2018, Vol. 34
2. 珠海市斗门区气象局，广东 珠海 519100;
3. 珠海市公共气象服务中心，广东 珠海 519000
2. Zhuhai Doumen Meteorological Service, Zhuhai 519000, China;
3. Zhuhai Public Meteorological Service Center, Zhuhai 519000, China
南海及其周边地区是我国夏季风最早出现的地区，也是中国东部和东南部降雨的主要水汽来源之地[1-2]。该地区的海陆热力差异、地形[3-5]对季风的形成有重要影响，进一步影响降水。南海地区降水与南海季风的爆发及时间演变有密切的联系[6]，夏季风爆发前后南海地区降水特性有明显的差异[7]，南海夏季风建立、维持和撤退期的降水有明显不同的特征[8-10]。乔云亭等[11]把南海（105~120 °E, 0~20 °N）划分为4个小区域，发现每个区域的夏季风降水都有其各自不同的变化特征。热带云团、热带气旋、东风波、ITCZ等也是影响南海地区降水的天气系统。因此，南海及其周边地区的降水十分复杂。已有研究主要针对南海或华南地区的地面降水，并以夏季风降水为主。由于海洋上观测资料的限制，对南海降水及其云和潜热的结构和季节变化的研究还不多，特别是对南海周边地区降水和云微物理特征缺少较全面的比较分析。
随着卫星遥感技术的发展，海洋上降水和云微物理资料得到补充，对海洋上降水的研究也越来越完善，其中TRMM卫星提供了赤道南北纬40°之间大量的热带海洋降水、云中水粒子含量、潜热等气象数据，被广泛用于研究低纬地区的降水及其云微物理和潜热特征。目前，基于TRMM卫星资料的降水、云微物理和潜热特征研究已有不少成就：如利用TRMM卫星资料，Fu等[12]研究表明1998年东亚83.7%区域以层云降水为主占总降水量50%，13.7%区域为对流降水占总降水48%；傅云飞等[13]对1998年和1999年发生在武汉和皖南地区的两个中尺度特大暴雨降水结构进行了分析；陈举等[14]分析表明南海地区降雨空间上分布不均匀同时具有显著季节变化；Liu等[15]分析得出亚洲区域有孟加拉湾北岸、南海和赤道西太平洋暖池三个降水中心；李锐等[16]研究表明1997—1998年El Niño后期热带东、中太平洋层云降水和对流云降水比例和平均降水率明显增大，其中层云强降水比例增多；Sorooshian等[17]分析表明在天气和区域尺度热带降水强度均存在明显日变化；Mao等[18]分析了亚洲季风区夏季降水日变化的气候特征；何会中等[19]分析指出4种水粒子变化的相关性及对台风发展的重要影响；LI等[20-21]分析表明南海区域降水存在明显区域特征和季节变化，并在早晨和午后有两个日降水峰值，以及南海区域存在2~8天高频大气振荡；Li等[22-23]研究了中国南海和东海区域夏季降水三维特征，及亚洲-太平洋三个季风区的降水结构及其云微物理特征；牛晓蕾等[24]研究发现热带气旋密闭云区和外围螺旋云区两个区域内降水与潜热的相关程度最好。本文基于TRMM观测资料，对南海及其周边地区降水、云和潜热的结构特征及其变化进行比较研究，得到了具有科学意义的初步结论。
2 资料和方法TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）热带测雨卫星由美国国家宇航局和日本宇宙航空研究开发机构共同设计完成，于1997年11月成功发射。卫星携带了测雨雷达（PR），微波成像仪（TMI），可见光、红外扫描仪（VIRS），云和地球辐射能测量系统（CERES），闪电成像感应器等遥感探测仪器[25]，主要用于了解热带及亚热带地区的降水和潜热对全球能量和水循环的影响[26]。
本文使用了1998—2013年TRMM第七版标准产品3A12[26-27]。3A12产品是在第2级数据产品2A12基础上计算得出的全球0.5 ° × 0.5 °格点化月平均数据产品。该产品数据以TRMM卫星微波成像仪（TMI）的观测结果为主，基本数据基于TRMM卫星被动式TMI的5个通道所观测的微波亮温，并结合云数值模式和辐射传输模式得到的反演结果。3A12产品提供了基于TMI微波亮温反演的降水类型资料（包括地表总降水率、地表层云降水率和地表对流云降水率）、从地面到18.0 km高度共28层的水凝物含量（包括云水、雨水、云冰、雪、霰）和潜热释放量资料。
