林春澤,劉琳,林文才,白永清,祁海霞,楊浩

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湖北省夏季降水日變化特征

林春澤①*,劉琳①②,林文才③,白永清①,祁海霞②,楊浩①

① 中國(guó)氣象局 武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430205；

② 武漢中心氣象臺(tái)，湖北 武漢，430074;

③ 廣水市氣象局，湖北 廣水，432700

2016-01-30收稿，2016-03-16接受

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB417204);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375057；41375041；51379149);武漢暴雨研究所2016年基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目

摘要利用2001—2014年湖北省77個(gè)氣象觀測(cè)站的整點(diǎn)逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)劃分不同區(qū)域和三種量級(jí)降水的方法，分析了夏季(6—8月)降水日變化特征。結(jié)果表明：1)湖北省夏季降水日變化特征非常明顯，降水量曲線呈雙峰結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在08時(shí)和17時(shí)(北京時(shí)間，下同)，降水頻次與降水強(qiáng)度均呈現(xiàn) “一主一次”的雙峰結(jié)構(gòu)，這主要與青藏高原東移來(lái)的天氣系統(tǒng)自西向東的滯后性以及局地?zé)崃?qiáng)迫有關(guān)，發(fā)生在傍晚(15—18時(shí))的降水強(qiáng)度有明顯的年際增強(qiáng)趨勢(shì)。2)湖北省降水日變化特征區(qū)域差異顯著，鄂西北與鄂西南降水峰值主要出現(xiàn)在傍晚和夜間，谷值出現(xiàn)在正午，鄂東三個(gè)區(qū)域的降水峰值出現(xiàn)在上午和傍晚，谷值出現(xiàn)在午夜。3)近14 a 強(qiáng)度為0～20 mm/h的降水呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，主要發(fā)生在鄂西地區(qū)。其日變化曲線為“一主一次”的雙峰結(jié)構(gòu)，主(次)峰值出現(xiàn)在07(17)時(shí)。與之相反，短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm/h)的發(fā)生概率東部大于西部，平原大于山區(qū)，有增加趨勢(shì)的站點(diǎn)占總站點(diǎn)數(shù)的53.24%，峰(谷)值出現(xiàn)在17(12)時(shí)。短時(shí)特大強(qiáng)降水(≥50 mm/h)峰值出現(xiàn)在15—20時(shí)，03—14時(shí)出現(xiàn)概率較低。

關(guān)鍵詞

降水日變化

區(qū)域差異

短時(shí)強(qiáng)降水

降水日變化受局地下墊面強(qiáng)迫和大氣環(huán)流的綜合影響，涉及到復(fù)雜的云、雨形成和演變過(guò)程，對(duì)地球系統(tǒng)水循環(huán)和能量循環(huán)以及人類日常生活都有重要影響(宇如聰?shù)龋?014)。研究降水日變化特征不僅有助于提高對(duì)區(qū)域天氣、氣候發(fā)展演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)(Lin et al.，2000)，理解降水的形成和演變機(jī)制，同時(shí)也是檢驗(yàn)數(shù)值模式模擬與預(yù)報(bào)能力的重要標(biāo)準(zhǔn)(Randall et al.，1991)。

