董保舉 徐安倫 蘇錦蘭

1 大理國家氣候觀象臺,云南大理 671003 2 中國氣象局大理山地氣象野外科學試驗基地,云南大理 671003

提 要：基于大理國家氣候觀象臺蒼山-洱海梯度觀測系統(tǒng)2011—2020年濕季小時降水資料,分析山頂、山腰和壩區(qū)3個站的降水日變化特征。結果顯示:降水量日變化,壩區(qū)站呈現(xiàn)單峰型,山腰站和山頂站則是雙峰型;降水頻次日變化,壩區(qū)站和山頂站為單峰型,山腰站日變化比較平緩;各時次的降水量、降水頻次基本隨海拔高度的增加而增多;降水強度日變化,山頂站為雙峰型,壩區(qū)站和山腰站波動較大,午后為小值區(qū),夜間為大值區(qū),3個站在14:00—17:00的降水強度相差不大,而其他時段山腰站和壩區(qū)站的降水強度比山頂站大。夜間降水量在持續(xù)時間2～16 h是大值區(qū),隨海拔的增加降水量大值區(qū)持續(xù)時間較長;白天降水量在持續(xù)時間小于6 h是大值區(qū),隨海拔的增加,大值出現(xiàn)的時間向后移。降水頻次在持續(xù)時間小于6 h,3個站在白天、夜間分別有一個大值區(qū),而持續(xù)時間7～18 h的只有山頂站夜間有大值區(qū);壩區(qū)站和山頂站夜間降水頻次大于白天降水頻次,山腰站白天、夜間降水頻次相差不大。長歷時(中歷時、短歷時)的累計降水量、降水頻次隨海拔高度的增加而增大(減小);3個站長歷時降水量(長歷時降水頻次)對總降水量(總降水頻次)的貢獻最大,貢獻最小的是短歷時降水量(中歷時降水頻次)。

引 言

降水日變化是地球氣候系統(tǒng)中大氣熱力和動力過程對水循環(huán)過程綜合影響的結果,對降水日變化特征的分析研究,不僅有助于了解區(qū)域氣候特征、理解降水的形成機理,還在揭示局地動力、熱力過程等方面具有重要作用。針對降水日變化特征,國內有不少學者進行了深入分析研究,Yu et al(2007b)利用我國臺站1991—2004年自動觀測降水資料分析夏季降水的日變化特性,指出我國夏季降水日變化特征區(qū)域差異顯著。Yu et al(2007a)進一步分析指出降水持續(xù)時間是區(qū)分不同類型降水事件的一個關鍵因素,且降水的持續(xù)性可很好地解釋降水日變化的雙峰值。李建等(2008)使用1961—2004年的小時降水數(shù)據(jù)來分析北京夏季降水的氣候特征和日變化規(guī)律,指出降水量和降水頻次在下午至凌晨呈現(xiàn)高值時段、中午前后出現(xiàn)最低值,且近40年短時降水事件中降水量明顯增加、長時降水事件中降水量有所減少。姚莉等(2009;2010)分析了我國小時雨強的時空分布特征,指出雨強日變化具有明顯地區(qū)差異。王夫常等(2011)分析了我國西南地區(qū)的降水日變化,指出降水的夜雨特征明顯,且降水日變化存在東西區(qū)域差異。計曉龍等(2017)認為整個青藏高原地區(qū)夏季降水量和降水頻率的日變化表現(xiàn)出明顯的凌晨和傍晚的雙峰結構,而降水強度的雙峰結構卻不太明顯。彭莉莉等(2020)發(fā)現(xiàn)南岳山降水從山底到山頂總降水量逐漸增加,存在3個降水峰值時段:清晨降水量峰值主要由該時段降水頻次較高所致,午后與傍晚峰值主要與該時段降水強度較大有關。張宏芳等(2020)認為暖季秦嶺南北降水日變化存在顯著差異,秦嶺南部降水日峰值主要是盆地地形影響下的夜雨,北部則是午后黃土高原上的晝雨。趙瑋等(2022)利用北京地區(qū)20個國家站1980—2020年的長期逐時降水資料,揭示了北京夏季降水日變化的氣候態(tài)、季節(jié)和區(qū)域特征及差異,獲得了不同持續(xù)時間降水交替主導的降水結構特征。雖然有關降水日變化的研究已開展很多,但不同地域、不同海拔高度對降水分布的影響明顯不同,且具有非常強的局地性特征,因此,對于特定地域或山脈的降水時空分布特征仍需要深入研究。

