劉 煦，凌 藝，張凱靜

(1.山東省青島市氣象災害防御工程技術研究中心，山東 青島 266003；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

引 言

夏季降水具有多時間尺度變率特征，日變化作為最基本的變率特征之一，其時空差異由太陽輻射、海陸分布以及下墊面狀況、地形等因素所致[1-2]。研究降水的日變化特征有助于理解天氣氣候的發(fā)展演變規(guī)律，進而為數(shù)值模式的改進提供有益參考[3]，尤其是天氣復雜多變的中緯度地區(qū)。

近年來，隨著觀測資料的日漸豐富，降水日變化研究日趨深入[4-10]。研究表明，中國夏季降水日變化存在明顯的區(qū)域性差異，西南地區(qū)降水日變化呈現(xiàn)出凌晨和下午的雙峰分布特征[11]，東南和東北地區(qū)降水日峰值主要集中在下午[12-13]，而華北地區(qū)降水日峰值多出現(xiàn)于早晨和傍晚前后[14-16]。降水日峰值還與降水持續(xù)時間和量級密切相關[17-18]。研究指出，在中國中東部地區(qū)，夏季降水總量的60%以上來自于長持續(xù)性降水，長持續(xù)性降水的日峰值通常出現(xiàn)在清晨，而短持續(xù)性降水的日峰值大多出現(xiàn)在傍晚前后[19]，長歷時降水對凌晨的峰值貢獻較大，而短歷時降水對傍晚的峰值影響更大[20]。

山東省位于中國中東部沿海，地處暖溫帶季風氣候區(qū)，其降水時空分布、降水強度以及強降水集中時段都存在明顯的區(qū)域差異。其中，魯西北、魯中北部及半島地區(qū)夏季極端降水主要出現(xiàn)在7月下旬至8月上旬，而魯西南和魯東南則主要出現(xiàn)在7月中下旬[21]；夏季極端強降水的雨量和頻次大致呈帶狀分布，東南沿海地區(qū)大于西北內(nèi)陸地區(qū)[22]。近50 a來，山東夏季降水總體呈現(xiàn)減少趨勢，且沿海變化幅度小于內(nèi)陸[23]，這種減少趨勢與暴雨日降水強度的減弱關系密切[24]。山東境內(nèi)地形地貌差異較大，半島地區(qū)尤為特殊，其三面環(huán)海且多為低山、丘陵地帶。另外，相較于中國其他沿海地區(qū)，山東半島南部和北部可能同時受海陸風影響，其降水日變化與內(nèi)陸和其他沿海地區(qū)有何異同？為此，本文利用1985—2016年5—10月山東半島涵蓋的威海、煙臺、青島24個氣象觀測站逐小時降水資料，針對降水量、降水頻率和降水強度以及不同持續(xù)時間降水的日變化進行細致分析，結合ECMWF再分析資料，探討地形和海陸風對降水的影響，以期提高對山東半島夏半年降水日變化規(guī)律的認識，為降水的精細化預報提供參考。

1 資料和方法

所用資料為1985—2016年5—10月山東半島威海、煙臺、青島3市24個氣象觀測站(圖1)逐小時降水資料和2010—2016年5—10月ECMWF逐6 h再分析資料。其中，ECMWF再分析資料包括1000 hPa垂直速度、水平風場和比濕，水平分辨率為0.125°×0.125°。

圖1 山東半島氣象站點分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Shandong Peninsula

將20:00(北京時，下同)至次日20:00逐時累計降水量定義為日降水量。如果小時降水量達到或超過0.1 mm，則認為有降水發(fā)生，降水發(fā)生后連續(xù)2 h沒有降水則認為一次降水過程結束，降水過程從開始到結束之間的時數(shù)為降水持續(xù)時間。將持續(xù)時間小于6 h的降水定義為短持續(xù)性降水，6 h及以上的降水定義為長持續(xù)性降水[14-15]。降水等級劃分：日降水量0.1～9.9 mm為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，50.0 mm及以上為暴雨。

