基于小时降水资料研究北京地区降水的精细化特征

根据北京全区2007~2014年117个自动气象站逐小时降水资料,在揭示降水总体时空特征的基础上,进一步研究了北京地区各季（以春、夏、秋为主）降水的精细化特征。研究发现:北京全区年均降水量存在两个高值中心（城区和下风方向的降水高值中心）,城市热岛效应可能是城区高值中心形成的重要影响因素之一;北京全区降水的季节分布不均,日分布也不均匀;城市化对北京地区降水的影响具有季节差异,夏季短历时和中历时降水在城区和东北部存在显著的大值区,受到城市热岛效应的影响可能较为明显,长历时降水在城区反而相对偏低,而春季城区短、中历时降水并未偏多,长历时降水却在城区出现明显的高值中心;降水日变化季节差异明显,春、秋两季呈现双峰型变化,而夏季呈现单峰型变化,该日变化的特征与全区降水的空间分布格局关系紧密。     

近40年北京地区夏季降水日变化及不同持续时间降水事件的特征

利用北京地区20个国家站1980～2020年的长期逐时降水资料,分析了北京夏季降水的基本气候特征和日变化时空分布特征。结果表明:（1）北京地区夏季40年平均降水量分布具有西北山区小,平原大,山区向平原过渡区的迎风坡最大的特点;降水频率则相反,平原降水频率整体小于山区;降水强度整体表现为西北弱,东部强,城区与南部居中的特点。北京夏季降水的强度和极端性较强,致灾风险高。（2）北京夏季平均降水量日变化主体呈单峰型,降水频次为双峰型,降水强度为多峰型,三者同时在22时（北京时,下同）达到最大,在12时最小。（3）降水的峰值时间随月份依次后推,6月最早,7月次之,8月最晚;峰值雨量7月最大,8月次之,6月最小。（4）降水量、降水频率和降水强度的日峰值空间分布具有较强的一致性,西北山区四站出现在20时以前,其余16站出现在20时及以后。使用K均值聚类算法将20站划分为两个区域,结果显示两个区域的降水量、降水频率和强度的日变化具有完全不同的分布特点。（5）近40年北京地区的降水结构在不断调整,短持续时间降水主导期和长持续时间降水主导期交替出现。2000年以前以小于6小时的短持续性降水为主,近15年大于6小时的长持续性降水明显增多。     

近30年北京夏季降水演变的城郊对比

利用1975～2004年北京13个站的夏季降水资料,对30年来北京城区与郊区降水的时空变化趋势进行了对比分析,得出以下主要结论： 1）无论是城区站还是郊区站,北京的夏季降水量均呈明显下降趋势,且城区站的夏季降水量总体上要小于郊区站。2）从大兴、海淀和昌平3站夏季降水量的时间变化特征来看,位于城区盛行风向下风向的昌平下降趋势最不明显,在一定程度上表征了城市化对北京夏季降水的影响。3）地形仍然是决定北京地区降水分布的主导因素,但降水高值区存在向西南城区方向延伸或移动的趋势,而城市化可能是造成这种变化的一个原因。     

1981～2010年北京地区极端降水变化特征

采用北京地区20个常规气象站1981~2010年逐日降水数据,对北京地区极端降水的空间分布特征进行了分析。得到以下主要结论:1981~2010年,北京地区极端降水百分位数(第90、95和99个百分位数)阈值表现出较一致的空间分布特征,以第95个百分位数阈值计算的极端降水日数与降水阈值和降水量的分布有较大差异,极端降水量对总降水量的贡献可达30%~37%,极端降水强度分布与极端降水阈值分布相似。近30年,北京地区多数站点的极端降水量、降水日数和降水强度呈下降趋势,极端降水量以上甸子、怀柔、平谷和观象台下降较为明显,可达到40 mm(10 a)–1以上,极端降水强度以顺义、海淀、观象台、大兴和上甸子等站下降较为显著,每10 a降水强度减小趋势可达4 mm d–1,极端降水日数变化分布与极端降水量变化分布类似,极端降水强度变化与降水量和降水日数变化的分布有明显不同。     

