[精品论文]华南沿海暴雨日变化特征的初步诊断1.doc

精品论文华南沿海暴雨日变化特征的初步诊断1陆维松 1，蔡晶 1，陶丽 1，邵海燕 1，邱明宇 2，陈汇林 21 南京信息工程大学大气科学学院，南京（210044）2 海南省气候中心，海口（570203）e-mail：摘要：本文利用 2006 年 6 月的热带测雨卫星（trmm）的 3b42 降水率资料以及广州东 部八站的降水量及地面气压资料分析华南沿海地区降水的日变化特征，发现陆地上的降水多发生于 12-24lst 时段，近海海域降水多集中于 00-12lst 时段。利用傅立叶谐波分解方法 进行波动的诊断分析，发现 6 月 8，9 日的暴雨中存在周期 12h 的重力波，降水量也有周期12h 的高频振荡。暴雨日变化与重力波有很好对应关系，重力波可能对降水的日变化有重要 影响。关键词：华南沿海，暴雨，日变化，重力波1 引言早在 20 世界初 hann1提出地球上的降水有日变化，此后大量学者2-3就此进行了相关研 究，发现海洋的降水极大值出现在后半夜至清晨时段( late evening-early morning)，陆面上的 降水极大值在正午至午后(mid to late-afternoon) 时段。此外，海洋、陆地的降水又各有一个 次级值，分别位于中午-下午、后半夜-清晨时段.这只是大体的情况，实际的特征要复杂的多。 由以往的研究可知，降水的日变化有区域特征和季节性差异，海洋和陆地的降水日变化型不 同，海洋的不同海域间也不相同；在同一区域内日变化形态也会随着季节或者天气形势变化。yang 和 slingo4认为海洋的降水日变化可能是陆地降水日变化的延伸或传播，而导致 这种传播的有可能是从陆地到海洋的重力波频散。本文选取我国降水丰富的华南沿海地区， 利用傅立叶分解的方法得到降水过程中的波动特征。我国华南地区滨邻热带海洋，水汽来源充分，雨量丰沛，大多地区年降水量在 1400-2000 毫米，是我国降水频繁，危害最为严重的地区之一，特别是特大降水，由于雨势猛，导致的 洪涝及引发的地质灾害，其发生频数居全国之首。因此，对华南地区进行降水的变化研究， 以提高对强降水的预测预报能力和服务时效，具有显著的社会效益和经济效益。2 资料和方法2.1 资料本文分析所用的主要资料包括：空间分辨率为 0.25*0.25，时间间隔为 3h 的 nasa 热带 测雨卫星（trmm）的 3b42 降水率资料、广东的陆丰，汕尾，深圳，惠来，揭阳，惠阳， 增城，东莞八个测站的逐时降水量及地面气压资料。trmm 资料为世界时，测站资料为当 地时间（local standard time，简称 lst）。2.2 谐波的时空转换方法本文利用傅立叶谐波分解的方法5，通过谐波的时空转换，得到发生在大气中的波动的1 2- 11 -i波速，波长，传播方向，具体方法如下：用 fi (t ) 表示 i 点的某一气象要素，f(t ) = f2t 1(t ) i1本课题得到国家教育部“高等学校博士学科点专项科研基金”（项目编号:20040300002）和自然科学基金（项 目编号:4027516）的资助。为计算时段（ 2 ）内各点该气象要素的平均值，则 f(t ) = f(t ) f(t ) 为要素距平值。i i i j tj t按傅立叶级数展开得： f(t ) =cos() +sin()（1）i2 j =1aij b ij 2= 1f (t ) cos( j t )dt；= 1f(t ) sin( j t )dt（2）aij i0b ij i0式中 0 t 2 ，j = 2为频数，tj 为周期。tj又因(1)式可写成 f(t ) =i d cos( j t j =1 e ij )（3）于是振幅和初始位相分别为ij=2 +2 ； = tg 1 b ij（4）d ijaijb ije ijaij利用三个空间点（i=1，2，3）气压振动的初始位相差求波长 lx 和 ly，波速 cx 和 cy。 如图 1，以 1，2 点连线为 x 方向，1，3 点连线为 y 方向， 为 x，y 方向间夹角。坐标如 上图所示，设波动为水平方向传播的平面波，第 j 个谐波可表示为 x , t (或 y ， t )的函数：f(t ) =idijcosk xj ( x jc x t ) ij )（5）设第一点坐标为 x1 ，第二点坐标为 x2 ，代入上式可得二点的振动为f(t ) =1 j1 jd cosk xj ( x1 ct ) xj=j )d1 jcos(2t k xjtjx1 + j )f(t ) =2 j2 jd cosk xj ( x2 ct ) )xj j= d 2 jtcos(2t k xjx2j+ j )e 1 jk xj x1 je 2 jx1k xj x 2 j上两式与（3）式比较可见=；=相减得e 2 j e1 j =k xj ( x 2 ) = 2x1l xj( x 2 )第 j 波长为= 2 () (e )（6）l xj(e当 2 2 jx 2e 1 jx1 2 j) 0 时令 l xje 1 jx1= 2 ( x 2 )2 + e 2 j e 1 j（7）这样处理使得 lxj 0，且不小于（x2x1）的距离。