长江流域30°N沿线昼夜及冬夏降水特征差异分析_邓雯.pdf

第 卷第期 年月 ，气象科技 长江流域 沿线昼夜及冬夏降水特征差异分析邓雯沈铁元向怡衡廖移山（中国气象局武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室，武汉 ）摘要利用 年逐时降水资料，统计分析长江流域 沿线不同地形阶梯代表区昼、夜、冬、夏降水的频率、雨量、类条件概率密度等特征，通过研究昼夜比、冬夏比随经度的分布探讨不同高度地形对降水的影响。主要结论如下：沿线四川盆地内降水量和频率的夜昼比向东递减，雅安附近是夜雨强中心区，夜雨现象在四川盆地东侧山地 以东趋于消失；盆地内强降水比弱降水更易发生于夜间。沿线冬雨与夏雨存在较大差异，雨量上冬雨小、夏雨大；结构上冬雨弱、夏雨强；降水频次上存在地域差异，第二地形阶梯冬雨少、夏雨多，而第三地形阶梯反之；冬雨受大地形影响更为明显。根据降水第类类条件概率密度（）冬夏比及冬雨 距平百分比聚类分析，可将个分区分为类，该分类与地理位置、地形阶梯有良好的对应关系。夏雨受局地地形影响显著，将夏雨 距平百分比高于 的峰（低于 的谷）值区定义为夏雨强（弱）潜力区，则各分区强、弱潜力区表现各异。江汉平原南部、鄱阳湖以北发生短时强降水潜力较大，雅安出现极端短时强降水潜力大（强潜力区）；冬雨强潜力区（距平百分比高于 的峰值区）位于第三地形阶梯上的 、分区（潜力值），而该降水区间也是雅安和盆地中央的弱潜力区（距平百分比低于 的谷值区）。关键词逐时降水；降水频率；类条件概率密度；夜昼比；冬夏比；沿线；长江流域中图分类号：文献标识码：气象科技湖北省气象科技发展基金（；）、沙漠气象研究基金（）共同资助作者简介：邓雯，女，年生，硕士，高工，主要从事暴雨机理分析，：收稿日期：年月 日；定稿日期：年月 日通信作者，：引言受季风冬夏差异、海陆差异及大（小）地形等多种因素的影响，我国降水时空分布存在非均匀性，总体为降水南多北少、沿海多内陆少、夏多冬少。我国年均降水量分布的差异性与中国三级地形阶梯、七大地理分区及气候区划等紧密相关。长江流域横跨东、中、西三大经济区，地形复杂多样，高原、山地、盆地与平原共存。同纬度不同区域的降水有何差异？不同地理地形对降水影响如何？这些问题的深入研究对进一步认识我国降水规律具有重要意义。在自动雨量站观测网布设完成之后，降水资料的时空分辨率大大提高，进一步推动了我国降水时空分布非均匀性的研究 ，等 分析了中国南方降水日循环的季节变化特征；等 在大量前期研究基础上总结了中国大陆及邻域降水日变化研究进展情况；宇如聪和李建 分析了中国大陆日降水峰值时间位相的区域特征；朱黎明等 分析表明，中国大部分地区的降水量日变化由降水频率日变化主导；陶局等 研究表明，浙江省极端短时强降水主要分布在暖季（月）及午后（：），东部沿海（包括东南沿海和杭州湾）是高发带，东南沿海处的海陆交界下垫面及喇叭口地形有利于极端短时强降水的发生；倪婷等 研究表明，大别山梅雨期降水日变化呈双峰型，梅雨期前后呈单峰型；计晓龙等 分析了青藏高原夏季降水日变化特征；刘凯等 研究了中国 年气温和降水的时空演变特征。另外不少学者对“巴山夜雨”的类似现象开展了研究：王夫常等 分析了我国西南降水的日变化，认为“夜雨”与午后次峰共存，且区域差异显著；白爱娟等 分析了青藏高原及周边地区夏季降水日变化特征，发现高原中部与四川盆地在降水日变化上具有明显不同的峰值时间，表现出从高原中部向外传播的特征，最显著的信号出现在高原东缘；唐敏丽等 认为秦岭南、北两侧暖季小时雨量、频次强度出现峰值有较大差别，夏秋两季中南侧降水量、降水频次及强度均以清晨峰值为主；唐红玉等 认为西南多地区夜雨频繁；段春锋等 研究中国夏季夜雨空间分布特征，并比较了不同典型夜雨区和非典型夜雨区的降水日变化特征。关于降雨结构的研究不应仅局限于日（或月、季、年）变化方面，所以部分学者利用逐时降雨资料开展了概率密度的研究。