2007—2019年山东省短时强降水时空分布特征

赵海军，曹洁，潘玲，王庆华，曹张驰，毛国荣

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室，山东 济南 250031；2.临沂市气象局，山东 临沂 276004； 3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029； 4.日照市气象局，山东 日照 276800)

引言

短时强降水天气具有生命史短、尺度小、突发性强、天气变化剧烈等特征，雨强较大或持续时间较长则可能导致严重内涝，甚至引发山体滑坡、泥石流、山洪等次生灾害。近年来，随着气候变暖，极端降水事件频发，山东多次发生造成严重影响的短时强降水天气，引起社会广泛关注。如2007年7月18日，鲁中和鲁西北地区出现暴雨，济南17:20—18:20降水量达到151.0 mm；2009年8月17—18日，鲁南地区出现暴雨，费县18日01:00—02:00降水量为137.2 mm，00:00—03:00降水量为242.2 mm；2011年7月25日半岛南部地区出现强降水，乳山19:00—20:00降水量为127.8 mm，18:00—21:00降水量为249.5 mm。上述造成严重灾害的天气事件多发生在傍晚到夜间，给强降水预警和防灾抢险带来巨大挑战。

国内诸多学者研究了我国不同区域的逐时降水长期变化特征和日变化特征，得出许多降水发生规律和变化特征等方面的成果。研究发现随气候变暖，强对流灾害性天气呈频发趋势[1-2]；中国夏季降水日变化具有明显的区域性，全国大部分区域短时强降水的峰值多出现在下午或傍晚[3-5]；在华北、华东和西南区域，短时强降水的发生与地形关系密切，其频次和极端性也在增加[6-11]。对于山东省的降水事件也有许多研究，高留喜等[12]结合业务实际，用三种统计方法对比分析了山东省极端短时强降水阈值，建议值为70～75 mm·h-1；董旭光等[13-14]、杨学斌等[15]、高理等[16]分析了山东暖季小时雨量的时空分布特征；侯淑梅等[17-18]基于加密自动气象观测站和国家级气象观测站资料，分析了极端短时强降水特征，构建了分类天气学概念模型。此外还有一些针对省内大城市短时强降水特征方面的研究[19-20]。

受海陆差异及地形影响，山东省降水时空分布差异明显，多角度认识省内及各区域短时强降水和极端短时强降水的发生规律，对防御山洪地质灾害和治理城市内涝等具有重要意义。选用山东省123个国家级地面气象观测站2007—2019年的地面逐小时观测资料，分析山东省及省内各区域短时强降水的时空分布、不同分位数样本和极端短时强降水的特征，为气候变暖背景下短时强降水天气的发生机理研究及短临预报预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 使用资料

为确保数据准确且观测方式统一，选用国家气象信息中心提供的2007—2019年山东省123个国家级地面气象观测站(含泰山站)的逐小时地面观测资料。

本文使用短时强降水相关定义如下：

1)短时强降水标准：小时降水量R≥20.0 mm；

2)短时强降水站次：达到短时强降水标准的次数总和；

3)短时强降水时：同一时1站或以上达到短时强降水记为1个短时强降水时；

4)短时强降水日：同一日(08:00至次日08:00)1站或以上达到短时强降水记为1个短时强降水日。

1.2 分级计算方法

选用R≥20.0 mm的资料，剔除错误数据，采用传统排序法(百分位法)计算山东省极端短时强降水阈值。即对所有样本升序排列，如取1 000个时次的降水量资料，则95%分位数阈值为第949位和951位降水量的中间值(或线性插值)[6-13]。

2 时空分布特征

为详细了解山东省短时强降水发生规律，基于气候特征和预报习惯将全省划分为5个区域，即鲁西北、鲁中、鲁西南、鲁东南和半岛地区[12]，分别有35、26、19、19和24站。

基于百分位法计算山东全省及分区域短时强降水的不同分位数阈值，对比短时强降水和极端短时强降水的发生频次和分布情况。

2.1 分级统计特征

2007—2019年山东省共发生6 257站次短时强降水，站均发生50.9次；鲁东南地区站均发生63.4次，明显高于其他区域，是山东短时强降水发生频次最多的区域；鲁西北地区站均发生频次与全省接近，为51.0次；鲁西南和鲁中地区站均发生频次略低于全省平均，分别为49.3次和48.5次；半岛地区站均发生频次低于全省平均值，为44.6次。

