多典洛珠，周順武，宋倩倩，孫 陽， 赤 曲, 3

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2.西藏自治區(qū)拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000;3.西藏自治區(qū)氣象臺，西藏 拉薩 850000)

引 言

降水日變化是全球氣候系統(tǒng)變化的最基本變化模態(tài)之一。對降水日變化特征深入認(rèn)識，有助于理解區(qū)域天氣氣候演變的物理規(guī)律[1-4]。近年來國內(nèi)外學(xué)者就全球及區(qū)域尺度降水日變化特征進(jìn)行了大量研究[3-12]。許多研究表明，中國降水日變化具有明顯的區(qū)域性，其中四川、重慶和貴州部分地區(qū)多夜雨，而云南則以白天降水為主[6]；新疆降水量峰值一般出現(xiàn)在傍晚到前半夜，谷值出現(xiàn)在中午[7-8]；浙江省夏季降水量和降水頻次日變化總體呈雙峰型[9]。YIN等[12]的研究表明，青藏高原降水日峰值出現(xiàn)在午夜前后；而一些衛(wèi)星觀測資料的分析結(jié)果卻顯示高原降水日變化峰(谷)值主要出現(xiàn)在傍晚(早晨)[13-14]。隨著氣候變化加劇，近年來極端降水事件也越來越受關(guān)注。王傳輝等[15]發(fā)現(xiàn)1973—2009年汛期小雨日數(shù)在雅魯藏布江及高原東部(西北部)以減少(增加)趨勢為主，但中雨和大雨日數(shù)在大部分地區(qū)以增加為主。研究指出，極端降水在白天和夜間并非均勻分布，且變化趨勢存在一定差異[16-17]。

拉薩地處青藏高原(簡稱“高原”)腹地——雅魯藏布江河谷地帶，屬于典型的干旱半干旱氣候區(qū)，在高原典型代表站中，拉薩降水日變化特征最為顯著[18]，且位于高原夜雨率的高值中心[19]。以往有關(guān)高原降水的相關(guān)研究主要是利用12 h或逐日降水資料[15,19-24]，依據(jù)逐小時(shí)數(shù)據(jù)分析高原降水日變化特征的還很少。另外，在全球變暖的大背景下，拉薩夏季降水以增加為主[21-22]，但關(guān)于降水增加是在白天還是在夜間等問題還少有涉及。

鑒于高原腹地汛期(5—9月)降水量占年降水總量的70%以上[23-24]，本文利用拉薩2005—2017年逐小時(shí)降水資料，在分析該站汛期降水日變化的基礎(chǔ)上，采用拉薩1969—2017年逐3 h降水資料，進(jìn)一步討論和比較該站白天(08:00—20:00，北京時(shí))和夜間(20:00至次日08:00)降水的演變特征，這不僅有利于深入認(rèn)識拉薩降水日變化特征，而且對認(rèn)識高原氣候及氣候變化規(guī)律具有一定意義。

1 資料與方法

1.1 資 料

拉薩站(91.14°E、29.66°N，海拔3700 m)屬于國家基本氣象觀測站，根據(jù)該站華云DZZ5型自動氣象站[18]觀測的拉薩最近13 a(2005—2017年)逐小時(shí)降水資料，分析該站汛期降水日變化特征。同時(shí)依據(jù)拉薩近49 a(1969—2017年)逐3 h降水資料(拉薩站1969年以前日降水資料缺失嚴(yán)重)，揭示該站汛期白天和夜間降水的長期演變特征。以上降水資料來源于西藏自治區(qū)氣象信息中心整編資料，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制。

1.2 研究方法

分析小時(shí)降水量、小時(shí)降水頻次以及小時(shí)降水強(qiáng)度，以刻畫降水日變化特征；分析白天和夜間降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度，以揭示晝夜降水的變化特征。各統(tǒng)計(jì)量及計(jì)算方法[7,25]見表1。

表1 統(tǒng)計(jì)特征量及其計(jì)算方法Tab.1 Statistics characteristic quantities and their calculation methods

