热带气象学报  2019, Vol. 35 Issue (3): 365-378  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.034
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引用本文  

刘亚楠, 王东海, 李国平, 等. 南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析[J]. 热带气象学报, 2019, 35(3): 365-378. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.034.
LIU Ya-nan, WANG Dong-hai, LI Guo-ping, et al. A comparative study of the diurnal variations of annually first rainy season rainfall in south china before and after the onset of the south china sea summer monsoon[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2019, 35(3): 365-378. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.034.

基金项目

国家自然科学基金项目(41775097、91437221);广东省科技计划(2017B020218003);广东省自然科学基金项目(2016A030313140)共同资助

通讯作者

王东海,男,广东省人,教授,主要从事中小尺度数值模拟研究。E-mail: wangdh7@mail.sysu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-04-03
修订日期:2019-02-28
南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析
刘亚楠 1, 王东海 2, 李国平 1, 丁伟钰 3     
1. 成都信息工程大学,四川 成都 610225;
2. 广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室/南方海洋科学与工程广东省 实验室,广东 珠海 519082;
3. 中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 510641
摘要:利用华南地区248个国家级地面气象站逐小时降水数据和14个探空站数据,分析了2003—2016年4—6月华南前汛期降水日变化特征。据南海夏季风爆发时间,将降水分为爆发前后两个时段。华南地区主要存在两条大雨带,一个位于云贵高原至南岭山脉以南,另一个位于广东沿海地区。偏北雨带集中发生在后半夜至清晨时段,偏南雨带集中发生在中午至下午时段。南海夏季风爆发前后,降水量不存在明显相关性,相关系数较大时次位于中午至下午时段。前后期年降水标准差在0.5附近,变化幅度明显时段主要集中于凌晨至清晨。午后出现3 h多年降水量变化幅度最大值,最小时段为中午12时。降水量、降水频率和降水强度的经向分布特征明显且相似:降水量和降水频率在112 °E附近出现日变化转折,以西多出现不稳定夜雨,以东白天降水波动较大。在南海夏季风爆发前,降水特征主要表现为西部高频、南部高强,在清晨更多作用于对暴雨系统的增长;季风爆发后则表现为西北-东南南的高频率高强度降水形态,在傍晚更多作用于增加降水发生频率。
关键词华南前汛期    南海夏季风爆发    降水日变化    对比分析    
A COMPARATIVE STUDY OF THE DIURNAL VARIATIONS OF ANNUALLY FIRST RAINY SEASON RAINFALL IN SOUTH CHINA BEFORE AND AFTER THE ONSET OF THE SOUTH CHINA SEA SUMMER MONSOON
LIU Ya-nan 1, WANG Dong-hai 2, LI Guo-ping 1, DING Wei-yu 3     
1. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;
2. School of Atmospheric Sciences and Guangdong Province Key Laboratory for Climate Change and Natural Disaster Studies, Sun Yat-sen University, and Southern Laboratory of Ocean Science and Engineering, Zhuhai 519082, China;
3. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510641, China
Abstract: In this paper, national hourly precipitation data set from 248 stations in southern China and L-band data extracted from 14 stations were selected to analyze the diurnal variation of annually first rainy season (AFRS) rainfall from April to June in 2003—2016. Based on the onset pentad of South China Sea Summer Monsoon, the AFRS is divided into pre- and post-monsoon-onset periods. There are two major rain bands in southern China: one is located at the south of the Yunnan-Guizhou Plateau and the Nanling Mountains, and the other is around the coastal areas of Guangdong. The northern rain belt mainly occurs from midnight to early morning, and the southern rain belt is concentrated from noon to afternoon. There is no obvious correlation of precipitation around the onset of the monsoon. While relatively large correlation is mainly from noon to afternoon, there are even negative correlation coefficients. Standard deviations are mainly around 0.5 and change the most at early morning while the smallest change is at noon. Longitudinal distributions of rainfall amount, frequency and intensity are similar: 112 °E is the longitude where transition happens. Unstable nighttime rain mostly occurs to its west while fluctuating rain happens to its east. In the pre-monsoon-onset period, the rainfall pattern is of high frequency in the west and of large intensity in the south. The major influence of the monsoon is more clearly shown in the strengthening of the intensity of heavy rain. In the post-monsoon-onset period, however, the rainfall pattern is of west, north-east through southeast, south with high frequency and intensity. The monsoon mostly plays a role in increasing the frequency.
Key words: pre-summer precipitation in southern China    South China Sea Summer Monsoon    diurnal variation    comparative analysis    
1 引言

