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user: 3. 海上降雨特点分析 3.1. 日雨量资料分析 本文统计了2019年11月10日至2020年1月18日和2020年2月28日至6月6日两个航次，共139天数据样本。空间范围航次1主要为太平洋热带地区，另外还有印度洋澳大利亚以西海域的热带和副热带海区、印尼内海、中国东海，经度范围从100˚E到130˚W，纬度范围从30˚N到30˚S；航次2包括了中国东海、中国南海、印度洋和大西洋的热带和副热带海区，经度范围从55˚W到120˚E，即从乌拉圭拉普拉塔河口到中国长江口，纬度范围从30˚N到40˚S，如图1所示。数据样本空间范围除太平洋130˚W以东海域外，几乎绕地球一圈。 图1. 船舶航线示意图(黑色实线：航次一；黄色实线：航次二) 图2为两个航次日雨量随时间分布图，可以看出，航次1有三次降水高峰期，其中第一次是2019年11月21日在印度洋受高压底部阴雨天气影响，降水时间从当地时间凌晨4点陆陆续续持续到下午14点和晚上20点到22点两个时间段，其中最大降水强度在6时至7时，一小时降水量到17 mm；第二次为2019年12月14日至19日在斐济附近海域受热带辐合云系影响，降水比较频繁，且降雨量较大；第三次是为2020年1月7日至11日也是受低纬度辐合云系影响，降雨量较大，最大降雨强度为一小时降雨19 mm。航次2降水天数和强度明显比航次1偏少，其中2020年4月30日至5月30日一个月内未记录到有降水，这可能跟航次2大部分时间在副热带海域有关。由于船舶会主动规避热带气旋和温带气旋等灾害性天气系统，因此，该数据中不包括热带气旋和温带气旋等天气系统的情况。因此，海上强度较大的降水主要发生在热带辐合带地区，热带辐合云系是造成高强度降水的主要天气系统之一。 图2. 日雨量时间分布图(单位：mm) 从表2和图3可以看出，海上降雨比较频繁，记录没有降雨的天数只占所有观测天数的54.8%，其中以日雨量小于10 mm的小雨为主，在海上主要表现为阵性降水，这往往是单体积云性降水；降雨量为10~24 mm，达到中雨级别的天数占10.7%；达到25~50 mm的大雨级别的天数占3%；达到50 mm以上的暴雨级别的天数占1.8%，这一般是船舶在穿越云带时产生的，降雨时间也比较长，同一天降雨次数比较多。其中航次1虽然比航次2少30天，但是记录到的有降水的日期还要略多，尤其是3次暴雨级别的降水全都在航次1，主要原因是因为航次1在热带辐合带区域的时间更多。 Table 2 Frequency of precipitation intensity distributio 航次 无雨 小雨 中雨 大雨 暴雨 合计 次数 占比 次数 占比 次数 占比 次数 占比 次数 占比 1 26 37.30% 28 40.10% 9 13.40% 3 4.30% 3 4.30% 69 2 66 66.70% 22 22.20% 9 9.10% 2 2.00% 0 0 99 总 92 54.80% 50 29.80% 18 10.70% 5 3.00% 3 1.80% 168 表2. 降水强度分布频率 图3. 降雨强度分布频率(横坐标为日雨量，单位：mm；纵坐标为天数) 在我们一般的认识中，白天海水受太阳照射，水温和气温都升高，海水的蒸发加快，同时空气受热产生上升运动，积云逐渐发展，到下午和傍晚的时候，积云发展最盛，下雨的概率最大。图4统计了降水时间的分布情况，其中的时间均为当地时间，这里先将每分钟一组的降水数据转换成每小时一组，取该小时最后时刻的降水量值为该小时的降水量值，若某一个小时的降水量较上一个小时增加不到1 mm，则认为该小时无降雨，否则，认为该小时内有降雨。降雨时间段分布频率16~19时降水次数较少，其余时间段相差不大。但是由于积云性降水往往降雨时间多，降水量较小，如果只计算小雨的时间段分布，发现04时至15时的降水概率明显大于16时至03时，即从凌晨4点到中午15点下阵雨的概率要大于下午和傍晚。