趙海軍,曹潔,潘玲,王慶華,曹張馳,毛國(guó)榮
(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250031;2.臨沂市氣象局,山東 臨沂 276004; 3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029; 4.日照市氣象局,山東 日照 276800)
短時(shí)強(qiáng)降水天氣具有生命史短、尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、天氣變化劇烈等特征,雨強(qiáng)較大或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)則可能導(dǎo)致嚴(yán)重內(nèi)澇,甚至引發(fā)山體滑坡、泥石流、山洪等次生災(zāi)害。近年來(lái),隨著氣候變暖,極端降水事件頻發(fā),山東多次發(fā)生造成嚴(yán)重影響的短時(shí)強(qiáng)降水天氣,引起社會(huì)廣泛關(guān)注。如2007年7月18日,魯中和魯西北地區(qū)出現(xiàn)暴雨,濟(jì)南17:20—18:20降水量達(dá)到151.0 mm;2009年8月17—18日,魯南地區(qū)出現(xiàn)暴雨,費(fèi)縣18日01:00—02:00降水量為137.2 mm,00:00—03:00降水量為242.2 mm;2011年7月25日半島南部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水,乳山19:00—20:00降水量為127.8 mm,18:00—21:00降水量為249.5 mm。上述造成嚴(yán)重災(zāi)害的天氣事件多發(fā)生在傍晚到夜間,給強(qiáng)降水預(yù)警和防災(zāi)搶險(xiǎn)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。
國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者研究了我國(guó)不同區(qū)域的逐時(shí)降水長(zhǎng)期變化特征和日變化特征,得出許多降水發(fā)生規(guī)律和變化特征等方面的成果。研究發(fā)現(xiàn)隨氣候變暖,強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣呈頻發(fā)趨勢(shì)[1-2];中國(guó)夏季降水日變化具有明顯的區(qū)域性,全國(guó)大部分區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的峰值多出現(xiàn)在下午或傍晚[3-5];在華北、華東和西南區(qū)域,短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生與地形關(guān)系密切,其頻次和極端性也在增加[6-11]。對(duì)于山東省的降水事件也有許多研究,高留喜等[12]結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)際,用三種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比分析了山東省極端短時(shí)強(qiáng)降水閾值,建議值為70~75 mm·h-1;董旭光等[13-14]、楊學(xué)斌等[15]、高理等[16]分析了山東暖季小時(shí)雨量的時(shí)空分布特征;侯淑梅等[17-18]基于加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站和國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站資料,分析了極端短時(shí)強(qiáng)降水特征,構(gòu)建了分類天氣學(xué)概念模型。此外還有一些針對(duì)省內(nèi)大城市短時(shí)強(qiáng)降水特征方面的研究[19-20]。
受海陸差異及地形影響,山東省降水時(shí)空分布差異明顯,多角度認(rèn)識(shí)省內(nèi)及各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律,對(duì)防御山洪地質(zhì)災(zāi)害和治理城市內(nèi)澇等具有重要意義。選用山東省123個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站2007—2019年的地面逐小時(shí)觀測(cè)資料,分析山東省及省內(nèi)各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布、不同分位數(shù)樣本和極端短時(shí)強(qiáng)降水的特征,為氣候變暖背景下短時(shí)強(qiáng)降水天氣的發(fā)生機(jī)理研究及短臨預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。
為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且觀測(cè)方式統(tǒng)一,選用國(guó)家氣象信息中心提供的2007—2019年山東省123個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站(含泰山站)的逐小時(shí)地面觀測(cè)資料。
