中国雨带探析——风自海上来 雨往何处去，太阳日出方位角的深入探究

编者按：跟随着夏季风的脚步，我国降水集中期又如期而至。无论是“黄梅时节家家雨”，还是“巴山夜雨涨秋池”，雨带从南方出发，一路“高歌猛进”向北移动，在不同区域轮番登场后又逐一谢幕。

有时它钟情江南水乡的温婉秀美，有时留恋北方山峰的豪迈雄伟。雨带有着怎样的移动规律，它究竟会在哪里驻足？气候变暖之下，雨带是否北移了？这飘忽不定的雨带，又该如何精准“捕捉”？本期科普看台，为您逐一解析。

南北两边儿跑——雨带“来去自由”的秘密

雨带，是指有明显降雨的范围，其本身呈层状或对流状，因在天气雷达图像上显示为“带状结构”而得名。每年春夏季节，我国南北方陆续进入雨季，但不同地区降雨时段、强度和范围却有所差别，这主要与我国雨带的形成、推移和撤退过程有关。

听“副高”指挥

副热带高压（以下简称“副高”）是位于副热带地区的暖性高压系统，对中高纬度和低纬度地区之间的水汽、热量、能量等输送和平衡有重要作用。副高的强弱和位置是我国雨带分布的“指挥棒”，它的身上长着一条纤细的“马甲线”——西太平洋高压脊线，其季节性变化对应着我国东部地区主要雨带的位移。

通常而言，副高随季节有规律地变化。由冬到夏，副高北进和加强，引导夏季偏南风挟带着充沛的水汽逐渐向北挺进。冷暖气流在副高北侧交汇，形成的降雨带也随之北上，从而使我国各地由南向北先后进入雨季。

但其实，副高并不总是“按部就班”，经常会发生异常变化。我国汛期出现的大范围严重干旱和洪涝灾害，一般都与副高的异常变化有关。例如，1991年江淮大水、1994年松花江和辽河水灾以及长江流域严重旱灾等，都与副高位置异常偏南或偏北等有关。

“导致副高出现季节性阶段位置变化的原因复杂多样，它的变化不仅受到其大气内部动力过程影响，青藏高原热力作用、厄尔尼诺现象、热带印度洋和大西洋海温变化、欧亚大陆雪盖等大气下垫面外强迫的影响也不可忽视。”中国气象科学研究院研究员刘伯奇介绍称。

例如，有研究指出，太平洋海表温度异常在过去五六十年间经历了冷异常（在气候平均值以下）-暖异常-冷异常的周期性变化。相应地，中国东部的雨带，在冷海温异常为主时，雨带异常偏北，华北地区更加湿润多雨，而在暖海温异常为主时，雨带异常偏南，长江流域降水更加充沛。

雨带推移并不总是“有章可偱”

在我国，占据国土面积1／4的青藏高原横跨欧亚大陆，处于东西风带交界处，高度可达对流层中层，其东部、南部地形陡峭。“一年之中，江南春雨往往最早开启，这和青藏高原对西风带的扰流阻挡有密切关系；进入夏季，青藏高原逐渐由‘冷源’变成‘热源’，增强了东亚地区的海陆热力差异，使其下游偏南风加强发展，雨带进一步向北推进。”刘伯奇说。

不仅如此，对20世纪50年代至21世纪初我国降水分布及青藏高原热力作用的研究发现，在20世纪80年代至世纪末，青藏高原热力作用逐年减弱，我国东部雨带逐渐向南方移动，呈现“南涝北旱”的雨带异常现象；自20世纪90年代末至21世纪初，夏季青藏高原热力作用逐渐增强，我国夏季东部的雨带也逐渐北抬，“南旱北涝”的现象在近年来尤其明显。

然而，今年恰逢厄尔尼诺发展年，厄尔尼诺会直接造成热带太平洋及其附近地区的高温、干旱、暴雨等灾害性极端天气气候事件，其影响我国雨带的主要方式是通过改变西太平洋副高的位置、增加西伸脊点和强度来实现。当前厄尔尼诺事件的快速发展可能加剧我国“南旱北涝”的雨带异常特征。（刘丹）

