資料，對全省降水、短時強(qiáng)降水的時空分布特征進(jìn)行詳細(xì)研究，既可以揭示江西降水、短時強(qiáng)降水的氣候背景，也可為后續(xù)進(jìn)一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 資料和方法

江西省氣象臺站自1954年開始采用自記紙進(jìn)行逐小時降水觀測，到1979年全省有86個國家氣象站采用了自記紙降水觀測，但自記紙觀測無法測量固態(tài)降水量，且部分站點不進(jìn)行冬季（12月至次年2月）降水自記觀測?？紤]到資料的完整性和持續(xù)性，本文利用江西省86個國家氣象站（圖1）1979—2019年3—11月自記液態(tài)降水?dāng)?shù)據(jù)（由江西省氣象信息中心提供），對江西省逐小時降水的日變化特征進(jìn)行分析，該資料經(jīng)國家氣象信息中心檢定，準(zhǔn)確率較高，能夠滿足研究需求［23］。另外，利用英國氣象局哈德萊中心（Met Office Hadley Centre）與英國東安吉利大學(xué)氣候研究中心（Climatic Research Unit，CRU）共 同 研 發(fā) 的HadCRUT5（Climatic Research Unit land-surface air temperature-5 dataset and the Hadley Centre sea-surface temperature dataset，Hadley Centre，UK）全球表面溫度數(shù)據(jù)集［24］，對降水頻率與全球氣溫的年際變化趨勢進(jìn)行討論。

圖1 江西省86個國家氣象站（黑色圓點）和全省地形（彩色填色區(qū)，單位：m）分布（紅色區(qū)域為水域）Fig.1 The distribution of 86 national meteorological stations（black dots）and topography（color filled areas，Unit：m）of Jiangxi Province（The red areas denote waters）

本文小時降水比率定義為小時降水量與日降水量之比（簡稱“降水比率”）；小時降水頻率定義為小時降水次數(shù)與日總降水次數(shù)之比（簡稱“降水頻率”）［21］；小時短時強(qiáng)降水比率定義為小時短時強(qiáng)降水（P≥20 mm·h-1）雨量［25］與日總短時強(qiáng)降水雨量之比（簡稱“短時強(qiáng)降水比率”）；小時短時強(qiáng)降水頻率定義為小時短時強(qiáng)降水次數(shù)與日總短時強(qiáng)降水次數(shù)之比（簡稱“短時強(qiáng)降水頻率”）。

文中附圖涉及的江西省行政邊界均基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2017）3320號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水和短時強(qiáng)降水比率、頻率日變化特征

江西省降水比率和頻率日變化均呈現(xiàn)明顯的雙峰型分布特征［圖2（a）］。其中，降水比率最大時段出現(xiàn)在15：00—20：00，峰值為5.1%，出現(xiàn)時間為17：00；次大時段出現(xiàn)在05：00—10：00，峰值為4.4%，出現(xiàn)時間為07：00；降水比率最小時段出現(xiàn)在23：00至次日03：00，最小值為3.4%，出現(xiàn)時間為01：00，而次小時段出現(xiàn)在11：00—12：00，次小值為3.9%，出現(xiàn)時間為12：00。

降水頻率峰值出現(xiàn)時段分別為15：00—21：00和04：00—09：00，峰值出現(xiàn)時間與降水比率略有不同，分別為18：00和06：00。08：00—19：00降水比率高于降水頻率，20：00至次日07：00降水頻率高于降水比率，說明08：00—19：00降水相對較強(qiáng)，而20：00至次日07：00降水相對頻繁。

由江西省短時強(qiáng)降水比率和頻率日變化［圖2（b）］看到，短時強(qiáng)降水比率和頻率的日變化也存在雙峰型分布特征，且兩者一致性較高，15：00—22：00的比率和頻率峰值遠(yuǎn)高于04：00—09：00的次峰值。其中，短時強(qiáng)降水比率最大值為7.1%，出現(xiàn)時間為18：00，而短時強(qiáng)降水頻率最大值為6.9%，出現(xiàn)時間為17：00；短時強(qiáng)降水比率和頻率次峰值均為3.9%，出現(xiàn)時間均在07：00，表明江西省短時強(qiáng)降水常出現(xiàn)在午后至傍晚。短時強(qiáng)降水的比率與頻率值差距較小，較符合強(qiáng)降水次數(shù)多、雨量一般也較大的規(guī)律。