本文使用短時(shí)強(qiáng)降水相關(guān)定義如下:
1)短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn):小時(shí)降水量R≥20.0 mm;
2)短時(shí)強(qiáng)降水站次:達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)的次數(shù)總和;
3)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí):同一時(shí)1站或以上達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水記為1個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí);
4)短時(shí)強(qiáng)降水日:同一日(08:00至次日08:00)1站或以上達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水記為1個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日。
選用R≥20.0 mm的資料,剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù),采用傳統(tǒng)排序法(百分位法)計(jì)算山東省極端短時(shí)強(qiáng)降水閾值。即對(duì)所有樣本升序排列,如取1 000個(gè)時(shí)次的降水量資料,則95%分位數(shù)閾值為第949位和951位降水量的中間值(或線性插值)[6-13]。
為詳細(xì)了解山東省短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生規(guī)律,基于氣候特征和預(yù)報(bào)習(xí)慣將全省劃分為5個(gè)區(qū)域,即魯西北、魯中、魯西南、魯東南和半島地區(qū)[12],分別有35、26、19、19和24站。
基于百分位法計(jì)算山東全省及分區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的不同分位數(shù)閾值,對(duì)比短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻次和分布情況。
2007—2019年山東省共發(fā)生6 257站次短時(shí)強(qiáng)降水,站均發(fā)生50.9次;魯東南地區(qū)站均發(fā)生63.4次,明顯高于其他區(qū)域,是山東短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次最多的區(qū)域;魯西北地區(qū)站均發(fā)生頻次與全省接近,為51.0次;魯西南和魯中地區(qū)站均發(fā)生頻次略低于全省平均,分別為49.3次和48.5次;半島地區(qū)站均發(fā)生頻次低于全省平均值,為44.6次。
從代表樣本平均發(fā)生情況來(lái)看,全省的50%和75%分位數(shù)閾值(小時(shí)雨量,下同)分別為26.6 mm和34.1 mm;魯西南地區(qū)最高,為27.4 mm和35.5 mm;魯東南地區(qū)最低,為26.2 mm和32.5 mm;魯中和半島地區(qū)略低于全省值;魯西北地區(qū)略高于全省值。從代表短時(shí)強(qiáng)降水極端性的99%和99.5%分位數(shù)閾值來(lái)看,全省為71.2 mm和80.5 mm;魯東南地區(qū)均最高,為75.5 mm和88.1 mm;魯中地區(qū)最低,為64.8 mm和71.6 mm;魯西北和半島地區(qū)的99%和99.5%分位數(shù)閾值與全省值接近;魯西南地區(qū)99.5%分位數(shù)閾值較全省值低5.3 mm(表1)。
表1 山東省區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水極值及分位數(shù)閾值
小時(shí)降水量R≥20.0 mm發(fā)生總次數(shù)的大值站點(diǎn)主要分布在魯東南和魯西北地區(qū),其中臨沂市和棗莊市周邊的發(fā)生總次數(shù)普遍超過(guò)70次;次數(shù)較少區(qū)域主要在半島中部、魯西南西部和魯中地區(qū),普遍低于40次;單點(diǎn)發(fā)生次數(shù)前5位為泰山、臨沂、蘭陵、棗莊和禹城,分別為81、77、74、71、71次;發(fā)生次數(shù)最少前4位為壽光、東明、諸城和海陽(yáng),分別為30、32、34、34次;發(fā)生35次的有煙臺(tái)、成山頭、巨野、昌邑、平度和陽(yáng)谷(圖1a)。
圖1 山東短時(shí)強(qiáng)降水分布(a. 雨強(qiáng)≥20 mm·h-1, b. 雨強(qiáng)≥26.6 mm·h-1, c. 雨強(qiáng)≥34.4 mm·h-1, d. 雨強(qiáng)≥52.6 mm·h-1, e. 雨強(qiáng)≥71.2 mm·h-1, f. 雨強(qiáng)≥80.5 mm·h-1;色階,單位: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%分位數(shù)閾值為26.6 mm,發(fā)生總次數(shù)分布情況與R≥20.0 mm的發(fā)生情況基本一致,總次數(shù)較多的區(qū)域主要分布在魯東南、魯西北、魯西南東部地區(qū)和泰山周邊,半島中部、魯中大部和魯西南西部地區(qū)較少;單點(diǎn)發(fā)生次數(shù)前5位為泰山、慶云、莒縣、臨沂和濟(jì)寧,分別為47、44、42、41和39次;發(fā)生次數(shù)最少的為海陽(yáng),僅15次,東明和成山頭為16次(圖1b)。
