1961-2014年广东汛期小时强降水的日变化特征*

伍红雨，李春梅，刘蔚琴

(1.广东省气候中心，广东 广州510641；(2.中国气象局广州热带海洋气象研究所∥广东省区域数值天气预报重点实验室，广东 广州510641)

我国西部有青藏高原，东部临太平洋，地形和海陆分布极其复杂，是降水日变化特征最丰富和区域特征最显著的地区，对降水日变化的气候特征进行分析，这对气象和水文的精细化预报和服务有重要指导作用[1-2]。21世纪以来，由于高时空分辨率的气象观测资料的完善，气象学者对中国及区域降水的日变化气候特征进行了大量研究并取得很有意义的成果。中国大陆夏季降水存在显著的日变化和区域特征[3]，南方地区在冷季、暖季间还存在降水日位相的差异[4]。我国大部分地区夏季或汛期降水量的日变化呈双峰型特征，峰值主要出现在午后至傍晚以及清晨两个时段[5-12]，但西南部“夜雨”特征明显[13-16]。

广东(20°-25°N，109°-117°E)地处低纬，北依南岭，南临南海，地形复杂，有山地、丘陵、平原、台地等，地势北高南低。广东季风气候特征极其显著，一年中有80%的降水集中在汛期(4-9月)，其中前汛期(4-6月)降水以锋面降水和夏季风降水为主，后汛期(7-9月)降水以热带气旋降水为主[17-19]。广东是全国降水最多的地方之一，而短时强降水常常导致城市内涝、山洪、泥石流等地质灾害，造成人民生命财产的重大损失[20]。伍红雨等[21]分析指出广东平均小时强降水的次数、强度、降水量在年以及前、后汛期的时间尺度上均为显著上升的趋势，但没有对广东小时强降水日变化特征进行详细分析。一直以来由于小时降水资料的不完善和未处理，少有对长时间序列的广东小时强降水日变化的详细研究，因此本文对汛期广东小时强降水的日变化进行研究。宇如聪和李建[2]指出，要更深刻理解降水的过程演变特性，除降水量外，还应认识降水频次和强度的日变化。李建等[22]指出在相关研究中采用小时尺度降水替代日降水资料可更好地反映强度等实际降水的变化，减小取样的误差。因此本文采用广东近54年32个气象观测站小时强降水资料，详细分析广东汛期以及前后汛期小时强降水量、降水频次、降水强度的日变化峰值位相整体特征及空间分布，研究结果为深入了解广东小时强降水的日变化特征以及相关的气象服务提供信息和依据。

1 资料与方法

采用广东省气候中心整理的1961年1月1日-2014年12月31日广东32个气象观测站逐小时降水资料。本文把单站1小时降水量超过20 mm 定义为一次小时强降水事件，小时强降水频次定义为出现小时强降水事件的次数；小时强降水量定义为所有小时强降水事件降水量的总和。小时强降水强度定义为所有小时强降水事件降水量与频数之比。小时强降水量、频次和强度的日变化位相用00-23逐时均值除以24 h均值所得的时间序列表示，得到无量纲化的时间系列，可在一张图上进行比较；日变化峰值时间位相用日最大值出现时刻表示；日变化峰值振幅用峰值的量值与日均值的比值表示。文中白天(6-20时)，分为早晨(6-9时)，中午(10-13时)，下午(14-20时)；夜间(21-5时)。

选取时段为广东汛期(4-9月)，其中前汛期(4-6月)，后汛期(7-9月)，分析广东整个汛期以及前、后汛期小时强降水的降水量、频次、强度在一天24 h的演变特征。图1 为选取的广东32个国家地面气象观测站分布。

图1 广东32个国家级地面气象观测站分布Fig.1 Spatial distribution of the 32 national grounded meteorological observation stations

2 结果分析

2.1 广东区域平均小时强降水的日变化特征

2.1.1 峰值变化 首先分析广东区域平均的小时强降水日变化总体特征。图2为1961-2014年广东32站平均的小时强降水的降水量、频次、强度的日变化。可见，整个汛期，包括前、后汛期的小时强降水量和降水频次的日变化明显，且两条曲线很相近，峰值和谷值都是同时出现；而小时强降水的强度日变化很小，说明小时强降水的频次对降水量的贡献比强度更为显著。整个汛期的日变化特征与前汛期最为相似。小时强降水量和强降水频次均具有典型的双峰型特征，最大峰值出现在下午16时，次峰值出现在上午8点，谷值出现在夜晚00时。小时强降水量和降水频次在下午均高于上午，其中在上午10时有个相对的低值出现。这与陈炯等[23]分析指出中国总体平均的陆地短时强降水的频率主峰出现在午后16-17时吻合。而后汛期小时强降水量和强降水频次具有单峰型特征，峰值也是出现在下午16时，谷值出现在晚上23时，小时强降水在下午出现的频次明显高于上午。对于整个汛期以及前后汛期，广东小时强降水的强度日变化很小。而对四川而言，小时强降水(20 mm/h)雨强日变化呈夜间活跃单峰型特征[24]。

