基于多衛星資料的全國夏秋季節降水日變化特征研究

黃天福，謝佳君，劉 鵬

(貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553001)

1 引言

降水是常見的天氣現象，同時也是重要的氣象要素之一。降水在天氣和氣候的研究中占有十分重要位置。降水日變化的研究，不僅可以增強對區域氣候特征與降水演變規律的認識，同時也為檢驗和評估數值模式的物理過程提供科學依據。近年來，隨著高時間分辨率降水資料的出現和積累，國內降水日變化的研究也日益受到關注。呂炯［1］利用川西氣象站自記降水30 a的觀測資料分析了“巴山夜雨”的特征，認為西部高原與盆地之間存在一種類似于山谷風的機制。Chen 等［2］分析了對流層低層風場的日變化特征，發現其與高原至長江下游持續性夜雨的日峰值位相向東滯后密切相關。白愛娟等［3］對青藏高原及其周邊地區夏季降水日變化的研究表明，青藏高原地區夏季降水具有顯著的日變化特征，高原中部降水量最大值多集中在傍晚前后，高原以東的四川盆地通常在夜晚，尤其是在后半夜達到最大值，而長江上游和中下游地區對流活動則分別在上午和下午最為活躍。

中國四季天氣變化明顯，各地降水日變化的空間、時間分布差異較大，考慮到夏秋兩季是中國降水最為頻繁的時節，因此本文將利用1998—2010年期間的多衛星降水資料(3B42)分析中國夏秋兩季降水的日變化特征。

2 資料與方法

2.1 資料

熱帶降水測量(TRMM)衛星是1997年美國NASA(National Aeronautical and Space Administ ration)和日本NASDA (National Space Development Agency)聯合發射的氣象衛星，目的是測量熱帶和亞熱帶地區的降水和能量交換，它攜帶的降水雷達(PR)和微波成像儀(TMI)等探測儀器，向陸地發回了多種高分辨率的探測數據，為分析降水、閃電、云量等天氣現象提供了最詳細最直接的信息。

TRMM 測雨產品3B42 是TRMM 衛星與其他衛星聯合反演的降水產品，提供全球格點降水資料。3B42 算法是結合了2B31、2A12、微波成像專用傳感器(SSMI)、改進的微波掃描輻射計(AMSR)、高級微波探測器(AMSU)等多種被認為是高質量的降水估計算法，并對地球同步紅外觀測系統獲得的紅外輻射資料進行了校準。該產品的水平分辨率為0.25° ×0.25°經緯度，時間分辨率為3 h 一次，每天共8 個時次。本文研究范圍是:70°～140°E，0°～50°N，資料最北是50°N，最南端包括了南沙群島。包括了中國大陸除東北最北外大部，和南沙群島廣闊區域，研究時段為1998年1月—2010年12月共13 a。為了更好的分析中國不同地區降水日變化，將中國劃分為4 個區域。青藏地區:包括西藏自治區、青海省和四川省西部。南方地區:秦嶺淮河以南，青藏高原以東。西北地區:西北5 省。北方地區:內蒙古東部，秦嶺淮河以北，包括東北3 省。

2.2 方法

由于本文主要關注中國夏季秋兩季降水日變化特征，因而將1998—2010年共計13 個夏季和秋季每日的TRMM 3B42 降水率分別對各觀測時次(8個時次/天)求平均，從而得到各網格點上平均的逐時次降水率。并且將降水率資料由世界時轉換為相應的當地時間。這樣，可以突出降水日變化的地區差異，更便于比較和揭示日變化差異的物理機制。

即逐時次降水率定義為:

其中，R(x，y，t，d)表示(x，y)格點上第d天t 時(t=1，3，6，…，24)的每小時降水量，day是夏季和秋季觀測資料的總天數，R(x，y，t)是格點(x，y)在t 時的平均降水量，即逐時次降水率。

平均降水率為各網格點8 個逐時次降水率作平均。用來反映降水強度。

降水日變化振幅的定義為日內最大與最小降水率之差，即

A=Rmax–Rmin

其中，A 表示絕對日變化振幅，Rmax 為日內最大降水率，Rmin 是日內最小降水率。

分區域的降水日變化曲線為分別在8 個時間點對分區域內所有網格點降水率值作平均。

3 中國夏秋兩季降水量的日變化特征

3.1 中國區域整體降水量的日變化分析

圖1 中國夏(左)、秋(右)兩季平均降水率分布

圖1 給出了1998—2010 中國區域夏季和秋季平均降水率分布情況，反映了中國區域夏秋兩季平均降水強度的空間分布。從圖上明顯看出，不管夏季還是秋季，降水率強度大致呈東南—西北走向，從東南到西北平均降水率減少。夏季各地的平均降水率明顯高出秋季，特別是在東南沿海地區顯得更明顯。這主要是由于夏季是我國受到季風影響最強烈的季節。并且季風影響從中國東南到西北逐漸減弱，所以使得降水強度也呈東南—西北走向的分布。秋季，中國大部降水強度明顯減弱，大陸大部平均降水率在0.2 mm/h 以下。