75%分位數(shù)閾值為34.1 mm,發(fā)生次數(shù)較多的區(qū)域主要在魯西南東部、魯西北、魯東南南部地區(qū)和泰山周邊,半島中部和菏澤周邊地區(qū)較少;單點(diǎn)發(fā)生次數(shù)前3位為慶云、泰山、魚(yú)臺(tái),分別為27、23和22次,濟(jì)寧、鄒城和蘭陵發(fā)生21次;發(fā)生次數(shù)最少為東明,僅4次,高密和莘縣為6次(圖1c)。
95%分位數(shù)閾值為52.6 mm,全省13 a間共發(fā)生313站次,站均發(fā)生2.5次;次數(shù)較多區(qū)域主要分布在魯西北、魯東南和魯西南地區(qū),較少區(qū)域在半島西部、魯西南和魯中地區(qū);單點(diǎn)發(fā)生次數(shù)前3位為惠民、臨沭和魚(yú)臺(tái),分別為9、8、7次,長(zhǎng)清、平陰、泰山、鄒城、黃島和蘭陵均為6次;濱州、博興、周村、桓臺(tái)、禹城、成山頭、石島、寧陽(yáng)、泗水、沂南、成武和薛城未發(fā)生R≥52.6 mm的短時(shí)強(qiáng)降水(圖1d)。
99%分位數(shù)閾值為71.2 mm,全省13 a間共發(fā)生63站次,站均發(fā)生0.5次,僅43站出現(xiàn)過(guò)該強(qiáng)度極端強(qiáng)降水,分布較為分散。其中泰山、聊城、沂水和臨沭均發(fā)生3次,費(fèi)縣、蘭陵、五蓮、膠南、黃島、長(zhǎng)清、魚(yú)臺(tái)、東阿、冠縣、滕州、惠民和乳山均發(fā)生2次,其余有27站發(fā)生過(guò)1次。其他80站沒(méi)有出現(xiàn)(圖1e)。
99.5%分位數(shù)閾值為80.5 mm,共發(fā)生33站次,全省年均發(fā)生不足3次,站均發(fā)生0.3次,僅28站出現(xiàn)過(guò)R≥80.5 mm的極端強(qiáng)降水。其中沂水發(fā)生3次,蘭陵、膠南和乳山發(fā)生2次,24站發(fā)生過(guò)1次。其他95站沒(méi)有出現(xiàn)(圖1f)。
高留喜等[12]于2014年基于業(yè)務(wù)實(shí)際選用1999—2011年的地面逐小時(shí)降水資料,統(tǒng)計(jì)分析給出的全省極端短時(shí)強(qiáng)降水閾值標(biāo)準(zhǔn)為74.8 mm。綜上分析,建議將所有短時(shí)強(qiáng)降水樣本的99%分位數(shù)作為極端短時(shí)強(qiáng)降水閾值,即71.2 mm,各區(qū)域由高到低為魯東南、半島、魯西南、魯西北和魯中,對(duì)應(yīng)閾值為75.5、71.9、70.8、69.8和64.8 mm;魯東南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次最多,半島地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最少,魯西南地區(qū)極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最少。
全省各站年均發(fā)生3.9次短時(shí)強(qiáng)降水,總頻次大于4次的站點(diǎn)多分布于魯東南、魯西南地區(qū)和泰山周邊。魯東南地區(qū)最多,為4.9站次,有10 a高于同年全省平均,有7 a為發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域;魯西北地區(qū)為3.9次,有7 a高于同年全省平均,為2010年和2015年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域;魯中地區(qū)為3.8次,有4 a高于同年全省平均,為2018年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域;魯西南地區(qū)為3.7次,有5 a高于同年全省平均,為2016年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域;半島地區(qū)最少,為3.4次,有4 a高于同年全省平均,為2014年發(fā)生次數(shù)最多區(qū)域(圖2)。
圖2 山東短時(shí)強(qiáng)降水站均年發(fā)生次數(shù)Fig.2 Station average annual occurrence times of short-time severe precipitation
2018年山東接連遭受3個(gè)臺(tái)風(fēng)影響,站均年發(fā)生次數(shù)最多,為5.2次。各區(qū)域站均發(fā)生次數(shù)由多到少依次為魯中地區(qū)2018年6.8次,魯東南地區(qū)2013年6.5次,魯西南地區(qū)2016年5.5次,魯西北地區(qū)2018年5.3次和半島地區(qū)2007年5.1次。2014年全省大范圍旱情持續(xù),雨季降水過(guò)程偏少,站均年發(fā)生次數(shù)最少,僅2.2次,為魯東南、魯中和魯西南地區(qū)的站均發(fā)生次數(shù)最少年份,其中魯東南地區(qū)為統(tǒng)計(jì)次數(shù)最少區(qū)域,僅1.7次,魯中和魯西南地區(qū)分別為2.0次和1.9次。