云南省大理白族自治州境內的蒼山(25.57°～26.00°N、99.95°～100.20°E)南北綿延48.5 km,東西寬13.0～20.5 km,東西兩側地勢復雜,最高點(馬龍峰)海拔為4122 m,與蒼山東側壩區(qū)海拔相差約2100 m。位于蒼山東側壩區(qū)的洱海,是云南省第二大高原淡水湖,呈耳狀分布,南北長42 km,東西寬4～9 km,最大水深為21.3 m,平均水深為10.8 m,湖泊面積約為252 km2,湖泊最大蓄水量為29.59億m3。蒼山-洱海及其周邊地區(qū)具有其顯著的天氣氣候特征:在干季(11月至次年4月),陣性大風天氣頻繁出現(xiàn),特別是2月、3月,多年平均大風日數(shù)為61.6 d,瞬時最大風速達40.8 m·s-1;在濕季(5—10月),“十里不同天”,地形降水時空分布不均,短時強降水、雷暴等強對流天氣頻次高,弱天氣背景下的強降水特征突出。因此,大理蒼山-洱海區(qū)域是研究中小尺度地形對大氣的熱動力效應以及地形降水垂直梯度分布的典型代表。最近幾年,大理國家氣候觀象臺、大理州氣象局科研團隊圍繞蒼山-洱海區(qū)域的降水特性進行了分析研究,蘇錦蘭等(2015;2017)分析了蒼山東西兩側降水特征及差異,結果顯示蒼山東西側多年平均降水氣候態(tài)相似,年降水量接近,降水季節(jié)演變一致,但小時降水量和降水頻次日變化存在顯著差異。徐安倫等(2017)分析發(fā)現(xiàn)洱海流域的降水分布與低緯高原季風氣候、洱海流域復雜地形、盛行風效應等因素的關系密切。高志偉等(2021)基于自然鄰點插值法分析了洱海湖面降水的空間分布特征。Zhang et al(2021)基于自動站分鐘雨量和天氣雷達數(shù)據(jù),分析了蒼山夏季區(qū)域降水事件的精細特征,揭示了短時和長時降水過程的差異特征。本文將利用大理國家氣候觀象臺蒼山-洱海梯度觀測系統(tǒng)長序列觀測資料,分析蒼山山頂及其東側山腰、壩區(qū)的降水日變化,以期獲得對蒼山不同海拔高度降水日變化差異的新認識,為深入理解中小尺度地形下降水時空分布以及復雜地形對降水的影響等提供觀測依據(jù)。

1 觀測概況及資料選取和處理方法

1.1 觀測概況

2010年年底,大理國家氣候觀象臺沿25.7°N線,在蒼山山頂和東西坡不同海拔高度上及洱海東岸布設了多個自動氣象站,與大理、漾濞國家級氣象站組成了一個較完整的山地氣象梯度觀測系統(tǒng)(董保舉,2017;Xu and Li,2020)。觀測區(qū)域屬于低緯高原季風氣候,根據(jù)大理國家基準氣候站1940—2020年共81年的氣候資料統(tǒng)計顯示,年平均氣溫在14.1℃(1992年)～16.1℃(1952、2009、2010、2012、2014、2019年)變化,多年平均氣溫為15.2℃,極端最高氣溫為34.0℃(1951年6月14日),極端最低氣溫為-4.3℃(2013年12月17日);年降水量在650.2 mm(1960年)～1599.2 mm(1948年)變化,多年平均降水量為1091.3 mm(其中濕季5—10月降水量為930.3 mm,占全年降水量的85.2%),最大日降水量為136.8 mm(1959年8月13日),最大小時降水量為56.0 mm(2003年7月22日)。

