基于衛(wèi)星探測資料分析浙江省降水的時空分布特征

毛程燕,龔理卿,廖君鈺,李浩文

(1.浙江省衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

1 引言

浙江省位于我國東部沿海，長江中下游地區(qū)，夏半年降水量大、降水時間長，有較長的汛期(4—10月)，每年都會多次出現(xiàn)持續(xù)性的暴雨天氣，對人們的生產(chǎn)、生活造成不同程度的影響。由于災(zāi)害性天氣頻發(fā)，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者開始對長江流域降水天氣進(jìn)行研究探討[1,2]。在分析其降水的時空分布特征時方法各異，如經(jīng)驗正交函數(shù)分解法(EOF)[3,4]、奇異值分解法(SVD)[5]、小波分析法[6]等，而EOF分析降水特征[7]則是利用時空向量場的變換，實現(xiàn)較少變量反映包含的時空演化信息[8-10]，來分析其旱澇規(guī)律[11,12]，更加簡便易行。而在數(shù)據(jù)選擇上，雖然近年來浙江省新增了較多的區(qū)域站，但由于受下墊面覆蓋和區(qū)域站選址、區(qū)域站密度等影響，區(qū)域站測得的降水精度不夠高，尤其是臺站稀疏或地形復(fù)雜的地區(qū)，觀測到的降水存在一定的偏差。因此，很多學(xué)者開始用精度較高的衛(wèi)星反演[13,14]或雷達(dá)定量估計降水?dāng)?shù)據(jù)[15]，很大程度上減小了下墊面的影響。雖然雷達(dá)可以較大范圍的估測降水[16]，但受雷達(dá)選址、地物雜波、雷達(dá)型號等影響，并且雷達(dá)資料影響時間較短等，對于氣候分析存在明顯不足；衛(wèi)星觀測則不受地理條件限制，具有時空分辨率高、范圍廣等優(yōu)點，而且衛(wèi)星資料影響時長有明顯改善[17]，可彌補(bǔ)中國西部地區(qū)地面臺站稀少和無雷達(dá)覆蓋地區(qū)降水資料之不足，因此衛(wèi)星觀測與研究越來越受國內(nèi)外專家的青睞。Sapiano等[18]研究表明衛(wèi)星反演的降水產(chǎn)品能很好地反映降水的空間分布特征；廖捷等[19]利用OI方法形成的融合降水產(chǎn)品與地面觀測降水的時空分布存在良好的一致性[20]，降水強(qiáng)度和降水量級與實況也有良好的相關(guān)性[21]。與此同時，更多的研究專家采用TRMM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析中國不同區(qū)域的降水分布特征[22-26]。當(dāng)然衛(wèi)星觀測也存在一定局限性，如降水的時空分布的細(xì)節(jié)處與實況有一定誤差[27]；低降水量區(qū)域或者冬季大陸降水量小，此時空報率就較高[28-30]。李瑞澤等[31]對比了多種衛(wèi)星資料對環(huán)渤海地區(qū)降水反演的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)TRMM 3B42略高估了日降水量，而在月際變化方面，3B42數(shù)據(jù)各項精度指標(biāo)均優(yōu)于CMORPH、PERSIANN衛(wèi)星數(shù)據(jù)。成璐等[32]比較了CMORPH和TRMM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)對我國東南部地區(qū)降水的反演特征，發(fā)現(xiàn)TRMM 3B42產(chǎn)品與臺站資料更為接近。此外，下墊面性質(zhì)的影響，會改變其上空的熱力學(xué)特征在分析降水類型時，黎偉標(biāo)等[25]研究認(rèn)為珠江三角洲城市群就與對流性降水有顯著關(guān)聯(lián)，因此研究浙江省下墊面對其上空降水類型的影響，有利于進(jìn)一步探討降水機(jī)理，在天氣、氣候分析中也是不可或缺的。由此，本文利用精度較高的TRMM 數(shù)據(jù)分析了浙江省多年平均降水的時空分布差異，年際和季節(jié)內(nèi)變化特征，以及對流性和層狀性降水對浙江省降水的貢獻(xiàn)，通過本次研究，希望能找出浙江省降水的規(guī)律性，為天氣、氣候變化的預(yù)測提供有用的線索。

