2. 国家气候中心,北京 100081;
3. 中国科学院大气物理研究所,北京 100029;
4. 江西省气象台,南昌 330000
2. National Climate Center, Beijing 100081;
3. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
4. Jiangxi Meteorological Observatory, Nanchang 330000
秦岭山脉是位于中国中部的东西向山脉,其北侧是关中平原与黄土高原,南侧是汉江谷地与大巴山,三山两谷的独特地形与所处的地理位置造就其气候环境的特殊性。秦岭山脉是我国暖温带与亚热带的分界线,它既能阻止干冷空气南下,又能阻挡暖湿气流北上(毕宝贵等,2006)。秦岭位于南亚季风与东亚季风交汇影响的季风边缘区,秦岭及周边地区不仅存在夏季的降水峰值,秋季降水同样明显,俗称“华西秋雨”。同时,不同环流系统以及纬度造成了秦岭南北气候的较大差异(宋佃星等,2011)。由于秦岭地区降水特征独特,此前有许多研究关注秦岭及周边地区夏秋两季的降水特征。对于秦岭夏季降水研究,主要集中在短时强降水与极端降水的时空变化特征与不同天气与气候系统对于降水的影响作用(王晓玲等,2012;高琦等,2020);对秦岭秋季降水分析则主要集中在秋季降水的气候特征与个例分析(方建刚等,2008;惠英,2015)方面。
随着高时空降水分辨率降水数据的出现,降水研究的时间尺度不再局限于候、月、年尺度的演变特征分析,日变化成为天气气候系统关注的热点研究对象。太阳辐射的日变化,导致温压湿风等气象要素表现出明显日变化特征,其中降水因受海陆分布和复杂地形的影响,在日变化上存在鲜明的区域差异。对降水日变化的深入研究,一方面有助于理解降水形成的机制,进一步认识区域天气和气候的演变规律特征;另一方面可为检验和评估数值模式提供科学依据,有助于改进模式,对降水的精细化预报也具有指导作用。在小时降水尺度的演变特征上,已有研究表明我国暖季降水在日变化上存在明显区域特征:中国大陆东南和东北部的降水量日变化表现为下午单峰型(Yu et al., 2007);中国西南区域为午夜单峰型(王夫常等,2011);中国中东部地区为清晨和午后双峰型(原韦华等,2014);长江上游至下游地区表现为午夜至清晨滞后的峰值位相特征(Chen et al., 2010;徐明等,2016)。宇如聪等(2016)指出中国大陆暖季降水日变化峰值时间主要表现为下午、清晨、夜间3类典型位相,且降水频次的清晨峰值更凸出,降水强度以下午峰值为主。同时,降水的持续时间是反映降水特性的重要指标,降水持续时间也是区分不同类型降水事件的一个关键因素,长持续性降水事件的峰值大多位于夜间和清晨,而短持续性降水事件的极大值则多出现在下午或傍晚(Yu et al., 2007)。李建等(2008)提出北京市暖季午后降水主要表现为持续时间少于6 h的降水事件,而后半夜至清晨的降水峰值则主要由持续时间大于6 h的降水事件累积而成。这些研究主要针对我国不同区域日降水特征进行的分析工作,均指出了不同区域降水具有显著的时空差异和区域特点。
针对秦岭的降水日变化研究结果表明,以34°N划分的南北两侧在暖季降水量、降水频率与降水强度上存在显著差异;南侧降水量与降水强度的日变化峰值位相位于06∶00-08∶00(北京时,下同),降水频率峰值位相位于06∶00和17∶00,北侧降水量与降水频率峰值位相位于17∶00,而降水强度在06∶00和17∶00都具有峰值位相(张宏芳等,2020)。由于秦岭地区降水在年尺度上夏秋两季都具有降水峰值,且降水性质可能不同,有必要对秦岭地区南侧汉江谷地与北侧关中平原在夏秋两季降水的精细化特征进行进一步的系统对比和深入分析。这不仅有利于了解复杂地形条件下秦岭地区南北的降水差异,也可为降水精细化模拟评估提供依据。
