基于逐小時數(shù)據(jù)的遼寧省夏季降水日變化特征分析

李曉婷，劉利民，李雪洋,3，王婷婷，肇同斌

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，沈陽110161；2.鐵嶺市氣象局，遼寧鐵嶺112600；3.本溪市氣象局，遼寧本溪117000；4.遼寧省氣象信息中心，沈陽110000）

降水日變化是降水在白天與黑夜之間的強弱交替現(xiàn)象，它是以太陽輻射為最主要驅(qū)動力的大氣環(huán)流最基本的時間演變模態(tài)之一[1-2]。由于降水日變化與輻射之間存在著反饋作用，因此對于氣候系統(tǒng)的能量收支有很大的調(diào)制作用[3-5]。研究降水的日變化特征，不僅有助于理解降水形成機理和區(qū)域氣候形成機制，而且有助于驗證數(shù)值模式某些物理過程參數(shù)化方案的合理性及進一步改進[6-8]。因此，有關(guān)降水日變化的研究，成為當前氣候研究領(lǐng)域的一個熱點問題。迄今為止，國內(nèi)外學者就降水日變化特征，作了大量的研究工作。國內(nèi)外已有研究表明，降水日變化是氣候系統(tǒng)中大氣動力和熱力過程對水循環(huán)過程綜合影響的結(jié)果，涉及不同尺度的海-氣、陸-氣、海-陸的相互作用，對地球系統(tǒng)的水及能量循環(huán)、動量交換、生態(tài)環(huán)境及人類活動都有重要影響[9-11]。降水日變化是檢測和評估天氣預(yù)報模式和氣候模式的重要指標，如果模式不能模擬降水日變化，就不能模擬地氣-輻射反饋的非線性過程，導(dǎo)致模式整體性能退化[12-14]。

前人對東北降水日變化特征的研究是從大的區(qū)域角度來進行分析，具體到更小尺度的遼寧省的相關(guān)研究相對較少。楊森等[15]利用遼寧省25個氣象觀測站1961～2008年夏季降水的逐時資料，從降水量、降水頻次、降水持續(xù)時間分析了遼寧省夏季降水的日變化特征，并對降水日變化的成因進行了簡要分析，該研究有助于對于遼寧省夏季降水日變化區(qū)域特征的認識。然而，降水在不同的強度水平上，也具有不同的日變化特征。由于極端強降水的致災(zāi)性強，其時空變化規(guī)律受到廣泛關(guān)注，而對于弱降水及中等強度降水的研究相對較少，這兩類降水雖然累計降水量相對較少，但如果發(fā)生頻次高，對于緩解干旱及增加空氣濕度具有重要作用。此外，不同等級的降水形成機制也不同。因此，有必要進行不同等級降水的日變化特征研究。另一方面，由于中國氣候存在著明顯的年代際變化特征，在全球變化背景下，降水日變化特征是否發(fā)生變化？也是一個非常重要的研究課題。因此，需要不斷對逐時降水資料更新和分析。

鑒于以上原因，本研究利用2008～2017 年遼寧省60 個氣象觀測站點的逐時降水資料，從降水量、降水頻率、降水強度方面細致研究遼寧省夏季降水的日變化特征，并對不同持續(xù)時間和不同等級的降水對夏季降水的貢獻及日變化特征進行深入分析。研究結(jié)果將有助于進一步深化對遼寧省夏季降水日變化特征的理解。

1 材料與方法

1.1 材料

選用遼寧省氣象局提供的2008～2017 年遼寧省夏季（6～8 月）60 個國家級氣象觀測站的逐時降水量數(shù)據(jù)（由儀器設(shè)備自動采集并上傳），通過氣候極值檢查和內(nèi)部一致性檢查對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。此外，供試數(shù)據(jù)還有遼寧省高程數(shù)據(jù)，來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所（http://eds.ceode.ac.cn/sjglb/dataservice.htm）。

