2. 沈阳市气象局,沈阳 110016
2. Shengyang Meteorology Bureau, Shengyang 110016
不同地域的降水日变化有着地域性的特征和规律,降水日变化的规律对于局地天气气候预报与预测、人民生活、防灾减灾、以及工农业生产均具有重要的现实意义。因此,针对降水日变化规律,国内外气象学者们进行了大量的研究,发现降水日变化特征随季节、地理位置、降水强度而明显不同[1-6],但是也存在着一些共性的规律,例如:陆地降水最大值在下午、海洋降水最大值在清晨[7-8]。对于山区、谷地、湖区等特殊区域有着不同的降水日变化特征:山区降水最活跃时间为午后,谷地、湖区在夜间,大湖在清晨有第二峰值[9]等。国内多地气象工作者利用当地高时空分辨率的观测资料,对本地区降水日变化进行了深入详细的分析和研究[10-12],这些研究表明,我国夏季降水日变化呈现显著的区域差异,部分区域呈现清晨、傍晚双峰并存现象[13-20]。
虽然降水日变化的一些普遍规律已被大家所认识,但是我国幅员辽阔,地理环境复杂多样,故对于不同区域降水日变化的区域性差异认识还明显不足,特别是对于区域差异的成因及其形成机理认知更少。这是由于导致降水日变化产生的区域特征的成因较为复杂,且缺乏长时序、高时空分辨率的观测资料,同时缺乏高分辨率的中小尺度数值模式用于有关研究。但是在科学技术迅速发展的今天,随着区域资料共享计划的实施和高分辨率中小尺度数值模式的发展,我们能够通过高时空分辨率的观测资料和数值模拟的方法来揭示降水日变化的规律及其成因。
本文利用辽宁及其周边地区的高时空分辨率的观测资料及WRFV3.3.1模式,在分析辽宁省降水日变化规律的基础上,重点对辽宁省暴雨的日变化特征及其成因进行分析研究,希望能够揭示辽宁地区降水日变化的规律并阐明其形成机理,为辽宁地区的天气、气候预测提供有利的依据。
1 辽宁降水日变化规律及区域特征杨森等[15]利用辽宁省25个气象观测站(图 1)1961-2008年夏季(6—8月,下同)的逐小时自记降水资料,分析了辽宁省降水日变化特征,结果发现辽宁降水日变化特征地域性较强,沿海站与内陆站存在较为明显的差异,沿海站降水量的最大值基本出现在午前04-08时(北京时,下同),内陆站点则呈双峰值的形式,峰值分别出现在午前和午后,午后14—20时为降水量最大值出现的时间。
在此基础上,本文利用更长时序的(1961—2012年)辽宁省夏季逐小时降水资料,统计了辽宁25个气象观测站小时暴雨(大于等于10 mm·h-1)的发生次数、雨量随时间的分布,以便揭示强降水的时空分布特征。图 2给出了内陆代表站朝阳站(图 2a)与沿海代表站大连站(图 2b)的暴雨总次数日变化分布图。可以看出,暴雨发生频数的日变化与雨量大小的日变化较为一致,彰武、阜新、朝阳(图 2a)、建平县、锦州、桓仁、本溪、鞍山等8个内陆站点(其中锦州非内陆站点)在15—19时左右出现暴雨频数与雨量明显峰值,宽甸、开原、清原、新民、黑山、沈阳、抚顺、岫岩等8个内陆站点均在午后出现暴雨次数与雨量峰值且凌晨到午前有次峰出现;大连(图 2b)、长海、庄河、瓦房店等4个沿海站点在05—08时出现明显的暴雨峰值,丹东、熊岳、营口等3个沿海站点也为午前峰值,但峰值不大;兴城、绥中两个沿海站点午前、午后均有暴雨峰值且峰值相当,但午后大值时段更长。
综上,内陆地区基本为午后降水(暴雨)峰值,其中一部分内陆站点凌晨有(暴雨)次峰出现,沿海地区基本为午前降水(暴雨)峰值,部分沿海站点在午前、午后分别有一个暴雨峰值,也有部分沿海站点峰值不够明显。
2 辽宁降水日变化规律形成机理 2.1 降水日变化与局地环流日变化的关系He等[21]利用国家气候中心Morphing技术得到的2003—2009年5—8月高分辨率降水产品,对中国北方(关注区域为燕山、太行山脉、黄土高原、内蒙古高原及华北平原地区)暖季降水日变化进行了研究,结果表明:降水峰值在中午到午后开始于山脉顶部,并沿着山坡向下向东南方向以13 m·s-1的速度传播,大约在半夜到凌晨时分,峰值到达华北平原中部地区,造成平原地区较大范围的夜间降水极值现象;此外,日降水峰值(谷值)与山地—平原局地环流的上升(下沉)支对应。
