鲁中地区近35 a不同历时降水变化特征

环海军，刘 岩，孙燕玲，夏福华

（淄博市气象局，山东 淄博255048）

降水强度是受气候变化影响最为敏感的气象要素之一，是水文要素时空变化的重要影响因子[1,2]。当前对降水强度变化规律的研究方法主要有两种：一是从气候动力学模型出发，通过设定不同情景模式，利用全球海气耦合系统对未来气候进行模拟预估；二是对过去的降水资料或历史代用资料进行统计拟合分析，获得降水的变化规律，利用降水要素的特征值来统计分析降水变化规律成为当前的一条主要途径[3]。在全国降水特征研究方面，徐新创等[4]研究表明，中国降水强度年代际变化总体呈现上升趋势；金炜昕等[5]研究结果表明，中国中东部总降水量呈“南升北降”的趋势，北方地区降水时数和事件数显著减少，但降水强度呈增加趋势。在区域降水特征研究方面，王国荣等[6]研究表明，北京地区短时强降水主要分布在山前及山前的平原地区，主要发生在午后到前半夜；宋晓猛等[7]研究表明，北京地区各历时降水发生率随降水历时的增加而呈幂指数递减趋势，贡献率则先降低后增加；吴滨等研究结果表明[8]，福建省不同历时暴雨频次的空间分布特点基本相同，呈增加趋势；魏军等[9]研究表明，近43 a石家庄市极端降水事件发生频率总体变化趋势平缓，但年际间波动较大。沈澄等研究表明[10]，南京雨强＞50 mm·h-1致灾性短时强降水过程的发生次数呈显著增长趋势，不同时期短时强降水出现时间不同。

在山东降水特征研究方面，董旭光等研究表明[11]，近50 a山东省年降水总日数总体呈极显著减少趋势，暴雨强度增加趋势明显，年际波动较大；尹承美等[12]研究表明，济南市小时降水量＞15 mm强降水主要出现在07:00、19:00和23:00前后；王成都等[13]研究表明，山东极端降水量由东南向西北减小，21世纪前10 a部分地区极端最大过程降水量较20世纪70—90年代大；环海军等[14-16]研究表明，鲁中地区暴雨强度和极端降水日数呈上升趋势，不同历时降水开始时间和变化规律存在空间差异。目前研究区域降水特征主要集中在不同日降水强度的发生频率和发生时间，研究结果区域化差异较大，对持续多日不同强度降水的变化规律研究相对较少。

鲁中地区地处山东省中部，属于暖温带大陆性季风气候区，多数地区处在亚湿润气候大区的指标范围，地形主要包括平原和山区，受季风影响，气候变化具有明显的季节性，冬季盛行偏北风，雨雪稀少，寒冷干燥；春季气温回升快，少雨多风，干旱发生频繁；夏季高温高湿，降水集中；秋季降水锐减，秋高气爽。鲁中地区干旱发生较为频繁，尤其在春季。目前尚未有单独针对该地区不同持续时间不同强度降水日数变化规律的研究，本文基于鲁中地区近35 a气象资料研究不同持续时间不同强度降水日数变化规律，以期深入了解当地降水变化特征，为不同持续时间降水预测预警提供参考依据，更好地服务当地社会经济的发展。

1 资料和方法

本文气象资料来源于鲁中地区自南而北的8个国家气象站的1980—2014年近35 a逐日降水量资料，资料年限根据选取站点建站最晚年限确定，研究区域和站点分布见图1。图1a中阴影部分为研究区域，地形包括平原和山区，图1b阴影部分为山区，数据经过严格质量控制。雨日划分的标准为：日降水量在0.1～9.9 mm为小雨日，日降水量在10～24.9 mm为中雨日，日降水量在25.0～49.9 mm为大雨日，日降水量在50.0～99.9 mm为暴雨日，日降水量在100.0～250.0 mm为大暴雨日，日降水量大于250.0 mm为特大暴雨日，2 d小雨为持续2 d小雨日，其他持续时间降水日以此类推。

基于气象数据采用气候倾向率、相关系数等统计方法分析不同历时最大降水强度的时间变化特征，运用峰度系数作为表征数据分布曲线顶端尖峭或扁平程度的指标，偏度系数表征数据分布曲线对称程度的指标，偏度系数为0，峰度系数为3的分布为正态分布，偏度系数为正数的为正偏分布，负数则为负偏分布，＞3的峰度系数说明数据更集中，有比正态分布更短的尾部，＜3的峰度系数说明数据不那么集中，有比正态分布更长的尾部，类似于矩形的均匀分布。利用经验正交分解法（EOF）分析空间变化特征[17]。

