山東夏季降水日變化特征分析

摘要：基于1999-2013年山東省122個(gè)臺(tái)站觀測(cè)的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了山東省夏季（6～8月）降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度和降水持續(xù)性的日變化特征。結(jié)果表明，山東省降水量和降水頻次的日變化均表現(xiàn)為清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，峰值區(qū)出現(xiàn)時(shí)間各地區(qū)較為一致，但低值區(qū)出現(xiàn)時(shí)間各地區(qū)略有差異；降水強(qiáng)度的日變化表現(xiàn)為多峰并存的特征，魯西北、魯中北部和魯西南部分地區(qū)在傍晚前后降水強(qiáng)度較大，半島和魯東南的沿海地區(qū)則在凌晨或清晨降水強(qiáng)度較大。山東降水主要以短持續(xù)性降水為主，短持續(xù)性降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)較長(zhǎng)持續(xù)性降水大。短持續(xù)性降水降水量在傍晚前后出現(xiàn)大值，長(zhǎng)持續(xù)性降水降水量在清晨出現(xiàn)大值。短持續(xù)性降水多發(fā)于清晨和午后至傍晚，長(zhǎng)持續(xù)性降水多發(fā)生于凌晨或清晨，尤其以6：00為最多。

關(guān)鍵詞：降水量；降水頻次；降水強(qiáng)度；降水持續(xù)性；日變化

中圖分類號(hào)：P426.6；P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4165-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.022

降水日變化作為氣候系統(tǒng)中最基本的變化模態(tài)之一，是大氣動(dòng)力和熱力過(guò)程對(duì)水汽循環(huán)綜合影響的結(jié)果。降水日變化的研究對(duì)了解降水形成機(jī)制、區(qū)域天氣和氣候特點(diǎn)、改進(jìn)氣候模式模擬能力等方面都具有重要意義，成為當(dāng)前氣候研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題。

基于觀測(cè)資料的研究揭示出降水日循環(huán)存在顯著的海陸差異，大陸對(duì)流性降水多在午后達(dá)到峰值，海洋近海區(qū)域最大降水主要發(fā)生在夜間或凌晨[1-5]。隨著降水資料的豐富，對(duì)降水日變化成因研究也日趨深入[6，7]。Yu等[8]利用1991-2004年中國(guó)臺(tái)站自記降水資料，首次對(duì)中國(guó)大陸的夏季降水日變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，中國(guó)夏季降水的日變化具有明顯的區(qū)域性，青藏高原及其東部地區(qū)在午夜和凌晨達(dá)到降水極值，華南和東北地區(qū)降水日峰值出現(xiàn)在下午，長(zhǎng)江中游地區(qū)的最大降水量出現(xiàn)在清晨，而江淮、黃淮地區(qū)則在清晨及午后呈現(xiàn)出雙峰特征。Yu等[9]進(jìn)一步深入分析并揭示了華東地區(qū)降水持續(xù)性與降水日變化特征之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降水的持續(xù)性是分離中國(guó)中東部地區(qū)降水雙峰值的關(guān)鍵因子。李建等[10]指出北京市夏季降水日變化在降水量和降水頻次上均以午后至次日清晨為高值區(qū)，而在中午前后達(dá)到最低值，且降水發(fā)生了結(jié)構(gòu)性調(diào)整。李明財(cái)?shù)萚11]發(fā)現(xiàn)天津市降水量和降水強(qiáng)度日變化特征非常一致，均呈明顯的雙峰型，而降水頻次表現(xiàn)為單峰型。戴澤軍等[12]指出湖南夏季降水日變化呈現(xiàn)顯著區(qū)域差異，降水頻次峰值出現(xiàn)時(shí)次分布更集中，區(qū)域特征更明顯。楊森等[13]研究表明，遼寧省降水日變化特征地域性較強(qiáng)，沿海站與內(nèi)陸站存在顯著差異。唐紅玉等[14]研究發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)各地各季逐時(shí)降水最大頻率出現(xiàn)的時(shí)間較為分散，逐時(shí)降水相對(duì)集中出現(xiàn)在某個(gè)時(shí)段的特點(diǎn)較為明顯。原韋華等[15]指出持續(xù)性降水日變化的平均峰值時(shí)間以淮河為界存在顯著南北差異。