1 资料与方法本文所用数据来自中国气象局国家气象信息中心提供的“中国国家级地面气象站逐小时降水数据集(V2.0)”(张强等,2016),该数据集包含全国2400多个国家级地面观测站(国家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站)的经过质检的每日逐小时降水量数据。考虑到秦岭地区冷季降水数据资料少,选取1961-2015年55 a暖季(4-10月)的逐时降水资料进行分析;同时本文中取34-41候代表夏季(6月15日-7月24日),47-54候代表秋季(8月19日-9月27日)。研究区域为秦岭及周边(31°-36°N,105°-113°E),所选站点如图 1所示,秦岭地区共计210个站点,选取汉江谷地附近的14个站点表示秦岭南侧区域,关中平原中25个站点表示秦岭北侧区域,后文中均以这两个区域代表秦岭南北,分析区域平均特征。
参考我国现行降水量等级划分的国家标准(GB/T 28592-2012),将某时次内降水量≥0.1 mm认定为该时次为有效降水时次,相对应的降水量计为有效降水量(单位: mm)。本文中降水量为00∶00-23∶00逐时累积得出,降水频次定义为有效降水时次与总观测非缺测时次的比值(单位: %),降水强度为累积降水量与有效降水时次的比值(单位: mm·h-1)。在关于降水日变化的分析上,对秦岭地区各台站的小时降水量进行统计获取研究时段00∶00-23∶00每个时刻的累积降水量和有效降水时次,计算出各个时次对应的小时降水量、频次和强度。在降水事件上,降水事件开始时间定义为2 h以上无降水之后发生降水的第一个有效时次;在2 h及2 h以上无降水小时之前的有效降水时次,认为是降水事件的结束时次。降水事件的持续时间是指一次事件从开始到结束所经历的小时数。本文中所用时间均为北京时,并定义22∶00-03∶00为夜间;04∶00-10∶00为清晨;11∶00-14∶00为中午;15∶00-21∶00为午后。
2 秦岭降水整体特征从暖季降水量空间分布(图 2a)上看,以秦岭主山脉为分界线,其南边四川盆地、大巴山和汉江谷地年均降水量都在400 mm以上;而北边关中平原和黄土高原地区的站点降水量多在400 mm以下,只有少数站点可达400 mm以上,这与之前的研究结果相一致。秦岭对西南暖湿气流的阻挡作用是造成秦岭南北两侧的降水差异的主要原因(刘晓东等,2003)。图 2b给出暖季降水频次的空间分布。整体上,降水频次自西南向东北方向递减;秦岭主山脉南边四川盆地、大巴山和汉江谷地年均降水频次均在14%以上,最高可达40%以上;而北边关中平原与黄土高原的降水频次大多不到14%,最低值不到10%。图 2c给出降水强度的空间分布,秦岭地区整体降水强度的范围在0.9~1.7 mm·h-1之间,秦岭北侧的降水强度在1~1.2 mm·h-1之间,而秦岭南侧的范围在1.2~1.6 mm·h-1。秦岭地区暖季降水量、降水频次和降水强度的空间分布相一致,秦岭北侧的降水量、降水频次与降水强度均小于秦岭南侧地区。