圖2 1979—2019年3—11月江西省降水（a）、短時強(qiáng)降水（b）比率和頻率平均日變化Fig.2 The diurnal variation of mean ratio and frequency of precipitation（a），short-time heavy rainfall（b）in Jiangxi Province from March to November during 1979-2019

2.2 降水比率、頻率和相應(yīng)出現(xiàn)時間的空間分布

降水比率日最大（?。┲悼梢苑从吃摰貐^(qū)降水量出現(xiàn)最多（少）的時間段；降水頻率日最大（?。┲祫t可以反映該地區(qū)出現(xiàn)降水次數(shù)最多（少）的時間段。如果同時段內(nèi)降水比率較大（?。┒l率較?。ù螅瑒t該時段內(nèi)降水強(qiáng)度相對較大（?。?。

2.2.1 降水比率、頻率日最大值時空分布

圖3為1979—2019年3—11月江西省降水比率、頻率日最大值空間分布及其對應(yīng)發(fā)生時間?？梢钥吹?，降水比率日最大值有南高北低的分布特征［圖3（a）］，25°N附近的降水比率全省最高為6.4%～7.2%，25°N—27°N為5.6%～6.4%，27°N以北地區(qū)為4.4%～5.6%，其中東北部降水比率最低?？梢娊鹘邓嚷嗜兆畲笾荡嬖诿黠@的緯向分布特征。與日最大降水比率空間分布類似，日最大降水頻率的空間分布也存在自南向北逐漸遞減的特征［圖3（b）］，最大值位于25°N附近，最小值位于江西西北部地區(qū)。其中，南部降水比率與頻率之比普遍在1.3～1.4之間，而北部二者之比普遍在1.0～1.2之間，表明南部降水量（降水頻率）比北部更大（?。?。

圖3 1979—2019年3—11月江西省降水比率日最大值（a，單位：%）及其對應(yīng)時間（c），降水頻率日最大值（b，單位：%）及其對應(yīng)時間（d）分布Fig.3 The distribution of daily maximum ratio（a，Unit：%）and its corresponding time（c），daily maximum frequency（b，Unit：%）and its corresponding time（d）of precipitation in Jiangxi Province from March to November during 1979-2019

從日最大降水比率出現(xiàn)時間［圖3（c）］看到，江西中南部和西北部地區(qū)的日最大降水比率出現(xiàn)時間為15：00—19：00，與圖2（a）全省整體的降水比率日最大值出現(xiàn)時間吻合，但江西東北部最大值出現(xiàn)時間大多為07：00—10：00，存在較大差異。從全省日最大降水頻率出現(xiàn)時間［圖3（d）］看到，27.5°N以南地區(qū)的降水頻率日最大值大致出現(xiàn)在16：00—18：00，而27.5°N以北地區(qū)大致出現(xiàn)在04：00—10：00，同樣存在明顯的南北差異。可見江西西北部清晨和上午降水次數(shù)較多，而下午降水量較大；江西東北部清晨降水次數(shù)多，且降水量也相對較大。

圖3（c）僅顯示了降水比率日最大值的出現(xiàn)時間，但全省各站點的降水比率是否也具有雙峰型日變化結(jié)構(gòu)？通過逐站分析發(fā)現(xiàn)，全省各站降水日變化特征不盡一致，不僅有雙峰型特征，還有單峰型特征（圖4）。具體為：江西南部地區(qū)的降水比率日分布是單峰型結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)時間主要為15：00—20：00；江西北部大部分地區(qū)則以雙峰型結(jié)構(gòu)為主，峰值出現(xiàn)時間分別是05：00—10：00和15：00—20：00，而鄱陽湖沿岸則為單峰型結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)時間為05：00—10：00。結(jié)合站點地形分布（圖1）來看，受水體影響，下午到傍晚鄱陽湖平原地區(qū)的單峰型站點近地面氣溫上升相對丘陵、山區(qū)等地形較慢，不穩(wěn)定能量積累的效率也相對較低，導(dǎo)致該時段降水次數(shù)偏少；凌晨時分，陸地降溫快，水體降溫慢，鄱陽湖水體附近相對較暖，有利于降水次數(shù)增加，但降水量不大［26］。江西省南北部單、雙峰型分界線正是南部丘陵與北部平原的地理分界線。因此，江西南部的丘陵和東北部的鄱陽湖及平原等地形對江西降水比率分布有一定影響。

