滨海新区夏季降水的日变化特征

单晓琳，易笑园，徐灵芝，徐 梅，邢 蕊

(1. 天津市滨海新区气象局 天津300457；2. 天津市气象局 天津300074)

滨海新区夏季降水的日变化特征

单晓琳1，易笑园2，徐灵芝1，徐 梅2，邢 蕊1

(1. 天津市滨海新区气象局 天津300457；2. 天津市气象局 天津300074)

利用 1970—2015年天津塘沽地面观测站逐小时降水资料，分析了滨海新区夏季降水日变化特征及其长期演变趋势。结果显示滨海新区降水量与降水频次均呈现“昼少夜多”的特征，后半夜到清晨是降水最为活跃的时段。降水量两个高值时段所对应的降水是由不同性质降水构成，清晨出现的降水量的最大峰值是由短时降水与持续性降水共同贡献，后半夜的降水量次大峰值主要由持续性降水贡献。40年来滨海新区的短时降水的降水量呈现增多趋势，长持续性降水的降水量呈现减少趋势，总降水量的减少与长持续性降水总体强度减弱有关。

天津滨海新区 夏季降水 日变化

0 引 言

日变化是全球气候系统的最基本变化周期，降水的日变化作为其重要研究内容，是气候领域的热点话题之一。[1-5]研究降水日变化是掌握降水演变规律、理解降水形成机理的重要途径，对改进数值模式、提高预报水平也具有十分重要的现实意义。受局地强迫和大尺度环流共同影响，降水的日变化涉及复杂的动力学和热力学过程，[4-5]国内外的研究者已经进行了大量的研究。[1-10]Yu等[6]首次利用台站降水资料分析中国大陆地区夏季降水日变化，指出中国夏季降水的日变化有明显的区域特征，尤其中东部地区降水日变化特征比较复杂，降水区域一致性较差。研究表明，地形和海陆分布是造成降水日变化区域差异的重要原因，不同尺度的山-谷风、海-陆风与大尺度环流相互作用共同影响降水日变化。[8-12]

天津地处渤海西部，其东部沿岸的天气气候受海洋影响与内陆地区差异显著，具有自身特点。国内对于降水日变化的研究多集中关注中国内陆区域，[6-11]而单独关注沿海地区的研究较少。掌握滨海新区降水日变化规律及原因，能够帮助我们完善对该地区降水机理的认识，对区域天气数值模拟和提高沿岸天气预报水平有积极作用，同时，对提升港口与航运的气象服务水平具有重要意义。

1 资料和方法

本文所采用的资料为天津塘沽地面气象观测站1970—2015年共46年的逐小时降水数据，选取每年夏季6～8月3个月代表夏季，采用的时间为当地时间，即北京时间。1990年资料缺测，为了保证时间连续性，文中呈现的图形结果中将此年降水量和降水频次视作 0值处理，在对降水年际、年代际变化以及趋势分析等的统计分析中，将此年逐小时降水资料做缺省值处理。在统计过程中，某个时次的小时降水量大于0.1,mm，则判定为该时次有降水发生，[13]当某个有降水发生的时次之后连续两个时次无降水发生，则判定一次降水事件结束。因为降水的持续性是分离我国中东部地区两类日变化位相的关键因子，[7]所以本文采用前人的统计方法，按照降水的持续时间对降水事件进行分类，定义持续时间小于3小时的降水事件为短时降水事件，持续时间长于6小时的降水事件为持续性降水事件，[7]并在此划分基础上针对不同持续时间降水事件分类讨论。一次降水事件的持续时间是指该降水事件从开始到结束持续的小时数。

2 降水日变化的基本特征

2.1 降水量的日变化特征

图1 1970—2015年滨海新区夏季(6～8月)逐年降水量的日变化(下)及多年累积降水量的日变化曲线(上)(单位：nm)Fig.1 Diurnal variation of yearly rainfall amount in summer(June-August)in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015(down)and diurnal variation of total rainfall amount(up)(unit：nm)

图 1给出了滨海新区夏季多年累积降水量的日变化曲线，可以看到近 40年间，滨海新区夏季降水量存在明显“昼少夜多”的特征，降水量的大值时段出现在夜间，白天降水较夜间明显偏少。多年累积降水量最大的两个峰值均出现在夜间，分别是 02：00时和05：00时，其中05：00多年累积降水量最大，达到1,005.7,mm，而最小值出现在傍晚17：00时，多年累积降水量不到 05：00时降水量的一半。从逐年累积降水量的日变化分布特征来看，滨海新区夏季降水的日变化演变存在明显的年际变化特征，但是总体而言，每年都存在 2～3个降水量峰值，最大峰值多出现在夜间，部分年份午后也多出现降水量的峰值。

