英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

华南前汛期降水日变化特征

（蒋志娜^1,2；张大林^1,3；夏如娣、钱婷婷¹）

摘要

本研究采用0.1°网格分辨率逐小时观测和卫星降水融合数据，以及2008-2015年4月至6月国家环境预测全球分析结果，研究了中国华南前汛期降水日变化(DCR)。结果表明，华南地区降水总量、频率和强度均有明显的日变化，且季风爆发前后西南至东南振幅有很大差异。在夜间增强的低空西南风影响下，我国西南部在夜间至早晨这一时段内经常有降水发生。我国东南部则主要受午后降雨的影响，这可能是地面加热、局部地形抬升的结果。季风爆发前后期都有两个日降水量峰值：一个在清晨，一个在午后。但季风爆发后期显示两个峰值波幅几乎相等，而季风爆发前期清晨峰值要比午后大得多。前汛期的传播模式主要有三种：(1)向东或向东南的传播模式主要发生在中国西南地区，这与热带地区暖湿气流的增强输送和由此引起的低层辐合有关；(2)在中国东南部的暖区出现了一种弱梯度的准静止模式；(3)内陆传播模式出现在白天，与南部沿海地区的海风相联系，特别是在季风爆发后期。

1.引言

人们对降水日变化(DCR)有很大的研究兴趣。最早对美国夏季(6-8月)DCR的深入研究可以追溯到Kincer(1916)，他注意到了DCR对农业企业的影响。这个研究的另一项重要工作归功于Wallace(1975)，他研究了与美国夏季和冬季降雨事件相关的雷暴的昼夜周期。他的研究还讨论了在控制对流活动的频率和强度方面，热力学和动力学过程的相对重要性。随后，他对美国不同地区的DCR进行了一系列详细研究，揭示了多种物理机制(e.g.,Landin and Bosart 1985; Dai et al. 1999; Liang eat al. 2004; H. Chen et al. 2009; Yamada et al. 2012)。显然，探究DCR不仅有助于了解区域降水机制，而且有助于验证数值天气预报模型。

在本研究中，我们试图了解华南地区云贵高原东部和南海北部生长季初期的一些DCR特征(图1)。该地区的生长季节降水一般受复杂的地形、海陆差异和季风气流的影响。Yu等人(2007)是第一批使用588个测站的小时雨量资料研究中国及临近地区夏季DCR的人。结果显示出较大的日变化，具有明显的区域特征(例如，我国南方地区在午后达到高峰，但青藏高原及其东部周边地区在午夜前后达到高峰)。此后，Zhou等人(2008)通过比较卫星与雨量计观测结果验证了上述结果，表明该特征与中国南方降水频率和强度的日变化相似。Li等人(2008)利用每小时站点降水资料，对华南地区暖季(5月至9月)和冷季(11月至3月)的DCR进行了研究。他们发现，由于大陆层云顶部的夜间辐射冷却在破坏稳定的垂直柱中所起的作用，冷季的降水量在午夜或清晨达到高峰。相反，中国东南部由于太阳辐射加热，增长季的降水量在午后达到高峰，而在中国西南部，青藏高

1.中国气象科学研究院国家重点气象实验室，北京

2.中国气象局广州热带海洋气象研究所，中国广州

3.马里兰大学大气与海洋科学院，马里兰

原生成的深厚大陆层云阻碍太阳辐射到达地面，降水量在早晨达到峰值。Zheng和Chen(2011)利用卫星红外黑体温度(TBB)数据，探讨了1996-2007年6-8月中国南部及邻近海域深对流(TBBlt;-52℃)的气候特征。他们发现，海陆风和山谷风使深对流在下午时从海洋输送到陆地，午夜以后从陆地输送到海洋，从山脉输送到平原。Chen等人(2013)指出，在增长季短时强降水的日变化周期与我国中尺度对流系统的（MCSs）日变化基本一致。在另一项研究中，Xu和Zipser(2011)指出，青藏高原东部多数夜间降水与MCSs同步，可能是由午后或盛夏夜间对流形成的长时间存在的MCSs造成。

图1 中国南方地形图

（在广东、广西、云南、贵州、湖南、江西和福建等地都有标记，黑色实线表示省边界。研究中定义的华南地区（SC）是虚线框（21ordm;-26ordm;N，107ordm;-117ordm;E）中的区域，同样适用于之后图形中的虚线框。字母“SW”、“YK”、“LH”分别表示石湾山、云开山和莲花山。南岭山脉有标记，虚线矩形表示我们的目标区域。）

