基于逐小时数据的辽宁省夏季降水日变化特征分析

李晓婷，刘利民，李雪洋,3，王婷婷，肇同斌

（1.沈阳农业大学农学院，沈阳110161；2.铁岭市气象局，辽宁铁岭112600；3.本溪市气象局，辽宁本溪117000；4.辽宁省气象信息中心，沈阳110000）

降水日变化是降水在白天与黑夜之间的强弱交替现象，它是以太阳辐射为最主要驱动力的大气环流最基本的时间演变模态之一[1-2]。由于降水日变化与辐射之间存在着反馈作用，因此对于气候系统的能量收支有很大的调制作用[3-5]。研究降水的日变化特征，不仅有助于理解降水形成机理和区域气候形成机制，而且有助于验证数值模式某些物理过程参数化方案的合理性及进一步改进[6-8]。因此，有关降水日变化的研究，成为当前气候研究领域的一个热点问题。迄今为止，国内外学者就降水日变化特征，作了大量的研究工作。国内外已有研究表明，降水日变化是气候系统中大气动力和热力过程对水循环过程综合影响的结果，涉及不同尺度的海-气、陆-气、海-陆的相互作用，对地球系统的水及能量循环、动量交换、生态环境及人类活动都有重要影响[9-11]。降水日变化是检测和评估天气预报模式和气候模式的重要指标，如果模式不能模拟降水日变化，就不能模拟地气-辐射反馈的非线性过程，导致模式整体性能退化[12-14]。

前人对东北降水日变化特征的研究是从大的区域角度来进行分析，具体到更小尺度的辽宁省的相关研究相对较少。杨森等[15]利用辽宁省25个气象观测站1961～2008年夏季降水的逐时资料，从降水量、降水频次、降水持续时间分析了辽宁省夏季降水的日变化特征，并对降水日变化的成因进行了简要分析，该研究有助于对于辽宁省夏季降水日变化区域特征的认识。然而，降水在不同的强度水平上，也具有不同的日变化特征。由于极端强降水的致灾性强，其时空变化规律受到广泛关注，而对于弱降水及中等强度降水的研究相对较少，这两类降水虽然累计降水量相对较少，但如果发生频次高，对于缓解干旱及增加空气湿度具有重要作用。此外，不同等级的降水形成机制也不同。因此，有必要进行不同等级降水的日变化特征研究。另一方面，由于中国气候存在着明显的年代际变化特征，在全球变化背景下，降水日变化特征是否发生变化？也是一个非常重要的研究课题。因此，需要不断对逐时降水资料更新和分析。

鉴于以上原因，本研究利用2008～2017 年辽宁省60 个气象观测站点的逐时降水资料，从降水量、降水频率、降水强度方面细致研究辽宁省夏季降水的日变化特征，并对不同持续时间和不同等级的降水对夏季降水的贡献及日变化特征进行深入分析。研究结果将有助于进一步深化对辽宁省夏季降水日变化特征的理解。

1 材料与方法

1.1 材料

选用辽宁省气象局提供的2008～2017 年辽宁省夏季（6～8 月）60 个国家级气象观测站的逐时降水量数据（由仪器设备自动采集并上传），通过气候极值检查和内部一致性检查对数据进行质量控制。此外，供试数据还有辽宁省高程数据，来源于中国科学院遥感与数字地球研究所（http://eds.ceode.ac.cn/sjglb/dataservice.htm）。

1.2 方法

本试验的研究区域为辽宁省（东经118°53'～125°46'，北纬38°43'～43°26'）。降水发生的判据为小时降雨量大于等于0.1mm[16]。对2008～2017 年夏季逐小时降水资料进行分析，统计出一天（北京时间00∶00～23∶00，共24h）每个时段的累计降水量和累计降水时数。对于一天中的某小时，夏季的总时数=92×10=920h，根据这些统计结果进一步计算出夏季一天中每小时气候平均的降水量、降水频率、降水强度，计算公式为：（1）降水量（PA）=累计降水量/总时数；（2）降水频率（PF）=（累计降水时数/总时数）×100%；（3）降水强度（PI）=累计降水量/累计降水时数。一天中24 个时段气候平均值的极大值为日峰值，为了更好的反映各气象站降水峰值的差异，采用自然间断点法对辽宁省降水量、降水频率、降水强度日峰值进行分级。根据降水量和降水频率日峰值及两者出现的时间，结合地形对辽宁省分区。通过求算各区域内气象站降水量和降水频率的算术平均值得到区域平均降水量和降水频率，进一步探讨降水日变化的区域差异。

