华北地区日降水循环的时空格局及其与蒸散发的关联

《Atmospheric Research》：Spatiotemporal patterns of the diurnal precipitation cycle and its association with evapotranspiration over North China

　　

•华北地区夏季降水日变化周期呈区域性聚集分布。•在山区、过渡带和平原三类地形中识别出三种降水类型。•蒸散被用作地表能量状况的诊断指标。•高蒸散与低蒸散类型表现出不同的降水时段和机制。•地表能量分配调控着热力与动力强迫。引言降水日变化是全球水循环的基本组成部分，也是区域天气与气候系统的标志性特征（Dai等, 1999; Dai, 2001; Yang和Slingo, 2001; Mooney等, 2016; Watters等, 2021）。它表现为24小时内降水频率和强度的变化，主要由地球系统中热力过程与动力过程的每日耦合所驱动（Sorooshian等, 2002; Zhao等, 2022）。关键的物理机制，如陆—大气能量交换、边界层发展和对流活动，在白天与夜间表现出明显差异，常导致午后或夜间降水偏多（Du等, 2020; Wang等, 2020; Yu等, 2014）。由于其与陆—大气耦合的紧密联系，降水日变化的特征为研究陆—大气相互作用提供了有价值的视角（Dirmeyer等, 2015）。从气候角度看，降水日变化不仅通过调控地表能量收支和水分通量影响短期天气现象（如对流触发）的演变，还产生反馈作用，可影响季节和年际气候变率（Shin等, 2007; Yin等, 2011）。因此，研究降水日变化周期具有重要的科学意义。它深化了对降水微物理过程的理解，并作为评估天气和气候模式的重要基准，特别是用于评价对流参数化方案在表征日变化强迫响应方面的能力（Carbone等, 2002; Dirmeyer等, 2012; Huang等, 2013; Paccini和Stevens, 2023）。就华北地区而言，这种日变化主要由两类过程之间的竞争所决定：白天地表加热驱动边界层增长和午后热力强迫对流，以及夜间与低空急流、惯性振荡和地形诱导环流相关的动力强迫，后者有利于清晨降水；在给定的一天中，哪一类过程占主导地位，正是本研究关注的核心问题。中国夏季降水的日变化周期显示出显著的区域差异，受复杂地形和季风的共同影响（Yu等, 2014; P. Li等, 2020）。以往研究揭示了若干典型空间格局，如长江流域降水峰值向东移动，以及长江与黄河流域之间的双峰结构（Wu等, 2018; Cai等, 2021）。在东南沿海地区，海陆风环流在降水的日变化信号中起着重要作用（Yu等, 2014; W. Zhang等, 2017）。这些结果揭示了中国降水日变化周期所具有的空间异质性以及控制它的多尺度物理过程（Liu等, 2021）。然而，华北地区复杂的陆—大气相互作用仍有待进一步研究。华北位于东亚夏季风区内，为降水日变化研究提供了极具吸引力的背景。夏季降雨量占年总量的60%以上，常伴随暴雨事件（Hao等, 2015）。以往研究已识别出双峰日变化结构，峰值出现在清晨和傍晚（Song和Wei, 2021; Zhou等, 2008）。这些格局受多种相互作用机制影响，包括山谷风环流、增强夜间低空急流的边界层惯性振荡，以及近海岸的海陆风（Blackadar, 1957; Yu等, 2009; Zhuo等, 2014; He和Zhang, 2010; Xue等, 2018; Pan和Chen, 2019; Cheng等, 2021; Luo和Du, 2023）。尽管已取得这些进展，一个根本性问题仍未解决：在任一给定日期，决定清晨型或午后型占主导地位的因素是什么？大多数现有研究记录的是气候态双峰格局，或将其归因于单一机制（地形强迫、低空急流、海风），但尚未建立一个统一的框架来解释华北复杂地形上这两种模式之间的转换。总之，华北地区降水的日变化周期由热力与动力过程的组合所控制。白天地表加热调控边界层演变、对流不稳定性和陆—大气相互作用，而夜间与低空急流发展、惯性振荡和地形诱导环流相关的过程则促成清晨降水。这些过程的相对贡献随环境条件变化，可能决定在不同大气状态下清晨降水或午后降水何者占主导。随着高分辨率卫星和再分析数据集的出现，谐波分析和经验正交函数分解等统计技术已被广泛应用，以客观刻画降水日变化（Dai, 2001; Kikuchi和Wang, 2008; Lu等, 2023）。然而，建立统计模型与其潜在物理机制之间的清晰联系仍然具有挑战性，特别是在华北这样的地区，边界层过程、地形强迫和水分输送在多个尺度上相互作用。传统方法往往难以捕捉空间上不连续的格局，且在模式截断上需要主观判断（North等, 1982; Hannachi等, 2007）。近年来，k-均值聚类、层次聚类和自组织映射等客观分类技术越来越多地用于识别具有相似日变化特征的时空一致区域。