魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣分類統(tǒng)計(jì)特征分析

何鵬程，張可欣，張秀娟

1.濟(jì)南市氣象局，山東濟(jì)南 250100；2.臨沂市氣象局，山東臨沂 276000；3.濟(jì)南市人工影響天氣中心，山東濟(jì)南 250100

魯中山區(qū)又稱魯中南山地丘陵區(qū)，面積大約6.5 km2，北部泰山、魯山、沂山構(gòu)成了魯中山區(qū)的主體，地形陡峭，主峰海拔均在1 400 m以上，南部徂徠山、蒙山在1 000 m以上。該區(qū)西側(cè)為魯西北平原，東側(cè)以濰河—沭河谷地與魯東丘陵為界，北臨萊州灣，南部為魯南—蘇北平原，山東省3/4以上的山地以近圓形集中于該區(qū)，四周皆為平原，形成一個(gè)孤立、典型的中尺度地形，對(duì)全省的天氣和氣候有較大影響。曹鋼鋒等[1]研究了山東省各地年平均降水量的分布指出，山東省夏季風(fēng)盛行東南風(fēng)，暖濕氣流到達(dá)魯中山區(qū)的迎風(fēng)坡時(shí)，受地形抬升作用影響往往雨勢(shì)加大。張可欣等[2]利用RegCM模式，采用NOAA的NCEP/DOE再分析資料，進(jìn)行魯中山區(qū)地形對(duì)山東省平均氣溫和降水影響的控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)，結(jié)果表明：魯中山區(qū)地形的作用使魯南，泰山、魯山南部，泰山西北部及五蓮山東南部地區(qū)降水量增加，魯中西部、北部降水減少。

強(qiáng)對(duì)流天氣是指出現(xiàn)龍卷、冰雹、雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣。5月和6月是魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)季節(jié)，也是麥子等農(nóng)作物成熟的季節(jié)，強(qiáng)對(duì)流天氣因其突發(fā)性和局地性強(qiáng)、破壞力大等特點(diǎn)，經(jīng)常導(dǎo)致農(nóng)作物倒伏，影響其收割和產(chǎn)量。對(duì)中國(guó)的冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等對(duì)流性天氣的氣候分布特征已有較多的分析。姚莉等[3]基于1991—2005年中國(guó)逐時(shí)降水資料分析了8 mm/h以下和以上雨強(qiáng)的時(shí)空分布特征。陳炯等[4]基于1991—2009年全國(guó)876個(gè)基本基準(zhǔn)氣象站整點(diǎn)逐時(shí)降水資料，通過(guò)不同時(shí)段發(fā)生時(shí)次頻率分析，總結(jié)了中國(guó)暖季（4—9月）短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)雷達(dá)氣候?qū)W研究方面也取得了一些進(jìn)展。王俊[5]利用濟(jì)南多普勒天氣雷達(dá)資料統(tǒng)計(jì)分析了2004—2015年148個(gè)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)回波特征。孫康遠(yuǎn)等[6]利用2009—2013年6—9月長(zhǎng)時(shí)間序列的南京多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)識(shí)別對(duì)流回波并格點(diǎn)化，統(tǒng)計(jì)并分析了南京及周邊地區(qū)對(duì)流風(fēng)暴的氣候?qū)W分布特征。對(duì)魯中山區(qū)特殊地形條件下分析的較少，尤其是對(duì)魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣研究更少。因此，本文利用魯中山區(qū)的觀測(cè)資料，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分析了魯中山區(qū)冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水3類強(qiáng)對(duì)流天氣的時(shí)空分布特征，以此為魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

本文采用了山東省氣象信息中心提供的魯中山區(qū)24個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站1997—2016 年冰雹、雷暴、大風(fēng)、降水日資料，2002—2016年逐小時(shí)降水資料，以及2006—2016年逐小時(shí)風(fēng)向風(fēng)速資料。在統(tǒng)計(jì)年變化和月變化時(shí)，冰雹、雷暴大風(fēng)采用了1997—2016年歷史資料，短時(shí)強(qiáng)降水采用了2002—2016年逐時(shí)觀測(cè)資料；日變化時(shí)只統(tǒng)計(jì)了短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)，短時(shí)強(qiáng)降水采用2002—2016年逐時(shí)觀測(cè)資料，雷暴大風(fēng)采用2006—2016年觀測(cè)資料。