相应的波速大小为 cxj= lxjtj（8）其符号由二点初始位相的符号决定。沿着波动传播方向，位相依次落后，所以，若波动j tj t沿x正 向 传 播 ，cxj 0 ， 这 时( k xj x1 + j ) ( k xjx2 + j ) ， 即( j t)( j t) e 1 j e 2 j，可得 e 1 j 0 时， cxj 0; 当e 2 j e 2 j 0 时， cxj 0 时，c yj 0 ；当e 3 j e 3 j 0 时，c yj 0最后，求实际的波长 l j及波速 c j，分别为：=( l xj l yjcos)2 + 1)1 ；j= l j（12）l j l xjl yjsin c j t这一方法简单易行，只需取三个站点即可对波动进行诊断，可用于对重力波作诊断分析。3 降水的日变化特征将 6 月平均的 12-24lst 时段的总降水量减去 00-12lst 时段的累积降水量，得到月平 均的昼夜降水量差值，如图 2。由图可见，昼夜降水量差值分布有较明显的海陆差异。大部 分的陆地上为正值（浅色阴影），说明在大部分的陆地上 12-24lst 时段内的降水多与00-12lst 时段；邻近陆地的近海海域（如东海，南海北部）以及更远的洋面（15n 以南的112-118e 区域）有大片的负值（深色阴影），即这些海域 00-12lst 时段降水多于 12-24lst 时段内的降水；介于近海和远海之间的地方两时段降水量差值较小。总的来说可以概括为， 陆地上 12-24lst 时段降水多于 00-12lst 时段，海洋上刚好相反。当然也有例外，如台湾 岛东侧以及菲律宾吕宋岛西侧海面是较小的正值。为了更清晰地看到降水的日变化特征，将一天分为 4 个时段：深夜至清晨 00-06lst、上 午 06-12lst、下午 18-24lst、晚上 18-24lst，这 4 个时段里的月平均降水量如图 2 所示。 图中可以较为清晰的看到，华南沿海陆地上降水最多的时段为 12-18 lst（图 3），相邻的 近海海域降水最多的时段是 00-06 lst（图 3）。4 暴雨过程及暴雨过程中重力波的分析4.1 6 月 8 日9 日暴雨过程6 月 5 日9 日发生了一次强降水过程，华南、江南地区出现大到暴雨，局地大暴雨。 本文选取 8 日9 日降水进行分析。图 4 为 6 月 8 日 9 日降水过程的 3 小时一次降水率分布。8 日时（8lst）至 09时（17lst）陆地上的（115e，235n）附近降水逐渐增强（图 4a，b，c，d）。09 时（图 d）上可以清晰看到一个强降水中心（114.75e，23.125n）。12 时（图 4e）整个华南 地区的雨区范围减小，强降水中心的位置略往东南偏移至（115e，23n）。15 时（图 4f） 降水区域较前时刻更加小，强降水中心的位置也进一步南移，到达 22.875n 的海陆交界处。08 日 18 时（09 日 02lst 时）雨带已移出陆地到达海面（115.25，22.5n），陆地上几乎没有 降水，强降水中心的强度和范围较之以前均增大，成一条几乎平行 114-116e 海岸线的弧形 条状强降水区（114-116e,22-22.5n）；08 日 21（图 4h），与 3 小时前相比海面上强降水中 心的强度，位置几乎没变，范围集中到了深圳，汕尾，沿海陆地及临近海面（22-22.25n，114.5-115.5e），在其西北部陆地上又出现一个强降水中心。 由图分析可以粗略看出强降水中心由陆地向海洋移动，3 小时移动约 23 公里，移速约7km/h。4.2 测站气压的扰动图 5 为广东东部陆丰，汕尾，深圳，惠来，揭阳，惠阳，增城，东莞 8 个测站 6 月 8 日 00 时及 10 日 23 时的气压扰动曲线。将各站的逐时气压值减去该站 6 月 8 日 00 时及 10 日 23 时的平均气压得到。图中可以清晰看到，从 08 日 06lst 时一直到 10 日 18 时左右各站的气压均做振幅约-22hpa、周期约为 1114h 的振动。属于大气的高频振动，是一种重力波。4.3 利用陆上测站气压通过傅立叶谐波分解方法进行重力波诊断由上面的分析可以知道在 8 日 9 日的降水过程中，确实伴随有波动发生，但仅能知道波 动在时间上的变化。利用测站上得到的时间上的连续资料，通过前文介绍的傅立叶谐波分解 方法进行时空转换，可以得到空间上的信息。为对重力波进行诊断分析，取三个站点为一组，共取四组，每组三个站点两两间的距离均 小于 135km。 利用陆丰，汕尾，深圳，惠来，揭阳，惠阳，增城，东莞八站的降水量及地 面气压资料，分别以深圳-汕尾-增城；汕尾-陆丰-惠阳；深圳-惠阳-东莞；惠来-陆丰-揭阳为 组合，对应一、二、三站，各个测站的经纬度以及几种三站组合的信息见表 1。