毛程燕,龚理卿,廖君钰,李浩文

(1.浙江省衢州市气象局，浙江 衢州 324000；2.中山大学大气科学学院，广东 广州 510275)

1 引言

浙江省位于我国东部沿海，长江中下游地区，夏半年降水量大、降水时间长，有较长的汛期(4—10月)，每年都会多次出现持续性的暴雨天气，对人们的生产、生活造成不同程度的影响。由于灾害性天气频发，越来越多的国内外学者开始对长江流域降水天气进行研究探讨[1,2]。在分析其降水的时空分布特征时方法各异，如经验正交函数分解法(EOF)[3,4]、奇异值分解法(SVD)[5]、小波分析法[6]等，而EOF分析降水特征[7]则是利用时空向量场的变换，实现较少变量反映包含的时空演化信息[8-10]，来分析其旱涝规律[11,12]，更加简便易行。而在数据选择上，虽然近年来浙江省新增了较多的区域站，但由于受下垫面覆盖和区域站选址、区域站密度等影响，区域站测得的降水精度不够高，尤其是台站稀疏或地形复杂的地区，观测到的降水存在一定的偏差。因此，很多学者开始用精度较高的卫星反演[13,14]或雷达定量估计降水数据[15]，很大程度上减小了下垫面的影响。虽然雷达可以较大范围的估测降水[16]，但受雷达选址、地物杂波、雷达型号等影响，并且雷达资料影响时间较短等，对于气候分析存在明显不足；卫星观测则不受地理条件限制，具有时空分辨率高、范围广等优点，而且卫星资料影响时长有明显改善[17]，可弥补中国西部地区地面台站稀少和无雷达覆盖地区降水资料之不足，因此卫星观测与研究越来越受国内外专家的青睐。Sapiano等[18]研究表明卫星反演的降水产品能很好地反映降水的空间分布特征；廖捷等[19]利用OI方法形成的融合降水产品与地面观测降水的时空分布存在良好的一致性[20]，降水强度和降水量级与实况也有良好的相关性[21]。与此同时，更多的研究专家采用TRMM 卫星数据产品，分析中国不同区域的降水分布特征[22-26]。当然卫星观测也存在一定局限性，如降水的时空分布的细节处与实况有一定误差[27]；低降水量区域或者冬季大陆降水量小，此时空报率就较高[28-30]。李瑞泽等[31]对比了多种卫星资料对环渤海地区降水反演的结果，发现TRMM 3B42略高估了日降水量，而在月际变化方面，3B42数据各项精度指标均优于CMORPH、PERSIANN卫星数据。成璐等[32]比较了CMORPH和TRMM 卫星数据对我国东南部地区降水的反演特征，发现TRMM 3B42产品与台站资料更为接近。此外，下垫面性质的影响，会改变其上空的热力学特征在分析降水类型时，黎伟标等[25]研究认为珠江三角洲城市群就与对流性降水有显著关联，因此研究浙江省下垫面对其上空降水类型的影响，有利于进一步探讨降水机理，在天气、气候分析中也是不可或缺的。由此，本文利用精度较高的TRMM 数据分析了浙江省多年平均降水的时空分布差异，年际和季节内变化特征，以及对流性和层状性降水对浙江省降水的贡献，通过本次研究，希望能找出浙江省降水的规律性，为天气、气候变化的预测提供有用的线索。

2 浙江省降水特征分析

2.1 浙江省降水的空间分布特征

图1为1998—2013年 TRMM 3B42 资料反演的浙江省多年平均降水的时空分布。由图 1a可见浙江省降水呈现自北向南、由沿海向内陆递减的空间分布特征，降水大值中心位于浙江西部的衢州市和南部的丽水市一带，降水量均在1 700 mm 以上。降水的水平梯度最大值位于杭州、衢州等相对内陆地区(等值线最密集区)，说明靠近内陆一带山区地形影响较大。降水最少的地区位于湖州、嘉兴以及宁波的北仑、慈溪一带，多年平均降水量在1 400 mm 以下。由降水的时间序列(图1b)分布看，降水存在显著的年际变化特征，振荡周期为6 a，即每隔6 a左右出现一次波峰(降水量的高峰期)；2003—2009年之间较常年明显偏少，2002年之前和2010年之后降水相对偏多，这种波动变化反映了年降水存在周期变化规律。

