劉洋，李韻婕，王世強(qiáng)，黃照亮，何曉云

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海 519000；2.珠海市氣象局，廣東珠海 519000）

珠海市位于華南沿海，強(qiáng)降水多發(fā)，經(jīng)常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，如2018年8月11日，珠海機(jī)場出現(xiàn)局地強(qiáng)降水，小時(shí)雨量高達(dá)112.3 mm，進(jìn)出港航班受阻，航班大面積延誤，旅客大量滯留。目前關(guān)于珠海市降水特征大多都是基于珠海市國家觀測(cè)站單站的日降水量資料開展的，對(duì)于全市區(qū)域精細(xì)化降水特征還未有專項(xiàng)研究［1-4］。隨著精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)服務(wù)的逐步開展，對(duì)于降水的預(yù)報(bào)能力要求也越來越高，關(guān)于降水精細(xì)化特征了解的需求也越來越迫切。近年來，隨著氣象自動(dòng)觀測(cè)站網(wǎng)的不斷完善及衛(wèi)星資料種類的增多和分辨率的提高［5］，許多學(xué)者從降水時(shí)空 分 布［6-8］、極 端 降 水［9-10］、降 水 日 變化［11-12］、降水持續(xù)性［13］、降水峰值［14］等多個(gè)角度對(duì)精細(xì)化降水的特征進(jìn)行了研究。通過這些研究，有利于了解不同區(qū)域的降水特征、加深對(duì)于降水機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并為訂正和改進(jìn)數(shù)值模式預(yù)報(bào)提供參考。

本研究利用珠海市全市自動(dòng)站的逐時(shí)降水資料，分析年降水量分布、強(qiáng)降水和降水日變化等方面的特征，從更精細(xì)化的時(shí)間和空間尺度揭示珠海市降水特征，這對(duì)于更好地了解珠海市的氣候特征、降水變化規(guī)律和提升精細(xì)化降水預(yù)報(bào)水平都有重要意義。

1 資料和方法

1.1 資料

珠海市自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)從1997年1月開始逐步布設(shè)，現(xiàn)已基本覆蓋珠海市各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并積累了大量的降水資料，但各個(gè)站點(diǎn)建站時(shí)間不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。本研究挑選具有區(qū)域代表性、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的21個(gè)站點(diǎn)（圖1），選取2010—2018年的逐時(shí)降水資料，利用時(shí)間一致性、空間一致性［15］、區(qū)域臨界值等方法進(jìn)行分析質(zhì)控，最終得到數(shù)據(jù)質(zhì)量高、可靠性好的資料。

從地理位置和地形特征來看，珠海市位于珠江口西側(cè)，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，海島眾多。東部地區(qū)主要以丘陵、山地地形為主，海拔較低；西部地區(qū)中部較為平坦，南北兩側(cè)均有高山存在。為方便研究，本研究將珠海市陸地區(qū)域分為東部、西北部和西南部3部分來分析，其中西北部和西南部可統(tǒng)稱為西部；海島區(qū)域由于沒有長時(shí)間、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的觀測(cè)站點(diǎn)，故不做討論。從選取的自動(dòng)站分布來看，各個(gè)區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)分布極不均勻：東部區(qū)域面積狹小，站點(diǎn)稠密，共有站點(diǎn)11個(gè)；西北部和西南部區(qū)域面積大，站點(diǎn)稀疏，分別只有4和6個(gè)。

圖1 珠海市自動(dòng)站分布

1.2 方法

1）降水季節(jié)劃分。

按照降水量和降水性質(zhì)的不同，可將全年分為前汛期（4—6月）、后汛期（7—9月）和非汛期（1—3月和10—12月）。前汛期降水屬于鋒面降水；后汛期降水則是受低緯熱帶地區(qū)天氣系統(tǒng)引起的［16］；非汛期降水量小，屬于少雨期。

2）降水時(shí)次和短時(shí)強(qiáng)降水的定義。

定義時(shí)降水量≥0.1 mm的時(shí)次為降水時(shí)次，時(shí)降水量≥20 mm為短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次。由于本研究使用的降水資料為整點(diǎn)時(shí)降水資料，會(huì)導(dǎo)致部分1 h滑動(dòng)的降水量被劃分到2個(gè)時(shí)次，故統(tǒng)計(jì)的短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次和極端降水量均低于實(shí)際1 h滑動(dòng)值。

