引言

受全球及区域尺度气候变化影响，不同区域极端天气气候事件明显增多，气候变化和极端气候事件以及他们之间的关系是当前国际社会十分关注的科学问题。Zhai et al(2005) 指出，过去50多年(相对于2005年)我国东部地区降水日数下降，但极端强降水日数增加。虽然华北地区夏季降水减少趋势明显(王遵娅等，2004)，但极端降水量在总降水量中的比重呈增加趋势(翟盘茂等，2007)。由于降水分布在时空上的高度不均匀性，只有逐时或更高时间分辨率上的降水资料才能更加准确地反映降水强度信息和降水演变过程的特征。日累计降水量在表征降水强度时会过高估计长时间连续性弱降水的强度，低估短时强降水的强度。近几年，随着长时间序列的逐时、逐分钟降水资料的出现，越来越多的研究关注小时或更短时间尺度的降水特征。Yu et al(2004；2007a；2007b)和Yu and Zhou(2007) 利用长序列的逐时台站降水资料分析发现，中国夏季降水的日变化具有明显的区域性，而长持续性降水的峰值多位于夜间和清晨，短持续性降水的峰值多出现在下午或傍晚。在华北地区，夏季降水总量和频次有所减少，但降水强度在增加。诸多国内学者研究了不同区域的逐时降水长期变化特征和日变化特征，得到一些有意义的结论(殷水清等，2012；李建等，2008；原韦华等，2014；姚莉等，2010；常煜，2015；彭芳等，2012；胡迪和李跃清，2015;杨玮和程智，2015；郑祚芳等，2013)，同时，刘伟东等(2014) 利用聚类分析方法，田付友等(2014) 利用Г函数和李建等(2013) 利用5年一遇极端降水对不同区域短时降水进行了讨论。

近年来，因短时极端强降水导致的灾难性事件屡有发生，2010年舟曲短时强降水引起的特大山洪灾害事故(曲晓波等，2010；廖留峰等，2012；黄勇和覃丹宇，2013)，2007年7月18日济南市区和商河出现短时强降水造成济南死亡30多人。2007年8月17日鲁中强降水使华源煤矿发生灌水事件造成172人死亡(高留喜等，2014)。短时强降水具有持续时间短、雨强大、突发性等特点，易形成暴雨洪涝，影响农作物生长，也是引发山体滑坡、泥石流、山洪等山地灾害的直接因素，并且难以防范，会造成社会经济损失甚至会威胁人类生命，极端短时强降水往往造成危害更大(姚莉等，2010)。太阳辐射引起的空气对流、海陆风转换、山谷风转换等是产生时强降水和造成降水日变化的根本原因(孙贞等，2009；丁仁海和周后福，2010)。位于中国中东部的山东省汛期降水受中低纬度季风环流和中高纬度冷空气活动、海陆地理特征差异，以及下垫面特征等的共同影响，具有显著的时空变化及日变化。

山东省位于中国中东部沿海，属暖温带季风气候区，受海陆位置及区域内地形地貌特征差异影响，降水时空分布差异明显，旱涝等自然灾害频发。研究山东小时降水的长期变化特征对于山洪地质灾害的防御、水土保持具有重要意义。受地面观测资料的限制，以往针对山东降水方面的研究主要侧重利用长时间序列的日、月等尺度上的降水资料研究其时空分布及变化特征(高留喜和刘秦玉，2005；徐宗学等，2007；杨士恩和王启，2007；迟竹萍，2009；董旭光等，2014)。因此，本文利用山东74个气象站点1961—2012年汛期逐时降水资料，探讨各降水指标的长期变化趋势和日变化特征，从而为科学认识该地区短时降水时空变化，为区域降水的短时临近预报服务、城市排水系统规划以及进一步的降水机理研究提供参考。

1 资料和方法

选取中国气象局国家气象信息中心提供的逐时降水资料，该资料经过质量控制。受资料限制，本文选用了山东74个气象站1961—2012年汛期5—9月逐时降水资料。

文中使用的降水指标包括第98百分位降水量、频次和降水强度等。将降水量≥0.1 mm的时次定义为降水小时；降水频次为时段内有降水的小时数，降水强度为时段内的小时降水量之和除以降水频次，同时采用国际上常用的百分位阈值定义极值方法确定各站小时极端强降水频次、强度，具体方法为以某站1961—2012年共52年汛期逐时降水量序列为基础，确定第某百分位对应的降水量作为该站小时极端强降水量的阈值，当小时降水量超过该阈值时，认为该时次出现了极端强降水事件，极端强降水频率为时段内超过降水量阈值的小时数，极端强降水强度为时段内超过降水阈值的小时降水量之和除相应的降水频次。

