郑州市5—9月降水的日变化特征

王纪军，周丹丹

(1.河南省气候中心，河南 郑州450003;2.许昌市气象局，河南 许昌461000)

全球变暖引起降水格局发生明显改变，频度和强度特征受到科学家的普遍关注. 降水的日变化是地球天气和气候的一个重要特征［1］，对于理解降水形成机理以及评估区域气候特征等具有重要意义，是充分理解天气气候系统以及水汽循环的重要方面之一［2］.特定研究区域降水发生频次及其强度的日变化特征对强降水季洪水发生机理研究具有重要的意义［3］.以前对地面和卫星观测的分析发现，除了美国中部和一些其他地区夏季降水高峰出现在凌晨外，大多数陆地降水的最大值出现在午后［4－9］.上述研究地区集中在美国和热带地区.

降水日变化特征的区域性极强，以前对降水自记记录没有比较好的处理办法，不能较为准确地反映降水特性，降水的日变化特征研究就有比较大的瓶颈.王伯民等［10］开发的降水自记纸彩色扫描数字化处理系统，实现了将降水自记彩色图像转变为每分钟降水，这为系统地研究某一地区降水的日变化特征提供了坚实的科技支撑. Yu Rucong 等利用1991—2004年588 个气象台站逐小时雨量计小时降水数据，研究了中国夏季降水(6—8月)的日变化特征［1］.姚莉等［11］基于1991—2005年485 个气象站高时间分辨率的雨强资料，利用概率分布与统计检验等方法，分析了1 小时雨强的时空分布特征.李明财等［12］利用天津市1954—2007年夏季降水自记资料，分析了天津市夏季降水的日变化规律. 杨森等［13］利用辽宁省25 个气象观测站1961—2008年6—8月逐小时降水自记资料，分析了辽宁省夏季降水日变化的基本特征. 唐红玉等［14］利用西南地区95 个气象站1960—2000年的小时降水量自记记录信息化资料，计算和分析了西南地区过去40 a 间逐月、逐日的降水频率和比率.

郑州市地处河南省中部，属于暖温带季风气候.由于降水时空分布不均，旱涝时常发生，对全省和全国的粮食生产构成了严重影响. 以前对郑州市降水的研究多集中于年、月尺度. 刘忠阳等［15］利用小波分析方法对郑州市1951—2004年年降水距平时间序列进行分析，得到准3，5，9，21 a 的主周期. 刘少华等［16］利用水文序列中的谱分析、有序聚类、kendall 秩次相关检验和Man-kendall 检验等方法对郑州市1951—2008年的年降雨量、汛期和非汛期降雨量序列进行了周期性、突变性和趋势性分析.于福荣等［17］利用频谱分析法分离和提取郑州市降水过程中的周期成分，并用于降水量的中长期预报. 刘圆圆［18］根据郑州站1964—2008年月平均探空资料及地面降水资料，分析了近45 a 郑州夏季大气可降水量和地面降水量的演变特征. 王纪军等［19］利用近50 a 资料分析了陆浑水库控制区的夏季降水变化特征.但是，对郑州市降水量日变化特征的研究未见文献报道.笔者以郑州市逐小时降水量资料为基础，以期揭示郑州市降水量的日变化特征，为河南省降水变化机理的深入研究以及气候评估提供参考，为全省农业可持续发展和粮食安全决策提供依据.

1 降水资料和研究方法

1.1 资 料

研究资料为河南省气象信息与技术保障中心提供的郑州市1955—2005年5—9月份降水日逐小时自记降水的信息化资料，期间自记降水信息化资料共计2 253 d.由于信息化时精度只有0.1 mm，而文中重点分析降水的日变化特征，因而只统计0.1 mm以上的降水日.同时，以人工观测数据为准，对信息化资料进行质量控制，即误差百分率超过50%的降水日不参与分析. 采用以上两个标准，能够得到2 034个降水日的逐小时资料.其中7月份降水出现的频次最高，为550 d，占总日数的27%;次高值出现在8月份，达到451 d;而5月份出现293 个降水日，频次最低，占总日数的14.4%，其次为6月份，出现352 个降水日.

