魯中地區(qū)近35 a不同歷時(shí)降水變化特征

環(huán)海軍，劉 巖，孫燕玲，夏福華

（淄博市氣象局，山東 淄博255048）

降水強(qiáng)度是受氣候變化影響最為敏感的氣象要素之一，是水文要素時(shí)空變化的重要影響因子[1,2]。當(dāng)前對降水強(qiáng)度變化規(guī)律的研究方法主要有兩種：一是從氣候動力學(xué)模型出發(fā)，通過設(shè)定不同情景模式，利用全球海氣耦合系統(tǒng)對未來氣候進(jìn)行模擬預(yù)估；二是對過去的降水資料或歷史代用資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)擬合分析，獲得降水的變化規(guī)律，利用降水要素的特征值來統(tǒng)計(jì)分析降水變化規(guī)律成為當(dāng)前的一條主要途徑[3]。在全國降水特征研究方面，徐新創(chuàng)等[4]研究表明，中國降水強(qiáng)度年代際變化總體呈現(xiàn)上升趨勢；金煒昕等[5]研究結(jié)果表明，中國中東部總降水量呈“南升北降”的趨勢，北方地區(qū)降水時(shí)數(shù)和事件數(shù)顯著減少，但降水強(qiáng)度呈增加趨勢。在區(qū)域降水特征研究方面，王國榮等[6]研究表明，北京地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水主要分布在山前及山前的平原地區(qū)，主要發(fā)生在午后到前半夜；宋曉猛等[7]研究表明，北京地區(qū)各歷時(shí)降水發(fā)生率隨降水歷時(shí)的增加而呈冪指數(shù)遞減趨勢，貢獻(xiàn)率則先降低后增加；吳濱等研究結(jié)果表明[8]，福建省不同歷時(shí)暴雨頻次的空間分布特點(diǎn)基本相同，呈增加趨勢；魏軍等[9]研究表明，近43 a石家莊市極端降水事件發(fā)生頻率總體變化趨勢平緩，但年際間波動較大。沈澄等研究表明[10]，南京雨強(qiáng)＞50 mm·h-1致災(zāi)性短時(shí)強(qiáng)降水過程的發(fā)生次數(shù)呈顯著增長趨勢，不同時(shí)期短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間不同。

在山東降水特征研究方面，董旭光等研究表明[11]，近50 a山東省年降水總?cè)諗?shù)總體呈極顯著減少趨勢，暴雨強(qiáng)度增加趨勢明顯，年際波動較大；尹承美等[12]研究表明，濟(jì)南市小時(shí)降水量＞15 mm強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在07:00、19:00和23:00前后；王成都等[13]研究表明，山東極端降水量由東南向西北減小，21世紀(jì)前10 a部分地區(qū)極端最大過程降水量較20世紀(jì)70—90年代大；環(huán)海軍等[14-16]研究表明，魯中地區(qū)暴雨強(qiáng)度和極端降水日數(shù)呈上升趨勢，不同歷時(shí)降水開始時(shí)間和變化規(guī)律存在空間差異。目前研究區(qū)域降水特征主要集中在不同日降水強(qiáng)度的發(fā)生頻率和發(fā)生時(shí)間，研究結(jié)果區(qū)域化差異較大，對持續(xù)多日不同強(qiáng)度降水的變化規(guī)律研究相對較少。

魯中地區(qū)地處山東省中部，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多數(shù)地區(qū)處在亞濕潤氣候大區(qū)的指標(biāo)范圍，地形主要包括平原和山區(qū)，受季風(fēng)影響，氣候變化具有明顯的季節(jié)性，冬季盛行偏北風(fēng)，雨雪稀少，寒冷干燥；春季氣溫回升快，少雨多風(fēng)，干旱發(fā)生頻繁；夏季高溫高濕，降水集中；秋季降水銳減，秋高氣爽。魯中地區(qū)干旱發(fā)生較為頻繁，尤其在春季。目前尚未有單獨(dú)針對該地區(qū)不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水日數(shù)變化規(guī)律的研究，本文基于魯中地區(qū)近35 a氣象資料研究不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水日數(shù)變化規(guī)律，以期深入了解當(dāng)?shù)亟邓兓卣?，為不同持續(xù)時(shí)間降水預(yù)測預(yù)警提供參考依據(jù)，更好地服務(wù)當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 資料和方法