辽宁省与华北平原毗邻,也处于西侧山脉(大兴安岭、七老图山、努鲁儿虎山、燕山、大马群山等)、东侧平原(东北平原)的大地形中,夜间降水峰值现象亦与华北平原相似,降水日变化的成因也应与华北平原有相似之处。
同样利用国家气候中心Morphing技术得到2008—2013年0.1°×0.1°夏季逐小时降水资料,做了降水标准差(即该格点该小时平均降水率与该格点日平均降水率之差再除以该格点小时降水标准离差)日变化分布图,以此来表现降水峰谷的时空分布(见图 3)。
某格点某一时次降水标准差(STDt)公式为:
$ ST{{D}_{t}}=\frac{({{{\bar{r}}}_{t}}-\bar{R})}{\sqrt{\frac{\sum\limits_{t=1}^{24}{{}}({{{\bar{r}}}_{t}}-\bar{R})\times ({{{\bar{r}}}_{t}}-\bar{R})}{24}}} $ |
其中STDt代表t时次的降水标准差,
由图 3可知,12时在内蒙古中东部出现一条较为明显的带状峰值区(见图 3a),随后峰值区范围扩大、数值略有增加且缓慢东移,14—19时辽宁省除南部沿海地区外,均处于正的峰值区范围内(见图 3b),20时开始峰值区明显北收,范围减小、强度减弱(见图 3c),21—23时辽宁省无明显峰值区(见图 3d)。
00时辽宁省南部沿海地区开始产生明显峰值区(见图 3e),随后峰值区范围扩大、向东北方向扩散、数值略有增加(见图 3f、g),08时开始峰值区范围减小、南收、峰值区维持在辽宁东南部沿海(见图 3h)。
图 4给出NCEP分析资料2000—2012年夏季平均900 hPa垂直运动场,以此代表中低层平均垂直环流形势。从中可见,02时海洋、辽宁省南部沿海及东北平原地区为中低层气流上升区域,两侧的山区为气流的下沉区,14时恰好与02时相反,即山区、平原两侧为气流上升区,海洋、辽宁省东南部沿海及东北平原中部为气流下沉区,20时与14时情况类似,但气流上升区域向山区收缩、海洋与平原中部的下沉区打通并略向两侧扩张。
在该组图中,中低层平均垂直环流上升支的时空分布与辽宁省的降水峰值时空分布相对应,即该图所反映的环流日变化与辽宁省沿海地区午前降水峰值、内陆地区午后降水峰值的降水日变化现象一致,说明辽宁省降水日变化的特征与这种环流日变化密切相关。此外,由图 4可知,东北平原与海洋及沿海地区的垂直环流相似,这给了开原、清原、新民、黑山、沈阳、抚顺、等内陆平原站点凌晨到午前次峰现象发生原因的一个合理解释。
结合图 3、4可知,正午时分在山脉、高原的热力作用下,山地—平原局地环流的上升支诱发了内蒙古地区带状峰值区,而后该峰值区范围的扩大、东移由两个因素导致,一方面是带状峰值区降水系统在对流层中层平均气流引导下的东传,另一方面是午后东北平原地区的热力作用对于平原地区降水的触发,即山地—平原局地环流上升支的东传。00时开始辽宁省南部海域海—陆局地环流上升支诱发的降水峰值区随海—陆局地环流的增强和西南风气流的引导而范围扩大和东北向扩散。
上述分析表明,辽宁省内陆地区午后—夜间降水峰值、沿海地区凌晨—午前降水峰值的降水日变化特征,是由大兴安岭—内蒙古高原山区、东北平原、海洋三大地形热力性质的不同而诱发的局地环流日变化决定的,内陆地区午后—夜间降水峰值由山地—平原局地环流上升支诱发,沿海地区凌晨—午前降水峰值现象由海—陆局地环流上升支诱发。
2.2 数值模拟试验为了对上述分析结果进行进一步论证,设计数值模拟方案对降水日变化特征较为明显,能够分别代表内陆、沿海两种日变化特征的站点进行地形敏感性试验,即对于内陆代表站点,进行大兴安岭—内蒙古高原山区地形的剔除试验,看大地形变化,对其降水日变化的影响,同理对沿海站点,将渤海—黄海北部海洋变为陆地,看其对沿海代表站点降水日变化的影响,由此来验证上述研究结论。