2 结果与分析

2.1 不同持续时间不同强度降水频率时间变化规律

图1 研究区域及站点分布

2.1.1 年际变化

不同持续时间不同强度降水年发生次数变化规律见表1。鲁中地区近35 a无特大暴雨发生，不同持续时间不同强度降水发生频率随降水强度的增加和持续时间的增长而减少。1 d大暴雨平均年发生0.23次，呈正偏态分布，年际波动幅度大，随时间增加趋势明显。不同持续时间暴雨年发生次数随时间变化增加趋势不显著，呈正偏态分布，持续3 d暴雨仅2013年7月9—11日在北部平原地区发生一次。1 d大雨随时间变化呈弱增加趋势，年际波动幅度较小，持续2 d大雨呈弱减少趋势，呈正偏态分布，年际波动幅度较大，持续3 d大雨近35 a共发生2次，分别出现在1995年8月3—5日和2005年9月19—21日，均发生在中部地区。

1 d中雨随时间变化呈增加趋势，气候倾向率为0.68次/10 a，持续2 d中雨年发生次数较1 d明显偏少，呈弱减少趋势，符合正偏态分布，持续3 d中雨年发生概率为34%，随时间变化呈增加趋势，持续4 d中雨近35 a共发生4次，分别出现在1985、1993、2008年和2014年，其中，山区出现3次，北部平原出现1次。1 d小雨平均年发生56.36次，呈弱减少趋势，年际波动幅度较小，呈负偏态分布；持续2 d小雨年发生次数呈正态分布，随时间变化呈减少趋势；持续3 d小雨呈增加趋势，年际波动较小；持续4 d小雨平均年发生1.01次，年际波动较大，呈弱减少趋势；持续5 d小雨平均年发生0.18次，发生概率为37%，主要分布在20世纪80年代和2005—2010年。

表1 不同持续时间不同强度降水年发生次数

2.1.2 季节变化

不同持续时间不同强度降水月发生次数变化规律见图2。由图2可知，1 d不同强度降水最多均发生在7月，平均发生次数占全年的28%，其次为8月，占26%，6—7月急剧增多，8月后急剧减少；持续2 d中雨和小雨发生次数在6月小幅度下降后急剧增多，大雨和小雨最多出现在8月，分别占全年的39%、14%，中雨出现在7月，占全年的28%，8月后各强度降水月发生次数急剧减少。

持续3 d中雨和小雨最多发生在8月，分别占全年的42%、17%，8月前呈增加趋势，8月后呈减少趋势，中雨发生在7—9月和11月，小雨各月均有发生；持续4 d小雨最多发生在8月，占全年的21%，其次为9月，除4月无持续4日小雨发生外，其他各月均有发生；持续5 d小雨出现在7—9月和11月，最多出现在9月，占全年的44%，35 a平均年次数为0.08次，发生概率较小。

图2 1 d（a）、持续2 d（b）、持续3 d（c）和持续4 d（d）降水各月发生次数

2.2 不同持续时间不同强度降水频率空间变化规律

不同持续时间不同强度降水平均年发生次数空间变化规律见表2。由表可知，山区1 d不同强度降水年发生次数较平原偏多，偏多幅度随着降水强度的增加而增大。持续2 d暴雨中北部平原发生次数最多为3次，其中2次发生在近10 a，东部平原未发生，持续2 d大雨平均年发生次数东部平原最多，北部平原最少，持续2 d中雨和小雨平均年发生次数空间变化规律一致，山区偏多，北部平原最少，空间差异不大。

持续3 d暴雨仅在北部平原发生1次，出现在2013年7月9—11日，此次暴雨过程使该地区地面积水严重，多数村庄进行了应急转移，持续3 d大雨出现2次，分别是2005年出现在中西部平原，1995年出现在东部平原，持续3 d中雨和小雨山区最多，其他各地接近。持续4 d中雨山区和北部平原分别出现1次，其他地区未发生，持续4 d小雨各地年发生次数接近，中部山区最多。持续5 d小雨各地年发生次数均较少，平原略偏多。

1 d不同强度降水发生次数EOF分解第一特征向量空间分布见图3。1 d大暴雨年发生次数的EOF分解前3个特征向量贡献率分别为36%、19%、16%，第一特征向量表明，除中部平原外的其他地区1 d大暴雨年发生次数呈增加趋势，强度中心在山区，第二特征向量反映南部山区呈减少趋势，其他地区呈增加趋势。1 d暴雨年发生次数前2个特征向量贡献率分别为46%、15%，主要空间变化规律一致，随时间呈增加趋势，强度中心在山区，第二特征向量呈现山区和平原相反的空间变化规律。1 d大雨年发生次数前2个特征向量贡献率分别为54%、13%，主要空间变化规律一致，呈增加趋势，强度中心在东部平原。第二特征向量呈现山区、西部平原与其他地区相反的空间变化规律，随时间变化呈显著增加趋势。