本文氣象資料來源于魯中地區(qū)自南而北的8個(gè)國家氣象站的1980—2014年近35 a逐日降水量資料，資料年限根據(jù)選取站點(diǎn)建站最晚年限確定，研究區(qū)域和站點(diǎn)分布見圖1。圖1a中陰影部分為研究區(qū)域，地形包括平原和山區(qū)，圖1b陰影部分為山區(qū)，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制。雨日劃分的標(biāo)準(zhǔn)為：日降水量在0.1～9.9 mm為小雨日，日降水量在10～24.9 mm為中雨日，日降水量在25.0～49.9 mm為大雨日，日降水量在50.0～99.9 mm為暴雨日，日降水量在100.0～250.0 mm為大暴雨日，日降水量大于250.0 mm為特大暴雨日，2 d小雨為持續(xù)2 d小雨日，其他持續(xù)時(shí)間降水日以此類推。

基于氣象數(shù)據(jù)采用氣候傾向率、相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)方法分析不同歷時(shí)最大降水強(qiáng)度的時(shí)間變化特征，運(yùn)用峰度系數(shù)作為表征數(shù)據(jù)分布曲線頂端尖峭或扁平程度的指標(biāo)，偏度系數(shù)表征數(shù)據(jù)分布曲線對稱程度的指標(biāo)，偏度系數(shù)為0，峰度系數(shù)為3的分布為正態(tài)分布，偏度系數(shù)為正數(shù)的為正偏分布，負(fù)數(shù)則為負(fù)偏分布，＞3的峰度系數(shù)說明數(shù)據(jù)更集中，有比正態(tài)分布更短的尾部，＜3的峰度系數(shù)說明數(shù)據(jù)不那么集中，有比正態(tài)分布更長的尾部，類似于矩形的均勻分布。利用經(jīng)驗(yàn)正交分解法（EOF）分析空間變化特征[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水頻率時(shí)間變化規(guī)律

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布

2.1.1 年際變化

不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水年發(fā)生次數(shù)變化規(guī)律見表1。魯中地區(qū)近35 a無特大暴雨發(fā)生，不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水發(fā)生頻率隨降水強(qiáng)度的增加和持續(xù)時(shí)間的增長而減少。1 d大暴雨平均年發(fā)生0.23次，呈正偏態(tài)分布，年際波動幅度大，隨時(shí)間增加趨勢明顯。不同持續(xù)時(shí)間暴雨年發(fā)生次數(shù)隨時(shí)間變化增加趨勢不顯著，呈正偏態(tài)分布，持續(xù)3 d暴雨僅2013年7月9—11日在北部平原地區(qū)發(fā)生一次。1 d大雨隨時(shí)間變化呈弱增加趨勢，年際波動幅度較小，持續(xù)2 d大雨呈弱減少趨勢，呈正偏態(tài)分布，年際波動幅度較大，持續(xù)3 d大雨近35 a共發(fā)生2次，分別出現(xiàn)在1995年8月3—5日和2005年9月19—21日，均發(fā)生在中部地區(qū)。

1 d中雨隨時(shí)間變化呈增加趨勢，氣候傾向率為0.68次/10 a，持續(xù)2 d中雨年發(fā)生次數(shù)較1 d明顯偏少，呈弱減少趨勢，符合正偏態(tài)分布，持續(xù)3 d中雨年發(fā)生概率為34%，隨時(shí)間變化呈增加趨勢，持續(xù)4 d中雨近35 a共發(fā)生4次，分別出現(xiàn)在1985、1993、2008年和2014年，其中，山區(qū)出現(xiàn)3次，北部平原出現(xiàn)1次。1 d小雨平均年發(fā)生56.36次，呈弱減少趨勢，年際波動幅度較小，呈負(fù)偏態(tài)分布；持續(xù)2 d小雨年發(fā)生次數(shù)呈正態(tài)分布，隨時(shí)間變化呈減少趨勢；持續(xù)3 d小雨呈增加趨勢，年際波動較??；持續(xù)4 d小雨平均年發(fā)生1.01次，年際波動較大，呈弱減少趨勢；持續(xù)5 d小雨平均年發(fā)生0.18次，發(fā)生概率為37%，主要分布在20世紀(jì)80年代和2005—2010年。

表1 不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水年發(fā)生次數(shù)

2.1.2 季節(jié)變化

不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水月發(fā)生次數(shù)變化規(guī)律見圖2。由圖2可知，1 d不同強(qiáng)度降水最多均發(fā)生在7月，平均發(fā)生次數(shù)占全年的28%，其次為8月，占26%，6—7月急劇增多，8月后急劇減少；持續(xù)2 d中雨和小雨發(fā)生次數(shù)在6月小幅度下降后急劇增多，大雨和小雨最多出現(xiàn)在8月，分別占全年的39%、14%，中雨出現(xiàn)在7月，占全年的28%，8月后各強(qiáng)度降水月發(fā)生次數(shù)急劇減少。

