长株潭城市群体小时级降水资源分布及变化特征

李晶　汪天颖　朱宏武　陆魁东

摘要：以湖南省長株潭城市群体为研究对象，基于研究区域11个气象站1961—2017年3—11月逐小时降水量，分析了该区域内降水日变化、夜间降水量的年代际变化、季节演变（春、夏、秋季）与早稻抽穗扬花时段降水分布特征。结果表明，长株潭地区降水日变化呈现双峰型分布，小时降水量和降水频次峰值时次基本一致。各个年代、季节小时降水量峰值均稳定位于4：00～8：00和15：00～16：00，但峰值和次峰值的时次存在差异;随年代推移，夜间降水量呈现波动上升趋势，20世纪90年代和21世纪00年代夜间降水量高于日间;春、夏、秋季夜间降水量与日间比值分别为117%、81%、110%;幕阜-连云山丘区为研究区域夜间降水量高值区;幕阜-罗霄山脉区为研究地区内早稻抽穗扬花时段降水量、降水强度的高值区，株洲中部为同时段降水偏少的地区。

关键词：降水日变化;夜间降水量;水稻抽穗扬花期;降水分布;长株潭地区

中图分类号：S16;F323.2         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0044-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.010           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Distribution and variation features of hourly precipitation resource in Chang-Zhu-Tan typical city-group

LI Jing1，2，WANG Tian-ying1，2，ZHU Hong-wu3，LU Kui-dong1，2

（1.Key Lab of Hunan Province for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation，Changsha 410118，China;2.Hunan Meteorological Research Institute of Hunan Province，Changsha 410118，China;3.Hunan Meteorological Information Center，Changsha 410118，China）

Abstract： Taking Chang-Zhu-Tan typical city-group as the research object， based on the hourly precipitation data（1961 to 2017， Mar. to Nov.） from 11 meteorological stations in the study area， the features of interdecadal and seasonal（spring， summer， autumn） variations of the diurnal variation of precipitation， nocturnal precipitation， and precipitation distribution during early rices blooming period were analyzed. The results showed that， the diurnal distribution of hourly precipitation and precipitation frequency in Chang-Zhu-Tan area were both bimodal， and the peaks appeared basically in the same time. The peaks of precipitation in each decade and season were at 4：00～8：00 and 15：00～16：00 stably， but the peak and sub-peak time appeared differently within decades and seasons. With the progress of time， nocturnal precipitation wavelike rose， and became higher than diurnal precipitation in 1990s and 2000s. The ratio of nocturnal and diurnal precipitation in spring， summer and autumn were 117%， 81% and 110%， respectively. Mufu-Lianyun Mountain district was the high center of nocturnal precipitation. During early rices blooming period， Mufu-Luoxiao Mountain district was the high center of rainfall amount and precipitation frequency， while central Zhuzhou was the low center.

Key words： diurnal variation of precipitation; nocturnal precipitation; heading-blooming period of rice; distribution of precipitation; Chang-Zhu-Tan area

长沙、株洲、湘潭地区（简称长株潭地区）是长江中下游典型的城市群体，作为湖南省经济发展的核心区，降水资源丰富，农业农村发展水平和生产水平均较高。但由于受季风气候影响，且在全球气候变化和长株潭城市群快速发展的大背景下，降水要素变化比较大[1]，因此，研究小时级降水资源分布有利于了解长株潭城市群体的气候特征，同时有益于气候资源高效开发和利用。

既有的降水日变化研究表明，不同地区、不同季节的小时级降水量分布可能存在较大差异。前人对降水日变化的研究主要集中于暖湿季节，如基于地面观测站[2]和卫星遥感数据[3，4]的研究均表明大部分大陆地区暖季的降水高峰主要位于下午;戴泽军等[5]的研究发现，湖南省夏季降水量、降水频次和强度均呈现明显的双峰型特征（清晨与午后）。此外也有研究表明，同区域的小时降水量存在季节的演变[6，7]。不同日尺度时段降水对农业生产可能有诸多影响，如夜间降水可增大日夜温差，利于干物质积累;利于雨水下渗，减少地表蒸发损失[8，9];同时，夜雨也可能对夜间开花的作物造成洗花，出现不利影响。随着城市化进程加快，城市群体中水资源供需矛盾突出[10]，气候变化的背景下作物生育期内降水分配格局发生变化[11]。本研究以长株潭地区为研究对象，基于11个气象站1961—2017年3—11月逐小时降水量数据，探究城市群体降水日变化，夜间降水量的年代、季节演变，以及地区主要农作物早稻的抽穗扬花时段降水分布特征，为提高土壤水分利用、精细化作物种植区划提供依据，也可为优化防灾减灾布局提供技术参考。