使用的主要指標包括降水量(precipitation，P)、降水頻率(precipitation frequency，PF)和降水強度(precipitation intensity，PI)，表達式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Pt、PFt、PIt為一天中第t(t=1，2，3,…，24)小時的氣候平均降水量(mm)、降水頻率(%)和降水強度(mm·h-1)；j為年份(j=1，2，3，…，32)；i為5—10月的排序天數(shù)(i=1，2，3，…，184)；Pi,j,t、Fi,j,t分別為第j年、第i天、第t小時的降水量和降水頻率；D為1985—2016年5—10月總天數(shù)(32×184=5888 d)。

2 結果與分析

2.1 降水日變化特征

圖2是1985—2016年夏半年山東半島區(qū)域平均降水量、降水頻率和降水強度的日變化?？梢钥闯?，夏半年山東半島平均降水量、降水頻率和降水強度的日變化均表現(xiàn)為雙峰型分布，前兩個指標的主峰和次峰均出現(xiàn)在05:00和15:00，且兩峰值相差較大，其中降水量主峰值和次峰值分別約0.16、0.12 mm，降水頻率分別約7.1%、5.2%，這與ZHOU等[25]的研究結果一致，而后一指標的兩峰分別出現(xiàn)在02:00和15:00，兩峰值相差較小，分別為2.29、2.32 mm·h-1。

圖3是山東半島不同區(qū)域夏半年降水量、降水頻率和降水強度的日變化?？梢钥闯?，威海、煙臺、青島3市降水量和降水頻率的日變化較為一致，都表現(xiàn)出較典型的雙峰分布特征，兩峰值分別出現(xiàn)在清晨和下午，其中東部的威海降水量和降水頻率峰值最大，南部的青島次之，北部的煙臺最小，3市主峰出現(xiàn)時間相同，次峰出現(xiàn)時間不同；各時次降水頻率均自威海、青島、煙臺依次減小，而3市各時次降水量的大小變化規(guī)律不盡相同[圖3(a)和圖3(b)]。從圖3(c)來看，3市降水強度日變化呈現(xiàn)雙峰或多峰特征，威海降水強度主峰出現(xiàn)在清晨，而煙臺和青島主峰出現(xiàn)在午后，其中清晨的峰值威海最大，煙臺次之，青島最小，而午后的峰值正相反，青島最大、煙臺次之，威海最小。

山東半島夏半年降水量日變化的雙峰型分布在我國其他地區(qū)也有類似特征，如山西和陜西北部地區(qū)，但這些地區(qū)的地形以山地為主，地表受熱不均，傍晚的對流性降水更強[20]，故而傍晚的峰值更為明顯；遼寧大多數(shù)沿海站點的降水量峰值都出現(xiàn)在正午前，這是由海陸風轉(zhuǎn)換所致，在陸風結束前有利于沿岸地區(qū)產(chǎn)生輻合而形成降水[13]?？梢姡匦魏秃ｊ戯L對降水峰值有一定影響。山東半島是中國最大的半島，三面臨海，地形復雜，山地、丘陵、平原相間分布，以丘陵、低山為主，丘陵海拔多為200 m左右，低山海拔多在500～1000 m之間，嶗山海拔最高為1130 m。地形和海陸風對其降水量日變化如何影響？還需進一步分析。

圖2 1985—2016年夏半年山東半島區(qū)域平均降水量(a)、降水頻率(b)和降水強度(c)日變化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

圖3 1985—2016年夏半年山東半島不同區(qū)域平均降水量(a)、降水頻率(b)和降水強度(c)日變化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 不同持續(xù)時間降水量日變化特征

不同持續(xù)時間降水對降水日峰值有重要影響，降水峰值出現(xiàn)時間與降水持續(xù)性的關系存在明顯的地域差異[7,19]。從圖4(a)和圖4(b)看出，夏半年山東半島大部地區(qū)短持續(xù)性降水的雨量所占比例都在32%以下，且自東北部和東南部沿海向半島西部逐漸遞增，而長持續(xù)性降水的雨量所占比例均在68%以上，且空間分布正相反，自東北部和東南部沿海向半島西部逐漸遞減。從圖4(c)和圖4(d)看出，短持續(xù)性降水的雨量日峰值在半島中部和東部122°E附近存在兩個高值區(qū)，且半島中、北部日峰值主要出現(xiàn)在15:00—18:00，而南部日峰值出現(xiàn)時間空間差異較大；長持續(xù)性降水雨量日峰值的空間分布呈現(xiàn)東高西低，高值區(qū)出現(xiàn)在半島東南部，低值區(qū)出現(xiàn)在半島中西部，日峰值出現(xiàn)時間相差不大，主要在03:00—06:00。

