濱海新區(qū)夏季降水的日變化特征

單曉琳，易笑園，徐靈芝，徐 梅，邢 蕊

(1. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 天津市氣象局 天津300074)

濱海新區(qū)夏季降水的日變化特征

單曉琳1，易笑園2，徐靈芝1，徐 梅2，邢 蕊1

(1. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 天津市氣象局 天津300074)

利用 1970—2015年天津塘沽地面觀測(cè)站逐小時(shí)降水資料，分析了濱海新區(qū)夏季降水日變化特征及其長(zhǎng)期演變趨勢(shì)。結(jié)果顯示濱海新區(qū)降水量與降水頻次均呈現(xiàn)“晝少夜多”的特征，后半夜到清晨是降水最為活躍的時(shí)段。降水量?jī)蓚€(gè)高值時(shí)段所對(duì)應(yīng)的降水是由不同性質(zhì)降水構(gòu)成，清晨出現(xiàn)的降水量的最大峰值是由短時(shí)降水與持續(xù)性降水共同貢獻(xiàn)，后半夜的降水量次大峰值主要由持續(xù)性降水貢獻(xiàn)。40年來濱海新區(qū)的短時(shí)降水的降水量呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，長(zhǎng)持續(xù)性降水的降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，總降水量的減少與長(zhǎng)持續(xù)性降水總體強(qiáng)度減弱有關(guān)。

天津?yàn)I海新區(qū) 夏季降水 日變化

0 引 言

日變化是全球氣候系統(tǒng)的最基本變化周期，降水的日變化作為其重要研究?jī)?nèi)容，是氣候領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題之一。[1-5]研究降水日變化是掌握降水演變規(guī)律、理解降水形成機(jī)理的重要途徑，對(duì)改進(jìn)數(shù)值模式、提高預(yù)報(bào)水平也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。受局地強(qiáng)迫和大尺度環(huán)流共同影響，降水的日變化涉及復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程，[4-5]國(guó)內(nèi)外的研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。[1-10]Yu等[6]首次利用臺(tái)站降水資料分析中國(guó)大陸地區(qū)夏季降水日變化，指出中國(guó)夏季降水的日變化有明顯的區(qū)域特征，尤其中東部地區(qū)降水日變化特征比較復(fù)雜，降水區(qū)域一致性較差。研究表明，地形和海陸分布是造成降水日變化區(qū)域差異的重要原因，不同尺度的山-谷風(fēng)、海-陸風(fēng)與大尺度環(huán)流相互作用共同影響降水日變化。[8-12]

天津地處渤海西部，其東部沿岸的天氣氣候受海洋影響與內(nèi)陸地區(qū)差異顯著，具有自身特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于降水日變化的研究多集中關(guān)注中國(guó)內(nèi)陸區(qū)域，[6-11]而單獨(dú)關(guān)注沿海地區(qū)的研究較少。掌握濱海新區(qū)降水日變化規(guī)律及原因，能夠幫助我們完善對(duì)該地區(qū)降水機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)區(qū)域天氣數(shù)值模擬和提高沿岸天氣預(yù)報(bào)水平有積極作用，同時(shí)，對(duì)提升港口與航運(yùn)的氣象服務(wù)水平具有重要意義。

1 資料和方法

本文所采用的資料為天津塘沽地面氣象觀測(cè)站1970—2015年共46年的逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，選取每年夏季6～8月3個(gè)月代表夏季，采用的時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，即北京時(shí)間。1990年資料缺測(cè)，為了保證時(shí)間連續(xù)性，文中呈現(xiàn)的圖形結(jié)果中將此年降水量和降水頻次視作 0值處理，在對(duì)降水年際、年代際變化以及趨勢(shì)分析等的統(tǒng)計(jì)分析中，將此年逐小時(shí)降水資料做缺省值處理。在統(tǒng)計(jì)過程中，某個(gè)時(shí)次的小時(shí)降水量大于0.1,mm，則判定為該時(shí)次有降水發(fā)生，[13]當(dāng)某個(gè)有降水發(fā)生的時(shí)次之后連續(xù)兩個(gè)時(shí)次無降水發(fā)生，則判定一次降水事件結(jié)束。因?yàn)榻邓某掷m(xù)性是分離我國(guó)中東部地區(qū)兩類日變化位相的關(guān)鍵因子，[7]所以本文采用前人的統(tǒng)計(jì)方法，按照降水的持續(xù)時(shí)間對(duì)降水事件進(jìn)行分類，定義持續(xù)時(shí)間小于3小時(shí)的降水事件為短時(shí)降水事件，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于6小時(shí)的降水事件為持續(xù)性降水事件，[7]并在此劃分基礎(chǔ)上針對(duì)不同持續(xù)時(shí)間降水事件分類討論。一次降水事件的持續(xù)時(shí)間是指該降水事件從開始到結(jié)束持續(xù)的小時(shí)數(shù)。