1.2 資料選取和處理方法

結合蒼山周邊地形地貌和研究目標,選取位于蒼山山頂?shù)碾娨曓D播臺站(25.67° N、100.09° E,海拔為4092.0 m)(簡稱山頂站)、山腰的白雀寺站(25.70° N、100.12° E,海拔為2640.0 m)(簡稱山腰站)和壩區(qū)的大理國家基準氣候站(25.71° N、100.18° E,海拔為1977.7 m)(簡稱壩區(qū)站)作為不同海拔高度的代表站,3個站分布如圖1所示。由于山頂站海拔較高,每年11月至次年4月氣溫較低,容易結冰導致翻斗雨量筒被凍住,加之該自動站無人值守,降水資料不可用,所以3個站的資料時段統(tǒng)一選取2011—2020年濕季5—10月。大理國家基準氣候站通過ISO9001質量管理體系認證,觀測數(shù)據(jù)質量可靠。山頂站和山腰站由于人為維護、蓄電池老化、雨量傳感器故障等原因,觀測資料存在缺測現(xiàn)象,數(shù)據(jù)缺測率低于6.1%,相關數(shù)據(jù)通過界限值檢查和時間一致性檢查兩個方面的質量控制(任芝花等,2010)。

在分析和統(tǒng)計過程中,每小時降水量≥0.1 mm時認定為有效降水發(fā)生。在討論降水出現(xiàn)頻次時,一個時次有降水發(fā)生就被認為出現(xiàn)降水一次。逐小時降水量通過累加10年不同研究時段內各時次降水量除以10獲得(做多年平均處理);同理,逐時降水出現(xiàn)頻次由10年間不同研究時段內各時次降水出現(xiàn)次數(shù)總和除以10獲得;逐時降水強度為10年間各時次降水量總和除以對應時次降水出現(xiàn)次數(shù)總和(周長艷等,2015)。當某一次降水發(fā)生時次后連續(xù)2 h沒有降水發(fā)生定義為一次降水過程的結束,并將一次降水開始時刻至降水結束時刻的小時數(shù)定義為一次降水持續(xù)時間(楊森等,2011)。參考以往的研究(楊萍等,2017),根據(jù)降水持續(xù)時間,把降水事件分成3類:1～3 h為短歷時降水,4～6 h為中歷時降水,大于6 h為長歷時降水。文中涉及的時間均采用北京時,白天時段為08:00—20:00,夜間時段為20:00至次日08:00。

通過上述處理獲得大理蒼山東側不同海拔高度10年平均的逐時降水量、逐時降水出現(xiàn)頻次、逐時降水強度等數(shù)據(jù),繪制上述物理量24 h變化曲線,分析其日變化特征,并統(tǒng)計近10年大理不同持續(xù)時間降水事件的逐小時累計降水量以及累計發(fā)生次數(shù),繪制時間剖面圖,研究其日變化特征。

2 結果分析

2.1 降水量、降水頻次和降水強度的日變化特征

圖2給出了2011—2020年濕季蒼山山頂、山腰和壩區(qū)3個站10年平均的降水量、降水頻次和降水強度日變化。由圖2a可以看出,不同海拔高度的 3個站降水量均表現(xiàn)出顯著的日變化,但其日變化特征存在明顯差異。壩區(qū)站降水量日變化呈現(xiàn)單峰型分布:15:00出現(xiàn)最小值(18.0 mm),此后各時次的降水量逐漸增加,到05:00出現(xiàn)最大值(48.8 mm),之后逐漸減小。山腰站和山頂站降水量日變化均呈現(xiàn)雙峰型分布,山腰站在06:00出現(xiàn)降水最大峰值(71.1 mm),在12:00出現(xiàn)次峰值(58.4 mm),而山頂站在05:00出現(xiàn)降水最大峰值(109.9 mm),在14:00出現(xiàn)次峰值(75.8 mm);山腰站在20:00出現(xiàn)最小谷值(38.7 mm),在10:00出現(xiàn)次谷值(39.4 mm),而山頂站在11:00出現(xiàn)最小谷值(56.4 mm),在18:00出現(xiàn)次谷值(58.7 mm)。01:00—08:00是這3個站降水量相對較多的時段,壩區(qū)站、山腰站、山頂站8 h累計降水量分別占總降水量的45.1%、38.8%、41.1%;15:00—19:00是降水量相對較少的時段,累計降水量分別占總降水量的13.7%、17.6%、17.8%。另外,由圖2a還可以看出,從壩區(qū)、山腰至山頂,除了11:00山腰站和山頂站的降水量相差不大之外,其余時次3個站的降水量均隨海拔的增加而增大。10 a平均狀態(tài)下,3個站濕季累計降水量也隨著海拔的增加而增多,分別為799.9、1194.2、1647.0 mm,蒼山山頂站降水量大約是壩區(qū)站的2.1倍,山腰站降水量大約是壩區(qū)站的1.5倍。