图1 1998—2013 年TRMM 3B42年平均降水空间分布(a)和时间分布(b)(单位：mm)Fig.1 Spatial distribution (a) and time change (b) of annual mean precipitation during 1998—2013 based on 3B42 data (unit is mm)

为了研究浙江省降水的季节变化特征，本文给出了沿 119°E和 29.5°N，3B42 月平均降水的时间—纬向和时间—经向剖面图,从图中可以看到，浙江省降水的增幅效应随着季节变化有很大差异，在夏半年，尤其是 5—7月 降水明显多于其他月份，平均降水量普遍在250 mm 以上。图2a是纬向剖面图，可以看出大值中心出现在两处：27.5°N 附近和30°N 附近，出现最强的月份是6月，最大降水量达350 mm 以上；图2b是经向剖面图，可以看出降水的大值中心位于 118.5°E 附近，出现的降水量最大的月份同样是5—7月。由此可见，浙江省降水量有显著的月际变化特征，从冬半年到夏半年降水逐渐增大，冬季月平均降水量在100 mm 以下，夏季降水量最强，梅汛期(6—7月)是浙江省降水的集中期。

图2 1998—2013年3B42月平均降水(a)沿119°E的时间—纬向剖面以及(b)沿29.5°N的时间—经向剖面图(单位：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)

为了更清楚地分析浙江省降水季节性特征，本文分别给出了浙江省四季的降水变化。由图3可见，浙江省的降水存在显著的季节性变化，降水主要集中在春、夏季，夏季降水量普遍达600～800 mm，冬季则最少，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东部，南部多于北部，降水的大值区在杭州南部、衢州、丽水、温州一带。春、冬季的降水大值中心在浙江西南部，夏季则在浙江西部，而在浙江北部的降水则相对较少；秋季则是沿海地区降水较多，呈倒“V”型分布。春、夏季降水全区性较多可能与夏季风爆发和盛期有关；浙江西南部降水多于东北部，则可能是地形对降水的增幅作用，迎风坡爬坡使得地形辐合加强，而沿海的降水则与台风降水及副热带高压东南部的水汽通道关系密切。进入秋季后，由于副热带高压较强控制，晴热高温天气为主，降水减少；冬季多由于大陆冷高压控制，空气湿度小，降水最少。

图3 1998—2013年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均降水空间分布 (单位：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分析浙江省降水的时空分布

经验正交函数分析(EOF)方法的本质是将物理量场的演变特征分解为独立演化过程，反映各因子对该场的贡献[33]。白慧等利用EOF分析贵州省暴雨日数的时空分布特点为本文提供了较好的借鉴[34-36]。为了对浙江省多年基本气候特征进行分析，本文运用EOF分析对1998—2013年浙江省降水的空间演变特征进行剖析。前3个特征向量的方差贡献率都在7%以上，累积方差贡献率达到了83.1%，故图4给出了降水的前3个模态的空间场和对应的时间系数。

第一场型(EOF1)的方差贡献率为61.2%，是主要场型。由图4a可见，第1特征向量呈现一致的负值——全区偏多(少)型，表明浙江省年平均降水或干湿变化是一致的，这是一个全区范围均为负值的典型场。从第1时间系数(图4d)可以看出，当对应的时间系数大于0时,浙江省降水率普遍偏少；当对应的时间系数小于0时，降水率普遍偏多，这与图1b降水的时间变化特征是一致的。

第2模态的方差贡献迅速降低为12.3%，表明EOF分解的收敛速度很快。第2特征向量场的分布图(4b)存在着南北反向变化的结构特点，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，浙江西部山区的迎风坡为降水大值区，中北部为相对小值区，降水以金华—台州为界，呈现显著的地区差异。由第2雨型的多年时间系数直方图(图4e)其均值为负值，系数在2007年之前多为负值，2007年之后多为正值。浙江省降水呈现南涝北旱，降水由南向北逐渐减少。

第3主分量(图4c)——东西差异型，方差贡献为9.6%，且后面几个模态的方差贡献都较小。浙江省西部和东部区域具有相反的变化趋势，EOF3的空间分布呈现东西反向变化的空间格局，从东部的正距平向西逐渐减小到西部的负距平，其负值分布中心出现在杭州、衢州等浙江西南部地区。说明浙江的年平均降水不仅存在着南北向差异，而且存在着东西向差异，但全区降水量的差异性不如前2个雨型明显，第3雨型的时间系数变化幅度较小。第3雨型的年时间系数直方图(图4f)趋势略有降低，但负值年份变化不大，呈东旱西涝。