郑州市2 034 个降水日的人工观测和自记观测信息化的日降水量之间的对比关系如图1所示. 自记降水的信息化数据总体上与人工观测的数据高度一致，相关系数可以达到99.8%，能够通过信度为0.001极显著水平的检验［20］. 郑州市自记降水信息化资料的误差百分率如图2所示，误差百分率为－46% ～47%，且误差百分率绝对值大于35%的18个降水日中，仅有4 个降水日的降水量超过5.0 mm，其余均在5.0 mm 以下.通过对图1和图2的分析可知，可以利用该信息化资料准确揭示郑州市降水的日变化规律.

图1 自记日降水量与观测值的关系

图2 自记降水信息化资料的误差百分率

1.2 方 法

假设2 个要素的时间序列分别表示为xi和yi，i=1，2，…，N－1，N. x 和y 之间的线性相关拟合式表示为

式中:yi(i=1，2，…，N)为因变量时间序列;xi(i=1，2，…，N)为自变量时间序列;b1为线性方程斜率;b0为截距.

两要素的线性相关系数为

两变量线性相关的显著性用相关系数法确定.给定显著性水平，查相关系数临界值表得到临界值.如果相关系数的绝对值大于临界值，表明两要素间存在显著的线性关系;否则，认为二者之间线性关系不显著或者不存在线性关系.

如果xi表示的是序数，通常把b =10b1称为气候倾向率.两变量之间的线性相关和多项式拟合均用EXCEL 软件进行计算，并采用逐时降水量、逐时降水频次、逐时降水强度和不同持续时间降水4 个指标，对郑州市降水的日变化特征进行分析.

2 结果与分析

2.1 逐小时降水频次的变化

图3给出了郑州市1955—2005年5—9月份各时段降水出现的合计频次. 无论是18:01—次日06:00作为黑夜，还是19:01—次日07:00 作为黑夜，黑夜的降水概率均超过52%，因此郑州市夜雨特征明显.1:01—2:00 为降水最为频发时段，出现627 d，与统计日数的比率达到31%;另外还有2:01—3:00、3:01—4:00、5:01—6:00 和6:01—7:00共计4 个时次的降水出现频次超过600 次. 郑州市2 034 个降水日分配在12 894 h 内，表明降水平均持续时长只有6.3 h.

5—9月份各个时段降水出现的总频次为波状多峰值分布，峰值依次出现在1:01—2:00、5:01—6:00、22. 01—23:00、17:01—18:00 和14:01—15:00，频 次 分 别 为627，605，558，552，509 次.从1:01—2:00 开始，到11:01—12:00 结束，各个时次降水出现的频次具有显著的线性下降趋势，能够通过信度为0. 01 的显著性检验，减少趋势为－16.1 次/h.

图3 1955—2005年郑州市逐时降水频次分布

图4给出了郑州市1955—2005年5—9月份逐小时的降水出现频次.5—9月份中，各个时次降水频次最大值多出现在7月份，24 h 中，有16 个时段达到最大，集中在0:00—16:00，这与7月份降水日数最多息息相关. 而降水日次数多的8月份，只有10:00—11:00 的降水频次达到最大值.其余时段降水频次均在9月份达到最大. 而出现频次最低的月份则与降水日出现频次相同，5月份出现得最多，达到17 个时次.

5月份出现降水的频次最低，平均为80.17 次，小时间变化不明显，均方差为6.61，极值比也只有1.38;6月份和5月份的降水频次接近，但小时间的变化明显高于5月份，其均方差和极值比分别为12.26 和1.70;7月份出现降水的频次最多，但小时间变化特征明显，均方差和极值比分别为19.40 和1.60;8月份和9月份的降水出现频次相当，其小时间均方差和极值比也比较接近.

