山东半岛地区夏半年降水日变化特征

刘 煦，凌 艺，张凯静

(1.山东省青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；2.山东省青岛市气象局，山东 青岛 266003)

引 言

夏季降水具有多时间尺度变率特征，日变化作为最基本的变率特征之一，其时空差异由太阳辐射、海陆分布以及下垫面状况、地形等因素所致[1-2]。研究降水的日变化特征有助于理解天气气候的发展演变规律，进而为数值模式的改进提供有益参考[3]，尤其是天气复杂多变的中纬度地区。

近年来，随着观测资料的日渐丰富，降水日变化研究日趋深入[4-10]。研究表明，中国夏季降水日变化存在明显的区域性差异，西南地区降水日变化呈现出凌晨和下午的双峰分布特征[11]，东南和东北地区降水日峰值主要集中在下午[12-13]，而华北地区降水日峰值多出现于早晨和傍晚前后[14-16]。降水日峰值还与降水持续时间和量级密切相关[17-18]。研究指出，在中国中东部地区，夏季降水总量的60%以上来自于长持续性降水，长持续性降水的日峰值通常出现在清晨，而短持续性降水的日峰值大多出现在傍晚前后[19]，长历时降水对凌晨的峰值贡献较大，而短历时降水对傍晚的峰值影响更大[20]。

山东省位于中国中东部沿海，地处暖温带季风气候区，其降水时空分布、降水强度以及强降水集中时段都存在明显的区域差异。其中，鲁西北、鲁中北部及半岛地区夏季极端降水主要出现在7月下旬至8月上旬，而鲁西南和鲁东南则主要出现在7月中下旬[21]；夏季极端强降水的雨量和频次大致呈带状分布，东南沿海地区大于西北内陆地区[22]。近50 a来，山东夏季降水总体呈现减少趋势，且沿海变化幅度小于内陆[23]，这种减少趋势与暴雨日降水强度的减弱关系密切[24]。山东境内地形地貌差异较大，半岛地区尤为特殊，其三面环海且多为低山、丘陵地带。另外，相较于中国其他沿海地区，山东半岛南部和北部可能同时受海陆风影响，其降水日变化与内陆和其他沿海地区有何异同？为此，本文利用1985—2016年5—10月山东半岛涵盖的威海、烟台、青岛24个气象观测站逐小时降水资料，针对降水量、降水频率和降水强度以及不同持续时间降水的日变化进行细致分析，结合ECMWF再分析资料，探讨地形和海陆风对降水的影响，以期提高对山东半岛夏半年降水日变化规律的认识，为降水的精细化预报提供参考。

1 资料和方法

所用资料为1985—2016年5—10月山东半岛威海、烟台、青岛3市24个气象观测站(图1)逐小时降水资料和2010—2016年5—10月ECMWF逐6 h再分析资料。其中，ECMWF再分析资料包括1000 hPa垂直速度、水平风场和比湿，水平分辨率为0.125°×0.125°。

图1 山东半岛气象站点分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Shandong Peninsula

将20:00(北京时，下同)至次日20:00逐时累计降水量定义为日降水量。如果小时降水量达到或超过0.1 mm，则认为有降水发生，降水发生后连续2 h没有降水则认为一次降水过程结束，降水过程从开始到结束之间的时数为降水持续时间。将持续时间小于6 h的降水定义为短持续性降水，6 h及以上的降水定义为长持续性降水[14-15]。降水等级划分：日降水量0.1～9.9 mm为小雨，10.0～24.9 mm为中雨，25.0～49.9 mm为大雨，50.0 mm及以上为暴雨。

使用的主要指标包括降水量(precipitation，P)、降水频率(precipitation frequency，PF)和降水强度(precipitation intensity，PI)，表达式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Pt、PFt、PIt为一天中第t(t=1，2，3,…，24)小时的气候平均降水量(mm)、降水频率(%)和降水强度(mm·h-1)；j为年份(j=1，2，3，…，32)；i为5—10月的排序天数(i=1，2，3，…，184)；Pi,j,t、Fi,j,t分别为第j年、第i天、第t小时的降水量和降水频率；D为1985—2016年5—10月总天数(32×184=5888 d)。