华南是我国降水最充沛的地区,集中在夏季分为前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月),前汛期降水系统主要由西风带降水系统造成,中高纬地区环流叠加向南增强并与副高配合[1],使得降水量占年雨量的50%或以上[2-4],已有很多专家学者展开大量研究,但由于前汛期降水受复杂地形、海陆差异[5]和季风等因素影响,降水具有突发、迅猛特点,因此更小时间尺度的分析十分必要。国内外研究证明降水日变化不仅对区域客观分析具有重要意义,对数值天气预报模式的发展和改进有极大的指导意义[6-11],是提升华南前汛期预报预警工作的有效途径。

早期研究全球降水和雷暴发生频率的日变化发现,全球不同类型降水在海洋和陆地的日变化有明显区别,认为大气相对湿度和太阳辐射加热在不同下垫面的日变化是造成区别的主要因素[12]。随后又用四种不同卫星数据集进行降水日变化的评估,结果显示中低纬地区夏季陆地降水主要发生在下午到夜晚时刻,海洋则发生于半夜至清晨时分,降水量主要来源于降水的多发性[13]。强调日变化的地形相关性还有许多,使用Precipitation Radar on the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM PR)数据将降水系统按尺度大小分类[14],研究亚洲地区降水日变化的时空分布。发现小降水系统(< 102 km2)在陆地多发,主要发生于下午早些时候;大系统(>104 km2)多发生在晚间平坦大陆且地形相关性明显。研究中南半岛夏季风降水日变化与地形的关系,发现山脉沿海、山谷平原和远离山脉迎风坡沿海地区降水有明显的时间区别,非迎风坡沿海地区暴雨是构成该地区气候降雨模式的主要成员[15]。为了分析降水与对流的关系,使用站点数据分析亚洲热带地区降水和对流活动的日变化特征,提出对流多发时段主要分为深夜至清晨以及下午至傍晚两个时段,前一个多发时段主要位于山脉盆谷的迎风面及沿海地区,降水多发时段与对流相似[16]。但由于所用年限不定且年份比较少,使用9年TRMM资料系统地分析印度及其临近海域季风降水的日变化统计特征[17],发现沿海和内陆降水昼夜变化阶段明显不同,从赤道向北不同海域的降水阶段也不尽相同,大陆则具有典型夜雨模式,但地形影响使得降水区域性特征明显。

国内也有许多关于降水日变化的研究,最早使用14年地面小时降水观测数据分析中国夏季降水日变化特征[18],发现中国南部大陆和东北地区、青藏高原及其东部、长江流域、华中大部区域特征明显,南部大陆降水主要发生在下午较晚时段。在对降水数据进行对比分析的同时并进一步验证了之前日变化结果,得到大部分地区降水频率和降水强度的日变化与降水量相似[19]。在对日变化的分析上结合降水量、降水频率和降水强度,采用小时站点降水数据研究中国南方冷暖两季的降水日变化[20-21],发现冷季降水峰值主要出现在午夜和清晨,很可能是由于垂直不稳定条件下层云顶端的辐射冷却造成。相反,暖季东南地区的降水峰值出现在下午晚些时候,主要是由于太阳辐射加热。用TRMM资料研究3—8月长江流域降水日变化指出[22],降水峰值有明显空间差异,不同流域的降水机制不同,流域中段主要由后半夜发展东移的天气系统造成,而长江下游多由局地天气系统造成并形成雨带。进一步分析沿长江流域影响夏季夜间持续性降水日变化的机制[23],发现降水通常发生于夜间且持续时间长(超过6 h),这种沿长江流域向东衰减的大夜雨现象,主要由于低层对流层环流发生顺时针旋转造成。第一次使用多普勒雷达数据研究广东珠三角(珠江三角洲)地区暖季(5—9月)对流的时空分布[24],发现珠三角沿海及东部山脉迎风坡是对流发生最频繁地区,而沿海对流发生发展主要由海洋向陆地传送不稳定暖湿气流的辐合引起。进一步研究该地区梅雨季节对流日变化[25],提出下午是对流多发时段,主要由于太阳辐射加热引起,而夜间多发于迎风坡的对流则主要由西南平流的抬升增强引起。