隨著現(xiàn)代氣象觀測(cè)網(wǎng)的完善與數(shù)值模擬、雷達(dá)估算、衛(wèi)星反演等手段獲取的降水產(chǎn)品日趨豐富(沈艷等，2013；孫赫敏等，2015)，國(guó)際上許多學(xué)者圍繞著不同區(qū)域的降水日變化特征開展了系統(tǒng)的研究工作。大量的研究表明，降水日變化海陸差異明顯，大部分陸地降水通常在傍晚達(dá)到峰值，海洋上則在清晨(Imaoka and Roy,2000；Dai,2001)。當(dāng)然也存在例外，例如美國(guó)中部位于落基山脈以東的大平原地區(qū)，降水則在夜間達(dá)到最大(Carbone et al.，2002；Carbone and Tuttle，2008)，我國(guó)青藏高原東部的四川盆地區(qū)域降水峰值也是出現(xiàn)在夜間(Yu et al.， 2007a)，也有一些陸地地區(qū)存在午夜至凌晨的峰值。針對(duì)陸地地區(qū)兩種不同的降水峰值，Nesbitt and Zipser(2003)研究發(fā)現(xiàn)中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)在傍晚最強(qiáng)，但降水峰值出現(xiàn)在深夜至凌晨，非中尺度對(duì)流系統(tǒng)降水多在午后達(dá)峰值。海洋上深對(duì)流日變化振幅相對(duì)較小(Yang and Slingo，2001)，Chen and Houze(1997)與Sui et al.(1998)認(rèn)為海洋表層日變化引起的深對(duì)流系統(tǒng)自身的演變是影響海洋上降水日變化特征形成的重要因素。總的來(lái)說(shuō)，在海陸分布、地形、天氣氣候系統(tǒng)的動(dòng)力熱力過(guò)程多因素影響下，降水日變化呈現(xiàn)不同的區(qū)域甚至局地特征(Hirose and Nakamura，2005；呂翔和徐海明，2007；Yin et al.，2009)。Yu et al.(2007a)首次對(duì)中國(guó)大陸區(qū)域的夏季降水日變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，指出中國(guó)夏季降水的日變化具有明顯的區(qū)域性，尤以中國(guó)中東部地區(qū)呈現(xiàn)的清晨、傍晚雙峰并存特征最為引人注目，進(jìn)一步的深入分析(Yu et al.，2007b)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的長(zhǎng)持續(xù)性降水的峰值大多發(fā)生在夜間至清晨，而短持續(xù)性降水的峰值多出現(xiàn)在午后到傍晚。近幾年，國(guó)內(nèi)的學(xué)者從季節(jié)演變、降水類型、地形特點(diǎn)等不同的角度對(duì)中國(guó)大陸不同地區(qū)的降水日變化特征及成因進(jìn)行了研究。Li et al.(2008)分析了中國(guó)南方地區(qū)降水的季節(jié)演變特征，指出冷季、暖季間降水日位相的差異，Chen et al.(2009)與Yuan et al.(2010)的研究表明中國(guó)中東部地區(qū)暖季降水日變化具有顯著的季節(jié)內(nèi)演變特征。Yu et al.(2010)的分析表明中國(guó)中東部地區(qū)短時(shí)和持續(xù)性降水、對(duì)流和層狀云降水的日變化特征均存在顯著的區(qū)域特征。復(fù)雜的地形分布導(dǎo)致的山谷風(fēng)作用與局地?zé)崃?qiáng)迫對(duì)降水日變化有重要貢獻(xiàn)(Wang et al.，2012；趙玉春等，2012；Zhuo et al.，2013)，而對(duì)流層低層環(huán)流日變化對(duì)降水日變化的區(qū)域差異也有重要影響(原韋華等，2014)。

國(guó)內(nèi)對(duì)降水日變化的研究重點(diǎn)多集中在云貴川、西藏等地(白愛娟等，2011；王夫常等，2011)，也有針對(duì)北京、湖南等地的深入研究(李建等，2008；戴澤軍等，2009)。湖北地處亞熱帶，位于典型的季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，地勢(shì)為西、北、東三面高起，中部向南敞開，具有較為復(fù)雜的中小尺度地形，受中高緯西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)、亞洲季風(fēng)系統(tǒng)以及高原東移低值系統(tǒng)的共同作用，每年夏季降水過(guò)程頻繁，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)空分布不均，既有梅雨期的大范圍持續(xù)性降水，也有盛夏局地突發(fā)性強(qiáng)降水，造成的災(zāi)害重、損失大。Yu et al.(2007a)在分析中使用了湖北20個(gè)臺(tái)站資料，在其研究中也發(fā)現(xiàn)湖北所處的長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水日變化較為復(fù)雜，但并未進(jìn)行更為細(xì)致的區(qū)域劃分，因此有必要利用更為密集的降水資料對(duì)湖北夏季降水日變化區(qū)域特征進(jìn)行細(xì)致分析，為預(yù)報(bào)員和區(qū)域模式開發(fā)人員了解當(dāng)?shù)卦趶?fù)雜中小尺度地形背景下的夏季降水演變規(guī)律提供參考。

1　資料和方法

所用降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供的2001—2014年湖北省77個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的逐小時(shí)降水資料集(該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制)，從中選取夏季(6—8月)降水資料進(jìn)行研究?？傮w來(lái)看站點(diǎn)分布(圖1)東密西疏，基本呈均勻分布，最高的站點(diǎn)為利川站，海拔高度為1 072.5 m。需要指出的是，鄂西地區(qū)的站點(diǎn)多分布在地勢(shì)相對(duì)較低的半山區(qū)，這可能對(duì)本文的研究結(jié)果有一些影響。

湖北省位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，降水日變化比較復(fù)雜(宇如聰?shù)龋?014)，又鑒于該省包含了山地、平原和丘陵等多種復(fù)雜地形區(qū)域，給研究帶來(lái)了一定的困難，因此，參照《湖北省天氣預(yù)報(bào)手冊(cè)》將研究區(qū)域分為：鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東北、鄂東南5個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行日變化的研究，圖1中不同顏色代表不同的研究區(qū)域站點(diǎn)，具體劃分方法見表1。