3）年降水分布特征分析。

為分析珠海市年降水量的時(shí)空分布特征，在對(duì)年降水量資料標(biāo)準(zhǔn)化處理后，進(jìn)行了EOF分析（經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解）。EOF分析方法可以揭示降水分布的主要模態(tài)，已在氣象領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［17-18］。

2 年平均降水量總體特征

圖2為珠海市年平均降水量和降水時(shí)數(shù)分布圖。從其分布來看，降水量和降水時(shí)數(shù)的大值區(qū)域基本都在西北部，東部和西南部較少但個(gè)別地區(qū)仍是降水中心。東部地區(qū)的降水量分布較為均勻，大值在1 600～1 700 mm，降水時(shí)數(shù)卻呈現(xiàn)南少北多的特征，尤其在北部地區(qū)，降水時(shí)數(shù)達(dá)到750 h以上；西部地區(qū)存在3大降水中心，分別在西部沿海、西北部區(qū)域東側(cè)和西南部區(qū)域南側(cè)，降水量達(dá)到1 800 mm以上，同時(shí)也是全市的降水中心，降水時(shí)數(shù)基本在750 h以上。

圖2 珠海市年降水量分布（單位：mm）（a）和降水時(shí)數(shù)分布（單位：h）（b）

通過珠海市年降水量的分布（圖2a）與地形（圖1）對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者有著密切的關(guān)系。珠海市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，汛期風(fēng)向以西南風(fēng)和東南風(fēng)為主，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，迎風(fēng)坡降水效應(yīng)明顯。東部地區(qū)的山地眾多，但山脈的海拔高度較低，故無明顯的降水中心；西部沿海地處黃茅海東側(cè)，在西南地區(qū)亦屬于迎風(fēng)坡地形，有利于強(qiáng)降雨發(fā)生；西北地區(qū)北部和東部為河谷地形，對(duì)于降水云系的加強(qiáng)也十分有利；西南地區(qū)中部類似東-西向通道的地形，氣流通暢，降水量較少；西南地區(qū)南部珠海機(jī)場站則處于東南氣流影響時(shí)迎風(fēng)坡的位置，極端降水多發(fā)。

3 年降水量時(shí)空分布特征

對(duì)珠海市2010—2018年年降水量標(biāo)準(zhǔn)化處理后，進(jìn)行EOF分析得到特征向量場。圖3為第1和第2特征向量場的空間分布特征（圖3ab）及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)序列（圖3c-d），均通過特征值誤差范圍的顯著性檢驗(yàn)［19］。第1特征向量場的方差貢獻(xiàn)率為56.3%，其空間分布（圖3a）呈全區(qū)一致性負(fù)值，僅西南地區(qū)中部較??；其時(shí)間系數(shù)（圖3c）在2010—2015年為正值，2016—2018年為負(fù)值。第2特征向量場的方差貢獻(xiàn)率為21.5%，其空間分布（圖3b）在西部地區(qū)自西向東呈現(xiàn)“正-負(fù)-正”的特征，東部地區(qū)則自南向北呈現(xiàn)“負(fù)-正-負(fù)-正”的特征；其時(shí)間系數(shù)（圖 3d）在 2010—2013年波動(dòng)明顯，在2014—2018年則基本為0，說明近年第2特征向量并不顯著。

圖3 珠海市年降水量EOF空間分布（a、b）和時(shí)間系數(shù)（c、d）

4 強(qiáng)降水分布特征

珠海市三面環(huán)海，水汽供應(yīng)充足，強(qiáng)降水多發(fā)，且往往伴有雷電、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。從珠海市年平均短時(shí)強(qiáng)降水（20≥mm／h）頻次（圖4a）和小時(shí)最大降水量（圖4b）分布可以看出，不同地區(qū)強(qiáng)降水的分布特征。其中，東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)數(shù)分布較為均勻，基本都在14 h以下，小時(shí)最大降水量呈現(xiàn)從沿海到內(nèi)陸減小的特征，沿海地區(qū)可達(dá)100 mm／h以上；西北地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)數(shù)呈現(xiàn)南多北少的分布特征，但是小時(shí)最大降水量卻是北側(cè)明顯大于南側(cè)；西南地區(qū)年平均短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)數(shù)中部較少，西部和南部較多，最大時(shí)降水量也是呈現(xiàn)沿海到內(nèi)陸逐漸減少的特征。