华南地处丘陵地带,南部沿海降水受东亚季风影响明显。南海是东亚夏季风爆发最早的地区之一,研究表明,5月中旬前后南海夏季风的突然爆发标志着东亚夏季风的到来和雨季的开始。华南洪涝多由前汛期暴雨造成且多发于5月南海夏季风建立以后,此时暴雨过程与降水量猛增,才算正式进入前汛期降水集中期[26-27],并且中国南部对流层顶高度也有所下降[28],因此对南海夏季风的监测包括南海夏季风的爆发、强度变化以及撤退等具有重要意义,对研究华南前汛期降水更有重要指示作用[29-31]。使用卫星数据研究中国东南地区降水日变化[21],大地形差异使其空间分布具有大范围明显的季节差异性,在前汛期无论平均降水率还是昼夜变化振幅都有明显增强。研究中国地区暖季(4—9月)短时暴雨与MCSs日变化的时空分布特征[32],也同样证明短时暴雨多发于华南地区,且暴雨的发生频率会随东亚夏季风的到来和撤退有明显增减变化。最近,利用CMORPH(the NOAA Climate Prediction Center’s Morphing Technique Dataset)融合资料[33],将华南前汛期按南海夏季风爆发候分为前后两个阶段研究其降水日变化特征,无论从西南到东南还是爆发前后来看,振幅都表现出明显差异。西南地区降水多发于午夜至清晨,东南地区则多发于下午。因此,用更长时间周期来反映华南前汛期降水日变化的统计特征十分必要。

L波段高空气象探测系统是我国自行研制的具有独立知识产权的高空气象探测数据,能够连续自动测定从地表到30 km高空的气温、湿度、气压、风向和风速等,具有高分辨率和实时采集能力[28, 34],观测时次为世界时11时和23时一日两次的定时观测,另外根据天气状况或科学试验需要进行06时和18时的加密观测。从2010年左右增加了更多气象要素,因此本文选取2010—2016年华南地区14个L波段探空站资料,结合台站降水资料对华南前汛期降水机制进行一些初步分析。本文借鉴将前汛期分为南海夏季风爆发前后两个阶段[33],采用高质量高密度地面观测站数据来分析14年华南前汛期降水日变化的特征。

接下来的第二部分将对本文使用的数据和方法进行介绍,并分析华南地势特征及主要降水带位置;第三部分主要分析降水量、降水频率及降水强度的时空分布特征;第四部分讨论环境场对降水日变化的影响;第五部分为结论。

2 资料和方法 2.1 资料介绍

本文采用中国气象局国家气象信息中心提供的2003—2016年4—6月国家级地面气象站逐小时降水数据集,筛选华南(107~117 °E,21~27 °N)地区248个站点。该数据使用三种方法进行数据质量控制。(1)气候学界限值(极值)检查:若逐小时降水超出一定范围,则数据错误。(2)内部一致性检查:每日逐小时降水量的日合计和日降水量比较,若超出一定标准,则数据可疑。(3)时间一致性检验。对于部分已知的录入错误产生的虚假数据采取技术手段进行了去除。质量控制结果客观反映了中国逐小时降水数据的整体质量状况良好,逐年正确率均在98%以上,数据年均可用率达99%以上,空间分布上97.5%的台站可用率高于99%,汛期可用率高于全年平均值。总体而言在空间范围、年代长度、数据质量等方面均优于以前的同类产品。在经过高质量质控后,又分别对各个站点14年数据缺测大于10%的站点进行剔除[35],最终选出华南地区248个台站数据,并对缺测降水值剔除。