2 降水日變化的基本特征

2.1 降水量的日變化特征

圖1 1970—2015年濱海新區(qū)夏季(6～8月)逐年降水量的日變化(下)及多年累積降水量的日變化曲線(上)(單位：nm)Fig.1 Diurnal variation of yearly rainfall amount in summer(June-August)in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015(down)and diurnal variation of total rainfall amount(up)(unit：nm)

圖 1給出了濱海新區(qū)夏季多年累積降水量的日變化曲線，可以看到近 40年間，濱海新區(qū)夏季降水量存在明顯“晝少夜多”的特征，降水量的大值時(shí)段出現(xiàn)在夜間，白天降水較夜間明顯偏少。多年累積降水量最大的兩個(gè)峰值均出現(xiàn)在夜間，分別是 02：00時(shí)和05：00時(shí)，其中05：00多年累積降水量最大，達(dá)到1,005.7,mm，而最小值出現(xiàn)在傍晚17：00時(shí)，多年累積降水量不到 05：00時(shí)降水量的一半。從逐年累積降水量的日變化分布特征來看，濱海新區(qū)夏季降水的日變化演變存在明顯的年際變化特征，但是總體而言，每年都存在 2～3個(gè)降水量峰值，最大峰值多出現(xiàn)在夜間，部分年份午后也多出現(xiàn)降水量的峰值。

2.2 降水頻次的日變化特征

圖2 中多年累積降水頻次的日變化曲線顯示，與降水量的變化相類似，濱海新區(qū)夏季降水多發(fā)生在夜間到早晨，同樣呈現(xiàn)“晝少夜多”的特點(diǎn)。夜間02：00時(shí)到上午 09：00時(shí)段內(nèi)多年累計(jì)降水次數(shù)較多，其中 06：00發(fā)生降水次數(shù)最多，共發(fā)生降水310次，午后14：00時(shí)到傍晚20：00時(shí)是降水的少發(fā)時(shí)段。從降水頻次日變化的逐年分布特征來看，濱海新區(qū)夏季午后降水次數(shù)明顯較少，對(duì)比降水量和降水頻次的逐小時(shí)分布特征，可以看到某些年份午后降水出現(xiàn)次數(shù)較少但是卻對(duì)應(yīng)降水量的峰值，說明濱海新區(qū)夏季午后更傾向于發(fā)生小時(shí)雨強(qiáng)較大降水事件。

圖2 1970—2015年濱海新區(qū)夏季(6～8月)逐年降水頻次的日變化(下)及多年累積降水頻次的日變化曲線(上)(單位：次)Fig.2 Diurnal variation of yearly rainfall frequency (down)and diurnal variation of total rainfall frequency(up)in summer(June-August)in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

2.3 不同持續(xù)時(shí)間降水事件的日變化特征

為進(jìn)一步考察濱海新區(qū)降水日變化的特點(diǎn)，我們按降水持續(xù)時(shí)間劃分降水事件，得到不同持續(xù)時(shí)間降水的降水量日變化特征，結(jié)果在圖 3中給出。可以看到，濱海新區(qū)夏季短持續(xù)降水的降水量大于長(zhǎng)持續(xù)降水的降水量，持續(xù)6小時(shí)以下的降水貢獻(xiàn)總降水量的44.4%,，持續(xù) 10小時(shí)以下的降水貢獻(xiàn)總降水量的70.6%,。持續(xù) 2～3小時(shí)的短時(shí)降水對(duì)降水累積量貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)總降水量的 19.0%,，6小時(shí)以上的持續(xù)性降水以持續(xù) 7～8小時(shí)降水貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)總降水量的 16.3%,。此外，不同持續(xù)時(shí)間降水的降水量最大峰值出現(xiàn)時(shí)間不同，持續(xù)時(shí)間小于6小時(shí)的降水事件降水量最大峰值分別集中出現(xiàn)在午后到前半夜以及清晨?jī)蓚€(gè)時(shí)段，降水量的午后峰值主要是 2～3小時(shí)短時(shí)降水貢獻(xiàn)；6小時(shí)以上的持續(xù)性的降水事件降水量最大峰值集中出現(xiàn)在后半夜到清晨。

