趙海軍，曹潔，潘玲，王慶華，曹張馳，毛國榮

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 濟南 250031；2.臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004； 3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029； 4.日照市氣象局，山東 日照 276800)

引言

短時強降水天氣具有生命史短、尺度小、突發(fā)性強、天氣變化劇烈等特征，雨強較大或持續(xù)時間較長則可能導(dǎo)致嚴(yán)重內(nèi)澇，甚至引發(fā)山體滑坡、泥石流、山洪等次生災(zāi)害。近年來，隨著氣候變暖，極端降水事件頻發(fā)，山東多次發(fā)生造成嚴(yán)重影響的短時強降水天氣，引起社會廣泛關(guān)注。如2007年7月18日，魯中和魯西北地區(qū)出現(xiàn)暴雨，濟南17:20—18:20降水量達(dá)到151.0 mm；2009年8月17—18日，魯南地區(qū)出現(xiàn)暴雨，費縣18日01:00—02:00降水量為137.2 mm，00:00—03:00降水量為242.2 mm；2011年7月25日半島南部地區(qū)出現(xiàn)強降水，乳山19:00—20:00降水量為127.8 mm，18:00—21:00降水量為249.5 mm。上述造成嚴(yán)重災(zāi)害的天氣事件多發(fā)生在傍晚到夜間，給強降水預(yù)警和防災(zāi)搶險帶來巨大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)諸多學(xué)者研究了我國不同區(qū)域的逐時降水長期變化特征和日變化特征，得出許多降水發(fā)生規(guī)律和變化特征等方面的成果。研究發(fā)現(xiàn)隨氣候變暖，強對流災(zāi)害性天氣呈頻發(fā)趨勢[1-2]；中國夏季降水日變化具有明顯的區(qū)域性，全國大部分區(qū)域短時強降水的峰值多出現(xiàn)在下午或傍晚[3-5]；在華北、華東和西南區(qū)域，短時強降水的發(fā)生與地形關(guān)系密切，其頻次和極端性也在增加[6-11]。對于山東省的降水事件也有許多研究，高留喜等[12]結(jié)合業(yè)務(wù)實際，用三種統(tǒng)計方法對比分析了山東省極端短時強降水閾值，建議值為70～75 mm·h-1；董旭光等[13-14]、楊學(xué)斌等[15]、高理等[16]分析了山東暖季小時雨量的時空分布特征；侯淑梅等[17-18]基于加密自動氣象觀測站和國家級氣象觀測站資料，分析了極端短時強降水特征，構(gòu)建了分類天氣學(xué)概念模型。此外還有一些針對省內(nèi)大城市短時強降水特征方面的研究[19-20]。

受海陸差異及地形影響，山東省降水時空分布差異明顯，多角度認(rèn)識省內(nèi)及各區(qū)域短時強降水和極端短時強降水的發(fā)生規(guī)律，對防御山洪地質(zhì)災(zāi)害和治理城市內(nèi)澇等具有重要意義。選用山東省123個國家級地面氣象觀測站2007—2019年的地面逐小時觀測資料，分析山東省及省內(nèi)各區(qū)域短時強降水的時空分布、不同分位數(shù)樣本和極端短時強降水的特征，為氣候變暖背景下短時強降水天氣的發(fā)生機理研究及短臨預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

1.1 使用資料

為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且觀測方式統(tǒng)一，選用國家氣象信息中心提供的2007—2019年山東省123個國家級地面氣象觀測站(含泰山站)的逐小時地面觀測資料。

本文使用短時強降水相關(guān)定義如下：

1)短時強降水標(biāo)準(zhǔn)：小時降水量R≥20.0 mm；

2)短時強降水站次：達(dá)到短時強降水標(biāo)準(zhǔn)的次數(shù)總和；

3)短時強降水時：同一時1站或以上達(dá)到短時強降水記為1個短時強降水時；

4)短時強降水日：同一日(08:00至次日08:00)1站或以上達(dá)到短時強降水記為1個短時強降水日。

1.2 分級計算方法

選用R≥20.0 mm的資料，剔除錯誤數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)排序法(百分位法)計算山東省極端短時強降水閾值。即對所有樣本升序排列，如取1 000個時次的降水量資料，則95%分位數(shù)閾值為第949位和951位降水量的中間值(或線性插值)[6-13]。

