濱海新區夏季降水的日變化特征

單曉琳，易笑園，徐靈芝，徐 梅，邢 蕊

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

濱海新區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站逐小時降水資料，分析了濱海新區夏季降水日變化特征及其長期演變趨勢。結果顯示濱海新區降水量與降水頻次均呈現“晝少夜多”的特征，后半夜到清晨是降水最為活躍的時段。降水量兩個高值時段所對應的降水是由不同性質降水構成，清晨出現的降水量的最大峰值是由短時降水與持續性降水共同貢獻，后半夜的降水量次大峰值主要由持續性降水貢獻。40年來濱海新區的短時降水的降水量呈現增多趨勢，長持續性降水的降水量呈現減少趨勢，總降水量的減少與長持續性降水總體強度減弱有關。

天津濱海新區 夏季降水 日變化

0 引 言

日變化是全球氣候系統的最基本變化周期，降水的日變化作為其重要研究內容，是氣候領域的熱點話題之一。[1-5]研究降水日變化是掌握降水演變規律、理解降水形成機理的重要途徑，對改進數值模式、提高預報水平也具有十分重要的現實意義。受局地強迫和大尺度環流共同影響，降水的日變化涉及復雜的動力學和熱力學過程，[4-5]國內外的研究者已經進行了大量的研究。[1-10]Yu等[6]首次利用臺站降水資料分析中國大陸地區夏季降水日變化，指出中國夏季降水的日變化有明顯的區域特征，尤其中東部地區降水日變化特征比較復雜，降水區域一致性較差。研究表明，地形和海陸分布是造成降水日變化區域差異的重要原因，不同尺度的山-谷風、海-陸風與大尺度環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陸地區差異顯著，具有自身特點。國內對于降水日變化的研究多集中關注中國內陸區域，[6-11]而單獨關注沿海地區的研究較少。掌握濱海新區降水日變化規律及原因，能夠幫助我們完善對該地區降水機理的認識，對區域天氣數值模擬和提高沿岸天氣預報水平有積極作用，同時，對提升港口與航運的氣象服務水平具有重要意義。

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站1970—2015年共46年的逐小時降水數據，選取每年夏季6～8月3個月代表夏季，采用的時間為當地時間，即北京時間。1990年資料缺測，為了保證時間連續性，文中呈現的圖形結果中將此年降水量和降水頻次視作 0值處理，在對降水年際、年代際變化以及趨勢分析等的統計分析中，將此年逐小時降水資料做缺省值處理。在統計過程中，某個時次的小時降水量大于0.1,mm，則判定為該時次有降水發生，[13]當某個有降水發生的時次之后連續兩個時次無降水發生，則判定一次降水事件結束。因為降水的持續性是分離我國中東部地區兩類日變化位相的關鍵因子，[7]所以本文采用前人的統計方法，按照降水的持續時間對降水事件進行分類，定義持續時間小于3小時的降水事件為短時降水事件，持續時間長于6小時的降水事件為持續性降水事件，[7]并在此劃分基礎上針對不同持續時間降水事件分類討論。一次降水事件的持續時間是指該降水事件從開始到結束持續的小時數。

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，濱海新區夏季降水量存在明顯“晝少夜多”的特征，降水量的大值時段出現在夜間，白天降水較夜間明顯偏少。多年累積降水量最大的兩個峰值均出現在夜間，分別是 02：00時和05：00時，其中05：00多年累積降水量最大，達到1,005.7,mm，而最小值出現在傍晚17：00時，多年累積降水量不到 05：00時降水量的一半。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個降水量峰值，最大峰值多出現在夜間，部分年份午后也多出現降水量的峰值。

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，濱海新區夏季降水多發生在夜間到早晨，同樣呈現“晝少夜多”的特點。夜間02：00時到上午 09：00時段內多年累計降水次數較多，其中 06：00發生降水次數最多，共發生降水310次，午后14：00時到傍晚20：00時是降水的少發時段。從降水頻次日變化的逐年分布特征來看，濱海新區夏季午后降水次數明顯較少，對比降水量和降水頻次的逐小時分布特征，可以看到某些年份午后降水出現次數較少但是卻對應降水量的峰值，說明濱海新區夏季午后更傾向于發生小時雨強較大降水事件。

圖2 1970—2015年濱海新區夏季(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 不同持續時間降水事件的日變化特征