1.2 方法

本試驗的研究區(qū)域為遼寧?。|經(jīng)118°53'～125°46'，北緯38°43'～43°26'）。降水發(fā)生的判據(jù)為小時降雨量大于等于0.1mm[16]。對2008～2017 年夏季逐小時降水資料進行分析，統(tǒng)計出一天（北京時間00∶00～23∶00，共24h）每個時段的累計降水量和累計降水時數(shù)。對于一天中的某小時，夏季的總時數(shù)=92×10=920h，根據(jù)這些統(tǒng)計結(jié)果進一步計算出夏季一天中每小時氣候平均的降水量、降水頻率、降水強度，計算公式為：（1）降水量（PA）=累計降水量/總時數(shù)；（2）降水頻率（PF）=（累計降水時數(shù)/總時數(shù)）×100%；（3）降水強度（PI）=累計降水量/累計降水時數(shù)。一天中24 個時段氣候平均值的極大值為日峰值，為了更好的反映各氣象站降水峰值的差異，采用自然間斷點法對遼寧省降水量、降水頻率、降水強度日峰值進行分級。根據(jù)降水量和降水頻率日峰值及兩者出現(xiàn)的時間，結(jié)合地形對遼寧省分區(qū)。通過求算各區(qū)域內(nèi)氣象站降水量和降水頻率的算術(shù)平均值得到區(qū)域平均降水量和降水頻率，進一步探討降水日變化的區(qū)域差異。

為了進一步深入分析遼寧省降水日變化的特征，對不同持續(xù)時間和不同等級降水的日變化進行分析。當一次降水過程之后連續(xù)2h 沒有降水時，判定一次降水過程結(jié)束，將一次降水事件開始至結(jié)束的小時數(shù)定義為其持續(xù)時間，參考YU[17]的定義，根據(jù)持續(xù)時間將降水事件分為4類：短歷時降水為持續(xù)1～3h的降水；中長歷時降水為持續(xù)4～6h 的降水；長歷時降水為持續(xù)7～12h 的降水；超長歷時降水為持續(xù)超過13h 的降水，對各個站點的逐時降水數(shù)據(jù)根據(jù)其所在降水事件的持續(xù)時間進行劃分，然后根據(jù)分類將不同持續(xù)時間的逐時降水進行統(tǒng)計（累加及求平均）。參考ZHUO等[18]將不同強度降水劃分為4個等級標準（L1～L4）：0.1～10mm·h-1；10～25mm·h-1；25～50mm·h-1；大于50mm·h-1，對逐時降水數(shù)據(jù)根據(jù)其降水強度進行劃分，然后根據(jù)分類將不同強度的逐時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計（累加及求平均）。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省夏季降水日變化的基本特征

2.1.1 遼寧省夏季降水日峰值及其出現(xiàn)時間的空間分布 遼寧省降水量日峰值從東向西方向遞減，遼寧東部沿海地區(qū)降水量日峰值多數(shù)達到0.34mm·h-1以上，而遼寧西部山地的降水量日峰值均在0.27mm·h-1以下，遼寧中部平原的降水量日峰值大多介于兩者之間。遼寧西部山地降水量日峰值出現(xiàn)時間比較一致，均在16∶00～17∶00；而在沿海地區(qū)，降水量日峰值出現(xiàn)在5∶00～11∶00；在中部內(nèi)陸地區(qū)，降水量日峰值多出現(xiàn)在14∶00～18∶00（圖1a），這與前人研究結(jié)果一致[15]。

遼寧省降水頻率日峰值的空間分布與降水量日峰值的分布相似（圖1b）：自東向西方向遞減。受渤海和黃海影響，遼寧東部地區(qū)的降水量和降水頻率日峰值較大，而遼寧西部山地受北部蒙古高原的干燥冷空氣侵入，使得遼寧西部山地的降水量和降水頻率日峰值均偏小。西部山地和中東部內(nèi)陸地區(qū)的降水頻率日峰值多出現(xiàn)在17∶00，而沿海地區(qū)降水頻率日峰值集中出現(xiàn)在6:00，與降水量日峰值的出現(xiàn)時間基本一致。

由遼寧省夏季氣候平均降水強度日峰值的空間分布圖可知（圖1c），在山地與平原的交界處，降水強度較大，可能由于山地與平原之間的對流活動較強，易形成強降雨。并向兩側(cè)遞減，且沿海向內(nèi)陸遞減。

由于遼寧省下墊面條件復(fù)雜，降水量、降水頻率日峰值及出現(xiàn)時間差異明顯，結(jié)合地形將遼寧省分為4 個子區(qū)域（圖1a）。遼寧西部主要為山地，降水量日峰值較小且日峰值出現(xiàn)時間主要在17:00，將其劃分為遼西地區(qū)R1；遼寧東部南靠黃海，北有山地，降水量和降水頻率日峰值較大，且日峰值出現(xiàn)時間多出現(xiàn)在清晨，將其劃分為遼東地區(qū)R4；遼寧中部主要為平原，降水量和降水頻率日峰值均介于東、西之間，但南部靠海，日峰值出現(xiàn)在清晨，北為內(nèi)陸，日峰值多出現(xiàn)在午后，將其分別劃分為遼中內(nèi)陸地區(qū)R2和遼中沿海地區(qū)R3。

