毛程燕,龔理卿,廖君鈺,李浩文

(1.浙江省衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2.中山大學大氣科學學院，廣東 廣州 510275)

1 引言

浙江省位于我國東部沿海，長江中下游地區(qū)，夏半年降水量大、降水時間長，有較長的汛期(4—10月)，每年都會多次出現持續(xù)性的暴雨天氣，對人們的生產、生活造成不同程度的影響。由于災害性天氣頻發(fā)，越來越多的國內外學者開始對長江流域降水天氣進行研究探討[1,2]。在分析其降水的時空分布特征時方法各異，如經驗正交函數分解法(EOF)[3,4]、奇異值分解法(SVD)[5]、小波分析法[6]等，而EOF分析降水特征[7]則是利用時空向量場的變換，實現較少變量反映包含的時空演化信息[8-10]，來分析其旱澇規(guī)律[11,12]，更加簡便易行。而在數據選擇上，雖然近年來浙江省新增了較多的區(qū)域站，但由于受下墊面覆蓋和區(qū)域站選址、區(qū)域站密度等影響，區(qū)域站測得的降水精度不夠高，尤其是臺站稀疏或地形復雜的地區(qū)，觀測到的降水存在一定的偏差。因此，很多學者開始用精度較高的衛(wèi)星反演[13,14]或雷達定量估計降水數據[15]，很大程度上減小了下墊面的影響。雖然雷達可以較大范圍的估測降水[16]，但受雷達選址、地物雜波、雷達型號等影響，并且雷達資料影響時間較短等，對于氣候分析存在明顯不足；衛(wèi)星觀測則不受地理條件限制，具有時空分辨率高、范圍廣等優(yōu)點，而且衛(wèi)星資料影響時長有明顯改善[17]，可彌補中國西部地區(qū)地面臺站稀少和無雷達覆蓋地區(qū)降水資料之不足，因此衛(wèi)星觀測與研究越來越受國內外專家的青睞。Sapiano等[18]研究表明衛(wèi)星反演的降水產品能很好地反映降水的空間分布特征；廖捷等[19]利用OI方法形成的融合降水產品與地面觀測降水的時空分布存在良好的一致性[20]，降水強度和降水量級與實況也有良好的相關性[21]。與此同時，更多的研究專家采用TRMM 衛(wèi)星數據產品，分析中國不同區(qū)域的降水分布特征[22-26]。當然衛(wèi)星觀測也存在一定局限性，如降水的時空分布的細節(jié)處與實況有一定誤差[27]；低降水量區(qū)域或者冬季大陸降水量小，此時空報率就較高[28-30]。李瑞澤等[31]對比了多種衛(wèi)星資料對環(huán)渤海地區(qū)降水反演的結果，發(fā)現TRMM 3B42略高估了日降水量，而在月際變化方面，3B42數據各項精度指標均優(yōu)于CMORPH、PERSIANN衛(wèi)星數據。成璐等[32]比較了CMORPH和TRMM 衛(wèi)星數據對我國東南部地區(qū)降水的反演特征，發(fā)現TRMM 3B42產品與臺站資料更為接近。此外，下墊面性質的影響，會改變其上空的熱力學特征在分析降水類型時，黎偉標等[25]研究認為珠江三角洲城市群就與對流性降水有顯著關聯(lián)，因此研究浙江省下墊面對其上空降水類型的影響，有利于進一步探討降水機理，在天氣、氣候分析中也是不可或缺的。由此，本文利用精度較高的TRMM 數據分析了浙江省多年平均降水的時空分布差異，年際和季節(jié)內變化特征，以及對流性和層狀性降水對浙江省降水的貢獻，通過本次研究，希望能找出浙江省降水的規(guī)律性，為天氣、氣候變化的預測提供有用的線索。