由圖2b可以看出,在10年平均狀態(tài)下,每個時次的降水頻次均與海拔密切相關,海拔越高,降水頻次越多,但3個站的降水頻次呈現(xiàn)出不同的日變化特征。山頂站和壩區(qū)站降水頻次的日變化趨勢基本一致,即為單峰型分布,夜間為降水頻次大值時段,壩區(qū)站的最大降水頻次出現(xiàn)在04:00(30.3次),最小降水頻次出現(xiàn)在15:00(15.5次),山頂站的最大降水頻次出現(xiàn)在05:00(100.0次),最小降水頻次出現(xiàn)在13:00(58.4次),即夜間降水量大值是由于降水頻次高造成的。山腰站降水頻次的日變化比較平緩,基本看不出日變化,最大值出現(xiàn)在13:00的 37.3 次,最小值出現(xiàn)在18:00的28.0次。01:00—08:00是壩區(qū)站和山頂站降水頻次相對較多的時段, 8 h累計降水頻次分別占總降水頻次的42.7%、40.8%;11:00—18:00是降水頻次相對較少的時段,該時段內的累計降水頻次分別占總降水頻次的26.6%、25.8%。

由圖2c可以看出,10年平均的壩區(qū)站和山腰站降水強度的日變化趨勢基本一致,呈現(xiàn)劇烈的波動特征,午后出現(xiàn)最小值,前者的最小值為17:00的1.1 mm·h-1,后者的為15:00的1.2 mm·h-1;夜間出現(xiàn)最大值,兩者的最大值均為1.9 mm·h-1,前者在01:00出現(xiàn),而后者在06:00出現(xiàn),這與蘇錦蘭等(2015)研究的蒼山東側降水強度基本一致,即午后降水強度較小,凌晨至日出降水強度較大。山頂站的降水強度日變化為雙峰雙谷型,最大峰值為14:00 的1.3 mm·h-1,次峰值為05:00的1.1 mm·h-1,最小值為09:00的0.8 mm·h-1,次小值為21:00 和23:00的0.9 mm·h-1。總體來說,3個站在14:00—17:00的降水強度差別不大,而其他時段,山頂站的降水強度明顯比山腰和壩區(qū)的要小,這可能是由于午后山頂對流旺盛,降水強度大,而山腰和壩區(qū)則夜間降水多且降水強度大。

圖2 山頂站、山腰站和壩區(qū)站的(a)降水量、(b)降水頻次和(c)降水強度日變化Fig.2 Diurnal variation of (a) rainfall amount, (b) rainfall frequency and (c) rainfall intensity of the three stations at the hilltop, the hillside, and the dam of the Cangshan Mountain

2.2 不同持續(xù)時間的降水量和降水頻次特征

圖3給出了蒼山山頂站、山腰站和壩區(qū)站不同持續(xù)時間的降水量日變化特征。3個站降水持續(xù)時間1 h以內的降水量很小,各時次累計降水量都小于20.0 mm(除山腰站11:00、17:00和19:00外),持續(xù)時間2～16 h的降水量較大;夜間3個站都存在累計降水量超過30.0 mm的時段,隨著海拔的增加,累計降水量大值區(qū)持續(xù)時間越長;白天累計降水量的變化各不相同,持續(xù)時間6 h以內的降水量在壩區(qū)站、山腰站和山頂站分別在日出、中午和午后左右有一個大值區(qū),最大值分別為78.1、114.9、62.8 mm,出現(xiàn)時間從壩區(qū)站的09:00,到山腰站的11:00,再到山頂站的16:00,隨海拔升高最大值出現(xiàn)的時間往后移。白天持續(xù)時間大于6 h時,3個站降水量明顯變小,山頂站變小尤其明顯。這與Yu et al (2007b)研究得出的結論“中國中東部夏季長持續(xù)性降水的峰值大多位于夜間和清晨,而短持續(xù)性降水的極大值則多出現(xiàn)在下午或傍晚”基本一致。

