北京地區(qū)夏季降水日變化的長期氣候特征

北京地區(qū)夏季降水日變化的長期氣候特征

作為當(dāng)前氣候研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題，對(duì)降水日變化特征的深刻理解在理解降水形成、區(qū)域氣候變化以及改善氣候模型方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)于世界或地方降水日變化的特征，國內(nèi)外科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究。采用1991年至2004年中國站自動(dòng)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)，魏等人首次分析了中國大陸地區(qū)夏季降水日的變化特征。值得注意的是，中國夏季降水的日變化在上午和晚上是顯著的。中國夏季降水的日變化明顯是中國南部和東北地區(qū)的。藏軍及其東部在上午和晚上達(dá)到了降雨量的峰值，長江中游和黃淮地區(qū)的最大降水量出現(xiàn)在早上，江淮地區(qū)和黃淮地區(qū)的特點(diǎn)是早上和晚上的雙向變化。魏等人的詳細(xì)分析揭示了中國東部降水持續(xù)和影響的變化特征之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)降水的可持續(xù)性是分離區(qū)域內(nèi)兩種太陽變化的重要因素。研究結(jié)果表明，長雨時(shí)間的峰值主要發(fā)生在夜間和早晨，而短雨時(shí)間的最大值通常發(fā)生在下午或晚上。前人的工作已經(jīng)對(duì)中國降水日變化特征進(jìn)行了較深入的分析和研究,但是由于可用資料的時(shí)段較短,考察的只是近十幾年來的氣候狀況.本文中采用了北京地區(qū)近四十多年的逐時(shí)降水資料,可以對(duì)該地區(qū)降水日變化的長期氣候特征及演變趨勢(shì)進(jìn)行更細(xì)致的分析,從而為深入地了解北京地區(qū)的局地氣候特征提供信息及依據(jù).1降水持續(xù)時(shí)間本文中所用數(shù)據(jù)由北京市氣象局提供,是北京南郊觀象臺(tái)(54511站)降水自記紙記錄經(jīng)過數(shù)字信息化處理后得到的逐小時(shí)降水量數(shù)據(jù).在降水自記紙的數(shù)字信息化過程中,已對(duì)降水自記跡線和時(shí)間、自記紙的掃描、數(shù)據(jù)的提取等進(jìn)行了人工檢測(cè),即嚴(yán)格質(zhì)量控制.該數(shù)據(jù)集覆蓋時(shí)段為1961~2004年,本文的分析選取了1961~2004年夏季6~8月,所用時(shí)間為北京時(shí)間.分析過程中,小時(shí)降水量大于0.1mm的時(shí)次被判定為有降水發(fā)生,著重考察一日內(nèi)不同時(shí)次的累積降水量和降水次數(shù).為了更加客觀地考察降水的持續(xù)性,只有當(dāng)某一降水時(shí)次之后連續(xù)2h次沒有降水時(shí),才判定一次降水過程的結(jié)束.將一次降水事件開始至結(jié)束間的小時(shí)數(shù)定義為其持續(xù)時(shí)間,根據(jù)降水的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分類,以1h為間隔,對(duì)持續(xù)1~24h的降水事件分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì).2年降水量的日變化特征圖1中給出了逐年演變的降水量日變化特征及多年累積的降水量日變化曲線.從圖中可知,各時(shí)次的降水量存在顯著的年際變化,不同年份之間差異很大.但總體來看,8點(diǎn)至14點(diǎn)為降水量的低值時(shí)段,僅占24h降水總量的21.8%,一天中降水量最少的時(shí)次是中午12點(diǎn).15點(diǎn)至早7點(diǎn)為降水量的高值時(shí)段,在此期間存在3個(gè)相對(duì)的峰值,分別是17點(diǎn),22點(diǎn)和凌晨5點(diǎn).若以處于相對(duì)低值點(diǎn)的24點(diǎn)為界,則高值時(shí)段可以進(jìn)一步劃分為2個(gè)區(qū)間,下午至前半夜的第一區(qū)間和后半夜至清晨的第二區(qū)間.從多年累積逐小時(shí)降水量來看,22時(shí)和5時(shí)的累積降水量是12時(shí)累積降水量的2倍以上.圖2中給出了逐年演變的降水頻次日變化特征及多年累積的降水頻次日變化曲線.從圖中可知,降水頻次呈現(xiàn)出與降水量較為一致的變化特征.在1961~2004年間,大部分年份的降水頻次日變化都表現(xiàn)為雙峰型,但不同年份的峰值位置存在明顯差異.從多年累積的頻次分布來看,18點(diǎn)至上午10點(diǎn)為降水易發(fā)時(shí)段,17個(gè)時(shí)次內(nèi)的降水次數(shù)均超過300次,其中早上7點(diǎn)的降水次數(shù)最多,達(dá)到355次.11點(diǎn)至17點(diǎn)為降水發(fā)生頻次的低值時(shí)段,最小值在14點(diǎn),44a來累積頻次為251次.3事件降水時(shí)長時(shí)特征分析降水的日循環(huán)特征與降水的持續(xù)性之間存在緊密關(guān)聯(lián).Yu等人指出,在中國中東部地區(qū),持續(xù)時(shí)間超過6h的長持續(xù)性降水的最大降水量通常出現(xiàn)在清晨,而持續(xù)時(shí)間在1~3h之間的短持續(xù)性降水易于在下午和傍晚達(dá)到降水量峰值.