高旭旭，于長(zhǎng)文，朱衛(wèi)浩

（河北省氣候中心，河北 石家莊 050021）

降水是氣候系統(tǒng)中的重要要素，其日變化又是最基本的變化模態(tài)之一。對(duì)降水日變化的研究，有助于深入理解降水的形成機(jī)制，在提高和改善區(qū)域氣候模式預(yù)報(bào)方面具有重要意義，為此已成為當(dāng)前氣候研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題[1～5]。Yu 等[4，5]利用 1991～2004 年588個(gè)地面氣象站小時(shí)降水資料，首次系統(tǒng)分析了我國(guó)夏季降水日變化特征，指出降水日變化具有顯著的區(qū)域性差異，其中，我國(guó)中東部地區(qū)降水具有清晨和午后2個(gè)幅度相當(dāng)?shù)慕邓逯?；之后的研究中發(fā)現(xiàn)，分離滑動(dòng)地區(qū)降水峰值的關(guān)鍵因子為降水的持續(xù)性。我國(guó)領(lǐng)土遼闊，地形復(fù)雜，氣候系統(tǒng)日變化存在鮮明的地域差異，降水日變化差異則更為顯著，因此，多位學(xué)者對(duì)我國(guó)多地降水日變化進(jìn)行了深入研究[6～10]。

河北省位于中緯度歐亞大陸東岸，地形復(fù)雜，高原、山地、丘陵、盆地、平原類型齊全，氣候的區(qū)域差異顯著。河北省降水分布受到季風(fēng)和地形的綜合作用，局地性差異明顯，常發(fā)生局地強(qiáng)降水[11～13]。因此，將河北省劃分不同區(qū)域，探究河北不同區(qū)域夏季累積降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度日變化特征之間的差異，更好地認(rèn)識(shí)山谷風(fēng)、海陸風(fēng)對(duì)區(qū)域降水分布的影響，旨為做好精細(xì)化降水預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

獲取2005～2016年全省142個(gè)國(guó)家站的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)（6～8月），主要指標(biāo)包括有效降水量、累積降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度。

1.2 研究方法

1.2.1 概念界定 （1）有效降水。實(shí)況降水量≥0.1mm的時(shí)次判定為有效降水。（2）累積降水量。將對(duì)各觀測(cè)站的降水做年季累加，得到24 h序列的累積降水量。（3）降水頻次。統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生降水的總次數(shù)。（4）降水強(qiáng)度。降水量與降水頻次的比值是降水強(qiáng)度。（5） 峰值時(shí)間。24 h累積降水量序列中，最大值出現(xiàn)的時(shí)間定義為峰值時(shí)間。（6）降水場(chǎng)次。當(dāng)某一時(shí)刻發(fā)生降水之后，連續(xù)2 h無(wú)降水，則判定一次降水過(guò)程結(jié)束；將一次降水開(kāi)始至結(jié)束間隔的小時(shí)數(shù)定義為降水持續(xù)時(shí)間。

1.2.2 研究方法 運(yùn)用Excel軟件對(duì)研究指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。運(yùn)用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解（REOF） 方法，研究河北省日降水分布特征，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分。

2 區(qū)域劃分

運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交分解（EOF），對(duì)河北省2005～2014年6～8月的日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，前4個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)65.9%。為了揭示河北省夏季降水的區(qū)域性特征，運(yùn)用REOF對(duì)EOF的前4個(gè)主成分進(jìn)行進(jìn)一步分析，最終得到河北省夏季降水REOF的前4個(gè)模態(tài)（REOF1、REOF2、REOF3、REOF4）的空間分布。REOF1的高載荷區(qū)集中在河北省南部地區(qū)，REOF2的高載荷區(qū)主要分布于河北東北部，REOF3的高載荷區(qū)主要分布于河北省北部山區(qū)，REOF4的高載荷區(qū)主要分布于河北中部平原地區(qū)（圖1）。因此，結(jié)合REOF的4個(gè)空間模態(tài)的高載荷分布圖和河北省的地形，將研究區(qū)域分為冀北山區(qū)、冀東平原、冀中地區(qū)和冀南平原4個(gè)。不同研究區(qū)域站點(diǎn)（圖2），具體劃分方法見(jiàn)表1。

圖1 2005～2016年河北省夏季降水REOF分析的空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of summer precipitation in Hebei Province during 2005-2016 by REOF method

表1 河北省4個(gè)區(qū)域及各區(qū)域站點(diǎn)名Table 1 The four areas and their stations in Hebei Province