同时,我国L波段探空资料在2010年加入风向风速数据,因此本文采用2010—2016年4—6月探空资料作为降水机制分析的依据,资料经过数据提取与质控,选取华南地区14个测站,由于探空湿度传感器在低温条件下灵敏度下降[34],垂直高度仅为海平面气压1 000 ~300 hPa。

根据国家气候中心气候监测系统提供的2003—2016年南海夏季风爆发候时间,将华南前汛期分为南海夏季风爆发前后两部分进行对比分析(图 1),其中平均爆发候为28,即5月第4候。根据国家气候中心的说明,南海夏季风爆发的主要指标为监测区(110~120 °E,10 ~ 20 °N)内平均纬向风由东风稳定转为西风以及假相当位温稳定地大于340 K的时间,同时参考200 hPa和850 hPa以及500 hPa位势高度场的演变。将开始爆发当候算入爆发前期,按此标准划分,14年中南海夏季风爆发候前期共749天,爆发候后期共525天。将主要从前后两期逐年小时降水量差异及多年平均小时降水量、降水频率和降水强度日变化的时空分布着手,对华南前汛期降水日变化做更详细的分析。

图 1 历年南海季风爆发候及强度指数 柱状图为爆发候,14年平均爆发候为28为浅绿色实线,红色折线为爆发强度指数。
2.2 华南地形特征与主要降水带

图 2所示的是华南地区地势及台站、探空站水平分布,图 3为地势经向平均分布。根据本文筛选的华南地区248个台站位置可看出,站点分布较均匀,这为后期采用经向平均来研究其降水变化提供可行性。探空站分布相对稀疏,但基本均匀覆盖所研究区域。同时结合地势剖面图,华南地区地势由西向东呈明显下降趋势,平均海拔高度不超过500 m,在110 °E和114 °E附近略形成阻挡形势,该地分别有大瑶山和九连山以及罗霄山南部。由于华南地区地势复杂,丘陵起伏,河谷与盆地错落,两广北部是南岭山脉及罗霄山,其与武夷山形成典型喇叭口地形,两广交界处是东北-西南走向的云开大山。广西地区山地较多,海拔超过500 m的土石山占全区总面积的53.1%[36],其北部为南北走向的大瑶山,南部是呈东北-西南走向的十万大山。而广东境内地势总体北高南低,境内丘陵山地起伏,粤西的云雾山、粤北九连山以及粤东莲花山,三者与广东中南部最大的平原珠三角地区形成喇叭口地形[37-38]

图 2 华南地区地势及站点水平分布 填色为海拔高度,单位:m,黑色细虚线区域(107~117 °E,21~27 °N)为本文所研究的华南地区,红色圆点为台站,绿色圆点为探空站及站名缩写,蓝色虚线为降水带,黑色粗虚线内外按探空站分布来研究。
图 3 华南地区地势经向平均剖面图 单位:m,绿色虚线区域为本文所研究的华南地区,蓝色实线为两条雨带所在经度。

结合图 4,华南地区平均有两条大降水带,分别位于南岭以南大瑶山以北、广东沿海地区。这反映在地势上能看出雨带间有明显的地势起伏,基本以110 °E为界。由于地形的动力作用主要包括阻塞水汽输送及强迫抬升对对流的触发,比如迎风坡降水增强及背风坡削减作用等,热力作用主要为抬升的冷热源对局地热力环流的影响,因此根据历史14年平均降水带的空间分布可看出,位于南岭以南喇叭口地形附近的偏北雨带及位于广东沿海地区的偏南雨带,大地形的影响起到了关键作用[38]

图 4 南海夏季风爆发候前(a)、后(b)日均降水空间分布图 单位:mm/day。

图 4为南海夏季风爆发候前后14年日平均降水空间分布图。爆发候前期的降水量明显小于后期,但降水中心落区基本一致,后期降水量更大且雨带分布范围更广,降水中心主要位于广西大瑶山以北桂林附近,及越南北部黄连山脉与十万大山形成的南南西-北北东喇叭口地形[37],以及北江谷地、粤东、粤西山脉迎风坡处。位于两广交界处的云开大山至广西南部,有相对孤立降水中心存在,这在后期逐小时降水分布研究中也有明显体现,主要位于广西防城、东兴一带。