強(qiáng)對(duì)流日的定義采取以下方案：以20:00為日界，在一天內(nèi)，魯中山區(qū)24個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站中有1個(gè)站出現(xiàn)1個(gè)時(shí)次及以上冰雹，即定義該站為1個(gè)冰雹日。同理，一天中單站出現(xiàn)1個(gè)時(shí)次及以上風(fēng)速≥17.2 m/s，且當(dāng)天出現(xiàn)雷暴即定義該站為1個(gè)雷暴大風(fēng)日；一天中單站出現(xiàn)1個(gè)時(shí)次及以上降水量≥20 mm/h，即定義該站為1個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日。

同時(shí)，還采用了2013—2016年4—8月濟(jì)南新一代天氣雷達(dá)每隔6 min一次觀測(cè)的全部基數(shù)據(jù)文件，從每個(gè)基數(shù)據(jù)文件中提取出組合反射率，并將每個(gè)格點(diǎn)（1 000×1 000）上組合反射率超過(guò)35 dBz的次數(shù)進(jìn)行累加，得到濟(jì)南新一代天氣雷達(dá)組合反射率超過(guò)35 dBz總次數(shù)空間分布。

2 空間分布特征

從魯中山區(qū)地形和各國(guó)家氣象觀測(cè)站強(qiáng)對(duì)流天氣平均每年出現(xiàn)的頻次分布可見(jiàn)，雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水分布大體一致，魯中西偏北濟(jì)南一帶為大值區(qū)域，濰坊市附近存在另一個(gè)副中心，區(qū)別是短時(shí)強(qiáng)降水比雷暴大風(fēng)更偏西（圖1）。而冰雹的空間分布與以上兩類明顯不同，冰雹的年發(fā)生的頻次在0.3~0.9 d之間，主要集中在0.3~0.4 d之間，在泰安附近頻次較多，最大值為年均0.9 d（圖1b）；雷暴大風(fēng)出現(xiàn)的年極值為2.7 d，出現(xiàn)在濟(jì)南和德州南部，另外魯中山區(qū)東部濰坊一帶出現(xiàn)另一個(gè)副中心，年極值為1.5~1.8 d（圖1c）；短時(shí)強(qiáng)降雨出現(xiàn)的頻次極值為3.9 d，中心比雷暴大風(fēng)偏西（圖1d）。

圖1 山東省電子高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品（a）和魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣年頻次分布

3 時(shí)間分布特征

3.1 年際變化

將魯中山區(qū)24個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站每年度出現(xiàn)的冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水分別累加,然后取24個(gè)站的平均值，得到魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣年際變化圖（圖2）。

從冰雹出現(xiàn)的年際變化可以看出，每年最多0.8 d，最少0.1 d，其中1998年、2005年和2010年出現(xiàn)的頻次相對(duì)較多，2007年、2009年和2014年相對(duì)較少（圖2a）。

雷暴大風(fēng)出現(xiàn)的年際變化趨勢(shì)和冰雹較為一致，最大值出現(xiàn)在2005年（雷暴大風(fēng)日數(shù)為3 d），2008—2013年波動(dòng)較小，2014年之后測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)體制改革的原因，雷暴日數(shù)為0，因此雷暴大風(fēng)也統(tǒng)計(jì)為0（圖2a和圖2b）。

短時(shí)強(qiáng)降水的年變化圖可以看出，短時(shí)強(qiáng)降水在2016年最多，達(dá)到3.6 d，2004年、2007年、2013年相對(duì)較多，而2002年和2014—2015年相對(duì)較少（圖2c）。

圖2 魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的年變化

3.2 月變化

將魯中山區(qū)24個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站所有站，出現(xiàn)的冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水分別按月累加，再除以年數(shù)和站點(diǎn)數(shù)，得到魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣月變化圖（圖3）。

從冰雹出現(xiàn)的月變化可以看出，5—6月為冰雹盛行月，以6月最多，年均0.12 d（圖3a）。此時(shí)期冷暖空氣交替頻繁，加上魯中山區(qū)的地形作用，極易形成冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。而7—8月盛夏期間，魯中山區(qū)也有冰雹出現(xiàn)，但是相對(duì)4—6月少很多。

雷暴大風(fēng)盛行月為4—8月，最多為6月0.28 d，4月 為 第2個(gè) 峰 值（圖3b）。由于2014年后沒(méi)有雷暴記錄，平均到每個(gè)月的數(shù)值要偏小。與冰雹和雷暴大風(fēng)相比，短時(shí)強(qiáng)降水的盛行月時(shí)間跨度明顯偏長(zhǎng)，有5個(gè)月，冰雹集中在5月和6月，短時(shí)強(qiáng)降水集中在7月和8月。主要原因是產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)，無(wú)論是引導(dǎo)冷空氣東移南下的高空冷渦、低槽冷鋒等北支天氣系統(tǒng)，還是北抬的切變線、倒槽等南支天氣系統(tǒng)，極易在魯中山區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣。