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域降水日變化特征分析

3.1.1 累積降水量分析 冀北山區(qū)的累積降水量峰值出現(xiàn)在20：00；冀東平原的累積降水量日變化呈雙峰值型，主峰值出現(xiàn)在05：00，而次峰值為00：00；冀中地區(qū)和冀南平原累積降水量峰值分別出現(xiàn)在01：00和22：00，略晚于冀北山區(qū)，早于冀東平原。4個(gè)區(qū)域的累積降水量低值均出現(xiàn)在午后：冀北山區(qū)在13：00累積降水量最少，其他三個(gè)區(qū)域均在15：00最少。其中冀東平原（秦皇島和唐山）的降水量明顯高于其他3個(gè)地區(qū)，這與該地區(qū)位于燕山山脈迎風(fēng)坡，地形對(duì)氣流抬升，加之東部臨海提供充分水源[14]密切相關(guān)（圖3）。

圖2 河北省觀測(cè)站點(diǎn)分布與4個(gè)區(qū)域劃分Fig.2 Distribution of observation stations and division of areas in Hebei Province

圖3 2005～2016年河北省4個(gè)研究區(qū)域平均累積降水量日變化Fig.3 Diurnal variations of average accumulated precipitation in the four areas in Hebei Province during 2005-2016

3.1.2 降水頻次分析 4個(gè)區(qū)域的降水頻次日變化曲線與累積降水量日變化曲線具有相似特征，其中冀北山區(qū)降水頻次在傍晚至前半夜出現(xiàn)峰值，且明顯高于其他區(qū)域，多是與地形高度有關(guān)[15]；冀南平原降水頻次峰值在清晨9：00（圖4）。

3.1.3 降水強(qiáng)度分析 冀東平原降水強(qiáng)度日變化出現(xiàn)雙峰型，主次峰分別出現(xiàn)在前半夜與清晨，其他三個(gè)區(qū)域降水強(qiáng)度日變化與累積降水量日變化趨勢(shì)相似（圖5）。

圖4 2005～2016年河北省4個(gè)研究區(qū)域平均降水次數(shù)日變化Fig.4 Diurnal variations of average precipitation frequency in the four areas in Hebei Province during 2005-2016

圖5 2005～2016年河北省4個(gè)研究區(qū)域平均降水強(qiáng)度日變化Fig.5 Diurnal variations of average precipitation intensity in the four areas of Hebei Pvovince during 2005-2016

各區(qū)降水有其特點(diǎn)。相比而言，冀北山區(qū)累積降水量日變化、降水頻次和強(qiáng)度三者較為一致，峰值出現(xiàn)在20：00左右且頻次變化幅度較大，該結(jié)果形成的重要原因是受到山谷風(fēng)環(huán)流影響[16，17]。冀東平原降水強(qiáng)度主峰值出現(xiàn)在前半夜，次峰值出現(xiàn)在清晨，而降水量主次峰值出現(xiàn)時(shí)間與強(qiáng)度相反，即冀東平原前半夜降水頻次小但強(qiáng)度大，降水量主要來(lái)自降水強(qiáng)度貢獻(xiàn)，而清晨降水量來(lái)自降水頻次和強(qiáng)度的共同貢獻(xiàn)；該區(qū)域2個(gè)時(shí)次降水成因各不相同，前半夜峰值可能是山谷風(fēng)和海陸風(fēng)共同作用，而清晨降水主要是近地層海陸風(fēng)環(huán)流與環(huán)境主導(dǎo)風(fēng)向相反，在近海岸產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)造成[18]。冀中地區(qū)降水量、頻次和強(qiáng)度三者的日變化較為一致，峰值均出現(xiàn)在凌晨。冀南平原日變化以降水強(qiáng)度為主，降水頻次日變化不顯著。

3.2 持續(xù)性降水的日變化特征

Yu等[5]研究結(jié)果顯示，我國(guó)中東部降水的持續(xù)時(shí)間與降水峰值出現(xiàn)時(shí)間存在一定的聯(lián)系，并且兩者之間的關(guān)系存在顯著的地域差異。本研究中對(duì)各持續(xù)時(shí)間的降水分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析不同持續(xù)性降水事件的日變化特征。

對(duì)河北省4個(gè)研究區(qū)域的不同持續(xù)時(shí)間降水事件累積降水量、降水次數(shù)和單位小時(shí)降水量進(jìn)行分析表明，4個(gè)區(qū)域的持續(xù)2～4 h降水事件的累積降水量最大，除冀東平原外其他區(qū)域隨著持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，累積降水量逐漸減少，而冀東平原在持續(xù)13 h降水事件的累積降水量出現(xiàn)次峰值（圖6）。持續(xù)1～3 h降水事件中，冀北山區(qū)較其他3個(gè)區(qū)域發(fā)生降水頻次最多；持續(xù)4～24 h降水事件中，4個(gè)區(qū)域發(fā)生的頻次基本一致；4個(gè)區(qū)域持續(xù)1h降水事件發(fā)生的頻次比持續(xù)2h降水事件高出約60次，并且隨著降水持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，頻次迅速減少（圖7）。4個(gè)區(qū)域持續(xù)3～17 h降水事件的單位小時(shí)降水量差別較大，冀東平原的單位小時(shí)降水量明顯高于其他3個(gè)區(qū)域，且在持續(xù)14 h的降水事件中達(dá)到最大值（圖8）。

