利用2017~2021年4~10月淄博市地面气象观测站逐小时1 mm以上降水量观测资料，采用百分位法计算极端降水阈值，统计分析淄博市极端短时强降水时空分布特征。主要结论如下：1) 淄博极端短时强降水分布与鲁中山区的地形特征有着密切的联系，南部山区极端短时强降水的阈值和强度都大于北部平原地区。2) 淄博极端短时强降水频次和强度均有明显的月变化和日变化特征。8月频次最多，6月强度最大。极端短时强降水多出现于午后到前半夜，后半夜到上午相对较少；傍晚到前半夜降水强度更大。 Using the densely-observed hourly precipitation (>1 mm) data of the automatic weather stations and the national meteorological stations in Zibo City from April to October 2017 to 2021, the temporal and spatial distribution of short-duration extreme rainfall are studied. Several results are followed: 1) The distribution characteristics of extreme short-term heavy precipitation in Zibo are closely related to the topographic characteristics of the mountainous area. The threshold and intensity of extreme short-term heavy precipitation in the southern mountainous area are larger than those in the northern plains. 2) The frequency and intensity of extreme short-term heavy precipitation in Zibo have obvious monthly and daily variation characteristics. The frequency is the highest in August and the intensity is the highest in June. Extreme short-term heavy precipitation mostly occurs in the afternoon to the first half of the night, and relatively less from the second half of the night to the morning; the precipitation is more intense from the evening to the first half of the night.
利用2017~2021年4~10月淄博市地面气象观测站逐小时1 mm以上降水量观测资料，采用百分位法计算极端降水阈值，统计分析淄博市极端短时强降水时空分布特征。主要结论如下：1) 淄博极端短时强降水分布与鲁中山区的地形特征有着密切的联系，南部山区极端短时强降水的阈值和强度都大于北部平原地区。2) 淄博极端短时强降水频次和强度均有明显的月变化和日变化特征。8月频次最多，6月强度最大。极端短时强降水多出现于午后到前半夜，后半夜到上午相对较少；傍晚到前半夜降水强度更大。
短时强降水，时空分布，地形
Yan Li1, Lei Bian2, Yunfei Tian1, Ruiting Ge1, Qi Guo1
1Zibo Meteorological Bureau, Zibo Shandong
2Yiyuan Meteorological Bureau, Zibo Shandong
Received: Aug. 20th, 2022; accepted: Sep. 20th, 2022; published: Sep. 29th, 2022
Using the densely-observed hourly precipitation (>1 mm) data of the automatic weather stations and the national meteorological stations in Zibo City from April to October 2017 to 2021, the temporal and spatial distribution of short-duration extreme rainfall are studied. Several results are followed: 1) The distribution characteristics of extreme short-term heavy precipitation in Zibo are closely related to the topographic characteristics of the mountainous area. The threshold and intensity of extreme short-term heavy precipitation in the southern mountainous area are larger than those in the northern plains. 2) The frequency and intensity of extreme short-term heavy precipitation in Zibo have obvious monthly and daily variation characteristics. The frequency is the highest in August and the intensity is the highest in June. Extreme short-term heavy precipitation mostly occurs in the afternoon to the first half of the night, and relatively less from the second half of the night to the morning; the precipitation is more intense from the evening to the first half of the night.
Keywords:Short-Time Heavy Rain, Temporal and Spatial Distribution, Terrain