1  资料与方法

1.1  研究区域概况

研究区域包括长沙、株洲、湘潭3市（图1），地处湖南省中东部（北纬26°03′—28°40′，东经111°54′—114°15′），属亚热带季风气候区，年平均降水量1 400 mm左右，季节降雨差异大，春季、夏季降雨量高于秋季和冬季[12]。长株潭地区东部为幕阜-连云山丘区，东南部为罗霄山区，北部局地为滨湖平原区，其余地区以岗地丘陵地貌为主。

1.2  数据来源与预处理

研究使用的1961—2017年长株潭地区11个气象观测站逐小时降水资料来自湖南省气象信息中心。其中1961—2003年逐时降水数据源自数字化的自记纸资料（已经过审核），2004—2017年降水数据源于自动气象站。

1.3  研究方法

研究主要分析长株潭地区1961—2017年作物主要生长时段（3—11月）的小时级降水资源变化特征（12—2月由于固态降水多造成自记纸缺测率较高，故未作分析），定义某时次观测降水量>0.1 mm即认为该时次存在降水。小时降水量（小时降水频次）为某时次在研究时段内的累积降水量（累计降水次数）与有效观测频次之比;峰值时间为24 h内降水量最大统计值出现的当地时间。在此基础上，小时级降水量（降水频次）被划分为不同季节（春、夏、秋季，即3—5月、6—8月、9—11月）、夜间（20：00至次日8：00）、早稻抽穗期（6月15日至7月5日）扬花时段（10：00～18：00）的不同集合进行研究。

2  结果与分析

2.1  长株潭地区及其中典型站点的降水日变化

长株潭地区1961—2017年3—11月每站次的小时降水量和降水频次如图2所示。研究区域平均24 h日间降水量（8：00～20：00）为2.30 mm，夜间降水量（20：00至次日8：00）为2.17 mm，日間降水量略高于夜间。平均每站的小时降水量和降水频次均呈现双峰型分布，峰值分别出现在午夜至凌晨（2：00～8：00）和午后至傍晚（14：00～20：00），低谷值位于前半夜（20：00至次日2：00）。各小时降水量为0.14～0.23 mm，其中峰值出现在8：00，次峰值在16：00，低谷值在23：00;各小时降水频次为0.08～0.11，其中峰值出现在6：00～7：00，次峰值在16：00，低谷值出现在22：00。小时降水量与降水频次两者的峰值基本同步。

为探究城市化程度、地形与小时降水量之间的关联，选取6个典型站点进一步探讨降水日变化的年代际变化特征（图3）。6个站点分别为3个市区站（长沙、株洲、湘潭）、2个山区站（浏阳、攸县）和1个岗地丘陵站（韶山）。由于部分站点在20世纪60年代存在较多缺测，筛选后选用长沙、韶山、攸县自1970起始数据，浏阳、湘潭、株洲自1960年起始的数据进行研究。总体来看，浏阳、攸县、株洲几乎在各年代均呈现较显著的双峰型分布，其中浏阳、株洲双峰型分布常出现峰值和次峰值相当的情况。上述站点均位于研究区域主要山区，双峰型的成因可能由于山区海拔差异造成的地面温度变化差造成地形性热力流，利于午后热对流和清晨对流系统的形成、发展[13]。各典型站点各年代小时降水量中，20世纪80年代、21世纪00年代的长沙、韶山、湘潭这类岗地丘陵区站点更容易出现单峰型（峰值出现在午夜至凌晨）或无显著峰值的分布，可能因为地形变化较少，形成午后对流较弱[14]。21世纪70年代至21世纪00年代长株潭各典型站点的小时降水主峰值主要出现在午夜至凌晨，次峰值在午后至傍晚;而20世纪60年代和21世纪10年代峰值偏向于午后至傍晚，或者出现峰值和次峰值无显著差别的情况。