为了比较南海及其周边地区降水的地理分布和季节性差异，本文定义3—5月为春，6—8月为夏，9—11月为秋，12月—次年2月为冬。考虑地理位置并根据1998—2013年地面月平均瞬时降雨速率EOF分析第二模态向量场特征把南海及其周边区域划分为四个区域：华南地区（105~120 °E，20~26 °N），中南半岛（95~109 °E, 9~20 °N），马来群岛（95~130 °E, 10 °S~7 °N），南海海域（109~120 °E, 7~20 °N）。
3 降水的时空分布特征及其变化 3.1 降水的EOF分析EOF分解的特征向量虽然不能代表降水量的大小，但是它能反映降水的空间分布结构，并且特征向量的数值大小能反映降水量变化的程度[8]。对1998—2013年地面月平均瞬时降雨速率做EOF分析，得到第一模态的方差贡献为57.16%，第二模态方差贡献为8.72%，前两个模态的方差贡献均大于5%，累积方差贡献达到65.88%，前两个模态所对应特征向量场能基本反映出南海及其周边地区降水的空间的分布特征。
EOF分析第一模态特征向量场（图 1）均为正值，全区降水一致性是该区域的主要降水特征。降水由赤道并向南北递减分布，大值中心分布在马来群岛的加里曼丹岛及苏门答腊岛西部海域，在中南半岛西部海域上也有较大的降水分布。第一模态的时间系数（图 2）均为正数，介于0.03~0.11之间，说明1998—2013年整个区域降水分布与第一特征向量场相同，系数越大的年份降水越多，其中1998—2005年系数总体呈减小趋势，整个区域降水有所减少；2005—2013年系数呈增大趋势，整个区域降水增多。
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图 1 EOF分析第一模态特征向量场 |
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图 2 EOF分析第一模态时间系数 |
第二特征向量场（图 3）在7 °N以南的马来群岛及其周边海域大部分区域为负值，负值中心在马来群岛南部；7 °N以北区域为正值，在中南半岛西部海域和南海西部、菲律宾东部各存在一个正值中心。表现南北降水分布正负反相的特征，说明南北降水分布变化呈负相关。第二模态时间系数（图 4）介于-0.15~0.15之间，变化振幅较大，负数代表降水与第二特征向量场相反，即北少南多；正数表示降水与第二特征向量场相同，即北多南少。1998—2005年，正时间系数绝对值增大，负时间系数绝对值减少，表明北部降水增多，南部减少；2005—2013年则相反，北部降水减少，南部增多。
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图 3 EOF分析第二模态特征向量场 |
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图 4 EOF分析第二模态时间系数 |
根据第二特征向量场不同区域间降水正负反向的特征，并参考地理位置特点，把南海及其周边区域划分为华南地区、中南半岛、马来群岛和南海四个区域：马来群岛（95~130 °E, 10 °S~7 °N）为第二特征向量上7 °N以南为负值的区域，包括马来群岛及其周边海域；7~20 °N之间包括两个大值中心的区域分别划为中南半岛（95~109 °E, 9~20 °N）和南海海域（109~120 °E, 7~20 °N），其中中南半岛区域包括中南半岛及其周边海域，南海海域包括南海大部分海域及海南岛大部分地区；20 °N以北包括华南地区及其周边海域的区域划分为华南地区（105~120 °E, 20~26 °N）。
3.2 地面降水率春季(图 5a)，降水主要分布在马来群岛区域，其中陆地降水明显，最大降水分布在加里曼丹岛和苏门答腊岛。其他三个区域降水率总体较小，其中中南半岛东南部陆地和海南岛陆地为区域内降水大值。由于夏季风还未爆发，水汽无法输送到马来群岛以北的区域，因此该地区降水较少。
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图 5 平均地表降水率的水平分布 单位：mm/h。 |
夏季(图 5b)，降水大值区从7 °N以南的马来群岛北移至中南半岛及南海，马来群岛区域降水率减小；南海东部及中南半岛西部地面降水明显增多，最大降水率分布在南海东部、菲律宾西部海域以及中南半岛西部的安达曼海；华南沿海地区降水明显增强。降水区北移与夏季风的爆发有关，南海夏季风在5月中旬爆发，由于水汽散失较少蒸发量较多[28]，给南海带来了大量的湿热水汽，有利于降水的发生。