秦岭地区南北两侧降水量差异还表现在季节变化中候降水量最大值出现时段。图 3给出候平均最大降水量出现时间的空间分布,区域内有44.76%的站点的最大候平均降水出现在38-39候(即7月上旬),28.57%的站点出现在48-51候(即8月底到9月上旬)。在秦岭北侧的关中平原,候降水量最大值主要出现在48-51候;在秦岭以南的大部分台站候降水主峰值出现在38-39候。与刘晓东等(2003)指出的秦岭地区多年平均汛期出现在6月下旬至10月上旬,其间7月上旬和9月上旬先后出现两次降水峰值相呼应。为了进一步研究秦岭南北两侧降水特征差异,根据候降水主峰值出现的时间以及结合地形条件和海拔高度,选取关中平原(107.6°-110°E,34°-34.9°N)的25个站点表示秦岭北侧区域,汉江谷地(106.6°-109.2°E,33.4°-32.2°N)的14个站点表示南侧区域,后文均以这两个区域作为秦岭南北的代表区域进行分析。
图 4给出两区域平均降水量的逐候变化,由图可见,秦岭南北两侧的汉江谷地与关中平原的降水逐候变化均表现为双峰型,峰值时段分别在6月中旬到7月中下旬(34-41候)和8月中下旬到9月底(47-54候),第一个峰值主要是夏季风推进形成的,本文称之为夏季峰值时段,第二个峰值对应于华西秋雨,本文称之为秋季峰值时段。对于峰值降水量而言,南侧汉江谷地最大降水峰值出现在夏季峰值时段,秋季峰值次之;而北侧关中平原则相反,主峰是出现在秋季峰值时段,也就是说北侧秋季降水较之其夏季降水更突出。值得一提的是,在整个暖季,秦岭北侧区域降水量始终小于同时期南侧降水量。
综上所述,秦岭地区降水在夏秋两季的特征有所区别,故后文分别对夏秋两季降水的小时尺度特征进行对比分析。分析中取34-41候代表夏季(6月15日-7月24日),47-54候代表秋季(8月19日-9月27日),如图 4中灰色阴影所示。
3 夏秋降水小时尺度特征对比 3.1 夏秋降水日变化特征对比图 5给出夏季降水量、降水频次、降水强度日变化峰值时间的空间分布。从降水量峰值上看(图 5a),秦岭地区有100个台站出现午后峰值(15∶00-21∶00),70站出现清晨峰值(04∶00-10∶00),还有28站出现夜间峰值(22∶00-03∶00),仅12个台站降水峰值出现在中午时段(11∶00-14∶00)。秦岭以南地区,大致以109°E为界,东西两侧降水峰值时间存在差异,西南侧以清晨峰值为主,东南侧以午后峰值为主。关中平原地区以午后峰值(126站)为主,而南侧汉江谷地只有1个台站出现午后降水量峰值,其他195站的降水峰值均出现在清晨。对于降水频次(图 5b)而言,秦岭地区整体上以清晨(130站)和午后(65站)峰值为主,其他13站是夜间峰值,仅有1站出现中午时段的降水峰值。在秦岭南北两个区域中,均只有清晨和午后两种峰值位相,且均是峰值位于清晨的台站居多。其中,汉江谷地区域内有179站出现清晨峰值,关中平原地区则有151站在清晨出现降水频次峰值。从小时降水强度峰值的空间分布上看(图 5c),出现夜间(44站)和中午(26站)时段峰值的台站较降水频次明显增多,清晨峰值范围缩小。南侧汉江谷地仍以清晨峰值占主导,关中平原地区的降水强度峰值时间的区域一致性较差,四个时段峰值均存在,午后峰值台站最多。夏季秦岭南侧的日变化峰值在降水量、降水频次和降水强度上都是清晨峰值为主;秦岭以北地区,降水频次和降水强度的日变化峰值时间差异较大。
图 6给出秋季降水量、降水频次、降水强度的空间分布。由图可见,降水量(图 6a)、降水频次(图 6b)和降水强度(图 6c)均以清晨峰值为主。降水频次的清晨峰值台站最多,降水量次之,降水强度最少。从降水量上看,以110°E为界,110°E西侧降水量峰值时间与降水频次更为接近,110°E东侧以降水量峰值时间与降水强度更相似。位于110°E以西的关中平原和汉江谷地均以清晨峰值为主导。在降水强度上,降水峰值时刻有86个台站(占40.95%)出现在清晨,52个台站在午后,34站在中午,38站在夜间。在秦岭南侧汉江谷地92.86%的台站出现清晨峰值,北侧关中平原中52% (36%)的台站出现清晨(中午)峰值。