从代表样本平均发生情况来看，全省的50%和75%分位数阈值(小时雨量，下同)分别为26.6 mm和34.1 mm；鲁西南地区最高，为27.4 mm和35.5 mm；鲁东南地区最低，为26.2 mm和32.5 mm；鲁中和半岛地区略低于全省值；鲁西北地区略高于全省值。从代表短时强降水极端性的99%和99.5%分位数阈值来看，全省为71.2 mm和80.5 mm；鲁东南地区均最高，为75.5 mm和88.1 mm；鲁中地区最低，为64.8 mm和71.6 mm；鲁西北和半岛地区的99%和99.5%分位数阈值与全省值接近；鲁西南地区99.5%分位数阈值较全省值低5.3 mm(表1)。

表1 山东省区域短时强降水极值及分位数阈值

2.2 地理分布特征

小时降水量R≥20.0 mm发生总次数的大值站点主要分布在鲁东南和鲁西北地区，其中临沂市和枣庄市周边的发生总次数普遍超过70次；次数较少区域主要在半岛中部、鲁西南西部和鲁中地区，普遍低于40次；单点发生次数前5位为泰山、临沂、兰陵、枣庄和禹城，分别为81、77、74、71、71次；发生次数最少前4位为寿光、东明、诸城和海阳，分别为30、32、34、34次；发生35次的有烟台、成山头、巨野、昌邑、平度和阳谷(图1a)。

图1 山东短时强降水分布(a. 雨强≥20 mm·h-1, b. 雨强≥26.6 mm·h-1， c. 雨强≥34.4 mm·h-1, d. 雨强≥52.6 mm·h-1, e. 雨强≥71.2 mm·h-1, f. 雨强≥80.5 mm·h-1；色阶，单位：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%分位数阈值为26.6 mm，发生总次数分布情况与R≥20.0 mm的发生情况基本一致，总次数较多的区域主要分布在鲁东南、鲁西北、鲁西南东部地区和泰山周边，半岛中部、鲁中大部和鲁西南西部地区较少；单点发生次数前5位为泰山、庆云、莒县、临沂和济宁，分别为47、44、42、41和39次；发生次数最少的为海阳，仅15次，东明和成山头为16次(图1b)。

75%分位数阈值为34.1 mm，发生次数较多的区域主要在鲁西南东部、鲁西北、鲁东南南部地区和泰山周边，半岛中部和菏泽周边地区较少；单点发生次数前3位为庆云、泰山、鱼台，分别为27、23和22次，济宁、邹城和兰陵发生21次；发生次数最少为东明，仅4次，高密和莘县为6次(图1c)。

95%分位数阈值为52.6 mm，全省13 a间共发生313站次，站均发生2.5次；次数较多区域主要分布在鲁西北、鲁东南和鲁西南地区，较少区域在半岛西部、鲁西南和鲁中地区；单点发生次数前3位为惠民、临沭和鱼台，分别为9、8、7次，长清、平阴、泰山、邹城、黄岛和兰陵均为6次；滨州、博兴、周村、桓台、禹城、成山头、石岛、宁阳、泗水、沂南、成武和薛城未发生R≥52.6 mm的短时强降水(图1d)。

99%分位数阈值为71.2 mm，全省13 a间共发生63站次，站均发生0.5次，仅43站出现过该强度极端强降水，分布较为分散。其中泰山、聊城、沂水和临沭均发生3次，费县、兰陵、五莲、胶南、黄岛、长清、鱼台、东阿、冠县、滕州、惠民和乳山均发生2次，其余有27站发生过1次。其他80站没有出现(图1e)。

99.5%分位数阈值为80.5 mm，共发生33站次，全省年均发生不足3次，站均发生0.3次，仅28站出现过R≥80.5 mm的极端强降水。其中沂水发生3次，兰陵、胶南和乳山发生2次，24站发生过1次。其他95站没有出现(图1f)。