圖3 1970—2015年濱海新區(qū)夏季(6～8月)不同持續(xù)時(shí)間降水事件降水量的日變化(左)及累積降水量(右)(單位：nm)Fig.3 Diurnal variation of rainfall amount (left)and total rainfall amount(right)with different duration time in summer(June-August)in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015(Unit：nm)

以上分析可知，濱海新區(qū)的降水由不同性質(zhì)的降水構(gòu)成，可依照降水持續(xù)時(shí)間進(jìn)行大致劃分。對(duì)比華北內(nèi)陸地區(qū)，[14-17]濱海新區(qū)夏季降水，尤其是短時(shí)降水的日變化具有自身特點(diǎn)。2～3小時(shí)短時(shí)降水的降水量極大值出現(xiàn)在清晨，次大值出現(xiàn)在傍晚到前半夜，降水頻次也表現(xiàn)出一致的變化特征，而午后的降水量峰值則無降水頻次的高峰與之對(duì)應(yīng)(見圖 4)。說明在傍晚到前半夜和清晨?jī)蓚€(gè)時(shí)段，濱海新區(qū) 2～3小時(shí)短時(shí)降水的降水量峰值與降水頻次有關(guān)，午后降水量的峰值則主要與降水強(qiáng)度有關(guān)。另外，我們注意到7～8小時(shí)的持續(xù)性降水一天之中各時(shí)次出現(xiàn)頻次都小于 2～3小時(shí)的短時(shí)降水，而某些時(shí)次的降水量卻大于 2～3小時(shí)短時(shí)降水，在后半夜尤其明顯。由此，造成圖1中濱海新區(qū)后半夜的降水量峰值主要是由持續(xù)性降水貢獻(xiàn)，而清晨的降水峰值則是短時(shí)降水與持續(xù)性降水共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。

圖4 1970—2015年濱海新區(qū)夏季(6～8月)降水Fig.4 Diurnal variation of summer(June-August)rainfall in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

2.4 不同持續(xù)時(shí)間降水事件的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

圖 5給出不同持續(xù)時(shí)間降水事件降水量的逐年演變特征，可以看到濱海新區(qū)不同持續(xù)時(shí)間降水事件具有明顯的年際變化特征，特別是 16小時(shí)以上的降水事件呈現(xiàn)明顯的年代變化——20世紀(jì) 90年代以前較為活躍，90年代之后降水量明顯較少。統(tǒng)計(jì)持續(xù)時(shí)間大于 6小時(shí)的持續(xù)性降水事件累積降水量的演變(見圖6)顯示，濱海新區(qū)夏季持續(xù)6小時(shí)以上的持續(xù)性降水累積降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，特別是在 20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，持續(xù)時(shí)間大于6小時(shí)的持續(xù)性降水降水量明顯偏少。而持續(xù)時(shí)間小于 6小時(shí)的短時(shí)降水的降水量則呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，特別是 2～3小時(shí)的短時(shí)降水事件降水量增加趨勢(shì)最為顯著，且持續(xù)時(shí)間小于 6小時(shí)的降水事件累積降水量占年總降水量的比例增加趨勢(shì)明顯，說明短持續(xù)性降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)越來越大。濱海新區(qū)夏季總降水量近40年呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)(見圖 6)，從以上分析看出，這主要是與持續(xù)性降水的降水量減少有關(guān)。然而，不同持續(xù)性降水事件的發(fā)生頻次在1970—2015年期間并未呈現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)，說明濱海新區(qū)夏季降水量的減少并非與降水出現(xiàn)的次數(shù)相關(guān)，而是與持續(xù)性降水總體強(qiáng)度減弱有關(guān)。

圖5 1970—2015年濱海新區(qū)夏季(6～8月)不同持續(xù)時(shí)間降水的降水量逐年變化(單位：nm)Fig.5 Interannual variation of summer(June-August) rainfall amount with different duration time in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015(Unit：nm)

圖6 1970—2015年濱海新區(qū)夏季(6～8月)降水量變化趨勢(shì)Fig.6 Interannual variation and trend of summer(June-August)rainfall amount in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