图4 浙江省1998—2013年平均降水前3个特征向量(上)及相应的时间系数(下)Fig.4 The top of three eigenvectors (left) of annual mean precipitation and corresponding to time coefficient (right) during 1998—2013

3 浙江省下垫面对对流性降水和层状降水的影响

为了分析浙江省降水主要是对流性降水还是层状云降水决定的，本文运用TRMM 3A12对流降水率和层状降水率的资料分析其空间分布特征。从图5a可以看到，对流性降水呈现多个大值中心，分别位于118.1°E、29.4°N，117.5°E、27.8°N以及119.7°E、27.8°N等。而衢州、丽水、温州、台州一带多年平均降水的大值区，也是全年对流性降水率的大值区，空间特征呈心形分布。该区域的地形特征和周围相比较，主要是这些区域多山区，或是沿海，因此在很大程度上表明了迎风坡的动力作用或山地热力作用对该区域对流性降水的增加有关键作用，沿海城市的大洋上水汽输送起重要作用。图5b给出了多年平均层状降水率空间分布图，从图中看到，整个浙江省地区层状降水率分布大体是比较均匀的，等值线分布很稀疏，层状降水率数值较小，层状降水显著的区域集中在海上，等值线分布密集，即层状性降水与浙江省区域降水的空间分布关联性不明显。由此可见，浙江省的气候效应对层状降水分布影响不显著，而对对流性降水分布有较为显著的影响，即积云降水率对总降水率的贡献总体上比层云降水率对总降水率的贡献大一些。

图5 1998—2013年3A12资料年平均对流性降水率(a)和层状降水率(b)空间分布(单位: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)

图6分别为1998—2013年3A12资料逐月平均对流性降水率和层状降水率沿119°E 的时间—纬向剖面图。由图6a 可见，5—8月有两个对流性降水率的大值中心，一个位于28.2°N(强)，另一个位于34°N(弱)，说明在5—8月份浙江省的对流性降水增加尤为显著，降水率最大为5mm/d。图6b层状降水率的剖面图可见，在这一经度上有两个降水相对大值中心：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月份层状降水率最大2.2(mm/d)，明显弱于对流性降水率。说明无论是对流性还是层状降水率，降水率最大的都在夏季，最强中心在6月，且对流性降水率显著强于层状降水率。

图6 1998—2013年3A12月资料逐月平均对流性降水率(a)、层状降水率(b)沿119°E的时间—纬向剖面图(单位：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 结论

本文利用TRMM 卫星降水观测资料，对浙江省降水的时空分布特征进行了较深入地探讨，通过一系列研究，得出如下结论:

①浙江省降水呈随纬度递减、沿海多于内陆的空间分布特征，降水量的变化与下垫面的分布及水汽通道密切相关；浙江省年平均降水存在显著的年际变化特点，降水量的波动有周期性。

②浙江省降水存在季节变化和月际变化特征，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东部，南部多于北部，最大降水在靠近内陆地区，秋季降水则沿海多于内陆。

③浙江省降水存在3个典型场，第1典型场(主要场型，方差贡献率为61.2%)降水异常形态为一致偏多(少)型，第2典型场(方差贡献率为12.3%)是南涝东北型，第3典型场(方差贡献率为9.6%)是东西差异型。

④浙江省的气候效应对对流性降水产生较大影响，而层状降水的分布则对浙江省降水影响很小。无论是对流性降水率还是层状降水率均是夏季最强，尤其是6月份最大，且对流性降水率为层状降水率的2倍以上。

参考文献

[1] 张永领，高全洲，丁裕国，等.长江流域夏季降水的时空特征及演变趋势分析[J].热带气象学报,2006,22(2):161-168.

[2] 柳艳香，赵振国，朱艳峰，等.2000年以来夏季长江流域降水异常研究[J].高原气象,2008,27(4):807-813.

[3] 刘婷婷，张华.主成分分析与经验正交函数分解的比较[J].统计与决策,2011(16):159-162.

[4] 魏义长，王纪军，张芳，等.经验正交函数与统计相结合分析降水时空变异[J].灌溉排水学报,2010,29(4):105-109.

[5] 李芳，林中达，左瑞亭，等.基于经验正交函数和奇异值分解对东亚季风区跨季度夏季降水距平的订正方法[J].气候与环境研究,2005,10(3):658-668.