南海夏季风吹动的缤纷雨季

从气候角度来说，我国的雨季从每年3月份持续到10月份，贯穿整个夏季风时段。3至4月份，江南春雨轻抚长江以南地区，也是气候上我国雨带开始最早的地方。“好雨知时节，当春乃发生”，春雨后的江南花团锦簇，绣球花似一团香雪，海棠半开令人垂怜，梅花零落似风中起舞，樱花带雨在枝头蔓延……正可谓，雨水纷纷，正是春留处。

4至6月份，随着南海夏季风爆发，冷暖气流在华南地区相遇产生持续降水，华南地区的广东、广西等地率先入汛，也正式开始“华南前汛期”。此时，绝大多数降水过程都源自冷暖空气交汇，在冷锋、静止锋、切变线、西南低涡和中尺度低值系统等影响下，强对流天气频发，常伴有雷暴大风、冰雹、龙卷风和短时强降水等。

6月中旬至7月中旬，夏季风北上与冷空气对峙，连绵的阴雨天占据了江南、长江中下游以及江淮等地区，绵绵细雨正巧赶上梅子成熟的季节，故称其为“梅雨”或“黄梅雨”。梅雨季里空气湿度大、气温高，衣物易发霉，所以也有人把梅雨称为同音的“霉雨”。这种现象并非只存在于我国，韩国称之为“Changma”，形象地表征为“长毛”，日本称之为“Biau”，与“霉雨”一脉相承。

随着江淮梅雨季结束，雨带随着西太平洋副热带高压的移动继续北上，依次来到华北、东北地区，在每年的7月下旬至8月上旬到达最北，正所谓“七下八上”的华北、东北雨季拉开序幕。然而，北方的降雨并不像南方那般“讲理”，降雨集中、强度大，是一年中最多雨的时段。

7至8月，受西北太平洋台风活动影响，华南地区再次进入雨季，称之为“华南后汛期”。此时，降水主要受台风、热带辐合带等热带天气系统的影响。

9至10月，东亚夏季风南退，频繁南下的冷空气与停滞在我国西部地区的暖湿气流相遇产生长时间降雨，即华西秋雨，以阴雨绵绵的连阴雨为主。降水量虽不大，但持续时间较长，有时一连数日甚至十数日。降雨主要集中在四川、重庆、渭水流域、汉水流域、云南东部、贵州等地。

我国雨季漫长，其间降水量约占全年总量的70％，雨水不仅灌满了江河湖泊，也滋养了草木。伴随全球变暖，我国西北地区的雨季呈现提前开始、偏晚结束、雨量增多的暖湿化趋势。最近十年，这种现象逐渐向东北和华北发展。相对于传统雨季时间，这些区域的雨季明显变长，极端持续性降水事件的发生概率明显增大，需引起高度重视。（李倩）

雨带真的北移了！

降水距平图上“变绿”的北方

“我们用20世纪80年代至今的我国东部夏季平均降水数据，绘制了一幅降水距平（实际降水量与同期多年平均降水量的差值）图，应该说雨带确实存在北移现象。”刘伯奇向记者展示图表并介绍。从最近的研究来看，近10年北方雨带有明显加强的特点，尤其是2016年以来，整个北方降水在增多。

气象观测上，雨带的确在最近一段时间有明显北移的特点，北移的原因十分复杂。环流形势方面，随着东亚季风环流加强，南风能够更有效地把热带的暖湿空气输送到北方；此外，副热带高压更加偏北，加之北方冷空气更加活跃，尤其最近5至8年，东北冷涡呈明显活跃的状态。在全球变暖背景下，季风区冷暖空气交汇的年代际调整能够在一定程度上解释雨带的向北移动。

雨带北移给防汛带来更多压力

雨带北移带来的影响涉及多方面，而从防灾减灾角度来看，无疑大大增加了汛期防汛、抗洪的压力。我国水系发达，而在黄河流域有不少地上悬河，一旦雨带整个“压”在黄河流域，悬河隐患下防汛压力会非常大。此外，因为早年城市规划缺陷，不少城市内涝问题严峻，暴雨后“看海”成为常态。

