渤海湾与陆地降水特征差异的统计分析
Statistical Analysis of the Characteristics Difference of Rainfall over Bohai Bay and the Land

作者: 郭 玲 , 孙玫玲 * , 王雪娇 , 兰 辉 :天津市气象服务中心,天津;

关键词: 渤海湾降水降水特征降水日变化Rainfall over Bohai Bay Rainfall Characteristic Diurnal Variation

摘要:
利用1988~2015年渤海湾埕北油田A平台、塘沽和西青气象观测站的降水资料,对比分析了渤海湾与陆地(沿岸、内陆)降水量、降水日数的气候特征和变化趋势,以及夏季降水的日变化规律。分析结果表明:近30年来渤海湾年降水量、降水日数与陆地相比均偏少。渤海湾与沿岸年降水量和降水日数呈线性上升趋势,内陆呈线性下降趋势。渤海湾季降水量、降水日数与陆地相比偏少,且季节分布特征相同,降水量和日数以夏季最多,春季和秋季次之,冬季最少。夏季一日内降水变化特征存在差异,渤海湾与沿岸逐小时降水量和频次高值区集中在夜间至早上时段,而内陆高值区集中在午后至前半夜时段;渤海湾日降水变化特征与陆地相比存在明显的滞后性。

Abstract: Using precipitation observed data from 1988 to 2015 from Platform A of Chengbei Oilfield over Bohai Bay and Tanggu and Xiqing observation stations, the climatic characteristic and changing trend of rainfall amount and rainfall days and diurnal variation of summer rainfall events over Bohai Bay and the land (coast and inland ) were analyzed. The results show that the annual rainfall amount and rainfall days of Bohai Bay are less than the land in nearly 30 years. The annual rainfall amount and rainfall days of Bohai Bay and coast appear linear upward trend, while inland appearing linear downward trend. The seasonal rainfall amount and rainfall days of Bohai Bay are also less than the land, while seasonal distribution characteristic is the same. Compared with other seasons, the rainfall amount and days in summer are the most, followed by spring and autumn, and winter is the least. The diurnal variation of rainfall in summer is different between Bohai Bay and the land. The high value area of rainfall amount and frequency of Bohai Bay and coast concentrates on the period from night to morning. However, the high value period of rainfall amount and frequency of inland is from afternoon to fore midnight. The diurnal precipitation variation of Bohai Bay lags behind that of inland obviously.

1. 引言

渤海湾为三面环陆的半封闭性海湾,位于中纬度季风区,由于其地理位置和气候的特殊性,使得降水在时空分布上与陆地存在较大差异。降水变化规律是区域气候的重要特征,掌握海域的气候特征对航海活动和海上作业等有着重要作用。渤海作为我国北方海洋经济发展中心,海洋资源开发、油气开采、海上航运物流等活动在经济建设中起重要作用,然而这些活动均会受到海上极端降水事件的不利影响。因此,深入认识渤海湾降水的气候特征,有助于提高海区降水的预报水平。

由于海陆热力差异和动力、热力强迫的共同作用,海面与陆地在降水时空上存在着较明显的差异 [1],目前关于海面降水事件的研究相对较少。Gray和Jacobson [2]、Murakami [3] 指出热带地区陆地上的降水峰值出现在下午和傍晚,而临近海岸的海面降水峰值出现在凌晨。吴暖钦等 [4] 研究发现同一天气系统影响下,陆地站和岛屿站降水存在较大差异。对于陆地降水的气候特征,国内外学者已经进行了大量的研究工作 [5] [6] [7]。近几十年来,我国大部分地区年降水日数趋于减少,极端降水趋势虽无明显变化,但其时空差异较大 [8] [9] [10]。翟盘茂和潘晓华 [11] 研究表明:20世纪80年代以来,全国总降水量变化趋势不明显,同时雨日显著减少,意味降水强度可能增强。郭军等 [12] 分析了环渤海地区不同级别降水日数、降水量和降水强度的气候特征和变化趋势,指出年及四季雨日均呈减少趋势,降水强度略有增加。Yu等 [13] [14] 对中国大陆区域的夏季降水日变化特征进行了系统分析,指出中国夏季降水的日变化具有明显的区域性特征。李明财等 [15] 研究指出,天津夏季一日内不同时次的累积降水量呈明显的双峰值,高值分别出现在午后17时和午夜02时。

本文拟运用近三十年渤海湾与陆地降水观测资料,对海面与沿岸、内陆降水特征进行差异对比,着重分析渤海湾与陆地降水的气候特征及日变化规律,为渤海海域降水预报提供参考依据及预报指标。

2. 资料与方法

目前普遍使用雨量来表示降水量,观测点测得的雨量可代表其周围一个区域的平均降水量 [16]。文中选用渤海埕北A平台观测站(54646站),以下简称渤海A平台,代表渤海湾;陆地选取国家基本气象站,以塘沽(54623站)、西青(54527站)分别代表沿岸、内陆(图1)。