2.2 降水频次的日变化特征

图2 中多年累积降水频次的日变化曲线显示，与降水量的变化相类似，滨海新区夏季降水多发生在夜间到早晨，同样呈现“昼少夜多”的特点。夜间02：00时到上午 09：00时段内多年累计降水次数较多，其中 06：00发生降水次数最多，共发生降水310次，午后14：00时到傍晚20：00时是降水的少发时段。从降水频次日变化的逐年分布特征来看，滨海新区夏季午后降水次数明显较少，对比降水量和降水频次的逐小时分布特征，可以看到某些年份午后降水出现次数较少但是却对应降水量的峰值，说明滨海新区夏季午后更倾向于发生小时雨强较大降水事件。

图2 1970—2015年滨海新区夏季(6～8月)逐年降水频次的日变化(下)及多年累积降水频次的日变化曲线(上)(单位：次)Fig.2 Diurnal variation of yearly rainfall frequency (down)and diurnal variation of total rainfall frequency(up)in summer(June-August)in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

2.3 不同持续时间降水事件的日变化特征

为进一步考察滨海新区降水日变化的特点，我们按降水持续时间划分降水事件，得到不同持续时间降水的降水量日变化特征，结果在图 3中给出。可以看到，滨海新区夏季短持续降水的降水量大于长持续降水的降水量，持续6小时以下的降水贡献总降水量的44.4%,，持续 10小时以下的降水贡献总降水量的70.6%,。持续 2～3小时的短时降水对降水累积量贡献最大，贡献总降水量的 19.0%,，6小时以上的持续性降水以持续 7～8小时降水贡献最大，贡献总降水量的 16.3%,。此外，不同持续时间降水的降水量最大峰值出现时间不同，持续时间小于6小时的降水事件降水量最大峰值分别集中出现在午后到前半夜以及清晨两个时段，降水量的午后峰值主要是 2～3小时短时降水贡献；6小时以上的持续性的降水事件降水量最大峰值集中出现在后半夜到清晨。

图3 1970—2015年滨海新区夏季(6～8月)不同持续时间降水事件降水量的日变化(左)及累积降水量(右)(单位：nm)Fig.3 Diurnal variation of rainfall amount (left)and total rainfall amount(right)with different duration time in summer(June-August)in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015(Unit：nm)

以上分析可知，滨海新区的降水由不同性质的降水构成，可依照降水持续时间进行大致划分。对比华北内陆地区，[14-17]滨海新区夏季降水，尤其是短时降水的日变化具有自身特点。2～3小时短时降水的降水量极大值出现在清晨，次大值出现在傍晚到前半夜，降水频次也表现出一致的变化特征，而午后的降水量峰值则无降水频次的高峰与之对应(见图 4)。说明在傍晚到前半夜和清晨两个时段，滨海新区 2～3小时短时降水的降水量峰值与降水频次有关，午后降水量的峰值则主要与降水强度有关。另外，我们注意到7～8小时的持续性降水一天之中各时次出现频次都小于 2～3小时的短时降水，而某些时次的降水量却大于 2～3小时短时降水，在后半夜尤其明显。由此，造成图1中滨海新区后半夜的降水量峰值主要是由持续性降水贡献，而清晨的降水峰值则是短时降水与持续性降水共同贡献的结果。

图4 1970—2015年滨海新区夏季(6～8月)降水Fig.4 Diurnal variation of summer(June-August)rainfall in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

2.4 不同持续时间降水事件的长期变化趋势

图 5给出不同持续时间降水事件降水量的逐年演变特征，可以看到滨海新区不同持续时间降水事件具有明显的年际变化特征，特别是 16小时以上的降水事件呈现明显的年代变化——20世纪 90年代以前较为活跃，90年代之后降水量明显较少。统计持续时间大于 6小时的持续性降水事件累积降水量的演变(见图6)显示，滨海新区夏季持续6小时以上的持续性降水累积降水量呈现减少趋势，特别是在 20世纪90年代到21世纪初，持续时间大于6小时的持续性降水降水量明显偏少。而持续时间小于 6小时的短时降水的降水量则呈现增多的趋势，特别是 2～3小时的短时降水事件降水量增加趋势最为显著，且持续时间小于 6小时的降水事件累积降水量占年总降水量的比例增加趋势明显，说明短持续性降水对总降水量的贡献越来越大。滨海新区夏季总降水量近40年呈现明显减少趋势(见图 6)，从以上分析看出，这主要是与持续性降水的降水量减少有关。然而，不同持续性降水事件的发生频次在1970—2015年期间并未呈现明显变化趋势，说明滨海新区夏季降水量的减少并非与降水出现的次数相关，而是与持续性降水总体强度减弱有关。