高留喜等[12]于2014年基于业务实际选用1999—2011年的地面逐小时降水资料，统计分析给出的全省极端短时强降水阈值标准为74.8 mm。综上分析，建议将所有短时强降水样本的99%分位数作为极端短时强降水阈值，即71.2 mm，各区域由高到低为鲁东南、半岛、鲁西南、鲁西北和鲁中，对应阈值为75.5、71.9、70.8、69.8和64.8 mm；鲁东南地区短时强降水和极端短时强降水发生频次最多，半岛地区短时强降水发生最少，鲁西南地区极端短时强降水发生最少。

2.3 年分布特征

全省各站年均发生3.9次短时强降水，总频次大于4次的站点多分布于鲁东南、鲁西南地区和泰山周边。鲁东南地区最多，为4.9站次，有10 a高于同年全省平均，有7 a为发生次数最多区域；鲁西北地区为3.9次，有7 a高于同年全省平均，为2010年和2015年发生次数最多区域；鲁中地区为3.8次，有4 a高于同年全省平均，为2018年发生次数最多区域；鲁西南地区为3.7次，有5 a高于同年全省平均，为2016年发生次数最多区域；半岛地区最少，为3.4次，有4 a高于同年全省平均，为2014年发生次数最多区域(图2)。

图2 山东短时强降水站均年发生次数Fig.2 Station average annual occurrence times of short-time severe precipitation

2018年山东接连遭受3个台风影响，站均年发生次数最多，为5.2次。各区域站均发生次数由多到少依次为鲁中地区2018年6.8次，鲁东南地区2013年6.5次，鲁西南地区2016年5.5次，鲁西北地区2018年5.3次和半岛地区2007年5.1次。2014年全省大范围旱情持续，雨季降水过程偏少，站均年发生次数最少，仅2.2次，为鲁东南、鲁中和鲁西南地区的站均发生次数最少年份，其中鲁东南地区为统计次数最少区域，仅1.7次，鲁中和鲁西南地区分别为2.0次和1.9次。

2.4 月分布特征

各区域短时强降水自5月逐渐增多，6月迅速增多，该阶段多为大陆性强对流导致的短时强降水。7—8月为山东主雨季，短时强降水主要集中在该时期，占全年总数的79.6%，其中7月最多，占41.4%。鲁西南、鲁东南和半岛地区7月最多，鲁中和鲁西北地区8月最多(图3)，与山东雨季开始和副热带高压北上的季节性规律一致。

图3 山东短时强降水各月发生次数占总次数的百分比Fig.3 Percentage of monthly occurrence times of short-time severe precipitation

2.5 旬分布特征

全省的短时强降水主要出现于6月中旬至8月下旬，占全年总数的90.8%；7月上旬至8月中旬占73.6%，7月中旬至8月中旬期间每旬的发生站次均超过900次，占62.0%，又以8月上旬最多，占16.8%(图4)。

图4 山东短时强降水旬发生次数(纵坐标：左侧为各区域，右侧为山东全省)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月中旬前共发生7站次短时强降水，4月下旬出现18站次短时强降水，主要出现在鲁西北和鲁中地区，与高空冷平流活跃，地面气温迅速升高，导致强对流天气增多有关。5月上中旬大部分站点开始出现短时强降水，鲁西北、鲁中和鲁东南地区发生站次较其他区域偏多，与冷空气南下或高空冷涡活动有关；同时半岛地区近地面气温回升，开始出现短时强降水。5月下旬鲁西北地区发生站次较中旬减少，鲁中地区没有发生。6月上旬起，半岛以外地区发生站次开始稳定增加。6月中下旬是高空冷涡影响山东最为频繁的阶段，强对流天气多发，各区域发生站次迅速增加。7月上旬至8月下旬为各区域短时强降水发生最为集中的阶段，与山东省预报员经常提到的“七上八下”相对应。

2.6 日分布特征

山东省短时强降水具有显著的日变化，表现为“双峰”特征，站均发生次数以午后到傍晚最多，集中于15:00—20:00，其次是后半夜，集中于02:00—05:00。鲁西北、鲁东南和鲁西南地区也呈“双峰”特征，但峰值时段不同。鲁西北地区第一峰值集中在16:00—20:00，第二峰值在05:00—10:00；鲁东南地区第一峰值在后半夜，集中于02:00—06:00，第二峰值在14:00—18:00；鲁西南地区第一峰值集中在17:00—20:00，第二峰值在03:00—05:00。鲁中地区为“单峰”特征，午后到前半夜发生次数最多，集中在19:00—21:00。半岛地区呈现“三峰”特征，上午、下午及后半夜发生次数较多，中午和前半夜较少(图5)。

