鲁中山区强对流天气分类统计特征分析

何鹏程，张可欣，张秀娟

1.济南市气象局，山东济南 250100；2.临沂市气象局，山东临沂 276000；3.济南市人工影响天气中心，山东济南 250100

鲁中山区又称鲁中南山地丘陵区，面积大约6.5 km2，北部泰山、鲁山、沂山构成了鲁中山区的主体，地形陡峭，主峰海拔均在1 400 m以上，南部徂徕山、蒙山在1 000 m以上。该区西侧为鲁西北平原，东侧以潍河—沭河谷地与鲁东丘陵为界，北临莱州湾，南部为鲁南—苏北平原，山东省3/4以上的山地以近圆形集中于该区，四周皆为平原，形成一个孤立、典型的中尺度地形，对全省的天气和气候有较大影响。曹钢锋等[1]研究了山东省各地年平均降水量的分布指出，山东省夏季风盛行东南风，暖湿气流到达鲁中山区的迎风坡时，受地形抬升作用影响往往雨势加大。张可欣等[2]利用RegCM模式，采用NOAA的NCEP/DOE再分析资料，进行鲁中山区地形对山东省平均气温和降水影响的控制试验和敏感性试验，结果表明：鲁中山区地形的作用使鲁南，泰山、鲁山南部，泰山西北部及五莲山东南部地区降水量增加，鲁中西部、北部降水减少。

强对流天气是指出现龙卷、冰雹、雷雨大风、短时强降水等灾害性天气。5月和6月是鲁中山区强对流天气多发季节，也是麦子等农作物成熟的季节，强对流天气因其突发性和局地性强、破坏力大等特点，经常导致农作物倒伏，影响其收割和产量。对中国的冰雹、雷暴大风和短时强降水等对流性天气的气候分布特征已有较多的分析。姚莉等[3]基于1991—2005年中国逐时降水资料分析了8 mm/h以下和以上雨强的时空分布特征。陈炯等[4]基于1991—2009年全国876个基本基准气象站整点逐时降水资料，通过不同时段发生时次频率分析，总结了中国暖季（4—9月）短时强降水的时空分布特征。

近年来，国内对雷达气候学研究方面也取得了一些进展。王俊[5]利用济南多普勒天气雷达资料统计分析了2004—2015年148个线状中尺度对流系统的多普勒雷达回波特征。孙康远等[6]利用2009—2013年6—9月长时间序列的南京多普勒天气雷达数据识别对流回波并格点化，统计并分析了南京及周边地区对流风暴的气候学分布特征。对鲁中山区特殊地形条件下分析的较少，尤其是对鲁中山区强对流天气研究更少。因此，本文利用鲁中山区的观测资料，对强对流天气进行分类统计，分析了鲁中山区冰雹、雷暴大风、短时强降水3类强对流天气的时空分布特征，以此为鲁中山区强对流天气的短时临近预警及防灾减灾提供参考依据。

1 资料和方法

本文采用了山东省气象信息中心提供的鲁中山区24个国家级气象观测站1997—2016 年冰雹、雷暴、大风、降水日资料，2002—2016年逐小时降水资料，以及2006—2016年逐小时风向风速资料。在统计年变化和月变化时，冰雹、雷暴大风采用了1997—2016年历史资料，短时强降水采用了2002—2016年逐时观测资料；日变化时只统计了短时强降水和雷暴大风，短时强降水采用2002—2016年逐时观测资料，雷暴大风采用2006—2016年观测资料。

强对流日的定义采取以下方案：以20:00为日界，在一天内，鲁中山区24个国家气象观测站中有1个站出现1个时次及以上冰雹，即定义该站为1个冰雹日。同理，一天中单站出现1个时次及以上风速≥17.2 m/s，且当天出现雷暴即定义该站为1个雷暴大风日；一天中单站出现1个时次及以上降水量≥20 mm/h，即定义该站为1个短时强降水日。

同时，还采用了2013—2016年4—8月济南新一代天气雷达每隔6 min一次观测的全部基数据文件，从每个基数据文件中提取出组合反射率，并将每个格点（1 000×1 000）上组合反射率超过35 dBz的次数进行累加，得到济南新一代天气雷达组合反射率超过35 dBz总次数空间分布。

2 空间分布特征

从鲁中山区地形和各国家气象观测站强对流天气平均每年出现的频次分布可见，雷暴大风和短时强降水分布大体一致，鲁中西偏北济南一带为大值区域，潍坊市附近存在另一个副中心，区别是短时强降水比雷暴大风更偏西（图1）。而冰雹的空间分布与以上两类明显不同，冰雹的年发生的频次在0.3~0.9 d之间，主要集中在0.3~0.4 d之间，在泰安附近频次较多，最大值为年均0.9 d（图1b）；雷暴大风出现的年极值为2.7 d，出现在济南和德州南部，另外鲁中山区东部潍坊一带出现另一个副中心，年极值为1.5~1.8 d（图1c）；短时强降雨出现的频次极值为3.9 d，中心比雷暴大风偏西（图1d）。

