山东夏季降水日变化特征分析
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摘要：基于1999-2013年山东省122个台站观测的逐时降水数据，分析了山东省夏季（6～8月）降水量、降水频次、降水强度和降水持续性的日变化特征。结果表明，山东省降水量和降水频次的日变化均表现为清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，峰值区出现时间各地区较为一致，但低值区出现时间各地区略有差异；降水强度的日变化表现为多峰并存的特征，鲁西北、鲁中北部和鲁西南部分地区在傍晚前后降水强度较大，半岛和鲁东南的沿海地区则在凌晨或清晨降水强度较大。山东降水主要以短持续性降水为主，短持续性降水对总降水量的贡献较长持续性降水大。短持续性降水降水量在傍晚前后出现大值，长持续性降水降水量在清晨出现大值。短持续性降水多发于清晨和午后至傍晚，长持续性降水多发生于凌晨或清晨，尤其以6：00为最多。
关键词：降水量；降水频次；降水强度；降水持续性；日变化
中图分类号：P426.6；P467 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）16-4165-04
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.16.022
降水日变化作为气候系统中最基本的变化模态之一，是大气动力和热力过程对水汽循环综合影响的结果。降水日变化的研究对了解降水形成机制、区域天气和气候特点、改进气候模式模拟能力等方面都具有重要意义，成为当前气候研究领域的热点议题。
基于观测资料的研究揭示出降水日循环存在显著的海陆差异，大陆对流性降水多在午后达到峰值，海洋近海区域最大降水主要发生在夜间或凌晨[1-5]。随着降水资料的丰富，对降水日变化成因研究也日趋深入[6，7]。Yu等[8]利用1991-2004年中国台站自记降水资料，首次对中国大陆的夏季降水日变化特征进行了系统分析。结果表明，中国夏季降水的日变化具有明显的区域性，青藏高原及其东部地区在午夜和凌晨达到降水极值，华南和东北地区降水日峰值出现在下午，长江中游地区的最大降水量出现在清晨，而江淮、黄淮地区则在清晨及午后呈现出双峰特征。Yu等[9]进一步深入分析并揭示了华东地区降水持续性与降水日变化特征之间的关系，发现降水的持续性是分离中国中东部地区降水双峰值的关键因子。李建等[10]指出北京市夏季降水日变化在降水量和降水频次上均以午后至次日清晨为高值区，而在中午前后达到最低值，且降水发生了结构性调整。李明财等[11]发现天津市降水量和降水强度日变化特征非常一致，均呈明显的双峰型，而降水频次表现为单峰型。戴泽军等[12]指出湖南夏季降水日变化呈现显著区域差异，降水频次峰值出现时次分布更集中，区域特征更明显。杨森等[13]研究表明，辽宁省降水日变化特征地域性较强，沿海站与内陆站存在显著差异。唐红玉等[14]研究发现西南地区各地各季逐时降水最大频率出现的时间较为分散，逐时降水相对集中出现在某个时段的特点较为明显。原韦华等[15]指出持续性降水日变化的平均峰值时间以淮河为界存在显著南北差异。
山东省地处中纬度，位于黄河下游，东临渤海、黄海，与江淮地区接壤，独特的地理位置使得山东的气候具有地域特点。山东各地年平均降水量在540～920 mm之间，夏季（6～8月）主要处于副热带高压和西风带系统的控制下，是全年降水量最集中的季节，约占年降水量的56%～72%。夏季也是全年降水日数最多的季节，各地在29～40 d之间[16]。对于山东的降水研究一直备受关注，但大量模式和观测研究多集中于年、季、月以及日尺度降水变化规律[17-20]，基于逐小时资料的降水日变化研究开展较少。虽然众多学者对中国及其中东部地区的降水日变化特征进行了较深入的分析和研究，对于山东降水日变化特征也有所涉及，但主要是针对区域性分析，具体到山东地区的研究和分析则很少见。因此，使用更密集和最新的降水观测资料，对山东夏季降水日变化特征进行深入细致分析，有助于进一步探讨降水日变化区域特征及其成因，为提高数值预报模式对降水日变化的模拟能力提供重要依据。