2 结果与分析

2.1 降水日变化特征

图2是1985—2016年夏半年山东半岛区域平均降水量、降水频率和降水强度的日变化。可以看出，夏半年山东半岛平均降水量、降水频率和降水强度的日变化均表现为双峰型分布，前两个指标的主峰和次峰均出现在05:00和15:00，且两峰值相差较大，其中降水量主峰值和次峰值分别约0.16、0.12 mm，降水频率分别约7.1%、5.2%，这与ZHOU等[25]的研究结果一致，而后一指标的两峰分别出现在02:00和15:00，两峰值相差较小，分别为2.29、2.32 mm·h-1。

图3是山东半岛不同区域夏半年降水量、降水频率和降水强度的日变化。可以看出，威海、烟台、青岛3市降水量和降水频率的日变化较为一致，都表现出较典型的双峰分布特征，两峰值分别出现在清晨和下午，其中东部的威海降水量和降水频率峰值最大，南部的青岛次之，北部的烟台最小，3市主峰出现时间相同，次峰出现时间不同；各时次降水频率均自威海、青岛、烟台依次减小，而3市各时次降水量的大小变化规律不尽相同[图3(a)和图3(b)]。从图3(c)来看，3市降水强度日变化呈现双峰或多峰特征，威海降水强度主峰出现在清晨，而烟台和青岛主峰出现在午后，其中清晨的峰值威海最大，烟台次之，青岛最小，而午后的峰值正相反，青岛最大、烟台次之，威海最小。

山东半岛夏半年降水量日变化的双峰型分布在我国其他地区也有类似特征，如山西和陕西北部地区，但这些地区的地形以山地为主，地表受热不均，傍晚的对流性降水更强[20]，故而傍晚的峰值更为明显；辽宁大多数沿海站点的降水量峰值都出现在正午前，这是由海陆风转换所致，在陆风结束前有利于沿岸地区产生辐合而形成降水[13]。可见，地形和海陆风对降水峰值有一定影响。山东半岛是中国最大的半岛，三面临海，地形复杂，山地、丘陵、平原相间分布，以丘陵、低山为主，丘陵海拔多为200 m左右，低山海拔多在500～1000 m之间，崂山海拔最高为1130 m。地形和海陆风对其降水量日变化如何影响？还需进一步分析。

图2 1985—2016年夏半年山东半岛区域平均降水量(a)、降水频率(b)和降水强度(c)日变化Fig.2 Diurnal variations of regional average precipitation (a), precipitation frequency (b) and precipitation intensity (c) in Shandong Peninsula in summer half year during 1985-2016

图3 1985—2016年夏半年山东半岛不同区域平均降水量(a)、降水频率(b)和降水强度(c)日变化Fig.3 Diurnal variations of average precipitation (a), precipitation frequency (b) and precipitation intensity (c) in different areas of Shandong Peninsula in summer half year during 1985-2016

2.2 不同持续时间降水量日变化特征

不同持续时间降水对降水日峰值有重要影响，降水峰值出现时间与降水持续性的关系存在明显的地域差异[7,19]。从图4(a)和图4(b)看出，夏半年山东半岛大部地区短持续性降水的雨量所占比例都在32%以下，且自东北部和东南部沿海向半岛西部逐渐递增，而长持续性降水的雨量所占比例均在68%以上，且空间分布正相反，自东北部和东南部沿海向半岛西部逐渐递减。从图4(c)和图4(d)看出，短持续性降水的雨量日峰值在半岛中部和东部122°E附近存在两个高值区，且半岛中、北部日峰值主要出现在15:00—18:00，而南部日峰值出现时间空间差异较大；长持续性降水雨量日峰值的空间分布呈现东高西低，高值区出现在半岛东南部，低值区出现在半岛中西部，日峰值出现时间相差不大，主要在03:00—06:00。