秋季(图 5c)，降水区南撤回马来群岛区域。与春季降水相似，最大降水分布在加里曼丹岛，另一降水大值区域分布在苏门答腊岛西部的海域上。南海降水中心降水率减小，整个区域降水分布较均匀。秋季降水主要是由高压南侧的东北风和源于南半球的东南信风在亚洲的低纬地区相辐合产生的ITCZ降水[29]，因此降水南撤，降水大值区集中在赤道附近。
冬季(图 5d)，降水较秋季进一步南移，整个区域降水减少，降水中心位于马来群岛区域5 °S附近，中心降水率减小。
3.3 对流降水和层云降水从南海及其周边地区对流降水（图 6）和层云降水（图 7）所占比例分布看出，总体而言整个区域对流降水比例大于层云降水，其中陆地降水比例随季节变化明显；海洋上，除冬季南海西南部和马来群岛区域中北部海域的对流降水所占比例小于50%外，其他区域四季对流降水均大于50%。两种降水类型所占比例的季节变化与夏季风的爆发和地形有关[30]。
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图 6 对流降水比值水平分布 |
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图 7 层云降水比值水平分布 |
春季，对流降水主要位于中南半岛，层云降水主要位于华南地区。春季大部分区域以东-东北风为主，泰国湾以偏西风为主[31]，此时中南半岛内陆为长山山脉背风坡，苏门答腊岛东侧为巴里散山脉的背风坡，均为对流降水比例大值区；台湾岛东侧层云降水大值区刚好是玉山的迎风坡。
夏季，中南半岛对流降水减少，层云降水增多；华南地区对流降水增多，层云降水减少。由于受西南季风的影响，20 °N以北以南-东南风为主，20 °N以南以南-西南风为主[29]，对流降水比值大值区分布在苏门答腊岛巴里散山脉、长山山脉等的背风坡；层云降水比值大值区处于中南半岛西部若开山脉的迎风坡。
秋季，属于季风变化季节，南海中部和北部已转东北风，南海南部的西南季风并未完全消失[31]，所以北部对流降水比例大值区分布在长山山脉西部的背风坡；南部分布在苏门答腊岛巴里散山脉、依兰山脉东侧的背风坡。层云降水比例大值区分布在长山山脉、云贵高原、南岭等迎风坡。
冬季，受东北信风的影响大部分地区盛行东北风[31]，对流降水比例大值分布在长山山脉西南侧的背风坡，层云降水比例大值分布在地形复杂的华南地区。
由对流降水率和层云降水率百分比的纬向平均分布（图 8，见426页）看出，赤道附近对流降水为主，23 °N以北区域层云降水为主，5~23 °N之间区域两种类型降水比例随季节变化明显。春季，在23 °N附近以南对流降水为主（占50%~60%），23 °N以北层云降水为主（占50%~60%）。夏季，12 °N以南区域对流降水为主，并由北向南比例增大；12 °N以北两种类型降水各占50%左右。秋季，赤道附近对流降水比值大于层云降水，但二者差异较夏季有所缩小；12~22.5 °N附近比值相当，对流降水略多于层云降水；22.5 °N以北层云降水比例增大并大于对流降水。冬季，23 °N以南区域对流降水为主，其中10~23 °N附近对流降水比例增大，并在18~21 °N附近区域约占60%；23.5 °N以北层云降水比例大于对流降水。由于地面加热有利于湿对流的产生，并且在赤道附近海域分布较多，提供水汽较多，因此在赤道附近区域四季的对流降水比例普遍高于50%；回归线以北大部分区域，层云降水比例大于对流降水，并在冬季高于80%。
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图 8 对流降水率和层云降水率百分比的纬向平均分布 |
对整个区域而言，四季的对流降水比例总体大于层云降水，两种类型降水率大值区春、秋以及冬季偏南，夏季偏北。马来群岛地区四季对流降水所占比例均较大，这是由于马来群岛地区处于赤道附近是热带辐合带（ITCZ）活跃地区，热带辐合带附近有利于对流降水产生[30]。
四个区域的平均对流降水率和平均层云降水率随季节变化有所不同（表 1、表 2）。华南地区、中南半岛和南海两种类型降水四季变化较大，夏季明显多于其他三个季节，其中华南地区和中南半岛两种类型降水夏季最多，冬季最少；南海是夏季最多，春季最少。马来群岛四个季节降水差异相对较小，冬季最多，夏季最少。同一个季节降水分布有明显区域差异：春季，马来群岛区域两种类型降水均大于其他三个区域；夏季，四个区域的两种类型降水率增大，降水大值北移，对流降水南海最多，层云降水中南半岛最多；秋季，华南和中南半岛两种类型降水减小明显，马来群岛对流降水开始增多，两种类型区域平均降水最大区域均在南海；冬季，两种类型降水中心均南移至马来群岛，其他三个区域两种类型降水均进一步减少。