2.2.1 模式简介采用WRF模式版本3.3.1,同化系统为WRFVAR版本3.3.1,全球模式背景场为T639前12 h预报场。观测资料主要来自中国气象局9210下发的资料,包括地面观测:地面(SYNOP)、机场报(METAR)、自动站(AMS)、船舶报(SHIP);高空观测:测风(PILOT)、探空(TEMP)、飞机(AIREP)、SATOB(卫星探测风、云、表温、湿度和辐射资料)、SATEM(卫星探测高空气压、温度和湿度资料),同时还实现了沈阳和营口多普勒雷达观测资料的实时同化。
模式采用三层单向嵌套网格区域,水平分辨率分别为27 km(d01)、9 km (d02)、3 km (d03),第一层覆盖东亚区域,第二层覆盖整个东北地区,第三层覆盖辽宁地区,第一层区域中心位于42° N,116° E,垂直37层,模式层顶50 hPa。模式使用WSM 6分类微物理方案,Kain-Fritsch积云对流参数化方案。行星边界层方案和地面过程参数化分别使用YSU和Noah方案。使用快速辐射传播模式(RRTM)长波辐射方案,和MM5短波辐射方案。
2.2.2 内陆站点地形敏感性试验针对山地大地形对其下游地区降水日变化的作用,本文做了2个试验加以说明。(1)控制试验(CTL):采用WRFV3.3.1模式的地形资料进行数值模拟。(2)无地形试验(NT):假设东北三省及内蒙古东部地区(38°—55°N,110°—135°E)地形不存在的试验,NT试验与CTL试验相比,只是从地形数据集读取地形后,把东北三省及内蒙古东部地区地形高度改为0,其他同控制试验。
从近两年的夏季降水个例中,选取2个辽宁省内陆地区降水强度较大、降水日变化特征明显且数值预报效果较好的理想个例进行以上试验。个例实况时间分别为2012年8月8日08时—9日08时、2012年8月18日08时—19日08时。模拟结果表明,地形改变后,内陆站点(彰武、阜新、朝阳、建平县、桓仁、本溪、鞍山等)降水日变化特征也发生较大变化,降水峰值发生时间均明显提前至正午前后,峰值雨量均明显减小。以图 5、图 6为例,对代表个例模拟试验结果进行具体说明。数值模拟及试验的起报时间选择2012年8月8日08时,图 5给出了24 h累积降水实况与控制实验、无地形试验的降水量图,代表站点的降水日变化实况与控制实验、无地形试验对比见图 6。由图 5可知,控制试验、无地形试验对于雨带、强雨区的位置、范围、强度预报与实况基本吻合,无地形试验相比控制实验对辽宁北部强雨区预报范围明显偏小,对黑龙江省中部降水预报明显偏强。由图 6可知,代表站点阜新实况8日降水峰值发生在16时,其他时次降水量明显低于峰值,控制试验峰值也在16时(但强度低于实况),日降水变化形势也与实况接近,而无地形试验降水峰值发生时间提前至13时,峰值为5.7 mm,明显小于控制试验(12.7 mm)和实况(24.7 mm)。无地形试验中降水峰值提前的现象,应该是由于地形去除后,该区域降水峰值的发生主要受地表热力作用的影响。
针对海洋对沿海站点降水日变化的作用,本文也做了2个试验加以说明。(1)控制试验(CTL):即如前文述所,采用WRFV3.3.1模式的地表性质资料进行数值模拟。(2)海洋改陆地试验(NO):假设渤海及黄海北部海域(35°—42°N,117°—128°E)为陆地,NO试验与CTL试验相比,只是从地形数据集读取地表性质后,把渤海及黄海北部海域地表性质改为1(陆地),同时将该区域的第二类土地使用类型(旱区农田和牧场)设为0.9, 其他同控制试验。
2010年8月9日—11日,降水个例的实况和模式预报情况符合辽宁省南部沿海地区降水强度较大、降水日变化特征明显且数值模拟效果较好的理想个例要求,模拟结果表明,海洋改陆地后,主要沿海站点(大连、长海、庄河、瓦房店、营口、丹东等)降水日变化特征也发生较大变化,降水峰值发生时间均变为午后到夜间。图 7给出强降水时段9日08时—10日08时的降水实况与2010年8月8日08时起报的控制实验和海洋改陆地试验对比,由图可知,控制实验预报出辽宁省南部沿海及东南部地区的强雨带,但位置偏西,海洋改陆地试验强雨带位置、范围预报与控制试验近似,即总体来说控制试验与海洋改陆地试验的降水预报效果均较好,海洋改陆地之后对累积降水预报无太大影响。代表站点(大连)的降水日变化实况与控制试验、海洋改陆地试验对比(图 8)可知,控制试验强降水时段为较实况推迟1~2 h,雨量较实况略偏小,峰值发生时间与实况接近,即总体来说控制试验降水日变化与实况接近,而海洋改陆地试验中,降水日变化较控制试验发生了较大变化,10日除00—03时有弱降水外,其他时段均无降水发生,而在9日22时预报出明显的降水峰值(14 mm),即海洋改陆地后,由午前降水峰值转变为午后到夜间降水峰值。