田付友等 用函数估算暖季降水概率密度分布，分析我国极端小时降水的阈值空间分布，寻找短时强降水易发区域；赵琳娜等 利用夏季降水资料和台风观测数据用 函数拟合概率密度分布，分析台风降水概率分布特征及其极端降水阈值。王彬雁等 用皮尔逊型概率分布模型对四川省降水进行拟合，计算最大逐时降水量的概率分布及其重现期极值。目前关于降雨结构的地域差异性以及地理地形对降雨结构影响的研究尚不多见。由于冬、夏两季降水概率分布是降水分布的两种极端情况，弱、强降水分布差别明显，对冬、夏两季降雨结构地域差异性分析有利于认清地形影响降水的规律。为此本文利用长江流域 纬度带不同地形阶梯上九个矩形分区近年逐时降水观测资料，除了按常规从降水频率、雨量上分析昼与夜、冬与夏的差异性之外，还从概率密度的角度，研究昼夜比、冬夏比随经度的分布以探讨不同高度地形对降水的影响。资料简介与研究方法 资料简介与分区概况本文所用资料来源于全国综合气象信息共享平台（），为逐时降雨（）与对应观测时间数据对，涉及个分区内的近 个自动雨量站。使用资料中的国家站和区域站资料年限不同：国家站为 年，区域站由于 年以前观测数据未经质量控制，且部分站未建站或资料未上网，故资料年限为 年，且缺测大于的站点被剔除。为尽可能增加统计样本数量，不同站点资料年份有所差别。统计过程中，昼雨选择：（北京时，下同），夜雨为 ：至次日 ：；夏雨为 月，冬雨为 月至次年月。图给出了所选分区地理位置示意图，红色方框代表 沿线的个分区：分区在我国第一地形阶梯上；、分区位于第二地形阶梯上，其中、位于四川盆地内，、分区位于四川盆地东侧山地；、分区在第三地形阶梯上。其范围如下：分区为（，）、分区（，）、分区（，）、分区（，）、分区（，）、分区（，）、分 区（，）、分 区（，）、分区（，）。图所选个分区地理位置示意（红色方框为 沿线的个分区，分区观测站点分别为 、站）主要物理量统计和计算方法（）频次统计方法：分区内所有站点有效观测小时数，记为；降水量观测不为的时次数，记为；夜雨、昼雨、冬雨、夏雨次数按照相应定义时段统计；将降水量划分为个等级，各等级区间长度记为（），统计各分区内所有站点发生观测雨量落在降水等级上的时次数，记为（）。（）降水频率计算如下：（）其中，为降水频率（），为降水量观测不为的时次数，为分区内所有站点有效观测小时数。夜雨、昼雨、冬雨、夏雨降水频率分别用、表示（计算公式略），计算中分母均采用分区内所有站点有效观测小时数（即），如夏雨频率计算中，分母不是夏季有效观测小时数，而是。气象科技第 卷其他类似，故、满足，是个季节降水频率的总和。（）第类概率密度 （，）计算公式如下：（）（）（）（）（）是指在观测降水量落在某降水量区间内或某一降水等级上的概率密度，表示降水等级上降水发生的可能性大小，单位：，其定义域为，；（）为各分区内所有站点观测雨量落在降水等级上的时 次 数；（）为 雨 量等 级 区 间长度。（）第类类条件概率密度 （，）指在观测有降水条件下，即剔除观测降水量小于 的样本后，降水量落在某降水量区间内或某一降水等级上的概率密度，其函数定义域是，单 位：。在 函 数 定 义 域 内 与 存在倍率关系且倍率为，即：（）（）（）降水等级的区间中值记为 ，当降水等级的区间长度（）足够小时，认为 （）是雨量为 下的概率密度，记为 （）。与 含义不同，前者表示有降水发生条件下，在降水等级上降水发生的可能性，侧重于反映降水随降水等级的分布与变化情况，由于其与降水频率无关，故可反映某等级降水发生的潜力。（）雨量贡献密度 （，）指在某一测量刻度 所代表的单位降水量区间内降水量对年均降水量的贡献，它是 的函数，下的雨量贡献密度表示为 （）。（）与和 （）成正比，在定义域内积分可用 来 估 计 年 均 降 水 量，其 单 位 为。定义域为，。记内小时数 ，则：（）（）（）式中，为一年内的小时数，（）指雨量为 下的第类概率密度。根据雨量贡献密度又进一步派生出雨量贡献、雨量贡献率。如某一降水等级或某一雨量区间内的夜雨贡献是夜雨量贡献密度在该雨量区间上的积分，与之类似定义昼雨贡献、冬雨贡献、夏雨贡献。