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表 1 四个区域四季平均对流降水率 单位：mm/h。 |
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表 2 四个区域四季平均层云降水率 单位：mm/h。 |
云中冰水含量（以下简称为云冰）有明显的季节变化（图 9），总体而言夏季最多，春季最少。春季，整个区域云冰含量相对较少，大值区分布在马来群岛区域。夏季，云冰增多，大值区北移，主要分布在南海东部、菲律宾东部海域和中南半岛西部海域上，与图 5对比云冰大值区与降水大值区相对应。秋季，云冰大值中心南移至马来群岛区域西部海域上；其他三个区域云冰含量减少，南海云冰分布均匀。冬季，马来群岛区域云冰进一步增多，中心南移至5 °S附近，其他三个区域云冰含量继续减少；菲律宾东部海域和马来群岛区域西南部的云冰大值区与冬季降水大值区（图 5）相对应。比较发现云冰含量分布与地面降水有一定对应关系，云冰含量较多的地区降水相对较多。
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图 9 月平均云中冰水含量的水平分布 单位：g/m3。 |
云中液态水含量（以下简称为云水）分布与大气环流、地形和大气湿度的分布密切相关，受到大气环流季节变化、地形和湿度变化的共同影响[32]。如图 10所示，南海及其周边地区春、秋季海面上云水分布较均匀；夏季大值区在中南半岛西部和菲律宾西部海域上；冬季大值区分布在华南地区沿海。云冰分布差异可能由海陆分布造成，冬季海上温度大于陆地的温度，海上大量相对暖湿的水汽向陆地输送，遇到较冷的大陆冷凝成液态水，造成该地区液态水含量增多。
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图 10 月平均云水含量的水平分布 单位：g/m3。 |
从平均潜热加热率（以下简称为潜热）分布来看（图 11），马来群岛海域的潜热变化较小；其他三个区域海域潜热四季变化明显。春季，马来群岛区域海域潜热大于其他三个区域，中心超过0.12 ℃/h，但分布零散且面积小；中南半岛西部海域潜热普遍大于0.08 ℃/h，南海海域小于0.06 ℃/h，华南地区沿海潜热最小（小于0.02 ℃/h）。夏季，潜热大值区北移，菲律宾周围海域、中南半岛西部海域和华南地区沿海潜热均达0.14 ℃/h以上，马来群岛南部海域潜热减少至0.03 ℃/h，其西部海域大值范围较春季缩小。秋天，大值区南移，南海海域潜热减少至0.12 ℃/h以下，马来群岛西部海域大于0.12 ℃/h区域增大，菲律宾西部海域潜热明显减少，其东部大于0.14 ℃/h范围减小。冬季，大值区域进一步南移，其中华南地区、中南半岛和南海三个地区的大部分海域潜热小于0.03 ℃/h，马来西亚北面海域和菲律宾东部海域大于0.08 ℃/h，马来群岛南部大部分区域潜热加热率增大至0.12 ℃/h以上，大值区范围较春季大。与图 5比较，潜热分布和演变与降水有较好对应关系，潜热大值区与降水大值区相对应。
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图 11 月平均潜热加热率的水平分布 单位：℃/h。 |
从图 12可以看出，四个区域云冰随高度先增加后减少，其中约7 km以下的冰水含量均为0。春季，华南地区云冰最大值高度较低（在11 km附近），其他三个区域在13 km附近达到最大值。夏、秋季，在7~13 km附近云冰随高度增加而增加，在13 km附近达到最大值，在13~18 km云冰随高度增加而减少。冬季，华南地区、南海和中南半岛三个区域的云冰随高度变化差异较大，云冰最大值高度由南向北递减。四个区域云冰存在季节变化差异，马来群岛区域云冰冬季最多，其他季节差别不大；中南半岛和南海从春季到冬季先增加后减少，南海夏、秋季最大值相差不大；华南地区云冰夏秋季最大值高度较高且含量较多，春冬季最大值高度较低且含量较少。
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图 12 4个区域云中冰水含量季平均垂直廓线 单位：g/m3。 |
四个区域云水（图 13）均从地面到2 km处随高度递增，在2~2.5 km附近迅速增至最大，2.5~8 km附近随高度递减。春、秋和冬季在3~6 km逐渐减少至0，夏天云水在3~8 km随高度减少，在8 km处减少至0。南海四个季节云水均多于其他三个地区，这是由于云水主要通过水汽凝结和冰晶融化两个过程生成[33]，南海靠近赤道且海域较广，蒸发较大，因此水汽凝结较多，云水较多。夏季四个区域云水均较少。
