2017, Vol. 36
2. 云南省洱源县气象局, 云南 洱源 671200;
3. 云南省气象台, 云南 昆明 650034
降水分布特征与大气候、地理地形、气团远离水汽源距离等因素有关(傅抱璞, 1992; 舒守娟等, 2007)。其中, 地形是影响降水时空分布最为重要的因素之一。地形对降水的影响主要有两方面的作用, 即动力作用和热力作用, 动力作用又可分为动力阻挡作用和摩擦作用(廖菲等, 2007)。
有关地形对降水的影响, 许多学者开展了大量的观测分析和数值模拟研究。彭贵康等(1985)分析了雅安地形对降水影响的基本事实, 认为雅安地形有“迎风坡”和“喇叭口”的特点, 地形爬坡和常定性地形涡旋对气流的强迫抬升和辐合, 是造成雅安“雨多”和“雨大”的主要原因。傅抱璞(1992)提出降水与地形、海拔及地区气候条件关系的数学模式, 并分析指出在盛行风向与向风坡坡向的夹角接近于0°且向风面地形度为45°左右时, 地形对降水的影响最大。李子良(2006)利用中尺度数值模式研究了湿气流过山脉地形和地形降水的产生机制。董美莹等(2011)采用WRFV2.2模式研究了热带气旋“泰利”降水增幅过程中的大别山地形效应。赵玉春等(2012)探讨了大别山和皖南山区中尺度地形对中尺度对流系统活动以及暴雨强度、分布的影响。刘裕禄等(2013)分析了黄山山脉的日雨量和短时雨量极值分布, 发现日雨量极值分布与地形关系密切, 降水系统经过黄山山脉时, 扰动加强是降雨增幅的主要原因。郭玉娣等(2014)研究了青藏高原与天山山脉相连区域的热源、天山区域大气水分循环和云水资源的相关特征。苏锦兰等(2015)详细分析了横断山系云岭余脉点苍山东西侧降水特性及差异, 结果显示点苍山东西侧多年平均降水气候态相似, 年降水量接近, 降水季节演变一致, 但小时降水量和降水频次日变化存在显著差异。虽然有关地形与降水的观测、试验和理论研究已开展甚多, 但不同尺度的地形对降水分布的影响明显不同, 具有非常强的山脉和流域地形降水特征, 因此, 对于特定的山脉、流域的降水时空分布特征及其与地形关系等方面仍然需要深入研究。
云南地处低纬高原, 地形地貌复杂多样, 受东亚和南亚季风的交汇影响, 其降水时空分布差异较大, 形成了干湿季分明的立体气候(Cao et al, 2012, 2016; Guo et al, 2016; Tao et al, 2013, 2016)。冬、春两季常出现季节性干旱且旱情重、持续时间长, 夏、秋两季干旱少且旱情轻、持续时间短。进入21世纪后, 云南的气象干旱事件频繁发生, 如2009-2012年遭遇了严重的4年连旱, 干旱程度为1760年以来之最(Tan et al, 2016), 2013-2015年冬春季和初夏出现了区域性干旱(周德丽等, 2013, 2014, 2015)。针对这些干旱事件, 气象工作者从大气环流、海温强迫、局地对流以及季风气候等角度考察了干旱气候及其成因等, 并获得了很多有意义的成果(Cao et al, 2014; 陶云等, 2014; 郑建萌等, 2013, 2014), 但很少有学者关注连年干旱背景下降水的精细化分布特征。
洱海流域位于云南省的西部(99.82°E-100.44°E, 25.42°N-26.43°N), 地处澜沧江、金沙江和元江三大水系分水岭地带, 整个地势由西北向东南倾斜, 中高山地环绕着高原小盆地, 面积2 565 km2 (杨顺益等, 2012)。流域内有弥苴河、永安江、罗时江、波罗江及点苍山十八溪等大小河溪117条, 有海西海、茈碧湖、西湖和洱海4个淡水湖泊, 是我国少有的高原湖泊集中区。洱海是流域内面积最大的湖泊, 北起大理市上关镇, 南止大理市下关镇, 南北湖长42 km, 东西宽4~9 km, 最大水深21.3 m, 平均水深10.6 m, 湖面面积252.91 km2, 湖容量达27.94亿m3(黄慧君等, 2013)。洱海巨大的水面积、水容量, 在湖(陆)气之间的能量和碳水循环中扮演重要角色, 从一定程度控制着流域内气候环境变化的速率, 特别是在季节到年际、年代际乃至更大时间尺度的气候环境变率中发挥着关键性作用。近年来, 随着人口增加、工农业生产的发展、旅游业的兴起和人类不合理开发活动的加剧, 使得洱海流域的生态环境受到影响(张桂彬等, 2011), 水资源逐渐减少、水环境问题突出, 环境保护治理越来越受人们重视。洱海流域主要水源来自大气降水形成的径流, 多年平均入洱海水量8.04亿m3, 出湖水量8.03亿m3。因此, 充分认识洱海流域降水的精细化时空分布特征, 对研究该流域内植被分布格局及水生态演变规律、水资源合理规划与利用、水生态环境保护治理、地质灾害气象风险预警等都具有重要的科学意义。
