魯中地區近35 a不同歷時降水變化特征

環海軍，劉 巖，孫燕玲，夏福華

（淄博市氣象局，山東 淄博255048）

降水強度是受氣候變化影響最為敏感的氣象要素之一，是水文要素時空變化的重要影響因子[1,2]。當前對降水強度變化規律的研究方法主要有兩種：一是從氣候動力學模型出發，通過設定不同情景模式，利用全球海氣耦合系統對未來氣候進行模擬預估；二是對過去的降水資料或歷史代用資料進行統計擬合分析，獲得降水的變化規律，利用降水要素的特征值來統計分析降水變化規律成為當前的一條主要途徑[3]。在全國降水特征研究方面，徐新創等[4]研究表明，中國降水強度年代際變化總體呈現上升趨勢；金煒昕等[5]研究結果表明，中國中東部總降水量呈“南升北降”的趨勢，北方地區降水時數和事件數顯著減少，但降水強度呈增加趨勢。在區域降水特征研究方面，王國榮等[6]研究表明，北京地區短時強降水主要分布在山前及山前的平原地區，主要發生在午后到前半夜；宋曉猛等[7]研究表明，北京地區各歷時降水發生率隨降水歷時的增加而呈冪指數遞減趨勢，貢獻率則先降低后增加；吳濱等研究結果表明[8]，福建省不同歷時暴雨頻次的空間分布特點基本相同，呈增加趨勢；魏軍等[9]研究表明，近43 a石家莊市極端降水事件發生頻率總體變化趨勢平緩，但年際間波動較大。沈澄等研究表明[10]，南京雨強＞50 mm·h-1致災性短時強降水過程的發生次數呈顯著增長趨勢，不同時期短時強降水出現時間不同。

在山東降水特征研究方面，董旭光等研究表明[11]，近50 a山東省年降水總日數總體呈極顯著減少趨勢，暴雨強度增加趨勢明顯，年際波動較大；尹承美等[12]研究表明，濟南市小時降水量＞15 mm強降水主要出現在07:00、19:00和23:00前后；王成都等[13]研究表明，山東極端降水量由東南向西北減小，21世紀前10 a部分地區極端最大過程降水量較20世紀70—90年代大；環海軍等[14-16]研究表明，魯中地區暴雨強度和極端降水日數呈上升趨勢，不同歷時降水開始時間和變化規律存在空間差異。目前研究區域降水特征主要集中在不同日降水強度的發生頻率和發生時間，研究結果區域化差異較大，對持續多日不同強度降水的變化規律研究相對較少。

魯中地區地處山東省中部，屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，多數地區處在亞濕潤氣候大區的指標范圍，地形主要包括平原和山區，受季風影響，氣候變化具有明顯的季節性，冬季盛行偏北風，雨雪稀少，寒冷干燥；春季氣溫回升快，少雨多風，干旱發生頻繁；夏季高溫高濕，降水集中；秋季降水銳減，秋高氣爽。魯中地區干旱發生較為頻繁，尤其在春季。目前尚未有單獨針對該地區不同持續時間不同強度降水日數變化規律的研究，本文基于魯中地區近35 a氣象資料研究不同持續時間不同強度降水日數變化規律，以期深入了解當地降水變化特征，為不同持續時間降水預測預警提供參考依據，更好地服務當地社會經濟的發展。

1 資料和方法

本文氣象資料來源于魯中地區自南而北的8個國家氣象站的1980—2014年近35 a逐日降水量資料，資料年限根據選取站點建站最晚年限確定，研究區域和站點分布見圖1。圖1a中陰影部分為研究區域，地形包括平原和山區，圖1b陰影部分為山區，數據經過嚴格質量控制。雨日劃分的標準為：日降水量在0.1～9.9 mm為小雨日，日降水量在10～24.9 mm為中雨日，日降水量在25.0～49.9 mm為大雨日，日降水量在50.0～99.9 mm為暴雨日，日降水量在100.0～250.0 mm為大暴雨日，日降水量大于250.0 mm為特大暴雨日，2 d小雨為持續2 d小雨日，其他持續時間降水日以此類推。

基于氣象數據采用氣候傾向率、相關系數等統計方法分析不同歷時最大降水強度的時間變化特征，運用峰度系數作為表征數據分布曲線頂端尖峭或扁平程度的指標，偏度系數表征數據分布曲線對稱程度的指標，偏度系數為0，峰度系數為3的分布為正態分布，偏度系數為正數的為正偏分布，負數則為負偏分布，＞3的峰度系數說明數據更集中，有比正態分布更短的尾部，＜3的峰度系數說明數據不那么集中，有比正態分布更長的尾部，類似于矩形的均勻分布。利用經驗正交分解法（EOF）分析空間變化特征[17]。