降水日變化最重要的2 個統計量是日內降水率大值出現的時間和降水日變化振幅。在夏季，中國大部分地區，降水率最大值出現時間在下午至傍晚。在華南、華東、華北、東北西部、青藏高原中部降水率最大值出現時間在15－18 時。在東北東部地區、青藏高原東部和南部地區，降水率最大值出現時間在18－21 時。在四川盆地、云貴高原、青藏高原南部邊緣以及新疆部分地區，降水率最大值在00－06 時。秋季，降水率最大值出現時間分布和夏季相比有很大變化。東部沿海地區仍在午后15－18 時達到最大值。在青藏地區周圍變化明顯，在西南、華中、西北大部最大值出現時間都在00－06 時。值得注意的是，在秋季，從青藏高原中部往東至東部沿海，降水率最大值出現時間出現一個在時間上的傳播特征。可能是中國西高東低的地形造成。從午后15－18 時到傍晚18－19 時到凌晨00－03時再逐漸過渡到午后15－18 時。在夏季也存在最大值出現時間往東的傳播特征，但沒有秋季明顯。

圖2 中國夏季分區域平均降水率日變化曲線

3.2 中國分區域降水量的日變化分析

為了更細致分析中國降水日變化，將中國大致分為4 個區域，即青藏地區、南方地區、西北地區、北方地區。圖2、圖3 給出這4 個地區夏季和秋季分區域平均降水率日變化曲線圖。

再結合圖1，可以看出:在青藏地區，夏季，高原地形對降水日變化的影響明顯，使得降水日變化顯著。降水率最大值出現在傍晚前后18－21 時，峰值超過了0.16 mm/h。秋季，總體降水率下降，且降水日變化不明顯，降水率最大值仍出現在18－21 時。但降水率最大值只有0.05 mm/h。

南方地區在夏季降水率普遍較高，主要是由于夏季風和西太平洋副高對南方地區降水造成的影響。降水日變化也比較明顯。南方地區平均降水率最大值出現在傍晚18－21 時。且最大值超過了0.3 mm/h。特別值得注意的是，在四川盆地和云貴高原局部，日降水最大值出現在03－04 時。這和前人已做了較多研究的“夜雨”現象相符合。由于西南地區多為山區，地形復雜多變。葉篤正和高由禧［4］及徐裕華等［5］都提出，地形作用所造成的山谷風環流、夜間云頂輻射冷卻等，可能是導致“夜雨”形成的重要過程。秋季，南方地區降水率雖然比夏季總體下降。降水率日變化曲線呈波狀分布。降水日變化不明顯。平均降水率在0.1 mm/h 左右。

由于西北地區處于中國大陸最深處，受季風影響甚微，因此，不論夏秋都是4 個分區中降水最少的區域，同時也是降水日變化最不明顯的區域。夏季，降水率最大值出現在18 時左右，最大值超過0.1 mm/h。秋季，最大值出現時間稍往往后移在21時左右，且低于0.03 mm/h。

北方地區降水日變化夏秋兩季相差較大。在夏季，北方地區總體平均降水率在0.15 mm/h 左右。在東北地區南部，華北地區局部降水日變化較明顯。降水率最大值出現在下午18 點偏后，超過0.16 mm/h。到了秋季，北方地區整體平均降水率明顯偏低。平均降水率在0.05～0.06 mm/h 之間。降水日變化不明顯，呈波狀分布。

4 結論

本文基于1998—2010年間的TRMM 3B42 衛星降水資料，根據對比夏秋兩季平均降水率，降水率最大值出現時間和降水日變化振幅的空間分布，結合分區域的降水日變化曲線，分析中國地區夏秋兩季降水日變化的特征。主要結論如下:

圖3 中國秋季分區域平均降水率日變化曲線

①平均降水率的空間分布表明，夏季和秋季，中國大陸降水強度大致從東南沿海地區到西北地區逐漸遞減。南方地區降水強度最大，青藏地區次之，北方地區再次，西北地區最小。夏季全國范圍降水強度普遍明顯高于秋季。

②降水量最大值出現時間表明，夏季，中國區域內大多地方降水率最大值出現時間在午后至傍晚。4 個地區的平均狀況均是在18 時左右達到最大值。但在青藏高原南部，四川盆地周圍，云貴高原局部降水率在00－06 時達到最大值。秋季，在深夜至凌晨到達降水最大值的地區增至青藏地區周圍的華中大部，云貴高原大部以及西北廣大地區。在除青藏地區外，其余3 各地區降水率最大值均往后延遲至深夜至凌晨。

③降水日變化振幅的空間分布表明，夏季，中國青藏地區和南方地區整體降水日變化顯著，而西北地區和北方地區日變化并不明顯，特別是在華南地區、東南地區、青藏高原南部地區。秋季，中國大陸范圍降水日變化不明顯，降水日變化振幅在青藏高原以東部分區域稍高。

［1］呂炯.巴山夜雨［J］.氣象學報，1942，16:36－53.

［2］Chen H M，Li J，Yuan W H，et al.Why Nocturnal Long－Duration rainfall Presents an Eastward－Delayed Diurnal Phase ofRainfall down the Yangtze River Valley［J］.Journal of Climate，2010，23:905－917.

［3］白愛娟，劉長海，劉曉東.TRMM 多衛星降水分析資料揭示的青藏高原及其周邊地區夏季降水日變化［J］.地球物理學報，2008，51(3):704－714.

［4］葉篤正，高由禧.青藏高原氣象學［M］.北京:科學出版社，1979.

［5］徐裕華.西南氣候［M］.北京:氣象出版社，1991.

［6］張霞，王新敏，王金蓮，等.2011年＂7.3＂暴雨過程的衛星云圖特征和濕位渦分析［J］.氣象與環境科學，2012，35(4):1－7.

［7］李廣霞，陳傳雷，才奎志.遼寧夏季降水變化特征分析［J］.氣象與環境科學，2008，31(2):31－34.

［8］張云霞.1954－2010年商丘降水變化趨勢及突變分析［J］.氣象與環境科學，2011，34(3):67－73.