圖4 1979—2019年3—11月江西省降水比率日變化分型（綠色圓點為最大值出現(xiàn)在05：00—10：00和15：00—20：00的雙峰型，藍(lán)色圓點和玫紅色圓點均分單峰型，峰值分別出現(xiàn)在05：00—10：00和15：00—20：00）Fig.4 The daily change pattern of precipitation ratio in Jiangxi Province from March to November during 1979-2019（The green dots denote double peaks pattern from 05：00 BST to 10：00 BST and 15：00 BST to 20：00 BST，the blue dots and rose dots were equally single peak pattern，and the peaks appeared from 05：00 BST to 10：00 BST and 15：00 BST to 20：00 BST，respectively）

2.2.2 降水比率、頻率日最小值時空分布

圖5為1979—2019年3—11月江西省降水比率、頻率日最小值空間分布及其對應(yīng)發(fā)生時間?？梢钥吹剑兆钚〗邓嚷士臻g分布［圖5（a）］與日最大降水比率大致成相反關(guān)系。25°N以南的日最小降水比率大致為2.6%～3.0%，25°N以北的比率均超過3.0%，其中江西東北部大致為3.4%～3.8%。日最小降水頻率也有類似的分布特征［圖5（b）］，與日最大降水頻率的空間分布也大致成相反關(guān)系，25°N以南頻率最低，25°N以北逐漸增加，西北部的頻率最高。降水比率與頻率之比在南部較小，北部較大，表明江西南部降水量比北部更小。

從全省各站降水比率日最小值的出現(xiàn)時間［圖5（c）］看，29°N以北地區(qū)主要集中在20：00—23：00，26.5°N—29°N地區(qū)以23：00至次日02：00居多，而26.5°N以南的東部地區(qū)以00：00—03：00為主，西部以12：00前后為主。從各站降水頻率日最小值出現(xiàn)時間［圖5（d）］來看，全省大部分站點降水頻率日最小值出現(xiàn)在12：00前后，僅西北部地區(qū)有少部分站點出現(xiàn)在22：00至次日02：00。表明全省大部分站點在12：00前后降水次數(shù)最少。

圖5 1979—2019年3—11月江西省降水比率日最小值（a，單位：%）及其對應(yīng)時間（c），降水頻率日最小值（b，單位：%）及其對應(yīng)時間（d）分布Fig.5 The distribution of daily minimum ratio（a，Unit：%）and its corresponding time（c），daily minimum frequency（b，Unit：%）and its corresponding time（d）of precipitation in Jiangxi Province from March to November during 1979-2019

2.3 短時強(qiáng)降水比率及其相應(yīng)出現(xiàn)時間的空間分布

短時強(qiáng)降水比率的日最大（小）值可以反映該地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水雨量最多（少）的時間段；短時強(qiáng)降水頻率日最大（?。┲祫t可以反映該地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水次數(shù)最多（少）的時間段。一般來說，短時強(qiáng)降水頻率出現(xiàn)較高的時次，其雨量占比往往也較大，比率和頻率的時空分布特征較為一致。因此本文僅分析日最大（?。┍嚷实姆植继卣?。

江西省短時強(qiáng)降水比率日最大值具有較明顯的南高北低的分布特征［圖6（a）］，其中西南部地區(qū)的短時強(qiáng)降水比率超過12.8%，最大值出現(xiàn)在遂川縣（114.50°E，26.33°N），為14.5%，而27°N以南地區(qū)為9.6%～12.8%，27°N以北地區(qū)為7.2%～9.6%，最小值出現(xiàn)在余江縣（116.82°E，28.20°N），為6.2%。短時強(qiáng)降水比率日最大值出現(xiàn)時間［圖6（c）］與降水比率有類似的分布特征，東北部地區(qū)的短時強(qiáng)降水次數(shù)和降水量均較大，出現(xiàn)時間段為06：00—08：00，西北部地區(qū)有少數(shù)站點在12：00—15：00最容易出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，而全省大部分地區(qū)在15：00—20：00最容易出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。江西南部短時強(qiáng)降水比率與頻率之比普遍在10.0以上，最大值位于井岡山（114.17°E，26.58°N），北部降水比率與頻率之比低于南部，大部分在10.0以下，最小值位于德興（117.58°E，28.95°N），表明南部短時強(qiáng)降水的強(qiáng)度（頻率）比北部更大（?。?。