为了进一步深入分析辽宁省降水日变化的特征，对不同持续时间和不同等级降水的日变化进行分析。当一次降水过程之后连续2h 没有降水时，判定一次降水过程结束，将一次降水事件开始至结束的小时数定义为其持续时间，参考YU[17]的定义，根据持续时间将降水事件分为4类：短历时降水为持续1～3h的降水；中长历时降水为持续4～6h 的降水；长历时降水为持续7～12h 的降水；超长历时降水为持续超过13h 的降水，对各个站点的逐时降水数据根据其所在降水事件的持续时间进行划分，然后根据分类将不同持续时间的逐时降水进行统计（累加及求平均）。参考ZHUO等[18]将不同强度降水划分为4个等级标准（L1～L4）：0.1～10mm·h-1；10～25mm·h-1；25～50mm·h-1；大于50mm·h-1，对逐时降水数据根据其降水强度进行划分，然后根据分类将不同强度的逐时数据进行统计（累加及求平均）。

2 结果与分析

2.1 辽宁省夏季降水日变化的基本特征

2.1.1 辽宁省夏季降水日峰值及其出现时间的空间分布 辽宁省降水量日峰值从东向西方向递减，辽宁东部沿海地区降水量日峰值多数达到0.34mm·h-1以上，而辽宁西部山地的降水量日峰值均在0.27mm·h-1以下，辽宁中部平原的降水量日峰值大多介于两者之间。辽宁西部山地降水量日峰值出现时间比较一致，均在16∶00～17∶00；而在沿海地区，降水量日峰值出现在5∶00～11∶00；在中部内陆地区，降水量日峰值多出现在14∶00～18∶00（图1a），这与前人研究结果一致[15]。

辽宁省降水频率日峰值的空间分布与降水量日峰值的分布相似（图1b）：自东向西方向递减。受渤海和黄海影响，辽宁东部地区的降水量和降水频率日峰值较大，而辽宁西部山地受北部蒙古高原的干燥冷空气侵入，使得辽宁西部山地的降水量和降水频率日峰值均偏小。西部山地和中东部内陆地区的降水频率日峰值多出现在17∶00，而沿海地区降水频率日峰值集中出现在6:00，与降水量日峰值的出现时间基本一致。

由辽宁省夏季气候平均降水强度日峰值的空间分布图可知（图1c），在山地与平原的交界处，降水强度较大，可能由于山地与平原之间的对流活动较强，易形成强降雨。并向两侧递减，且沿海向内陆递减。

由于辽宁省下垫面条件复杂，降水量、降水频率日峰值及出现时间差异明显，结合地形将辽宁省分为4 个子区域（图1a）。辽宁西部主要为山地，降水量日峰值较小且日峰值出现时间主要在17:00，将其划分为辽西地区R1；辽宁东部南靠黄海，北有山地，降水量和降水频率日峰值较大，且日峰值出现时间多出现在清晨，将其划分为辽东地区R4；辽宁中部主要为平原，降水量和降水频率日峰值均介于东、西之间，但南部靠海，日峰值出现在清晨，北为内陆，日峰值多出现在午后，将其分别划分为辽中内陆地区R2和辽中沿海地区R3。

图1 辽宁省夏季降水量日峰值（a）、降水频率日峰值（b）和降水强度日峰值（c）及其出现时间(箭头)的空间分布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 区域平均降水日变化特征 由图2a和图2b可知，辽宁省区域平均降水量和降水频率日变化均为典型的双峰结构，且2个峰值的发生时间均为清晨和傍晚，而降水强度则只有1个傍晚明显的日峰值。降水量日变化的2 个峰值相差不明显，而降水频率日变化在清晨的峰值明显高于下午的峰值。这意味着降水量清晨的日峰值主要由于降水频率的贡献，而下午的日峰值，受降水强度的影响较大。

辽西R1 和辽中内陆地区R2 的降水量、降水频率日变化均为双峰结构，分别出现在清晨和傍晚，谷值出现在中午和夜晚（图3）。辽中内陆地区降水量和降水频率日变化的峰谷值均高于辽西地区；辽中沿海R3和辽东地区R4 的则呈现单峰日变化，峰值出现在清晨，谷值出现在夜晚。辽东地区降水量和降水频率日变化的峰谷值均高于辽中沿海地区。由此可以看出通过对辽宁省进行更为细致的区域划分来研究降水日变化的必要性。

2.2 不同持续时间降水日变化特征

图2 辽宁省夏季区域平均降水量（a）、降水频率（b）和降水强度（c）的日变化特征Figure 2 Diurnal variations of the summer PA(a), PF (b) and PI (c) regionally averaged in Liaoning Province

图3 辽宁省各子区域夏季区域平均降水量、降水频率和降水强度的日变化特征Figure 3 Diurnal variations of the summer PA, PF and PI regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