短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在7月和8月，其中7月最多，達(dá)到1.3 d，5月偶有出現(xiàn)，其他月份基本沒(méi)有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)（圖3c）。與冰雹相比，短時(shí)強(qiáng)降水要拖后兩個(gè)月。主要原因在于影響冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水的主要天氣系統(tǒng)有區(qū)別，產(chǎn)生冰雹的天氣系統(tǒng)以高空冷渦、低槽冷鋒等天氣系統(tǒng)為主，而短時(shí)強(qiáng)降水以北抬的切變線、倒槽天氣系統(tǒng)為主。

圖3 魯中山區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的月變化

3.3 日變化

利用魯中山區(qū)24個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站逐時(shí)降水（2002年1月1日開(kāi)始）、逐時(shí)大風(fēng)（從2006年1月1日開(kāi)始）和雷暴資料，統(tǒng)計(jì)出了平均每年、單站短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的日變化。短時(shí)強(qiáng)降水的日變化呈雙峰特征。其中，主峰發(fā)生在強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)間多在14:00~21:00，次峰出現(xiàn)在06:00前后；08:00~13:00是最不活躍時(shí)段。

雷暴大風(fēng)的日變化和短時(shí)強(qiáng)降水主峰發(fā)生的時(shí)間類似，18:00前后達(dá)到峰值0.21次。不同之處是雷暴大風(fēng)主峰持續(xù)的時(shí)間相對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水要短，峰更為明顯。短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的主峰值一致的原因可能在于：午后到傍晚更容易發(fā)生熱對(duì)流，同時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)間一般比雷暴大風(fēng)長(zhǎng)。另外，雷暴大風(fēng)在01:00~03:00和08:00有2個(gè)次峰發(fā)生。

4 雷達(dá)統(tǒng)計(jì)特征

從圖4可以看出，大值區(qū)（中心值超過(guò)3萬(wàn)次）主要位于黃河以南、魯中山區(qū)西北部一線，中心正好位于泰山山脈西北部。副中心位于魯山附近，相對(duì)弱的多。另外，在雷達(dá)半徑50 km以內(nèi)，有向外輻射狀的大值區(qū)，可能是雷達(dá)對(duì)其附近的觀測(cè)，捕捉到的強(qiáng)對(duì)流信息比遠(yuǎn)處更多。

圖4 濟(jì)南雷達(dá)組合反射率超過(guò) 35 dBz 總次數(shù)分布圖

5 結(jié)論

（1）空間分布特征：雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水分布大體一致，濟(jì)南一帶為大值區(qū)域，濰坊市附近存在另一個(gè)副中心，區(qū)別是短時(shí)強(qiáng)降水比雷暴大風(fēng)更偏西。而冰雹的空間分布與以上兩類明顯不同，在泰安市附近發(fā)生的頻次較多，最大值為年均0.9 d。

（2）年際變化：冰雹1998年、2005年和2010年出現(xiàn)頻次相對(duì)較多，2007、2009年和2014年年相對(duì)較少；雷暴大風(fēng)的年際變化趨勢(shì)和冰雹較為一致，最大值為每年3 d；短時(shí)強(qiáng)降水在2016年最多，達(dá)到3.6 d，2004年、2007年、2013年 相 對(duì) 較 多，2002年 和2014—2015年相對(duì)較少。

（3）月變化：春季4—6月為冰雹盛行月，以6月最多，年均0.12 d；雷暴大風(fēng)和冰雹相對(duì)較為一致，區(qū)別在于雷暴大風(fēng)比冰雹出現(xiàn)的時(shí)間更早，在4月出現(xiàn)了0.24 d的第2個(gè)峰值；短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在6月、7月和8月，其中7月最大達(dá)到1.3 d。

（4）日變化：強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)間多在6:00前后和14:00到前半夜這段時(shí)間，08:00~13:00是最不活躍時(shí)段；雷暴大風(fēng)08:00前后有一峰值，10:00~13:00為最不活躍時(shí)段，14:00開(kāi)始增多，18:00出現(xiàn)的頻率達(dá)到峰值0.21次，前半夜維持較高次數(shù)，下半夜有所減少。

（5）新一代天氣雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品可以更精準(zhǔn)地體現(xiàn)出強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的氣候情況，濟(jì)南新一代天氣雷達(dá)組合反射率超過(guò)35 dBz總次數(shù)大值區(qū)主要位于黃河以南、魯中山區(qū)西北部一線，中心正好位于泰山山脈西北部。