從圖6（b）可以看到，江西西南地區(qū)的短時強(qiáng)降水比率日最小值較低，為0.0%，而北部尤其是東北部地區(qū)的日最小值較大，可達(dá)2.6%，南北也存在明顯的差異。最不容易出現(xiàn)短時強(qiáng)降水的時間段有2個［圖6（d）］：一是12：00前后，主要分布在26.5°N以南和西北部的部分地區(qū)；二是22：00至次日02：00，主要分布在26.5°N以北的大部分地區(qū)。相對來說，短時強(qiáng)降水比率的日最大值、最小值出現(xiàn)時間分布均較為雜亂，沒有較清晰的地理分界線，體現(xiàn)了短時強(qiáng)降水的局地性和復(fù)雜性。

圖6 1979—2019年3—11月江西省短時強(qiáng)降水比率日最大值（a，單位：%）及其對應(yīng)時間（c），日最小值（b，單位：%）及其對應(yīng)時間（d）分布Fig.6 The distribution of daily maximum values（a，Unit：%）and their corresponding time（c），minimum values（b，Unit：%）and their corresponding time（d）of short-time heavy precipitation in Jiangxi Province from March to November during 1979-2019

2.4 降水和短時強(qiáng)降水比率、頻率日變化的季節(jié)差異

江西地處東亞季風(fēng)區(qū)，降水的日變化隨著季風(fēng)的進(jìn)退表現(xiàn)出明顯差異。因此，對3—11月逐日降水比率的變化進(jìn)行分析。從圖7（a）看出，在3月至4月中旬，江西降水比率最大時段主要出現(xiàn)在00：00—10：00，其他時段降水比率相對較小，日變化呈單峰型結(jié)構(gòu)。4月下旬至6月上旬，15：00—20：00的降水比率逐漸增大，05：00—10：00的降水比率則有一定程度的下降，日變化開始呈現(xiàn)雙峰型結(jié)構(gòu)。6月中旬至9月中旬，降水基本集中在15：00—22：00，其余時間降水比率很小，日變化再次變?yōu)閱畏逍徒Y(jié)構(gòu)。9月下旬到11月降水比率日變化也為單峰型結(jié)構(gòu)，但下午到傍晚的降水比率逐漸減小，05：00—10：00的降水比率逐漸增加。降水頻率與降水比率相比，單雙峰結(jié)構(gòu)更為清晰［圖7（b）］，3月至4月中旬的降水頻率為單峰型特征，峰值時段為00：00—10：00；4月下旬至6月中旬為較為明顯的雙峰型結(jié)構(gòu)，峰值時段分別出現(xiàn)在05：00—10：00和15：00—20：00；6月下旬到9月中旬轉(zhuǎn)為明顯的單峰型結(jié)構(gòu)，峰值時段為15：00—20：00；9月下旬到11月也為單峰型結(jié)構(gòu)，但峰值時段主要出現(xiàn)在05：00—10：00。從圖7（c）、圖7（d）可以看到，短時強(qiáng)降水比率和頻率分布特征基本一致。3月至4月上旬，短時強(qiáng)降水比率和頻率主要出現(xiàn)在00：00—10：00；4月中旬至7月中旬，短時強(qiáng)降水比率和頻率在05：00—10：00和15：00—20：00分別形成峰值；7月下旬至9月中旬，短時強(qiáng)降水比率和頻率主要集中在15：00—20：00。9月下旬至11月，各時次均可能出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，但次數(shù)較少，導(dǎo)致日分布比率和頻率比例過高，數(shù)值偏大，這是因為9月下旬至11月江西進(jìn)入旱季，短時強(qiáng)降水的次數(shù)較少，偶發(fā)的短時強(qiáng)降水事件會導(dǎo)致這些時刻的比率、頻率偏大。