2 結果與分析

2.1 不同持續時間不同強度降水頻率時間變化規律

圖1 研究區域及站點分布

2.1.1 年際變化

不同持續時間不同強度降水年發生次數變化規律見表1。魯中地區近35 a無特大暴雨發生，不同持續時間不同強度降水發生頻率隨降水強度的增加和持續時間的增長而減少。1 d大暴雨平均年發生0.23次，呈正偏態分布，年際波動幅度大，隨時間增加趨勢明顯。不同持續時間暴雨年發生次數隨時間變化增加趨勢不顯著，呈正偏態分布，持續3 d暴雨僅2013年7月9—11日在北部平原地區發生一次。1 d大雨隨時間變化呈弱增加趨勢，年際波動幅度較小，持續2 d大雨呈弱減少趨勢，呈正偏態分布，年際波動幅度較大，持續3 d大雨近35 a共發生2次，分別出現在1995年8月3—5日和2005年9月19—21日，均發生在中部地區。

1 d中雨隨時間變化呈增加趨勢，氣候傾向率為0.68次/10 a，持續2 d中雨年發生次數較1 d明顯偏少，呈弱減少趨勢，符合正偏態分布，持續3 d中雨年發生概率為34%，隨時間變化呈增加趨勢，持續4 d中雨近35 a共發生4次，分別出現在1985、1993、2008年和2014年，其中，山區出現3次，北部平原出現1次。1 d小雨平均年發生56.36次，呈弱減少趨勢，年際波動幅度較小，呈負偏態分布；持續2 d小雨年發生次數呈正態分布，隨時間變化呈減少趨勢；持續3 d小雨呈增加趨勢，年際波動較??；持續4 d小雨平均年發生1.01次，年際波動較大，呈弱減少趨勢；持續5 d小雨平均年發生0.18次，發生概率為37%，主要分布在20世紀80年代和2005—2010年。

表1 不同持續時間不同強度降水年發生次數

2.1.2 季節變化

不同持續時間不同強度降水月發生次數變化規律見圖2。由圖2可知，1 d不同強度降水最多均發生在7月，平均發生次數占全年的28%，其次為8月，占26%，6—7月急劇增多，8月后急劇減少；持續2 d中雨和小雨發生次數在6月小幅度下降后急劇增多，大雨和小雨最多出現在8月，分別占全年的39%、14%，中雨出現在7月，占全年的28%，8月后各強度降水月發生次數急劇減少。

持續3 d中雨和小雨最多發生在8月，分別占全年的42%、17%，8月前呈增加趨勢，8月后呈減少趨勢，中雨發生在7—9月和11月，小雨各月均有發生；持續4 d小雨最多發生在8月，占全年的21%，其次為9月，除4月無持續4日小雨發生外，其他各月均有發生；持續5 d小雨出現在7—9月和11月，最多出現在9月，占全年的44%，35 a平均年次數為0.08次，發生概率較小。

圖2 1 d（a）、持續2 d（b）、持續3 d（c）和持續4 d（d）降水各月發生次數

2.2 不同持續時間不同強度降水頻率空間變化規律

不同持續時間不同強度降水平均年發生次數空間變化規律見表2。由表可知，山區1 d不同強度降水年發生次數較平原偏多，偏多幅度隨著降水強度的增加而增大。持續2 d暴雨中北部平原發生次數最多為3次，其中2次發生在近10 a，東部平原未發生，持續2 d大雨平均年發生次數東部平原最多，北部平原最少，持續2 d中雨和小雨平均年發生次數空間變化規律一致，山區偏多，北部平原最少，空間差異不大。

持續3 d暴雨僅在北部平原發生1次，出現在2013年7月9—11日，此次暴雨過程使該地區地面積水嚴重，多數村莊進行了應急轉移，持續3 d大雨出現2次，分別是2005年出現在中西部平原，1995年出現在東部平原，持續3 d中雨和小雨山區最多，其他各地接近。持續4 d中雨山區和北部平原分別出現1次，其他地區未發生，持續4 d小雨各地年發生次數接近，中部山區最多。持續5 d小雨各地年發生次數均較少，平原略偏多。

1 d不同強度降水發生次數EOF分解第一特征向量空間分布見圖3。1 d大暴雨年發生次數的EOF分解前3個特征向量貢獻率分別為36%、19%、16%，第一特征向量表明，除中部平原外的其他地區1 d大暴雨年發生次數呈增加趨勢，強度中心在山區，第二特征向量反映南部山區呈減少趨勢，其他地區呈增加趨勢。1 d暴雨年發生次數前2個特征向量貢獻率分別為46%、15%，主要空間變化規律一致，隨時間呈增加趨勢，強度中心在山區，第二特征向量呈現山區和平原相反的空間變化規律。1 d大雨年發生次數前2個特征向量貢獻率分別為54%、13%，主要空間變化規律一致，呈增加趨勢，強度中心在東部平原。第二特征向量呈現山區、西部平原與其他地區相反的空間變化規律，隨時間變化呈顯著增加趨勢。