圖1　湖北省觀測(cè)站點(diǎn)分布與5個(gè)區(qū)域的劃分(彩色陰影為地形高度,不同顏色的站點(diǎn)代表不同區(qū)域的劃分:黑色代表鄂西北,紫色代表鄂西南,黃色代表江漢平原,紅色代表鄂東北,白色代表鄂東南)Fig.1　Spatial distribution of the stations and five areas in Hubei(black,northwest Hubei;purple,southwestHubei;yellow,JianghanPlain;red,northeastHubei;white,southeastHubei),in which the terrain height iscolor-shaded

逐小時(shí)降水量是指該時(shí)次之前1 h的降水量，當(dāng)逐小時(shí)降水量超過(guò)0.1 mm，則認(rèn)為該時(shí)次有降水發(fā)生。將研究時(shí)段的降水量按照一天不同時(shí)次(01—24時(shí))進(jìn)行分類，對(duì)24個(gè)時(shí)次的降水進(jìn)行逐年累加。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)每個(gè)站點(diǎn)最大降水量出現(xiàn)的時(shí)間，定義為降水量發(fā)生的峰值時(shí)間，從而進(jìn)行降水日變化的研究。除此之外，本文還討論了降水頻次和降水強(qiáng)度的日變化特征。降水頻次是指研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生的總降水次數(shù)，降水強(qiáng)度是指降水量與降水頻次的比值。

表1湖北省5個(gè)區(qū)域及各區(qū)域站點(diǎn)名

Table 1The five areas and their stations

區(qū)域名稱范圍鄂西北竹溪、鄖縣、鄖西、十堰、竹山、房縣、丹江口、老河口、谷城、襄樊、棗陽(yáng)、保康、神龍架、南漳、宜城鄂西南巴東、秭歸、興山、遠(yuǎn)安、利川、建始、恩施、綠蔥坡、五峰、當(dāng)陽(yáng)、宜昌、三峽、長(zhǎng)陽(yáng)、宜都、枝江、咸豐、宣恩、鶴峰、來(lái)鳳江漢平原京山、鐘祥、荊門、松滋、潛江、荊州、公安、天門、仙桃、漢川、蔡甸、石首、監(jiān)利、洪湖鄂東北隨州、廣水、安陸、云夢(mèng)、大悟、紅安、麻城、應(yīng)城、孝感、黃陂、新洲、羅田、英山鄂東南江夏、鄂州、黃岡、大冶、赤壁、嘉魚、崇陽(yáng)、通城、咸寧、通山、浠水、黃石、蘄春、黃梅、陽(yáng)新、武穴

圖2　湖北省逐年夏季區(qū)域平均累積降水量(a;單位:mm)、降水頻次(b;單位:h)、降水強(qiáng)度(c;單位:mm·h-1)的逐時(shí)分布(上方曲線:a,b為2001—2014年14 a累積降水量和降水頻次;c為14 a平均降水強(qiáng)度)Fig.2　Diurnal variation of (a)regional average annual rainfall,(b)rainfall frequency,and (c)rainfall intensity,in Hubei during summer,with the curve in the top part of each panel showing the (a)accumulatedprecipitation and (b)precipitation frequency during 2001—2014,and (c)the average rainfall intensity

短時(shí)強(qiáng)降水屬于強(qiáng)對(duì)流天氣的一種，其發(fā)生的概率相對(duì)較小，但是容易造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害。我國(guó)目前對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的定義尚未統(tǒng)一，參照中央氣象臺(tái)和Zhang and Zhai(2011)的定義方法，本文將逐小時(shí)降水量大于等于20 mm的降水定義為短時(shí)強(qiáng)降水，大于等于50 mm的降水定義為短時(shí)特大強(qiáng)降水。文中將對(duì)0～20 mm/h、≥20 mm/h、≥50 mm/h三個(gè)級(jí)別的降水進(jìn)行日變化特征的研究。由于降水量級(jí)不同，參照公式(1)對(duì)不同時(shí)次的降水序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,Ra(h)為h時(shí)次的降水。

(1)