2 浙江省降水特征分析

2.1 浙江省降水的空間分布特征

圖1為1998—2013年 TRMM 3B42 資料反演的浙江省多年平均降水的時空分布。由圖 1a可見浙江省降水呈現(xiàn)自北向南、由沿海向內(nèi)陸遞減的空間分布特征，降水大值中心位于浙江西部的衢州市和南部的麗水市一帶，降水量均在1 700 mm 以上。降水的水平梯度最大值位于杭州、衢州等相對內(nèi)陸地區(qū)(等值線最密集區(qū))，說明靠近內(nèi)陸一帶山區(qū)地形影響較大。降水最少的地區(qū)位于湖州、嘉興以及寧波的北侖、慈溪一帶，多年平均降水量在1 400 mm 以下。由降水的時間序列(圖1b)分布看，降水存在顯著的年際變化特征，振蕩周期為6 a，即每隔6 a左右出現(xiàn)一次波峰(降水量的高峰期)；2003—2009年之間較常年明顯偏少，2002年之前和2010年之后降水相對偏多，這種波動變化反映了年降水存在周期變化規(guī)律。

圖1 1998—2013 年TRMM 3B42年平均降水空間分布(a)和時間分布(b)(單位：mm)Fig.1 Spatial distribution (a) and time change (b) of annual mean precipitation during 1998—2013 based on 3B42 data (unit is mm)

為了研究浙江省降水的季節(jié)變化特征，本文給出了沿 119°E和 29.5°N，3B42 月平均降水的時間—緯向和時間—經(jīng)向剖面圖,從圖中可以看到，浙江省降水的增幅效應(yīng)隨著季節(jié)變化有很大差異，在夏半年，尤其是 5—7月 降水明顯多于其他月份，平均降水量普遍在250 mm 以上。圖2a是緯向剖面圖，可以看出大值中心出現(xiàn)在兩處：27.5°N 附近和30°N 附近，出現(xiàn)最強(qiáng)的月份是6月，最大降水量達(dá)350 mm 以上；圖2b是經(jīng)向剖面圖，可以看出降水的大值中心位于 118.5°E 附近，出現(xiàn)的降水量最大的月份同樣是5—7月。由此可見，浙江省降水量有顯著的月際變化特征，從冬半年到夏半年降水逐漸增大，冬季月平均降水量在100 mm 以下，夏季降水量最強(qiáng)，梅汛期(6—7月)是浙江省降水的集中期。

圖2 1998—2013年3B42月平均降水(a)沿119°E的時間—緯向剖面以及(b)沿29.5°N的時間—經(jīng)向剖面圖(單位：mm)Fig.2 Time-latitude cross section along 119°E (a) and time-longitude cross section along 29.5°N (b) for mean monthly precipitation (mm) during 1998—2013 based on 3B42 data (unit is mm)

為了更清楚地分析浙江省降水季節(jié)性特征，本文分別給出了浙江省四季的降水變化。由圖3可見，浙江省的降水存在顯著的季節(jié)性變化，降水主要集中在春、夏季，夏季降水量普遍達(dá)600～800 mm，冬季則最少，降水量只有200 mm 左右。春季、夏季和冬季浙江省降水西部多于東部，南部多于北部，降水的大值區(qū)在杭州南部、衢州、麗水、溫州一帶。春、冬季的降水大值中心在浙江西南部，夏季則在浙江西部，而在浙江北部的降水則相對較少；秋季則是沿海地區(qū)降水較多，呈倒“V”型分布。春、夏季降水全區(qū)性較多可能與夏季風(fēng)爆發(fā)和盛期有關(guān)；浙江西南部降水多于東北部，則可能是地形對降水的增幅作用，迎風(fēng)坡爬坡使得地形輻合加強(qiáng)，而沿海的降水則與臺風(fēng)降水及副熱帶高壓東南部的水汽通道關(guān)系密切。進(jìn)入秋季后，由于副熱帶高壓較強(qiáng)控制，晴熱高溫天氣為主，降水減少；冬季多由于大陸冷高壓控制，空氣濕度小，降水最少。