2.2.1 不同持续时间降水对总降水的贡献 分别统计各子区域不同持续时间降水的累计降水量和夏季总降水量，计算不同持续时间降水对夏季总降水量的贡献。辽中内陆地区、辽中沿海地区和辽东地区随着降水持续时间的增加，贡献率也在增加，辽西地区1～3h 的降水贡献率略高于4～6h 的贡献率。在1～3h 的降水贡献中，辽西地区＞辽中内陆地区＞辽中沿海地区＞辽东地区，而在≥13h的降水贡献率中辽东地区最高，辽西地区、辽中内陆地区和辽中沿海地区在4 个不同持续时间降水的贡献率差异在13%～24%之间，而辽东地区的差异高达30%（图4）。整体来看，辽宁省长时降水（＞6h）对夏季降水的贡献远远大于短时降水（1～3h），这说明由东亚季风等大尺度环流所引起的持续性降水对辽宁省夏季降水影响较大。

2.2.2 各子区域不同持续时间降水的日变化特征 在持续时间为1～3h的降水日变化中（图5a），4个子区域的日峰值出现在15∶00～18∶00，其中辽西地区和辽中内陆地区的日峰值较大，而辽中沿海地区和辽东地区的日峰值较小，这可能与内陆地区午后热对流能量强相对应，低层大气的稳定性受其影响较大。在4～6h 的降水日变化中（图5b），辽西地区的日峰值出现在下午，辽中内陆地区和辽东地区上午和下午的峰值差异不明显，而辽中沿海地区的主要峰值出现在上午。在7～12h的降水日变化中（图5c），4个区域的日峰值出现在4∶00～9∶00，辽东地区的日峰值最大，而辽西地区的最小，且辽西地区和辽中内陆地区的峰值差异不明显。在≥13h 的降水日变化中（图5d），辽西地区、辽中沿海地区和辽东地区的日峰值均出现在上午，而辽中内陆地区的日峰值上午和下午各出现1次。

图4 辽宁省各子区域不同持续时间降水量对夏季总降水量贡献Figure 4 The percentage contribution of different du‐rations summer PA to total precipitation of each subregion in Liaoning Province.

图5 辽宁省各子区域夏季不同持续时间降水的气候平均降水量日变化特征Figure 5 Diurnal variations of the summer PA of different durations regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

通过对比分析发现，随着降水持续时间的增加，4个子区域降水量日峰值的出现时间从下午逐渐过度到上午。短时降水在下午出现峰值可能与太阳辐射加热产生的热力对流有关：白天太阳对下垫面进行加热，地面升温引起局地对流活动，引起的水汽凝结很有可能产生短时的降水。而长时降水的形成，往往需要大尺度的天气系统，稳定的水汽供应以及强烈持续的上升运动[19]，辽中沿海地区和辽东地区长时降水的峰值要远远大于辽西和辽中内陆地区，可能由于陆地上土壤热容量远远小于海水，陆地升温或降温都比海洋快得多。14∶00陆地上温度最高，随后陆地上的降温幅度高于海洋，海洋温度渐渐超过陆地，且在清晨时温差达到最大，此时海洋对应的热低压与陆地形成的冷高压之间形成陆风环流，将有利于陆地上干冷的空间进入到暖湿气流之下，暖湿气流被迫抬升，这种中、大尺度的天气系统易形成长时降水。辽中沿海地区不仅受海洋影响，也受北部蒙古高原干燥冷空气侵入的影响，而辽东地区由于山地机械阻障作用，使得蒙古高原的干燥冷空气无法侵入，辽东地区的北部虽然离海洋较远，但是在辽宁东部夏季大气中低层盛行偏南风，将少量海洋水汽带入北部，而当风遇到山脉阻挡，偏南风气流被迫抬升，在适宜条件下会产生降雨。

2.3 不同等级降水的日变化特征

2.3.1 不同等级降水对总降水的贡献 除不同持续时间降水外，不同等级的降水也是影响降水日变化的原因。分别统计各子区域不同等级降水的降水总量，计算不同等级降水对夏季总降水量的贡献。由图6可知，L1级降水对4个子区域夏季降水的贡献最大，占总降水量的59%以上，并随着降水等级升高，贡献率明显减小。这说明，辽宁省夏季降水主要以0.1～10mm·h-1的降水为主。