云南小时降水的时空分布变化研究

利用2005—2018年125个国家级台站小时降水观测数据研究云南小时降水时空分布特征。结果表明:云南年总降水量、不同持续时间降水量、极端强降水量及降水日变化空间分布差异很大。年降水量自西北向南增加,雨强自北向南增强,降水时长西部大于东部、南部略大于北部,年降水量受降水时长和雨强共同影响,降水时长影响最强,雨强影响较弱,这种特征在滇西北最突出,但滇东北的降水量与雨强相关更好。云南大部夜雨量多于昼雨量,滇东北和北部边缘夜雨特征最显著;降水日变化特征在云南北部为夜间单峰,西部边缘为清晨单峰,中部为夜间与午后峰值相当的双峰,南部也为夜间和午后双峰,但南部不同区域间主峰和次峰出现时间不同。云南南部降水贡献以短、中历时降水为主,北部则以长、超长历时降水为主。云南短时强降水发生次数的空间分布表现为自西北向东南增加;年发生站次数具有增加趋势,日变化特征为显著单峰,多在傍晚至入夜出现,且极端短时强降水更易在凌晨出现。这些小时降水时空分布特征很大程度上代表了低纬高原地区的降水特征。由于低值天气系统多影响低纬高原中北部,热带天气系统多影响南部,且低纬高原地形复杂,局地热力条件差异明显,这些因素造成该区域小时降水时空分布特征差异显著。     

北京地区降水空间分布及城市效应分析

利用1971-2010年北京地区20个测站降水资料和城市发展数据,分析了北京地区降水的大尺度变化趋势及局地降水的城市效应特征。结果表明:(1)北京地区年降水量具有大尺度变化特征,其线性倾向率为-9.12 mm·(10a)-1;(2)城市化缓慢期城市对降水影响不明显,而快速发展期则表现出明显的雨岛效应,城市化不仅使雨岛增强,还对城市下风向降水有一定影响;(3)受盛行风及热岛环流的共同影响,北京地区不同季节局地降水表现出不同的分布形态;(4)城市化过程对城区局地强降水日数存在增加效应。     

北京“7〖DK〗·21”特大暴雨过程时空特征解析

利用高密度自动站观测记录和长序列气象站观测资料,对2012年7月21日北京地区特大暴雨过程的时空演化规律进行了分析。结果表明:"7·21"特大暴雨期间,全市累积降雨量大于100mm的站数达到211个,占全部测站数的92%,96个站累积雨量大于200mm,12个站大于300mm;多数地区降雨时长超过16h,密云大成子站降水时间最长,达到20h,强降雨时长在西南房山和门头沟最大;最大小时雨强中心出现在东北和西南区域,东北部最大雨强中心较突出;平均雨强高值阶段出现在21日18:00—21:00,其中19:00雨强最大,达到22mm/h,但最大雨强在70mm/h以上的高强度降雨发生在21日13:00—14:00(门头沟龙泉站)和19:00—22:00,20:00—21:00平谷挂甲峪站高达100.3mm/h;城区及其附近地带20mm以上量级的小时降雨强度较大,同时傍晚阶段平均累积雨量增长速率快,平均小时降水强度偏大;房山站21日雨量位居1961年以来逐年最大日降水量第2位,仅次于1979年7月18日降雨量,而全市15站平均21日雨量打破了1961年以来的最大日降水量记录,比处于第2位的1963年8月9日平均雨量高出43mm。     

近30 a江苏夏季降水日变化的气候学特征

基于1980—2013年江苏省61站小时降水资料,分析了江苏省夏季降水日变化的特点及小时极端降水、不同级别雨日的日变化特征。结果表明,江苏省夏季降水日变化具有显著的双峰分布特征,然而江苏省北部和南部降水的主峰时段并不一致。从降水频次、累积降水量来看,江苏省北部降水以清晨至早上时段为主峰、午后至傍晚时段为次峰,南部降水与之相反。长持续性降水占夏季降水的2/3左右,且江苏北部占比多于南部,均为清晨至早上的单峰分布;短持续性降水占夏季降水的1/3,在江苏北部呈现出以午后至傍晚为主峰,清晨至早上为次峰的双峰分布,而在江苏南部呈现出以午后至傍晚的单峰分布特点。小时极端降水,阈值分布南低北高,虽然频次较少,但占夏季降水的40%左右。小时极端降水日变化的双峰分布和夏季总体降水分布类似,但主峰大都出现在午后至傍晚。不同级别雨日的日变化分布各有不同,但全省各区无显著差异。累积降水量贡献主要来自于暴雨和大雨。暴雨无论是从降水频次、累积降水量还是降水强度都呈现清晨至早上的单峰分布。     

北京“7·21”特大暴雨过程时空特征解析

利用高密度自动站观测记录和长序列气象站观测资料,对2012年7月21日北京地区特大暴雨过程的时空演化规律进行了分析。结果表明:"7·21"特大暴雨期间,全市累积降雨量大于100mm的站数达到211个,占全部测站数的92%,96个站累积雨量大于200mm,12个站大于300mm;多数地区降雨时长超过16h,密云大成子站降水时间最长,达到20h,强降雨时长在西南房山和门头沟最大;最大小时雨强中心出现在东北和西南区域,东北部最大雨强中心较突出;平均雨强高值阶段出现在21日18:00—21:00,其中19:00雨强最大,达到22mm/h,但最大雨强在70mm/h以上的高强度降雨发生在21日13:00—14:00(门头沟龙泉站)和19:00—22:00,20:00—21:00平谷挂甲峪站高达100.3mm/h;城区及其附近地带20mm以上量级的小时降雨强度较大,同时傍晚阶段平均累积雨量增长速率快,平均小时降水强度偏大;房山站21日雨量位居1961年以来逐年最大日降水量第2位,仅次于1979年7月18日降雨量,而全市15站平均21日雨量打破了1961年以来的最大日降水量记录,比处于第2位的1963年8月9日平均雨量高出43mm。     