本文定义华南前汛期每个站每小时的降水频率为该时次有降水的小时数占该时次总小时数(14年)的百分比(后简称降水频率),每个站每小时的降水强度为该时次累计降水量(14年)与该时次降水小时数的比(后简称降水强度),每个站每小时的累计降水量(14年)为该小时降水频率与该小时降水强度及前后两期相应天数的乘积(后简称降水量)[19, 39],本文下面全部使用北京时间(Beijing Solar Time)。

3 降水量、降水频率及降水强度的时空分布 3.1 降水相关性及日变化

根据本文定义,14年南海夏季风爆发候前期共749天,后期共525天(简称前、后期),为了研究前后两期降水是否存在相关性及其变化差异,采用统计方法分别研究前后期每年及多年平均小时降水量的标准差Ei(单位:mm/h)及相关系数Ri。其中:

finlin分别为前期和后期每个台站每小时平均降水量,fifi分别为前期和后期区域平均小时降水量,σfσlN分别为前后期区域平均标准差及台站个数,i为时次(图 5)。

图 5 逐年及多年区域平均前后期小时降水量标准差(mm/h)及相关系数 a~e为逐年,f为14年区域平均。

基本每年前后期区域平均的小时降水量相关性都不超过0.4,甚至还存在一部分负相关性,在2003、2007和2012年表现比较明显,时次分布分散,但以正相关为主。从变化幅度来看,振幅主要集中在0.5附近,比较突出的变化年在2003年和2005年,全部时次变化幅度在0.5以上。基本每年变化幅度相对较大的时段都位于清晨05时附近和下午17时左右,说明降水主要受辐射冷却和加热作用。图 5e为14年区域平均逐小时变化,24 h平均标准差为5.14,平均相关系数为0.49。前后期标准差振幅较大的时段主要集中于凌晨至清晨,即相对白天太阳辐射加热及海洋向陆地持续输送不稳定暖湿气流而导致多发对流降水来说,夜间的降水机制存在更多突变性。午后出现的3 h明显振幅增加,尤其16时标准差为11.91,是24 h中变化幅度第二大时次。振幅最小时段为中午12时。就相关性而言,前期和后期小时降水相关系数较大的时次主要集中在中午至下午时段,说明在南海夏季风爆发前后,该时段小时降水量波动较一致。

根据两个时期降水频率的24 h逐时空间分布(图略)可看出,前期频率大值中心范围明显小于后期,并且主要位于夜间南岭以北地区,广东沿海未出现带状中心。而后期频率大值中心从凌晨02时左右明显增强,位于华南西部广西贵州交界,大值中心随时间从西北向东南移动。凌晨至清晨,频率大值中心主要分两部分,除西北部大范围超过21%的大值中心外,广东沿海的粤中至粤东也出现带状大值中心。从上午开始,西北部频率中心减弱东移,而广东降水频率随时间增加,出现全省范围的中心,至傍晚20时随时间向粤东东移减弱。说明夏季风对降水频率变化的影响主要作用在华南沿海的广东地区,极大地增加了广东地区降水概率。图 6为降水频率的时间经向分布图,将站点数据插值为0.03×0.03的格点数据后,在21~27 °N内做经向平均。无论前后期,降水频率在112 °E附近都有明显的时间变化:以西降水频率多发于夜间至清晨,以东全天都有降水频率高值区,但中心主要集中于中午至傍晚,量值在凌晨时刻东部小于西部。后期降水频率明显增加,但前后期整体分布形势相似,说明华南地区降水的大地形作用不可忽视。结合图 3可看出从高原到两广丘陵地势的明显过渡。结合前后两期,频率最强时段出现在凌晨的04—08时、午后的12—19时。前期站点小时平均频率最大值为20.1%,位于江西井冈山站,多年区域平均频率为13%;后期站点小时平均最大频率为22.3%,位于广东海丰,多年区域平均频率为15.1%。根据大值中心分布来看,前期频率大于26%的站点有10个共24个时次,包括广西灵川、永福、昭平、资源、灌阳、蒙山6站,贵州都匀、麻江、黎平和丹寨4站,其中贵州省麻江和丹寨站时间占比最多,都为5个时次。后期频率大于26%的站点共18个,总时次为39,包括广东海丰、揭西、丰顺、大埔、新丰、佛冈、普宁7站,广西凤山、东兴、防城、灵川、永福、东兰、南丹7站,贵州都匀、丹寨、荔波3站以及江西井冈山。最大占比为广西防城站共5个时次,其次为广西南丹站和江西井冈山站,分别占4个时次。