表2 各站不同持續時間不同強度降水平均年發生次數

圖3 1 d暴雨（a）、大雨（b）、中雨（c）和小雨（d）年發生次數EOF分解第一特征向量空間分布

1 d中雨年發生次數前2個特征向量貢獻率分別為59%、10%，主要空間變化規律一致，隨時間變化呈顯著增加趨勢，強度中心在中部平原。第二特征向量呈現南部山區、北部平原與其他地區相反的空間變化規律，隨時間變化呈減少趨勢。1 d小雨年發生次數前2個特征向量貢獻率分別為69%、12%，主要空間變化規律一致，呈增加趨勢，強度中心在西部平原。第二特征向量呈現南部山區和其他地區相反的空間變化規律，隨時間變化呈顯著減少趨勢。

2.3 不同持續時間不同等級降水量變化規律

不同持續時間不同等級降水量變化規律見表3。1 d大暴雨強度中心在中北部平原，除南部沂源山區外，其他地區呈增加趨勢；1 d暴雨強度中心在北部平原，中部桓臺地區呈顯著增加趨勢，南部山區呈增加趨勢；1 d其他強度降水各地分布比較均勻，變化趨勢不顯著。

連續2 d暴雨強度中心在中部地區，除淄博、周村地區外，其他地區呈增加趨勢；連續2 d其他降水強度降水各地分布比較均勻，大雨和中雨多數地區呈減少趨勢，其中，東部平原中雨減少趨勢顯著，小雨變化趨勢不明顯。

連續3 d中雨強度中心在南部山區，除東部平原顯著增多外，其他地區變化趨勢不顯著，小雨均呈增加趨勢。連續4 d和5 d小雨各地分布均勻，4 d多數地區呈增加趨勢，5 d多數地區呈減少趨勢，變化趨勢均不顯著。

表3 各站不同持續時間不同等級降水量

3 結論與討論

（1）魯中地區近35 a無特大暴雨發生，其他不同持續時間不同強度降水發生頻率隨降水強度和持續時間的增加而減少。1 d降水除小雨外，其他強度降水發生次數隨時間均呈增加趨勢，大暴雨降水強度空間差異較大，強度中心在中北部平原，除沂源地區外其他地區呈增加趨勢，其他強度降水的降水強度空間分布較均勻，暴雨主要在中部平原和南部山區呈增加趨勢，其中，中部平原增加趨勢顯著，其他強度降水的降水強度變化趨勢不顯著；連續2 d暴雨年發生次數隨時間呈增加趨勢，其他強度降水均呈不顯著減少趨勢，暴雨強度中心在中部山區，除中西部平原外，其他地區呈增加趨勢，其他強度降水的降水強度分布均勻，大雨降水強度在東部平原呈顯著減少趨勢，中雨降水強度在中北部平原呈顯著增加趨勢，其他地區多數呈減少趨勢；連續3 d暴雨、大雨歷史分別出現1次、2次，中雨和小雨年發生次數隨時間呈增加趨勢，中雨降水強度在中北部平原呈增加趨勢，小雨降水強度在各地均呈增加趨勢；連續4 d中雨歷史發生4次，小雨年發生次數呈非顯著性減少趨勢；連續5 d小雨主要發生在20世紀80年代和2005—2010年，隨時間變化呈非顯著性減少趨勢，降水強度在多數地區呈減少趨勢。

（2）不同強度降水年發生次數山區較平原偏多，偏多幅度隨著降水強度的增加而增大。除1 d大暴雨外，其他1 d不同強度降水主要空間變化規律一致，隨時間呈增加趨勢，大暴雨和暴雨的強度中心在山區，其他強度降水的強度中心在平原地區，第二特征向量上均存在山區與平原的差異。

（3）綜上所述，魯中地區近35 a來不同持續時間不同強度降水變化規律不一致，主要呈現時間和空間上的差異，降水頻率與降水強度的變化規律基本一致。大暴雨、暴雨發生次數呈增加趨勢，降水強度主要呈增加趨勢，與氣候變暖趨勢下極端強降水的變化趨勢一致；多數降水最多出現在7—8月，8月后急劇減少，與當地季風氣候區主要降水時段一致；山區降水強度較平原偏大，與南部山區地形阻礙密切相關。深入了解不同持續時間不同強度降水變化規律及機理，為做好降水事件的預測預警提供基礎[18]，但差異的成因及其形成機制有待進一步研究。