圖6 2005～2016年河北省4個(gè)研究區(qū)域不同持續(xù)時(shí)間降水事件的累積降水量曲線Fig.6 The curve of accumulated precipitation in the precipitation events with different durations in the four areas of Hebei Province during 2005-2016

圖7 2005～2016年河北省4個(gè)研究區(qū)域不同持續(xù)時(shí)間降水事件的降水次數(shù)Fig.7 The precipitation frequency in the precipitation events with different durations in the four areas of Hebei Pvovince during 2005-2016

圖8 2005～2016年河北省4個(gè)研究區(qū)域不同持續(xù)時(shí)間降水事件的單位小時(shí)降水量Fig.8 The hourly precipitation in the precipitation events with different durations in the four areas of Hebei Province during 2005-2016

冀北山區(qū)持續(xù)1～4 h降水極值出現(xiàn)在18：00～22：00，持續(xù)2 h的降水極大值出現(xiàn)在20：00。冀東平原持續(xù)2～4 h持續(xù)降水極值出現(xiàn)在20：00～23：00；持續(xù)8 h以上的降水多出現(xiàn)在04：00～08：00。冀中地區(qū)和冀南平原降水量多來(lái)自持續(xù)6 h以下的降水事件的貢獻(xiàn)，持續(xù)1～4 h降水事件出現(xiàn)的時(shí)間段較廣，降水量極值出現(xiàn)在20：00～02：00（圖9）。短歷時(shí)降水事件中，最大降水發(fā)生時(shí)間的空間分布均勻，106個(gè)測(cè)站降水出現(xiàn)在前半夜，僅29個(gè)測(cè)站出現(xiàn)在凌晨到清晨（圖10）。對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)降水事件，冀東平原觀測(cè)站點(diǎn)的最大累積降水量大多出現(xiàn)在凌晨到清晨，其他地區(qū)出現(xiàn)時(shí)間沒(méi)有區(qū)域一致性。白天由于太陽(yáng)輻射加熱，熱量累積導(dǎo)致熱力不穩(wěn)定，是導(dǎo)致前半夜出現(xiàn)短時(shí)降水的主要原因，而清晨持續(xù)性降水多與大尺度環(huán)流以及雨層云等系統(tǒng)有關(guān)[19，20]。

圖9 不同持續(xù)性降水事件多年累積的降水量Fig.9 The accumulated precipitation for many years in different persistent precipitation events

圖10 降水事件最大累積降水量出現(xiàn)時(shí)次的空間分布Fig.10 Spatial distribution of the diurnal phase of the maximum precipitation in different precipitation events

4 結(jié)論

根據(jù)河北省地形及對(duì)夏季降水應(yīng)用REOF得到的空間分布，將河北省劃分為冀北山區(qū)、冀東平原、冀中地區(qū)和冀南平原4個(gè)研究區(qū)域。利用2005～2016年河北省142個(gè)地面氣象觀測(cè)站6～8月的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）冀北山區(qū)的區(qū)域平均累積降水量峰值主要出現(xiàn)在前半夜；冀東平原主峰值和次峰值分別出現(xiàn)在清晨和凌晨；冀中地區(qū)和冀南平原峰值多出現(xiàn)在凌晨。4個(gè)區(qū)域降水谷值均出現(xiàn)在午后。

（2）冀北山區(qū)和冀中地區(qū)降水量日變化振幅較大，夜間峰值來(lái)自降水頻次和強(qiáng)度的共同貢獻(xiàn)。冀東平原前半夜降水量主要來(lái)自降水強(qiáng)度貢獻(xiàn)，清晨降水量來(lái)自降水頻次和強(qiáng)度的共同作用。冀南平原降水頻次日變化不明顯，而強(qiáng)度變化振幅較大，降水量日變化主要來(lái)自強(qiáng)度貢獻(xiàn)。

（3）河北全省短歷時(shí)降水事件最大值出現(xiàn)在前半夜，冀東平原7 h以上長(zhǎng)歷時(shí)降水最大值大多出現(xiàn)在凌晨至清晨。不同區(qū)域平均的不同持續(xù)降水事件的降水量特征表現(xiàn)：持續(xù)2~4 h降水事件的累積降水量最大，冀東平原的降水量大于其他地區(qū)。

開(kāi)展河北省小時(shí)降水的變化研究，掌握降水的演變規(guī)律，對(duì)做好精細(xì)化降水預(yù)報(bào)具有重要意義。本文僅對(duì)降水日變化進(jìn)行了研究，其特征成因以及長(zhǎng)期變化還有待進(jìn)一步研究。