山東夏季降水日變化特征分析

摘要：基于1999-2013年山東省122個臺站觀測的逐時降水數據，分析了山東省夏季（6～8月）降水量、降水頻次、降水強度和降水持續性的日變化特征。結果表明，山東省降水量和降水頻次的日變化均表現為清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，峰值區出現時間各地區較為一致，但低值區出現時間各地區略有差異；降水強度的日變化表現為多峰并存的特征，魯西北、魯中北部和魯西南部分地區在傍晚前后降水強度較大，半島和魯東南的沿海地區則在凌晨或清晨降水強度較大。山東降水主要以短持續性降水為主，短持續性降水對總降水量的貢獻較長持續性降水大。短持續性降水降水量在傍晚前后出現大值，長持續性降水降水量在清晨出現大值。短持續性降水多發于清晨和午后至傍晚，長持續性降水多發生于凌晨或清晨，尤其以6：00為最多。

關鍵詞：降水量；降水頻次；降水強度；降水持續性；日變化

中圖分類號：P426.6；P467 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4165-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.022

降水日變化作為氣候系統中最基本的變化模態之一，是大氣動力和熱力過程對水汽循環綜合影響的結果。降水日變化的研究對了解降水形成機制、區域天氣和氣候特點、改進氣候模式模擬能力等方面都具有重要意義，成為當前氣候研究領域的熱點議題。

基于觀測資料的研究揭示出降水日循環存在顯著的海陸差異，大陸對流性降水多在午后達到峰值，海洋近海區域最大降水主要發生在夜間或凌晨[1-5]。隨著降水資料的豐富，對降水日變化成因研究也日趨深入[6，7]。Yu等[8]利用1991-2004年中國臺站自記降水資料，首次對中國大陸的夏季降水日變化特征進行了系統分析。結果表明，中國夏季降水的日變化具有明顯的區域性，青藏高原及其東部地區在午夜和凌晨達到降水極值，華南和東北地區降水日峰值出現在下午，長江中游地區的最大降水量出現在清晨，而江淮、黃淮地區則在清晨及午后呈現出雙峰特征。Yu等[9]進一步深入分析并揭示了華東地區降水持續性與降水日變化特征之間的關系，發現降水的持續性是分離中國中東部地區降水雙峰值的關鍵因子。李建等[10]指出北京市夏季降水日變化在降水量和降水頻次上均以午后至次日清晨為高值區，而在中午前后達到最低值，且降水發生了結構性調整。李明財等[11]發現天津市降水量和降水強度日變化特征非常一致，均呈明顯的雙峰型，而降水頻次表現為單峰型。戴澤軍等[12]指出湖南夏季降水日變化呈現顯著區域差異，降水頻次峰值出現時次分布更集中，區域特征更明顯。楊森等[13]研究表明，遼寧省降水日變化特征地域性較強，沿海站與內陸站存在顯著差異。唐紅玉等[14]研究發現西南地區各地各季逐時降水最大頻率出現的時間較為分散，逐時降水相對集中出現在某個時段的特點較為明顯。原韋華等[15]指出持續性降水日變化的平均峰值時間以淮河為界存在顯著南北差異。

山東省地處中緯度，位于黃河下游，東臨渤海、黃海，與江淮地區接壤，獨特的地理位置使得山東的氣候具有地域特點。山東各地年平均降水量在540～920 mm之間，夏季（6～8月）主要處于副熱帶高壓和西風帶系統的控制下，是全年降水量最集中的季節，約占年降水量的56%～72%。夏季也是全年降水日數最多的季節，各地在29～40 d之間[16]。對于山東的降水研究一直備受關注，但大量模式和觀測研究多集中于年、季、月以及日尺度降水變化規律[17-20]，基于逐小時資料的降水日變化研究開展較少。雖然眾多學者對中國及其中東部地區的降水日變化特征進行了較深入的分析和研究，對于山東降水日變化特征也有所涉及，但主要是針對區域性分析，具體到山東地區的研究和分析則很少見。因此，使用更密集和最新的降水觀測資料，對山東夏季降水日變化特征進行深入細致分析，有助于進一步探討降水日變化區域特征及其成因，為提高數值預報模式對降水日變化的模擬能力提供重要依據。