2　降水日變化基本特征

2.1降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度的日變化特征

圖2為湖北省2001—2014年夏季區(qū)域平均累積降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度的逐時(shí)分布,從降水量日變化(圖2a)可見,湖北省降水日變化特征非常明顯,累積降水量日變化曲線主要為雙峰結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出半日循環(huán)的特征。降水量峰值出現(xiàn)在08時(shí)和17時(shí),兩個(gè)時(shí)段的降水量級(jí)相當(dāng);谷值出現(xiàn)在12時(shí)和23時(shí)左右。降水頻次(圖2b)的日變化曲線為“一主一次”的雙峰結(jié)構(gòu),主峰值出現(xiàn)在07時(shí)左右,累積降水頻次為143次;次峰值出現(xiàn)在17時(shí),累積降水頻次為130次。兩個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間與降水量的峰值時(shí)間非常接近,但是兩個(gè)峰值的量級(jí)有所差別,發(fā)生在清晨(03—09時(shí))的降水頻次明顯多于傍晚,12時(shí)和24時(shí)發(fā)生的降水頻次最少。圖2c為降水強(qiáng)度的日變化分布,主峰值發(fā)生在16時(shí),次峰值發(fā)生在09時(shí),發(fā)生在傍晚的降水強(qiáng)度要大于清晨,這與降水頻次剛好相反。從各時(shí)次降水強(qiáng)度的逐年分布可以看出:近14 a來(lái),湖北省發(fā)生在15—18時(shí)的降水強(qiáng)度有明顯的年際增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖3　湖北省2001—2014年夏季日變化位相分布(箭頭表示降水達(dá)到峰值的時(shí)間,其中紅(紫)色箭頭表示15—20(09—14)時(shí),藍(lán)(綠)色箭頭表示21—02(03—08)時(shí)　　a.累積降水量;b.降水頻次;c.降水強(qiáng)度Fig.3　Spatial distribution of the diurnal phase of summer mean hourly precipitation during 2001—2014,in which the direction of the vectors denote the phase clock of the maximum precipitation in Beijing time(BST),the red(purple) vectors represent the peaks occurringduring 15:00—20:00 BST (09:00—14:00 BST),and the blue(green) vectorsthe peaks occurring during 21:00—02:00 BST (03:00—08:00 BST):(a)cumulative rainfall;(b)rainfall frequency;(c) rainfall intensity

綜上可見,湖北省降水日變化特征曲線主要為雙峰結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出明顯的半日循環(huán)特征。形成這種雙峰型降水的原因主要是由青藏高原東移的天氣系統(tǒng)和局地?zé)崃?qiáng)迫導(dǎo)致的(Yu et al.,2007a)。趙玉春等(2012)研究指出,長(zhǎng)江中游地區(qū)白天低層大氣穩(wěn)定度降低和對(duì)流有效位能增大,有利于傍晚熱對(duì)流的發(fā)展,夜間抬升凝結(jié)高度降低、相對(duì)濕度升高和大氣可降水量增大有利于清晨長(zhǎng)生命史對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展,湖北地區(qū)的降水雙峰現(xiàn)象正是在該環(huán)流背景下產(chǎn)生。

圖3為累積降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度的日變化位相空間分布,即峰值出現(xiàn)的時(shí)間。由圖3a可見,湖北省降水日變化非常復(fù)雜,各區(qū)域最大降水量出現(xiàn)的時(shí)間缺乏一致性,降水量位相分布與地形和區(qū)域不同存在一定的關(guān)系。鄂西北最大降水量基本出現(xiàn)在15—21時(shí),僅有3個(gè)分布在山谷里的站點(diǎn)降水量峰值出現(xiàn)在午夜附近。鄂西南的日變化位相分布缺乏一致性,西邊山區(qū)最大降水量主要出現(xiàn)在清晨(03—09時(shí)),東邊靠近平原和長(zhǎng)江流域的地區(qū)主要出現(xiàn)在午夜附近,這可能是地形造成的“山谷風(fēng)”,使得山峰降水多發(fā)生在清晨,而山谷降水多發(fā)生在夜間。江漢平原和鄂東南的最大降水量主要出現(xiàn)在清晨,鄂東南最大降水量主要出現(xiàn)在15—21時(shí)。

從降水頻次的日變化位相分布(圖3b)可以看出:鄂西北東部、江漢平原、鄂東北等大片區(qū)域最大降水頻次發(fā)生的時(shí)候都出現(xiàn)在清晨,占總站點(diǎn)數(shù)的61.03%,其他地區(qū)的位相都與降水量峰值時(shí)間接近。鄂西南東部的宜昌、當(dāng)陽(yáng)地區(qū)最大降水頻次發(fā)生在午夜,鄂西北西部與鄂東南最大降水頻次發(fā)生在傍晚。降水強(qiáng)度的日變化位相(圖3c)較降水量和降水頻次更為復(fù)雜,最大降水強(qiáng)度發(fā)生在傍晚的站點(diǎn)占總站數(shù)的48.05%,發(fā)生在清晨和午夜的站數(shù)相當(dāng),都要少于發(fā)生在傍晚的站點(diǎn)。