各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水自5月逐漸增多,6月迅速增多,該階段多為大陸性強(qiáng)對(duì)流導(dǎo)致的短時(shí)強(qiáng)降水。7—8月為山東主雨季,短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在該時(shí)期,占全年總數(shù)的79.6%,其中7月最多,占41.4%。魯西南、魯東南和半島地區(qū)7月最多,魯中和魯西北地區(qū)8月最多(圖3),與山東雨季開(kāi)始和副熱帶高壓北上的季節(jié)性規(guī)律一致。
圖3 山東短時(shí)強(qiáng)降水各月發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的百分比Fig.3 Percentage of monthly occurrence times of short-time severe precipitation
全省的短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)于6月中旬至8月下旬,占全年總數(shù)的90.8%;7月上旬至8月中旬占73.6%,7月中旬至8月中旬期間每旬的發(fā)生站次均超過(guò)900次,占62.0%,又以8月上旬最多,占16.8%(圖4)。
圖4 山東短時(shí)強(qiáng)降水旬發(fā)生次數(shù)(縱坐標(biāo):左側(cè)為各區(qū)域,右側(cè)為山東全省)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月中旬前共發(fā)生7站次短時(shí)強(qiáng)降水,4月下旬出現(xiàn)18站次短時(shí)強(qiáng)降水,主要出現(xiàn)在魯西北和魯中地區(qū),與高空冷平流活躍,地面氣溫迅速升高,導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣增多有關(guān)。5月上中旬大部分站點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,魯西北、魯中和魯東南地區(qū)發(fā)生站次較其他區(qū)域偏多,與冷空氣南下或高空冷渦活動(dòng)有關(guān);同時(shí)半島地區(qū)近地面氣溫回升,開(kāi)始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。5月下旬魯西北地區(qū)發(fā)生站次較中旬減少,魯中地區(qū)沒(méi)有發(fā)生。6月上旬起,半島以外地區(qū)發(fā)生站次開(kāi)始穩(wěn)定增加。6月中下旬是高空冷渦影響山東最為頻繁的階段,強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā),各區(qū)域發(fā)生站次迅速增加。7月上旬至8月下旬為各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最為集中的階段,與山東省預(yù)報(bào)員經(jīng)常提到的“七上八下”相對(duì)應(yīng)。
山東省短時(shí)強(qiáng)降水具有顯著的日變化,表現(xiàn)為“雙峰”特征,站均發(fā)生次數(shù)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。魯西北、魯東南和魯西南地區(qū)也呈“雙峰”特征,但峰值時(shí)段不同。魯西北地區(qū)第一峰值集中在16:00—20:00,第二峰值在05:00—10:00;魯東南地區(qū)第一峰值在后半夜,集中于02:00—06:00,第二峰值在14:00—18:00;魯西南地區(qū)第一峰值集中在17:00—20:00,第二峰值在03:00—05:00。魯中地區(qū)為“單峰”特征,午后到前半夜發(fā)生次數(shù)最多,集中在19:00—21:00。半島地區(qū)呈現(xiàn)“三峰”特征,上午、下午及后半夜發(fā)生次數(shù)較多,中午和前半夜較少(圖5)。
圖5 山東短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征Fig.5 Diurnal variation feature of short-time severe precipitation in Shandong
2007—2019年共695個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日,發(fā)生站次最多的為2007年7月18日130站次,其次為2019年8月10日124站次,第三位為2018年8月19日109站次。全省單日發(fā)生站次1、2、3~4、5~9、10~19和≥20站次的概率分別為21.9%、13.0%、15.0%、21.6%、16.4%和12.2%。各區(qū)域多為1~2站次的局地性短時(shí)強(qiáng)降水,占比由高到低依次為半島、魯東南、魯中、魯西南和魯西北地區(qū),其中半島地區(qū)高達(dá)6成;5站次及以上區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水占比2~3成,由高到低依次為魯西北、魯西南、魯中、魯東南和半島地區(qū)(圖6)。