[6] 王兵，胡娅敏，杜尧东，等.小波分析和EEMD方法在广州气温及降水的多尺度分析中的差异分析[J].热带气象学报,2014,30(4):769-776.

[7] 舒国勇，高红梅，严小冬.贵州省铜仁市雨季开始期演变特征及环流分析[C].2012.

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

[9] 孙占东，黄群，姜加虎，等.经验正交函数方法和TRMM数据对长江流域降水模式与极端水文过程的研究[J].长江流域资源与环境,2012,21(3):321-326.

[10]游泳，周毅，杨小怡，等.利用经验正交函数方法(EOF)浅析中国夏季降水时空分布特征[J].高原山地气象研究,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].科技通报,1998(6):419-422.

[12]周后福，陈晓红.基于EOF和REOF分析江淮梅雨量的时空分布[J].安徽师范大学学报(自科版),2006,29(1):79-82.

[13]刘小婵，赵建军，张洪岩，等.TRMM降水数据在东北地区的精度验证与应用[J].自然资源学报,2015,30(6):1 047-1 056.

[14]潘旸，沈艳，宇婧婧，等.基于最优插值方法分析的中国区域地面观测与卫星反演逐时降水融合试验[J].气象学报,2012,70(6):1 381-1 389.

[15]东高红.多普勒雷达资料与自动站雨量相关分析及雨量计密度对雷达估测降水的影响[D].兰州大学,2009.

[16]高晓荣，梁建茵，李春晖.雷达定量降水估计技术及效果评估[J].热带气象学报,2012,28(1):77-88.

[17]王雪莲，李英华，刘丽丽，等.卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究[J].气象与环境学报,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，徐宾，张洪政.地面站点观测降水资料与CMORPH卫星反演降水产品融合的试验效果评估[J].热带气象学报,2013,29(5):865-873.

[20]骆三，苗峻峰，牛涛，等.TRMM测雨产品3B42与台站资料在中国区域的对比分析[J].气象,2011,37(9):1 081-1 090.

[21]嵇涛，杨华，刘睿，等.TRMM卫星降水数据在川渝地区的适用性分析[J].地理科学进展,2014,33(10):1 375-1 386.

[22]周胜男，罗亚丽，汪会.青藏高原、中国东部及北美副热带地区夏季降水系统发生频次的TRMM资料分析[J].气象,2015,41(1):1-16.

[23]黄钰瀚，张增信，费明哲，等.TRMM3B42卫星降水数据在赣江流域径流模拟中的应用[J].长江流域资源与环境,2016,25(10):1 618-1 625.

[24]杨云川，程根伟，范继辉，等.四川盆地及周边地区TRMM 3B42数据精度检验[J].气象科学,2013,33(5):526-535.

[25]黎伟标，杜尧东，王国栋，等.基于卫星探测资料的珠江三角洲城市群对降水影响的观测研究[J].大气科学,2009,33(6):1 259-1 266.

[26]黄天福，谢佳君，刘鹏.基于多卫星资料的全国夏秋季节降水日变化特征研究[J].贵州气象,2013,37(6):30-33.

[27]刘鹏，傅云飞，冯沙，等.中国南方地基雨量计观测与星载测雨雷达探测降水的比较分析[J].气象学报,2010,68(6):822-835.

[28]许时光，牛铮，沈艳，等.CMORPH卫星降水数据在中国区域的误差特征研究[J].遥感技术与应用,2014,29(2):189-194.

[29]廖荣伟，张冬斌，沈艳.6种卫星降水产品在中国区域的精度特征评估[J].气象,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]李瑞泽，张安定，张华，等.多卫星降水产品在环渤海地区的精度评价[J].应用生态学报,2016,27(9):2 916-2 924.

[32]成璐，沈润平，师春香，等.CMORPH和TRMM 3B42降水估计产品的评估检验[J].气象,2014(11):1 372-1 379.

[33]张铭，安洁，朱敏.一次暴雨过程的EOF分析[J].大气科学,2007,31(2):321-328.

[34]白慧，陈贞红，李长波，等.贵州省主汛期暴雨的气候特征分析[J].贵州气象,2012,36(3):1-6.

[35]严小冬，金建德，雷云.近50年贵州降水时空分布分析[J].贵州气象,2004,28(c00):3-7.

[36]徐智慧，严小冬，吴战平，等.贵州近49 a冬半年降水变化及少雨年成因浅析[J].贵州气象,2013,37(2):21-25.