(1) 辽宁省内陆地区基本为午后降水(暴雨)峰值,沿海地区基本为午前降水(暴雨)峰值,内陆平原站点凌晨到午前有次峰现象发生。
(2) 辽宁降水日变化特征与地理环境关系密切,内陆地区午后降水峰值、沿海地区午前降水峰值的主要原因是大兴安岭-内蒙古高原山区、东北平原、海洋三大地形热力性质的不同而诱发的局地环流日变化。内陆地区午后—夜间降水峰值由山地—平原局地环流上升支诱发,沿海地区凌晨—午前降水峰值现象由海—陆局地环流上升支诱发。
(3) 对内陆站点做无地形试验的数值模拟试验表明,无地形试验对于日累积降水量无明显影响,但对内陆站点的降水日变化有影响,去掉地形后,内陆站点降水峰值发生时间基本均明显提前至正午前后且峰值雨量均明显减小;沿海站点做海洋改陆地数值模拟试验结果表明,海洋改陆地试验对于日累积降水量也无明显影响,但对沿海站点降水日变化有影响,海洋改为陆地后,沿海站点降水峰值由午前变为午后到夜间。综上,数值试验结果进一步说明山地、海洋大地形是诱发辽宁降水日变化规律形成的根本成因。
(4) 本文采用数值模拟试验的方式来分析降水日变化规律的成因,而数值模式对于降水日变化的模拟能力尚不足,因此,在降水日变化较为典型的降水个例中,选择过程降水模拟效果较好、且对降水日变化现象模拟较好的个例就比较少,因此本文仅选取了3个典型个例进行了数值模拟试验。降水的日变化是属于气候统计的范畴,个例之间存在差别,本文采用的个例较少,可能存在代表性不够的问题,需要在今后的工作中继续深入分析研究。另外降水日变化规律并不发生在每次降水过程中,降水日变化按照规律发生的条件是哪些?是今后需要研究、解决的问题。
[1] |
Julie A W, Brent R S, Paul D Y. Seasonal variations in the diurnal characteristics of heavy hourly precipitation across the united states[J]. Mon Wea Rev, 1988, 116: 1 641-1 658. DOI:10.1175/1520-0493(1988)116<1641:SVITDC>2.0.CO;2 |
[2] |
蔡敏, 张智. 河套地区大雨以上降水日数的气候变化特征分析[J]. 暴雨灾害, 2014, 33(4): 401-406. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2014.04.013 |
[3] |
黄先成, 宋素蕊, 张心令, 等. 近50a安阳市降水特征分析[J]. 气象与环境科学, 2012, 35(4): 40-45. DOI:10.3969/j.issn.1673-7148.2012.04.007 |
[4] |
花家嘉, 郭丽, 陈桂万, 等. 唐山夏季短历时强降水的夜间多发性及成因分析[J]. 暴雨灾害, 2015, 34(3): 223-229. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2015.03.004 |
[5] |
段春锋, 曹雯, 缪启龙, 等. 中国夏季夜雨的空间分布特征[J]. 自然资源学报, 2013, 28(11): 1 935-1 944. |
[6] |
宇如聪, 李建, 陈昊明, 等. 中国大陆降水日变化研究进展[J]. 气象学报, 2014, 72(5): 948-968. |
[7] |
Brian E M, Thomas T W, Mei Xu, et al. Diurnal patterns of rainfall in northwestern south america observations and context[J]. Mon Wea Rev, 2003, 131: 799-812. DOI:10.1175/1520-0493(2003)131<0799:DPORIN>2.0.CO;2 |