綜上所述，山東半島夏半年降水以長持續(xù)性降水為主，短持續(xù)性降水的雨量日峰值約為長持續(xù)性降水的一半，前者多出現(xiàn)在午后，后者多出現(xiàn)在清晨，且后者具有較好的空間一致性。

圖5是夏半年山東半島及不同區(qū)域平均短持續(xù)性和長持續(xù)性降水量的日變化?？梢钥闯觯陌肽晟綎|半島及其3市短持續(xù)性降水的雨量日峰值都出現(xiàn)在清晨和下午，下午的主峰值明顯大于清晨次峰值，且3市的峰值較接近[圖5(a)]；長持續(xù)性降水的雨量日變化呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在清晨前后，其中威海雨量最大，青島次之，煙臺最小[圖5(b)]。對比來看，短持續(xù)性降水的雨量逐時變化較長持續(xù)性降水更為復雜。結合圖3(a)看出，山東半島降水量清晨的主峰值主要由長持續(xù)性降水引起，而下午的次峰值則主要受短持續(xù)性降水影響。

圖4 1985—2016年夏半年山東半島地區(qū)短持續(xù)性(a、c)和長持續(xù)性(b、d)降水的雨量占總雨量百分比(a、b，單位：%)和小時雨量日峰值(填色，單位：mm)及其出現(xiàn)時間(箭矢)(c、d)的空間分布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

圖5 1985—2016年夏半年山東半島不同地區(qū)短持續(xù)性(a)和長持續(xù)性(b)降水量日變化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

圖6 2010—2016年夏半年02:00(a、c)、14:00(b、d)山東半島1000 hPa平均垂直速度場(a、b，單位：Pa·s-1)及水平風場(箭矢，單位：m·s-1)和比濕(填色，單位：g·kg-1)(c, d)的空間分布(三角形為艾山，實心圓圈為牙山，實心五角星為昆崳山，實心矩形為嶗山)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)

圖6是2010—2016年夏半年02:00和14:00山東半島1000 hPa平均垂直速度、水平風場和比濕的空間分布?？梢钥闯?，02:00，山東半島東部和東南部地區(qū)為上升運動區(qū)[圖6(a)]，水平風場表現(xiàn)為一致的偏南風，將海上的水汽輸送到半島地區(qū)，大部地區(qū)比濕在11.5～12.7 g·kg-1之間[圖6(c)]，充足的水汽有利于降水的持續(xù)。此外，半島東部沿海地區(qū)的比濕明顯大于西部，且上升運動強，是威海長持續(xù)性降水雨量最大的原因之一。14:00，半島地區(qū)上升運動范圍明顯擴大，且強度更強[圖6(b)]，比濕條件雖不如02:00，但水平風場上有明顯輻合[圖6(d)]，進一步使上升運動增強，低層大氣受熱不穩(wěn)定性增大，易于激發(fā)對流活動，有利于短持續(xù)性降水的產(chǎn)生。

山東半島三面環(huán)海，北臨渤海，東部和南部與黃海相接，主要山脈分布在半島的東南部和北部地區(qū)，其中東南部為青島的嶗山，北部為近乎東西向分布的萊山山脈，自西向東分別為艾山、牙山和昆崳山。特殊的海陸差異和山脈地形作用勢必對半島地區(qū)降水產(chǎn)生一定影響。海陸熱容量的差異導致海陸受熱不均勻，白天半島北部海風表現(xiàn)為偏北風，半島南部則是偏南風。在海風作用下，白天在半島中南部地區(qū)低層出現(xiàn)輻合大值區(qū)。從14:00的垂直速度場[圖6(b)]來看，上升運動大值區(qū)出現(xiàn)在半島中北部，與艾山、牙山和昆崳山的位置大致一致。白天，半島北部的偏北海風和南部的偏南海風[圖6(d)]受北部山脈地形阻擋，迫使上升運動增強，并在半島東部黃海海面轉(zhuǎn)為下沉運動，從而進一步使得低層的海風及水汽輻合增強，造成降水增強。然而，半島中部為地勢相對平緩的膠萊平原，盡管該區(qū)偏南海風輻合較強，但無地形抬升，其上升運動較半島北部弱。在夜間[圖6(c)]，半島北部為偏南陸風，而半島南部仍為偏南海風(這可能是所選時段半島南部陸風出現(xiàn)的頻率較小，平均后就更加不明顯)，因此半島地區(qū)在一致的偏南風影響下，受萊山山脈阻擋，氣流被迫抬升，使得半島東南部山脈迎風坡的上升運動[圖6(a)]和低層水汽輻合增強，從而導致降水增多。