1 資料與方法

本研究所用逐時降水數據由山東省氣候中心提供，分析采用1999-2013年全省122個氣象觀測站（圖1）夏季的逐時降水數據，時間為北京時間。為揭示山東降水日變化的區域性特征，根據氣象業務中的區域劃分方式，將山東分為半島、魯西北、魯中和魯南4個區域進行研究。

研究所用的主要指標有降水量、降水頻次、降水強度和不同持續時間降水。對于單個站點，逐時降水量指研究時段內該時次降水量的累積值，逐時降水頻次指研究時段內該時次發生降水的總次數，逐時降水強度指各時次累積降水量除以相應時次累積降水頻次。逐一統計每次降水過程，降雨量大于等于0.1 mm的時次判定為有降水發生，當某一降水時次之后連續2 h沒有降水發生時，判定一次降水過程結束。將一次降水開始至結束間隔的小時數定義為降水持續時間。

2 降水日變化基本特征

2.1 降水量日變化特征

圖2a、圖2b分別為夏季山東各氣象觀測站累積降水量的日最大值和日最小值出現時間及量值空間分布。從圖2a-f中可以看出，在122個觀測站中，降水量最大值出現在8：00前與8：00后的站點數分別為86個和36個，其中降水量最大值出現在5：00～7：00的站點數為51個，占站點總數的42%，即最大降水量易出現在凌晨和清晨，尤其以5：00～7：00為最多時段。而降水量最小值出現在10：00～14：00和19：00～2：00的站點數分別達到51個和59個，占站點總數的42%和48%，即在正午前后和傍晚至凌晨的這兩個時段內降水量最小。從降水量值來看，降水最大值和最小值均呈現從東南沿海到西北內陸遞減的趨勢。

如圖3a-d所示，山東省4個區域累積降水量日變化均表現為雙峰的特征，第一峰值區位于3：00～9：00，第二峰值區位于15：00～19：00。但降水量谷值出現時段各地區略有差異，半島和魯中地區在20：00～23：00時段內降水量較小，而魯西北和魯南地區在11：00～14：00時段內較少，且14：00之后至夜間降水量還有增大的趨勢。

2.2 降水頻次日變化特征

圖2c-d分別給出了夏季山東各氣象觀測站降水頻次的日最大值、最小值出現時間及量值分布。從圖2c-d中可以看出，各站降水頻次最大值出現時間較為一致，均出現在1：00～8：00時段內，其中有61個觀測站降水頻次最大值出現在6：00，約占站點總數的50%，半島地區各站點降水頻次最大值出現時間比魯西北及魯南地區晚1～2 h。對于降水頻次最小值出現時間，有50個觀測站出現在11：00～14：00，約占41%，有40個觀測站出現在15：00～20：00，約占33%，其他32個觀測站出現在21：00～24：00，約占26%，在1：00～10：00則未出現。降水頻次最小值出現時間存在較大的地區差異，半島和魯東南沿海地區降水頻次最小值多出現于傍晚至凌晨，其余站點大多出現在正午前后，且大部分站點降水頻次最小值出現時間與累積降水量最小值出現時間具有較好的一致性。

圖4a-d分別給出了山東夏季降水頻次區域平均時間分布。從圖4a-d中可以看出，4個區域的降水頻次時間分布均呈現雙峰并存特征，第一峰值區出現時間較為一致，主要在清晨5：00～8：00這一時段內，而第二峰值區出現時間段各區域略有差異，半島地區出現在13：00～17：00，其余3個地區多出現在15：00～19：00。但降水頻次谷值出現時段卻存在較大差異，半島和魯中地區出現在20：00～23：00，而魯南地區出現在12：00～14：00，魯西北地區則出現了兩個低值區，分別為13：00～15：00和19：00～21：00。此外，降水頻次與累積降水量的時間分布特征在4個區域中均具有較好的一致性。