1 资料与方法
本研究所用逐时降水数据由山东省气候中心提供，分析采用1999-2013年全省122个气象观测站（图1）夏季的逐时降水数据，时间为北京时间。为揭示山东降水日变化的区域性特征，根据气象业务中的区域划分方式，将山东分为半岛、鲁西北、鲁中和鲁南4个区域进行研究。
研究所用的主要指标有降水量、降水频次、降水强度和不同持续时间降水。对于单个站点，逐时降水量指研究时段内该时次降水量的累积值，逐时降水频次指研究时段内该时次发生降水的总次数，逐时降水强度指各时次累积降水量除以相应时次累积降水频次。逐一统计每次降水过程，降雨量大于等于0.1 mm的时次判定为有降水发生，当某一降水时次之后连续2 h没有降水发生时，判定一次降水过程结束。将一次降水开始至结束间隔的小时数定义为降水持续时间。
2 降水日变化基本特征
2.1 降水量日变化特征
图2a、图2b分别为夏季山东各气象观测站累积降水量的日最大值和日最小值出现时间及量值空间分布。从图2a-f中可以看出，在122个观测站中，降水量最大值出现在8：00前与8：00后的站点数分别为86个和36个，其中降水量最大值出现在5：00～7：00的站点数为51个，占站点总数的42%，即最大降水量易出现在凌晨和清晨，尤其以5：00～7：00为最多时段。而降水量最小值出现在10：00～14：00和19：00～2：00的站点数分别达到51个和59个，占站点总数的42%和48%，即在正午前后和傍晚至凌晨的这两个时段内降水量最小。从降水量值来看，降水最大值和最小值均呈现从东南沿海到西北内陆递减的趋势。
如图3a-d所示，山东省4个区域累积降水量日变化均表现为双峰的特征，第一峰值区位于3：00～9：00，第二峰值区位于15：00～19：00。但降水量谷值出现时段各地区略有差异，半岛和鲁中地区在20：00～23：00时段内降水量较小，而鲁西北和鲁南地区在11：00～14：00时段内较少，且14：00之后至夜间降水量还有增大的趋势。
2.2 降水频次日变化特征
图2c-d分别给出了夏季山东各气象观测站降水频次的日最大值、最小值出现时间及量值分布。从图2c-d中可以看出，各站降水频次最大值出现时间较为一致，均出现在1：00～8：00时段内，其中有61个观测站降水频次最大值出现在6：00，约占站点总数的50%，半岛地区各站点降水频次最大值出现时间比鲁西北及鲁南地区晚1～2 h。对于降水频次最小值出现时间，有50个观测站出现在11：00～14：00，约占41%，有40个观测站出现在15：00～20：00，约占33%，其他32个观测站出现在21：00～24：00，约占26%，在1：00～10：00则未出现。降水频次最小值出现时间存在较大的地区差异，半岛和鲁东南沿海地区降水频次最小值多出现于傍晚至凌晨，其余站点大多出现在正午前后，且大部分站点降水频次最小值出现时间与累积降水量最小值出现时间具有较好的一致性。
图4a-d分别给出了山东夏季降水频次区域平均时间分布。从图4a-d中可以看出，4个区域的降水频次时间分布均呈现双峰并存特征，第一峰值区出现时间较为一致，主要在清晨5：00～8：00这一时段内，而第二峰值区出现时间段各区域略有差异，半岛地区出现在13：00～17：00，其余3个地区多出现在15：00～19：00。但降水频次谷值出现时段却存在较大差异，半岛和鲁中地区出现在20：00～23：00，而鲁南地区出现在12：00～14：00，鲁西北地区则出现了两个低值区，分别为13：00～15：00和19：00～21：00。此外，降水频次与累积降水量的时间分布特征在4个区域中均具有较好的一致性。
2.3 降水强度日变化特征
图2e-f分别给出了夏季山东各气象观测站降水强度的日最大值和日最小值出现时间及量值空间分布。从图2e-f中可以看出，有53个站点降水强度最大值出现在16：00～20：00，约占站点总数的43%，大多位于鲁西北、鲁中和鲁南西部地区。有28个站点降水强度最大值出现在1：00～8：00，约占站点总数的23%，大多位于半岛和鲁南东部的沿海地区。从降水强度的量值分布来看，鲁西北北部和半岛西部地区降水强度较大，这与累积降水量和降水频次的空间分布特征存在较大差异。