Figure 1. The observation stations of Bohai Bay and the land

图1. 渤海湾及陆地观测站的地理位置

渤海A平台观测站、塘沽站、西青站均为国家基本气象观测站。其中,渤海A平台距离天津海岸74海里,位于118˚25'E,38˚27'N,自1988年1月开始气象观测;塘沽站紧邻渤海湾和天津港,位于117˚43'E,39˚03'N,自1946年1月开始气象观测;西青站地处天津中南部地区,位于117˚03'E,39˚05'N,自1958年1月开始气象观测。

由于渤海A平台自2005年开始采用自动观测获取逐小时数据,考虑到序列的一致性,本文选用渤海A平台、塘沽和西青观测站1988~2015年逐日降水数据和2005~2015年夏季逐小时数据,对渤海湾与陆地降水特征进行统计分析研究。

参考前人的降水统计方法 [17] [18],年(季、月)降水日数定义为统计时段内日降水量 ≥ 0.1 mm日数总和。日降水量在0.1~1 mm为微雨,1~10 mm为小雨,10~25 mm为中雨,25~50 mm为大雨,≥50 mm为暴雨。本文冬季为12~2月,春季为3~5月,夏季为6~8月,秋季为9~11月。文中主要采用曼–肯德尔(Mann-Kendall)方法、相关分析等统计方法,显著性检验采用t检验方法,分析海面与陆地降水气候特征及日变化规律。

3. 结果与分析

3.1. 年降水事件的气候特征

3.1.1. 降水量

从1988~2015年逐年降水量变化来看(图2),绝大多数年份渤海A平台年降水量明显少于塘沽和西青,仅在1989、2013年比塘沽略偏多,在1989、2006、2013年比西青略偏多。渤海A平台年平均降水量为323.2 mm,最多年份为505.6 mm (1990年),最少年份为140.4 mm (2014年),相差2.6倍。塘沽年平均降水量为533.5 mm,最多年份为833.9 mm (2012年),最少年份为294.2 mm (2002年),相差1.8倍。西青年平均降水量为508.8 mm,最多年份为753.5 mm (2012年),最少年份为327.0 mm (1989年),相差1.3倍。由此可知,近30年来渤海湾年平均降水量比陆地明显偏少,相差近一倍。

Figure 2. Annual variation of rainfall amount over Bohai platform A, Tanggu and Xiqing during 1988-2015

图2. 1988~2015年渤海A平台、塘沽及西青年降水量变化

已有研究指出,华北大部分地区的年降水量呈不同程度的减少趋势 [19] [20] [21]。从1988~2015年逐年降水量线性趋势来看(图略),渤海A平台、塘沽年降水量均呈线性上升趋势,其增加幅度分别为8.7 mm/10a、21.8 mm/10a,均未通过95%的信度检验;而西青年降水量则呈线性下降趋势,其减少幅度为10.5 mm/10 a,未通过95%的信度检验。

对年降水量采用Mann-Kendall法检验(图3),可知在20世纪90年代初期,图3(a)~(c)中UF值均出现小于0的值,表明三者降水在该阶段呈减弱趋势。在20世纪末期至21世纪初期,图3(a)~(b)中UF值也出现小于0的值,表明渤海A平台与塘沽年降水量在该阶段也呈减弱趋势,随后UF值开始转为大于0的值,表明年降水量开始呈上升趋势。在2011年渤海A平台降水量发生突变,而塘沽降水量在2006年发生突变。值得注意的是,图3(c)中UF值自20世纪末至今均为小于0的值,表明西青降水量在该阶段一直呈下降趋势。

Figure 3. Mann-Kendall statistics curve of annual rainfall over Bohai platform A (a), Tanggu (b) and Xiqing (c) during 1988-2015

图3. 1988~2015年渤海A平台(a)、塘沽(b)及西青(c)年降水量Mann-Kendall统计量曲线

3.1.2. 降水日数

由1988~2015年逐年降水日数年变化(图4)可知,绝大多数年份渤海A平台年降水日数明显少于塘沽和西青,仅在1993年比塘沽略偏多,在1993、2003、2004、2006、2007、2012年比西青略偏多。三者年降水日数最多年份均出现在1990年,而最少日数出现年份则不同。渤海A平台年平均降水日数为54.6天,塘沽年平均降水日数为63.4天,西青年平均降水日数为61.1天。由此推知,近30年来渤海湾年平均降水日数比陆地明显偏少。

从1988~2015年逐年降水日数线性趋势来看(图略),渤海A平台、塘沽年降水日数线性上升趋势不明显,其增加幅度分别为0.1 d/10a、0.2 d/10a,均未通过95%的信度检验;西青年降水日数则呈线性下降趋势,其减少幅度为2.1 d/10a,未通过95%的信度检验。