圖4　5個(gè)區(qū)域逐年夏季區(qū)域平均累積降水量的逐時(shí)分布(單位:mm;上方曲線為2001—2014年14 a的累積降水量)a.鄂西北;b.鄂西南;c.江漢平原;d.鄂東北;e.鄂東南Fig.4　Diurnal variation of the regional average annual rainfall of the five regions in Hubei during summer,with the curve at the top of each panel representing accumulated precipitation during 2001—2014:(a)northwest Hubei;(b)southwest Hubei;(c)JianghanPlain;(d)northeast Hubei;(e)southeast Hubei

2.2不同區(qū)域降水日變化特征

圖4給出了5個(gè)區(qū)域逐年夏季區(qū)域平均累積降水量的逐時(shí)分布,上方曲線為2001—2014年14 a的累積降水量?？梢钥闯?個(gè)區(qū)域的日變化曲線特征各不相同,降水量峰值和谷值出現(xiàn)時(shí)間差異較大。從鄂西北(圖4a)日變化曲線可見:降水量峰值出現(xiàn)在17時(shí),次峰值時(shí)間為01時(shí),谷值出現(xiàn)在12時(shí)。鄂西南(圖4b)降水谷值出現(xiàn)在12時(shí),發(fā)生在06—15時(shí)的降水相對(duì)較少,02時(shí)附近的降水量最多,其他時(shí)次的降水量相當(dāng)。這兩個(gè)區(qū)域的降水日變化特征有一些相似之處,降水量谷值均出現(xiàn)在中午12時(shí)左右。不同之處是鄂西北的降水量峰值出現(xiàn)在傍晚,降水量的次峰值時(shí)間為午夜;而鄂西南的傍晚和午夜均為降水量峰值時(shí)間,降水量級(jí)相當(dāng)。從地形分布(圖1)可見,鄂西北與鄂西南的山地特征較其他三個(gè)區(qū)域有很大的差別,屬于連接青藏高原大地形的“二階地形”,平均海拔高度在900 m左右,最高為神農(nóng)頂,海拔高度達(dá)3 000多米。鄂西山區(qū)既受來(lái)自青藏高原大地形的影響,又因自身的中尺度復(fù)雜地形影響局地對(duì)流暴雨的發(fā)生與發(fā)展(胡伯威等,2001),物理機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜。

圖5　湖北省三種量級(jí)降水的發(fā)生概率與年際變化趨勢(shì)分布　　a.0～20 mm/h的降水;b.大于等于20mm/h的降水;c.大于等于50 mm/h的降水Fig.5　Distribution of precipitation frequency and percentage trends for the three different kinds of rainfall in Hubei:(a)<20 mm·h-1;(b)≥20 mm·h-1;(c)≥50 mm·h-1

江漢平原(圖4c)最大降水量出現(xiàn)在08時(shí)左右,次峰值出現(xiàn)在16時(shí),夜間的降水最少。鄂東北(圖4d)與江漢平原類似,最大降水量出現(xiàn)在06時(shí)左右,次峰值出現(xiàn)在16時(shí),23時(shí)降水量最小。鄂東南(圖4e)的日變化曲線呈現(xiàn)出平滑的雙峰的結(jié)構(gòu),主峰值出現(xiàn)在16時(shí)左右,次峰值出現(xiàn)在08時(shí),這與鄂東北和江漢平原剛好相反,發(fā)生在夜間的降水量最小。這三個(gè)區(qū)域的降水日變化特征也有一些相似之處,即降水量峰值主要出現(xiàn)在清晨和傍晚,降水量谷值都出現(xiàn)在午夜,與鄂西地區(qū)明顯不同。Yu et al.(2007a)研究表明,長(zhǎng)江流域降水峰值呈現(xiàn)出自西向東逐步滯后的特征,長(zhǎng)江流域是降水日變化隨空間演變的一個(gè)典型范例,長(zhǎng)江上游地區(qū)以夜雨為主,在午夜達(dá)到日峰值;中游地區(qū)為清晨峰值,這主要為持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)性降水。對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水,降水量峰值主要出現(xiàn)在傍晚(陳炯等,2013)。這就解釋了為何鄂東地區(qū)呈現(xiàn)降水量雙峰的特征。降水頻次、降水強(qiáng)度(圖略)的日變化曲線與降水量類似,不再贅述。

3　不同量級(jí)降水的空間分布與日變化特征

短時(shí)強(qiáng)降水屬于強(qiáng)對(duì)流天氣的一種,其發(fā)生的概率相對(duì)較小,但是容易造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害,根據(jù)上文介紹的劃分方法,將降水進(jìn)行三個(gè)級(jí)別的劃分,重點(diǎn)研究短時(shí)強(qiáng)降水的分布規(guī)律與日變化特征。