2 浙江省降水特征分析

2.1 浙江省降水的空間分布特征

圖1為1998—2013年 TRMM 3B42 資料反演的浙江省多年平均降水的時空分布。由圖 1a可見浙江省降水呈現自北向南、由沿海向內陸遞減的空間分布特征，降水大值中心位于浙江西部的衢州市和南部的麗水市一帶，降水量均在1 700 mm 以上。降水的水平梯度最大值位于杭州、衢州等相對內陸地區(qū)(等值線最密集區(qū))，說明靠近內陸一帶山區(qū)地形影響較大。降水最少的地區(qū)位于湖州、嘉興以及寧波的北侖、慈溪一帶，多年平均降水量在1 400 mm 以下。由降水的時間序列(圖1b)分布看，降水存在顯著的年際變化特征，振蕩周期為6 a，即每隔6 a左右出現一次波峰(降水量的高峰期)；2003—2009年之間較常年明顯偏少，2002年之前和2010年之后降水相對偏多，這種波動變化反映了年降水存在周期變化規(guī)律。

圖1 1998—2013 年TRMM 3B42年平均降水空間分布(a)和時間分布(b)(單位：mm)Fig.1 Spatial distribution (a) and time change (b) of annual mean precipitation during 1998—2013 based on 3B42 data (unit is mm)

為了研究浙江省降水的季節(jié)變化特征，本文給出了沿 119°E和 29.5°N，3B42 月平均降水的時間—緯向和時間—經向剖面圖,從圖中可以看到，浙江省降水的增幅效應隨著季節(jié)變化有很大差異，在夏半年，尤其是 5—7月 降水明顯多于其他月份，平均降水量普遍在250 mm 以上。圖2a是緯向剖面圖，可以看出大值中心出現在兩處：27.5°N 附近和30°N 附近，出現最強的月份是6月，最大降水量達350 mm 以上；圖2b是經向剖面圖，可以看出降水的大值中心位于 118.5°E 附近，出現的降水量最大的月份同樣是5—7月。由此可見，浙江省降水量有顯著的月際變化特征，從冬半年到夏半年降水逐漸增大，冬季月平均降水量在100 mm 以下，夏季降水量最強，梅汛期(6—7月)是浙江省降水的集中期。

圖2 1998—2013年3B42月平均降水(a)沿119°E的時間—緯向剖面以及(b)沿29.5°N的時間—經向剖面圖(單位：mm)Fig.2 Time-latitude cross section along 119°E (a) and time-longitude cross section along 29.5°N (b) for mean monthly precipitation (mm) during 1998—2013 based on 3B42 data (unit is mm)

為了更清楚地分析浙江省降水季節(jié)性特征，本文分別給出了浙江省四季的降水變化。由圖3可見，浙江省的降水存在顯著的季節(jié)性變化，降水主要集中在春、夏季，夏季降水量普遍達600～800 mm，冬季則最少，降水量只有200 mm 左右。春季、夏季和冬季浙江省降水西部多于東部，南部多于北部，降水的大值區(qū)在杭州南部、衢州、麗水、溫州一帶。春、冬季的降水大值中心在浙江西南部，夏季則在浙江西部，而在浙江北部的降水則相對較少；秋季則是沿海地區(qū)降水較多，呈倒“V”型分布。春、夏季降水全區(qū)性較多可能與夏季風爆發(fā)和盛期有關；浙江西南部降水多于東北部，則可能是地形對降水的增幅作用，迎風坡爬坡使得地形輻合加強，而沿海的降水則與臺風降水及副熱帶高壓東南部的水汽通道關系密切。進入秋季后，由于副熱帶高壓較強控制，晴熱高溫天氣為主，降水減少；冬季多由于大陸冷高壓控制，空氣濕度小，降水最少。

圖3 1998—2013年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均降水空間分布 (單位：mm)Fig.3 Spatial distribution of annual mean precipitation at all seasons of the year during 1998—2013 (unit is mm).Spring (a),summer (b),autumn (c) and winter (d)

2.2 基于EOF分析浙江省降水的時空分布

經驗正交函數分析(EOF)方法的本質是將物理量場的演變特征分解為獨立演化過程，反映各因子對該場的貢獻[33]。白慧等利用EOF分析貴州省暴雨日數的時空分布特點為本文提供了較好的借鑒[34-36]。為了對浙江省多年基本氣候特征進行分析，本文運用EOF分析對1998—2013年浙江省降水的空間演變特征進行剖析。前3個特征向量的方差貢獻率都在7%以上，累積方差貢獻率達到了83.1%，故圖4給出了降水的前3個模態(tài)的空間場和對應的時間系數。