计算时段取2006 年 6 月 8 日 06 时-10 日 06 时，即 2 =48h。计算得到前 7 个周期的 dij ,lxj，lyj，cxj，cyj 及 lj,| cj|（见表 2）。 从表 2 可以看出：（1）从计算所得的三站振幅 dij 可见，对于相同周期 tj，三个站气压振动的振幅量级相同。（2）几种组合计算得到结果有个共同点，即 4 第波的振幅是各阶谐波振幅中最大的（计算 中取到第 14 阶，第 8 阶后的表略）。说明在各个谐波中第 4 波最重要，占的比重最大。第 4 波的周期为 12h, 这一点与图 5 中各测站气压做周期为 11-14h,振动的结果相符，由此可以进 一步确定，在 8 日 9 日的降水过程中确实有周期为 12 小时波动。（3）各个组合第 4 波的波长最短为 27 km（表 2.2），最长为 70 km（表 2.1），平均约 55km； 波速最慢 2.3 km/h（表 2.2），最快 5.9 km/h（表 2.1），平均约 4 km/h。（4）重力波的传播方向由计算得到的 cxj，cyj 符号确定，cxj（cyj）为正（负），则重力波 沿 x（y）轴正向（反向）传播。各站间重力波传播方向如图 6 所示。由此可以确定重力波 传播的方向。可得，重力波由陆丰北部地区向其东南和西南侧的海面传播。4.4 用 trmm 资料计算陆地，海洋上降水波动为了考虑海洋对暴雨日变化和重力波传播的影响，应用 trmm 降水率资料进一步进行 诊断分析。取如图 7 的坐标，以格点，在区域 114.5-116e；22.25-23.5n 内滑动计算降水的 波动，以得到区域里的平均波长、波速。当计算的时间段取世界时 08 日 09 时-10 日 06 时（北京时间 08 日 17 时至 10 日 14 时左右）时，计算结果如表 3，发现周期为 12 h 的第 4 波平均波长为 67 km，波速 5.35.9 km/h，传播方向为沿 x 正向和 y 正向，即由海岸向东南 侧海面传播。与前文中用测站气压计算出的波动性质吻合。5结论由以上的诊断和分析，可以看出：1.trmm3b42 一日八次降水率资料显示 8 日 00 时(世界时)降水中心位于（115e，23.5n），时(世界时)移至（115.25e，23.125n），15 时(世界时)位于（116e，22.875n），18 时(世界时)位于（115.25e，22.5n）。可见降水有陆地向海洋移动；并且陆地上降水 最大出现于世界时日 09，12 时，即当地时间 8 日 17 至 20 时段；海洋上最大降水在 世界时 8 日 18，21 时对应当地时间 8 日 2 时至 5 时。2.此次暴雨过程中广东东部八个测站气压均做振幅约hpa，周期约 11-14h 的振荡，属于大气的高频振动，是一种重力波。3.测站气压资料的傅立叶谐波分解发现，此次暴雨过程中主要为周期 12h 的波动，相应波 速约 2 6 km/h，由我国华南沿海陆地向海洋传播。4.trmm 降水资料进行波动诊断发现近海海洋和沿海陆地的降水存在周期 12h，由沿海 陆地向海洋一侧传播的高频振荡，传播速度约 5 km/h。 由此可看出，此次暴雨有较明显日变化，降水过程中存在周期 12h 的重力波，且降水的日变化与重力波传播有很好的对应关系。重力波可能对降水的日变化有重要影响。这为暴雨 预报提供了新的途径。参考文献1hann, j., 1901: lehrbuch der meteorologie (1st ed). chr. herm tachnitz, leipzig, 338-346.2albright, m.d., e.e. recker, r.j. reed, and r. dang, 1985: the diurnal variation of deep convection and inferred precipitation in the central tropical pacific during january-february 1979. mon. wea. rev., 113,1663-1680.3 song yang and eric a. smith 2006：mechanisms for diurnal variability ofglobal tropical rainfall observed from trmm ，journal of climate,19,5190-52264yang, g.