基于小時資料的珠海市降水特征分析

劉洋，李韻婕，王世強，黃照亮，何曉云

（1.珠海市公共氣象服務中心，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，強降水多發(fā)，經(jīng)常造成重大的經(jīng)濟損失，如2018年8月11日，珠海機場出現(xiàn)局地強降水，小時雨量高達112.3 mm，進出港航班受阻，航班大面積延誤，旅客大量滯留。目前關于珠海市降水特征大多都是基于珠海市國家觀測站單站的日降水量資料開展的，對于全市區(qū)域精細化降水特征還未有專項研究［1-4］。隨著精細化氣象預報服務的逐步開展，對于降水的預報能力要求也越來越高，關于降水精細化特征了解的需求也越來越迫切。近年來，隨著氣象自動觀測站網(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］，許多學者從降水時空 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］等多個角度對精細化降水的特征進行了研究。通過這些研究，有利于了解不同區(qū)域的降水特征、加深對于降水機理的認識，并為訂正和改進數(shù)值模式預報提供參考。

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

1 資料和方法

1.1 資料

珠海市自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡從1997年1月開始逐步布設，現(xiàn)已基本覆蓋珠海市各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并積累了大量的降水資料，但各個站點建站時間不統(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個站點（圖1），選取2010—2018年的逐時降水資料，利用時間一致性、空間一致性［15］、區(qū)域臨界值等方法進行分析質(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)域由于沒有長時間、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的觀測站點，故不做討論。從選取的自動站分布來看，各個區(qū)域內(nèi)站點分布極不均勻：東部區(qū)域面積狹小，站點稠密，共有站點11個；西北部和西南部區(qū)域面積大，站點稀疏，分別只有4和6個。

圖1 珠海市自動站分布

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）降水時次和短時強降水的定義。

定義時降水量≥0.1 mm的時次為降水時次，時降水量≥20 mm為短時強降水時次。由于本研究使用的降水資料為整點時降水資料，會導致部分1 h滑動的降水量被劃分到2個時次，故統(tǒng)計的短時強降水時次和極端降水量均低于實際1 h滑動值。

3）年降水分布特征分析。

為分析珠海市年降水量的時空分布特征，在對年降水量資料標準化處理后，進行了EOF分析（經(jīng)驗正交函數(shù)分解）。EOF分析方法可以揭示降水分布的主要模態(tài)，已在氣象領域得到廣泛的應用［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數(shù)分布圖。從其分布來看，降水量和降水時數(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，降水時數(shù)卻呈現(xiàn)南少北多的特征，尤其在北部地區(qū)，降水時數(shù)達到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)，降水量達到1 800 mm以上，同時也是全市的降水中心，降水時數(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）對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者有著密切的關系。珠海市屬于亞熱帶季風氣候，汛期風向以西南風和東南風為主，區(qū)域內(nèi)地形復雜，迎風坡降水效應明顯。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)亦屬于迎風坡地形，有利于強降雨發(fā)生；西北地區(qū)北部和東部為河谷地形，對于降水云系的加強也十分有利；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)南部珠海機場站則處于東南氣流影響時迎風坡的位置，極端降水多發(fā)。

3 年降水量時空分布特征

對珠海市2010—2018年年降水量標準化處理后，進行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）及對應的時間系數(shù)序列（圖3c-d），均通過特征值誤差范圍的顯著性檢驗［19］。第1特征向量場的方差貢獻率為56.3%，其空間分布（圖3a）呈全區(qū)一致性負值，僅西南地區(qū)中部較?。黄鋾r間系數(shù)（圖3c）在2010—2015年為正值，2016—2018年為負值。第2特征向量場的方差貢獻率為21.5%，其空間分布（圖3b）在西部地區(qū)自西向東呈現(xiàn)“正-負-正”的特征，東部地區(qū)則自南向北呈現(xiàn)“負-正-負-正”的特征；其時間系數(shù)（圖 3d）在 2010—2013年波動明顯，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）和時間系數(shù)（c、d）

4 強降水分布特征

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

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

5 降水日變化分布特征

對珠海市站點的小時資料數(shù)據(jù)進行區(qū)域平均，分析不同降水時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期均呈現(xiàn)“單鋒單谷”的特征。前汛期日降水概率峰值時段在凌晨至午后（04：00—15：00（北京時，下同）），峰值可達 13.5%，谷值時段出現(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，峰值時段出現(xiàn)在早晨至中午（07：00—14：00），峰值為 13.3%，谷值時段出現(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刻分布。在前汛期（圖6a），南部地區(qū)的峰值時刻在 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)強盛并控制了華南大部分地區(qū)，而清晨降水范圍顯著縮減?！苯Y(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)場占方差貢獻的56.3%，呈“全區(qū)一致”型；第2模態(tài)場占方差貢獻的21.5%，呈“東部南-北、西部東-西”型。

3）短時強降水（20≥mm／h）時數(shù)大值區(qū)域主要在西部地區(qū)；極端小時降水大值區(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刻較后汛期偏早2～3 h。

關于珠海市降水的精細化特征研究，揭示了珠海市的降水規(guī)律，對于提高氣象預報水平有一定意義。但由于自動站數(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，關于地形以及海陸風對降水的影響，還需要更精細的資料來揭示。同時，對于降水日變化特征形成的機理研究還不夠深入，仍需進一步開展。