图2 1961-2014年广东区域平均的小时强降水量、频次和强度的日变化演变Fig.2 Diurnal variations of the mean hourly heavy precipitation amount (black solid line)，frequency (short-dashed line) and intensity(long-dashed line) in Guangdong during 1961-2014

统计1961-2014年广东32个观测站平均的汛期小时强降水发生频次在一天24 h各时次的分布得出，小时强降水有71.4%出现在白天(06-20时)，其中14.4%发生在早晨(6-9时)，17.2%发生在中午(10-13时)，39.8%发生在下午(14-20时)，其中有30%出现在下午15-17时这3个时次，是一天中小时强降水最易出现的时次；而夜间(21-5时)占28.6%，夜间9 h是一天中出现小时强降水事件相对较少的时段。汛期小时强降水发生频次在午后到傍晚出现峰值，主要来自于大气对辐射加热的响应，午后低层大气稳定度降低和对流有效位能增大，对流活动活跃，导致降水峰值的出现。而夜间抬升凝结高度降低，相对湿度升高和大气可降水量增大有利于早晨长生命史对流系统的发展，降水次峰值的出现[11]。在后汛期广东强降水主要由热带对流系统所导致，主要出现在下午。因此对于广东区域平均而言，上午8时和下午16时的2个强降水峰值都出现在早晚两个上下班高峰，短时强降水造成城市内涝、滑坡、泥石流等的影响比其他时次更加显著，要特别注意防范。

2.1.2 峰值站数变化 下面进一步分析32个观测站1961-2014年广东小时强降水量、降水频次和强度的峰值时间位相出现在不同时次的台站情况数占总台站数的百分比(图3)。对于整个汛期(图3a)，有78.1%的观测站小时降水峰值出现在13-19时，其中21.9%出现在17时，12.5%分别出现在15、16和18时，9.4%分别出现在上午8时，其余有3-6%的观测站峰值出现在5-7时，而在20-4时以及白天9-12时没有观测站出现过降水峰值。对于小时强降水频次，有84.4%的观测站小时降水频次峰值出现在12-19时，其中21.9%出现在15时，18.9%出现在17时,15.6%出现在16时，9.4%出现在18时，其余有3%～6%的观测站峰值出现在6时和8-14时，而在20-5时以及白天7时没有观测站出现过频次峰值。对于小时强降水强度，峰值出现的时间变化相对较小，有9.4%的观测站在18和22时出现强度峰值，而在10 -12时和14-16时没有观测站出现强度峰值，其余时次观测站出现峰值的比率在3%～6.3%之间。

在前汛期(图3b)，有78.1%的观测站小时强降水量峰值出现在12-19时，其中21.9%出现在15时，12.5%分别出现在16和18时，9.4%分别出现在17和19时，其余有3%～6.3%的观测站峰值出现在4-6、8和11-12时，而在21-3时以及白天7、9、10、13时没有观测站出现过降水峰值。对于小时强降水频次，有78.1%的观测站小时降水频次峰值出现在12-19时，其中18.8%出现在15时，15.6%出现在16、17时，9.4%出现在18、19时，其余有3%～6%的观测站峰值出现在4、5、8、9、11、12、14、6时和8-14时，而在20-3时以及6、7、10、13时没有观测站出现过频次峰值。对于小时强降水强度，分别有15.6%、9.4%的观测站强度峰值出现在22、23时，在9、10、11和14、15、18时没有观测站出现强度峰值，其余时次观测站出现峰值的比率在3%～6.3%之间，相对小时强降水量和频次的峰值观测站变化，强度的峰值观测站数变化要小。

图3 1961-2014年广东区域平均的小时强降水峰值时间位相出现在不同时刻的台站数占总台站数的百分比Fig.3 Diurnal variations of the mean hourly heavy precipitation for the number of stations percentage to the total number of stations number of stations at which the diurnal peaks occur at the different hours in Guangdong during 1961-2014