圖3 1998—2013年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均降水空間分布 (單位：mm)Fig.3 Spatial distribution of annual mean precipitation at all seasons of the year during 1998—2013 (unit is mm).Spring (a),summer (b),autumn (c) and winter (d)

2.2 基于EOF分析浙江省降水的時空分布

經(jīng)驗正交函數(shù)分析(EOF)方法的本質(zhì)是將物理量場的演變特征分解為獨立演化過程，反映各因子對該場的貢獻(xiàn)[33]。白慧等利用EOF分析貴州省暴雨日數(shù)的時空分布特點為本文提供了較好的借鑒[34-36]。為了對浙江省多年基本氣候特征進(jìn)行分析，本文運用EOF分析對1998—2013年浙江省降水的空間演變特征進(jìn)行剖析。前3個特征向量的方差貢獻(xiàn)率都在7%以上，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了83.1%，故圖4給出了降水的前3個模態(tài)的空間場和對應(yīng)的時間系數(shù)。

第一場型(EOF1)的方差貢獻(xiàn)率為61.2%，是主要場型。由圖4a可見，第1特征向量呈現(xiàn)一致的負(fù)值——全區(qū)偏多(少)型，表明浙江省年平均降水或干濕變化是一致的，這是一個全區(qū)范圍均為負(fù)值的典型場。從第1時間系數(shù)(圖4d)可以看出，當(dāng)對應(yīng)的時間系數(shù)大于0時,浙江省降水率普遍偏少；當(dāng)對應(yīng)的時間系數(shù)小于0時，降水率普遍偏多，這與圖1b降水的時間變化特征是一致的。

第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)迅速降低為12.3%，表明EOF分解的收斂速度很快。第2特征向量場的分布圖(4b)存在著南北反向變化的結(jié)構(gòu)特點，表示浙江省年降水的第2雨型是西南部(多)中北部(少)型。正值中心位于27.2°N，118.8°E，浙江西部山區(qū)的迎風(fēng)坡為降水大值區(qū)，中北部為相對小值區(qū)，降水以金華—臺州為界，呈現(xiàn)顯著的地區(qū)差異。由第2雨型的多年時間系數(shù)直方圖(圖4e)其均值為負(fù)值，系數(shù)在2007年之前多為負(fù)值，2007年之后多為正值。浙江省降水呈現(xiàn)南澇北旱，降水由南向北逐漸減少。

第3主分量(圖4c)——東西差異型，方差貢獻(xiàn)為9.6%，且后面幾個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)都較小。浙江省西部和東部區(qū)域具有相反的變化趨勢，EOF3的空間分布呈現(xiàn)東西反向變化的空間格局，從東部的正距平向西逐漸減小到西部的負(fù)距平，其負(fù)值分布中心出現(xiàn)在杭州、衢州等浙江西南部地區(qū)。說明浙江的年平均降水不僅存在著南北向差異，而且存在著東西向差異，但全區(qū)降水量的差異性不如前2個雨型明顯，第3雨型的時間系數(shù)變化幅度較小。第3雨型的年時間系數(shù)直方圖(圖4f)趨勢略有降低，但負(fù)值年份變化不大，呈東旱西澇。

圖4 浙江省1998—2013年平均降水前3個特征向量(上)及相應(yīng)的時間系數(shù)(下)Fig.4 The top of three eigenvectors (left) of annual mean precipitation and corresponding to time coefficient (right) during 1998—2013

