河北省不同区域降水日变化特征差异

高旭旭，于长文，朱卫浩

（河北省气候中心，河北 石家庄 050021）

降水是气候系统中的重要要素，其日变化又是最基本的变化模态之一。对降水日变化的研究，有助于深入理解降水的形成机制，在提高和改善区域气候模式预报方面具有重要意义，为此已成为当前气候研究领域的热点议题[1～5]。Yu 等[4，5]利用 1991～2004 年588个地面气象站小时降水资料，首次系统分析了我国夏季降水日变化特征，指出降水日变化具有显著的区域性差异，其中，我国中东部地区降水具有清晨和午后2个幅度相当的降水峰值；之后的研究中发现，分离滑动地区降水峰值的关键因子为降水的持续性。我国领土辽阔，地形复杂，气候系统日变化存在鲜明的地域差异，降水日变化差异则更为显著，因此，多位学者对我国多地降水日变化进行了深入研究[6～10]。

河北省位于中纬度欧亚大陆东岸，地形复杂，高原、山地、丘陵、盆地、平原类型齐全，气候的区域差异显著。河北省降水分布受到季风和地形的综合作用，局地性差异明显，常发生局地强降水[11～13]。因此，将河北省划分不同区域，探究河北不同区域夏季累积降水量、降水频次、降水强度日变化特征之间的差异，更好地认识山谷风、海陆风对区域降水分布的影响，旨为做好精细化降水预报提供依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

获取2005～2016年全省142个国家站的逐时降水数据（6～8月），主要指标包括有效降水量、累积降水量、降水频次和降水强度。

1.2 研究方法

1.2.1 概念界定 （1）有效降水。实况降水量≥0.1mm的时次判定为有效降水。（2）累积降水量。将对各观测站的降水做年季累加，得到24 h序列的累积降水量。（3）降水频次。统计时间段内发生降水的总次数。（4）降水强度。降水量与降水频次的比值是降水强度。（5） 峰值时间。24 h累积降水量序列中，最大值出现的时间定义为峰值时间。（6）降水场次。当某一时刻发生降水之后，连续2 h无降水，则判定一次降水过程结束；将一次降水开始至结束间隔的小时数定义为降水持续时间。

1.2.2 研究方法 运用Excel软件对研究指标进行统计。运用旋转经验正交分解（REOF） 方法，研究河北省日降水分布特征，对研究区域进行划分。

2 区域划分

运用经验正交分解（EOF），对河北省2005～2014年6～8月的日降水数据进行分析，前4个主成分的累计方差贡献达65.9%。为了揭示河北省夏季降水的区域性特征，运用REOF对EOF的前4个主成分进行进一步分析，最终得到河北省夏季降水REOF的前4个模态（REOF1、REOF2、REOF3、REOF4）的空间分布。REOF1的高载荷区集中在河北省南部地区，REOF2的高载荷区主要分布于河北东北部，REOF3的高载荷区主要分布于河北省北部山区，REOF4的高载荷区主要分布于河北中部平原地区（图1）。因此，结合REOF的4个空间模态的高载荷分布图和河北省的地形，将研究区域分为冀北山区、冀东平原、冀中地区和冀南平原4个。不同研究区域站点（图2），具体划分方法见表1。

图1 2005～2016年河北省夏季降水REOF分析的空间分布图Fig.1 Spatial distribution of summer precipitation in Hebei Province during 2005-2016 by REOF method

表1 河北省4个区域及各区域站点名Table 1 The four areas and their stations in Hebei Province

3 结果与分析

3.1 研究区域降水日变化特征分析

3.1.1 累积降水量分析 冀北山区的累积降水量峰值出现在20：00；冀东平原的累积降水量日变化呈双峰值型，主峰值出现在05：00，而次峰值为00：00；冀中地区和冀南平原累积降水量峰值分别出现在01：00和22：00，略晚于冀北山区，早于冀东平原。4个区域的累积降水量低值均出现在午后：冀北山区在13：00累积降水量最少，其他三个区域均在15：00最少。其中冀东平原（秦皇岛和唐山）的降水量明显高于其他3个地区，这与该地区位于燕山山脉迎风坡，地形对气流抬升，加之东部临海提供充分水源[14]密切相关（图3）。

图2 河北省观测站点分布与4个区域划分Fig.2 Distribution of observation stations and division of areas in Hebei Province

图3 2005～2016年河北省4个研究区域平均累积降水量日变化Fig.3 Diurnal variations of average accumulated precipitation in the four areas in Hebei Province during 2005-2016

3.1.2 降水频次分析 4个区域的降水频次日变化曲线与累积降水量日变化曲线具有相似特征，其中冀北山区降水频次在傍晚至前半夜出现峰值，且明显高于其他区域，多是与地形高度有关[15]；冀南平原降水频次峰值在清晨9：00（图4）。

3.1.3 降水强度分析 冀东平原降水强度日变化出现双峰型，主次峰分别出现在前半夜与清晨，其他三个区域降水强度日变化与累积降水量日变化趋势相似（图5）。

图4 2005～2016年河北省4个研究区域平均降水次数日变化Fig.4 Diurnal variations of average precipitation frequency in the four areas in Hebei Province during 2005-2016

图5 2005～2016年河北省4个研究区域平均降水强度日变化Fig.5 Diurnal variations of average precipitation intensity in the four areas of Hebei Pvovince during 2005-2016