在这些方法中，层次聚类对降水日变化研究具有独特优势：（1）它揭示了多尺度嵌套结构，自然反映了大气过程的层次组织（Ward, 1963; Romesburg, 1990）；（2）它无需预先指定聚类数目，允许数据本身决定自然分组（Murtagh和Contreras, 2012）；（3）它提供树状图，便于客观评估不同状态之间的相似性关系（Gong和Richman, 1995）。该技术已成功应用于安第斯山脉和亚马逊盆地等复杂地形区域的降水系统研究（Romatschke和Houze, 2010）、喜马拉雅地区（Houze Jr.等, 2007）以及全球对流组织分析（Houze Jr.等, 2015）。考虑到华北复杂的地形以及边界层动力学与水分输送之间的多尺度耦合，层次聚类尤其适用于客观识别降水日变化格局的空间分区，并将其与物理机制联系起来。然而，仅识别空间降水格局并不足以解释为何主导降水时段逐日变化。以往研究主要从单一环境控制因素解释降水日变化，如地表辐射、大气环流、低空急流或地形诱导气流。然而，这些因素代表了耦合陆—大气系统的不同组成部分，往往同时发生变化。因此，需要一个综合诊断视角来刻画不同降水时段响应所出现的环境状态。本研究超越了记录华北已知双峰降水日变化格局的工作，而是探讨了一种模式主导另一种模式的条件。我们提出，蒸散作为耦合地表—大气状况的综合诊断指数，提供了识别与不同降水时段特征相关的环境状态的补充视角。通过整合地表能量分配、与水分相关的陆表响应以及大气需求，蒸散有助于刻画那些无法由单一变量充分表征的环境状态：一种与有利于边界层发展的条件下午后降水峰值相关，另一种与更强天气尺度动力影响下清晨降水峰值相关。虽然本文引用的单一机制——山原环流、边界层惯性振荡和地形诱导辐合——均已被充分确立，但这些机制在不同陆—大气状态下如何组织尚未被系统考察。通过将层次聚类与基于蒸散的合成分析相结合，我们提出了一个基于蒸散的诊断框架，将综合地表—大气状况与三种地形分区中降水时段变异性联系起来。该框架为与降水时段变化及其区域差异相关的环境条件提供了物理解释，可为未来依赖状态的的对流参数化和降水预报工作提供启示。从一开始就有两个重要注意事项。首先，由于蒸散与降水在同一天进行分类，蒸散—降水关系是诊断性的而非因果性的——蒸散指数选择的是天气尺度、辐射和地表状况的一致组合，而非隔离任何单一驱动因素。其次，对流模式的解释是推论性的，基于合成的环境场而非对流过程的直接观测。这些局限性在第4.3节和4.4节中有详细讨论，阅读下文分析时应当铭记。本文其余部分安排如下。第2节介绍研究区、数据集和分析方法。第3节展示华北夏季降水的气候学特征，包括其日变化、谐波特征和区域聚集模式。第4节研究不同地表能量条件下相关的降水状态，重点关注降水时段、地表能量分配、边界层结构、热力和水分输送过程的差异。第5节将这些结果纳入两态概念框架中加以综合，并考察底层响应机制的区域差异。第6节讨论结果的物理解释、蒸散作为诊断指标的作用以及本研究的局限性。最后，第7节总结主要结论。章节摘要研究区本研究聚焦于华北地区，该区域包含从北部的燕山山脉和西部的太行山脉到东部渤海沿岸的地形梯度。该区域跨越中国地势的第一和第二阶梯，呈现出高原、山地、平原、丘陵和沿海地带等复杂多样的地貌。这种地形异质性深刻影响着区域气候系统的形成与特征。降水日变化特征如图2所示，华北夏季降水表现出显著的空间异质性，在降水量、频率和强度上存在可辨别的差异。降水量呈现清晰的西北—东南梯度，东南部值较高，而北部和西部山区较低，反映了水汽供给的不均匀分布。降水频率显示出局部高频区。不同地表—大气条件下降水时段的响应上述识别出的三个聚类表现出不同的气候态日变化周期，但气候态平均值掩盖了降水时段的逐日变异性。然而，仅凭聚类之间的气候态差异无法确定区域降水时段差异究竟源于不同的背景气候，还是源于对环境强迫的不同响应。因此，聚类结果不被视为独立的降水状态；相反，基于蒸散的两态环境框架第4.3节中记录的降水时段、热力结构和环流特征的差异性差异，可以在图16所示的概念框架内加以解释，该框架区分了午后边界层驱动型状态和夜间动力强迫型状态，后者的环境特征与由夜间动力强迫触发的对流一致。这种两态视角提供了一种物理一致的解释。蒸散作为诊断指标的解释诠释本研究结果的关键方面涉及蒸散在分析框架中的作用。必须强调，蒸散在此被用作耦合地表—大气状况的诊断指标，而非降水时段的直接因果驱动因素。相应地，不应将蒸散直接解释为土壤水分的代理变量，因为地表水分状况反映的是。结论本研究利用2000至2021年共22个夏季的IMERG卫星降水和ERA5再分析数据，探讨了华北地区降水日变化周期的时空结构及其与地表能量状况的关联。通过层次聚类，基于一致的降水日变化特征和相关地形影响，识别出三个降水—地形响应区。尽管这些区域大体对应于西北部山区，CRediT作者贡献声明卢尧：撰写—初稿，可视化，调查研究，形式分析。李燕平：撰写—审阅与编辑，监督，方法论，概念化。叶丁佳：撰写—审阅与编辑，方法论，形式分析。

黄娅：可视化、论文撰写——审阅与编辑。

**伦理声明**

作者声明本研究不涉及人类或动物实验对象。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金委员会资助（项目编号：42475127）。

姚璐 | 李艳萍 | 叶丁佳 | 黄娅