2 数据和方法所用逐小时降水、气温和风向数据来源于云南省大理市和洱源县气象局, 时间为2010-2015年, 共涉及洱海流域内的22个自动气象站, 其中国家级气象站2个, 区域自动站20个, 各站点分布如图 1所示, 图中90 m分辨率的数字高程数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn), 两个矩形实线框分别表示洱海湖区西部(Ⅰ)和东部(Ⅱ)。
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图 1 洱海流域地形及22个自动气象站点分布 Figure 1 Distribution of topography and 22 automatic weather stations in Erhai Lake basin |
分析降水数据之前, 进行界限值检查和时间一致性检查两方面的质量控制, 具体步骤为: ①界限值检查:超越气候学界限值范围(0~150 mm·h-1)的数据为错误; 超越区域界限值范围(0~125 mm·h-1)的数据为可疑, 需结合气温数据和周边站点降水数据作进一步判断。区域上限值参考任芝花等(2010)制定的全国6个区域的小时降水量上限值。②时间一致性检查:以当前时次降水量为准, 滑动向前取前5 h的降水量数据, 比较6个时次降水量是否相等, 若相等, 则判定为“错误”。由于人为维护、蓄电池老化、雨量传感器故障等原因, 各区域自动气象站的观测资料均存在缺测现象, 数据缺测率在0.8% ~5.5%之间。因此, 对降水量进行日、月、年累计时, 按照气象行业标准QXT 65-2007(王树庭等, 2007)进行处理。
分析降水过程中, 参考以往研究(杨萍等, 2017), 根据持续时间的长短, 将降水事件分为短历时(持续时间为1~3 h)、中历时(持续时间为4~6 h)和长历时(持续时间超过6 h)降水。春季时段为3-5月, 夏季为6-8月, 秋季为9-11月, 冬季为12月至次年2月。白天时段为09:00(北京时, 下同)-20:00, 夜间为21:00-08:00。
3 结果分析 3.1 2010-2015年气候背景受厄尔尼诺事件、大尺度环流异常以及低纬高原季风气候等因素的影响, 2010-2015年洱海流域连续6年出现不同程度的气象干旱。从大理国家基准气候站(下称大理站)和洱源国家一般气象站(下称洱源站)的气温和降水资料统计(图 2)可看出, 2010-2015年大理站年平均气温为15.4~16.1 ℃, 连续6年比气候平均值(1981-2010年气候平均, 下同)偏高0.3~1.0 ℃; 年降水量为750.8~1 016.2 mm, 连续6年比气候平均值偏少38.7~304.1 mm。2010-2015年洱源站年平均气温为14.1~15.0 ℃, 2012年气温正常, 2011年和2013年比气候平均值偏低0.1~0.3 ℃, 其余3年比气候平均值偏高0.3~0.6 ℃; 年降水量为468.1~801.3 mm, 2010年和2015年比气候平均值偏多64.2~87.0 mm, 其余4年比气候平均值偏少74.2~246.2 mm。此外, 通过12个月尺度的标准化降水烝散指数(SPEI)分析表明, 洱海流域除2015年出现轻度干旱外, 其余5年均出现中度干旱。总体来说, 2010-2015年洱海流域气温呈显著升高、降水呈显著减少的趋势, 与云南连年干旱的气候特征相类似。
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图 2 2010-2015年大理和洱源国家级气象站年平均气温(a)和年降水量(b) Figure 2 Annual mean air temperature (a) and annual accumulated rainfall amount (b) in Dali and Eryuan stations during 2010-2015 |
图 3给出了2010-2015年洱海流域春、夏、秋、冬四季及全年平均累积降水量、降水小时数和降水强度的空间分布。从图 3可看出, 洱海流域受西南季风和东南季风的交叉影响, 降水主要集中在夏、秋两季, 冬、春两季降水稀少, 各个季节降水的空间分布与全年降水的分布格局相似, 沿点苍山山脚一线降水偏多, 在银桥镇双阳出现大值中心, 洱海湖区西部多东部少, 基本呈线性递减的趋势。各个季节及全年降水小时数的空间分布与降水量的分布大致相同, 在点苍山山脚的银桥镇双阳出现大值中心, 表明累计降水小时数越多, 累计降水量越大。从图 3还可看出, 各个季节及全年降水强度的空间分布差异明显, 冬、春两季在点苍山山脚的银桥镇双阳出现大值中心, 而夏、秋两季分别在上关镇和湾桥镇出现大值中心。