第一場型(EOF1)的方差貢獻率為61.2%，是主要場型。由圖4a可見，第1特征向量呈現一致的負值——全區(qū)偏多(少)型，表明浙江省年平均降水或干濕變化是一致的，這是一個全區(qū)范圍均為負值的典型場。從第1時間系數(圖4d)可以看出，當對應的時間系數大于0時,浙江省降水率普遍偏少；當對應的時間系數小于0時，降水率普遍偏多，這與圖1b降水的時間變化特征是一致的。

第2模態(tài)的方差貢獻迅速降低為12.3%，表明EOF分解的收斂速度很快。第2特征向量場的分布圖(4b)存在著南北反向變化的結構特點，表示浙江省年降水的第2雨型是西南部(多)中北部(少)型。正值中心位于27.2°N，118.8°E，浙江西部山區(qū)的迎風坡為降水大值區(qū)，中北部為相對小值區(qū)，降水以金華—臺州為界，呈現顯著的地區(qū)差異。由第2雨型的多年時間系數直方圖(圖4e)其均值為負值，系數在2007年之前多為負值，2007年之后多為正值。浙江省降水呈現南澇北旱，降水由南向北逐漸減少。

第3主分量(圖4c)——東西差異型，方差貢獻為9.6%，且后面幾個模態(tài)的方差貢獻都較小。浙江省西部和東部區(qū)域具有相反的變化趨勢，EOF3的空間分布呈現東西反向變化的空間格局，從東部的正距平向西逐漸減小到西部的負距平，其負值分布中心出現在杭州、衢州等浙江西南部地區(qū)。說明浙江的年平均降水不僅存在著南北向差異，而且存在著東西向差異，但全區(qū)降水量的差異性不如前2個雨型明顯，第3雨型的時間系數變化幅度較小。第3雨型的年時間系數直方圖(圖4f)趨勢略有降低，但負值年份變化不大，呈東旱西澇。

圖4 浙江省1998—2013年平均降水前3個特征向量(上)及相應的時間系數(下)Fig.4 The top of three eigenvectors (left) of annual mean precipitation and corresponding to time coefficient (right) during 1998—2013

3 浙江省下墊面對對流性降水和層狀降水的影響

為了分析浙江省降水主要是對流性降水還是層狀云降水決定的，本文運用TRMM 3A12對流降水率和層狀降水率的資料分析其空間分布特征。從圖5a可以看到，對流性降水呈現多個大值中心，分別位于118.1°E、29.4°N，117.5°E、27.8°N以及119.7°E、27.8°N等。而衢州、麗水、溫州、臺州一帶多年平均降水的大值區(qū)，也是全年對流性降水率的大值區(qū)，空間特征呈心形分布。該區(qū)域的地形特征和周圍相比較，主要是這些區(qū)域多山區(qū)，或是沿海，因此在很大程度上表明了迎風坡的動力作用或山地熱力作用對該區(qū)域對流性降水的增加有關鍵作用，沿海城市的大洋上水汽輸送起重要作用。圖5b給出了多年平均層狀降水率空間分布圖，從圖中看到，整個浙江省地區(qū)層狀降水率分布大體是比較均勻的，等值線分布很稀疏，層狀降水率數值較小，層狀降水顯著的區(qū)域集中在海上，等值線分布密集，即層狀性降水與浙江省區(qū)域降水的空間分布關聯(lián)性不明顯。由此可見，浙江省的氣候效應對層狀降水分布影響不顯著，而對對流性降水分布有較為顯著的影響，即積云降水率對總降水率的貢獻總體上比層云降水率對總降水率的貢獻大一些。

圖5 1998—2013年3A12資料年平均對流性降水率(a)和層狀降水率(b)空間分布(單位:mm/d)Fig.5 Annual mean convection rainfall rate (a) and stratiform rainfall rate (b) during 1998—2013 based on 3A12 data (unit is mm/d)

圖6分別為1998—2013年3A12資料逐月平均對流性降水率和層狀降水率沿119°E 的時間—緯向剖面圖。由圖6a 可見，5—8月有兩個對流性降水率的大值中心，一個位于28.2°N(強)，另一個位于34°N(弱)，說明在5—8月份浙江省的對流性降水增加尤為顯著，降水率最大為5mm/d。圖6b層狀降水率的剖面圖可見，在這一經度上有兩個降水相對大值中心：分布位于28.5°N、29°N附近，集中在5月中旬—8月初，尤其是6月份層狀降水率最大2.2(mm/d)，明顯弱于對流性降水率。說明無論是對流性還是層狀降水率，降水率最大的都在夏季，最強中心在6月，且對流性降水率顯著強于層狀降水率。