Figure 4. Annual variation of rainfall days over Bohai platform A, Tanggu and Xiqing during 1988-2015

图4. 1988~2015年渤海A平台、塘沽及西青年降水日数变化

从年降水日数Mann-Kendall统计量曲线可知,图5(a)和图5(b)曲线走势基本一致,在20世纪90年代初期至21世纪初UF值出现小于0的值,表明渤海A平台、塘沽年降水日数在该阶段呈减弱趋势,随后UF值转为大于0的值,年降水日数呈上升趋势,两者年降水日数在20世纪90年代初期、21世纪10年代后期发生突变。而图5(c)中UF值在1992年之后持续小于0,表明西青年降水日数在20世纪90年代初发生突变之后,一直呈减弱趋势。

Figure 5. Mann-Kendall statistics curve of annual rainfall days over Bohai platform A (a), Tanggu (b) and Xiqing (c) during 1988-2015

图5. 1988~2015年渤海A平台(a)、塘沽(b)及西青(c)年降水日数Mann-Kendall统计量曲线

3.2. 各级降水事件的季节特征

3.2.1. 降水量

从各级降水量上看(表1~3),三者中雨等级年降水量对全年降水量贡献最大,占全年降水量的30%左右。渤海A平台小雨等级年降水量仅次于中雨,大雨和暴雨贡献率相当,而微雨贡献最小,仅占2%。与之不同的是,塘沽和西青暴雨等级年降水量贡献率位居第二,随后是大雨和小雨,最后是微雨。

Table 1. Seasonal average rainfall amount of different categories over Bohai platform A (mm)

表1. 渤海A平台四季各级平均降水量(毫米)

Table 2. Seasonal average rainfall amount of different categories over Tanggu (mm)

表2. 塘沽四季各级平均降水量(毫米)

Table 3. Seasonal average rainfall amount of different categories over Xiqing (mm)

表3. 西青四季各级平均降水量(毫米)

从四季降水量上看,渤海A平台四个季节的降水量均比塘沽和西青偏少。三者的夏季降水量对全年降水量贡献最大,占全年降水量的70%左右;冬季贡献最小,不到全年降水量的2 %。渤海A平台冬季、春季降水以小雨等级贡献最大,分别占季降水量的66%、51%;夏季、秋季以中雨等级贡献最大,分别占季降水量的28%、43%。与之不同的是,塘沽和西青夏季降水以暴雨等级贡献最大,超过季降水量的三分之一,而其他三个季节贡献最大的降水等级与渤海A平台相同。

3.2.2. 降水日数

渤海A平台与塘沽和西青年平均降水日数相差7天左右。各级降水日数对比可知(表4~6),渤海A平台除了微雨降水日数多于塘沽和西青之外,其他等级降水日数均少于后两者。三者小雨降水日数最多,其次是微雨,小雨和微雨日数约占总雨日的80%。

Table 4. Seasonal average rainfall days of different categories over Bohai platform A (d)

表4. 渤海A平台四季各级平均降水日数(天)

Table 5. Seasonal average rainfall days of different categories over Tanggu (d)

表5. 塘沽四季各级平均降水日数(天)

Table 6. Seasonal average rainfall days of different categories over Xiqing (d)

表6. 西青四季各级平均降水日数(天)

从四季降水日数上看,除了渤海A平台春季降水日数比西青偏多之外,其他季节渤海A平台的降水日数均比塘沽和西青偏少。渤海湾与陆地降水日数的季节分布特征一致,夏季最多,春季和秋季次之,冬季最少。且冬季出现微雨等级降水日数最多;春季、夏季和秋季降水日数则以小雨最多,其次是微雨。尽管夏季中雨及其以上等级降水日数较少,少于全年降水日数的15%,但其降水量却接近全年总降水量的60%。因此,夏季中雨及其以上量级的降水日数对渤海湾和陆地年降水量多少至关重要。

3.3. 降水的日变化特征

前面的统计结果指出,渤海湾和陆地夏季降水量约占全年降水量的70 %,因此,夏季是主要降水季,也是暴雨天气的活跃季。由于海陆热力差异和动力、热力强迫的共同作用,海面与陆地降水的日变化特征存在明显差异,本文重点对渤海湾与陆地夏季降水的日变化特征进行对比分析。

3.3.1. 逐小时降水量

图6(a)给出了渤海湾与陆地2005~2015年夏季日降水量变化曲线。从图中可知,渤海A平台夏季一日内不同时次的降水量存在明显的波动,呈三峰型,峰值主要出现在夜间至早上时段,最大值出现在清晨08时,其次是凌晨04时和夜间23时,最小值出现在下午15时,08时降水量是15时的6倍。塘沽与渤海A平台夏季降水日变化特征相似,也表现为三峰型,峰值出现时间相比渤海A平台偏早,最大值出现在清晨05时,其次是凌晨02时和夜间23时。而西青降水量高值区集中在下午至前半夜,最大值出现在夜间22时,其次是下午17时。