3 浙江省下墊面對對流性降水和層狀降水的影響

為了分析浙江省降水主要是對流性降水還是層狀云降水決定的，本文運用TRMM 3A12對流降水率和層狀降水率的資料分析其空間分布特征。從圖5a可以看到，對流性降水呈現(xiàn)多個大值中心，分別位于118.1°E、29.4°N，117.5°E、27.8°N以及119.7°E、27.8°N等。而衢州、麗水、溫州、臺州一帶多年平均降水的大值區(qū)，也是全年對流性降水率的大值區(qū)，空間特征呈心形分布。該區(qū)域的地形特征和周圍相比較，主要是這些區(qū)域多山區(qū)，或是沿海，因此在很大程度上表明了迎風(fēng)坡的動力作用或山地?zé)崃ψ饔脤υ搮^(qū)域?qū)α餍越邓脑黾佑嘘P(guān)鍵作用，沿海城市的大洋上水汽輸送起重要作用。圖5b給出了多年平均層狀降水率空間分布圖，從圖中看到，整個浙江省地區(qū)層狀降水率分布大體是比較均勻的，等值線分布很稀疏，層狀降水率數(shù)值較小，層狀降水顯著的區(qū)域集中在海上，等值線分布密集，即層狀性降水與浙江省區(qū)域降水的空間分布關(guān)聯(lián)性不明顯。由此可見，浙江省的氣候效應(yīng)對層狀降水分布影響不顯著，而對對流性降水分布有較為顯著的影響，即積云降水率對總降水率的貢獻(xiàn)總體上比層云降水率對總降水率的貢獻(xiàn)大一些。

圖5 1998—2013年3A12資料年平均對流性降水率(a)和層狀降水率(b)空間分布(單位:mm/d)Fig.5 Annual mean convection rainfall rate (a) and stratiform rainfall rate (b) during 1998—2013 based on 3A12 data (unit is mm/d)

圖6分別為1998—2013年3A12資料逐月平均對流性降水率和層狀降水率沿119°E 的時間—緯向剖面圖。由圖6a 可見，5—8月有兩個對流性降水率的大值中心，一個位于28.2°N(強(qiáng))，另一個位于34°N(弱)，說明在5—8月份浙江省的對流性降水增加尤為顯著，降水率最大為5mm/d。圖6b層狀降水率的剖面圖可見，在這一經(jīng)度上有兩個降水相對大值中心：分布位于28.5°N、29°N附近，集中在5月中旬—8月初，尤其是6月份層狀降水率最大2.2(mm/d)，明顯弱于對流性降水率。說明無論是對流性還是層狀降水率，降水率最大的都在夏季，最強(qiáng)中心在6月，且對流性降水率顯著強(qiáng)于層狀降水率。

圖6 1998—2013年3A12月資料逐月平均對流性降水率(a)、層狀降水率(b)沿119°E的時間—緯向剖面圖(單位：mm/d)Fig.6 Time-latitude cross section of mean monthly convection rainfall rate (a) and stratiform rainfall rate (b) along 119°E during 1998—2013 based on 3A12 data (unit is mm/d)

4 結(jié)論

本文利用TRMM 衛(wèi)星降水觀測資料，對浙江省降水的時空分布特征進(jìn)行了較深入地探討，通過一系列研究，得出如下結(jié)論:

①浙江省降水呈隨緯度遞減、沿海多于內(nèi)陸的空間分布特征，降水量的變化與下墊面的分布及水汽通道密切相關(guān)；浙江省年平均降水存在顯著的年際變化特點，降水量的波動有周期性。

②浙江省降水存在季節(jié)變化和月際變化特征，降水主要集中在夏季，尤其是6月，冬季降水最少；春季、夏季和冬季浙江省降水西部多于東部，南部多于北部，最大降水在靠近內(nèi)陸地區(qū)，秋季降水則沿海多于內(nèi)陸。

③浙江省降水存在3個典型場，第1典型場(主要場型，方差貢獻(xiàn)率為61.2%)降水異常形態(tài)為一致偏多(少)型，第2典型場(方差貢獻(xiàn)率為12.3%)是南澇東北型，第3典型場(方差貢獻(xiàn)率為9.6%)是東西差異型。

④浙江省的氣候效應(yīng)對對流性降水產(chǎn)生較大影響，而層狀降水的分布則對浙江省降水影響很小。無論是對流性降水率還是層狀降水率均是夏季最強(qiáng)，尤其是6月份最大，且對流性降水率為層狀降水率的2倍以上。

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