圖6 1998—2013年3A12月資料逐月平均對流性降水率(a)、層狀降水率(b)沿119°E的時間—緯向剖面圖(單位：mm/d)Fig.6 Time-latitude cross section of mean monthly convection rainfall rate (a) and stratiform rainfall rate (b) along 119°E during 1998—2013 based on 3A12 data (unit is mm/d)

4 結論

本文利用TRMM 衛(wèi)星降水觀測資料，對浙江省降水的時空分布特征進行了較深入地探討，通過一系列研究，得出如下結論:

①浙江省降水呈隨緯度遞減、沿海多于內陸的空間分布特征，降水量的變化與下墊面的分布及水汽通道密切相關；浙江省年平均降水存在顯著的年際變化特點，降水量的波動有周期性。

②浙江省降水存在季節(jié)變化和月際變化特征，降水主要集中在夏季，尤其是6月，冬季降水最少；春季、夏季和冬季浙江省降水西部多于東部，南部多于北部，最大降水在靠近內陸地區(qū)，秋季降水則沿海多于內陸。

③浙江省降水存在3個典型場，第1典型場(主要場型，方差貢獻率為61.2%)降水異常形態(tài)為一致偏多(少)型，第2典型場(方差貢獻率為12.3%)是南澇東北型，第3典型場(方差貢獻率為9.6%)是東西差異型。

④浙江省的氣候效應對對流性降水產生較大影響，而層狀降水的分布則對浙江省降水影響很小。無論是對流性降水率還是層狀降水率均是夏季最強，尤其是6月份最大，且對流性降水率為層狀降水率的2倍以上。

參考文獻

[1] 張永領，高全洲，丁裕國，等.長江流域夏季降水的時空特征及演變趨勢分析[J].熱帶氣象學報,2006,22(2):161-168.

[2] 柳艷香，趙振國，朱艷峰，等.2000年以來夏季長江流域降水異常研究[J].高原氣象,2008,27(4):807-813.

[3] 劉婷婷，張華.主成分分析與經驗正交函數分解的比較[J].統(tǒng)計與決策,2011(16):159-162.

[4] 魏義長，王紀軍，張芳，等.經驗正交函數與統(tǒng)計相結合分析降水時空變異[J].灌溉排水學報,2010,29(4):105-109.

[5] 李芳，林中達，左瑞亭，等.基于經驗正交函數和奇異值分解對東亞季風區(qū)跨季度夏季降水距平的訂正方法[J].氣候與環(huán)境研究,2005,10(3):658-668.

[6] 王兵，胡婭敏，杜堯東，等.小波分析和EEMD方法在廣州氣溫及降水的多尺度分析中的差異分析[J].熱帶氣象學報,2014,30(4):769-776.

[7] 舒國勇，高紅梅，嚴小冬.貴州省銅仁市雨季開始期演變特征及環(huán)流分析[C].2012.

[8] Lorenz Edward N.Climatic Change as a Mathematical Problem.[J].Journal of Applied Meteorology,1970,9(3):325-329.

[9] 孫占東，黃群，姜加虎，等.經驗正交函數方法和TRMM數據對長江流域降水模式與極端水文過程的研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2012,21(3):321-326.

[10]游泳，周毅，楊小怡，等.利用經驗正交函數方法(EOF)淺析中國夏季降水時空分布特征[J].高原山地氣象研究,2003,23(3):22-23.

[11]李瑞民，潘小凡.EOF方法分析浙江降水量的分布特征[J].科技通報,1998(6):419-422.

[12]周后福，陳曉紅.基于EOF和REOF分析江淮梅雨量的時空分布[J].安徽師范大學學報(自科版),2006,29(1):79-82.

[13]劉小嬋，趙建軍，張洪巖，等.TRMM降水數據在東北地區(qū)的精度驗證與應用[J].自然資源學報,2015,30(6):1 047-1 056.