对比夏秋两季,秦岭南侧汉江谷地的降水量、降水频次和降水强度的日变化峰值时间均为清晨峰值主导,但秋季清晨峰值台站更多;关中平原的降水量和降水强度,则由夏季的午后峰值主导转为秋季的清晨峰值主导。
除降水峰值时间外,降水量、降水频次和降水强度的日变化曲线可以给出更加丰富和完整的降水日内演变特征。图 7给出秦岭地区夏秋两季降水量(图 7a)、降水频次(图 7b)、和降水强度(图 7c)的区域平均日变化曲线。
秦岭地区降水量、降水频次、降水强度日变化峰值位相主要是清晨与午后,从夏季到秋季的午后峰值比例减小,清晨峰值比例增加(黑线)。在降水量(图 7a)和降水强度(图 7c)上,夏季午后峰值强于清晨峰值,秋季则是清晨峰值强于午后,但降水强度日变化振幅更弱。夏秋两季的降水频次(图 7b)都以清晨降水为主,但在秋季清晨和午后降水频次更接近。
秦岭南侧地区,降水量、降水频次和降水强度上夏秋两季变化较小,均为清晨峰值;降水频次虽然主峰出现在清晨,但在午后时段,降水频次也有小幅增加。在秦岭北侧的关中平原,降水量与降水强度的日变化在夏秋差别较大,降水量都呈现出双峰形态,夏季降水的主峰在午后,次峰在清晨,而秋季主峰在清晨,次峰在午后;夏秋两季降水强度呈现出04∶00开始上升到21∶00的单峰,夏季在午后16∶00到达峰值,而秋季(清晨09∶00)提前7 h到达峰值,降水频次上夏秋两季变化较小,都表现为清晨主峰,午后次峰的双峰型。
对于南北两个区域,降水频次在夏秋两季的清晨峰值时间相同,但汉江谷地秋季(夏季)的午后降水次峰值时间滞后关中平原1 h (2 h);降水强度则是秦岭北侧以清晨至午后的降水峰值为主,秦岭南侧以清晨时段峰值为主。在秦岭北侧,夏秋两季降水量的日变化特征受降水强度影响更明显;在秦岭南侧,降水量、降水频次和降水强度的日变化特征较为一致。
3.2 夏秋不同持续时间降水特征对比除降水日变化峰值时间的特征之外,降水事件的持续时间以及不同持续时间的降水事件演变特征,也是表征降水特性的重要指标。夏季秦岭地区的平均持续时间(图 8a)整体上在5 h以下,南北两侧区域内持续时间都处于3.9~5 h之间;夏季降水事件的最长持续时间(图 8b)在秦岭整个区域上平均为42.05 h,秦岭北侧平均为43.43 h,秦岭南侧平均为50.21 h,夏季最长时间为74 h发生在秦岭南侧的宁强站。而秋季平均持续降水时长(图 8c)整体在3.8 h以上,而南北两侧地区都在5~6.2 h之间,秋季最长持续时间(图 8d)在秦岭整个区域上平均为61.03 h,秦岭北侧平均为66.71 h,秦岭南侧平均为70.29 h,秋季在秦岭北侧陇县站最长持续时间有121 h。
夏季和秋季的平均持续时长都在秦岭主山脉附近较长,远离秦岭地区降水持续时间较短。无论降水事件的平均持续时间还是最大持续时间,均是秋季长于夏季,这与华西秋雨区域内的连阴雨相对应。
图 9分别给出夏季(秋季)标准化后秦岭南北不同持续时间降水事件的降水量日变化特征。在秦岭南北两地区内,夏季持续时间为3 h及以下的短时降水事件的峰值时间均较为一致地出现在18∶00-21∶00;持续时间超过9 h的持续性降水事件则主要为06∶00-09∶00的降水峰值。南北两区域的差异,主要出现在持续时间在4~8 h之间的中等持续时间降水事件中。在夏季,汉江谷地的中等持续时间降水事件主峰值出现在清晨时段,在中午到午后仅存在次峰值;而在关中平原地区,中等持续性降水在夏季存在随持续时间延长而峰值位相由午后向中午至清晨延迟滞后的特征。这种位相滞后的特征在关中平原和南侧的汉江谷地的秋季也有较弱的体现。