持續(xù)3 d中雨和小雨最多發(fā)生在8月，分別占全年的42%、17%，8月前呈增加趨勢，8月后呈減少趨勢，中雨發(fā)生在7—9月和11月，小雨各月均有發(fā)生；持續(xù)4 d小雨最多發(fā)生在8月，占全年的21%，其次為9月，除4月無持續(xù)4日小雨發(fā)生外，其他各月均有發(fā)生；持續(xù)5 d小雨出現(xiàn)在7—9月和11月，最多出現(xiàn)在9月，占全年的44%，35 a平均年次數(shù)為0.08次，發(fā)生概率較小。

圖2 1 d（a）、持續(xù)2 d（b）、持續(xù)3 d（c）和持續(xù)4 d（d）降水各月發(fā)生次數(shù)

2.2 不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水頻率空間變化規(guī)律

不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水平均年發(fā)生次數(shù)空間變化規(guī)律見表2。由表可知，山區(qū)1 d不同強(qiáng)度降水年發(fā)生次數(shù)較平原偏多，偏多幅度隨著降水強(qiáng)度的增加而增大。持續(xù)2 d暴雨中北部平原發(fā)生次數(shù)最多為3次，其中2次發(fā)生在近10 a，東部平原未發(fā)生，持續(xù)2 d大雨平均年發(fā)生次數(shù)東部平原最多，北部平原最少，持續(xù)2 d中雨和小雨平均年發(fā)生次數(shù)空間變化規(guī)律一致，山區(qū)偏多，北部平原最少，空間差異不大。

持續(xù)3 d暴雨僅在北部平原發(fā)生1次，出現(xiàn)在2013年7月9—11日，此次暴雨過程使該地區(qū)地面積水嚴(yán)重，多數(shù)村莊進(jìn)行了應(yīng)急轉(zhuǎn)移，持續(xù)3 d大雨出現(xiàn)2次，分別是2005年出現(xiàn)在中西部平原，1995年出現(xiàn)在東部平原，持續(xù)3 d中雨和小雨山區(qū)最多，其他各地接近。持續(xù)4 d中雨山區(qū)和北部平原分別出現(xiàn)1次，其他地區(qū)未發(fā)生，持續(xù)4 d小雨各地年發(fā)生次數(shù)接近，中部山區(qū)最多。持續(xù)5 d小雨各地年發(fā)生次數(shù)均較少，平原略偏多。

1 d不同強(qiáng)度降水發(fā)生次數(shù)EOF分解第一特征向量空間分布見圖3。1 d大暴雨年發(fā)生次數(shù)的EOF分解前3個(gè)特征向量貢獻(xiàn)率分別為36%、19%、16%，第一特征向量表明，除中部平原外的其他地區(qū)1 d大暴雨年發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢，強(qiáng)度中心在山區(qū)，第二特征向量反映南部山區(qū)呈減少趨勢，其他地區(qū)呈增加趨勢。1 d暴雨年發(fā)生次數(shù)前2個(gè)特征向量貢獻(xiàn)率分別為46%、15%，主要空間變化規(guī)律一致，隨時(shí)間呈增加趨勢，強(qiáng)度中心在山區(qū)，第二特征向量呈現(xiàn)山區(qū)和平原相反的空間變化規(guī)律。1 d大雨年發(fā)生次數(shù)前2個(gè)特征向量貢獻(xiàn)率分別為54%、13%，主要空間變化規(guī)律一致，呈增加趨勢，強(qiáng)度中心在東部平原。第二特征向量呈現(xiàn)山區(qū)、西部平原與其他地區(qū)相反的空間變化規(guī)律，隨時(shí)間變化呈顯著增加趨勢。

表2 各站不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水平均年發(fā)生次數(shù)

圖3 1 d暴雨（a）、大雨（b）、中雨（c）和小雨（d）年發(fā)生次數(shù)EOF分解第一特征向量空間分布

1 d中雨年發(fā)生次數(shù)前2個(gè)特征向量貢獻(xiàn)率分別為59%、10%，主要空間變化規(guī)律一致，隨時(shí)間變化呈顯著增加趨勢，強(qiáng)度中心在中部平原。第二特征向量呈現(xiàn)南部山區(qū)、北部平原與其他地區(qū)相反的空間變化規(guī)律，隨時(shí)間變化呈減少趨勢。1 d小雨年發(fā)生次數(shù)前2個(gè)特征向量貢獻(xiàn)率分別為69%、12%，主要空間變化規(guī)律一致，呈增加趨勢，強(qiáng)度中心在西部平原。第二特征向量呈現(xiàn)南部山區(qū)和其他地區(qū)相反的空間變化規(guī)律，隨時(shí)間變化呈顯著減少趨勢。