2.3 降水強度日變化特征

圖2e-f分別給出了夏季山東各氣象觀測站降水強度的日最大值和日最小值出現時間及量值空間分布。從圖2e-f中可以看出，有53個站點降水強度最大值出現在16：00～20：00，約占站點總數的43%，大多位于魯西北、魯中和魯南西部地區。有28個站點降水強度最大值出現在1：00～8：00，約占站點總數的23%，大多位于半島和魯南東部的沿海地區。從降水強度的量值分布來看，魯西北北部和半島西部地區降水強度較大，這與累積降水量和降水頻次的空間分布特征存在較大差異。

圖5a-d分別代表山東夏季降水強度區域平均時間分布，從圖5a-d中可以看出，降水強度與累積降水量、降水頻次的時間分布特征有明顯差異，且降水強度的區域差異更為明顯，4個區域均存在多個峰值，峰值出現時間段也較為分散。半島、魯西北、魯中地區降水強度大值區分別出現在0：00～4：00、15：00～21：00、15：00～17：00，魯南地區則出現了3個大值區，分別為2：00～5：00、7：00～9：00、17：00。

3 不同持續時間降水的日變化特征

Yu等[9]指出，中國中東部地區長持續性降水（超過6 h）的最大降水量多出現在清晨，而短持續性降水（1～3 h）峰值多在下午到傍晚發生。降水的峰值時間與降水的持續性之間的關系亦存在顯著的地域差異。利用山東氣象觀測站的逐時降水資料，對不同持續性降水分類進行統計，在此基礎上分析不同持續性降水事件的日變化特征。

山東1999-2013年夏季不同持續時間降水的過程降水量總體上短持續性降水的累積降水量較大，其中持續3 h的降水過程累積降水量最大，占所有持續降水總量的8.6%，其次是持續4 h和5 h降水過程，分別占總降水量的8.2%和8.0%，而持續 13 h以上的降水過程降水量均較小，表明山東短持續性降水對總降水量的貢獻較長持續性降水大。

從不同持續時間降水過程降水量從各時次的分布來看（圖6a），持續1～4 h降水量在傍晚前后出現大值，且午前的降水量較午后少，持續時間為2 h的最大降水量出現在17：00～19：00。5 h以上的持續降水在6：00或7：00易出現大值，午后的降水量較午前少。

進一步研究發現，山東持續1～6 h的短持續性降水次數約占總降水次數的79.5%，其中持續1 h降水過程降水次數最多，占總降水次數的29.5%。持續6 h以上的降水過程占總降水次數的20.5%，表明山東降水主要以短持續性降水為主，長持續性降水次數較少。

圖6b代表山東夏季不同持續時間降水事件在各時次的頻次分布。從圖6b中可以看出，持續1～ 6 h的短持續性降水多發生于3：00～8：00和14：00～20：00，即短持續性降水多發于清晨和午后至傍晚，而持續6 h以上的長持續性降水多發生于凌晨或清晨，尤其以6：00為最多。

4 結論

本研究利用1999～2013年山東省122個臺站觀測的逐時降水數據，分析了山東省夏季降水量、降水頻次、降水強度和降水持續性的日變化特征。主要結論如下。

1）山東省降水量的日變化表現為清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，尤其以5：00～7：00為最多時段，在正午前后和傍晚至凌晨兩個時段內降水量最小。降水量峰值區出現時間各地區較為一致，但降水量低值區出現時段各地區略有差異，半島和魯中地區在20：00～23：00降水量較小，而魯西北和魯南地區在11：00～14：00降水量較小。

2）降水頻次的日變化亦表現為清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，各站降水頻次極大值出現時間較為一致，均出現在1：00～8：00這一時段內，并以6：00出現居多，半島地區降水頻次極大值出現時間比魯西北及魯南地區晚1～2 h。降水頻次谷值出現時間存在較大的區域差異，半島和魯中地區出現在20：00～23：00，而魯南地區出現在12：00～14：00，魯西北地區則出現了兩個低值區，分別為13：00～15：00和19：00～21：00。