综上所述，山东半岛夏半年降水以长持续性降水为主，短持续性降水的雨量日峰值约为长持续性降水的一半，前者多出现在午后，后者多出现在清晨，且后者具有较好的空间一致性。

图5是夏半年山东半岛及不同区域平均短持续性和长持续性降水量的日变化。可以看出，夏半年山东半岛及其3市短持续性降水的雨量日峰值都出现在清晨和下午，下午的主峰值明显大于清晨次峰值，且3市的峰值较接近[图5(a)]；长持续性降水的雨量日变化呈单峰分布，峰值出现在清晨前后，其中威海雨量最大，青岛次之，烟台最小[图5(b)]。对比来看，短持续性降水的雨量逐时变化较长持续性降水更为复杂。结合图3(a)看出，山东半岛降水量清晨的主峰值主要由长持续性降水引起，而下午的次峰值则主要受短持续性降水影响。

图4 1985—2016年夏半年山东半岛地区短持续性(a、c)和长持续性(b、d)降水的雨量占总雨量百分比(a、b，单位：%)和小时雨量日峰值(填色，单位：mm)及其出现时间(箭矢)(c、d)的空间分布Fig.4 Spatial distributions of the percentage of precipitation to total precipitation (a, b, Unit: %), the diurnal peak of hourly precipitation (shadows, Unit: mm) and its occurrence time (vectors) (c, d) for short-duration (a, c) and long-duration (b, d) rainfall in Shandong Peninsula in summer half year from 1985 to 2016

图5 1985—2016年夏半年山东半岛不同地区短持续性(a)和长持续性(b)降水量日变化Fig.5 Diurnal variations of short-duration (a) and long-duration (b) precipitation in different regions of Shandong Peninsula in summer half year during 1985-2016

图6 2010—2016年夏半年02:00(a、c)、14:00(b、d)山东半岛1000 hPa平均垂直速度场(a、b，单位：Pa·s-1)及水平风场(箭矢，单位：m·s-1)和比湿(填色，单位：g·kg-1)(c, d)的空间分布(三角形为艾山，实心圆圈为牙山，实心五角星为昆嵛山，实心矩形为崂山)Fig.6 The spatial distribution of average vertical velocity (a, b, Unit: Pa·s-1), horizontal wind field (vectors, Unit: m·s-1) and specific humidity (shadows, Unit: g·kg-1) (c, d) on 1000 hPa at 02:00 BST (a, c) and 14:00 BST (b, d) in Shandong Peninsula in summer half year from 2010 to 2016(The locations of Aishan, Yashan, Kunyushan and Laoshan were marked by triangle, solid circle, solid star and solid rectangle, respectively)

图6是2010—2016年夏半年02:00和14:00山东半岛1000 hPa平均垂直速度、水平风场和比湿的空间分布。可以看出，02:00，山东半岛东部和东南部地区为上升运动区[图6(a)]，水平风场表现为一致的偏南风，将海上的水汽输送到半岛地区，大部地区比湿在11.5～12.7 g·kg-1之间[图6(c)]，充足的水汽有利于降水的持续。此外，半岛东部沿海地区的比湿明显大于西部，且上升运动强，是威海长持续性降水雨量最大的原因之一。14:00，半岛地区上升运动范围明显扩大，且强度更强[图6(b)]，比湿条件虽不如02:00，但水平风场上有明显辐合[图6(d)]，进一步使上升运动增强，低层大气受热不稳定性增大，易于激发对流活动，有利于短持续性降水的产生。

山东半岛三面环海，北临渤海，东部和南部与黄海相接，主要山脉分布在半岛的东南部和北部地区，其中东南部为青岛的崂山，北部为近乎东西向分布的莱山山脉，自西向东分别为艾山、牙山和昆嵛山。特殊的海陆差异和山脉地形作用势必对半岛地区降水产生一定影响。海陆热容量的差异导致海陆受热不均匀，白天半岛北部海风表现为偏北风，半岛南部则是偏南风。在海风作用下，白天在半岛中南部地区低层出现辐合大值区。从14:00的垂直速度场[图6(b)]来看，上升运动大值区出现在半岛中北部，与艾山、牙山和昆嵛山的位置大致一致。白天，半岛北部的偏北海风和南部的偏南海风[图6(d)]受北部山脉地形阻挡，迫使上升运动增强，并在半岛东部黄海海面转为下沉运动，从而进一步使得低层的海风及水汽辐合增强，造成降水增强。然而，半岛中部为地势相对平缓的胶莱平原，尽管该区偏南海风辐合较强，但无地形抬升，其上升运动较半岛北部弱。在夜间[图6(c)]，半岛北部为偏南陆风，而半岛南部仍为偏南海风(这可能是所选时段半岛南部陆风出现的频率较小，平均后就更加不明显)，因此半岛地区在一致的偏南风影响下，受莱山山脉阻挡，气流被迫抬升，使得半岛东南部山脉迎风坡的上升运动[图6(a)]和低层水汽辐合增强，从而导致降水增多。