在后汛期(图3c)，小时强降水量和降水频次峰值观测站的变化很相近。分别有81.3%、84.4%的观测站小时降水量和降水频次峰值出现在13-19时，其中出现在16时均为28.1%的观测站，分别有15.6和18.8%的观测站出现在17时，有9.4%的观测站降水量峰值分别出现在14、18时，有9.4%的观测站强降水频次峰值分别出现在15、18时。其余有3%～6.3%的观测站峰值出现在5、6、8、9、10和12时，而在晚上20时-凌晨4时以及白天7、9、10、13时没有观测站出现过降水量峰值和频次峰值。对于小时强降水强度，有12.5%观测站强度峰值出现在晚上21时，有9.4%的观测站强度峰值出现在早上5时和晚上22时，在1、2、11、12、14、16时没有观测站出现强度峰值，其余时次观测站出现峰值的比率在3%～6.3%之间。

可见对于广东观测站的小时强降水的降水量和降水频次峰值出现的时次具有明显的变化特征，有近8成的观测站出现在下午，特别集中在15-17时，而21-4时没有观测站出现峰值。而小时强降水强度出现的峰值观测站数变化相对降水量和频次要小很多，观测站峰值主要出现在晚上18-22时。

2.1.3 峰值振幅变化 从1961-2014年广东区域平均的小时强降水的降水量、降水频次和降水强度的日变化峰值振幅(图4)可见，对于整个汛期(图4a),降水量和降水频次的日变化峰值振幅大值都是出现在下午，最大出现在下午15时，而上午峰值振幅小于下午，在8时出现峰值振幅次大值，峰值振幅小值出现在夜晚，谷值出现在00时。在前汛期(图4b)，小时强降水的降水量和降水频次的峰值振幅也是出现在下午，其中降水量出现在17时，频次出现在18时，降水量在上午8时出现了相对大值，夜间峰值振幅小，最小出现在00时。而强度的峰值振幅日变化相对较小，在汛期和前汛期，最大分别出现在凌晨4时和2时。在后汛期(图4c)，降水量和频次的峰值振幅下午大于上午，降水量振幅峰值出现在15时，频次峰值出现在18时。而振幅谷值都是出现在00时。强度的振幅日变化相对汛期和前汛期变动大，峰值振幅最大出现在21时，在凌晨4时出现了次达值。可见，对广东汛期，包括前后汛期的小时强降水量和频次的峰值振幅日变化下午大于上午，最大出现在15时或18时，谷值出现在晚上00时，而强度的峰值振幅日变化相对较小。

图4 1961-2014年广东区域平均的小时强降水峰值时间位相出现在不同时次区域平均日变化峰值振幅Fig.4 Diurnal variations of the mean hourly heavy precipitation for the regional mean diurnal amplitudes at which the diurnal peaks occur at the different hours in Guangdong during 1961-2014

2.2 广东小时强降水日变化的区域差异

2.2.1 峰值变化 上面分析了广东小时强降水的总体特征，下面分析广东小时强降水的区域差异。图5为前汛期广东32个观测站小时强降水各要素日变化峰值时间位相的空间分布。从小时强降水量峰值分布(图5a)可见，南部沿海的日降水量峰值主要出现在早晨到中午，雷州半岛和除南部沿海的广东大部地区出现在下午，只有汕尾、曲江和从化这3站出现在夜间。从小时强降水频次峰值分布(图5b)可见，南部沿海的日降水频次峰值主要出现在早晨到中午，雷州半岛和我省除南部沿海的地区出现在下午，曲江出现在夜间。可见小时强降水量和频次的峰值区域分布差异与午后对流发展和海陆差异有关。南部沿海受海陆热力差异影响，导致风场日变化，引起早晨到中午从南海向华南的水汽辐合，出现降水峰值[25]，而广东其余大部分地区主要是在下午受热对流活动影响，出现降水峰值。从小时强降水强度峰值分布(图5c)可见，强度峰值大部出现在夜间，珠江口附近和沿海部分观测站出现在早晨，连州出现在中午，梅州、汕头、广宁、台山出现在下午。

图5 前汛期广东小时强降水日变化峰值时间位相的空间分布(每个台站用颜色标示出峰值时间所在时段：蓝色为夜间，绿色为清晨，黄色为中午，红色为下午)Fig.5 Spatial distributions of the diurnal peak phases of the hourly heavy precipitation in the first flood season in Guangdong(the colored dots denote the peaks occurring in the different periods of time；blue for night，green for early morning，yellow for noon，and red for afternoon)