圖7 1979—2019年3月1日至11月30日逐日江西省降水（a、b）及短時強(qiáng)降水（c、d）比率（a、c）和頻率（b、d）日變化分布（單位：%）Fig.7 The diurnal variation of ratio（a，c）and frequency（b，d）of precipitation（a，b）and short-time heavy rainfall（c，d）in Jiangxi Province from March 1 to November 30 during 1979-2019（Unit：%）

3 結(jié)論和討論

本文利用江西省86個國家氣象站1979—2019年3—11月自記紙逐小時降水資料，對江西省小時降水和短時強(qiáng)降水的比率和頻率日變化特征進(jìn)行了較詳細(xì)地分析，主要結(jié)論如下：

（1）整體上，江西省小時降水比率和頻率日變化呈雙峰型特征，降水、短時強(qiáng)降水比率、頻率最大的兩個時段分別出現(xiàn)在15：00—20：00和05：00—10：00，但白天（08：00—19：00）降水比率高于降水頻率，而夜間（20：00至次日07：00）降水頻率高于降水比率。短時強(qiáng)降水比率與頻率的差距較小，符合強(qiáng)降水次數(shù)多，降水量一般也較大的規(guī)律。

（2）空間分布上，小時降水、短時強(qiáng)降水的比率和頻率日最大值大致呈南高北低分布。25°N附近的降水比率、頻率為全省最大，東北部降水比率最小，西北部頻率最小。降水比率、頻率日最小值空間分布與日最大值空間分布大致成相反關(guān)系。時間分布上，江西中南部和西北部降水比率峰值主要出現(xiàn)在15：00—19：00，東北部的峰值主要出現(xiàn)在07：00—10：00；27.5°N以南地區(qū)的降水頻率峰值大致出現(xiàn)在16：00—18：00，而27.5°N以北地區(qū)大致出現(xiàn)在04：00—10：00。全省大部分地區(qū)降水比率日最小值主要出現(xiàn)在20：00至次日03：00，降水頻率日最小值主要出現(xiàn)在12：00前后。

（3）江西南部站點降水比率的日變化特征為單峰型，峰值時段主要出現(xiàn)在15：00—20：00；北部站點則以雙峰型為主，峰值分別出現(xiàn)在05：00—10：00和15：00—20：00；但環(huán)鄱陽湖的站點為單峰型，峰值時段主要出現(xiàn)在05：00—10：00。

（4）季節(jié)差異上，降水比率日變化在4月下旬到6月上旬為雙峰型結(jié)構(gòu)，其他時間以單峰型結(jié)構(gòu)為主。其中，3月至4月中旬、9月下旬到11月峰值分別出現(xiàn)在00：00—10：00和05：00—10：00；6月中旬至9月中旬峰值主要出現(xiàn)在15：00—22：00。降水頻率日變化與比率相似，但雙峰型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在4月下旬到6月中旬。短時強(qiáng)降水比率和頻率日變化在3月至4月上旬為單峰型，峰值主要出現(xiàn)在00：00—10：00；4月中旬至7月中旬以雙峰型為主，峰值主要出現(xiàn)在05：00—10：00和15：00—20：00；7月下旬至9月中旬又轉(zhuǎn)為單峰型，峰值主要出現(xiàn)在15：00—20：00。

受篇幅限制，本文未對江西小時降水及短時強(qiáng)降水的日變化特征的原因進(jìn)行探究。例如不同地形（平原、湖泊、河流、丘陵、高山草甸等）對降水日變化是否有影響？不同天氣背景下的降水日分布情況怎樣？分級降水的日變化有何新特點？都有待開展進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

全省降水日變化的年際分布特征表明，小時降水頻率有逐漸減少趨勢。其中，06：00、07：00的降水頻率與HadCRUT4全球平均氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為-0.25和-0.29，均通過α＝0.1的顯著性檢驗，表明上述時刻的降水頻率下降趨勢與全球平均氣溫升高有一定的關(guān)聯(lián)。但06：00、07：00的降水比率與全球平均氣溫的相關(guān)性未通過顯著性檢驗，表明氣候變化對江西小時降水日變化會產(chǎn)生影響，但如何影響卻是一個較為復(fù)雜的問題，需要進(jìn)一步地深入研究和分析。

致謝：感謝江西省氣象信息中心黃少平正研級高級工程師提供數(shù)據(jù)。