因此，本次的统计事实并不支持海上下午和傍晚下雨概率大的观点。这可能与夜间云顶的辐射冷却有关，夜间云顶辐射的热量损失会增加不稳定性而使云继续发展 [ 12 ]。 3.2. 降雨强度与其他气象要素的变化关系 为便于比较，本文选取某一天的情况进行降雨强度和其他气象要素的变化关系对比，从图5可以看出，该日共有3次降雨过程，第一次从09:40~11:00，共产生降雨7 mm，降水强度为5.3 mm/h；第二次从12:15~13:10，共产生降雨9 mm，降水强度为9.8 mm/h；第三次从19:55~22:55，共产生降雨20 mm，降水强度为6.7 mm/h；全天共降雨36 mm，达到大雨级别。 图4. 降雨时间段分布频率(横坐标为降雨时间段；纵坐标为降水次数) 图5. 日雨量随时间变化柱状图(横坐标为北京时间；纵坐标为日雨量，单位：mm) 从图6可以看出，由于大洋中空气洁净，能见度数值一般为最大值20 km，但是在降雨期间会有明显的能见度下降，然而能见度的下降和日雨量的变化并不精确对应，而是在降雨开始前和结束后也会断断续续出现。造成这种现象有可能是降雨的前期会开始飘着毛毛雨，此时因为降雨强度非常弱，所以日雨量没有变化，但是能见度已经开始下降；而雨后情形也是如此，虽然降雨已经结束，但是由于空气中水汽含量还很高，所以能见度也会下降。计算三个阶段能见度平均值，分别为17.5 km，19.6 km和19.1 km；能见度最小值分别为14.7 km，18.2 km和11.3 km。 从图7可以看出，大气湿度在第三次降雨期间有一个明显的变大的过程，而在前两次降雨过程中大气湿度的变化不明显，这可能是由于第三次降雨量较大，持续时间较长，而前两次降雨量较小，持续时间较短。 一般我们认为，降雨能造成水温和气温的降低，从图8可以看出，气温确实存在两次下降过程，第一次降温过程发生在前两次降雨结束之后，气温从30℃下降了2.5℃左右，然后在1小时左右升温至29.5℃，在开始第三次降雨前2小时又开始降温至27.5℃左右并且一直维持在该温度。第一次降温过程发生在中 图6. 日雨量和能见度随时间变化曲线图(横坐标为北京时间；纵坐标为日雨量(单位：mm)和能见度(km)) 图7. 日雨量和大气湿度随时间变化曲线图(横坐标为北京时间；纵坐标为日雨量(单位：mm)和湿度(%)) 图8. 日雨量和大气温度随时间变化曲线图(横坐标为北京时间；纵坐标为日雨量(单位：mm)和温度(℃) 午14:24左右，这显然与降雨有关，并且降雨停止后在光照作用在温度又升高，第二次降温发生在晚上19:00以后，而且由于晚上没有光照，所以降温后气温不再上升。两次降温幅度都为2.5℃，而且24:00时与00:00时相比温度要低1℃，这也可以认为是由这次降雨引起的。降雨不仅会降低气温，同时也会降低海表皮温，图9显示了红外海温和大气温度随时间变化曲线图，可以看出海表皮温变化趋势与大气温度变化一致，但是变化的速度要慢，幅度要小，这是海水的比容要大于大气的原因。其中，14:24左右的海表面温度和大气温度都有一个较大的降幅，然后迅速回升，其原因可能是因为14:24左右瞬时降雨强度较大(见图8)，温度较低的雨水在短时间降低了海表面温度和大气温度。 图9. 红外海温和大气温度随时间变化曲线图(横坐标为北京时间；纵坐标为日雨量(单位：mm)和温度(℃) 3.3. 降雨强度与多普勒天气雷达回波强度的变化关系 多普勒天气雷达可以用于降水的临近预报，能够直观的显示雨区的形态与强度 [ 13 ]。由于多普勒天气雷达存在一定的仰角限制，在头顶存在回波盲区，因此选取了18:32的雷达回波图进行分析，即船舶进入雨区之前，如图10所示。此时在船舶航行方向距离5~25公里处监测到一片回波区，回波强度为10~30 dbz，回波区域呈不规则的椭圆形，空间尺度为20 km左右，为典型的单体积雨云降水。回波圆盘上显示的120 km半径范围内还有其他大大小小的回波区域在发展变化，因此，船舶在一天之内可能遇到多次降雨过程。 图10. 多普勒天气雷达回波强度(时间18:32，红点指示的是船舶航向)