华南地区的第一次雨季一般在4月1日至6月30日，通常被称为前汛期。前汛期降水占全年降水量的40%-50%(Huang 1986)。根据卫星观测，G.Chen等人(2009年)表示，春季降水日变化很小，但东南地区前汛期变化明显。Xu等人(2009年)观察到包括转换期强降水和MCSs位置在内的对流强度和中尺度降水模式的显著变化。

此外，Chen等人(2014)根据3年的多普勒雷达资料，发现珠江三角洲地区夏季前汛期降水占降水总量的50%以上。降水日变化有两个峰值，一个出现在午后，由太阳辐射加热造成。Chen等人(2015)进一步指出，广东北部地区早上出现的峰值与夜间低空西南气流密切相关，而广东沿海地区清晨对流则是由陆风与海岸附近盛行的吹向陆地的风辐合所触发的。

5月中旬，南方地区形成季风后，盛行风和降水类型也发生了显著变化(Tao和Chen，1987；Ding，1992；Ding和Chan，2005)。Luo等人(2013年)注意到在季风的不同发展阶段，驱动MCSs的尺度存在差异。也就是说，MCSs受大尺度气压系统的控制较少，更多地是由季风爆发后期和季风爆发期与太阳加热有关的局地不稳定所控制。因此，对华南前汛期不同时段DCR的空间差异性进行比较是有必要的。本研究的目的是通过比较2008-2015年华南地区（主要是广西和广东两省）DCR模式对两种不同时期的前汛期的具体贡献，说明不同的日强迫过程在区域气候中的相对重要性(图1)。这也是华南季风降水试验的目的之一(SCMREX；http://scmrex.cma.gov.cn)，是世界气象组织(WMO/WWRP)世界气象研究计划的一个研究和发展项目，旨在通过实地试验、数值天气预报和物理机制研究，提高对暴雨形成机制的认识，并加快提高华南及其临近地区暴雨的预报（Luo 2016)。

下一部分将介绍本研究所用到的数据和方法。第三部分介绍2008-2015年前汛期不同时段的降水和DCR的空间分布。第四部分分析华南地区DCR的环境条件。最后一部分作出总结和结论。

2.数据和方法

在本研究中，我们使用中国气象局国家气象信息中心存档的2008年以来全国降水观测与0.1°网格分辨率卫星资料融合的降水数据(Pane等人，2002)。该产品是利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的卫星反演降水产品即NOAA/气候预报中心的插值技术数据结合CMA小时雨量资料开发的(Joyce等人，2004年)。Luo等人（2013）利用该数据对华南降水进行了研究(2013年)，他们利用美国国家环境预报中心(NCEP)在1°times;1°网格上每隔6小时获得最终的全球分析数据，对大尺度的气象条件进行了分析。

在我们的工作中，CMA国家气候中心(NCC)季风监测系统(http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/Monitor/monsoon.htm)根据南海夏季风(SCSSM；Ding and Chan，2005)的爆发日期，将前汛期分为季风爆发前后两个时期。这些数据：(i)850 hPa纬向风从东风稳定变化为西风；(ii)南海地区(10°-20° N，110°-120°E)850 hPa相当位温(Ue)大于340 K。表1列出了2008至15年间SCSSM的爆发期。前汛期SCSSM爆发前后分别定义为季风前爆发期371天和季风后爆发期316天。需要注意的是，SCSSM的起始候都不包括在这两个时期内。

1. 华南前汛期日变化特征

图2 在（a）季风爆发前期和（c）季风爆发后期平均日降水比率（阴影，mm/day）的水平分布。在（a）季风爆发前期和（c）季风爆发后期日百分比（阴影，%）

在分析DCR之前，图2显示了日平均降水量（该期间总日数的平均）以及由Bao等人（2011）定义的前汛期降水日百分比（DP）：。其中r_t是每小时降水量，为日平均小时降水量，r_d为平均日降水量。图2a显示了季风爆发期日平均降水量的三个局地极大值，分别位于广西北部、中北部以及广东南部沿海地区。这三个地区在SCSSM（图2c）爆发后继续出现峰值降水量，特别是在季风爆发后期，广东南部沿海地区降水量迅速增加（例如从8mm/day到15mm/day）。此外，我们还可以看到其它几个降水中心（如广东东部沿海、广西东北部和南部沿海）。Sun和Zhao（2002）推测，华南北部的局地强降水可能与当地喇叭状地形有关，从而促进了低层辐合的产生和深对流的发展。Chen等人（2015）验证了地形阻挡对广东北部清晨出现降水峰值的影响。华南沿海地区局地降水极值与石湾山、云凯山区及莲花山（图1）吻合较好，再次说明地形强迫对形成这些降水特征的重要作用（Li等人，2013）。图2b显示在广西西北边界的西南-东北地带，DCR的百分比最高值超过60%发生在季风爆发期，DCR百分比第二高值区分布在我国南部沿海地区（距离海岸线100公里以内）。此外，我们发现最大日降水量中心不总是对应最高的DCR百分比。值得注意的是，在季风爆发期仍存在一个相似的模式，但两个带之间DCR百分比有一个明显的小值区（图2b和2d）。这些结果表明：（i）湖南降水有明显日变化；（ii）DCR区域变化大；（iii）不同地区降水生成机制不同。它们都值得进一步探索。