2.3 不同等级降水的日变化特征

不同等级降水的雨量(降水频率或降水强度)之间差异较大，为了更清楚地展示各自的日变化特征以及可比性，进行了z-score标准化处理。图7是山东半岛夏半年不同等级降水的雨量、降水频率和降水强度及其z-score标准化的日变化。可以看出，山东半岛夏半年凌晨至清晨(03:00—06:00)降水量的贡献主要来自于暴雨和大雨，而午后到傍晚暴雨、大雨和中雨的贡献相当[图7(a)]；结合标准化雨量的日变化[图7(d)]看出，不同等级降水的雨量日变化都呈现双峰特征，暴雨的两峰值相差较大，主峰在清晨前后，大雨、中雨和小雨的两峰值相差较小，尤其是中雨，两峰值围绕0.03 mm上下波动，且大雨和中雨峰值出现在清晨和午后，但大雨主峰在清晨，中雨主峰在午后，而小雨的双峰则出现在清晨和傍晚。山东半岛威海、烟台和青岛3市不同等级降水的雨量日变化也有类似特征(图略)。

图7 山东半岛夏半年不同等级降水的雨量(a)及其标准化(d)、降水频率(b)及其标准化(e)和降水强度(c)及其标准化(f)的日变化Fig.7 Diurnal variations of precipitation (a) and normalized precipitation (d), precipitation frequency (b) and normalized precipitation frequency (e), precipitation intensity (c) and normalized precipitation intensity (f) of rainfall with different levels in summer half year in Shandong Peninsula

就降水频率而言，夏半年山东半岛无论哪个时刻都是小雨的贡献最大，几乎占总降水频率的一半，其次是中雨[图7(b)]；小雨和中雨降水频率的日变化呈现双峰分布，小雨的两峰值分别出现在清晨和傍晚，中雨的两峰值则出现在清晨和午后，而大雨和暴雨降水频率的日变化只在清晨出现一次峰值[图7(e)]。结合图7(c)和图7(f)看出，夏半年山东半岛小雨和中雨的逐小时降水强度在午后至夜间时段最强，大雨和暴雨的降水强度在清晨和午后各有一峰值，前者的降水强度在午后更强，后者则是在清晨更强。

综上所述，虽然小雨和中雨的降水频率较大，但大雨和暴雨的降水强度远大于小雨和中雨，故而日降水量的贡献以大雨和暴雨为主。

3 结 论

(1)山东半岛地区夏半年降水量、降水频率和降水强度的日变化均呈双峰分布特征，峰值出现在02:00—05:00和15:00前后，其中降水量和降水频率的峰值清晨明显高于午后；降水量和降水频率存在明显的空间差异，威海最大，青岛次之，烟台最小。

(2)夏半年，山东半岛大部地区长持续性降水对总降水量的贡献大于短持续性降水，长持续性降水所占的比例自东南部沿海向半岛西部逐渐减小，而短持续性降水正相反；长持续性降水的雨量日峰值出现在03:00—06:00，短持续性降水的雨量主峰值出现在15:00—18:00，分别主导着清晨和午后总雨量的峰值。

(3)夏半年，山东半岛不同等级降水的雨量日变化都呈现双峰特征；小雨和中雨的降水频率日变化呈现双峰特征，而大雨和暴雨的降水频率日变化只有一个峰值。不论哪个时刻，小雨对降水总频率的贡献最大，但由于大雨和暴雨的降水强度远强于小雨和中雨，故大雨和暴雨对总降水量的贡献更大。