图5 山东短时强降水日变化特征Fig.5 Diurnal variation feature of short-time severe precipitation in Shandong

2.7 日发生站次特征

2007—2019年共695个短时强降水日，发生站次最多的为2007年7月18日130站次，其次为2019年8月10日124站次，第三位为2018年8月19日109站次。全省单日发生站次1、2、3～4、5～9、10～19和≥20站次的概率分别为21.9%、13.0%、15.0%、21.6%、16.4%和12.2%。各区域多为1～2站次的局地性短时强降水，占比由高到低依次为半岛、鲁东南、鲁中、鲁西南和鲁西北地区，其中半岛地区高达6成；5站次及以上区域性短时强降水占比2～3成，由高到低依次为鲁西北、鲁西南、鲁中、鲁东南和半岛地区(图6)。

图6 单一短时强降水日发生站次百分比Fig.6 Percentage of stations with short-time severe precipitation day

2.8 时发生站次特征

2007—2019年共有3 337个时次发生短时强降水。发生短时强降水的时次中又以单站发生为主，占59.2%，2站发生的占20.0%，3站次及以上占20.9%，5站次及以上占5.8%，10站次及以上仅22次，占0.7%(图7)。对各区域而言，半岛和鲁中地区单站发生比例高于其他区域，多局地性短时强降水；鲁西北地区2站及以上站次发生比例高于其他区域；仅在2015年8月3日18:00—19:00鲁西北地区发生过1次10站次以上的短时强降水过程。

图7 单一短时强降水时发生站次百分比Fig.7 Percentage of stations with short-time severe precipitation hour

2.9 初日和终日

全省大部地区短时强降水初日在5月，鲁西北、鲁中和鲁东南地区在5月上旬，鲁西南和半岛地区为5月下旬；初日最早为2016年3月4日，21:00—22:00曲阜降水量20.6 mm。大部地区终日在9月，鲁西南和鲁西北地区在9月上旬，鲁中和鲁东南地区在9月中旬，半岛地区为9月下旬；最晚一次发生在2015年11月6日23:00—7日00:00，郯城降水量21.5 mm。

3 结论与讨论

本文选用山东123个国家级地面气象观测站2007—2019年的地面逐小时观测资料，统计分析了山东省短时强降水的分布、变化和极端短时强降水的特征，主要结论如下：

1)2007—2019年共有695个短时强降水日、3 337个短时强降水时次和6 257站次短时强降水样本。日发生站次少于10站的超7成，约5成少于4站；时发生站次为单站的约6成，3站次及以上约2成。

2)建议山东极端短时强降水阈值为71.2 mm·h-1，各区域阈值由高到低依次为鲁东南地区75.5 mm·h-1、半岛地区71.9 mm·h-1、鲁西南地区70.8 mm·h-1、鲁西北地区69.8 mm·h-1和鲁中地区64.8 mm·h-1。鲁东南地区短时强降水和极端短时强降水发生频次均最多，半岛地区短时强降水发生最少，鲁西南地区极端短时强降水发生最少。

3)山东各站年均发生3.9次短时强降水，其中鲁东南地区最多为4.9次，半岛地区最少为3.4次。全省站均发生次数最多为2018年(5.2次)，最少为2014年(2.2次)。

4)山东短时强降水主要发生在7—8月(占79.6%)，其中鲁西南、鲁东南和半岛地区7月最多，鲁中和鲁西北地区8月最多。逐旬统计全省短时强降水发生次数，则集中在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)山东短时强降水具有显著的日变化，表现为“双峰”特征，午后至傍晚发生频次最高，集中于15:00—20:00，其次是后半夜，集中于02:00—05:00；鲁西北、鲁东南和鲁西南地区也呈现“双峰”特征，但峰值时段不同；此外，鲁中地区为“单峰”特征，半岛地区为“三峰”特征。

本文根据山东省小时降水资料，统计分析了2007—2019年山东全省和分区域短时强降水的时空分布特征。在后续的工作中将继续研究短时强降水与复杂地形的关系，以及不同地区、不同季节短时强降水和极端短时强降水的潜势预报、概念模型等。