圖1 遼寧省夏季降水量日峰值（a）、降水頻率日峰值（b）和降水強度日峰值（c）及其出現(xiàn)時間(箭頭)的空間分布Figure 1 The spatial distribution of the summer Peak Precipitation Amount (a), peak precipitation Frequency (b) and peak precipitation Intensity (c) and its occurrence time (arrows) in a day (24h) in Liaoning Province

2.1.2 區(qū)域平均降水日變化特征 由圖2a和圖2b可知，遼寧省區(qū)域平均降水量和降水頻率日變化均為典型的雙峰結(jié)構(gòu)，且2個峰值的發(fā)生時間均為清晨和傍晚，而降水強度則只有1個傍晚明顯的日峰值。降水量日變化的2 個峰值相差不明顯，而降水頻率日變化在清晨的峰值明顯高于下午的峰值。這意味著降水量清晨的日峰值主要由于降水頻率的貢獻，而下午的日峰值，受降水強度的影響較大。

遼西R1 和遼中內(nèi)陸地區(qū)R2 的降水量、降水頻率日變化均為雙峰結(jié)構(gòu)，分別出現(xiàn)在清晨和傍晚，谷值出現(xiàn)在中午和夜晚（圖3）。遼中內(nèi)陸地區(qū)降水量和降水頻率日變化的峰谷值均高于遼西地區(qū)；遼中沿海R3和遼東地區(qū)R4 的則呈現(xiàn)單峰日變化，峰值出現(xiàn)在清晨，谷值出現(xiàn)在夜晚。遼東地區(qū)降水量和降水頻率日變化的峰谷值均高于遼中沿海地區(qū)。由此可以看出通過對遼寧省進行更為細致的區(qū)域劃分來研究降水日變化的必要性。

2.2 不同持續(xù)時間降水日變化特征

圖2 遼寧省夏季區(qū)域平均降水量（a）、降水頻率（b）和降水強度（c）的日變化特征Figure 2 Diurnal variations of the summer PA(a), PF (b) and PI (c) regionally averaged in Liaoning Province

圖3 遼寧省各子區(qū)域夏季區(qū)域平均降水量、降水頻率和降水強度的日變化特征Figure 3 Diurnal variations of the summer PA, PF and PI regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

2.2.1 不同持續(xù)時間降水對總降水的貢獻 分別統(tǒng)計各子區(qū)域不同持續(xù)時間降水的累計降水量和夏季總降水量，計算不同持續(xù)時間降水對夏季總降水量的貢獻。遼中內(nèi)陸地區(qū)、遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)隨著降水持續(xù)時間的增加，貢獻率也在增加，遼西地區(qū)1～3h 的降水貢獻率略高于4～6h 的貢獻率。在1～3h 的降水貢獻中，遼西地區(qū)＞遼中內(nèi)陸地區(qū)＞遼中沿海地區(qū)＞遼東地區(qū)，而在≥13h的降水貢獻率中遼東地區(qū)最高，遼西地區(qū)、遼中內(nèi)陸地區(qū)和遼中沿海地區(qū)在4 個不同持續(xù)時間降水的貢獻率差異在13%～24%之間，而遼東地區(qū)的差異高達30%（圖4）。整體來看，遼寧省長時降水（＞6h）對夏季降水的貢獻遠遠大于短時降水（1～3h），這說明由東亞季風等大尺度環(huán)流所引起的持續(xù)性降水對遼寧省夏季降水影響較大。

2.2.2 各子區(qū)域不同持續(xù)時間降水的日變化特征 在持續(xù)時間為1～3h的降水日變化中（圖5a），4個子區(qū)域的日峰值出現(xiàn)在15∶00～18∶00，其中遼西地區(qū)和遼中內(nèi)陸地區(qū)的日峰值較大，而遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)的日峰值較小，這可能與內(nèi)陸地區(qū)午后熱對流能量強相對應(yīng)，低層大氣的穩(wěn)定性受其影響較大。在4～6h 的降水日變化中（圖5b），遼西地區(qū)的日峰值出現(xiàn)在下午，遼中內(nèi)陸地區(qū)和遼東地區(qū)上午和下午的峰值差異不明顯，而遼中沿海地區(qū)的主要峰值出現(xiàn)在上午。在7～12h的降水日變化中（圖5c），4個區(qū)域的日峰值出現(xiàn)在4∶00～9∶00，遼東地區(qū)的日峰值最大，而遼西地區(qū)的最小，且遼西地區(qū)和遼中內(nèi)陸地區(qū)的峰值差異不明顯。在≥13h 的降水日變化中（圖5d），遼西地區(qū)、遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)的日峰值均出現(xiàn)在上午，而遼中內(nèi)陸地區(qū)的日峰值上午和下午各出現(xiàn)1次。

圖4 遼寧省各子區(qū)域不同持續(xù)時間降水量對夏季總降水量貢獻Figure 4 The percentage contribution of different du‐rations summer PA to total precipitation of each subregion in Liaoning Province.