对生态而言，北方作为粮食主产区，“雨多”会带来双重影响。前不久北方刚经历了“烂场雨”，不过在以水稻为主的东北种植区，雨水增多则有利于粮食增产。

对风光水资源丰富的西北地区而言，雨带北移使得三江源地区近年来水量呈增多趋势，河水径流量上升，有利于黄河流域的水电工程。与之相反的便是长江流域水量及南方地区水电的减少。降水分布的变化也将影响未来风光水资源的长期规划设计。

气候变暖与内部变率将继续推移雨带

“未来，雨带还将继续移动。”刘伯奇说，雨带移动或可粗略地分辨季风区与非季风区的400毫米等降水线，也就是地理学所说的胡焕庸线（黑河-腾冲线）。

基于最新数据，不同排放情景下，未来整个雨带或季风区确实有向西北扩张的趋势。除了全球变暖等因素，气候系统本身的内部变率对近5至10年的雨带变化也有着至关重要的影响。刘伯奇介绍，从20世纪80年代至今，全球变暖持续加剧，但其与雨带北移并不是线性关系，气候系统的内部变率同样是雨带北移的“幕后推手”。

内部变率可以表现为全球海温异常。最近5至8年，北方雨带明显变强，夏季多雨的概率提高，北太平洋至北大西洋地区海温也在快速升高，引发气候效应。通过刘伯奇团队初步研究，气候效应不只是推动副热带高压向北走，更会促使东北地区的冷空气变得更加活跃。

内部变率的另一个表现形式是活跃的冷空气与北上的台风。北方的冷空气变得更加活跃，同时西北太平洋的台风总数在减少，但北上台风的占比却在增加，这也与北方雨带增强时间相吻合，势必会增加我国北方降水。

说明：本文作者是伊春一中的戢云同学，今年高三毕业，被北大录取。在高三学习中深入探究了一些地理难点，毕业后整理成文，希望能够对学弟学妹有所帮助，初拿此文，老丁本来还想边看边修改一下，结果发现文笔流畅、叙述条理，讲解透彻，竟无从下手修改，于是全部原文刊发。也希望更多的毕业生能够把自己学习过程中的小经验小体会写出来，一是自己总结提高，二是也让学弟学妹受益，都有好处。好，再次祝贺并感谢戢云同学，话不多说，就让我们奇文共赏吧。

关于太阳日出方位角的探究

高中地理课常常讲到一天中太阳视运动，例如北半球夏季太阳日出东北，日落西北。但是究竟其中具体的模型推导式是什么，高中课本为了减轻学习者的负担，将其省略掉了。或者更为具体一点的表述是，例：夏至日（6月22日），北纬40度的地区，太阳升起方向为东偏北多少度？此时该处当天的白天、夜晚各占多长时间？在进行相关习题训练时，由于出题者水平的限制，我们常常在此处可能发现题目的错误（当然不会发现哈，只会感到迷惑，题与题之间，甚至题目中经常出现自相矛盾的点）。笔者高三时期做到过这方面的一道习题（显然我在这里写它一定是出错了，可惜题目找不到了），产生了疑问。但是就搜索引擎反馈的结果，所有人似乎都只是在重复着高中课本里的话，并未见到有完整的模型和分析推导。在此处特别感谢知乎答主漠风，他站在高等数学的角度完美地解决了这个问题。但是美中不足的是，他回答中的矩阵模型并不适合普通高中学生理解。笔者在漠风回答的基础上，利用普通高中空间直角坐标系建立模型，更加利于解决高中学生的困惑。另外，由于笔者思路与漠风基本相同，该文章中大量引用其文章的部分，再次致以诚挚的谢意。

注：以下过程完全为笔者及漠风思考结果，所以其中变量均为自定义名称，如在专业的地理学中对同一概念有明确的称呼，请不必为一个概念的不同叫法出警~当然，如果是概念性的问题，欢迎批评斧正。