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图 3 2010-2015年洱海流域各个季节及全年平均累积降水量(上, 单位: mm)、降水小时数(中, 单位: h)和降水强度(下, 单位: mm·h-1)的空间分布 Figure 3 Spatial distribution of the mean accumulated rainfall amount (upper, unit: mm), rainfall hour (middle, unit: h) and rainfall intensity (bottom, unit: mm·h-1) in Erhai Lake basin during 2010-2015 |
另外, 从各自动气象站日尺度和小时尺度的降水量级的统计分布(图略)来看, 2010-2015年洱海流域最大日降水量为67.3~149 mm, 在上关、银桥镇出现大值中心, 中心值分别为130 mm和140 mm; 最大小时降水量为21.3~55.7 mm, 出现多个大值中心和小值中心; 短时强降水的累计次数为1~19次, 沿着点苍山山脚一线的大理、银桥、湾桥、喜洲镇出现短时强降水天气的频次较多; 小雨、中雨、大雨、暴雨累计日数分别为396~590, 59~163, 24~65和2~22天, 海东、牛街、三营、茈碧湖、凤羽、右所镇未出现大暴雨, 其余乡镇大暴雨累计日数为1~5天。
上述分析表明, 洱海流域降水空间分布受点苍山山脉和洱海水体的影响十分显著, 沿着点苍山山脚一线, 各个季节和全年降水量、降水小时数以及小雨、中雨、大雨、暴雨日数偏多, 而远离点苍山山脚, 季节和年尺度累计降水量及各量级的降雨日数则偏少。
从2010-2015年洱海流域内的两个国家级气象站近地层10 m高度的风向统计分布(图 4)来看, 大理站全年盛行东风、东东南风以及西西北风, 频率分别为10.97%、10.32%和9.42%, 在降水条件下的主导风向为西西北风, 频率为19.12%; 洱源站全年盛行南风和南西南风, 频率分别为11.43%和11.35%, 在降水条件下的主导风向为静风、南东南风和西北风, 频率分别为10.07%、8.19%和7.99%。2010-2015年大理和洱源站各风向的年均累积降水量(图 5)随风向的顺时针旋转基本呈双峰型, 前者吹南东南风和西西北风时出现峰值, 分别为48.5 mm和185.0 mm, 占全年降水量的5.8%和22.1%; 后者吹东风和西北风时出现峰值, 分别为62.6 mm和57.0 mm, 占全年降水量的9.5%和8.6%。综合图 1和图 3~5分析, 洱海流域各个季节和全年降水量、降水小时数以及不同量级的降雨日数在银桥镇双阳出现大值中心, 此大值中心区域恰好位于大理站全年盛行风(东风)、次盛行风(东东南风)的上风向和第三盛行风(西西北风)的下风向, 降水条件下次盛行风(西西北风)的下风向, 洱源站降水条件下第三盛行风(西北风)的下风向。说明洱海流域降水空间分布表现出的独有特征, 与近地层盛行风向的关系十分密切。
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图 4 2010-2015年大理站和洱源站的玫瑰风向图 (左)全年, (右)在降水条件下, C表示静风 Figure 4 Wind rose diagram in Dali and Eryuan stations during 2010-2015. (left) in whole year, (rigth) during precipitation period, C indicates clam wind |
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图 5 2010-2015年大理站和洱源站各风向的年平均累积降水量 Figure 5 Annual mean accumulated rainfall amount of every wind direction in Dali and Eryuan stations during 2010-2015 |