2.3 不同等級降水的日變化特征

不同等級降水的雨量(降水頻率或降水強度)之間差異較大，為了更清楚地展示各自的日變化特征以及可比性，進行了z-score標準化處理。圖7是山東半島夏半年不同等級降水的雨量、降水頻率和降水強度及其z-score標準化的日變化?？梢钥闯?，山東半島夏半年凌晨至清晨(03:00—06:00)降水量的貢獻主要來自于暴雨和大雨，而午后到傍晚暴雨、大雨和中雨的貢獻相當[圖7(a)]；結合標準化雨量的日變化[圖7(d)]看出，不同等級降水的雨量日變化都呈現(xiàn)雙峰特征，暴雨的兩峰值相差較大，主峰在清晨前后，大雨、中雨和小雨的兩峰值相差較小，尤其是中雨，兩峰值圍繞0.03 mm上下波動，且大雨和中雨峰值出現(xiàn)在清晨和午后，但大雨主峰在清晨，中雨主峰在午后，而小雨的雙峰則出現(xiàn)在清晨和傍晚。山東半島威海、煙臺和青島3市不同等級降水的雨量日變化也有類似特征(圖略)。

圖7 山東半島夏半年不同等級降水的雨量(a)及其標準化(d)、降水頻率(b)及其標準化(e)和降水強度(c)及其標準化(f)的日變化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

就降水頻率而言，夏半年山東半島無論哪個時刻都是小雨的貢獻最大，幾乎占總降水頻率的一半，其次是中雨[圖7(b)]；小雨和中雨降水頻率的日變化呈現(xiàn)雙峰分布，小雨的兩峰值分別出現(xiàn)在清晨和傍晚，中雨的兩峰值則出現(xiàn)在清晨和午后，而大雨和暴雨降水頻率的日變化只在清晨出現(xiàn)一次峰值[圖7(e)]。結合圖7(c)和圖7(f)看出，夏半年山東半島小雨和中雨的逐小時降水強度在午后至夜間時段最強，大雨和暴雨的降水強度在清晨和午后各有一峰值，前者的降水強度在午后更強，后者則是在清晨更強。

綜上所述，雖然小雨和中雨的降水頻率較大，但大雨和暴雨的降水強度遠大于小雨和中雨，故而日降水量的貢獻以大雨和暴雨為主。

3 結 論

(1)山東半島地區(qū)夏半年降水量、降水頻率和降水強度的日變化均呈雙峰分布特征，峰值出現(xiàn)在02:00—05:00和15:00前后，其中降水量和降水頻率的峰值清晨明顯高于午后；降水量和降水頻率存在明顯的空間差異，威海最大，青島次之，煙臺最小。

(2)夏半年，山東半島大部地區(qū)長持續(xù)性降水對總降水量的貢獻大于短持續(xù)性降水，長持續(xù)性降水所占的比例自東南部沿海向半島西部逐漸減小，而短持續(xù)性降水正相反；長持續(xù)性降水的雨量日峰值出現(xiàn)在03:00—06:00，短持續(xù)性降水的雨量主峰值出現(xiàn)在15:00—18:00，分別主導著清晨和午后總雨量的峰值。

(3)夏半年，山東半島不同等級降水的雨量日變化都呈現(xiàn)雙峰特征；小雨和中雨的降水頻率日變化呈現(xiàn)雙峰特征，而大雨和暴雨的降水頻率日變化只有一個峰值。不論哪個時刻，小雨對降水總頻率的貢獻最大，但由于大雨和暴雨的降水強度遠強于小雨和中雨，故大雨和暴雨對總降水量的貢獻更大。