图5 1970—2015年滨海新区夏季(6～8月)不同持续时间降水的降水量逐年变化(单位：nm)Fig.5 Interannual variation of summer(June-August) rainfall amount with different duration time in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015(Unit：nm)

图6 1970—2015年滨海新区夏季(6～8月)降水量变化趋势Fig.6 Interannual variation and trend of summer(June-August)rainfall amount in Tianjin Binhai New Area from 1970 to 2015

3 结论和讨论

本文利用天津塘沽地面观测站 1970—2015年6～8月逐小时降水观测资料，分析了滨海新区夏季降水的日变化特征，结论如下：①滨海新区降水量与降水频次均呈现“昼少夜多”的特征。降水量最大时段集中在 23：00至清晨，00：00时到上午 10：00是降水多发时段，午后降水频次相对较少。后半夜的降水峰值主要是由持续性降水贡献，清晨的降水峰值则是短时降水与持续性降水共同贡献的结果。②滨海新区短持续降水对降水量的贡献大于长持续降水。其中 2～3小时短时降水对降水量贡献最大，并具有自身特点：分别在清晨和午后达到其降水量的最大和次大峰值，其中清晨降水量峰值与降水频次有关，而午后降水量的峰值则主要与降水强度有关。长持续性降水在后半夜到清晨达到其降水峰值。③短时降水在午后到傍晚出现降水量峰值不难理解，太阳短波辐射的加热作用造成陆地低层大气稳定度降低，易引起湿对流的发生发展，从而导致午后到傍晚的短时阵性降水。[2,7,18]而造成沿岸短时降水清晨峰值的原因则可能与其地理位置有关，有研究指出华南地区辐射加热/冷却导致的海陆热力差异是加强清晨热力不稳定的重要因子，[19]夏季夜间相对暖的渤海海面容易引起低层大气的对流活动，从而导致滨海新区在清晨易产生短时降水，但具体作用机理还需要进一步论证。持续性降水夜间的降水量峰值，现有研究的主要观点认为可能是中尺度对流系统(MCS)与大尺度环流共同作用的产物。[18,20]He等[10]认为太阳辐射加热引起的燕山——太行山系午后对流活动在对流层中层平均气流引导下向下游及东南方向传播，可能与华北平原地区的清晨降水峰值的形成有关。④滨海新区近 40年短时降水的降水量呈现增多趋势，6小时以上的持续性降水的降水量呈现减少趋势，后者贡献总降水量的比重呈现增加趋势。总降水量的减少与持续性降水总体强度减弱有关。Yu等[21]认为近几十年来中国华北地区低层大气气温显著上升导致大气静力稳定度降低，午后和傍晚更易发生对流活动，短时降水呈现增多趋势；而持续性降水的减少则与东亚季风环流的年代际变化密切相关，近几十年来东亚夏季夏季风减弱引起向华北输送的水汽减少，导致华北地区持续性降水的减少。[7,21,22]■

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Diurnal Variation of Summer Rainfall in Tianjin Binhai New Area

SHAN Xiaolin1，YI Xiaoyuan2，XU Lingzhi1，XU Mei2，XING Rui1
(1．Tianjin Binhai New Area Bureau，Tianjin 300457，China；2．Tianjin Meteorological Bureau，Tianjin 300074，China)

Based on hourly rain gauge data from 1970 to 2015，the diurnal variation of summer rainfall in Tianjin Binhai New Area was studied．The result shows that both rainfall amount and frequency exhibit their maximum during the night and their minimum in the daytime．The maximum peak of rainfall amount around early morning is contributed to both longduration and short-duration rainfall events while the peak after the midnight accounts for most of the long-duration rainfall events．The total summer rainfall amount of Tianjin Binhai New Area exhibited a downward trend which is related to the decrease of long-duration rainfall amount over the past forty years.

Tianjin Binhai New Area；summer rainfall；diurnal variation

P448

A

1006-8945(2016)07-0096-05

天津市气象局课题201519，201610ybxm07共同资助。

2016-06-08