在研究降水长期特征时，采用最小二乘法计算线性趋势，并对趋势进行显著性水平检验。采用反距离加权(inverse distance weighted，IDW)插值法(张明军等，2009) 对小时极端降水参数结果进行插值。

2 结果分析 2.1 不同强度小时强降水变化特征

为了给出不同强度小时强降水的长期变化特征，文中分析了山东省各站第90、95、98、99、99.5等分位小时降水的阈值特征(表 1)。由表 1可知，山东省第90和95分位小时降水平均阈值均低于10.0 mm·h^-1，出现频次分别为0.62%、0.31%，降水量占比分别为58.7%、42.4%，小时降水发生概率和降水量占比较高。第99和99.5分位小时降水平均值分别达24.1、31.3 mm·h^-1，出现频次和降水量占比较低。根据尺度分析和降水量与垂直速度的关系，≥10.0 mm·h^-1的降水一般由中小尺度天气系统造成，而≥50.0 mm·h^-1的降水主要由小尺度天气系统导致(陈炯等，2013)。因此第90和95分位小时降水不具有典型的小时强降水特征，第99和99.5分位小时降水阈值则过于严格。第98分位小时降水阈值为17.2 mm·h^-1，最低为13.9 mm·h^-1，最高为19.9 mm·h^-1，出现频率为0.12%，降水量占比为25.1%，结合Zhang and Zhai(2011) 给出的与暴雨分布一致的≥20.0 mm·h^-1为中国中东部极端小时降水标准，本文以第98分位小时降水为基准，分析其时空变化规律和日变化规律。

2.2 小时极端强降水基本特征 2.2.1 第98分位小时降水强度阈值

山东省第98分位的小时强降水阈值空间分布见图 1，其他分位阈值空间分布与第98分位类似(图略)。潍坊中西部、淄博中部阈值最小，低于15.6 mm·h^-1，德州、济南中部、泰安南部、济宁中东部、枣庄、临沂中西部阈值最大，超过18.3 mm·h^-1，另外，半岛中部阈值也超过16.5 mm·h^-1。

2.2.2 空间分布

山东省第98分位小时降水量、频次和强度空间分布见图 2。降水量和频次呈大致的带状分布，由东南沿海向西北内陆递减，鲁东南的临沂中南部、日照沿海及半岛东南部降水量最大，超过147.4 mm，鲁北的东营、滨州、潍坊西北部及半岛北部降水量最小，低于113.9 mm。降水频次空间分布与降水量类似，但带状分布相对更明显，鲁东南和半岛东南部降水频次最高，多年平均高于5.2次，向西北内陆逐步递减，鲁西北的德州西部、滨州和东营北部最低，低于4.1次。多年平均降水强度的空间分布与降水量、频次则明显不同，山东中西部极端小时强降水强度较大，超过28.0 mm·h^-1，其中德州、济南—泰安—济宁中部及枣庄和临沂南部降水强度超过28.9 mm·h^-1，是山东极端小时强降水强度最大的区域，另外，半岛中部内陆地区降水强度也较大，超过28.0 mm·h^-1。潍坊中西部、淄博中东部及半岛北部沿海地区降水强度最小，低于25.1 mm·h^-1。

受海陆位置和地形的影响，鲁中山区东南部和半岛东部的极端小时强降水量和频次明显高于同纬度其他地区，山东省汛期期间，来自东南部黄海海上的湿润空气受鲁中山区和半岛内陆丘陵的阻挡抬升，造成该地区的极端小时强降水量和频次明显高于西北内陆和北部沿海，是山东省小时强降水的多发区。极端小时强降水强度大值区主要位于山区和丘陵的迎风面。

2.2.3 贡献率

山东省汛期极端强降水量占总降水量比率地区间差异明显(图 3)，鲁西、鲁西北、鲁西南及半岛西部一带极端强降水量占比较高，普遍高于26.0%，部分区域占比高于27.0%；鲁中山区东部、半岛中东部极端强降水量占比相对较低，普遍低于24.0%，部分区域占比低于23.7%。