3）降水強度的日變化表現為多峰并存的特征，峰值出現時間也較為分散，魯西北、魯中北部和魯西南部分地區在傍晚前后降水強度較大，半島和魯東南的沿海地區則在凌晨或清晨降水強度較大。

4）山東降水主要以短持續性降水為主，長持續性降水次數較少，短持續性降水對總降水量的貢獻較長持續性降水大。短持續性降水降水量在傍晚前后出現大值，長持續性降水降水量在清晨易出現大值。短持續性降水多發生于清晨和午后至傍晚，長持續性降水多發生于凌晨或清晨，尤其以6：00為最多。

參考文獻：

[1] KINCER J B. Daytime and nighttime precipitation and their economic significance[J].Mon Weather Rev，1916，44（11）：628-633.

[2] WALLACE J M. Diurnal variations in precipitation and thunderstorm frequency over the conterminous United States[J].Mon Weather Rev，1975，103（5）：406-419.

[3] DAI A. Recent changes in the diurnal cycle of precipitation over the United States[J].Geophysical Research Letters，1999， 26（3）：341-344.

[4] DAI A. Global precipitation and thunderstorm frequencies. PartⅡ： Diurnal variations[J].J Clim，2001，14（6）：1112-1128.

[5] RAMAGE C S. Diurnal variation of summer rainfall over east China， Korea and Japan[J].J Atmos Sci，1952，9（2）：83-86.

[6] YANG S，SMITH E A. Mechanisms for diurnal variability of global tropical rainfall observed from TRMM[J].J Climate，2006，19：5190-5226.

[7] DAI A，LIN X，HSU K. The frequency， intensity and diurnal cycle of precipitation in surface and satellite observations over low-and mid-latitudes[J].Climate Dyn，2007，29（7）：727-744.

[8] YU R C，ZHOU T J，XIONG A Y，et al. Diurnal variations of summer precipitation over contiguous China[J].Geophys Res Lett，2007，34：L01704.

[9] YU R C，XU Y P，ZHOU T J，et al. Relation between rainfall duration and diurnal variation in the warm season precipitation over central eastern China[J].Geophys Res Lett，2007，34：L13703.

[10] 李 建，宇如聰，王建捷.北京市夏季降水的日變化特征[J].科學通報，2008，53（7）：829-832.

[11] 李明財，段麗瑤，楊艷娟，等.天津市夏季降水日變化特征[J].氣象與環境學報，2009，25（6）：11-14.

[12] 戴澤軍，宇如聰，陳昊明.湖南夏季降水日變化特征[J].高原氣象，2009，28（6）：1463-1470.

[13] 楊 森，周曉珊，高 杰.遼寧省夏季降水的日變化特征[J].氣象，2011，37（8）：943-949.

[14] 唐紅玉，顧建峰，俞勝賓，等.西南地區降水日變化特征分析[J].高原氣象，2011，30（2）：376-384.

[15] 原韋華，宇如聰，傅云飛.中國東部夏季持續性降水日變化在淮河南北的差異分析[J].地球物理學報，2014，57（3）：752-759.

[16] 曹鋼鋒，張善君，朱官忠，等.山東天氣分析與預報[M].北京：氣象出版社，1988.

[17] 王 慶，馬倩倩，夏艷玲，等.最近50年來山東地區夏季降水的時空變化及其影響因素研究[J].地理科學，2014，34（2）：220-228.

[18] 遲竹萍.近45年山東夏季降水時空分布及變化趨勢分析[J].高原氣象，2009，28（1）：220-226.

[19] 高留喜，劉秦玉.山東春季降水的時空變化特征分析[J].高原氣象，2005，24（5）：811-815.

[20] 胡桂芳，張蘇平，朱平盛.山東近百年降水的層次結構及趨勢診斷[J].氣象科學，1998，18（4）：381-388.