图4 郑州市1955—2005年5—9月逐小时降水频次

逐小时降水频次5月份与6月份具有显著的相关关系，相关系数为45.7%，能够通过信度为0.05的显著性检验，这里只分析5月份的降水频次日变化特征.5月逐小时降水频次最大值出现在17:01—18:00，共计出现95 次降水，还有21:01—22:00 的降水频次超过90 次，达到91 次;最小值出现在11:01—12:00，仅有69 次，4:01—5:00、10:01—11:00和16:01—17:00 降水均为71 次，为次小值.5月逐小时降水频次呈波状分布模态，11:01—12:00到次日4:01—5:00，降水频次基本为波动下降趋势;接着，直到7:01—8:00，降水频次直线上升;随后，直至11:01—12:00，降水频次则为直线下降;12:01—13:00 到15:01—16:00，降水频次相对平稳，多在80 次左右;17:01—18:00 以后，降水频次相对较多，多在80 次以上. 降水频次的日内变化特征可以用二项式很好地拟合，相关系数为60.6%，能够通过信度为0.002 水平的显著性检验，其拟合式为

7月份逐小时降水频次和8、9月份的相关关系极为显著，均能通过信度为0.001 极显著水平的检验，其中7月份与8、9月份相关系数分别达到78.0%和62.8%.7月份各个时段降水出现的频次大体上呈明显的单峰变化左偏特征，最大值出现在5:01—6:00，出现165 次;并且其前后各1 h 的频次相等，均为163 次;最小值为20:01—21:00，仅有103 次，其次为19:01—20:00，有109 次. 5:01—6:00以前降水频次有一致的增长趋势，23:01—次日1:00 的增加速率最快，从127 次跃变到148 次;之后则表现为波动状态，但总体上为下降趋势.利用二次多项式可以很好地拟合该月降水频次的日变化特征，相关系数达到72.6%，能够通过0.001 信度的显著性检验［18］，其拟合公式为

式中:F 为频率，%;i 为时间，h.

2.2 逐小时降水量的变化

图5给出了郑州市1955—2005年5—9月份各时段平均降水强度. 平均降水强度指的是该时段出现的合计降水量与该时段出现降水频次的比值.5—9月份各个时段平均降水强度具有明显的阶段性变化特征:23:01—次日0:00 到6:01—7:00 这个时段降水强度基本为线性下降趋势，在6:01—7:00 出现降水强度的最低值，仅有1.44 mm/(h·次);而12:01—13:00 到15:01—16:00 这个时段降水强度则波状上升;从14:01—15:00 开始到23:01—次日0:00 这一段时间降水强度相对较大，多在1.70 mm/(h·次)以上，其中在17:01—18:00 出现降水强度的最大值，为2.32 mm/(h·次).5—9月份降水平均强度的日变化可以用二项式得到准确的拟合，相关系数达到63.8%，可以通过0.002 信度的显著性检验，拟合式为

式中:R 为降水强度，mm/(h·次);i 为时间，h.

图5 1955—2005年郑州市逐时平均降水强度分布

图6给出了郑州市1955—2005年5—9月份逐小时的平均降水强度，指的是该时段出现降水的合计量与该时段出现频次的比值.

平均降水强度的最大值出现在7月份的17:01—18:00，强度值为3.5 mm/(h·次)，次大值同样出现在7月份，强度为3. 2 mm/(h·次)，集中出现在14:01—16:00.平均强度的最小值则出现在5月份的9:01—10:00，其值为0.8 mm/(h·次);次小值为0.9 mm/(h·次)，分别出现在5月的8:01—9:00和9月的1:01—2:00;平均降水强度在1.0 mm/(h·次)出现了7 个时次，分别在5月的6:01—8:00、16:01—17:00 以及9月的22:01—23:00、2:01—4:00和14:01—15:00.从各月各时段降水平均强度的日变化特征看，7月份各时段强度的平均值最大，为2.40 mm/(h·次)，各时段间强度差异较大;均方差为5 个月的最大值，达到0.48;极值比为次小值，达到2.06.9月份各时段强度平均最小，其值为1.28 mm/(h·次);时段间均方差为5 个月的最小值，达到0.24;极值比则为中间值，其值为2.11.5月份降水强度平均为次小值，时段间均方差0.31，同样为5 个月中的次小值;但极值比是5 个月中的最大值，达到2.50.8月降水强度和7月份相当，只是其平均强度、时段间均方差和极值比均比7月份小一些.6月份与5月份的统计型态类似，6月份时段间均方差大于5月份的，但极值比却小于5月份的.