小时降水量午后峰值出现时次长沙为13：00～15：00，株洲为14：00～17：00，浏阳、韶山、湘潭为15：00～18：00，攸县为16：00～20：00，峰值出现在高度城市化地区站点的时次整体早于城市化程度较低的站点，可能与城市热岛效应增强有关，城市化程度高的地区降水对气温更为敏感[15]。午夜至凌晨的降水峰值中，长沙、湘潭站点主要出现于5：00～7：00，株洲站点主要出现于6：00～8：00，峰值在长沙、湘潭出现早于株洲，而清晨的降水峰值与持续性降水关系密切，长江流域持续性降水跟随降水系统由西向东传播，所以总体上西侧站点的降水峰值出现时次较早[16]。

2.2  夜间降水资源的年代际变化和季节分布特征

夜雨是农业生产理想的降水形式[8]，又因农业生产具有很强的季节性[17]，为研究长株潭地区夜间降水量的年代际变化规律和季节分布差异，分别绘制研究区域1961—2017年各年代的小时降水量分布图，并将长株潭地区主要农作物生长季节夜间降水资源分为春、夏、秋3季进行研究。

2.2.1  年代际变化规律  长株潭地区小时降水量年代际变化见图4。各年代降水日变化均呈现较显著的双峰型分布。24 h平均降水量20世纪70年代（4.23 mm/d）、21世纪10年代（4.59 mm/d）较高，21世纪00年代（3.63 mm/d）、20世纪80年代（3.72 mm/d）较低;小时峰值降水量21世纪10年代（0.221 mm/h）、20世纪60年代（0.226 mm/h）较高，21世纪00年代（0.189 mm/h）、20世纪80年代（0.193 mm/h）较低。21世纪00年代和20世纪80年代为研究区域小时降水量和降水峰值均偏低的年代，也是旱情发生较多的年代[18]。

长株潭地区夜间降水量年代际分布列于表1。1961—2017年各年代长株潭地区夜间降水量为1.77～2.22 mm/d。随年代的推移，夜间降水呈现增减交替的变化，日间降水量呈先减少后增加的趋势，而夜间与日间降水量的比值则呈先升高后降低的趋势。20世纪60年代夜间降水量低于日间，为日间降水量的79%;20世纪70年代、20世纪80年代、21世纪10年代夜间降水量与日间差异不大，分别为日间降水量的95%、97%、94%;20世纪90年代、21世纪00年代是夜间降水量比例最高的年代，分别达到日间降水量的112%、111%。20世纪70年代及之后，夜间降水量均达到日间的90%以上，且呈现波动上升趋势。对于20世纪80年代和21世纪00年代这类降水整体偏少的年代，夜间降水量比例提升有利于提高土壤水分的利用效率。

2.2.2  季节演变特征  研究区域不同季节平均每站的小时降水量和降水频次同样呈现双峰型分布（图5）。24 h总降水量和总降水频次春季（5.91 mm，3.22次）>夏季（5.08 mm，1.77次）>秋季（2.43 mm，1.74次）。春季、秋季降水峰值和降水频次峰值均位于午夜至凌晨，次峰值位于午后至傍晚;夏季与之相反，峰值位于午后至傍晚，次峰值位于午夜至凌晨。研究的3个季节中，春季降水最为丰富，也易造成油菜、春生蔬菜等出现渍涝灾害;夏季降水略少于春季，但由于局地热力強迫，午后易形成强对流[19，20]，长株潭地区主要农作物双季早稻的抽穗开花期正处于夏季，午后暴雨易造成“大雨洗花”，作物授粉不良，严重影响产量;秋季降水相对春、夏季偏少，易形成秋旱[21]。

长株潭地区春、夏、秋季夜间降水量分别为3.19、2.27、1.27 mm/d。春季、秋季的夜间降水量均高于日间，夜间降水量分别为日间的117%和110%;夏季与之相反，夜间降水量低于日间，仅为日间降水量的81%（表2）。总体来看，虽然研究区域秋季夜间降水量低于夏季，但降水利用效率较夏季高。