北京城、郊和山区不同强度等级降水变化特征比较

利用北京地区1977-2013年18个站点逐小时降水资料,将小时降水分为弱降水（第50百分位值以下）、中等强度降水（第50至90百分位值）以及强降水（第90百分位值以上）3个等级,对北京地区山区、郊区以及城区夏季不同强度等级降水变化特征进行了深入细致的分析。结果表明,北京地区夏季降水量存在显著的减少趋势,这种减少趋势主要是由于弱降水和中等强度降水的显著减少引起的,强降水没有表现出明显的增多或减少趋势;与郊区相比,2004年之后城区的强降水对夏季总降水量的贡献越来越大而弱降水的贡献减小。在降水日变化上,不同地区、不同等级的降水存在差异。弱降水存在清晨和夜间双峰值特征,中等强度和强降水只存在夜间单峰值特征。清晨峰值时刻,山区、郊区和城区弱降水都表现出一致的显著减少趋势;夜间峰值时刻,山区的各等级降水变化不显著,而在2004年之后,城区弱降水少于郊区,强降水则多于郊区。北京地区降水过程不对称性特征（降水过程峰值前后差异性）十分明显,其中以强降水的不对称性最强,相对于郊区和山区来说,城区强降水过程的不对称性有增大的趋势。     

基于自动站观测的北京夏季降水特征

应用2007~2011年北京地区237个自动气象站资料,分析了北京夏季降水的精细化时空分布特征及城郊差异,结果表明:(1)北京大部分地区夏季平均有效降水时数约120~160 h,降水时数高值区主要位于北部怀柔、密云山前迎风坡一带。城、郊区间有效降水时数差异并不明显,城市化对局地降水强度有较明显影响。(2)北京夏季降水主要出现在傍晚到前半夜,凌晨到正午降水较少出现。夏季平均降水量极大值出现在17:00(北京时间),为3.2 mm/h。降水量存在较明显的周期变化特征,其中7 d左右的周期是主周期。(3)夏季城区平均降水量多于郊区,城、郊雨量差异主要来自较强降水过程。城市效应会导致城区弱降水事件的减少,亦会导致较强降水事件的增多。(4)城、郊区间降水持续时长的差异主要由较强降水过程决定,多数情况下城区降水持续时长大于郊区,午后到前半夜发生的降水尤甚。     

2006年汛期北京地区中尺度数值业务降水预报检验

采用北京地区自动站逐小时观测降水资料对2006年汛期北京地区中尺度数值业务降水预报效果进行了客观检验,并针对2006年汛期的降水特点对模式的降水预报性能进行了初步的评估,着重对发生的28次降水过程按其主导的天气系统进行了分类,并对各个类型的降水预报进行了评分检验,根据检验结果分析了数值业务模式对于夏季不同天气系统导致的降水过程的预报能力,并且对不同分辨率的模式网格的预报性能进行了初步对比。     

2008～2016年重庆地区降水时空分布特征

利用2008~2016年国家气象信息中心提供的0.1°分辨率的中国地面与CMORPH融合逐小时降水产品,分析了重庆地区的降水时空分布特征,尤其是小时强降水的时空分布特征。结果表明:(1)年均降水量总体呈西低东高分布,大值中心位于重庆东北和东南部,且存在一定的季节性差异,特别是夏季,西部降水明显增强,总降水呈两高(西部、东部)一低(中部)的分布;降水频次、降水强度与地形的相关性较高,海拔高度较高的山区(海拔高度>1000 m)降水频次多大于盆地和丘陵区(海拔高度<1000 m),降水强度与之相反,且小时强降水多发生在迎风坡前侧的过渡区域,说明高海拔区域易出现降水,但降水强度不强,而地形抬升则是触发强降水的重要原因,导致山前降水明显大于山峰。(2)重庆地区降水主要集中在5~9月,降水量、降水强度和小时强降水频次均呈单峰型分布,峰值出现在6~7月,降水频次呈双峰型分布,一个峰值出现在5~6月,另一个峰值出现在10月,7~8月为低频期,与副高控制下的连晴高温天气有关。(3)重庆地区降水存在明显的日变化特征,降水以夜雨为主,且降水峰值出现时间表现为向东延迟的特征,重庆西部日峰值出现在凌晨02:00(北京时,下同),中部出现在清晨05:00,东北部出现在早上08:00。从不同季节来看,春季、秋季和冬季降水日变化呈单峰型分布,主要集中在清晨,而夏季受午后局地对流性天气的影响,在下午17:00左右存在一个次峰值。(4)强降水的主要集中在夏季,在空间上存在三个大值中心,受西南涡及地形的相互作用,夏季在缙云山以西的盆地区域,小时强降水频次明显较高。     