3.1不同量級(jí)降水的空間分布

圖5給出了湖北省三種量級(jí)降水的發(fā)生概率與年際變化趨勢(shì)分布,圖5a為0～20 mm/h降水的發(fā)生概率分布,可以看出鄂西北的神農(nóng)架山區(qū)與鄂西南大部為0～20 mm/h降水的高發(fā)區(qū)域,尤其是鄂西南的鶴峰和宣恩等地,發(fā)生概率為13%以上。江漢平原和鄂東北等地0～20 mm/h降水發(fā)生概率為8%左右,鄂東南為10%左右。對(duì)比地形圖可知,0～20 mm/h降水的高發(fā)區(qū)主要位于地勢(shì)較高的西部山區(qū),東部的平原和丘陵等地該量級(jí)降水發(fā)生概率稍低。圖中的三角號(hào)代表0～20 mm/h降水的發(fā)生概率為減少趨勢(shì),實(shí)心圓點(diǎn)代表該量級(jí)降水發(fā)生概率的增幅為0～2.5%(/10 a),可以看出湖北地區(qū)0～20 mm/h的降水發(fā)生概率主要為減少趨勢(shì),占總站點(diǎn)數(shù)的67.53%,為增加趨勢(shì)的站點(diǎn)主要分布在鄂西和鄂東南地區(qū)。

圖5b為降水量大于等于20 mm/h的降水發(fā)生概率和年際變化趨勢(shì)分布,圖5c為降水量大于等于50 mm/h的降水發(fā)生概率和趨勢(shì)分布。與0～20 mm/h的降水發(fā)生概率分布相反,降水量大于等于20 mm/h和50 mm/h的降水發(fā)生概率的高值區(qū)主要位于江漢平原和鄂東地區(qū),這是因?yàn)槎虝r(shí)強(qiáng)降水需要大量的水汽輸送條件,位于東部的江漢平原和鄂東地區(qū)地勢(shì)較低,更容易獲得東亞夏季風(fēng)所帶來(lái)的水汽,西部山區(qū)受到東亞夏季風(fēng)的影響遠(yuǎn)小于東部,所以短時(shí)強(qiáng)降水天氣不活躍。總體來(lái)看,短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率東部大于西部,平原大于山區(qū)(鄭永光等,2008)。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率有增加趨勢(shì)的站點(diǎn)占總站點(diǎn)數(shù)的53.24%,增幅為0～2.5%/(10 a),主要分布在鄂西南,江漢平原以及鄂東地區(qū)。

3.2不同量級(jí)降水的日變化特征

圖6給出了湖北省三種量級(jí)降水頻次的標(biāo)準(zhǔn)化日變化曲線,可以看出0～20 mm/h降水主峰值出現(xiàn)在07時(shí),次峰值出現(xiàn)在17時(shí),12時(shí)和24時(shí)的降水頻次最低。短時(shí)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在17時(shí),谷值出現(xiàn)在12時(shí)。短時(shí)特大強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在15—20時(shí),03—14時(shí)出現(xiàn)次數(shù)較少,由于降水量大于等于50 mm/h的降水發(fā)生概率很低,研究時(shí)段內(nèi)的樣本數(shù)偏少,造成其降水頻次日變化曲線不如其他曲線連續(xù)平滑。

圖6　湖北省三種量級(jí)降水頻次的標(biāo)準(zhǔn)化日變化曲線Fig.6　Normalized diurnal variationof precipitation frequency for the three different kinds of rainfall in Hubei

由于降水日變化受區(qū)域和地形的影響很大(陳炯等,2013),圖7給出了湖北省三種量級(jí)降水頻次日變化位相的空間分布?？梢?～20 mm/h降水(圖7a)主要出現(xiàn)在03—09時(shí),站點(diǎn)分布在鄂西北東部、江漢平原和鄂東北等地,占總站點(diǎn)數(shù)的64.83%。鄂東南地區(qū)0～20 mm/h降水主要出現(xiàn)在15—21時(shí),鄂西南由于地勢(shì)比較復(fù)雜,主要出現(xiàn)在夜間和早上兩個(gè)時(shí)段。短時(shí)強(qiáng)降水(圖7b)出現(xiàn)的時(shí)間普遍在傍晚和夜間,出現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)段的站點(diǎn)占總站點(diǎn)數(shù)的66.23%,出現(xiàn)在早上的短時(shí)強(qiáng)降水明顯偏少,僅有24.67%的站點(diǎn)分布在鄂東地區(qū)。對(duì)比短時(shí)特大強(qiáng)降水(圖7c)的位相分布,這種強(qiáng)降水主要發(fā)生在傍晚和夜間的趨勢(shì)更加明顯,占總站數(shù)的84.41%,僅有5個(gè)站點(diǎn)是出現(xiàn)在早上。由于湖北省處于我國(guó)內(nèi)陸地區(qū),大于等于50 mm/h的降水發(fā)生概率較低,本文統(tǒng)計(jì)的資料長(zhǎng)度有限,還需要統(tǒng)計(jì)更長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)果。