图1 山东省电子高程数据产品（a）和鲁中山区强对流天气年频次分布

3 时间分布特征

3.1 年际变化

将鲁中山区24个国家气象观测站每年度出现的冰雹、雷暴大风、短时强降水分别累加,然后取24个站的平均值，得到鲁中山区强对流天气年际变化图（图2）。

从冰雹出现的年际变化可以看出，每年最多0.8 d，最少0.1 d，其中1998年、2005年和2010年出现的频次相对较多，2007年、2009年和2014年相对较少（图2a）。

雷暴大风出现的年际变化趋势和冰雹较为一致，最大值出现在2005年（雷暴大风日数为3 d），2008—2013年波动较小，2014年之后测报业务体制改革的原因，雷暴日数为0，因此雷暴大风也统计为0（图2a和图2b）。

短时强降水的年变化图可以看出，短时强降水在2016年最多，达到3.6 d，2004年、2007年、2013年相对较多，而2002年和2014—2015年相对较少（图2c）。

图2 鲁中山区强对流天气的年变化

3.2 月变化

将鲁中山区24个国家气象观测站所有站，出现的冰雹、雷暴大风、短时强降水分别按月累加，再除以年数和站点数，得到鲁中山区强对流天气月变化图（图3）。

从冰雹出现的月变化可以看出，5—6月为冰雹盛行月，以6月最多，年均0.12 d（图3a）。此时期冷暖空气交替频繁，加上鲁中山区的地形作用，极易形成冰雹等强对流天气。而7—8月盛夏期间，鲁中山区也有冰雹出现，但是相对4—6月少很多。

雷暴大风盛行月为4—8月，最多为6月0.28 d，4月 为 第2个 峰 值（图3b）。由于2014年后没有雷暴记录，平均到每个月的数值要偏小。与冰雹和雷暴大风相比，短时强降水的盛行月时间跨度明显偏长，有5个月，冰雹集中在5月和6月，短时强降水集中在7月和8月。主要原因是产生雷暴大风的天气系统，无论是引导冷空气东移南下的高空冷涡、低槽冷锋等北支天气系统，还是北抬的切变线、倒槽等南支天气系统，极易在鲁中山区产生雷暴大风天气。

短时强降水集中出现在7月和8月，其中7月最多，达到1.3 d，5月偶有出现，其他月份基本没有短时强降水出现（图3c）。与冰雹相比，短时强降水要拖后两个月。主要原因在于影响冰雹和短时强降水的主要天气系统有区别，产生冰雹的天气系统以高空冷涡、低槽冷锋等天气系统为主，而短时强降水以北抬的切变线、倒槽天气系统为主。

图3 鲁中山区强对流天气的月变化

3.3 日变化

利用鲁中山区24个国家气象观测站逐时降水（2002年1月1日开始）、逐时大风（从2006年1月1日开始）和雷暴资料，统计出了平均每年、单站短时强降水和雷暴大风的日变化。短时强降水的日变化呈双峰特征。其中，主峰发生在强降水发生的时间多在14:00~21:00，次峰出现在06:00前后；08:00~13:00是最不活跃时段。

雷暴大风的日变化和短时强降水主峰发生的时间类似，18:00前后达到峰值0.21次。不同之处是雷暴大风主峰持续的时间相对短时强降水要短，峰更为明显。短时强降水和雷暴大风的主峰值一致的原因可能在于：午后到傍晚更容易发生热对流，同时短时强降水发生的时间一般比雷暴大风长。另外，雷暴大风在01:00~03:00和08:00有2个次峰发生。

4 雷达统计特征

从图4可以看出，大值区（中心值超过3万次）主要位于黄河以南、鲁中山区西北部一线，中心正好位于泰山山脉西北部。副中心位于鲁山附近，相对弱的多。另外，在雷达半径50 km以内，有向外辐射状的大值区，可能是雷达对其附近的观测，捕捉到的强对流信息比远处更多。

图4 济南雷达组合反射率超过 35 dBz 总次数分布图

5 结论

（1）空间分布特征：雷暴大风和短时强降水分布大体一致，济南一带为大值区域，潍坊市附近存在另一个副中心，区别是短时强降水比雷暴大风更偏西。而冰雹的空间分布与以上两类明显不同，在泰安市附近发生的频次较多，最大值为年均0.9 d。

（2）年际变化：冰雹1998年、2005年和2010年出现频次相对较多，2007、2009年和2014年年相对较少；雷暴大风的年际变化趋势和冰雹较为一致，最大值为每年3 d；短时强降水在2016年最多，达到3.6 d，2004年、2007年、2013年 相 对 较 多，2002年 和2014—2015年相对较少。

（3）月变化：春季4—6月为冰雹盛行月，以6月最多，年均0.12 d；雷暴大风和冰雹相对较为一致，区别在于雷暴大风比冰雹出现的时间更早，在4月出现了0.24 d的第2个峰值；短时强降水集中出现在6月、7月和8月，其中7月最大达到1.3 d。

（4）日变化：强降水发生的时间多在6:00前后和14:00到前半夜这段时间，08:00~13:00是最不活跃时段；雷暴大风08:00前后有一峰值，10:00~13:00为最不活跃时段，14:00开始增多，18:00出现的频率达到峰值0.21次，前半夜维持较高次数，下半夜有所减少。

（5）新一代天气雷达组合反射率产品可以更精准地体现出强对流发生的气候情况，济南新一代天气雷达组合反射率超过35 dBz总次数大值区主要位于黄河以南、鲁中山区西北部一线，中心正好位于泰山山脉西北部。