圖5 遼寧省各子區(qū)域夏季不同持續(xù)時間降水的氣候平均降水量日變化特征Figure 5 Diurnal variations of the summer PA of different durations regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著降水持續(xù)時間的增加，4個子區(qū)域降水量日峰值的出現(xiàn)時間從下午逐漸過度到上午。短時降水在下午出現(xiàn)峰值可能與太陽輻射加熱產(chǎn)生的熱力對流有關(guān)：白天太陽對下墊面進行加熱，地面升溫引起局地對流活動，引起的水汽凝結(jié)很有可能產(chǎn)生短時的降水。而長時降水的形成，往往需要大尺度的天氣系統(tǒng)，穩(wěn)定的水汽供應(yīng)以及強烈持續(xù)的上升運動[19]，遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)長時降水的峰值要遠遠大于遼西和遼中內(nèi)陸地區(qū)，可能由于陸地上土壤熱容量遠遠小于海水，陸地升溫或降溫都比海洋快得多。14∶00陸地上溫度最高，隨后陸地上的降溫幅度高于海洋，海洋溫度漸漸超過陸地，且在清晨時溫差達到最大，此時海洋對應(yīng)的熱低壓與陸地形成的冷高壓之間形成陸風環(huán)流，將有利于陸地上干冷的空間進入到暖濕氣流之下，暖濕氣流被迫抬升，這種中、大尺度的天氣系統(tǒng)易形成長時降水。遼中沿海地區(qū)不僅受海洋影響，也受北部蒙古高原干燥冷空氣侵入的影響，而遼東地區(qū)由于山地機械阻障作用，使得蒙古高原的干燥冷空氣無法侵入，遼東地區(qū)的北部雖然離海洋較遠，但是在遼寧東部夏季大氣中低層盛行偏南風，將少量海洋水汽帶入北部，而當風遇到山脈阻擋，偏南風氣流被迫抬升，在適宜條件下會產(chǎn)生降雨。

2.3 不同等級降水的日變化特征

2.3.1 不同等級降水對總降水的貢獻 除不同持續(xù)時間降水外，不同等級的降水也是影響降水日變化的原因。分別統(tǒng)計各子區(qū)域不同等級降水的降水總量，計算不同等級降水對夏季總降水量的貢獻。由圖6可知，L1級降水對4個子區(qū)域夏季降水的貢獻最大，占總降水量的59%以上，并隨著降水等級升高，貢獻率明顯減小。這說明，遼寧省夏季降水主要以0.1～10mm·h-1的降水為主。

2.3.2 各子區(qū)域不同等級降水的日變化特征 隨著降水等級的增高，4 個子區(qū)域的峰值逐漸增多（圖7）。4 個子區(qū)域的L1 級降水降水量日變化（圖7a）基本為雙峰結(jié)構(gòu)，清晨峰值出現(xiàn)在 5∶00～6∶00，下午峰值出現(xiàn)在 16∶00～18∶00。遼西地區(qū)下午峰值高于清晨峰值，遼中內(nèi)陸地區(qū)的兩峰值大小差異不明顯，而遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)清晨峰值高于下午峰值；將L2 級降水峰值劃分為午前和午后（12:00 前后），遼西和遼中內(nèi)陸地區(qū)午后峰值高于午前峰值，遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)則相反（圖7b）；L3、L4 級降水日變化均有多個峰值，L3 級降水日變化中遼西地區(qū)和遼中內(nèi)陸地區(qū)的主要峰值分別出現(xiàn)在18∶00 和17∶00，而遼中沿海地區(qū)和遼東地區(qū)的主要峰值出現(xiàn)在7∶00 和9∶00（圖7c）；L4 級降水發(fā)生較少，日變化特征不明顯（圖7d）。

圖6 遼寧省各子區(qū)域不同等級降水量對夏季總降水量貢獻Figure 6 The percentage contribution of different lev‐els summer PA to total precipitation of each sub-region in Liaoning Province