山東省地處中緯度，位于黃河下游，東臨渤海、黃海，與江淮地區(qū)接壤，獨(dú)特的地理位置使得山東的氣候具有地域特點(diǎn)。山東各地年平均降水量在540～920 mm之間，夏季（6～8月）主要處于副熱帶高壓和西風(fēng)帶系統(tǒng)的控制下，是全年降水量最集中的季節(jié)，約占年降水量的56%～72%。夏季也是全年降水日數(shù)最多的季節(jié)，各地在29～40 d之間[16]。對(duì)于山東的降水研究一直備受關(guān)注，但大量模式和觀測(cè)研究多集中于年、季、月以及日尺度降水變化規(guī)律[17-20]，基于逐小時(shí)資料的降水日變化研究開(kāi)展較少。雖然眾多學(xué)者對(duì)中國(guó)及其中東部地區(qū)的降水日變化特征進(jìn)行了較深入的分析和研究，對(duì)于山東降水日變化特征也有所涉及，但主要是針對(duì)區(qū)域性分析，具體到山東地區(qū)的研究和分析則很少見(jiàn)。因此，使用更密集和最新的降水觀測(cè)資料，對(duì)山東夏季降水日變化特征進(jìn)行深入細(xì)致分析，有助于進(jìn)一步探討降水日變化區(qū)域特征及其成因，為提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)降水日變化的模擬能力提供重要依據(jù)。

1 資料與方法

本研究所用逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)由山東省氣候中心提供，分析采用1999-2013年全省122個(gè)氣象觀測(cè)站（圖1）夏季的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，時(shí)間為北京時(shí)間。為揭示山東降水日變化的區(qū)域性特征，根據(jù)氣象業(yè)務(wù)中的區(qū)域劃分方式，將山東分為半島、魯西北、魯中和魯南4個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究。

研究所用的主要指標(biāo)有降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度和不同持續(xù)時(shí)間降水。對(duì)于單個(gè)站點(diǎn)，逐時(shí)降水量指研究時(shí)段內(nèi)該時(shí)次降水量的累積值，逐時(shí)降水頻次指研究時(shí)段內(nèi)該時(shí)次發(fā)生降水的總次數(shù)，逐時(shí)降水強(qiáng)度指各時(shí)次累積降水量除以相應(yīng)時(shí)次累積降水頻次。逐一統(tǒng)計(jì)每次降水過(guò)程，降雨量大于等于0.1 mm的時(shí)次判定為有降水發(fā)生，當(dāng)某一降水時(shí)次之后連續(xù)2 h沒(méi)有降水發(fā)生時(shí)，判定一次降水過(guò)程結(jié)束。將一次降水開(kāi)始至結(jié)束間隔的小時(shí)數(shù)定義為降水持續(xù)時(shí)間。

2 降水日變化基本特征

2.1 降水量日變化特征

圖2a、圖2b分別為夏季山東各氣象觀測(cè)站累積降水量的日最大值和日最小值出現(xiàn)時(shí)間及量值空間分布。從圖2a-f中可以看出，在122個(gè)觀測(cè)站中，降水量最大值出現(xiàn)在8：00前與8：00后的站點(diǎn)數(shù)分別為86個(gè)和36個(gè)，其中降水量最大值出現(xiàn)在5：00～7：00的站點(diǎn)數(shù)為51個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的42%，即最大降水量易出現(xiàn)在凌晨和清晨，尤其以5：00～7：00為最多時(shí)段。而降水量最小值出現(xiàn)在10：00～14：00和19：00～2：00的站點(diǎn)數(shù)分別達(dá)到51個(gè)和59個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的42%和48%，即在正午前后和傍晚至凌晨的這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)降水量最小。從降水量值來(lái)看，降水最大值和最小值均呈現(xiàn)從東南沿海到西北內(nèi)陸遞減的趨勢(shì)。

如圖3a-d所示，山東省4個(gè)區(qū)域累積降水量日變化均表現(xiàn)為雙峰的特征，第一峰值區(qū)位于3：00～9：00，第二峰值區(qū)位于15：00～19：00。但降水量谷值出現(xiàn)時(shí)段各地區(qū)略有差異，半島和魯中地區(qū)在20：00～23：00時(shí)段內(nèi)降水量較小，而魯西北和魯南地區(qū)在11：00～14：00時(shí)段內(nèi)較少，且14：00之后至夜間降水量還有增大的趨勢(shì)。