根据降水日变化峰值时间的不同,将两个区域降水持续时间小于等于6 h的降水定义为短时降水,而降水持续时间大于9 h的降水定义为持续性降水,对不同降水事件的降水占比进行分析。图 10给出持续性降水事件的降水量和降水频次在总降水中的占比情况,短时降水与之相反(图略),短时降水量在夏秋两季上对于总降水的贡献都不大。由图可见,持续性降水贡献总降水的比例在夏季(秋季)大部分地区在0.5 (0.65)以上。夏季持续性事件降水量占总降水量的比值都在0.5~0.8之间,秋季持续性事件降水量占总降水量的比值在0.65~0.85之间。两季间,无论是秦岭北侧还是南侧夏季持续性降水量占比都小于秋季。夏季持续性事件降水频次占总降水量的比值在0.15至0.3,秋季持续性降水频次的比值略高,在0.225至0.35之间。无论在降水量还是降水频次上持续性事件的占总降水的比例都是秋季较大,在汉江谷地较关中平原略大。
本文从降水逐候变化及日变化角度,通过对秦岭地区1961-2015年夏秋两季小时尺度降水演变特征进行分析,得到如下结论:
(1) 秦岭南侧汉江谷地年均降水量、降水频次和降水强度均大于北侧关中平原。从秦岭南北两侧降水的逐候演变来看,南北两侧均为夏秋双峰型降水,但北侧降水主峰值出现在秋季,秦岭南侧降水主峰值出现在夏季。
(2) 从降水日变化峰值时刻位相上看,秦岭地区降水量、降水频次、降水强度日变化峰值位相主要是清晨与午后,从夏季到秋季的午后峰值比例减小,清晨峰值比例增加。在夏秋两季上,南侧汉江谷地降水量、降水频次和降水强度均以清晨峰值为主,仅在降水频次在夏季出现了午后的次峰值;而北侧关中平原的降水量日变化夏秋变化较大,且主要由降水强度贡献,在夏季降水强度在午后较强,而秋季清晨降水强度更大。
(3) 从降水持续性上看,夏季降水事件持续时长要小于秋季,夏季和秋季的平均持续时长都在秦岭主山脉附近较长,远离秦岭地区降水持续时间较短,而秋季在秦岭北侧陇县站有最长持续时间(121 h)。而不同持续时间的降水事件,两区域在夏秋均表现为持续9 h以上(3 h以下)的降水为清晨(午后)降水峰值,持续性事件占总降水的比例为秋季较大。南北两区域降水日变化的差别主要存在于持续时间为4~8 h的中等持续时间降水事件中。
从夏秋两季降水日变化的对比中见,汉江谷地地区夏秋两季降水日变化特征变化较小,降水日变化特征与四川盆地地区较为相似。秦岭南侧四川盆地的夜雨与低层环流的日变化(Chen et al., 2010)、盆地的云辐射效应(Li et al., 2008)等因子密切相关。而秦岭北侧的关中平原,在秋季上午时段的降水量和降水强度明显增大增强,这与此前Li等(2008)针对我国东部降水日变化的季节变化特征一致。此前研究表明,午后(傍晚)的降水峰值多由太阳辐射加热引起的热力不稳定因素所致,且张宏芳等(2020)指出关中平原地区的午后上升气流,可与高原上空西风气流形成正反馈上升机制,有利于短时强降水的形成。而在秋季,热力强迫相对夏季减弱,降水量在清晨和上午达到最大,持续性降水比例增大。秦岭地区的夏秋两季南北两侧降水日变化的物理机制有待深入分析。
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