2.3.2 各子区域不同等级降水的日变化特征 随着降水等级的增高，4 个子区域的峰值逐渐增多（图7）。4 个子区域的L1 级降水降水量日变化（图7a）基本为双峰结构，清晨峰值出现在 5∶00～6∶00，下午峰值出现在 16∶00～18∶00。辽西地区下午峰值高于清晨峰值，辽中内陆地区的两峰值大小差异不明显，而辽中沿海地区和辽东地区清晨峰值高于下午峰值；将L2 级降水峰值划分为午前和午后（12:00 前后），辽西和辽中内陆地区午后峰值高于午前峰值，辽中沿海地区和辽东地区则相反（图7b）；L3、L4 级降水日变化均有多个峰值，L3 级降水日变化中辽西地区和辽中内陆地区的主要峰值分别出现在18∶00 和17∶00，而辽中沿海地区和辽东地区的主要峰值出现在7∶00 和9∶00（图7c）；L4 级降水发生较少，日变化特征不明显（图7d）。

图6 辽宁省各子区域不同等级降水量对夏季总降水量贡献Figure 6 The percentage contribution of different lev‐els summer PA to total precipitation of each sub-region in Liaoning Province

降水频率体现降水发生的可能性。降水频率的日变化特征也能反应降水规律，各子区域气候平均降水频率日变化特征（图8）与降水量日变化特征相似，降水频率日变化的峰值出现时间与降水量峰值出现时间相近。

等级较高的降水（L2 以上）发生往往需要充足的水汽、强盛而持久的气流上升运动和大气层结构的不稳定。各区域日峰值出现时间不同与山地-平原-海洋三大地形的热力差异引起的局地环流日变化有关[11]：辽西地区、辽中内陆地区午后的日峰值由山地-平原局地环流诱发，辽宁西部为努鲁尔虎山，植被覆盖较多，下午地面温度升高的同时，地面蒸发及植被的蒸腾作用也加强，为降水提供了大量水汽，而山区地形也有强迫抬升作用，这种抬升作用使得空气进一步上升，为降水的形成提供了有利条件，同时，西部的努鲁尔虎山与辽中内陆（平原）和辽宁东部的龙岗山-千山山脉，形成了“山-谷-山”的地形变化，地面风场具有山谷风的特征，形成山谷风热力环流，在晴朗的白天，山地日照充裕，气温较高形成热低压，而谷地气温较低形成冷高压，高低压之间形成环流，即山地气流上升，谷底气流下沉，风由山谷吹向山地形成谷风，进一步增加了山坡上的水汽，导致辽宁西部、辽中内陆地区夏季气候平均降水量日变化的峰值出现在午后。辽中沿海地区、辽东地区的午前峰值由平原-海洋局地环流诱发，其形成原因与长时降水的午前峰值相似。

整体来看，对比图3a、图3d、图3g 和图3j，L1 级降水与总降水量的日变化特征最为相似，可能因为L1 级降水对总降水的贡献最大，从而可能意味着L1级降水主导了辽宁省夏季降水日变化特征。

图7 辽宁省各子区域夏季不同等级降水的气候平均降水量日变化特征Figure 7 Diurnal variations of the summer PF of different levels regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

图8 辽宁省各子区域夏季不同等级降水的气候平均降水频率日变化特征Figure 8 Diurnal variations of the summer PF of different levels regionally averaged of each sub-region in Liaoning Province

3 讨论与结论

利用2008～2017 年夏季辽宁省60 个观测站的逐时降水资料，分析辽宁省夏季降水量、降水频率、降水强度的日变化特征和区域差异，并对其形成的可能原因作以分析。研究结果表明，辽宁省夏季降水量和降水频率日峰值基本呈现从东向西递减的变化，其日变化基本呈双峰结构，而降水强度的日变化呈单峰变化。降水量清晨的日峰值主要由降水频率引起，而傍晚的日峰值主要由降水强度所造成。辽西地区和辽中内陆地区的降水量和降水频率都以傍晚的日峰值所主导，而辽东地区和辽中沿海地区主要以清晨的日峰值为主。长持续性降水（≥7h）对辽宁省夏季降水的贡献大于短持续性降水（1～3h），短时降水的降水量日峰值出现在午后，长时降水的降水量日峰值出现在午前，分别主导着降水量日变化的傍晚和清晨的日峰值。降水等级为L1 级（0.1～10mm·h-1）的降水，对辽宁夏季总降水的贡献最大，四个子区域的L1 级降水主导了夏季降水量的日变化。随着降水等级升高，降水量和降水频率日变化的规律变差。

尽管本研究获得了对辽宁夏季降水日变化特征比较深入的认识，但对这种日变化特征的形成机制仍不够清楚。降水日变化涉及的物理机制极其复杂，除了与环流背景、下垫面强迫有关外，还与云过程、对流活动、辐射传输、地表通量交换、大气边界层的发展有关[20]。因此通过气候模式进行数值模拟，深入探讨环流场、热力强迫等的日变化特征与降水日变化的联系，将是未来的研究方向。