2.2 降水頻次日變化特征

圖2c-d分別給出了夏季山東各氣象觀測(cè)站降水頻次的日最大值、最小值出現(xiàn)時(shí)間及量值分布。從圖2c-d中可以看出，各站降水頻次最大值出現(xiàn)時(shí)間較為一致，均出現(xiàn)在1：00～8：00時(shí)段內(nèi)，其中有61個(gè)觀測(cè)站降水頻次最大值出現(xiàn)在6：00，約占站點(diǎn)總數(shù)的50%，半島地區(qū)各站點(diǎn)降水頻次最大值出現(xiàn)時(shí)間比魯西北及魯南地區(qū)晚1～2 h。對(duì)于降水頻次最小值出現(xiàn)時(shí)間，有50個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)在11：00～14：00，約占41%，有40個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)在15：00～20：00，約占33%，其他32個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)在21：00～24：00，約占26%，在1：00～10：00則未出現(xiàn)。降水頻次最小值出現(xiàn)時(shí)間存在較大的地區(qū)差異，半島和魯東南沿海地區(qū)降水頻次最小值多出現(xiàn)于傍晚至凌晨，其余站點(diǎn)大多出現(xiàn)在正午前后，且大部分站點(diǎn)降水頻次最小值出現(xiàn)時(shí)間與累積降水量最小值出現(xiàn)時(shí)間具有較好的一致性。

圖4a-d分別給出了山東夏季降水頻次區(qū)域平均時(shí)間分布。從圖4a-d中可以看出，4個(gè)區(qū)域的降水頻次時(shí)間分布均呈現(xiàn)雙峰并存特征，第一峰值區(qū)出現(xiàn)時(shí)間較為一致，主要在清晨5：00～8：00這一時(shí)段內(nèi)，而第二峰值區(qū)出現(xiàn)時(shí)間段各區(qū)域略有差異，半島地區(qū)出現(xiàn)在13：00～17：00，其余3個(gè)地區(qū)多出現(xiàn)在15：00～19：00。但降水頻次谷值出現(xiàn)時(shí)段卻存在較大差異，半島和魯中地區(qū)出現(xiàn)在20：00～23：00，而魯南地區(qū)出現(xiàn)在12：00～14：00，魯西北地區(qū)則出現(xiàn)了兩個(gè)低值區(qū)，分別為13：00～15：00和19：00～21：00。此外，降水頻次與累積降水量的時(shí)間分布特征在4個(gè)區(qū)域中均具有較好的一致性。

2.3 降水強(qiáng)度日變化特征

圖2e-f分別給出了夏季山東各氣象觀測(cè)站降水強(qiáng)度的日最大值和日最小值出現(xiàn)時(shí)間及量值空間分布。從圖2e-f中可以看出，有53個(gè)站點(diǎn)降水強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在16：00～20：00，約占站點(diǎn)總數(shù)的43%，大多位于魯西北、魯中和魯南西部地區(qū)。有28個(gè)站點(diǎn)降水強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在1：00～8：00，約占站點(diǎn)總數(shù)的23%，大多位于半島和魯南東部的沿海地區(qū)。從降水強(qiáng)度的量值分布來(lái)看，魯西北北部和半島西部地區(qū)降水強(qiáng)度較大，這與累積降水量和降水頻次的空間分布特征存在較大差異。

圖5a-d分別代表山東夏季降水強(qiáng)度區(qū)域平均時(shí)間分布，從圖5a-d中可以看出，降水強(qiáng)度與累積降水量、降水頻次的時(shí)間分布特征有明顯差異，且降水強(qiáng)度的區(qū)域差異更為明顯，4個(gè)區(qū)域均存在多個(gè)峰值，峰值出現(xiàn)時(shí)間段也較為分散。半島、魯西北、魯中地區(qū)降水強(qiáng)度大值區(qū)分別出現(xiàn)在0：00～4：00、15：00～21：00、15：00～17：00，魯南地區(qū)則出現(xiàn)了3個(gè)大值區(qū)，分別為2：00～5：00、7：00～9：00、17：00。

3 不同持續(xù)時(shí)間降水的日變化特征

Yu等[9]指出，中國(guó)中東部地區(qū)長(zhǎng)持續(xù)性降水（超過(guò)6 h）的最大降水量多出現(xiàn)在清晨，而短持續(xù)性降水（1～3 h）峰值多在下午到傍晚發(fā)生。降水的峰值時(shí)間與降水的持續(xù)性之間的關(guān)系亦存在顯著的地域差異。利用山東氣象觀測(cè)站的逐時(shí)降水資料，對(duì)不同持續(xù)性降水分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上分析不同持續(xù)性降水事件的日變化特征。