一切的根源，还是源自地轴并非垂直于黄道面，和黄道面有着大约66.5°的夹角（即黄赤交角23.5°），并且地轴的方向在宇宙空间看来认为是不变的。下图展示了一年中四个特殊的时刻地球和太阳的相对位置关系。

地球公转

为更好的说明，首先以夏至日为例，地点取为漠风所在的Ann Arbor, Michigan (北纬42.3103°）

夏至地球和太阳光位置关系

简单复述一下大家应该都知道的内容，夏至日当天，太阳直射北回归线，在北纬66.5°以北地区出现极昼现象，在南纬66.5°以南地区出现极夜现象，在纬度为X (北纬为正，南纬为负）的地区当天中午12时的太阳高度角为 max{(90−|X−23.5|),0}关于日照时间，赤道地区一年四季均为大约12个小时，而其他纬度地区的日照时长则随着位置的变化而变化。

首先关注日照时间的变化，将夏至这一天的太阳光、晨昏面以及各个纬度圈之间的关系简易以下图示之：

如上图所示，在这一天，晨昏面与北极圈相切，从北往南与各纬度圈依次相交，且将纬度圈愈来愈平分（即白天越来越短），直到在赤道上昼夜等长。在此过程中，易得各纬度圈的圆心到晨昏面的距离和该圆心到地球球心的距离成线性关系。

取赤道和北极圈之间纬度为x°处一纬度圈，画出该处纬度圈和被晨昏面所截情况如下图：

其中C为圆心，A、B为该纬度圈和晨昏面的交点。

接下来是重点，知道了某一纬度圈上的日出点（即上面示意图中的B点），怎么求得在这一点看到的太阳的方位角呢？谭老师地理工作室综合整理

首先，需要意识到，我们日常生活中的东南西北，实际上从地球的尺度来看，是地球在所在位置点的球切面，并且在切面内，东西方向沿当地纬度方向（也即当地纬度圈在该点的切线），南北方向为在该球切面内的垂直于东西方向的方向。

直接求解一时似乎难以下手，能否找到某一处的球切面，使得太阳升起方向有一个简单直接的表示，然后再通过坐标变换求得太阳升起方向在其他各点的表示，进而获得当地的太阳升起方向呢？

下面对这种坐标系旋转方法做出解释：

我们知道地球相对来说体积巨大，所以单纯讨论太阳日出方位可以从所处地区出发，将地球视作平面，这个平面事实上即为该点的球切面。而我们又知道太阳光线可视为一束平行光线，故太阳日出时，太阳光线与晨线上各点的球切面是平行或重合的。我们通过太阳直射纬度可以轻松求得赤道上的太阳日出方位角，我们将其视为固定的向量，通过坐标系的旋转，旋转至与需求地点的坐标系相同，求出先前向量在该坐标系中的表示方法，即可得出答案。具体情况如下图：

实际观测记录为57°，由于记录数据只取了整数位，因而实际误差应该更小，计算结果可以说已经相当准确了.

除了夏至这一天，对于一年中任意的其他一天，能否也通过计算得知当天某一纬度的日出方位角呢？答案当然是肯定的。事实上，以上的思路完全适用于任何一天，不同的只是当天太阳的赤纬（也即当天太阳直射点的纬度），由于地球绕太阳公转的轨道离心率很小，可以近似看成正圆，太阳的赤纬可以通过以下公式近似计算，其中N为该天的次序(如一月一日，N=1)：

综上，想要求出太阳日出方位角分三步

1. 求出洗他值(原谅我不会打拉丁字母）

2. 利用公式求出赤纬

3. 利用以上两个值通过旋转坐标系求得答案

后记：笔者高三毕业，实在不忍心自己的研究成果被时间掩埋，故将其整理成文。再次致谢知乎博主漠风，本文的很大一部分援引了他的文章，基本思路也是受其启发。感谢我的地理老师丁淑娟，不断鼓励引导我探究发现。感谢老丁侃地理，为我搭建了一个发表作品的平台。另外，本文仅作学术用途，撰稿人拥有本文版权。学术转载需注明出处，商业用途需征得撰稿人同意。

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