图 6 南海季风爆发前期(a)和后期(b)降水频率时间-经向分布 单位:%。

降水强度的24 h逐时空间分布(图略)更是表现出明显的前后期区别。前期大强度中心只位于广东沿海一带,主要出现在白天,午后最强;后期出现大片强度中心,从凌晨开始主要位于广西西部及粤西,至早上开始逐步东移,于午后全部位于广东境内,强度中心范围达到最大。因此华南地区降水的特征,在南海夏季风爆发前主要表现为西部高频、南部高强,在南海夏季风爆发后则形成西北-东南南的高频率高强度降水形态。图 7为降水强度的时间经向分布。前期大值中心全部集中在白天沿海地区;后期在地理位置上表现出明显的时间差:西部地区强度中心主要位于夜间和上午时分;东部地区中心主要集中于白天。降水强度的两极化趋势很明显,大值中心基本全部落在广东沿海粤西附近。前期站点小时平均降水强度最大值为3.4 mm/h,位于广东阳江,后期站点小时平均降水强度最大值为4.3 mm/h,出现在广东省台山市上川岛站附近,前后振幅变化对比不大。

图 7 南海季风爆发前期(a)和后期(b)降水强度时间-经向分布 单位:mm/h。

根据降水频率和强度得到前后两期降水量的24 h逐时空间分布(图略),降水大值中心随时间从华南西北部向东南沿海移动。从凌晨开始,华南西北部出现明显大值区,至清晨时刻东移至华南中部南岭一带,中午时分降水中心基本全部移入广东境内,午时降水中心强度略有减弱,至下午到傍晚时刻于粤西、粤中部加强,并于夜间中心持续向粤东移动。前期,降水中心主要位于南岭一带及粤中地区,分别出现在早上和下午。后期,降水中心主要位于广东大部,中心范围明显大于前期,时次也从下午提前至午后出现。即在华南西北部,降水主要发生在凌晨至清晨,东南沿海地带降水多发于下午至傍晚,中部南岭一带降水则多发于中午时段。此特征与降水频率变化更加吻合。图 8为小时降水量所占该时期区域平均小时降水量比值的时间经向分布图,前后两期整体的时间经向分布趋势基本一致,在112 °E附近有明显的时间转折。

图 8 南海季风爆发前期(a)和后期(b)降水量与区域平均降水量比率的时间-经向分布
3.2 振幅分析

为了进一步研究日变化幅度,将降水时次分为00—07时、08—15时以及16—23时三部分,采用统计的手法分别研究三个时段内前后期降水量、降水频率和降水强度的区域平均标准差[40]沿经向变化特征(图 9)。以0.5度为单位做经向分割,每个经度单位所在站点个数如表 1所示。

图 9 前期(左)、后期(右)北京时00—07时、08—15时及16—23时降水量(a, b)、降水频率(c, d)及降水强度(e, f)的区域平均标准差经向分布
表 1 经向站点个数