圖4 年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次（a）和小時(shí)最大雨量（單位：mm·h-1）（b）的分布

5 降水日變化分布特征

對(duì)珠海市站點(diǎn)的小時(shí)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域平均，分析不同降水時(shí)期降水的日變化特征（圖5），由圖5可以看到，珠海市的降水概率日變化在各降水時(shí)期均呈現(xiàn)“單鋒單谷”的特征。前汛期日降水概率峰值時(shí)段在凌晨至午后（04：00—15：00（北京時(shí)，下同）），峰值可達(dá) 13.5%，谷值時(shí)段出現(xiàn)在午夜（23：00—02：00），降水概率僅有8.2%；后汛期日降水概率較前汛期整體偏低，峰值時(shí)段出現(xiàn)在早晨至中午（07：00—14：00），峰值為 13.3%，谷值時(shí)段出現(xiàn)在傍晚（17：00—20：00），僅有7.5%；在非汛期，降水概率較低，變化范圍在5%～8%之間，凌晨到早晨（02：00—08：00）較大。

圖6為珠海市前汛期和后汛期降水日概率峰值時(shí)刻分布。在前汛期（圖6a），南部地區(qū)的峰值時(shí)刻在 05：00—07：00，而北部地區(qū)則為 09：00—12：00，全市呈現(xiàn)北部峰值時(shí)刻較南部偏晚的特征；而在后汛期（圖6b），此特征只西部地區(qū)較為明顯，東部地區(qū)的峰值時(shí)刻較為接近。整體而言，前汛期的日降水概率峰值較后汛期偏早2～3 h。

圖5 珠海市不同降水時(shí)期降水概率日變化

圖6 珠海市前汛期（a）和后汛期（b）降水概率峰值（%）時(shí)刻分布

珠海市降水日變化的這些特征與Chen等［20］利用TRMM衛(wèi)星資料得出的“5—6月清晨降水控制著中國東南部大部分地區(qū)，7—8月午后降水愈發(fā)強(qiáng)盛并控制了華南大部分地區(qū)，而清晨降水范圍顯著縮減。”結(jié)論較為接近。這可能是由于珠海市位于華南沿海，由低層風(fēng)場日變化引起的凌晨至上午的降水［21］較華南內(nèi)陸地區(qū)更為明顯。

6 結(jié)論

1）珠海市年平均降水量存在3個(gè)大值中心，分別在西部沿海、西北地區(qū)東部和西南地區(qū)南部；除東部地區(qū)北部外，其他區(qū)域降水時(shí)數(shù)與降水量分布基本一致。

2）年降水量空間EOF分析顯示，第1模態(tài)場占方差貢獻(xiàn)的56.3%，呈“全區(qū)一致”型；第2模態(tài)場占方差貢獻(xiàn)的21.5%，呈“東部南-北、西部東-西”型。

3）短時(shí)強(qiáng)降水（20≥mm／h）時(shí)數(shù)大值區(qū)域主要在西部地區(qū)；極端小時(shí)降水大值區(qū)域在東部和南部沿海，都在100 mm以上。

4）前汛期和后汛期降水概率日變化均呈現(xiàn)單峰特征，前汛期降水概率高于后汛期。

5）前汛期日降水概率峰值時(shí)刻呈現(xiàn)北部晚于南部的分布特征，后汛期此特征只在西部地區(qū)較為明顯；前汛期的日降水概率峰值時(shí)刻較后汛期偏早2～3 h。

關(guān)于珠海市降水的精細(xì)化特征研究，揭示了珠海市的降水規(guī)律，對(duì)于提高氣象預(yù)報(bào)水平有一定意義。但由于自動(dòng)站數(shù)量和資料質(zhì)量的限制，本研究只是初步揭示了珠海市的降水特征，關(guān)于地形以及海陸風(fēng)對(duì)降水的影響，還需要更精細(xì)的資料來揭示。同時(shí)，對(duì)于降水日變化特征形成的機(jī)理研究還不夠深入，仍需進(jìn)一步開展。