2.3 小时极端强降水变化趋势

山东省历年各站平均小时极端强降水量的气候倾向率为0.29 mm·(10 a)^-1，呈不显著的增多变化趋势(变化趋势显著表示通过了0.05显著性水平检验，变化趋势不显著则反之，下同；图略)，20世纪60年代至80年代末期，极端降水量呈波动中减少的变化趋势，21世纪以来极端降水量增多趋势明显。降水频次历年变化与降水量类似，其增加趋势极微弱，气候倾向率为0.002次·(10 a)^-1。山东省平均降水强度的气候倾向率为0.14 mm·h^-1·(10 a)^-1，趋势系数为0.1789，增强趋势不显著，20世纪90年代以前，降水强度变幅不大，1968年极端降水强度最小，仅24.1 mm·h^-1，对应着山东省降水偏少年，2000年极端降水强度最大，达30.9 mm·h^-1。

山东省小时极端强降水量和降水频次的气候倾向率空间分布类似(图 4)，山东各站降水量变化趋势在-15.91~22.88 mm·(10 a)^-1，降水频次变化趋势在-0.60~0.83次·(10 a)^-1。鲁西、半岛南部、鲁北等地共28站降水量有减少趋势，但减少趋势均不显著。鲁南、鲁西北和半岛东部、北部等地共46站降水量有增多趋势，少数区域增多趋势达到7.32 mm·(10 a)^-1以上，其中长岛、文登、蒙阴、禹城、微山和济阳6站的增多趋势显著。山东各站降水强度变化趋势在-2.02~2.26 mm·h^-1·(10 a)^-1，呈增强趋势的站点共42个，减小趋势的站点共32个。鲁南、鲁东南、鲁西和半岛中东部降水强度增强趋势明显，部分区域超过0.44 mm·h^-1·(10 a)^-1，其中平阴、乳山、长岛3站增强趋势显著，变化趋势均超过0.12 mm·h^-1·(10 a)^-1，仅东明站减小趋势显著，变化趋势超过-0.20 mm·h^-1·(10 a)^-1。

2.4 小时降水日变化特征 2.4.1 基本特征

图 5为山东省汛期各时次平均小时极端强降水。由图 5可见，降水量和降水频次在01—06和15—20时为高值时段，07—14和21—24时为低值时段。其中，18时最大，分别为7.0 mm、0.24次，11时最小，分别为3.5 mm、0.13次。降水强度高值时段主要出现在下午(13时)至傍晚(20时)，低值时段则主要出现在凌晨(04时)至正午(12时)，其中，18时最大，为29.2 mm·h^-1，05时最小，为25.9 mm·h^-1。下午(15时)至傍晚(20时)是山东省极端强降水主要发生时段，上午(09时)至下午(14时)、21—24时是山东省极端强降水产生较少时段，凌晨(01时)至上午(08时)降水频次较高，但降水强度相对较小。

2.4.2 变化趋势

山东省小时极端强降水气候倾向率变化见图 6。由图可见，逐时降水量变化趋势在-0.46~0.36 mm·(10 a)^-1，降水频次在-0.017~0.015次·(10 a)^-1，降水量和降水频次在11—18时呈减少趋势，其他时段多为增加趋势。除13和16时降水量及13、14、16时降水频次减少趋势显著外，其他时次降水量和降水频次变化趋势均不显著。降水强度的变化在上午基本为减弱趋势，其他时次多为不同程度的增强趋势，除14时降水强度增强趋势显著外，其他时次降水强度变化趋势均不显著。从整体上看，虽然11—18时降水量和降水频次呈减少趋势，但降水强度确呈增强趋势，尤以14时增强趋势最显著。

2.4.3 逐月变化特征

山东省汛期各月小时平均降水变化差异较大(图 7)。5和9月各时次降水量变化不大，5月各时次降水量均低于0.27 mm，9月除04和06时外，其他时次均不超过0.5 mm；6月降水量存在明显的高值时段，为16—20时，超过0.8 mm，以18和19时最大，超过1.0 mm，09—14时最小，均低于0.5 mm；7月小时降水量最大，有两个高值中心，分别是01—03和15—20时，各时次降水量均超过2.5 mm，09—14时最小，均低于1.9 mm；8月逐时降水量相比7月减小，降水量时间变化与7月类似，有两个高值中心，分别是02—08和14—18时，各时次降水量超过2.0 mm，其他时次较低，尤以11和23时最低，为1.3 mm。