在雨量区间为函数的定义域时，夜雨贡献就是年均夜雨量；降水频率夜昼比是与的倍比值，雨量夜昼比是夜雨与昼雨年均贡献的倍比值。降水（频率、雨量）冬夏比与之类似。沿线降水特征及降雨结构比较 沿线降水的夜昼比特征表给出了沿 个代表区域测站情况与昼、夜降水频率、雨量及夜昼比，图进一步给出了 沿线种不同量级降水的夜昼比沿经度的分布。从图中可见：无论降水量还是降水频率，雅安附近（区）夜昼比最大，是“夜雨”高值中心，也是降水强中心，这与周秋雪等 认为强降水高发中心主要位于雅安地形过渡的陡峭区观点趋同。雅安夜雨量是白天降水量的 倍，夜雨频率是白天的 倍，即夜雨量贡献率高达、夜雨频率占总降水时数的，这一数据与周长艳等 的统计结果 、接 近，由 于 统 计 时 段 不 同 数 据 略 有差别。降水频率夜昼比（绿点虚线）与雨量夜昼比（红虚画线）走势趋同，但频率夜昼比变化更平缓、离差小，雨量夜昼比起伏更大。由此可见，在比较昼雨、夜雨差异性时，使用降水量来统计比用降水频率更清晰；、区在四川盆地内，降水夜昼倍比值向东递减，到区（盆地东侧山地）时曲线走势由快速下降变为平缓，“夜雨”现象基本消失，以东昼雨略占优势；降水频率夜昼倍比值变化趋势与此类似。图中用、区间来代表弱、中等与强降水（分别用蓝、绿、红实线代表它们的夜昼比，为小时雨量），从图中可以发现，四川盆地内 沿线地区，强降水比弱降水夜昼比大，反映出强降水更易发生于夜间；种降水强度夜昼比同样在区（盆地东侧山地）走势发生折转，并且折转角度有差别：强降水折转角大，弱降水折转角小。造成这一现象的原因可能在于东移的四川盆地降水系统由于山体阻挡及近地层摩阻加大，降水系统减弱或停滞不前，其中部分强降水系统在翻山过程中变成弱降水系统并对下游产生影响。第期邓雯等：长江流域 沿线昼夜及冬夏降水特征差异分析表 沿线个代表区测站情况与昼、夜降水频率、雨量及其夜昼比（按经度排序）主要参数分区中心经度（）区域大小（）降水数据总数 参与统计测站数 区域内测站数 统计平均年限 昼雨频率 夜雨频率 降水量夜昼比 降水频率夜昼比 图 沿线降水量、频率及分量级降水的夜昼比随经度分布（黑实线代表昼夜降雨平衡线，黑三角代表个分区中心，从左到右依次为区）此外，从表还可发现，最靠近海洋的区降水频率与雨量的夜昼比与其他个区不同，频率与雨量呈反位相状态：频率夜昼比大于，雨量夜昼比小于，即夜雨频率略多，而夜雨量偏小。造成该现象的原因是夜雨与昼雨的降雨结构存在差异，以下从雨量贡献密度（）来详细分析。图给出了分区的雨量贡献密度随降水量级的分布图。横坐标为降水等级下区间中值 的对数（），图中分 个降水等级，各离散点所处横坐标对应一个降水等级，当横坐标取值、时分别对应 、。图中蓝圈线（夜雨）、绿“”线（昼雨）在第个降水等级 时相互交叉，交叉点左边夜雨贡献大、右边则昼雨贡献大，即夜雨更偏向于分布在弱降水区段、昼雨偏向于分布在大的降水区段。由此可见，在分区，尽管夜雨出现频率略大于昼雨，但通过雨量贡献密度积分运算可知夜雨贡献量小于昼雨贡献量。这就能很好地解释区降水频率与雨量的夜昼比反位相的现象。图分区昼雨、夜雨及总雨量贡献密度随降水量级分布 沿线冬雨、夏雨的纬向分布特征由于位于青藏高原上的分区冬雨资料稀少，代表性不强，故在下文分析中不考虑分区。图给出了 沿线冬雨频率及雨量贡献沿经度的分布情况，从图中看出，各分区冬雨频率在 之间，年均冬雨量在 之间，冬雨的雨量及频率向东整体呈上升趋势，而向西越深入内陆，受季风气候影响越小，冬雨雨量越小，出现频气象科技第 卷率也越少。这种趋势反映的是地理位置及我国三级阶梯大地形对冬季降水的影响起主要作用。图中两曲线在向东上升的大趋势中某些分区存在小波动，如、分区是平原地区、地势低，冬雨频率处于相对低值区，雨量亦然，且程度偏弱。其原因在于：区是高原东侧的陡峭地形，受大小地形配合影响，、区受到川东山地影响，对降水频率有增益作用。可见，地形地貌对冬季降水也有一定影响，但处于次要地位。图 沿线不同分区冬雨频率与雨量