圖3右側曲線分別為不同持續(xù)時間降水事件在白天和夜間的累計降水量。持續(xù)時間6 h以內的事件,壩區(qū)站基本是夜間降水量大于白天,山腰站和山頂站的變化比較大;而持續(xù)時間為7～20 h的事件,則是3個站夜間累計降水量基本均大于白天(山腰站持續(xù)時間17 h除外),壩區(qū)站、山腰站和山頂站白天(夜間)降水量分別為3122.7、5528.3和6962.5 mm(4876.1、6413.6和9507.4 mm),分別占39.0%、46.3%和42.3%(61.0%、53.7%和57.7%)。

注:右側實線(虛線)代表白天(夜間)的降水量。圖3 (a)山頂站、(b)山腰站、(c)壩區(qū)站不同持續(xù)時間的降水量變化Fig.3 Rainfall amount for different durations from the three stations at (a) the hilltop, (b) the hillside, and (c) the dam of Cangshan Mountain

從山頂站、山腰站和壩區(qū)站的不同歷時降水量(表1)可以看出,降水貢獻主要是長歷時降水量,中歷時降水量次之,短歷時降水量貢獻最少。長歷時降水量隨海拔的增加,降水量貢獻率也隨著增加,從壩區(qū)站的65.8%增加到山頂站的89.5%。中歷時和短歷時降水量隨海拔的增加,降水量貢獻率減小,分別從壩區(qū)站的21.1%和13.1%減小到山頂站的6.5%和4.0%。

表1 蒼山山頂站、山腰站和壩區(qū)站不同歷時的累計降水量Table 1 Accumulated rainfall amount for different durations from three stations at the hilltop, the hillside, and the dam of Cangshan Mountain

圖4給出了蒼山山頂站、山腰站和壩區(qū)站不同持續(xù)時間的降水頻次的日變化特征。3個站降水頻次在持續(xù)時間6 h內較大,白天(夜間)都有一個大值。白天分別為:山頂站,持續(xù)時間1 h,19:00,25次;山腰站,持續(xù)時間1 h,13:00,56次;壩區(qū)站,持續(xù)時間4 h,15:00,27次。夜間則相應為:持續(xù)時間3 h,06:00,29次;持續(xù)時間5 h,05:00,27次;持續(xù)時間1 h,07:00,38次。持續(xù)時間大于7 h后,只在夜間存在一個大值。壩區(qū)站和山腰站,降水頻次隨持續(xù)時間的變長逐漸減小,而白天和夜間降水頻次變化不大;山頂站,持續(xù)時間7～18 h是降水頻次大值區(qū),尤其是夜間至日出,最大值為持續(xù)時間13 h(05:00、07:00,43次)。

注:右側實線(虛線)代表白天(夜間)的降水頻次。圖4 (a)山頂站、(b)山腰站、(c)壩區(qū)站不同持續(xù)時間的降水頻次變化Fig.4 Rainfall frequency for different durations from the three stations at (a) the hilltop, (b) the hillside, and (c) the dam of Cangshan Mountain

圖4右側曲線為不同持續(xù)時間降水事件在白天和夜間的降水頻次。山頂站和壩區(qū)站比較接近,持續(xù)時間為3～20 h的降水頻次夜間大于白天(壩區(qū)持續(xù)時間13 h除外),山腰站白天和夜間降水頻次比較接近。壩區(qū)站、山腰站和山頂站白天(夜間)降水頻次分別為2181、3943和6855次(3044、3844和9911次),分別占41.7%、50.6%和40.9%(58.3%、49.4%和59.1%),可以看出山腰站夜間和白天降水頻次接近,而山頂站和壩區(qū)站夜間累計降水頻次大于白天累計降水頻次。

從山頂站、山腰站和壩區(qū)站的不同歷時的降水頻次(表2)可以看出,降水頻次的貢獻主要是長歷時降水,這與南岳山短持續(xù)降水過程頻次多于長持續(xù)降水過程(彭莉莉等,2020)相反。長歷時降水頻次是主要貢獻,與降水量的貢獻基本一致,降水頻次貢獻率隨海拔的增加而增加,從壩區(qū)站的56.4%,增加到山頂站的86.8%,短歷時降水頻次和中歷時降水頻次占降水頻次貢獻率與降水量貢獻率相反,中歷時降水頻次貢獻最少,中歷時和短歷時降水頻次隨海拔的增加而減小,分別從壩區(qū)站的19.9%和23.7%,減小到山頂站的6.3%和6.9%。