降水频次变化和降水量类似，以7和8月降水频次较高且有两个高值中心，其中7月最高，高值中心分别是01—04和16—20时，各时次均超过0.09次，8月高值中心分别是02—08和14—18时，各时次均超过0.07次；6月降水频次高值时段时16—20时，超过0.03次，11时最低，仅0.01次；5和9月各时次降水频次变化不大，5月除01时外，均低于0.01次，9月除06时外，均低于0.02次。

降水强度时间变化明显有别于降水量和降水频次(图 7c)，5月各时次极端强降水强度相对较小，白天最低，多数时次低于23.0 mm·h^-1，夜间较高，个别时次高于26.0 mm·h^-1；6月正午(12时)至下午(19时)降水强度相对较大；7月15—20时有明显的高值中心，超过29.0 mm·h^-1；8月高值中心出现在18—20和01—03时，02时超过30.0 mm·h^-1；9月清晨至上午和夜间降水强度相对较大。

2.4.4 不同时段极端强降水的空间分布

山东省汛期不同时段极端强降水空间分布明显不同(图 8)，山东各地极端强降水主要出现在15—20时，半岛东部地区主要出现在03—08时，山东各地极端强降水在09—14时最小。15—20时，除半岛东部和西北内陆地区，山东大部地区极端强降水量超过35.0 mm，以鲁中山区南部、东部及西部少部分区域最大，超过45.0 mm；09—14时，山东中西部极端强降水量较小，低于25.0 mm，半岛东部高于35.0 mm；21时至次日02时，鲁南大部区域超过35.0 mm，鲁北及鲁中山区西北部则低于25.0 mm；03—08时半岛东部极端强降水最大，超过35.0 mm，少数区域达到55.0 mm以上。

2.4.5 不同时段极端强降水变化趋势的空间分布

山东省汛期不同时段历年各站平均小时极端强降水量变化趋势差异明显(图略)，夜间两个时段21至次日02时、03—08时降水量均有增加的变化趋势，气候倾向率分别为1.07和0.69 mm·(10 a)^-1，但增多趋势均不显著，白天09—14和15—20时均有减少的变化趋势，气候倾向率分别为-0.85和-0.62 mm·(10 a)^-1，减少趋势均不显著。20世纪60年代至80年代末期，4个时段的降水量呈波动中减少的变化趋势，21世纪以来4个时段极端降水量增多趋势明显。

山东省汛期不同时段各地极端强降水气候倾向率差异明显(图 9)，21时至次日02时和03—08时山东大部分区域极端强降水有增多趋势，09—14和15—20时呈减少趋势的区域明显增大。21—02时，仅鲁西大部、半岛和鲁北等少数区域有减少趋势，其中胶州和东阿站减少趋势显著，鲁南的济宁、枣庄一带增多趋势最明显，超过5.0 mm·(10 a)^-1，其中长岛、滕州、平邑站增多趋势显著。03—08时，仅半岛中西部、鲁北和鲁西南等少数区域有减少趋势，其中海阳站减少趋势显著，鲁南的枣庄、临沂一带和鲁西北少数区域增多趋势最明显，超过5.0 mm·(10 a)^-1，其中新泰、临沂等7站增多趋势显著。09—14时，仅鲁中山区及其以北、半岛北部有增多趋势，单县减少趋势、长岛增多趋势显著，其他各站减少和增多趋势均不显著。15—20时，仅半岛、鲁西北及鲁西南少数区域有增多趋势，其中无棣、莱州、乳山、胶南、文登等5站增多趋势显著，潍坊站减少趋势显著。

3 结论

(1) 山东省小时极端强降水量和频次呈大致的带状分布，由东南沿海向西北内陆递减。山东中西部极端小时强降水强度较大，潍坊中西部、淄博中东部及半岛北部沿海地区降水强度最小。鲁西、鲁西北、鲁西南及半岛西部一带极端强降水量占比较高，鲁中山区东部、半岛中东部极端强降水量占比相对较低。