4　結(jié)論

降水日變化是由地表不同的熱力和動(dòng)力強(qiáng)迫共同造成的,其機(jī)理與特征異常復(fù)雜。利用2001—2014年湖北省77個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的整點(diǎn)逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù),通過(guò)劃分不同區(qū)域和三種量級(jí)降水的方法,分析了夏季(6—8月)降水日變化特征。主要結(jié)論如下:

1)湖北省夏季降水日變化特征非常明顯。降水量日變化呈現(xiàn)半日循環(huán)的特征,峰值出現(xiàn)在上午和傍晚,兩個(gè)時(shí)段的降水量級(jí)相當(dāng)。降水頻次與降水強(qiáng)度的日變化曲線均為“一主一次”的雙峰結(jié)構(gòu),這與青藏高原東移來(lái)的天氣系統(tǒng)以及局地?zé)崃?qiáng)迫有關(guān)。近14 a來(lái),發(fā)生在15—18點(diǎn)的降水強(qiáng)度有明顯的年際增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖7　湖北省三種量級(jí)降水頻次的日變化位相分布　　a.0～20 mm/h降水;b.大于等于20 mm/h降水;c.大于等于50 mm/h降水Fig.7　Spatial distribution of the diurnal precipitation frequencyphase for the three different kinds of rainfall in Hubei:(a)<20 mm·h-1;(b)≥20 mm·h-1;(c)≥50 mm·h-1

2)湖北省降水日變化具有顯著的區(qū)域差異,不同區(qū)域的降水峰值(谷值)出現(xiàn)時(shí)間不同。鄂西北的降水量主(次)峰值出現(xiàn)在傍晚(午夜);鄂西南的降水量峰值時(shí)間也在傍晚和午夜,但峰值大小無(wú)明顯主次之分。兩個(gè)區(qū)域的降水量谷值均出現(xiàn)在中午。江漢平原降水量主(次)峰值出現(xiàn)在上午(傍晚),降水量谷值出現(xiàn)在午夜,鄂東北與江漢平原類似。鄂東南的日變化曲線呈現(xiàn)出平滑的雙峰的結(jié)構(gòu),主(次)峰值出現(xiàn)在傍晚(上午),這與鄂東北和江漢平原剛好相反,降水量谷值出現(xiàn)在午夜。降水頻次、降水強(qiáng)度的日變化曲線與降水量類似。

3)0～20 mm/h降水的高發(fā)區(qū)主要位于鄂西地區(qū),鶴峰和宣恩等地的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率為13%以上;東部平原和丘陵等地該量級(jí)降水發(fā)生概率稍低,江漢平原和鄂東北等地為8%左右,鄂東南為10%左右。0～20 mm/h的降水發(fā)生概率主要為減少趨勢(shì)(趨勢(shì)為減少的站點(diǎn)占總站數(shù)的67.53%),而增加的地區(qū)主要為鄂西和鄂東南等地。與0～20 mm/h降水的概率分布相反,大于等于20 mm/h和大于等于50 mm/h降水發(fā)生概率的高值區(qū)主要位于江漢平原和鄂東地區(qū)。總體來(lái)看,短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率東部大于西部,平原大于山區(qū)。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率有增加趨勢(shì)的站點(diǎn)占總站點(diǎn)數(shù)的53.24%,增幅為0～2.5%/(10 a),主要分布在鄂西南,江漢平原以及鄂東地區(qū)。

4)0～20 mm/h降水的日變化曲線為“一主一次”的雙峰結(jié)構(gòu),主(次)峰值出現(xiàn)在上午(傍晚),12時(shí)和24時(shí)的降水頻次最低。短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm/h)峰值出現(xiàn)在17時(shí),谷值出現(xiàn)在12時(shí)。短時(shí)特大強(qiáng)降水(≥50 mm/h)峰值出現(xiàn)在15—20時(shí),03—14時(shí)出現(xiàn)頻次較低。

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Diurnal variations of precipitation are caused jointly by different thermal and dynamic forcings on the surface.The mechanisms and characteristics involved are extraordinarily complex.This paper,based on hourly rain-gauge data from 77 stations in Hubei Province,for the period 2001—2014,provided by Hubei Meteorological Information and Technical Support Center,analyzes the diurnal variation characteristics of precipitation in summer (June—August) in Hubei Province by dividingit into five different regions (Northwest Hubei,Southeast Hubei,Jianghan Plain,Northeast Hubei and Southeast Hubei),and dividing the precipitation into three levels(0—20 mmh-1,≥20 mmh-1,and ≥50 mmh-1).