2 降水日變化特征

2.1 小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次及強(qiáng)度

圖1為2005—2017年汛期拉薩小時(shí)降水量、頻次及強(qiáng)度日變化?？梢钥闯觯r(shí)降水量和小時(shí)降水頻次均呈單峰型分布，且服從正態(tài)分布(兩者的偏度系數(shù)分別為0.31和-0.01，峰度系數(shù)分別為-1.54和-1.68)。小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次峰值均出現(xiàn)在05:00，分別為42.7 mm和27.4次；小時(shí)降水量谷值出現(xiàn)在15:00，降水量為1.4 mm(約為峰值降水量的1/30)；小時(shí)降水頻次谷值出現(xiàn)在17:00，約為峰值頻次的1/10(約2.7 次)。拉薩汛期夜間降水量(降水頻次)占日降水量(降水頻次)的百分比為84.4%(76.7%)，小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次均呈 “白天少、夜間多”的分布特征。高原熱力作用和特殊地形作用可能是造成夜間降水明顯大于白天的主要原因[26-27]。拉薩位于河谷地帶，環(huán)繞河谷的山脈海拔較高(約5000 m)，白天強(qiáng)烈的太陽輻射使得云滴蒸發(fā)，云變薄以至消散，同時(shí)由于河谷水體熱容量較大，增溫幅度小于兩側(cè)山坡，大氣較穩(wěn)定不利于空氣的上升運(yùn)動。傍晚隨著太陽輻射的減弱，相對海拔較高的山坡處首先降溫，此時(shí)山坡附近的空氣密度大于河谷，冷空氣沿山坡下沉到谷底，將谷底附近的暖濕氣塊抬升冷卻凝結(jié)致雨，造成拉薩多夜雨現(xiàn)象[18-19]。小時(shí)降水強(qiáng)度日變化呈雙峰型分布，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在17:00和00:00，谷值出現(xiàn)在13:00—15:00。其中第一個(gè)峰值強(qiáng)度達(dá)1.71 mm·次-1，此時(shí)小時(shí)降水量較小約為4.6 mm，小時(shí)降水頻次也較低(2.7次)，主要反映高原白天太陽輻射較強(qiáng)形成熱對流后出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水，這種降水屬于小概率事件，但一旦發(fā)生，降水強(qiáng)度相對較強(qiáng)；第二個(gè)峰值強(qiáng)度為1.70 mm·次-1，該時(shí)刻小時(shí)降水量為39.5 mm，小時(shí)降水頻次為23.2次，小時(shí)降水量和降水頻次均明顯高于第一個(gè)峰值。

2.2 不同等級降水小時(shí)降水量和頻次

由于拉薩干旱少雨，以往研究根據(jù)干旱地區(qū)降水特點(diǎn)將單位小時(shí)降水量(r)分為3個(gè)等級[28-29]：微雨(0.1≤r<1 mm)、小雨(1≤r<3 mm)和中雨及以上(r≥3 mm)。圖2為2005—2017年汛期拉薩各等級降水小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次日變化?？梢钥闯?，各等級降水小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次總體分布也呈現(xiàn)白天少、夜間多特征，但各等級降水日變化存在明顯差異。微雨和小雨小時(shí)降水量日變化呈單峰型，峰值出現(xiàn)在05:00；而中雨及以上日變化呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在00:00和04:00。微雨和小雨小時(shí)降水頻次日變化呈單峰型，峰值出現(xiàn)在05:00；中雨及以上量級的小時(shí)降水頻次呈多峰型分布，峰值基本在01:00—04:00，較微雨和小雨提前1～4 h，各等級降水小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次的谷值均出現(xiàn)在15:00—17:00。

圖1 2005—2017年汛期拉薩小時(shí)降水量(a)、小時(shí)降水頻次(b)和小時(shí)降水強(qiáng)度(c)日變化Fig.1 Diurnal variations of hourly precipitation amount (a), frequency (b) and intensity(c) during the flood season in Lhasa from 2005 to 2017

圖2 2005—2017年汛期拉薩各等級降水小時(shí)降水量(a)和小時(shí)降水頻次(b)日變化Fig.2 Diurnal variations of hourly precipitation amount (a) and frequency (b) of different grades precipitation during the flood season in Lhasa from 2005 to 2017

拉薩海拔較高，傍晚隨著太陽輻射的減弱，相對高海拔的山坡處空氣首先降溫并逐漸下沉將河谷附近的氣流抬升，河谷地區(qū)不穩(wěn)定能量加強(qiáng)產(chǎn)生上升運(yùn)動，同時(shí)在熱力環(huán)流驅(qū)動下高原周邊低海拔地區(qū)的水汽逐漸向高原輸送，并在傍晚至夜間達(dá)到最強(qiáng)。梁宏等[27]對拉薩大氣水汽日變化特征分析后發(fā)現(xiàn)，拉薩大氣水汽呈明顯日變化特征，且水汽的峰值超前降水峰值3～6 h。相對充足的水汽加之較強(qiáng)的上升運(yùn)動是導(dǎo)致拉薩夜間降水較多的直接原因。