图5a-d分别代表山东夏季降水强度区域平均时间分布，从图5a-d中可以看出，降水强度与累积降水量、降水频次的时间分布特征有明显差异，且降水强度的区域差异更为明显，4个区域均存在多个峰值，峰值出现时间段也较为分散。半岛、鲁西北、鲁中地区降水强度大值区分别出现在0：00～4：00、15：00～21：00、15：00～17：00，鲁南地区则出现了3个大值区，分别为2：00～5：00、7：00～9：00、17：00。
3 不同持续时间降水的日变化特征
Yu等[9]指出，中国中东部地区长持续性降水（超过6 h）的最大降水量多出现在清晨，而短持续性降水（1～3 h）峰值多在下午到傍晚发生。降水的峰值时间与降水的持续性之间的关系亦存在显著的地域差异。利用山东气象观测站的逐时降水资料，对不同持续性降水分类进行统计，在此基础上分析不同持续性降水事件的日变化特征。
山东1999-2013年夏季不同持续时间降水的过程降水量总体上短持续性降水的累积降水量较大，其中持续3 h的降水过程累积降水量最大，占所有持续降水总量的8.6%，其次是持续4 h和5 h降水过程，分别占总降水量的8.2%和8.0%，而持续 13 h以上的降水过程降水量均较小，表明山东短持续性降水对总降水量的贡献较长持续性降水大。
从不同持续时间降水过程降水量从各时次的分布来看（图6a），持续1～4 h降水量在傍晚前后出现大值，且午前的降水量较午后少，持续时间为2 h的最大降水量出现在17：00～19：00。5 h以上的持续降水在6：00或7：00易出现大值，午后的降水量较午前少。
进一步研究发现，山东持续1～6 h的短持续性降水次数约占总降水次数的79.5%，其中持续1 h降水过程降水次数最多，占总降水次数的29.5%。持续6 h以上的降水过程占总降水次数的20.5%，表明山东降水主要以短持续性降水为主，长持续性降水次数较少。
图6b代表山东夏季不同持续时间降水事件在各时次的频次分布。从图6b中可以看出，持续1～ 6 h的短持续性降水多发生于3：00～8：00和14：00～20：00，即短持续性降水多发于清晨和午后至傍晚，而持续6 h以上的长持续性降水多发生于凌晨或清晨，尤其以6：00为最多。
4 结论
本研究利用1999～2013年山东省122个台站观测的逐时降水数据，分析了山东省夏季降水量、降水频次、降水强度和降水持续性的日变化特征。主要结论如下。
1）山东省降水量的日变化表现为清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，尤其以5：00～7：00为最多时段，在正午前后和傍晚至凌晨两个时段内降水量最小。降水量峰值区出现时间各地区较为一致，但降水量低值区出现时段各地区略有差异，半岛和鲁中地区在20：00～23：00降水量较小，而鲁西北和鲁南地区在11：00～14：00降水量较小。
2）降水频次的日变化亦表现为清晨主峰值和下午次峰值并存的特征，各站降水频次极大值出现时间较为一致，均出现在1：00～8：00这一时段内，并以6：00出现居多，半岛地区降水频次极大值出现时间比鲁西北及鲁南地区晚1～2 h。降水频次谷值出现时间存在较大的区域差异，半岛和鲁中地区出现在20：00～23：00，而鲁南地区出现在12：00～14：00，鲁西北地区则出现了两个低值区，分别为13：00～15：00和19：00～21：00。
3）降水强度的日变化表现为多峰并存的特征，峰值出现时间也较为分散，鲁西北、鲁中北部和鲁西南部分地区在傍晚前后降水强度较大，半岛和鲁东南的沿海地区则在凌晨或清晨降水强度较大。
4）山东降水主要以短持续性降水为主，长持续性降水次数较少，短持续性降水对总降水量的贡献较长持续性降水大。短持续性降水降水量在傍晚前后出现大值，长持续性降水降水量在清晨易出现大值。短持续性降水多发生于清晨和午后至傍晚，长持续性降水多发生于凌晨或清晨，尤其以6：00为最多。
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