[8] |
Kikuchi K, Wang B. Diurnal precipitation regimes in the global tropics[J]. Journal of Climate, 2008, 21(11): 2 680-2 696. DOI:10.1175/2007JCLI2051.1 |
[9] |
Singh P, Nakamura K. Diurnal variation in summer precipitation over the central Tibetan Plateau[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2009, 114(D20). |
[10] |
白爱娟, 刘晓东, 刘长海. 青藏高原与四川盆地夏季降水日变化的对比分析[J]. 高原气象, 2011, 30(4): 852-859. |
[11] |
戴泽军, 宇如聪, 陈昊明. 湖南夏季降水日变化特征[J]. 高原气象, 2009, 28(6): 1 463-1 470. |
[12] |
李建, 宇如聪, 王建捷. 北京市夏季降水日变化特征[J]. 科学通报, 2008, 53(7): 839-832. |
[13] |
Yu R, Zhou T, Xiong A, et al. Diurnal variations of summer precipitation over contiguous China[J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(1): L01704. |
[14] |
Yu R, Xu Y, Zhou T, et al. Relation between rainfall duration and diurnal variation in the warm season precipitation over central eastern China[J]. Geophysical research letters, 2007, 34(13): L13703. |
[15] |
杨森, 周晓珊, 高杰. 辽宁省夏季降水的日变化特征[J]. 气象, 2011, 37(8): 943-949. |
[16] |
张丽, 石大明, 刘实. 吉林省2005年夏季降水特点及多雨成因[J]. 吉林气象, 2007(1): 12-15. DOI:10.3969/j.issn.1006-5229.2007.01.003 |
[17] |
罗建英, 王宗敏, 周军. 梅雨锋急流暴雨日变化的地理原因研究[J]. 南京气象学院学报, 2003, 26(3): 371-377. DOI:10.3969/j.issn.1674-7097.2003.03.011 |
[18] |
杨森, 周晓珊, 高杰. 沈阳市夏季降水的日变化特征[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(7): 3 634-3 635. |
[19] |
沈沛丰, 张耀存. 四川盆地夏季降水日变化的数值模拟[J]. 高原气象, 2011, 30(4): 860-868. |
[20] |
王夫常, 宇如聪, 陈昊明, 等. 我国西南部降水日变化特征分析[J]. 暴雨灾害, 2011, 30(2): 117-121. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2011.02.003 |
[21] |
He H, Zhang F. Diurnal variations of warm-season precipitation over northern China[J]. Mon Wea Rev, 2010, 138(4): 1 017-1 025. DOI:10.1175/2010MWR3356.1 |