圖6 單一短時(shí)強(qiáng)降水日發(fā)生站次百分比Fig.6 Percentage of stations with short-time severe precipitation day
2007—2019年共有3 337個(gè)時(shí)次發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水。發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)次中又以單站發(fā)生為主,占59.2%,2站發(fā)生的占20.0%,3站次及以上占20.9%,5站次及以上占5.8%,10站次及以上僅22次,占0.7%(圖7)。對(duì)各區(qū)域而言,半島和魯中地區(qū)單站發(fā)生比例高于其他區(qū)域,多局地性短時(shí)強(qiáng)降水;魯西北地區(qū)2站及以上站次發(fā)生比例高于其他區(qū)域;僅在2015年8月3日18:00—19:00魯西北地區(qū)發(fā)生過(guò)1次10站次以上的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。
圖7 單一短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)發(fā)生站次百分比Fig.7 Percentage of stations with short-time severe precipitation hour
全省大部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水初日在5月,魯西北、魯中和魯東南地區(qū)在5月上旬,魯西南和半島地區(qū)為5月下旬;初日最早為2016年3月4日,21:00—22:00曲阜降水量20.6 mm。大部地區(qū)終日在9月,魯西南和魯西北地區(qū)在9月上旬,魯中和魯東南地區(qū)在9月中旬,半島地區(qū)為9月下旬;最晚一次發(fā)生在2015年11月6日23:00—7日00:00,郯城降水量21.5 mm。
本文選用山東123個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站2007—2019年的地面逐小時(shí)觀測(cè)資料,統(tǒng)計(jì)分析了山東省短時(shí)強(qiáng)降水的分布、變化和極端短時(shí)強(qiáng)降水的特征,主要結(jié)論如下:
1)2007—2019年共有695個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日、3 337個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次和6 257站次短時(shí)強(qiáng)降水樣本。日發(fā)生站次少于10站的超7成,約5成少于4站;時(shí)發(fā)生站次為單站的約6成,3站次及以上約2成。
2)建議山東極端短時(shí)強(qiáng)降水閾值為71.2 mm·h-1,各區(qū)域閾值由高到低依次為魯東南地區(qū)75.5 mm·h-1、半島地區(qū)71.9 mm·h-1、魯西南地區(qū)70.8 mm·h-1、魯西北地區(qū)69.8 mm·h-1和魯中地區(qū)64.8 mm·h-1。魯東南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次均最多,半島地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最少,魯西南地區(qū)極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最少。
3)山東各站年均發(fā)生3.9次短時(shí)強(qiáng)降水,其中魯東南地區(qū)最多為4.9次,半島地區(qū)最少為3.4次。全省站均發(fā)生次數(shù)最多為2018年(5.2次),最少為2014年(2.2次)。
4)山東短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在7—8月(占79.6%),其中魯西南、魯東南和半島地區(qū)7月最多,魯中和魯西北地區(qū)8月最多。逐旬統(tǒng)計(jì)全省短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù),則集中在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)山東短時(shí)強(qiáng)降水具有顯著的日變化,表現(xiàn)為“雙峰”特征,午后至傍晚發(fā)生頻次最高,集中于15:00—20:00,其次是后半夜,集中于02:00—05:00;魯西北、魯東南和魯西南地區(qū)也呈現(xiàn)“雙峰”特征,但峰值時(shí)段不同;此外,魯中地區(qū)為“單峰”特征,半島地區(qū)為“三峰”特征。
本文根據(jù)山東省小時(shí)降水資料,統(tǒng)計(jì)分析了2007—2019年山東全省和分區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。在后續(xù)的工作中將繼續(xù)研究短時(shí)強(qiáng)降水與復(fù)雜地形的關(guān)系,以及不同地區(qū)、不同季節(jié)短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水的潛勢(shì)預(yù)報(bào)、概念模型等。