山東1999-2013年夏季不同持續(xù)時(shí)間降水的過(guò)程降水量總體上短持續(xù)性降水的累積降水量較大，其中持續(xù)3 h的降水過(guò)程累積降水量最大，占所有持續(xù)降水總量的8.6%，其次是持續(xù)4 h和5 h降水過(guò)程，分別占總降水量的8.2%和8.0%，而持續(xù) 13 h以上的降水過(guò)程降水量均較小，表明山東短持續(xù)性降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)較長(zhǎng)持續(xù)性降水大。

從不同持續(xù)時(shí)間降水過(guò)程降水量從各時(shí)次的分布來(lái)看（圖6a），持續(xù)1～4 h降水量在傍晚前后出現(xiàn)大值，且午前的降水量較午后少，持續(xù)時(shí)間為2 h的最大降水量出現(xiàn)在17：00～19：00。5 h以上的持續(xù)降水在6：00或7：00易出現(xiàn)大值，午后的降水量較午前少。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，山東持續(xù)1～6 h的短持續(xù)性降水次數(shù)約占總降水次數(shù)的79.5%，其中持續(xù)1 h降水過(guò)程降水次數(shù)最多，占總降水次數(shù)的29.5%。持續(xù)6 h以上的降水過(guò)程占總降水次數(shù)的20.5%，表明山東降水主要以短持續(xù)性降水為主，長(zhǎng)持續(xù)性降水次數(shù)較少。

圖6b代表山東夏季不同持續(xù)時(shí)間降水事件在各時(shí)次的頻次分布。從圖6b中可以看出，持續(xù)1～ 6 h的短持續(xù)性降水多發(fā)生于3：00～8：00和14：00～20：00，即短持續(xù)性降水多發(fā)于清晨和午后至傍晚，而持續(xù)6 h以上的長(zhǎng)持續(xù)性降水多發(fā)生于凌晨或清晨，尤其以6：00為最多。

4 結(jié)論

本研究利用1999～2013年山東省122個(gè)臺(tái)站觀測(cè)的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了山東省夏季降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度和降水持續(xù)性的日變化特征。主要結(jié)論如下。

1）山東省降水量的日變化表現(xiàn)為清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，尤其以5：00～7：00為最多時(shí)段，在正午前后和傍晚至凌晨?jī)蓚€(gè)時(shí)段內(nèi)降水量最小。降水量峰值區(qū)出現(xiàn)時(shí)間各地區(qū)較為一致，但降水量低值區(qū)出現(xiàn)時(shí)段各地區(qū)略有差異，半島和魯中地區(qū)在20：00～23：00降水量較小，而魯西北和魯南地區(qū)在11：00～14：00降水量較小。

2）降水頻次的日變化亦表現(xiàn)為清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，各站降水頻次極大值出現(xiàn)時(shí)間較為一致，均出現(xiàn)在1：00～8：00這一時(shí)段內(nèi)，并以6：00出現(xiàn)居多，半島地區(qū)降水頻次極大值出現(xiàn)時(shí)間比魯西北及魯南地區(qū)晚1～2 h。降水頻次谷值出現(xiàn)時(shí)間存在較大的區(qū)域差異，半島和魯中地區(qū)出現(xiàn)在20：00～23：00，而魯南地區(qū)出現(xiàn)在12：00～14：00，魯西北地區(qū)則出現(xiàn)了兩個(gè)低值區(qū)，分別為13：00～15：00和19：00～21：00。

3）降水強(qiáng)度的日變化表現(xiàn)為多峰并存的特征，峰值出現(xiàn)時(shí)間也較為分散，魯西北、魯中北部和魯西南部分地區(qū)在傍晚前后降水強(qiáng)度較大，半島和魯東南的沿海地區(qū)則在凌晨或清晨降水強(qiáng)度較大。

4）山東降水主要以短持續(xù)性降水為主，長(zhǎng)持續(xù)性降水次數(shù)較少，短持續(xù)性降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)較長(zhǎng)持續(xù)性降水大。短持續(xù)性降水降水量在傍晚前后出現(xiàn)大值，長(zhǎng)持續(xù)性降水降水量在清晨易出現(xiàn)大值。短持續(xù)性降水多發(fā)生于清晨和午后至傍晚，長(zhǎng)持續(xù)性降水多發(fā)生于凌晨或清晨，尤其以6：00為最多。

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