本文以降水事件持續(xù)的小時(shí)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)所有降水事件進(jìn)行了分類,并給出如圖3所示的不同持續(xù)時(shí)間的降水在不同時(shí)刻的降水量分布圖.圖3中一個(gè)最鮮明的特征是降水極大值出現(xiàn)時(shí)間與降水持續(xù)時(shí)間之間的近似線性關(guān)系,表現(xiàn)為自午后開始,降水量峰值隨降水持續(xù)時(shí)間的延長而滯后.持續(xù)時(shí)間為2h的降水的最大降水量出現(xiàn)在19點(diǎn),持續(xù)時(shí)間為4h的降水的最大降水量出現(xiàn)在22點(diǎn),持續(xù)7個(gè)小時(shí)的降水極值出現(xiàn)在凌晨2點(diǎn),持續(xù)8h降水的極值出現(xiàn)在5點(diǎn).總體來看,持續(xù)時(shí)間少于6h的降水事件的降水量峰值多集中在下午至前半夜,對(duì)應(yīng)著圖1中第一個(gè)峰值區(qū)間;持續(xù)時(shí)間大于6h的降水事件的降水量峰值則多出現(xiàn)在后半夜至清晨,對(duì)應(yīng)著圖1中的第二個(gè)峰值區(qū)間.由此可知圖1中降水量日變化曲線中的兩段峰值分別由兩類不同性質(zhì)的降水構(gòu)成,這兩類降水可以通過降水過程的持續(xù)性進(jìn)行大致區(qū)分.圖3右側(cè)的曲線圖給出了不同持續(xù)性降水的累積降水量,可知在北京夏季對(duì)降水量貢獻(xiàn)最大的降水類型是持續(xù)2~4h的降水.短持續(xù)性降水的降水量明顯大于長持續(xù)性降水,持續(xù)時(shí)間小于6h的降水占據(jù)了總降水量的45.4%,少于12h的降水占總降水量的76.4%.圖4給出了1962~2003年不同持續(xù)性降水事件的降水量演變.在20世紀(jì)70年代中期以前,持續(xù)時(shí)間小于6h的短時(shí)降水相對(duì)較少,但之后便進(jìn)入了短時(shí)降水的活躍期,短時(shí)降水事件的降水量大幅增加,特別在20世紀(jì)90年代初期達(dá)到了峰值.在20世紀(jì)的后40年間,短時(shí)降水的逐年夏季累積降水量增加了81.26mm,其線性遞增趨勢(shì)通過了10%的顯著性檢驗(yàn).圖4中僅給出了持續(xù)時(shí)間少于24h降水的演變狀況.在短持續(xù)性降水逐步加強(qiáng)的同時(shí),大于6h的長持續(xù)性降水的降水量則顯著減少.在1962~2003年的42a間,持續(xù)時(shí)間大于6h的降水事件的累積降水量減少了143.37mm,其線性遞減趨勢(shì)通過了5%的顯著性檢驗(yàn);其中,持續(xù)24h以上的降水事件的累積降水量減少了70.96mm,線性遞減趨勢(shì)通過了10%的顯著性檢驗(yàn).圖4中黑色粗實(shí)線為若干強(qiáng)降水量極值點(diǎn)的連線,從其變化趨勢(shì)可以清楚地看到降水量在不同持續(xù)性降水事件中分配特征的演變,即由長歷時(shí)向短歷時(shí)的變化.在20世紀(jì)60年代,降水量主要分布在持續(xù)時(shí)間大于6h的降水事件中;而在20世紀(jì)90年代,最大降水量均集中在持續(xù)6h以下的短時(shí)降水事件中.考察不同持續(xù)性降水在全年總降水量中所占比例,可發(fā)現(xiàn)自1962~2003年,少于6h的短時(shí)降水的降水量所占比例增加了20.8%,且該線性趨勢(shì)通過了1%的顯著性檢驗(yàn).這說明在全球氣候變化的大背景下,短持續(xù)性降水對(duì)北京水資源的供應(yīng)起著越來越重要的作用,而長持續(xù)性降水的貢獻(xiàn)卻在逐步減小.4持續(xù)性降水事件的降水過程利用近四十多年來的長期逐時(shí)降水資料,本文分析了北京夏季降水的日變化特征.從基本特征來看,降水量和降水頻次均以午后至次日清晨為高值區(qū),且高值區(qū)又可大致分為2個(gè)峰值區(qū)間;降水量和降水頻次的最低值出現(xiàn)在中午前后.把降水事件按持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分類后,發(fā)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間少于6h的降水事件的降水量峰值多集中在下午至前半夜,而持續(xù)時(shí)間大于6h的降水事件的降水量峰值則多出現(xiàn)在后半夜至清晨.在近四十年來,短持續(xù)性降水逐步增多,而長持續(xù)性降水卻呈減少趨勢(shì).發(fā)生在下午和傍晚前后的短時(shí)降水事件與太陽輻射加熱密切相關(guān).由于太陽輻射加熱的日變化,低層大氣在下午和傍晚易于達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài),并激發(fā)出局地濕對(duì)流活動(dòng),形成短時(shí)降水.而北京地區(qū)夜間到清晨時(shí)段發(fā)生的長持續(xù)性降水事件的物理機(jī)制尚有待于在下一步的工作中,結(jié)合其他物理量的逐時(shí)變化,利用區(qū)域氣候模式這一有力工具,進(jìn)行深入的分析研究.近四十年來北京地區(qū)短持續(xù)性降水增多、長持續(xù)性降水減少的變化趨勢(shì),有其獨(dú)特的氣候背景.Yu等人的研究結(jié)果顯示,近幾十年來中國北部地區(qū)夏季