图 6给出了2010-2015年洱海流域平均累积降水量、降水小时数和降水强度的月变化和日变化。从图 6(a)可看出, 年内降水量、降水小时数和降水强度基本呈单峰型结构, 降水量和降水强度峰值出现在8月, 其峰值分别为204.4 mm和1.6 mm·h-1, 谷值出现在11月, 谷值分别为9.7 mm和0.5 mm·h-1; 降水小时数峰值出现7月, 峰值为140.1 h, 谷值出现在2月, 谷值为10.3 h。从图 6(b)可看出, 日内降水量和降水强度变化趋势较为一致, 夜间为高值时段, 降水量峰值出现在06:00, 降水强度峰值出现04:00;白天为低值时段, 降水量谷值出现在13:00, 降水强度谷值出现11:00。这与苏锦兰等(2015)基于点苍山东侧大理站2005-2012年逐小时降水量的分析结果基本一致。对于降水小时数, 峰值出现在06:00, 谷值出现在23:00, 17:00-23:00呈逐渐减小的趋势, 与降水量和降水强度的变化趋势恰好相反, 其余时段其变化趋势一致。综合分析表明, 年内、日内降水量与降水小时数、降水强度关系密切, 但累计降水量的大小主要是由降水强度来决定。
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图 6 2010-2015年洱海流域平均累积降水量、降水小时数以及降水强度的月变化(a)和日变化(b) Figure 6 Monthly variations (a) and diurnal variations (b) of mean accumulated rainfall amount, rainfall hours and rainfall intensity in Erhai Lake basin during 2010-2015 |
已有研究表明, 我国西南部降水夜雨特征明显(王夫常等, 2011), 山脉及邻近区域也普遍存在(段春锋等, 2013)。从2010-2015年洱海流域各个季节及全年的昼、夜降水量[图 7(a)]可看出, 夏、秋两季夜间降水量明显比白天多, 分别偏多77.5 mm和35.7 mm, 而冬、春两季则相反, 夜间降水量比白天少, 分别偏少8.4 mm和5.5 mm。由于全年降水集中于夏、秋两季, 全年夜间降水量也明显比白天多, 偏多99.2 mm。这说明洱海流域夜雨现象主要发生夏、秋两季, 冬、春两季很少出现, 可能与夏、秋两季降水天气系统以及局地对流性的积状云较多有关。
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图 7 2010-2015年洱海流域各个季节及全年的昼夜降水量(a)和不同历时降水贡献率(b) Figure 7 Seasonal and annual mean accumulated rainfall amount of daytime and nighttime (a) and the contribute percentage of different duration rainfall events to the accumulated rainfall amount (b) in Erhai Lake basin during 2010-2015 |
不同性质的降水事件具有不同的持续时间, 对累积降水量的贡献差异也明显。从洱海流域不同历时降水事件对累积降水量的贡献率[图 7(b)]可看出, 夏、秋、冬三季及全年累降水量中, 长历时降水量的贡献率均最大, 超过65%, 中历时降水量的贡献率次之, 为12.2% ~20.0%, 短历时降水量的贡献率最小, 为11.7% ~14.7%。春季不同历时降水量的贡献格局与其它季节差异明显, 短历时降水量的贡献率比中历时降水量的大4.7%。从不同历时降水量贡献率的空间分布(图 8)可看出, 各个季节及全年的短历时降水量贡献格局大致相同, 沿点苍山山脚一线贡献率较小, 出现小值中心, 洱海流域上游出现大值中心, 洱海湖区从西向东方向的贡献率逐渐增大。夏、秋两季洱海湖区的中历时降水量贡献分布与短历时降水的分布相似, 而春季洱海湖区从西向东方向的贡献率则逐渐减小。对长历时降水事件, 夏、秋、冬三季及全年的贡献率分布相似, 沿点苍山山脚一线出现大值中心。