图6 郑州市1955—2005年5—9月逐小时平均降水强度

从平均降水强度的日变化上看，5—9月份具有不同的特征.

5月份平均降水强度最大值为2:01—3:00的2.0 mm/(h·次)，最小值为9:01—10:00 的0.8 mm/(h·次).平均降水强度具有较显著的下降趋势，降低速度为每小时下降0.018 mm/(h·次);相关系数为38.5%，可以通过信度为0.10 的显著性检验.

6月份平均降水强度的最大值为23:01—次日0:00 的2.8 mm/(h·次);次大值为17:01—18:00的2.2 mm/(h·次);最小值为12:01—13:00 的1.2 mm/(h·次);次小值为1.4 mm/(h·次)，在10 个时段出现，依次为2:01—3:00、4:01—7:00、9:01—10:00、11:01—12:00、14:01—15:00、16:01—17:00 和18:01—20:00.6月份平均降水强度的时间变化趋势与5月份相同，也具有较显著的下降趋势;6月份平均降水强度的下降速率和相关系数也与5月份相当，分别为－0.017 mm/(h·次)和34.3%.

7月份平均降水强度最小值出现在12:01—13:00，其值为1.7 mm/(h·次);次小值为1.8 mm/(h·次)，依次出现在20:01—21:00 和5:01—7:00.与5，6月份不同，平均降水强度具有比较显著的上升趋势，速度为0.023 mm/(h·次)，相关系数接近信度0.10的显著性水平.

8，9月份的平均降水强度均没有显著的线性趋势，主要以波动性为主. 最大降水量多出现在前半夜，中午时分的降水量最小.

2.3 5—9月逐小时降水强度与降水频次的关系

郑州市1955—2005年5—9月份逐小时平均降水强度与降水发生频次的关系如图7所示.5—9月份逐小时平均降水强度和合计降水频次呈现极为显著的线性相关关系(P ＜0.001)，说明郑州市降水量的日变化特征与一日内各时段的降水频次有直接的关系.平均降水强度每提高1 mm/h，降水频次增加11.57 次.

图7 郑州市5—9月逐小时平均降水强度与降水频次的变化

3 结 语

利用郑州市1955—2005年5—9月份降水日逐小时自记降水的信息化资料对5—9月份逐小时降水量进行了统计分析，结论如下.

1)5—9月份降水日变化呈现多峰状波状，但夜雨特征明显，1:01—2:00 为降水最为频发的时段，占统计日数近31%，各时次降水频次最大值出现在7月份，降水频次5月和6月显著相关，7月和8，9月份相关极为显著. 各个时次降水出现的频次具有显著的线性下降趋势，趋势为－4.01 次/h.

2)5—9月各个时段平均降水强度具有明显的阶段性变化特征，可以用二次多项式拟合，且能通过信度为0.002 的显著性水平检验.平均降水强度的最大值和次大值均出现在7月份，分别为17:01—18:00 和14:01—16:00，强度值各自为3. 5 mm/(h·次)和3.2 mm/(h·次).平均强度的最小值则出现在5月份的9:01—10:00，其值为0.8 mm/(h·次);次小值为0.9 mm/(h·次)，分别出现在5月的8:01—9:00和9月的1:01—2:00.

3)从平均降水强度的日变化特征来看，5，6月份的平均降水强度均具有较显著的下降趋势，气候倾向率各自为－0.18 mm/10 h 和－0.17 mm/10 h;7月份则具有较显著的上升趋势，速度为0.23 mm/10 h;均能通过或接近通过0.10 的显著性水平.8，9月份平均降水强度则以波动性为主，没有显著的趋势特征.

4)逐小时平均降水强度与降水发生频率之间有显著的线性相关关系，平均降水强度每提高1 mm/h，降水频次增加11.57 次.

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