图6为后汛期广东32个观测站小时强降水各要素日变化峰值时间位相的空间分布。从小时强降水量峰值分布(图6a)和频次(图6b)分布完全相同，说明小时强降水频次多，对应降水量也多。小时强降水量和降水频次的日峰值除上川岛出现在中午，珠江口东西两侧沿海出现在早晨外，其余大部分地区的峰值都是出现在下午。可见广东前后汛期的小时强降水量和降水频次的峰值时间日位相空间分布是大部分相似的，这与Zhou等[26]分析指出中国夏季降水量和降水频次的日位相没有显著差异的结论相一致。日变化峰值有明显的区域差异，白爱娟等[27]分析指出四川盆地夜雨与高原地形对周边地区降水日变化影响有关，这种影响类似于热带地区海陆边界的影响。从小时强降水强度峰值分布(图6c)可见，强度峰值广东沿海主要出现在早晨，其余地区主要出现在下午和晚上。

图6 后汛期广东小时强降水日变化峰值时间位相的空间分布(每个台站用颜色标示出峰值时间所在时段：蓝色为夜间，绿色为清晨，黄色为中午，红色为下午)Fig.6 Spatial distributions of the diurnal peak phases of the hourly heavy precipitation in the second flood season in Guangdong(the colored dots denote the peaks occurring in the different periods of time；blue for night，green for early morning，yellow for noon，and red for afternoon)

2.2.2 日峰值振幅变化 图7为前汛期广东32个观测站小时强降水各要素日峰值振幅分布。从小时强降水量日峰值振幅分布(图7a)可见，日峰值振幅介于1.5～3.8之间，存在3个大值中心，分别位于西部的罗定(3.8)，东部的五华(3.4)和北部的南雄(2.5)，沿海观测站的峰值振幅较小，大都在2.0以下；小时强降水频次日峰值振幅(图7b)介于1.5～3.3之间，总体呈从沿海向内陆增加的趋势，最大位于西部的罗定(3.3)，第二、第三分别是北部的曲江(3.0)和连平(2.9)，沿海观测站的日峰值振幅较小，最小是深圳(1.5)；小时强降水强度日峰值振幅(图7c)除罗定最大为2.1外，其余观测站介于1.1～1.6之间，强度的日峰值振幅差异明显小于降水量和频次，变化相对较小。

图7 前汛期广东小时强降水的日峰值振幅分布Fig.7 Spatial distributions of the diurnal peak amplitude of the hourly heavy precipitation in the first flood season in Guangdong

图8为后汛期广东32个观测站小时强降水各要素日峰值振幅分布。从小时强降水量的日峰值振幅分布(图8a)可见，日峰值振幅介于1.4～3.5之间，存在3个大值中心，分别位于西部的罗定(3.5)，东部的五华(3.2)和北部的连平(3.2)，日峰值振幅从沿海向内陆递增,日峰值振幅沿海观测站1.4～2.0，中北部2.0～3.5；从小时强降水频次和降水量的日峰值振幅变化(图8b)很相似，振幅介于1.5～3.3之间，主体呈从沿海向内陆增加的趋势，最大位于西部的罗定(3.3)，北部的曲江(3.0)和连平(2.9)，最小是位于南部沿海的深圳(1.5)；从小时强降水强度日峰值振幅(图8c)分布可见，日峰值振幅呈北高南低的分布，最大前3位分别是北部的连州(2.5)、曲江(2.2)和佛冈(2.1)，最小位于南部的台山(1.1)，强度的日峰值振幅介于1.1～2.5之间，明显小于降水量和频次的日峰值的区域差异。

图8 后汛期广东小时强降水的日峰值振幅分布Fig.8 Spatial distributions of the diurnal peak amplitude of the hourly heavy precipitation in the second flood season in Guangdong

3 结 论

利用1961-2014年广东32个地面气象观测站逐小时降水资料，分析了广东小时强降水的降水量、降水频次和降水强度在整个汛期以及前、后汛期的日变化整体特征和区域差异。主要结论如下：

1) 广东区域平均的汛期小时强降水的降水量、降水频次的峰值都是出现在下午16时，次峰值出现在上午8时，而小时强降水的强度日变化不明显。

2) 广东汛期小时强降水量和降水频次的峰值分布存在区域差异，南部沿海峰值出现在早晨(6-9时)和中午(10-13时)，雷州半岛和其余地区出现在下午(14-20时)。小时强降水的强度峰值在白天和夜晚都可以出现。

3) 在汛期，包括前后汛期，广东区域平均的小时强降水量和频次的振幅日变化下午大于上午，峰值出现在15时或18时，谷值出现在晚上00时，而强度的振幅日变化相对较小。

4) 前、后汛期小时强降水量日峰值振幅存在3个大值中心，分别位于西部的罗定，东部的五华和北部的南雄、连平。小时强降水频次日峰值振幅总体呈从沿海向内陆增加的趋势，而强度日峰值振幅区域差异小。