綜上所述，拉薩汛期微雨和小雨的小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次日變化均呈單峰型；中雨以上量級小時(shí)降水量呈雙峰型，小時(shí)降水頻次呈多峰型。由于中雨及以上量級小時(shí)降水總體較少，觀測資料年限較短，因此該量級降水的降水量雙峰型和降水頻次多峰型分布特征還有待更長時(shí)間觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證。

3 晝夜降水量、降水日數(shù)及降水強(qiáng)度的演變特征

3.1 晝夜降水量、降水日數(shù)及降水強(qiáng)度演變

圖3為1969—2017年汛期拉薩白天和夜間降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度距平的年際變化。可以看出，近49 a拉薩汛期白天降水量和降水強(qiáng)度呈顯著上升趨勢，氣候傾向率分別為4.5 mm·(10 a)-1、 0.08 mm·d-1·(10 a)-1，均通過0.05顯著性檢驗(yàn)；白天降水日數(shù)長期變化趨勢不顯著(未通過0.05顯著性檢驗(yàn))。1990年代以前拉薩白天降水量為偏少期，1990年代以后到21世紀(jì)為偏多期，降水量最少和最多年份分別為1983和2014年；白天降水強(qiáng)度的5階多項(xiàng)式擬合曲線與白天降水量相似，在波動中有明顯上升趨勢；白天降水日數(shù)在進(jìn)入2000年以前為增加趨勢，之后則以下降趨勢為主。

近49 a拉薩汛期夜間降水量和降水強(qiáng)度均呈顯著上升趨勢，通過0.05顯著性檢驗(yàn)，夜間降水量氣候傾向率為15.8 mm·(10 a)-1，明顯高于高原1961—2015年年降水量的增加速率[6.59 mm·(10 a)-1)][30]；夜間降水強(qiáng)度氣候傾向率為0.29 mm·d-1·(10 a)-1；夜間降水日數(shù)變化趨勢不顯著。拉薩夜間降水量和降水強(qiáng)度在1990年代前為偏少期，進(jìn)入1990年代以后為偏多期，夜間降水量和降水強(qiáng)度峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為1990年和2017年，谷值分別出現(xiàn)在1983年和1975年；夜間降水日數(shù)2000年以前較為平穩(wěn)，以后呈下降趨勢。

綜上所述，雖然近半個(gè)世紀(jì)以來拉薩晝夜降水量和降水強(qiáng)度表現(xiàn)出較一致的上升趨勢，但由于降水夜間多而白天少，晝夜之間降水量和降水強(qiáng)度的氣候傾向率差異明顯，夜間的氣候傾向率遠(yuǎn)大于白天(夜間降水量和降水強(qiáng)度的氣候傾向率約為白天的3倍左右)，晝夜降水日數(shù)的長期變化趨勢均不明顯。降水量明顯變化必然對應(yīng)著導(dǎo)致降水發(fā)生條件的變化。從影響降水形成的水汽和動力條件上分析，可能是由于以下兩方面。首先，近年來高原地區(qū)云量的增加為降水提供了水汽條件[31-32]，降水的增多通過改變蒸發(fā)量又對云量變化形成正反饋；其次，隨著高原氣溫的升高，高原夏季風(fēng)增強(qiáng)[33]。

表2列出1969—2017年晝(夜)降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度距平分別與時(shí)間序列之間的相關(guān)系數(shù)。可以看出，除了降水日數(shù)之外，其余均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，晝雨量、晝雨強(qiáng)度以及夜雨量均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，夜雨強(qiáng)度則通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明各要素的變化趨勢是顯著的。

3.2 降水量與降水強(qiáng)度和降水日數(shù)的關(guān)系

表3列出1969—2017年汛期晝(夜)降水量分別與晝(夜)降水強(qiáng)度和晝(夜)降水日數(shù)的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，無論白天還是夜間降水量與降水強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)均高于降水量與降水日數(shù)的相關(guān)系數(shù)。拉薩近49 a晝夜降水強(qiáng)度呈顯著上升趨勢而降水日數(shù)變化趨勢不明顯。因此，降水量增加是由于極端降水事件增加引起。研究指出，高原夏季風(fēng)環(huán)流的形成為雅魯藏布江中部流域強(qiáng)降水天氣過程提供了大尺度環(huán)流背景[34]，高原夏季風(fēng)增強(qiáng)可能影響雅魯藏布江流域極端降水事件的發(fā)生[33,35]。