3.3.2. 逐小时降水频次

从降水频次日变化曲线(图6(b))可知,降水频次和降水量表现出较为一致的变化特征。渤海A平台降水频次高值区集中在夜间至早上时段,最大值出现在凌晨03时,最小值出现在下午16时。塘沽降水频次高值区也集中在夜间至早上时段,最大值出现在凌晨00时,最小值出现在傍晚19时。而西青降水频次高值区集中在下午至前半夜,最大值出现在凌晨00时,其次是下午16时。

3.3.3. 逐小时降水强度

由降水强度日变化曲线(图6(c))可知,渤海A平台逐小时降水强度呈明显的波动特征,降水强度峰值、谷值出现时次与降水量一致,最大值均出现在清晨08时,其次是凌晨04时和夜间23时;最小值出现在午后15时。需要指出的是,渤海A平台夏季逐小时降水强度变化特征与沿岸及内陆存在明显区别。塘沽降水强度最大值出现在清晨05时,其次是午后14时;而西青降水强度高值区集中在中午、午后至前半夜,最大值出现在中午12时,其次是夜间22时。

Figure 6. Diurnal variation of rainfall amount (a) and rainfall frequency (b) and rainfall intensity (c) over Bohai Bay and land during 2005-2015 summer

图6. 2005~2015年夏季日降水量(a)、降水频次(b)和降水强度(c)变化曲线

3.3.4. 渤海湾与陆地降水的超前滞后相关

图7给出了渤海湾与陆地逐小时降水量、降水频次和降水强度的超前滞后相关变化曲线。由图7(a)可知,塘沽降水量超前渤海A平台3小时的相关系数最大,西青降水量超前渤海A平台6小时的相关系数最大,均超过了99%信度t检验。图7(b)中给出,渤海A平台降水频次与塘沽降水频次同步相关系数最大,西青降水频次超前渤海A平台4小时的相关系数最大,均超过了99%信度t检验。从逐小时降水强度相关曲线图(图7(c))可知,塘沽降水强度超前渤海A平台3小时的相关系数最大,西青降水强度超前A平台7小时的相关系数最大,超过了95%信度t检验。由此可知,渤海湾日降水变化特征与陆地相比存在明显的滞后性。

Figure 7. The leading or lagged correlation coefficient between time series of rainfall amount (a) and rainfall frequency (b) and rainfall intensity (c) over Bohai Bay and the land (dotted line denote the 99% confidence levels)

图7. 渤海湾与陆地逐小时降水量(a)、降水频次(b)及降水强度(c)的超前滞后相关系数(点线为通过99%信度检验)

4. 结论

本文利用近三十年的渤海A平台、塘沽和西青气象观测站降水资料,研究了渤海海面与陆地年、季降水事件的气候特征,并分析了夏季降水一日内的变化规律。研究表明,渤海湾与陆地降水量、降水日数的年、季变化特征及夏季降水日变化存在差异。具体结论为:

1) 渤海湾年降水量与陆地相比明显偏少,两者相差近一倍;渤海湾年降水日数也比陆地降水日数偏少。

2) 近30年来渤海湾与沿岸年降水量、降水日数的变化趋势相同,呈线性上升趋势;内陆年降水量、降水日数则呈线性下降趋势。

3) 渤海湾四季降水量与陆地相比偏少,且季节分布特征相同。渤海湾与陆地降水量、降水日数夏季最多,春季和秋季次之,冬季最少。

4) 渤海湾与沿岸夏季日降水量、降水频次特征相似,高值区均集中在夜间至早上时段,而内陆高值区集中在下午至前半夜。渤海湾与陆地降水强度日变化存在明显不同特征。与陆地相比,渤海湾降水日变化特征存在明显的滞后性。

本文通过统计分析,得出了渤海湾海面降水与陆地降水的气候特征及日变化规律,为渤海湾海面降水预报提供了参考依据。为了揭示渤海湾与陆地降水相比明显偏少的原因,以及日变化发生特征差异的物理机制,还需进一步从海陆热力条件引起天气系统移动变化、海陆风环流等多方面因素,进行细致深入的研究。

基金项目

本文由天津市科技重大专项与工程项目“安全天津与城市可持续发展科技重大专项”子课题“雾霾天气对海事交通影响预报预警技术研究”(18ZXAQSF00130)、天津市气象局科研项目(201621ybxm14)共同资助。

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 郭 玲 , 孙玫玲 , 王雪娇 , 兰 辉 (2019) 渤海湾与陆地降水特征差异的统计分析。 气候变化研究快报, 8, 835-844. doi: 10.12677/CCRL.2019.86092

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