2.3 不同持續(xù)時(shí)間不同等級降水量變化規(guī)律

不同持續(xù)時(shí)間不同等級降水量變化規(guī)律見表3。1 d大暴雨強(qiáng)度中心在中北部平原，除南部沂源山區(qū)外，其他地區(qū)呈增加趨勢；1 d暴雨強(qiáng)度中心在北部平原，中部桓臺地區(qū)呈顯著增加趨勢，南部山區(qū)呈增加趨勢；1 d其他強(qiáng)度降水各地分布比較均勻，變化趨勢不顯著。

連續(xù)2 d暴雨強(qiáng)度中心在中部地區(qū)，除淄博、周村地區(qū)外，其他地區(qū)呈增加趨勢；連續(xù)2 d其他降水強(qiáng)度降水各地分布比較均勻，大雨和中雨多數(shù)地區(qū)呈減少趨勢，其中，東部平原中雨減少趨勢顯著，小雨變化趨勢不明顯。

連續(xù)3 d中雨強(qiáng)度中心在南部山區(qū)，除東部平原顯著增多外，其他地區(qū)變化趨勢不顯著，小雨均呈增加趨勢。連續(xù)4 d和5 d小雨各地分布均勻，4 d多數(shù)地區(qū)呈增加趨勢，5 d多數(shù)地區(qū)呈減少趨勢，變化趨勢均不顯著。

表3 各站不同持續(xù)時(shí)間不同等級降水量

3 結(jié)論與討論

（1）魯中地區(qū)近35 a無特大暴雨發(fā)生，其他不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水發(fā)生頻率隨降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的增加而減少。1 d降水除小雨外，其他強(qiáng)度降水發(fā)生次數(shù)隨時(shí)間均呈增加趨勢，大暴雨降水強(qiáng)度空間差異較大，強(qiáng)度中心在中北部平原，除沂源地區(qū)外其他地區(qū)呈增加趨勢，其他強(qiáng)度降水的降水強(qiáng)度空間分布較均勻，暴雨主要在中部平原和南部山區(qū)呈增加趨勢，其中，中部平原增加趨勢顯著，其他強(qiáng)度降水的降水強(qiáng)度變化趨勢不顯著；連續(xù)2 d暴雨年發(fā)生次數(shù)隨時(shí)間呈增加趨勢，其他強(qiáng)度降水均呈不顯著減少趨勢，暴雨強(qiáng)度中心在中部山區(qū)，除中西部平原外，其他地區(qū)呈增加趨勢，其他強(qiáng)度降水的降水強(qiáng)度分布均勻，大雨降水強(qiáng)度在東部平原呈顯著減少趨勢，中雨降水強(qiáng)度在中北部平原呈顯著增加趨勢，其他地區(qū)多數(shù)呈減少趨勢；連續(xù)3 d暴雨、大雨歷史分別出現(xiàn)1次、2次，中雨和小雨年發(fā)生次數(shù)隨時(shí)間呈增加趨勢，中雨降水強(qiáng)度在中北部平原呈增加趨勢，小雨降水強(qiáng)度在各地均呈增加趨勢；連續(xù)4 d中雨歷史發(fā)生4次，小雨年發(fā)生次數(shù)呈非顯著性減少趨勢；連續(xù)5 d小雨主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代和2005—2010年，隨時(shí)間變化呈非顯著性減少趨勢，降水強(qiáng)度在多數(shù)地區(qū)呈減少趨勢。

（2）不同強(qiáng)度降水年發(fā)生次數(shù)山區(qū)較平原偏多，偏多幅度隨著降水強(qiáng)度的增加而增大。除1 d大暴雨外，其他1 d不同強(qiáng)度降水主要空間變化規(guī)律一致，隨時(shí)間呈增加趨勢，大暴雨和暴雨的強(qiáng)度中心在山區(qū)，其他強(qiáng)度降水的強(qiáng)度中心在平原地區(qū)，第二特征向量上均存在山區(qū)與平原的差異。

（3）綜上所述，魯中地區(qū)近35 a來不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水變化規(guī)律不一致，主要呈現(xiàn)時(shí)間和空間上的差異，降水頻率與降水強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致。大暴雨、暴雨發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢，降水強(qiáng)度主要呈增加趨勢，與氣候變暖趨勢下極端強(qiáng)降水的變化趨勢一致；多數(shù)降水最多出現(xiàn)在7—8月，8月后急劇減少，與當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)氣候區(qū)主要降水時(shí)段一致；山區(qū)降水強(qiáng)度較平原偏大，與南部山區(qū)地形阻礙密切相關(guān)。深入了解不同持續(xù)時(shí)間不同強(qiáng)度降水變化規(guī)律及機(jī)理，為做好降水事件的預(yù)測預(yù)警提供基礎(chǔ)[18]，但差異的成因及其形成機(jī)制有待進(jìn)一步研究。