為進一步考察濱海新區降水日變化的特點，我們按降水持續時間劃分降水事件，得到不同持續時間降水的降水量日變化特征，結果在圖 3中給出?？梢钥吹?，濱海新區夏季短持續降水的降水量大于長持續降水的降水量，持續6小時以下的降水貢獻總降水量的44.4%,，持續 10小時以下的降水貢獻總降水量的70.6%,。持續 2～3小時的短時降水對降水累積量貢獻最大，貢獻總降水量的 19.0%,，6小時以上的持續性降水以持續 7～8小時降水貢獻最大，貢獻總降水量的 16.3%,。此外，不同持續時間降水的降水量最大峰值出現時間不同，持續時間小于6小時的降水事件降水量最大峰值分別集中出現在午后到前半夜以及清晨兩個時段，降水量的午后峰值主要是 2～3小時短時降水貢獻；6小時以上的持續性的降水事件降水量最大峰值集中出現在后半夜到清晨。

圖3 1970—2015年濱海新區夏季(6～8月)不同持續時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，濱海新區的降水由不同性質的降水構成，可依照降水持續時間進行大致劃分。對比華北內陸地區，[14-17]濱海新區夏季降水，尤其是短時降水的日變化具有自身特點。2～3小時短時降水的降水量極大值出現在清晨，次大值出現在傍晚到前半夜，降水頻次也表現出一致的變化特征，而午后的降水量峰值則無降水頻次的高峰與之對應(見圖 4)。說明在傍晚到前半夜和清晨兩個時段，濱海新區 2～3小時短時降水的降水量峰值與降水頻次有關，午后降水量的峰值則主要與降水強度有關。另外，我們注意到7～8小時的持續性降水一天之中各時次出現頻次都小于 2～3小時的短時降水，而某些時次的降水量卻大于 2～3小時短時降水，在后半夜尤其明顯。由此，造成圖1中濱海新區后半夜的降水量峰值主要是由持續性降水貢獻，而清晨的降水峰值則是短時降水與持續性降水共同貢獻的結果。

圖4 1970—2015年濱海新區夏季(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 不同持續時間降水事件的長期變化趨勢

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

圖5 1970—2015年濱海新區夏季(6～8月)不同持續時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年濱海新區夏季(6～8月)降水量變化趨勢Fig.6 Interannual variation and trend of summer(June-August)rainfall amount in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

3 結論和討論

本文利用天津塘沽地面觀測站 1970—2015年6～8月逐小時降水觀測資料，分析了濱海新區夏季降水的日變化特征，結論如下：①濱海新區降水量與降水頻次均呈現“晝少夜多”的特征。降水量最大時段集中在 23：00至清晨，00：00時到上午 10：00是降水多發時段，午后降水頻次相對較少。后半夜的降水峰值主要是由持續性降水貢獻，清晨的降水峰值則是短時降水與持續性降水共同貢獻的結果。②濱海新區短持續降水對降水量的貢獻大于長持續降水。其中 2～3小時短時降水對降水量貢獻最大，并具有自身特點：分別在清晨和午后達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，而午后降水量的峰值則主要與降水強度有關。長持續性降水在后半夜到清晨達到其降水峰值。③短時降水在午后到傍晚出現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定度降低，易引起濕對流的發生發展，從而導致午后到傍晚的短時陣性降水。[2,7,18]而造成沿岸短時降水清晨峰值的原因則可能與其地理位置有關，有研究指出華南地區輻射加熱/冷卻導致的海陸熱力差異是加強清晨熱力不穩定的重要因子，[19]夏季夜間相對暖的渤海海面容易引起低層大氣的對流活動，從而導致濱海新區在清晨易產生短時降水，但具體作用機理還需要進一步論證。持續性降水夜間的降水量峰值，現有研究的主要觀點認為可能是中尺度對流系統(MCS)與大尺度環流共同作用的產物。[18,20]He等[10]認為太陽輻射加熱引起的燕山——太行山系午后對流活動在對流層中層平均氣流引導下向下游及東南方向傳播，可能與華北平原地區的清晨降水峰值的形成有關。④濱海新區近 40年短時降水的降水量呈現增多趨勢，6小時以上的持續性降水的降水量呈現減少趨勢，后者貢獻總降水量的比重呈現增加趨勢?？偨邓康臏p少與持續性降水總體強度減弱有關。Yu等[21]認為近幾十年來中國華北地區低層大氣氣溫顯著上升導致大氣靜力穩定度降低，午后和傍晚更易發生對流活動，短時降水呈現增多趨勢；而持續性降水的減少則與東亞季風環流的年代際變化密切相關，近幾十年來東亞夏季夏季風減弱引起向華北輸送的水汽減少，導致華北地區持續性降水的減少。[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