研究区域不同季节的夜间降水量分布如图6所示，可知夜间降水主要集中在2：00～8：00。春季夜间降水高值区主要位于幕阜-连云山丘区和罗霄山脉西北侧，该地区20：00至次日2：00平均降水量为1.30～1.50 mm，2：00～8：00在1.8 mm以上;低值区位于湘潭地区。夏季夜间降水高值区主要位于浏阳和长沙西部，20：00至次日2：00平均降水量为0.95～1.10 mm，2：00～8：00为1.25～1.55 mm;株洲地区和湘潭局部地区为降水低值区。秋季株洲中部以北和罗霄山区为夜间降水高值区，20：00～2：00平均降水量为0.50～0.55 mm，2：00～8：00为0.70 mm以上;低值区主要位于湘潭北部和株洲中部。从各个季节来看，研究区域内幕阜-连云山丘区均处于夜间降水高值区。

2.3  水稻抽穗扬花时段降水分布特征

水稻是长株潭地区的主要农作物，双季稻是其主要种植方式。双季早稻的抽穗扬花期处于夏季，正是午后强对流易形成的时期[19]。水稻开花时间一般在上午10：00至下午，中午达到高峰。此处选取长株潭地区双季早稻抽穗扬花期（6月15日至7月5日）10：00～18：00为研究时段，绘制地区降水分布图（图7）。

幕阜山区和罗霄山脉区为研究区域早稻抽穗扬花时段降水的高值区，时段内平均降水量在3.1 mm以上，湘潭南部、株洲中部为降水低值区，平均降水量在2.8 mm以下;幕阜-连云山丘区为该时段降水频次的高值区，时段内平均降水频次高于1.08次，湘潭北部、株洲中部降水频次较低，平均频次在1.02次以下。研究时段内罗霄山区降水量高而降水频次不高，说明该地区降水强度较高，出现早稻“洗花”风险较高;株洲中部降水量和降水频次均偏低，“洗花”风险较低。

3  小结与讨论

1）长株潭地区降水日变化呈现双峰型分布，小时降水量和降水频次峰值时次基本一致。各个年代、各季节小时降水量峰值均稳定位于4：00～8：00和15：00～16：00，从年代际变化来看，除20世纪60年代，其他年代的峰值均位于午夜至凌晨，次峰值位于午后;从季节演变来看，春、秋季降水峰值和降水频次峰值均位于午夜至凌晨，次峰值位于午后至傍晚;夏季峰值位于午后至傍晚，次峰值位于午夜至凌晨。

2）研究区域夜间降水量略低于日间。随年代推移，夜间降水呈现增减交替、波动上升的变化，夜间降水量在21世纪10年代达到最高值（2.22 mm/d），与日间降水量的比值呈先升高后降低的趋势，20世纪60年代之后均为日间降水量的90%以上，其中20世纪90年代和21世纪00年代在110%以上。春、夏、秋季夜间降水量与日间比值分别为117%、81%、110%。夜间降水主要集中在后半夜，幕阜-连云山丘区为研究区域夜间降水高值区。

3）幕阜-罗霄山脉区为长株潭地区早稻抽穗扬花时段降水的高值区，幕阜-连云山丘区为同时段降水频次的高值区。研究时段内幕阜-连云山区降水量和降水频次均较高，罗霄山区降水强度较高，是早稻“洗花”风险高值区;株洲中部降水量和降水频次均偏低，属于研究区域内风险低值区。

本研究应用长株潭地区11个气象站点1961—2017年长序列的逐小时降水数据，对降水日变化、夜间降水量的年代际变化和季节演变特征进行了有益探讨。研究地区中部以东夏季的降水峰值出现在下午居多，与戴泽军等[5]的湖南省夏季降水日变化峰值时次分布图相符。本研究发现岗地丘陵区夏季的降水峰值偏向午夜至清晨，与Yu等[22]的结论较为一致。长株潭地区夜雨资源丰富，且与山区分布关联度高，该分布特征与段春锋等[23]研究结果符合程度较高，说明研究地区内降水均与地形变化关联紧密。研究区域内双季早稻抽穗扬花时段中，幕阜-罗霄山脉区降水频次较高、强度较大，加上城市的热岛效应，夏季午后降水峰值提前，偏向正午的早稻盛花期，造成“大雨洗花”的风险增加，可以结合当地地形环境，选择背风区域进行种植。

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