各区降水有其特点。相比而言，冀北山区累积降水量日变化、降水频次和强度三者较为一致，峰值出现在20：00左右且频次变化幅度较大，该结果形成的重要原因是受到山谷风环流影响[16，17]。冀东平原降水强度主峰值出现在前半夜，次峰值出现在清晨，而降水量主次峰值出现时间与强度相反，即冀东平原前半夜降水频次小但强度大，降水量主要来自降水强度贡献，而清晨降水量来自降水频次和强度的共同贡献；该区域2个时次降水成因各不相同，前半夜峰值可能是山谷风和海陆风共同作用，而清晨降水主要是近地层海陆风环流与环境主导风向相反，在近海岸产生辐合上升运动造成[18]。冀中地区降水量、频次和强度三者的日变化较为一致，峰值均出现在凌晨。冀南平原日变化以降水强度为主，降水频次日变化不显著。

3.2 持续性降水的日变化特征

Yu等[5]研究结果显示，我国中东部降水的持续时间与降水峰值出现时间存在一定的联系，并且两者之间的关系存在显著的地域差异。本研究中对各持续时间的降水分类进行统计，分析不同持续性降水事件的日变化特征。

对河北省4个研究区域的不同持续时间降水事件累积降水量、降水次数和单位小时降水量进行分析表明，4个区域的持续2～4 h降水事件的累积降水量最大，除冀东平原外其他区域随着持续时间的延长，累积降水量逐渐减少，而冀东平原在持续13 h降水事件的累积降水量出现次峰值（图6）。持续1～3 h降水事件中，冀北山区较其他3个区域发生降水频次最多；持续4～24 h降水事件中，4个区域发生的频次基本一致；4个区域持续1h降水事件发生的频次比持续2h降水事件高出约60次，并且随着降水持续时间的延长，频次迅速减少（图7）。4个区域持续3～17 h降水事件的单位小时降水量差别较大，冀东平原的单位小时降水量明显高于其他3个区域，且在持续14 h的降水事件中达到最大值（图8）。

图6 2005～2016年河北省4个研究区域不同持续时间降水事件的累积降水量曲线Fig.6 The curve of accumulated precipitation in the precipitation events with different durations in the four areas of Hebei Province during 2005-2016

图7 2005～2016年河北省4个研究区域不同持续时间降水事件的降水次数Fig.7 The precipitation frequency in the precipitation events with different durations in the four areas of Hebei Pvovince during 2005-2016

图8 2005～2016年河北省4个研究区域不同持续时间降水事件的单位小时降水量Fig.8 The hourly precipitation in the precipitation events with different durations in the four areas of Hebei Province during 2005-2016

冀北山区持续1～4 h降水极值出现在18：00～22：00，持续2 h的降水极大值出现在20：00。冀东平原持续2～4 h持续降水极值出现在20：00～23：00；持续8 h以上的降水多出现在04：00～08：00。冀中地区和冀南平原降水量多来自持续6 h以下的降水事件的贡献，持续1～4 h降水事件出现的时间段较广，降水量极值出现在20：00～02：00（图9）。短历时降水事件中，最大降水发生时间的空间分布均匀，106个测站降水出现在前半夜，仅29个测站出现在凌晨到清晨（图10）。对于长历时降水事件，冀东平原观测站点的最大累积降水量大多出现在凌晨到清晨，其他地区出现时间没有区域一致性。白天由于太阳辐射加热，热量累积导致热力不稳定，是导致前半夜出现短时降水的主要原因，而清晨持续性降水多与大尺度环流以及雨层云等系统有关[19，20]。

图9 不同持续性降水事件多年累积的降水量Fig.9 The accumulated precipitation for many years in different persistent precipitation events

图10 降水事件最大累积降水量出现时次的空间分布Fig.10 Spatial distribution of the diurnal phase of the maximum precipitation in different precipitation events

4 结论

根据河北省地形及对夏季降水应用REOF得到的空间分布，将河北省划分为冀北山区、冀东平原、冀中地区和冀南平原4个研究区域。利用2005～2016年河北省142个地面气象观测站6～8月的逐时降水数据进行分析，得到以下结论：

（1）冀北山区的区域平均累积降水量峰值主要出现在前半夜；冀东平原主峰值和次峰值分别出现在清晨和凌晨；冀中地区和冀南平原峰值多出现在凌晨。4个区域降水谷值均出现在午后。

（2）冀北山区和冀中地区降水量日变化振幅较大，夜间峰值来自降水频次和强度的共同贡献。冀东平原前半夜降水量主要来自降水强度贡献，清晨降水量来自降水频次和强度的共同作用。冀南平原降水频次日变化不明显，而强度变化振幅较大，降水量日变化主要来自强度贡献。

（3）河北全省短历时降水事件最大值出现在前半夜，冀东平原7 h以上长历时降水最大值大多出现在凌晨至清晨。不同区域平均的不同持续降水事件的降水量特征表现：持续2~4 h降水事件的累积降水量最大，冀东平原的降水量大于其他地区。

开展河北省小时降水的变化研究，掌握降水的演变规律，对做好精细化降水预报具有重要意义。本文仅对降水日变化进行了研究，其特征成因以及长期变化还有待进一步研究。