降水頻率體現(xiàn)降水發(fā)生的可能性。降水頻率的日變化特征也能反應(yīng)降水規(guī)律，各子區(qū)域氣候平均降水頻率日變化特征（圖8）與降水量日變化特征相似，降水頻率日變化的峰值出現(xiàn)時間與降水量峰值出現(xiàn)時間相近。

等級較高的降水（L2 以上）發(fā)生往往需要充足的水汽、強盛而持久的氣流上升運動和大氣層結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。各區(qū)域日峰值出現(xiàn)時間不同與山地-平原-海洋三大地形的熱力差異引起的局地環(huán)流日變化有關(guān)[11]：遼西地區(qū)、遼中內(nèi)陸地區(qū)午后的日峰值由山地-平原局地環(huán)流誘發(fā)，遼寧西部為努魯爾虎山，植被覆蓋較多，下午地面溫度升高的同時，地面蒸發(fā)及植被的蒸騰作用也加強，為降水提供了大量水汽，而山區(qū)地形也有強迫抬升作用，這種抬升作用使得空氣進一步上升，為降水的形成提供了有利條件，同時，西部的努魯爾虎山與遼中內(nèi)陸（平原）和遼寧東部的龍崗山-千山山脈，形成了“山-谷-山”的地形變化，地面風場具有山谷風的特征，形成山谷風熱力環(huán)流，在晴朗的白天，山地日照充裕，氣溫較高形成熱低壓，而谷地氣溫較低形成冷高壓，高低壓之間形成環(huán)流，即山地氣流上升，谷底氣流下沉，風由山谷吹向山地形成谷風，進一步增加了山坡上的水汽，導(dǎo)致遼寧西部、遼中內(nèi)陸地區(qū)夏季氣候平均降水量日變化的峰值出現(xiàn)在午后。遼中沿海地區(qū)、遼東地區(qū)的午前峰值由平原-海洋局地環(huán)流誘發(fā)，其形成原因與長時降水的午前峰值相似。

整體來看，對比圖3a、圖3d、圖3g 和圖3j，L1 級降水與總降水量的日變化特征最為相似，可能因為L1 級降水對總降水的貢獻最大，從而可能意味著L1級降水主導(dǎo)了遼寧省夏季降水日變化特征。

圖7 遼寧省各子區(qū)域夏季不同等級降水的氣候平均降水量日變化特征Figure 7 Diurnal variations of the summer PF of different levels regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

圖8 遼寧省各子區(qū)域夏季不同等級降水的氣候平均降水頻率日變化特征Figure 8 Diurnal variations of the summer PF of different levels regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

3 討論與結(jié)論

利用2008～2017 年夏季遼寧省60 個觀測站的逐時降水資料，分析遼寧省夏季降水量、降水頻率、降水強度的日變化特征和區(qū)域差異，并對其形成的可能原因作以分析。研究結(jié)果表明，遼寧省夏季降水量和降水頻率日峰值基本呈現(xiàn)從東向西遞減的變化，其日變化基本呈雙峰結(jié)構(gòu)，而降水強度的日變化呈單峰變化。降水量清晨的日峰值主要由降水頻率引起，而傍晚的日峰值主要由降水強度所造成。遼西地區(qū)和遼中內(nèi)陸地區(qū)的降水量和降水頻率都以傍晚的日峰值所主導(dǎo)，而遼東地區(qū)和遼中沿海地區(qū)主要以清晨的日峰值為主。長持續(xù)性降水（≥7h）對遼寧省夏季降水的貢獻大于短持續(xù)性降水（1～3h），短時降水的降水量日峰值出現(xiàn)在午后，長時降水的降水量日峰值出現(xiàn)在午前，分別主導(dǎo)著降水量日變化的傍晚和清晨的日峰值。降水等級為L1 級（0.1～10mm·h-1）的降水，對遼寧夏季總降水的貢獻最大，四個子區(qū)域的L1 級降水主導(dǎo)了夏季降水量的日變化。隨著降水等級升高，降水量和降水頻率日變化的規(guī)律變差。

盡管本研究獲得了對遼寧夏季降水日變化特征比較深入的認識，但對這種日變化特征的形成機制仍不夠清楚。降水日變化涉及的物理機制極其復(fù)雜，除了與環(huán)流背景、下墊面強迫有關(guān)外，還與云過程、對流活動、輻射傳輸、地表通量交換、大氣邊界層的發(fā)展有關(guān)[20]。因此通過氣候模式進行數(shù)值模擬，深入探討環(huán)流場、熱力強迫等的日變化特征與降水日變化的聯(lián)系，將是未來的研究方向。