(2) 山东省历年各站平均小时极端强降水量、降水频次、降水强度的气候倾向率分别为0.29 mm·(10 a)^-1、0.002次·(10 a)^-1和0.14 mm·h^-1·(10 a)^-1，均呈增多增强趋势，但变化趋势均不显著。鲁西、半岛南部、鲁北等地共28站降水量有减少趋势，但减少趋势均不显著；鲁南、鲁西北和半岛东部、北部等地共46站降水量有增多趋势，其中共6站增多趋势显著。鲁南、鲁东南、鲁西、半岛中东部降水强度增强趋势明显，其中共3站增强趋势显著。

(3) 下午(15时)至傍晚(20时)是山东省小时极端强降水主要发生时段，上午(09时)至下午(14时)、21—24时是山东省极端强降水产生较少时段，凌晨(01时)至上午(08时)降水频次较高，但降水强度相对较小。降水量和降水频次在11—18时呈减少趋势，其他时段多为增加趋势。降水强度的变化在上午基本为减弱趋势，其他时次多为不同程度的增强趋势。

(4) 山东省7月小时极端降水量和降水频次最大，有两个高值中心；降水强度在7月15—20时有明显的高值中心，8月高值中心出现在18—20时和夜间01—03时，9月清晨至上午和夜间降水强度相对较大。

(5) 山东夜间两个时段21时至次日02时、03—08时降水量均有不显著的增加趋势，气候倾向率分别为1.07和0.69 mm·(10 a)^-1，白天09—14、15—20时段均有不显著的减少趋势，气候倾向率分别为-0.85和-0.62 mm·(10 a)^-1。各地极端强降水主要出现在15—20时，半岛东部地区主要出现在03—08时，山东各地极端强降水在09—14时最小。21时至次日02时和03—08时山东大部分区域极端强降水有增多趋势，09—14和15—20时呈减少趋势的区域明显增大。

4 讨论

文中利用山东省74个气象站近50年的长期逐时降水资料，分析了山东汛期小时极端强降水的时空变化特征。受下垫面和海陆位置的影响，山东不同区域小时极端强降水差异明显。Qian(2008) 研究表明，海陆风是沿海一带降水的重要因素，并向内陆衰减，当风从海面吹向内陆，内陆下午的降水会增加，会增强强降水的峰值，形成山东东部和南部强降水的高值区。另外，山东降水主要受东亚季风的影响，当山东位于副热带脊的西部或北部时，山东盛行东南或西南季风，同时结合山东地形的共同影响，可能会造成山东西部的强降水。

山东汛期小时极端强降水主要集中在7和8月，强降水的日变化存在两个高值时段，下午至傍晚的强降水高值可能源于太阳辐射加热的局地对流活动的影响，由于太阳辐射加热的日变化，低层大气在下午和傍晚易于达到不稳定状态，并激发出局地湿对流活动，形成短时降水(Yu et al, 2007b)；而夜间至清晨的高值可能反映了东亚夏季风的影响。近几十年来中国北部地区夏季对流层上层冷却，东亚夏季风减弱(Yu et al, 2004;Yu and Zhou, 2007)，同时山东低层大气显著升温的背景下，使得区域内静力稳定度降低，更易于在午后和傍晚产生强对流活动，导致该时段小时极端强降水增加。He and Zhang(2010) 认为山谷风热力环流是引起华北地区暖季山区和谷地降水日变化差异的重要原因。沿燕山—太行山系，山区太阳辐射加热导致降水峰值多在午后发生，其后在对流层中层平均气流引导下向下游及东南方向传播，可能与华北平原地区的清晨降水峰值的形成有关。同时，山谷风环流的上升支有利于局地降水的形成或加强，夜间山谷风环流的上升支与平原地区低层夜间西南急流叠加，有利于暖湿气流的输送，从而有助于平原地区夜间降水峰值形成(宇如聪等，2014)。近几十年来，山东地表温度升高，尤其夜间最低气温升高最明显，城市热岛效应突显，而对流层中上层气温下降，导致上下层热力差异加剧，可能是造成山东21时至次日02时、03—08时段极端强降水增多的原因之一。

强降水日变化的研究应与强降水过程联系起来，关注强降水开始和结束时间的变化，同时也要考虑雨型的变化。另外，强降水日变化也要与云的演变过程结合起来，理解不同云系的宏观和微观特征与降水之间的关联，更好地认识和掌握强降水的演变规律。