2 時空分布特征

為詳細(xì)了解山東省短時強降水發(fā)生規(guī)律，基于氣候特征和預(yù)報習(xí)慣將全省劃分為5個區(qū)域，即魯西北、魯中、魯西南、魯東南和半島地區(qū)[12]，分別有35、26、19、19和24站。

基于百分位法計算山東全省及分區(qū)域短時強降水的不同分位數(shù)閾值，對比短時強降水和極端短時強降水的發(fā)生頻次和分布情況。

2.1 分級統(tǒng)計特征

2007—2019年山東省共發(fā)生6 257站次短時強降水，站均發(fā)生50.9次；魯東南地區(qū)站均發(fā)生63.4次，明顯高于其他區(qū)域，是山東短時強降水發(fā)生頻次最多的區(qū)域；魯西北地區(qū)站均發(fā)生頻次與全省接近，為51.0次；魯西南和魯中地區(qū)站均發(fā)生頻次略低于全省平均，分別為49.3次和48.5次；半島地區(qū)站均發(fā)生頻次低于全省平均值，為44.6次。

從代表樣本平均發(fā)生情況來看，全省的50%和75%分位數(shù)閾值(小時雨量，下同)分別為26.6 mm和34.1 mm；魯西南地區(qū)最高，為27.4 mm和35.5 mm；魯東南地區(qū)最低，為26.2 mm和32.5 mm；魯中和半島地區(qū)略低于全省值；魯西北地區(qū)略高于全省值。從代表短時強降水極端性的99%和99.5%分位數(shù)閾值來看，全省為71.2 mm和80.5 mm；魯東南地區(qū)均最高，為75.5 mm和88.1 mm；魯中地區(qū)最低，為64.8 mm和71.6 mm；魯西北和半島地區(qū)的99%和99.5%分位數(shù)閾值與全省值接近；魯西南地區(qū)99.5%分位數(shù)閾值較全省值低5.3 mm(表1)。

表1 山東省區(qū)域短時強降水極值及分位數(shù)閾值

2.2 地理分布特征

小時降水量R≥20.0 mm發(fā)生總次數(shù)的大值站點主要分布在魯東南和魯西北地區(qū)，其中臨沂市和棗莊市周邊的發(fā)生總次數(shù)普遍超過70次；次數(shù)較少區(qū)域主要在半島中部、魯西南西部和魯中地區(qū)，普遍低于40次；單點發(fā)生次數(shù)前5位為泰山、臨沂、蘭陵、棗莊和禹城，分別為81、77、74、71、71次；發(fā)生次數(shù)最少前4位為壽光、東明、諸城和海陽，分別為30、32、34、34次；發(fā)生35次的有煙臺、成山頭、巨野、昌邑、平度和陽谷(圖1a)。

圖1 山東短時強降水分布(a. 雨強≥20 mm·h-1, b. 雨強≥26.6 mm·h-1， c. 雨強≥34.4 mm·h-1, d. 雨強≥52.6 mm·h-1, e. 雨強≥71.2 mm·h-1, f. 雨強≥80.5 mm·h-1；色階，單位：次)Fig.1 Distribution of short-time severe precipitation (a. rainfall intensity≥20 mm·h-1, b. rainfall intensity≥26.6 mm·h-1, c. rainfall intensity≥34.1 mm·h-1, d. rainfall intensity≥52.6 mm·h-1, e. rainfall intensity≥71.2 mm·h-1, f. rainfall intensity≥80.5 mm·h-1； color scale, units: time)

50%分位數(shù)閾值為26.6 mm，發(fā)生總次數(shù)分布情況與R≥20.0 mm的發(fā)生情況基本一致，總次數(shù)較多的區(qū)域主要分布在魯東南、魯西北、魯西南東部地區(qū)和泰山周邊，半島中部、魯中大部和魯西南西部地區(qū)較少；單點發(fā)生次數(shù)前5位為泰山、慶云、莒縣、臨沂和濟寧，分別為47、44、42、41和39次；發(fā)生次數(shù)最少的為海陽，僅15次，東明和成山頭為16次(圖1b)。