[14]潘旸，沈艷，宇婧婧，等.基于最優(yōu)插值方法分析的中國區(qū)域地面觀測與衛(wèi)星反演逐時降水融合試驗[J].氣象學報,2012,70(6):1 381-1 389.

[15]東高紅.多普勒雷達資料與自動站雨量相關分析及雨量計密度對雷達估測降水的影響[D].蘭州大學,2009.

[16]高曉榮，梁建茵，李春暉.雷達定量降水估計技術及效果評估[J].熱帶氣象學報,2012,28(1):77-88.

[17]王雪蓮，李英華，劉麗麗，等.衛(wèi)星和雷達資料在暴雨數值預報中的應用研究[J].氣象與環(huán)境學報,2015(1):14-19.

[18]Sapiano M.R.P.，Arkin P.A.An intercomparison and validation of high-resolution satellite precipitation estimates with 3-hourly gauge data.[J].Journal of Hydrometeorology,2009,10(1):149-166.

[19]廖捷，徐賓，張洪政.地面站點觀測降水資料與CMORPH衛(wèi)星反演降水產品融合的試驗效果評估[J].熱帶氣象學報,2013,29(5):865-873.

[20]駱三，苗峻峰，牛濤，等.TRMM測雨產品3B42與臺站資料在中國區(qū)域的對比分析[J].氣象,2011,37(9):1 081-1 090.

[21]嵇濤，楊華，劉睿，等.TRMM衛(wèi)星降水數據在川渝地區(qū)的適用性分析[J].地理科學進展,2014,33(10):1 375-1 386.

[22]周勝男，羅亞麗，汪會.青藏高原、中國東部及北美副熱帶地區(qū)夏季降水系統(tǒng)發(fā)生頻次的TRMM資料分析[J].氣象,2015,41(1):1-16.

[23]黃鈺瀚，張增信，費明哲，等.TRMM3B42衛(wèi)星降水數據在贛江流域徑流模擬中的應用[J].長江流域資源與環(huán)境,2016,25(10):1 618-1 625.

[24]楊云川，程根偉，范繼輝，等.四川盆地及周邊地區(qū)TRMM 3B42數據精度檢驗[J].氣象科學,2013,33(5):526-535.

[25]黎偉標，杜堯東，王國棟，等.基于衛(wèi)星探測資料的珠江三角洲城市群對降水影響的觀測研究[J].大氣科學,2009,33(6):1 259-1 266.

[26]黃天福，謝佳君，劉鵬.基于多衛(wèi)星資料的全國夏秋季節(jié)降水日變化特征研究[J].貴州氣象,2013,37(6):30-33.

[27]劉鵬，傅云飛，馮沙，等.中國南方地基雨量計觀測與星載測雨雷達探測降水的比較分析[J].氣象學報,2010,68(6):822-835.

[28]許時光，牛錚，沈艷，等.CMORPH衛(wèi)星降水數據在中國區(qū)域的誤差特征研究[J].遙感技術與應用,2014,29(2):189-194.

[29]廖榮偉，張冬斌，沈艷.6種衛(wèi)星降水產品在中國區(qū)域的精度特征評估[J].氣象,2015(8):970-979.

[30]Tian Y.D.，Peterslidard C.D.，Adler R.F.，等.Evaluation of GSMaP precipitation estimates over the contiguous United States.[J].Journal of Hydrometeorology,2010,11(2):566-574.

[31]李瑞澤，張安定，張華，等.多衛(wèi)星降水產品在環(huán)渤海地區(qū)的精度評價[J].應用生態(tài)學報,2016,27(9):2 916-2 924.

[32]成璐，沈潤平，師春香，等.CMORPH和TRMM 3B42降水估計產品的評估檢驗[J].氣象,2014(11):1 372-1 379.

[33]張銘，安潔，朱敏.一次暴雨過程的EOF分析[J].大氣科學,2007,31(2):321-328.

[34]白慧，陳貞紅，李長波，等.貴州省主汛期暴雨的氣候特征分析[J].貴州氣象,2012,36(3):1-6.

[35]嚴小冬，金建德，雷云.近50年貴州降水時空分布分析[J].貴州氣象,2004,28(c00):3-7.

[36]徐智慧，嚴小冬，吳戰(zhàn)平，等.貴州近49 a冬半年降水變化及少雨年成因淺析[J].貴州氣象,2013,37(2):21-25.