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图 13 4个区域云中液态水含量季平均垂直廓线 单位：g/m3。 |
四个区域潜热（图 14）随高度呈现双峰分布特征，峰值分别在1~2 km和4 km附近，在8 km以上减少到0，其中夏季最多、春季最少，最大值在夏季的南海。潜热廓线呈双峰结构是由于这些地区冻结层（约5 km高）附近，特别是上部的大量冰粒子融化吸热明显，使得6 km附近潜热减少，这个过程在层云降水过程尤为明显[34]；由于对流层上层气温常年都在0 ℃以下，水汽含量很少，潜热加热率也很小，因此8 km附近以上潜热减为0。不同季节的区域潜热分布上，春冬季马来群岛区域最大，南海次之，中南半岛和华南地区最少；夏季南海最多，其他三个区域相差不大；秋季南海最多，马来群岛区域次之，然后是中南半岛，华南地区最少。
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图 14 4个区域潜热加热率季平均垂直廓线 单位：℃/h。 |
本文利用1998—2013年TRMM3A12资料，分析了南海及其周边地区降水、云和潜热的特征及季节变化。
（1）对降水率进行EOF分析，第一模态方差贡献率占57.16%，空间场均为正值，降水呈南多北少分布特征，其中马来群岛降水明显多于其它地区；第一模态时间系数表现了1998—2005年全区降水普遍减少，2005—2013年全区降水普遍增多的特征。第二模态方差贡献占8.72%，空间场降水变化呈南北反相特征，马来群岛大部分区域为负值，马来群岛区域以北为正值；第二模态时间系数体现了1998—2005年降水北部增多，南部减少；2005—2013年南部增多，北部减少的特征。
（2）南海及其周边地区降水夏季最多，春季最少，其中马来群岛地区地处赤道附近，降水夏季最少，冬季最多；其他三个区域均夏季最多。华南地区和中南半岛冬季最少，南海春季最少。降水的变化与南海夏季风、冬季风、热带辐合带、海陆分布等有密切关系。
（3）整个区域对流降水比例大于层云降水，赤道附近四季的对流降水比例普遍大于50%，23 °N以北区域层云降水为主，5~23 °N之间区域两种类型降水比例随季节变化明显，其中陆地降水比例随季节变化明显，特别华南地区陆地夏季对流降水比例大于50%，冬季层云降水比例大于80%；海洋对流降水比例普遍大于50%，并随季节变化较小。两种降水比例空间分布与地形有密切关系，对流降水比值大值区大部分处于山脉的背风坡，层云降水比值大值区大部分处于山脉的迎风坡。
（4）对整个区域而言，四季的对流降水比例总体大于层云降水，两种类型降水率大值区春、秋、冬季偏南，夏季偏北。马来群岛地区两种类型降水四季变化较少，变化与其他三个区域反相，表现为在夏季其他三个区域两种类型的平均降水率都达到最大时，马来群岛均为最小。华南地区、中南半岛和南海两种类型降水四季变化较大，其中夏季明显多于其他三个季节。
（5）云冰和潜热的水平分布与该地区地面降水分布有较好的对应关系，在降水量大的区域云冰和潜热相应较大。云水在沿海地区较多，这可能与海陆差异有关。
（6）四个区域的云冰和云水都随高度先增加后减少，其中云冰在13 km附近达到峰值，最大值出现在夏季的南海；云水在2.5 km附近达到峰值，最大值在冬季的南海。春冬季，马来群岛地区的云冰最多；夏秋季，南海云冰最多；云水含量四季都是南海最多。
（7）潜热随高度呈双峰型分布，峰值分别在1~2 km和4 km附近，两个峰值的最大值均出现在夏季的南海。四个区域比较而言，春冬季马来群岛地区最多，夏秋季南海最多。
本文得到的结果与已有的研究有不同也有相似之处。如：Li等[20]分析表明南海区域降水存在明显区域特征和季节变化，并在早晨和午后有两个日降水峰值。本文不仅分析了南海区域，对其周边地区降水特征也进行了相应分析，主要分析了空间分布和季节变化特征。云微物理特征分析上，Li等[22]分析表明亚洲-太平洋三个季风降水区域云冰含量在9 km附近达到最大值；云水在4 km附近含量最多；潜热释放率随高度呈双峰结构，两个峰值分别在2 km和4 km附近。本文分析结果表明云冰含量在13 km高度达到最大值，较亚洲-太平洋地区高；云水含量在2.5 km高度达到最大，较亚洲-太平洋地区低；潜热加热率随高度同样呈双峰分布，峰值分别在1~2 km和4 km高度，与亚洲-太平洋地区相似。对于这些差异性特征在后续的工作中将进一步研究。
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