表2 各站不同持续时间不同强度降水平均年发生次数

图3 1 d暴雨（a）、大雨（b）、中雨（c）和小雨（d）年发生次数EOF分解第一特征向量空间分布

1 d中雨年发生次数前2个特征向量贡献率分别为59%、10%，主要空间变化规律一致，随时间变化呈显著增加趋势，强度中心在中部平原。第二特征向量呈现南部山区、北部平原与其他地区相反的空间变化规律，随时间变化呈减少趋势。1 d小雨年发生次数前2个特征向量贡献率分别为69%、12%，主要空间变化规律一致，呈增加趋势，强度中心在西部平原。第二特征向量呈现南部山区和其他地区相反的空间变化规律，随时间变化呈显著减少趋势。

2.3 不同持续时间不同等级降水量变化规律

不同持续时间不同等级降水量变化规律见表3。1 d大暴雨强度中心在中北部平原，除南部沂源山区外，其他地区呈增加趋势；1 d暴雨强度中心在北部平原，中部桓台地区呈显著增加趋势，南部山区呈增加趋势；1 d其他强度降水各地分布比较均匀，变化趋势不显著。

连续2 d暴雨强度中心在中部地区，除淄博、周村地区外，其他地区呈增加趋势；连续2 d其他降水强度降水各地分布比较均匀，大雨和中雨多数地区呈减少趋势，其中，东部平原中雨减少趋势显著，小雨变化趋势不明显。

连续3 d中雨强度中心在南部山区，除东部平原显著增多外，其他地区变化趋势不显著，小雨均呈增加趋势。连续4 d和5 d小雨各地分布均匀，4 d多数地区呈增加趋势，5 d多数地区呈减少趋势，变化趋势均不显著。

表3 各站不同持续时间不同等级降水量

3 结论与讨论

（1）鲁中地区近35 a无特大暴雨发生，其他不同持续时间不同强度降水发生频率随降水强度和持续时间的增加而减少。1 d降水除小雨外，其他强度降水发生次数随时间均呈增加趋势，大暴雨降水强度空间差异较大，强度中心在中北部平原，除沂源地区外其他地区呈增加趋势，其他强度降水的降水强度空间分布较均匀，暴雨主要在中部平原和南部山区呈增加趋势，其中，中部平原增加趋势显著，其他强度降水的降水强度变化趋势不显著；连续2 d暴雨年发生次数随时间呈增加趋势，其他强度降水均呈不显著减少趋势，暴雨强度中心在中部山区，除中西部平原外，其他地区呈增加趋势，其他强度降水的降水强度分布均匀，大雨降水强度在东部平原呈显著减少趋势，中雨降水强度在中北部平原呈显著增加趋势，其他地区多数呈减少趋势；连续3 d暴雨、大雨历史分别出现1次、2次，中雨和小雨年发生次数随时间呈增加趋势，中雨降水强度在中北部平原呈增加趋势，小雨降水强度在各地均呈增加趋势；连续4 d中雨历史发生4次，小雨年发生次数呈非显著性减少趋势；连续5 d小雨主要发生在20世纪80年代和2005—2010年，随时间变化呈非显著性减少趋势，降水强度在多数地区呈减少趋势。

（2）不同强度降水年发生次数山区较平原偏多，偏多幅度随着降水强度的增加而增大。除1 d大暴雨外，其他1 d不同强度降水主要空间变化规律一致，随时间呈增加趋势，大暴雨和暴雨的强度中心在山区，其他强度降水的强度中心在平原地区，第二特征向量上均存在山区与平原的差异。

（3）综上所述，鲁中地区近35 a来不同持续时间不同强度降水变化规律不一致，主要呈现时间和空间上的差异，降水频率与降水强度的变化规律基本一致。大暴雨、暴雨发生次数呈增加趋势，降水强度主要呈增加趋势，与气候变暖趋势下极端强降水的变化趋势一致；多数降水最多出现在7—8月，8月后急剧减少，与当地季风气候区主要降水时段一致；山区降水强度较平原偏大，与南部山区地形阻碍密切相关。深入了解不同持续时间不同强度降水变化规律及机理，为做好降水事件的预测预警提供基础[18]，但差异的成因及其形成机制有待进一步研究。