引言

中国受季风影响，夏季降水集中，每年都会遭受强降水带来的暴雨洪涝和城市内涝等灾害。大量研究表明，近年来在全球许多区域强降水呈现增加趋势，而弱降水则明显减少。在中国大多数地区，弱(强)量级降水出现的频率趋于下降(增加)，表明强降水对总降水量的贡献呈现增大趋势，但对于中国不同地区强降水变化趋势却存在较大差异^[1-4]。陈冬冬等^[5]利用筛选后的西北186个测站的数据发现近五十年来(1958—2005年)，西北地区降水以强降水为主，较强以上强度降水量占总降水量75%；弱降水总量减少、强度却加大，强降水强度增强、极强降水强度却减弱。陈波等^[6]利用华中五省84个测站的逐日降水资料(1968—2005年)，分析了华中地区不同级别强降水的时空变化趋势、突变和周期特征。蔡敏等^[7]选取河套地区87个气象站1961—2010年逐日降水资料，分析了河套地区大雨以上降水日数的时空分布特征及气候变化规律。王友贺等^[8]利用河南省110个观测站1965—2009年的降水数据对河南年降水和四级降水以及不同降水界限的年代变化进行了时空演变特征分析。刘海文等^[9]利用华北44个站近50 a(1957—2006年)的资料对华北地区各强度降水进行分析，发现各强度降水都呈不同程度减少趋势，且华北汛期大雨贡献率最大。郭军等^[10]则利用环渤海地区60个台站(1961—2007年)逐日降水资料，分析了极端强降水量、降水强度和频率的空间分布及时间变化趋势。

以上研究多采用常规观测资料分析大区域范围的降水特征，而在城市尺度上，强降水发生时间短，来势凶猛，常规资料无论从空间还是时间上，分辨率都不够。近年来，随着区域自动站资料的积累，使得采用自动站资料对城市和近郊降水细微差异及降水日变化特征进行分析成为可能。尹承美等^[11]利用2006— 2008年5—9月济南市区区域自动气象观测站等资料分析了济南市区出现短时强降水(R≥15 mm·h^-1)的年际、月际、时际以及强度特征。杨诗芳等^[12]利用杭州市近20 a的1 h雨量资料，分析了杭州短时强降水的发生规律，发现杭州短时强降水年发生次数的多年平均值为9.6次，短时强降水容易发生在凌晨及午后两个时段。严洌娜等^[13]则通过建立浙江省各历时年最大降水系列数据库，初步诊断确定6 h以内的降水为短历时强降水最具风险的时段。刘伟东等^[14]和王国荣等^[15]利用自动站资料，对北京地区的降水时空特征进行了分析。

强降水事件一直是汛期服务的重点，特别是短时强降水，其发生发展十分迅速，局地性强，对其监测、临近预报和预警一直是气象预报服务中的热点和难点。天津位于华北平原东北部，东临渤海，北依燕山，地势西北高、东南低，大部分区域比较平坦，海拔在2~10 m，平原占93.9 %，山区占6.1 %，山区集中在天津北部。受海洋、山区及城市化影响，天津降水有其独特的地方。本文采用自动站逐时降水资料分析天津地区降水空间分布特征，并借鉴宇如聪等^[16-17]的方法对天津降水日变化特征进行研究，以期为天津城市洪涝预警提供一定的参考。

1 资料和方法

数据来自天津市气象信息中心，选取从2009— 2013年4—10月221个区域自动站逐时数据，并对各自动站数据进行质量控制。步骤如下：1)异常值剔除。根据历年1 h最大降水量数据，找出各国家基本站和一般站1 h出现过的最大降水量(1981—2010年1 h最大降水量为105.3 mm)，若区域自动站1 h降水量超过该值，则这条记录标为可疑记录，回查该记录的原始数据，并查找邻近自动站当天记录及相关灾情记录，如确定为异常则进行剔除；同样判断24 h降水量，若超过历史最大值(354 mm)，则进行回查，若异常则进行剔除。2)时间连续性检查，对每个时刻的任意一个有效站点，都必须确保该站点在该时刻前后1 h内都具有连续观测记录。3)对数据(每站数据总个数25 680个)缺测率在5 %以上(1 284个)的站点进行剔除。按上述质量控制共剔除16个自动站，实际参与分析的站点共有205个(图 1)。

分析过程中，对一次降水过程做如下规定：1 h降水量大于等于0.1 mm的时次被判定为有降水发生，某降水时刻后连续2 h没有降水时，判定一次降水过程结束。该降水过程记为一次降水事件，将一次降水事件开始至结束时间的小时数定义为其持续时间。