图3 如图1所示，（a）季风爆发前期和（b）季风爆发后期,目标区域（即26-26ordm;N，107-117ordm;E）在LST内标准化（按日平均值）日变化的日平均降水量、频率及强度

图3显示了在本地标准时间（LST）中，目标区域（21-26ordm;N，107-117ordm;E，图1）内平均的标准化（按日平均值）DCR、频率和强度。请注意，我们关注的华南地区包括两个时区。降水频率定义为前汛期所有小时可测量降水量（gt;0.02mm·h-1）的百分比，与Zhou等人定义的网格降水量有关，降雨强度是通过降水发生时的平均降水量来获得的。结果清楚地显示出降雨量、频率和强度的日变化很大。有两个降水日变化峰值：一个在早晨，另一个在午后。在季风爆发前期(图3a)，上午的峰值在数量和频率上都强于午后的峰值，而上午强度仅出现一个峰值。降水峰值是由降雨频率的增加和强降水频率的日变化造成的。相反，在季风爆发后期(图3b)，两个降水峰值基本相等，但降水强度峰值出现在上午，而午后降水频率峰值则远高于上午。说明午后的降水峰值可能与高的降水频率有关，而上午的降水峰值则可能主要归因于强降水率，这与Luo等人(2013)发现的夏季风爆发后地面加热，在下午更容易触发深对流是一致的。

图4 季风爆发前期，标准化小时降水量偏离日平均（阴影，mm/h）的水平分布

图5 如图4所示，但在季风爆发后期

值得关注的是，尽管早晨地面加热，主要雨带在北京时11时进入广东省后，沿着降雨带的许多降水系统会消散或消失。此外，即使在之后的下午和晚上，广西也没有明显的降水。直到北京时14时，广东省才会出现广泛的强降水。分布在广东南部和中北部地区地区的明显雨带可以追溯到三小时前减弱的雨带，此后会更加明显的看到（图4e）。到北京时15时（图4f），主雨带移至广东东北沿海和西南边界。随后，雨带在北京时20时移入SCS（图4g）并于午夜消散（图4h），由此大致完成了一个日变化。对比图4和图3a可以清楚的显示出两个区域平均降水量峰值（大约在北京时7时和16时）与广西和广东省较为活跃的降水系统的发展有关，广西总覆盖面积较大。

在季风爆发后期，清晨进入目标区域的降水主要来自西北地区，并在贵州高原上触发，与季风爆发前产生的降水不同（图5和图4）。虽然云贵高原西南背风仍是降水发生的有利位置，由此产生的降水系统尺度迅速缩小，至北京时11时变为小尺度。相反，西北部的降水加强并在北京时05时向东传播过程中与当地产生的降水系统聚集在一起（图5b）。同时，一些夜间降水系统也在海上产生，并随着向东南方向移动进入SCS而加强。在北京时08时（图5c），主要降水主要发生在广东省北部，覆盖面积较大，这与此时的区域降水峰值一致（图3b）。与季风爆发前期一样，早晨时段覆盖面积和降水强度有所下降，中午有最小值（图3b），更大的降水出现在南岭山脉北部。之后，由于地表加热的增加，零散的降水系统随处可见，其中广西省西北部除外，那里的行星边界层在经过减弱的降水系统后必须保持干冷。特别是，早些时候（见北京时05时、08时、11时图）沿着南部沿海地区触发的许多降水中心加强并在北京时11时组织形成一下狭长的雨带（图5d）。随后，沿海降水系统向内陆移动并与一些当地触发是降水系统合并，到北京时17时（图5f），广西南部至广东、福建沿海内陆分布了一个高度有组织的中尺度降水带，宽度约为400千米。这与午后区域平均降水峰值吻合较好（图3b）。相关的降水系统倾向于海陆差异（Chen等人，2015）和局地热力条件（例如，由地表加热产生的条件性不稳定）（Zhang，1986和Fritsch,1988）的驱动。降水系统在午后开始减弱，几乎在午夜消失（图5h），从而完成了一个日变化。

图6 在（a）季风爆发前期、（b）季风爆发后期，21ordm;-26ordm;N范围内平均标准化小时降水偏差（阴影，mm/

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[19319]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word