图 9可知,除了降水强度后期变化幅度明显大于前期外,降水频率和降水量在前后期波动相似,地理差异的时间变化一致。降水量的变化幅度在112 °E左右出现了时间的转变:以西变化幅度较大时段主要位于夜间,白天相对稳定且相似;以东变化幅度较大时段主要位于早上至午后,前期降水量相对稳定。降水频率时间转变也位于112 °E附近,以西波动时段与降水量相似,但以东变化幅度在前后期都较小且基本一致,即以东地区前汛期降水发生概率相对稳定且多发性明显,考虑华南沿海地区地势平坦,受太阳辐射加热相对均匀,水汽输送除珠江口地区喇叭口地形外并无大范围阻塞形势。降水强度相对于地理位置的差异来说,针对南海夏季风爆发前后的变化差异更加明显,前期波动主要发生在清晨至午后,后期波动多发于夜间,且波动幅度整体大于前期。整体来看,三者变化相对稳定的时间都在下午至傍晚,结合时间经向分布来看,该时段是降水发生相对稳定偏多的时期。因此后期降水量波动更多受降水强度影响,尤其在112 °E以东区域,南海夏季风的爆发主要影响降水强度的日变化。

图 10为降水量、降水频率及降水强度14年区域平均的24 h标准化,南海夏季风爆发前后有明显区别:前期,降水量波动峰值主要受降水频率影响,二者同时在清晨出现最大正波动,说明清晨降水多发现象并不稳定。降水强度在午后出现波动高峰,此时降水量波动最小接近0,降水频率呈负变化,说明前期中午时段降水频率低、降水强度有不稳定增加。三者在21时左右同时出现明显减小的波动变化,为一天中发生暴雨概率最小阶段;后期,三者变化趋势几乎一致,一共出现两个峰值,一个位于清晨,一个位于下午。相对于前期来说,清晨的变化主要体现在降水频率更加稳定,降水强度增加且波动增大;下午的变化主要体现在降水频率由减少变为增加而波动幅度几乎不变。相对稳定时段后期由午后提前至10时左右,大气受太阳辐射加热作用的影响更加明显。后期一天中谷值波动同样出现在22时附近,即此时无论南海夏季风爆发与否,大气都相对稳定少雨。后期各时段降水具有一致的多发、高强特征。综上所述,前期降水主要由多次少量造成,而南海夏季风的爆发明显增加了暴雨事件,带来的影响在清晨主要作用于降水强度,在下午主要作用于降水频率,使得后期三者变化趋势相近。

图 10 前期(a)、后期(b)降水量、降水频率及降水强度区域平均标准化24 h分布
4 环境场对降水日变化的影响

华南前汛期降水不仅有明显的日变化特征,就前后期一天中不同时段的降水落区也有明显的地理特征。图 11为2010—2016年4—6月前期和后期小时降水量大于等于10 mm的小时数,分别在早上08时和下午20时的探空站点分布。近海地区相应降水过程的次数明显大于华南北部。两个时次降水发生最多的站点分别为清远和桂林,一个位于南岭以南,一个位于珠江口以北。主要区别在于前期,桂林在下午没有出现该量级以上的天气过程,后期降水过程早晚分布均匀;而清远在季风爆发前后的降水分布有明显反转,前期降水主要发生在早上,而后期则位于下午。为了分析南海夏季风爆发对降水频率和降水强度的影响,进一步分析不同时段降水各物理机制的变化。

图 11 探空站降水过程(≥10 mm/h)的时次分布

图 12为利用探空资料分别计算了该区域站点的K指数、500 hPa和850 hPa的θse差(Δθse)、500 hPa温度露点差[(T-Td)500]、850 hPa温度露点差[(T-Td)850]、500 hPa和850 hPa温差[ΔT(500-850)]及850 hPa和925 hPa、500 hPa和850 hPa的风垂直切变,共7种包括热力、动力的物理量变化,并叠加其标准化波动及各站小时平均降水量值,其中TTd500、TTd850分别表示500 hPa和850 hPa温度露点差,TT表示500 hPa和850 hPa温度差,sher925和sher850表示850 hPa和925 hPa以及500 hPa和850 hPa风切变。

图 12 各物理量及平均小时降水量在前期(上)、后期(下)08时(左)和20时(右)的站点变化 灰色柱状图为各物理量平均值,与降水量共同使用左边坐标轴;彩色柱状图为各物理量标准化变量,使用右边坐标轴。