结合天津的实际情况和成灾的可能性，将短时强降水分为3级，降水过程中有1 h降水量大于等于10 mm且小于20 mm的为三级短时强降水事件、有1 h降水量大于等于20 mm且小于30 mm的为二级短时强降水事件、有1 h降水量大于等于30 mm的为一级短时强降水事件，以此挑选出各区域自动站短时强降水事件。

2 降水空间分布特征 2.1 降水小时数、小时平均降水强度及小时最大降水量空间分布

通过分析天津降水小时数、小时平均降水强度和最大降水量，给出天津市降水基本空间分布态。从图 2可以看出，天津地区降水小时数高值区主要分布在蓟县北部、滨海新区中部至西南部一带及市区西北侧部分地区；小时平均降水强度，在蓟县东北部、市区西北侧、滨海新区南部和宝坻南部比较大；对于出现过的小时最大降水量，存在两条明显大值分布带，分别位于市区北部的北辰至宁河一带以及市区南部的静海东南部至滨海新区南部一带。值得指出的是，天津主城区(市区)及西北侧小时降水强度较其东南侧大，而对于降水小时数差异并不明显。

2.2 强降水事件频次空间分布

从天津地区短时强降水事件发生频次的空间分布(图 3)可以看出，三级短时强降水事件的高发区主要集中在蓟县北部山区及蓟县西南侧和宝坻交界处，对于天津南部广大平原地区，三级短时强降水事件在市区东丽西北侧、滨海新区西南部和宁河均出现了相对高值区，津南位于市区东南侧三级短时强降水事件明显偏少；二级短时强降水事件的高发区位置与三级短时强降水事件高发区类似；一级短时强降水事件在市区西北侧和东南侧与三级和二级短时强降水事件频次分布有明显的不同，在三级和二级短时强降水事件中，市区西北侧和东南侧为强降水事件的高发区和低发区，而对于一级短时强降水事件，其分布趋于相反。即市区西北侧10~30 mm的强降水事件较多、30 mm以上的降水事件较少，对于市区的东南侧则相反。

3 降水日变化特征 3.1 累积降水量、降水频次及降水强度的日变化

为研究天津各区域降水日变化特征以及城市化对降水的影响，分别选取市区及周边(环城四区：北辰、东丽、西青和津南)、沿海地区(滨海新区)和全市范围作为研究对象，分析这几个区域的降水日变化特征。

图 4给出了天津地区2009—2013年4—10月不同区域平均累积降水量、降水频次及降水强度日变化曲线。从降水强度的日变化曲线上看，天津全市19时(北京时，下同)和03时分别出现主峰和次峰，11时为降水强度低谷出现时间；降水频次和累积降水量从凌晨04—05时开始逐渐下降，到中午左右最低，然后缓慢增加。对于不同区域降水日变化曲线存在不同特征，市区降水强度存在明显的双峰结构，且傍晚19时左右的峰值明显高于其它区域，滨海新区南部与市区类似；除津南和滨海新区北部外，其它各区域降水强度基本都呈现明显双峰型；可以看到傍晚至午夜的降水相比凌晨的降水频次偏少，且以6 h以内的短时降水为主(见后文)。傍晚至午夜的峰值可能与午后太阳辐射加热的热力驱动有关，午夜至清晨出现峰值的内在机理依然不是很清楚^{[16, 18]}。

为较清楚地分析天津市区与周围地区、沿海地区的降水特征差异，将市区降水日变化特征量和市区周边、沿海地区分别做差值。图 5给出了天津地区近5 a降水特征的市区与周围地区、沿海地区的差异。从逐时降水量的差值分布看，中午到午夜多数时次，市区降水多于周边及沿海地区，凌晨多数时次市区降水量少于周边及沿海地区，降水强度差值也有类似的规律(图 5a, c)。对于降水频次，下午至夜间多数时次，市区略多于周边及沿海地区，凌晨大多数时次市区降水频次略少于市区周边，沿海地区凌晨至中午的降水频次则明显多于市区，值得指出的是，北辰位于天津市区的西北方向，其傍晚至夜间的降水频次和市区周边其它三个地区有较明显差异(图 5b)。