75%分位數(shù)閾值為34.1 mm，發(fā)生次數(shù)較多的區(qū)域主要在魯西南東部、魯西北、魯東南南部地區(qū)和泰山周邊，半島中部和菏澤周邊地區(qū)較少；單點發(fā)生次數(shù)前3位為慶云、泰山、魚臺，分別為27、23和22次，濟寧、鄒城和蘭陵發(fā)生21次；發(fā)生次數(shù)最少為東明，僅4次，高密和莘縣為6次(圖1c)。

95%分位數(shù)閾值為52.6 mm，全省13 a間共發(fā)生313站次，站均發(fā)生2.5次；次數(shù)較多區(qū)域主要分布在魯西北、魯東南和魯西南地區(qū)，較少區(qū)域在半島西部、魯西南和魯中地區(qū)；單點發(fā)生次數(shù)前3位為惠民、臨沭和魚臺，分別為9、8、7次，長清、平陰、泰山、鄒城、黃島和蘭陵均為6次；濱州、博興、周村、桓臺、禹城、成山頭、石島、寧陽、泗水、沂南、成武和薛城未發(fā)生R≥52.6 mm的短時強降水(圖1d)。

99%分位數(shù)閾值為71.2 mm，全省13 a間共發(fā)生63站次，站均發(fā)生0.5次，僅43站出現(xiàn)過該強度極端強降水，分布較為分散。其中泰山、聊城、沂水和臨沭均發(fā)生3次，費縣、蘭陵、五蓮、膠南、黃島、長清、魚臺、東阿、冠縣、滕州、惠民和乳山均發(fā)生2次，其余有27站發(fā)生過1次。其他80站沒有出現(xiàn)(圖1e)。

99.5%分位數(shù)閾值為80.5 mm，共發(fā)生33站次，全省年均發(fā)生不足3次，站均發(fā)生0.3次，僅28站出現(xiàn)過R≥80.5 mm的極端強降水。其中沂水發(fā)生3次，蘭陵、膠南和乳山發(fā)生2次，24站發(fā)生過1次。其他95站沒有出現(xiàn)(圖1f)。

高留喜等[12]于2014年基于業(yè)務(wù)實際選用1999—2011年的地面逐小時降水資料，統(tǒng)計分析給出的全省極端短時強降水閾值標(biāo)準(zhǔn)為74.8 mm。綜上分析，建議將所有短時強降水樣本的99%分位數(shù)作為極端短時強降水閾值，即71.2 mm，各區(qū)域由高到低為魯東南、半島、魯西南、魯西北和魯中，對應(yīng)閾值為75.5、71.9、70.8、69.8和64.8 mm；魯東南地區(qū)短時強降水和極端短時強降水發(fā)生頻次最多，半島地區(qū)短時強降水發(fā)生最少，魯西南地區(qū)極端短時強降水發(fā)生最少。

2.3 年分布特征

全省各站年均發(fā)生3.9次短時強降水，總頻次大于4次的站點多分布于魯東南、魯西南地區(qū)和泰山周邊。魯東南地區(qū)最多，為4.9站次，有10 a高于同年全省平均，有7 a為發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域；魯西北地區(qū)為3.9次，有7 a高于同年全省平均，為2010年和2015年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域；魯中地區(qū)為3.8次，有4 a高于同年全省平均，為2018年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域；魯西南地區(qū)為3.7次，有5 a高于同年全省平均，為2016年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域；半島地區(qū)最少，為3.4次，有4 a高于同年全省平均，為2014年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域(圖2)。

圖2 山東短時強降水站均年發(fā)生次數(shù)Fig.2 Station average annual occurrence times of short-time severe precipitation

2018年山東接連遭受3個臺風(fēng)影響，站均年發(fā)生次數(shù)最多，為5.2次。各區(qū)域站均發(fā)生次數(shù)由多到少依次為魯中地區(qū)2018年6.8次，魯東南地區(qū)2013年6.5次，魯西南地區(qū)2016年5.5次，魯西北地區(qū)2018年5.3次和半島地區(qū)2007年5.1次。2014年全省大范圍旱情持續(xù)，雨季降水過程偏少，站均年發(fā)生次數(shù)最少，僅2.2次，為魯東南、魯中和魯西南地區(qū)的站均發(fā)生次數(shù)最少年份，其中魯東南地區(qū)為統(tǒng)計次數(shù)最少區(qū)域，僅1.7次，魯中和魯西南地區(qū)分別為2.0次和1.9次。