The diurnal variation characteristics of summer precipitation in Hubei Province are highly remarkable.The diurnal variation curve of precipitation is of double-peak structure,showing characteristics of semi-diurnal circulation.The peaks of precipitation occur at 0800 and 1700 BST,respectively,and the precipitation levels in the two time periods are the same.The valley values occur at 1200 and 2300 BST.The diurnal variation curves of both precipitation frequency and intensity are of double-peak structure,with one weaker than the other.This is mainly related to eastward-moving weather systems from the Tibetan Plateau and the effects of local thermal forcing.The precipitation intensity during 1500—1800 BST shows an obvious interannual increasingtrend for the past 14 years.

Regionally,the diurnal variation characteristics of precipitation in Hubei Province are noticeably distinct,with the precipitation peak or valley values in different regions occurring at different times.The primary or secondary peak of precipitation amount occurs in the evening or at midnight in Northwest Hubei;however,whilst this is also the case in Southwest Hubei,the peak amount is not subdivided into a primary or secondary value.Also,the valley values of precipitation in both areas occur at midday.Meanwhile,the primary or secondary peak of precipitation amount occurs in the morning or in the evening in Jianghan Plain,and the valley value of precipitation occurs at midnight.The situation in Northeast Hubei issimilar to that of Jianghan Plain.The diurnal variation curve in Southeast Hubei shows a smooth double-peak structure,and the primary or secondary peak value occurs in the evening or in the morning,which is opposite to that in Northeast Hubei and Jianghan Plain.The valley value of precipitation occurs at midnight.The diurnal variation curve of precipitation frequency and precipitation intensity is similar to that of precipitation amount.

The most active 0—20 mm·h-1precipitation region is the western mountain area of Hubei Province.The short duration heavy precipitation frequency in Hefeng and Xuan’en is over 13%,while the precipitation frequency in the eastern plain and hills is lower.The precipitation frequency in Jianghan Plain and Northeast Hubei is about 8%,and in Southeast Hubei it is about 10%.The trend of 0—20 mm·h-1precipitation is a decreasing one(stations with a decreasing trend account for 67.53% of the total),andthe precipitation frequency increases mainly in western and Southeast Hubei.Opposite to the frequency distribution of 0—20 mm·h-1precipitation,the most active regions with precipitation frequenciesof≥20 mm·h-1and≥50 mm·h-1are mainly in Jianghan Plain and Eastern Hubei.In general,the frequency of short-durationheavy precipitation is larger in the east than in the west,and larger in the plain than in mountain areas.Thosestations with an increasing trend of short-durationheavy precipitation account for 53.24% of total stations,increasing at 0—2.5 %·(10yr)-1.These stations are mainly distributed in Southwest Hubei,Jianghan Plain and Eastern Hubei.The diurnal variation curve of 0—20 mm·h-1precipitation is of double-peak structure,with one weaker than the other.The primary or secondary peak value occurs in the morning or in the evening.The precipitation frequency at 1200 and 2400 BST is the lowest.The peak value of short-durationheavy precipitation (≥20 mm·h-1) occurs at 1700 BST,and the valley value occurs at 1200 BST.Short-durationcatastrophic precipitation (≥50 mm·h-1) occurs at 1500—2000 BST,and rarely occurs during 0300—1400 BST.

precipitation diurnal variation;regional difference;short-duration heavy rain

(責(zé)任編輯：劉菲)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160130001

Characteristics of summer precipitation diurnal variations in Hubei Province

LIN Chunze1,LIU Lin1,2,LIN Wencai3,BAI Yongqi1,QI Haixia2,YANG Hao1

1HubeiKeyLaboratoryforHeavyRainMonitoringandWarningResearch,InstituteofHeavyRain,ChinaMeteorologicalAdministration,Wuhan430205,China;2WuhanCentralMeteorologicalObservatory,Wuhan430074,China;3GuangshuiMeteorologicalBureau,Guangshui432700,China

引用格式：林春澤,劉琳,林文才,等,2016.湖北省夏季降水日變化特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(4):490-500.

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*聯(lián)系人，E-mail:linchunze@whihr.com.cn