4 汛期各月降水特征

雖然拉薩降水主要集中在汛期，但汛期各月降水也存在較明顯差異，表4為1969—2017年拉薩汛期逐月平均降水量和降水日數(shù)?？梢钥闯?，在主汛期(7—8月)降水最多，對比分析汛期各月降水日變化差異，圖4給出2005—2017年拉薩汛期各月小時(shí)累計(jì)降水頻次日變化?？梢钥闯觯髟滦r(shí)累計(jì)降水頻次的分布均存在明顯的晝夜差異，即夜間多、白天少。小時(shí)累計(jì)降水頻次最多的是主汛期7月和8月，6月和9月次之，5月最少。從各月日變化位相上看，主汛期降水波動比其他月份波動小，說明降水越多則日變化越穩(wěn)定。因此今后分析中有必要進(jìn)一步針對主汛期降水特征進(jìn)行分析。

圖3 1969—2017年汛期拉薩白天(a、c、e)和夜間(b、d、f)降水量(a、b)、降水日數(shù)(c、d)、降水強(qiáng)度(e、f)距平的年際變化Fig.3 Interannual variation of daytime (a, c, e) and nightime (b, d, f) precipitation amount (a, b), days (c, d) and intensity (e, f) anomalies during the flood season in Lhasa from 1969 to 2017

表2 1969—2017年晝夜降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度距平分別與時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between precipitation amount, days, intensity anomalies during daytime and nighttime and time series during 1969-2017

注：*和**分別表示通過0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)，下同

表3 1969—2017年汛期晝(夜)降水量分別與降水強(qiáng)度和降水日數(shù)的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between precipitation amount and intensity, days of precipitation during daytime and nighttime from 1969 to 2017

表4 1969—2017年拉薩汛期逐月平均降水量和降水日數(shù)Tab.4 Average monthly precipitation amount and days during the flood season in Lhasa from 1969 to 2017

圖4 2005—2017年拉薩汛期5月(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d)和9月(e)小時(shí)累計(jì)降水頻次日變化(單位：次)Fig.4 The diurnal variation of accumulated precipitation frequency in May (a), June (b), July (c),August (d) and September (e) during the flood season from 2005 to 2017 in Lhasa (Unit: times)

5 結(jié) 論

(1)拉薩汛期小時(shí)降水量和降水頻次的日變化呈單峰型分布特征，且服從正態(tài)分布，兩者峰值均出現(xiàn)在05:00，谷值分別出現(xiàn)在15:00和17:00；小時(shí)降水強(qiáng)度的日變化特征呈雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在17:00和00:00，谷值出現(xiàn)在13:00—15:00，小時(shí)降水強(qiáng)度的谷峰值相比小時(shí)降水量和降水頻次的谷峰值提前。

(2)拉薩汛期不同等級降水的降水量晝夜分布與總降水一致，呈“夜間多、白天少”的分布特征，但各等級降水日變化位相不同，其中微雨和小雨的小時(shí)降水量和小時(shí)降水頻次日變化為單峰型，峰值均出現(xiàn)在05:00，中雨及以上的小時(shí)降水頻次日變化峰值出現(xiàn)時(shí)間較微雨和小雨提前1～4 h，小時(shí)降水量和降水頻次的谷值均出現(xiàn)在15:00—17:00。

(3)近49 a拉薩汛期晝夜降水量和降水強(qiáng)度顯著增多，夜間降水量和降水強(qiáng)度的氣候傾向率均明顯高于白天，其中夜間降水強(qiáng)度氣候傾向率為0.29 mm·d-1·(10 a)-1；而晝夜降水日數(shù)的變化趨勢不明顯。降水強(qiáng)度和降水日數(shù)與降水量的變化存在顯著正相關(guān)關(guān)系，但降水強(qiáng)度的增強(qiáng)是降水量增多的主要原因。

(4)拉薩汛期各月小時(shí)降水頻次均存在夜間多、白天少的特點(diǎn)；主汛期(7—8月)小時(shí)降水總頻次最多，5月最少；降水越多則日變化越穩(wěn)定。