降水事件在夏季风爆发前20时最少、量级也最低,前期降水事件主要集中在两广境内;发生事件最多是在南海夏季风爆发后08时,共9个站,阳江平均小时降水量超过50 mm/h。后期早上08时平均小时降水量明显增加的站集中在山脉抬升处和沿海地区,傍晚20时集中在两条雨带位置。由于暴雨的发展主要与低层暖湿空气团有关,而产生降水的强对流风暴发展则与中上层干冷空气团有关,上层冷平流以及与低层暖湿空气的叠置对强风暴的爆发具有很重要的影响,二者都能造成降水但形成机制和物理量差异明显[41]。据分析,在季风爆发前,华南地区清晨多强对流风暴,而傍晚暴雨系统旺盛;季风爆发后,较内陆地区反转现象更明显,沿海地区低层风切变减小。一方面说明南海夏季风的爆发在清晨更多作用于对暴雨系统的增长,在傍晚则更多作用于增加强对流风暴的发生频率,另一方面根据区域降水量的日变化对比,也说明季风爆发对强风暴发生频率的作用更加明显。

根据各物理量标准化变量,相对于季风爆发的影响来说,其分布特征似乎更具有固定的时间特点。早08时无论季风爆发与否都具有K指数相对稳定的特征,而在季风爆发前,500 hPa和850 hPa的温度露点差对降水的指示作用更加稳定,后期低层风切变的指示作用相对较好,晚20时各物理量变化波动较早上更大,相对稳定的指示量为500 hPa温度露点差。

5 总结与讨论

利用华南地区(107~117 °E,21~27 °N)的248个国家级地面气象站逐小时降水数据,主要根据降水量、降水频率和降水强度的时空分布,分析研究了2003—2016年4—6月华南前汛期降水日变化,并按照南海夏季风爆发时间分别讨论了季风爆发前后两期的降水特征。针对华南地区地势整体由西北向东南倾斜的特点,分析了降水与地形的关系。

(1) 华南前汛期降水主要形成两个雨带,一个位于南岭以南附近,另一个位于广东沿海地区。偏北雨带降水主要发生在后半夜至清晨,偏南雨带主要发生在中午至下午时分。从地形经向分布看出明显地势下降变化,对降水日变化时间转变明显:西侧降水多发于夜间至清晨,东侧多发于午后至下午。南海夏季风爆发前后降水中心基本一致,但后期降水量、降水频率和降水强度都明显大于前期。

(2) 南海季风爆发前后降水的年相关性很小,前期降水量的多少不会影响后期降水,甚至还有相当一部分负相关存在。从波动幅度来看,多年变化主要集中在0.5附近。每年变化幅度相对较大的时段都位于清晨05时附近和下午17时左右,多年平均前后期标准差在午后出现3 h明显降水量波动。多年变化幅度最小时段为中午12时,前后期相关系数较大时次主要位于中午至下午时段,很好地印证了凌晨时段降水波动最明显的特点。

(3) 降水量、降水频率和降水强度的经向变化幅度在112 °E附近有明显时间转折:以西降水频率多发于夜间至清晨,以东全天都有降水频率高值区,但中心主要集中于中午至傍晚。在南海夏季风爆发前,华南地区的降水形势主要表现为西部高频、南部高强,在季风爆发后则形成西北-东南南的高频率高强度降水形态,华南沿海广东地区降水概率明显增加。总的来说,南海夏季风的爆发主要增加降水强度[42]的日变化,前期降水主要由多次少量造成,而南海夏季风的爆发明显增加了暴雨事件,使得后期降水特征的变化趋于一致。

(4) 南海夏季风的爆发在清晨更多作用于对暴雨系统的增长,在傍晚则更多作用于增加强对流风暴的发生频率,季风爆发对强风暴发生频率的作用更加明显。相对于季风影响,环境场物理量变化在固定时间的特点更加明显,高K值对华南前汛期降水的指示作用最稳定。

华南地区处于东亚季风环境,且地理地表属性复杂,从而导致了华南降水的复杂多变。本文根据地面小时降水,结合南海季风爆发时间,初步分析了南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化特征,及影响日变化环境场的地理和时间变化,加深了华南降水时空变化特征的认识。今后将深入分析降水机制,增加结论的普适性。

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