北京一次积层混合云系结构和水分收支的数值模拟分析

本文利用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云分辨模式对2007年10月的一次积层混合云降水过程进行了数值模拟。利用模拟结果结合实测资料, 研究了积层混合云系的宏微观结构和降水特征, 并分析了云系的水分收支及降水效率。结果表明:积层混合云是导致此次北京降水的主要云型;积层混合云降水分布不均匀, 云系中微物理量的水平和垂直分布都不均匀, 具有混合相云的云物理结构。冷云降水过程占主导地位, 雪的融化对雨水的形成贡献最大。北京区域降水过程的主要水汽源地为黄海海面及蒙古国, 两支气流在陕西北部汇合后的西南气流将水汽输送到华北地区, 北京区域以外, 水汽和水凝物主要从西边界和南边界输送到域内。北京区域降水主要时段内, 水物质通量在水平方向上为净流入。对北京区域水汽、水凝物和总水物质的水分收支各项的估算表明, 水物质基本达到平衡。北京区域从2007年10月5日20时至6日14时, 总水成物降水效率、凝结率、凝华率及总水凝物降水效率分别为5.6%、4.77%、4.19%、44.9%。     

柴达木盆地降水的时空分布特征

利用柴达木盆地11个国家气象站(2017年3月—2018年2月)及28个区域气象站(2017年6—8月)月降水量资料,运用线性回归订正法和比值订正法推算柴达木盆地的年降水量,进一步分析柴达木盆地降水量季节变化及空间分布特征。结果表明:(1)柴达木盆地降水量年内分配极不均匀,呈单峰性,峰值出现在7月,5—9月(汛期)降水量占全年的87.4%。季节差异非常明显,降水主要集中在夏季;(2)年降水量空间分布特征:柴达木盆地年降水量各地差异极为显著,降水量整体表现为从东向西逐渐减少。最大值出现在天峻,最小值出现在冷湖。用2种方法推算的年降水量最大值出现在柴达木盆地东北部祁连山南麓的木里镇,其次在格尔木市南部出现了两个相对的大值中心,中间区域(93°～97°E)由四周山区向盆地中心逐渐减少的形势表现得更加清晰。夏季降水量的空间分布与年降水量的空间分布完全一致。(3)国家气象站模型中降水量分布只受经度和海拔高度的影响,而线性回归法和比值订正法模型中降水量的分布不仅受经度和海拔高度的影响,还受纬度的影响,三者的贡献率由大到小的排序是经度海拔高度纬度。     

华北地区夏季降水日变化的时空分布特征

利用2008~2014年间全国自动站观测降水和CMORPH[CPC（Climate Prediction Center）morphing technique]卫星反演降水资料融合而成的0.1°×0.1°小时降水产品揭示了华北夏季降水的日变化特征,发现华北多数地区夏季降水量和降水频率日变化呈现出明显的双峰特征且存在明显的区域性差异。在太行山以西地区,降水量和降水频率的日峰值出现在傍晚18:00左右（北京时）,规律性最强;而在太行山以东的平原和沿海地区,日峰值一般出现在上午。研究不同持续时间降水对总降水的贡献发现短时降水对傍晚的降水日峰值贡献较大,而长时降水则对凌晨的峰值影响更大。分析不同强度降水对总降水量的贡献结果表明,0.1~10 mm h-1强度降水较其它强度降水对夏季华北地区总降水量贡献更大,随着降水强度的增加降水量日变化的峰值个数增加。     

欧亚大陆春季融雪与长江流域夏季降水的可能联系

利用1979—2007年全球月平均的积雪水当量资料,定义了春季积雪水当量增量指数,该指数可以较为直观地反映春季融雪的情况。通过这一纽带,分析了欧亚大陆春季融雪与长江流域夏季降水之间的联系。研究表明:欧亚大陆春季融雪与中国长江流域夏季降水是负相关关系,这与高原积雪的影响是不一致的。春季融雪量的减少,使得欧亚大陆北部夏季剩余积雪偏多,夏季融雪增多。融雪的局地效应使得土壤湿度增加,加大了欧亚大陆南北热力差异。从而,夏季中纬度的纬向风切变增大,对流层上层的副热带西风急流增强,副热带高压增强西伸,但是北抬受到抑制。长江流域位于异常西南暖湿气流与冷空气的辐合带上,上升运动活跃,有利于降水偏多。