-y., and j. slingo, 2001: the diurnal cycle in the tropics. mon. wea. rev., 129,784-801 5湘中中、小尺度系统试验基地暴雨组 ，中尺度暴雨分析与预报，气象出版社，1988 年 4 月，246-249the preliminary diagnosis about the diurnal variation of rainfall over south chinalu weisong1，cai jing1，tao li1，shao haiyang1，qiu mingyu2，chen huilin21the department of atmosphere science in nanjing university of information science & technology，nanjing（210044）2the center of hainan climate，haikou（570203）abstractthis investigation seek a understanding of the characteristic of precipitations diurnal variation in south china based on the use of tropical rainfall measuring mission (trmm) 3b42 rain rate dataset , the rainfalland the surface pressure data of eight stations in guang dong province. the results reveal that the prominent precipitation occurred between 12-24lst over land and the dominant rainfall in 00-12lstover ocean. the results of diagnostic analysis based on the fourier transform shows that distinct twelvehours period gravity waves occurred in the rainfall process between june 8tn and june 9th, and the precipitation have a vacillation at 12 hours oscillation period. the grave waves perhaps make an important impact of the precipitations diurnal cycle.keywords：south china，the diurnal variation of rainfall，gravity waves2y13lyjljx12lxj1图 1 坐标与测站及波动传播示意图虚线为等图 2 6 月平均降水量的昼夜差值分布位相线图 3 一天 4 个时段:（a）深夜至清晨 00-06lst、(b)上午 06-12lst、(c)下午 18-24lst、(d)晚上 18-24lst， 里的月平均降水量图 4 月日，日暴雨过程的每小时一次降水率分布13361556155443322110161-116 21 26146166 71016 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71-1-2-2-3-3-4-4深圳汕尾增城汕尾陆丰惠阳54321016 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71-1-2-3-4深圳惠阳东莞54321016 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71-1-2-3-4惠来陆丰揭阳图 5 6 月 8 日 00 时至 10 日 23 时深圳，汕尾，增城，陆丰， 惠阳，东莞，惠来，揭阳八站的气压扰动曲线x123 y图 6 波动传播方向图 7 用 trmm 资料计算海面上降水波动的坐标表 1.各个测站经纬度及几种组合的信息。d12 表示 1 站与 2 站距离，d13 为 1 站与 3 站距离， 为 1，2 站连线与 1，3 站连线间的夹角。站编号站名经度纬度距离（km）和夹角（弧度）一1深圳114062233d12=132.52汕尾115222247d13=88.33增城113492318 =1.7.26站编号站名经度纬度二1汕尾115222247d12=34.442陆丰115392257d13=102.83惠阳114252305 =2.2381站编号站名经度纬度三1深圳114062233d12=67.62惠阳114252305d13=64.623东莞113452302 =1.0868站编号站名经度纬度四1惠来116182302d12=67.182陆丰115392257d13=59.93揭阳116232334 =1.8601站编号站名经度纬度表 2.1 