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图 8 2010-2015年洱海流域短历时(上)、中历时(中)和长历时(下)降水事件的各个季节及年平均累积降水量贡献率的空间分布(单位: %) Figure 8 Spatial distribution of the contribute percentage of short (upper), medium (middle) and long (bottom) duration rainfall events to the accumulated rainfall amount in Erhai Lake basin during 2010-2015. Unit: % |
为了定量分析洱海湖区降水的差异特征, 选取洱海西部的8个站作为Ⅰ区、东部的4个站作为Ⅱ区(图 1), 分别对Ⅰ区和Ⅱ区降水季节变化和日变化的特征量进行差值分析(图 9)。可以看出, 洱海湖区西部的各月降水量均比东部多, 6-10月偏多趋势明显, 全年累计偏多383.7 mm。各月降水小时数差值为5.2~34.8 h, 全年累计相差235.5 h。对于各月降水强度, 1月、6月和11月的差值较小, 2月差值最大。04:00-08:00东部降水量差值较大, 超过21 mm, 15:00和22:00差值较小, 低于8 mm; 降水小时数的差值变化趋势与降水量的相类似; 日内降水强度差值变化趋势缓慢, 15:00和21:00-23:00洱海湖区西部的降水强度比东部的弱, 其他时次西部比东部强。
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图 9 2010-2015年洱海湖区西部(Ⅰ区)和东部(Ⅱ区)降水量、降水小时数及降水强度的月变化(a)和日变化(b)的差值分析 Figure 9 Monthly variations (a) and diurnal variations (b) difference of mean accumulated rainfall amount, rainfall hour and rainfall intensity in the west (Ⅰ) and east (Ⅱ) of Erhai Lake during 2010-2015 |
通过对2010-2015年洱海流域的气候背景、降水空间分布特征、降水季节和日变化特征、降水持续性特征以及洱海湖区降水差异特征等方面的详细分析, 得到如下结论:
(1) 洱海流域连续6年出现不同程度的气象干旱, 气温较气候平均值偏高, 降水量较气候平均值偏少。
(2) 在时间上, 洱海流域降水分布不均匀, 年内降水主要集中于夏、秋两季, 而且夜雨特征明显; 日内降水量约在06:00(13:00)出现峰值(谷值), 降水小时数约在06:00(23:00)出现峰值(谷值), 降水强度约在04:00(11:00)出现峰值(谷值); 长历时降水事件对累计降水量的贡献率最大, 中历时的贡献率次之, 短历时的贡献率最小。年内、日内降水量与降水小时数、降水强度关系密切, 但累计降水量的大小主要靠降水强度来决定。
(3) 在空间上, 洱海流域降水分布比较独特, 洱海湖区年均降水量西部多东部少, 沿着点苍山山脚一线, 各个季节和全年降水量、降水小时数以及小雨、中雨、大雨、暴雨日数偏多, 而远离点苍山山脚, 季节和年尺度累计降水量及各量级的降雨日数则偏少。降水量、降水小时数等常在点苍山山脚的银桥镇双阳出现大值中心, 此大值区域处于盛行风(东风)、次盛行风(东东南风)的上风向和第三盛行风(西西北风)的下风向。
上述结论表明, 洱海流域的降水分布与低纬高原季风气候、洱海流域复杂地形、盛行风效应等因素的关系密切, 这对认识和掌握中小尺度复杂地形下降水的精细化时空分布特征及其演变规律具有重要意义。但由于观测资料的限制以及观测站基本布置在村庄或乡镇, 分析结果的普适性问题还需进一步考证和研究。今后将积累更长时间、更多站点的分钟降水数据, 特别是积累大理国家气候观象台沿点苍山-洱海东西向剖面建设的典型山地气象自动观测系统探测资料, 结合近地面层通量观测系统、边界层风(温)廓线雷达以及新一代多普雷天气雷达等多种新型探测仪器资料, 定量研究中小尺度复杂地形对洱海流域降水分布的影响以及深入探讨洱海流域降水季节变化、昼夜变化和空间分布特征的成因等。
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2. Eryuan Meteorological Station of Yunnan Province, Eryuan 671200, Yunnan, China;
3. Yunnan Meteorological Observatory, Kunming 650034, Yunnan, China