從以上分析可知,大理蒼山不同海拔高度的3個站長歷時降水量(頻次)大于短歷時、中歷時降水量(頻次),短歷時、中歷時降水量(頻次)隨海拔的升高而減小,而長歷時降水量(頻次)隨海拔的增高而增大。

表2 蒼山山頂站、山腰站和壩區(qū)站不同歷時的累計降水頻次Table 2 Accumulated rainfall frequency for different durations from three stations at the hilltop, the hillside and the dam of Cangshan Mountain

3 結論和討論

通過對2011—2020年大理蒼山濕季不同海拔高度降水的日變化特征進行分析,得到如下結論:

(1)降水量日變化:壩區(qū)站呈現(xiàn)單峰型,山腰站和山頂站是雙峰型,最大峰值出現(xiàn)在05:00—06:00,最小值分別出現(xiàn)在15:00、20:00和11:00, 01:00—08:00是降水量最多的時段,15:00—19:00是降水量相對較少的時段。降水頻次日變化:壩區(qū)站和山頂站為單峰型,最大峰值分別出現(xiàn)在04:00和05:00,最小谷值分別出現(xiàn)在15:00和13:00,01:00—08:00是降水頻次最多的時段,11:00—18:00 是降水頻次相對較少的時段;山腰站降水頻次日變化比較平緩,沒有明顯的大(小)值區(qū)。降水強度日變化:壩區(qū)站和山腰站波動較大,午后為小值區(qū),夜間為大值區(qū);山頂站為雙峰型,中午和凌晨是大值區(qū),日出和傍晚是小值區(qū)。

(2)不同持續(xù)時間的降水量日變化。壩區(qū)站、山腰站和山頂站持續(xù)時間1 h以內的降水量小于20.0 mm,持續(xù)時間2～16 h的降水量在夜間存在超過30.0 mm的大值區(qū),隨海拔的增加,降水大值區(qū)持續(xù)時間越長。白天持續(xù)時間小于6 h,都存在降水量大于30.0 mm的大值區(qū),并隨海拔的升高,大值出現(xiàn)的時間后移;持續(xù)時間大于6 h,降水量較小。壩區(qū)站、山腰站和山頂站夜間降水量分別占全天降水量的61.0%、53.7%和57.7%,夜間降水量大于白天,夜間降水較突出。

(3)不同持續(xù)時間的降水頻次日變化。壩區(qū)站、山腰站和山頂站降水頻次在6 h內較大,白天和夜間都存在一個大值。持續(xù)時間大于7 h,壩區(qū)站和山腰站降水頻次隨持續(xù)時間的變長而逐漸減小,沒有大值區(qū);而山頂站,持續(xù)時間7～18 h在夜間至日出是降水頻次大值區(qū)。壩區(qū)站、山頂站夜間降水頻次大于白天,山腰站降水頻次白天略大于夜間。

(4)長歷時降水量(降水頻次)貢獻率隨海拔的增加而增大,而中歷時、短歷時降水量(降水頻次)貢獻率隨海拔的增加而減小。長歷時降水量對總降水量貢獻最大,短歷時降水量貢獻最少;長歷時降水頻次對總降水頻次貢獻最大,中歷時的貢獻最小。

上述結論揭示了蒼山山頂及其東側降水量、降水頻次和降水強度隨海拔高度的變化特征,對認識和理解小尺度地形下降水的時空不均性具有重要意義。但不同天氣系統(tǒng)下的降水垂直梯度分布差異十分顯著,限于篇幅原因,下一步將選取弱天氣系統(tǒng)的強降水個例,結合蒼山-洱海區(qū)域建設的多普勒天氣雷達、風廓線雷達、Ka波段測云儀、微波輻射計、閃電定位儀、地基GPS水汽監(jiān)測儀等新型探測資料,深入分析蒼山地形對降水分布的影響機理,為提高復雜地形區(qū)的降水預報準確率提供支撐。