深圳-汕尾-增城：气压1234567d10.7901080.4036230.3805821.2846410.0987380.1929310.171729d20.7632280.4941270.3690281.0401350.1250490.3488490.206087d30.5471890.3946260.3027721.2134270.0541470.1839410.188666e10.7782791.1017780.4771052.8267951.4212261.4546821.015693e20.9942771.0633731.2528262.572052.2612591.0298471.739691e30.583043-0.346440.0729022.7550352.9727561.5210970.823344lx3854.308133.31491073.224138.0991991.0591142.10861149.895ly91.13173114.748694.3709889.32011357.5868353.54591.08851cx80.29807-5.5547967.07649-11.5083103.2353-17.7636167.693cy-1.89858-4.78119-5.89819-7.4433437.248541044.193-13.2837l90.0368781.1055892.1421970.25794320.2765140.541989.0994| c|1.8757683.3793995.7588875.85482833.3621417.5677312.99366t482416129.686.857143表 2.2 汕尾-陆丰-惠阳：气压1234567d10.7632280.4941270.3690281.0401350.1250490.3488490.206087d20.8045810.4877120.3401161.0191240.0466430.3198830.188118d30.4077420.3803950.3166251.1045080.1284360.1825690.103543e10.9942771.0633731.2528262.572052.2612591.0298471.739691e20.9834750.7836361.2536282.4765082.7751891.0716362.228158e30.459533-0.065040.4238112.717578-2.77411.2006741.153139lx34.4993136.04477*34.97178421.05535178.146443.0035ly112.3629125.3035118.42524438.397517.62923781.09113.3848cx-0.71874-1.5018716850.17-2.9143243.85992647.268264.60468cy-2.34089-5.22098-7.40158369.8665-53.9197472.6362-16.5353l22.3182423.6039792.9969227.33627202.46461902.53375.75226|c|0.4649630.9834995.8123072.27802321.09006237.816611.0472t482416129.686.857143表 2.3 深圳-惠阳-东莞：气压1234567d10.7901080.4036230.3805821.2846410.0987380.1929310.171729d20.4077420.3803950.3166251.1045080.1284360.1825690.103543d30.5317130.3911880.3287631.1684440.096310.1623640.110614e10.7782791.1017780.4771052.8267951.4212261.4546821.015693e20.459533-0.065040.4238112.717578-2.77411.2006741.153139e30.6922780.0939540.1877272.702334-2.171731.3126490.405959lx71.2126283.0165368.1782868.79583203.434870.447973090.239ly65.5167776.9652567.7398365.9259150.923666.1145471.5648cx-1.4836-3.45902-4.26114-5.73299-21.1911-8.806450.6598cy-1.36493-3.20689-4.23374-5.49382-15.7212-8.26432-10.4365l58.2771868.2370558.168557.59594144.055958.3064864.02134|c|1.2141082.843213.6355314.79966215.005827.288319.336445t482416129.686.8