3 結(jié)論和討論

本文利用天津塘沽地面觀測(cè)站 1970—2015年6～8月逐小時(shí)降水觀測(cè)資料，分析了濱海新區(qū)夏季降水的日變化特征，結(jié)論如下：①濱海新區(qū)降水量與降水頻次均呈現(xiàn)“晝少夜多”的特征。降水量最大時(shí)段集中在 23：00至清晨，00：00時(shí)到上午 10：00是降水多發(fā)時(shí)段，午后降水頻次相對(duì)較少。后半夜的降水峰值主要是由持續(xù)性降水貢獻(xiàn)，清晨的降水峰值則是短時(shí)降水與持續(xù)性降水共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。②濱海新區(qū)短持續(xù)降水對(duì)降水量的貢獻(xiàn)大于長(zhǎng)持續(xù)降水。其中 2～3小時(shí)短時(shí)降水對(duì)降水量貢獻(xiàn)最大，并具有自身特點(diǎn)：分別在清晨和午后達(dá)到其降水量的最大和次大峰值，其中清晨降水量峰值與降水頻次有關(guān)，而午后降水量的峰值則主要與降水強(qiáng)度有關(guān)。長(zhǎng)持續(xù)性降水在后半夜到清晨達(dá)到其降水峰值。③短時(shí)降水在午后到傍晚出現(xiàn)降水量峰值不難理解，太陽短波輻射的加熱作用造成陸地低層大氣穩(wěn)定度降低，易引起濕對(duì)流的發(fā)生發(fā)展，從而導(dǎo)致午后到傍晚的短時(shí)陣性降水。[2,7,18]而造成沿岸短時(shí)降水清晨峰值的原因則可能與其地理位置有關(guān)，有研究指出華南地區(qū)輻射加熱/冷卻導(dǎo)致的海陸熱力差異是加強(qiáng)清晨熱力不穩(wěn)定的重要因子，[19]夏季夜間相對(duì)暖的渤海海面容易引起低層大氣的對(duì)流活動(dòng)，從而導(dǎo)致濱海新區(qū)在清晨易產(chǎn)生短時(shí)降水，但具體作用機(jī)理還需要進(jìn)一步論證。持續(xù)性降水夜間的降水量峰值，現(xiàn)有研究的主要觀點(diǎn)認(rèn)為可能是中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)與大尺度環(huán)流共同作用的產(chǎn)物。[18,20]He等[10]認(rèn)為太陽輻射加熱引起的燕山——太行山系午后對(duì)流活動(dòng)在對(duì)流層中層平均氣流引導(dǎo)下向下游及東南方向傳播，可能與華北平原地區(qū)的清晨降水峰值的形成有關(guān)。④濱海新區(qū)近 40年短時(shí)降水的降水量呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，6小時(shí)以上的持續(xù)性降水的降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，后者貢獻(xiàn)總降水量的比重呈現(xiàn)增加趨勢(shì)?？偨邓康臏p少與持續(xù)性降水總體強(qiáng)度減弱有關(guān)。Yu等[21]認(rèn)為近幾十年來中國(guó)華北地區(qū)低層大氣氣溫顯著上升導(dǎo)致大氣靜力穩(wěn)定度降低，午后和傍晚更易發(fā)生對(duì)流活動(dòng)，短時(shí)降水呈現(xiàn)增多趨勢(shì)；而持續(xù)性降水的減少則與東亞季風(fēng)環(huán)流的年代際變化密切相關(guān)，近幾十年來東亞夏季夏季風(fēng)減弱引起向華北輸送的水汽減少，導(dǎo)致華北地區(qū)持續(xù)性降水的減少。[7,21,22]■

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Diurnal Variation of Summer Rainfall in Tianjin Binhai New Area

SHAN Xiaolin1，YI Xiaoyuan2，XU Lingzhi1，XU Mei2，XING Rui1
(1．Tianjin Binhai New Area Bureau，Tianjin 300457，China；2．Tianjin Meteorological Bureau，Tianjin 300074，China)

Based on hourly rain gauge data from 1970 to 2015，the diurnal variation of summer rainfall in Tianjin Binhai New Area was studied．The result shows that both rainfall amount and frequency exhibit their maximum during the night and their minimum in the daytime．The maximum peak of rainfall amount around early morning is contributed to both longduration and short-duration rainfall events while the peak after the midnight accounts for most of the long-duration rainfall events．The total summer rainfall amount of Tianjin Binhai New Area exhibited a downward trend which is related to the decrease of long-duration rainfall amount over the past forty years.

Tianjin Binhai New Area；summer rainfall；diurnal variation

P448

A

1006-8945(2016)07-0096-05

天津市氣象局課題201519，201610ybxm07共同資助。

2016-06-08