进一步分析全市降水日极值的空间分布，天津中北部地区累积降水量峰值主要出现在午夜至凌晨(23:00—03:00)，南部地区则出现在傍晚和清晨(17:00— 19:00和04:00—08:00)，降水频次峰值基本都出现在凌晨至清晨(00:00—09:00)，降水强度峰值与累积降水量峰值出现时间类似(图略)。

3.2 不同持续时间降水的日变化

降水的日变化特征与降水持续性之间存在紧密关联。Yu等^[16]、戴泽军等^[17]、李建等^[19]的研究表明，中国中东部地区长历时降水(超过6 h)的最大降水量多出现在清晨，而短持续性降水(1~3 h)峰值多在下午到傍晚发生^{[16-17, 19]}。不同的区域，降水峰值时间与持续性之间的关系可能存在不同的差异，我们利用天津各区域自动站逐时降水资料，对不同持续性降水分类进行统计，进一步分析天津市区及周边、沿海区域以及全市不同持续性降水事件的日变化特征。

图 6-7分别给出了天津不同地区区域平均的不同持续性降水事件的累积降水量、降水频次和降水强度(与累积降水量相似，图略)的日变化分布。就全市范围来看，持续1~4 h降水量在傍晚到午夜易出现极大值，持续4~10 h降水量在凌晨易出现极大值；持续时间在1~2 h的降水频次在凌晨至中午较多，2~6 h的降水频次凌晨和傍晚至午夜接近，对于6 h以上的降水频次凌晨则明显多于傍晚至午夜。

从各区域情况看，市区及周边降水量主要以8 h以内的持续降水为主，集中在4 h以内，10 h以上的持续降水在凌晨至清晨易出现极大值且午后的降水量较午前少；持续时间6 h以内的短时降水，特别是4 h以内的，市区及北辰在傍晚前后易出现极大值，而对于东丽、津南和西青，凌晨和傍晚至午夜两个时段接近。对于沿海区域，相比市区及周边，降水量大值区对应的降水持续时间偏长，凌晨和傍晚至午夜两段时间分布形态与其它区域类似但区别不明显。

综上所述，市区及其西北侧长持续时间(10 h以上)的最大降水易出现在凌晨至清晨，短时降水(1~4 h)的最大降水易出现在傍晚至午夜，市区东南侧及沿海区域也有类似的分布，但市区东南侧短时降水和沿海区域降水在两个时段的区别不明显。

进一步分析不同持续降水事件的区域平均累积降水量随不同始发时间的分布(图略)。发现天津地区1~4 h的短时降水量偏多的始发时间多集中在下午至傍晚前后，5 h以上的持续性降水量偏多的始发时间多出现在傍晚至凌晨，各区域的情况类似。

4 结论

本文利用2009—2013年天津地区205个气象自动站的逐时降水资料，分析了天津地区4—10月降水的基本空间分布和日变化特征，主要结论如下：

(1) 天津地区降水小时数及小时平均降水强度存在几个高值区，分别位于蓟县北部山区、市区西北侧、滨海新区中南部；对于出现过的小时最大降水量，存在两条明显大值分布带，分别位于市区北部的北辰至宁河一带以及市区南部的静海东南部至滨海新区南部一带；天津市区西北侧10~30 mm的强降水事件较多、30 mm以上的较少，对于市区的东南侧则相反。

(2) 天津中北部地区累积降水量峰值主要出现在午夜至凌晨(23:00—03:00)，南部地区则出现在傍晚和清晨(17:00—19:00和04:00—08:00)，降水频次峰值基本都出现在凌晨至清晨(00:00—09:00)，降水强度峰值与累积降水量峰值出现时间类似，11时为降水强度低峰出现时间；全市傍晚至午夜的降水相比凌晨的降水频次偏少，且以6 h以内的短时降水为主；下午至午夜(13—24时)多数时次，无论降水量、频次还是降水强度市区均较其周边地区和沿海地区偏多偏强，而凌晨多数时次，市区则以偏少偏弱为主，凌晨沿海地区的降水频次明显多于市区。

(3) 市区及其西北侧长持续时间(10 h以上)的最大降水易出现在凌晨至清晨，短时降水(1~4 h)的最大降水易出现在傍晚至午夜，市区东南侧及沿海区域也有类似的分布，但市区东南侧短时降水和沿海区域降水在两个时段的区别不明显；天津地区1~4 h的短时降水量偏多的始发时间多集中在下午至傍晚前后，5 h以上的持续性降水出现极大值的始发时间多出现在傍晚至凌晨，即始于下午至傍晚的降水多为短时降水，而始于傍晚至凌晨的降水持续时间普遍较长。