2.4 月分布特征

各區(qū)域短時強降水自5月逐漸增多，6月迅速增多，該階段多為大陸性強對流導(dǎo)致的短時強降水。7—8月為山東主雨季，短時強降水主要集中在該時期，占全年總數(shù)的79.6%，其中7月最多，占41.4%。魯西南、魯東南和半島地區(qū)7月最多，魯中和魯西北地區(qū)8月最多(圖3)，與山東雨季開始和副熱帶高壓北上的季節(jié)性規(guī)律一致。

圖3 山東短時強降水各月發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的百分比Fig.3 Percentage of monthly occurrence times of short-time severe precipitation

2.5 旬分布特征

全省的短時強降水主要出現(xiàn)于6月中旬至8月下旬，占全年總數(shù)的90.8%；7月上旬至8月中旬占73.6%，7月中旬至8月中旬期間每旬的發(fā)生站次均超過900次，占62.0%，又以8月上旬最多，占16.8%(圖4)。

圖4 山東短時強降水旬發(fā)生次數(shù)(縱坐標(biāo)：左側(cè)為各區(qū)域，右側(cè)為山東全省)Fig.4 Ten-day occurrence times of short-time severe precipitation in Shandong (The left ordinate is for each area, the right ordinate is for Shandong Province)

全省4月中旬前共發(fā)生7站次短時強降水，4月下旬出現(xiàn)18站次短時強降水，主要出現(xiàn)在魯西北和魯中地區(qū)，與高空冷平流活躍，地面氣溫迅速升高，導(dǎo)致強對流天氣增多有關(guān)。5月上中旬大部分站點開始出現(xiàn)短時強降水，魯西北、魯中和魯東南地區(qū)發(fā)生站次較其他區(qū)域偏多，與冷空氣南下或高空冷渦活動有關(guān)；同時半島地區(qū)近地面氣溫回升，開始出現(xiàn)短時強降水。5月下旬魯西北地區(qū)發(fā)生站次較中旬減少，魯中地區(qū)沒有發(fā)生。6月上旬起，半島以外地區(qū)發(fā)生站次開始穩(wěn)定增加。6月中下旬是高空冷渦影響山東最為頻繁的階段，強對流天氣多發(fā)，各區(qū)域發(fā)生站次迅速增加。7月上旬至8月下旬為各區(qū)域短時強降水發(fā)生最為集中的階段，與山東省預(yù)報員經(jīng)常提到的“七上八下”相對應(yīng)。

2.6 日分布特征

山東省短時強降水具有顯著的日變化，表現(xiàn)為“雙峰”特征，站均發(fā)生次數(shù)以午后到傍晚最多，集中于15:00—20:00，其次是后半夜，集中于02:00—05:00。魯西北、魯東南和魯西南地區(qū)也呈“雙峰”特征，但峰值時段不同。魯西北地區(qū)第一峰值集中在16:00—20:00，第二峰值在05:00—10:00；魯東南地區(qū)第一峰值在后半夜，集中于02:00—06:00，第二峰值在14:00—18:00；魯西南地區(qū)第一峰值集中在17:00—20:00，第二峰值在03:00—05:00。魯中地區(qū)為“單峰”特征，午后到前半夜發(fā)生次數(shù)最多，集中在19:00—21:00。半島地區(qū)呈現(xiàn)“三峰”特征，上午、下午及后半夜發(fā)生次數(shù)較多，中午和前半夜較少(圖5)。

圖5 山東短時強降水日變化特征Fig.5 Diurnal variation feature of short-time severe precipitation in Shandong

2.7 日發(fā)生站次特征

2007—2019年共695個短時強降水日，發(fā)生站次最多的為2007年7月18日130站次，其次為2019年8月10日124站次，第三位為2018年8月19日109站次。全省單日發(fā)生站次1、2、3～4、5～9、10～19和≥20站次的概率分別為21.9%、13.0%、15.0%、21.6%、16.4%和12.2%。各區(qū)域多為1～2站次的局地性短時強降水，占比由高到低依次為半島、魯東南、魯中、魯西南和魯西北地區(qū)，其中半島地區(qū)高達(dá)6成；5站次及以上區(qū)域性短時強降水占比2～3成，由高到低依次為魯西北、魯西南、魯中、魯東南和半島地區(qū)(圖6)。

圖6 單一短時強降水日發(fā)生站次百分比Fig.6 Percentage of stations with short-time severe precipitation day

2.8 時發(fā)生站次特征

2007—2019年共有3 337個時次發(fā)生短時強降水。發(fā)生短時強降水的時次中又以單站發(fā)生為主，占59.2%，2站發(fā)生的占20.0%，3站次及以上占20.9%，5站次及以上占5.8%，10站次及以上僅22次，占0.7%(圖7)。對各區(qū)域而言，半島和魯中地區(qū)單站發(fā)生比例高于其他區(qū)域，多局地性短時強降水；魯西北地區(qū)2站及以上站次發(fā)生比例高于其他區(qū)域；僅在2015年8月3日18:00—19:00魯西北地區(qū)發(fā)生過1次10站次以上的短時強降水過程。

圖7 單一短時強降水時發(fā)生站次百分比Fig.7 Percentage of stations with short-time severe precipitation hour

2.9 初日和終日

全省大部地區(qū)短時強降水初日在5月，魯西北、魯中和魯東南地區(qū)在5月上旬，魯西南和半島地區(qū)為5月下旬；初日最早為2016年3月4日，21:00—22:00曲阜降水量20.6 mm。大部地區(qū)終日在9月，魯西南和魯西北地區(qū)在9月上旬，魯中和魯東南地區(qū)在9月中旬，半島地區(qū)為9月下旬；最晚一次發(fā)生在2015年11月6日23:00—7日00:00，郯城降水量21.5 mm。

3 結(jié)論與討論

本文選用山東123個國家級地面氣象觀測站2007—2019年的地面逐小時觀測資料，統(tǒng)計分析了山東省短時強降水的分布、變化和極端短時強降水的特征，主要結(jié)論如下：

1)2007—2019年共有695個短時強降水日、3 337個短時強降水時次和6 257站次短時強降水樣本。日發(fā)生站次少于10站的超7成，約5成少于4站；時發(fā)生站次為單站的約6成，3站次及以上約2成。

2)建議山東極端短時強降水閾值為71.2 mm·h-1，各區(qū)域閾值由高到低依次為魯東南地區(qū)75.5 mm·h-1、半島地區(qū)71.9 mm·h-1、魯西南地區(qū)70.8 mm·h-1、魯西北地區(qū)69.8 mm·h-1和魯中地區(qū)64.8 mm·h-1。魯東南地區(qū)短時強降水和極端短時強降水發(fā)生頻次均最多，半島地區(qū)短時強降水發(fā)生最少，魯西南地區(qū)極端短時強降水發(fā)生最少。

3)山東各站年均發(fā)生3.9次短時強降水，其中魯東南地區(qū)最多為4.9次，半島地區(qū)最少為3.4次。全省站均發(fā)生次數(shù)最多為2018年(5.2次)，最少為2014年(2.2次)。

4)山東短時強降水主要發(fā)生在7—8月(占79.6%)，其中魯西南、魯東南和半島地區(qū)7月最多，魯中和魯西北地區(qū)8月最多。逐旬統(tǒng)計全省短時強降水發(fā)生次數(shù)，則集中在6月中旬至8月下旬(占90.8%)，其中7月上旬至8月中旬占73.6%，又以8月上旬最多(占16.8%)。

5)山東短時強降水具有顯著的日變化，表現(xiàn)為“雙峰”特征，午后至傍晚發(fā)生頻次最高，集中于15:00—20:00，其次是后半夜，集中于02:00—05:00；魯西北、魯東南和魯西南地區(qū)也呈現(xiàn)“雙峰”特征，但峰值時段不同；此外，魯中地區(qū)為“單峰”特征，半島地區(qū)為“三峰”特征。

本文根據(jù)山東省小時降水資料，統(tǒng)計分析了2007—2019年山東全省和分區(qū)域短時強降水的時空分布特征。在后續(xù)的工作中將繼續(xù)研究短時強降水與復(fù)雜地形的關(guān)系，以及不同地區(qū)、不同季節(jié)短時強降水和極端短時強降水的潛勢預(yù)報、概念模型等。