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短时强降水是指短时间内降水强度较大，降水量达到或超过某一量值的强降水事件，是极端降水天气之一。作为对流性天气的一种，短时强降水突发性强、局地性明显、预报难度大，容易引发山洪、滑坡、泥石流、城市内涝等气象灾害 [
国内许多学者针对我国不同区域短时强降水的长期变化特征、日变化特征、形成机制、预报模型等进行了大量研究，在短时强降水发生规律和变化特征等方面取得了丰硕研究成果。陈炯等 [
淄博位于鲁中山地和华北平原的过渡地带，地形较为复杂，南部为中低山区，中部为丘陵区，北部为平原区(图1)，山区地形对中小尺度系统的发生发展起到了重要的作用，容易形成短时强降水，造成单站或局地的暴雨天气。随着城市化进程的加快，局地短时强降水带来的影响越来越大，因此，深入细致研究淄博短时强降水的发生规律很有必要。本课题将利用2017~2021年淄博市自动气象观测站的逐小时降水量资料、济南多普勒天气雷达资料和ERA5再分析资料等，对淄博市短时强降水的时空分布和物理量特征进行分析研究，对提高淄博市短时强降水的预报预警能力具有一定的积极意义。
研究表明，山东省的短时强降水主要发生在4~10月。本文所用研究资料为2017~2021年4~10月淄博市8个国家站和75个区域站的逐小时(过去1小时)降水量观测数据和济南多普勒天气雷达资料。
为了确保数据质量，本文参考侯淑梅等 [
图1. 淄博市地形和站点分布图
对每个测站大于1 mm的小时降水资料按升序排列，采用百分位法计算极端短时强降水阈值。如果在统计时次某观测站小时降水量超过该站阈值，则定义为该站出现一次极端短时强降水事件，该时次降水量累加入该站的极端降水量；一天内出现多站次极端短时强降水时，分别计数。
因为降水分布不均匀，所以本文采取百分位法定义更适合当地条件的极端强降水阈值，由于部分区域站降水量的第95%和第99%分位数低于中国气象局规定的20 mm·h−1的短时强降水标准，此外本文只统计小时降水量大于1 mm的降水，各观测站超过第99.9%分位数的站点数较少，因此本文定义小时降水量的第99.5%分位数为极端降水阈值，简称阈值。
由阈值的空间分布和箱线图(图2(a)，图2(d))可见，淄博市极端降水阈值呈现明显的南部大，北部小，山区大，平原小的分布特征。阈值的最大值、最小值、平均数和中位数分别为46.2、25.5、34.0和34.3 mm。分布区间集中在30~40 mm之间，小于30 mm的有21站，占全部站的25%，除沂源鲁村气象观测站(D4038)和淄川太河气象观测站(D4014)外，全部位于平原地带；大于40 mm的有9站，占全部站的11%，有6站位于沂源和博山，2站位于临淄，1站位于高青，分布相对较零散，但南部山区仍多于北部平原地区。
图2. 阈值(a)、极端降水强度(b)和最大小时降水量(c)的空间分布；极端降水箱线图(d)
淄博的极端短时强降水强度(图2(b)，图2(d))也呈现南部山区大，北部平原小的分布特征。极端短时强降水强度集中在35~50 mm∙h−1之间，小于35 mm∙h−1的站有15个，占比18%，除沂源鲁村气象观测站(D4038)外全部位于北部平原区；大于50 mm∙h−1的站有11个，占比13%，除临淄敬仲气象观测站(D4026)和临淄体育场气象观测站(D4148)外全部位于南部山区。极端短时强降水强度的最大和最小值为61.2和29.2 mm∙h−1，分别位于沂源石桥国家气象观测站(D4036)和桓台起凤建工气象观测站(D4045)；中位数略大于平均数，分别为42.8和42.2 mm∙h−1。
从最大小时降水量(图2(c)，图2(d))也有类似的分布特征。全市大部分地区的最大小时降水量介于40~70 mm之间，最大小时降水量出现在2018年6月25日22时的博山天津湾气象观测站(D4524)，为85.1 mm。小于40 mm的有10站，占比12%，全部位于淄博北部；超过70 mm的观测站有9个，占全部站的11%，除周村(54829)和临淄敬仲气象观测站(D4026)外，全部位于南部山区。
综上所述，淄博的极端短时强降水分布特征与鲁中山区的地形有着密切的关系，由于地形的抬升作用，低层辐合和垂直运动加强，有利于产生水汽辐合和积累不稳定能量，从而增强降水强度 [
图3. 淄博市极端短时强降水频次(a)和降水强度(b)年变化
淄博市在2017~2021年间共发生377站次极端短时强降水，年均发生75.4站次，各站年均发生0.9次(图3(a))。由于2018年先后有3次台风(1810号台风“安比”、1814号台风“摩羯”和1818号台风“温比亚”)影响山东，所以2018年发生极端短时强降水的频次最多，为166站次。2017年极端短时强降水的频次最少，且多为局地型过程。极端短时强降水强度的年变化较小(图3(b))，最大值出现在2017年，为44.3 mm∙h−1；最小值出现在2021年，为40.2 mm∙h−1。
极端短时强降水频次(图4(a))存在明显的月变化，呈现中间高两头低的特点。极端短时强降水最早出现于5月15日，6月迅速增多，其中2018年6月25日受高空槽、低空切变线、低空急流和地面气旋的共同影响，淄博市有86站次出现极端短时强降水，其余过程大多由大陆性强对流导致。7~8月为山东省的主汛期，发生极端短时强降水的频率较高，占总数的61%，6、7、8月总占比为90.5%，淄博8月发生
图4. 同图3，但为月变化
极端短时强降水的频次最多。9月汛期结束，极端短时强降水的频次迅速减小，最迟出现在10月4日，为低涡切变线和地面倒槽共同影响。极端短时强降水强度(图4(b))也有明显中间高，两头低的特征，6、7、8月的降水强度大于其他月份，其中6月最大，为43.5 mm∙h−1，7月和8月较为接近，分别为42.2和41.8 mm∙h−1。
图5. 同图3，但为日变化
由极端短时强降水频次分布日变化图(图5(a))可见，极端短时强降水频次有明显的日变化特征，近似双峰型。上午极端短时强降水频次相对较少，午后逐渐上升，最大值出现在16时，为37站次；第2、3位分别为18时35站次和21时29站次；除07时外，频次大于15站次的时间均集中在13~24时(次日0时)，即午后到前半夜；01~04时频次较低，之后再次缓慢升高，在凌晨07时出现第二个小高峰，但远小于出现在16时的主峰值。极端短时强降水强度的日变化(图5(b))呈单峰型，傍晚到前半夜降水强度更大，最大降水强度出现在22时，为53 mm∙h−1。
本文利用淄博市8个国家站和75个区域站2017~2021年4~10月的逐小时降水观测资料，采用百分位法定义各站极端短时强降水阈值，统计分析了淄博市极端短时强降水的时空分布特征，主要结论如下：
1) 淄博极端短时强降水分布与鲁中山区的地形特征有着密切的联系，南部山区极端短时强降水的阈值和强度都大于北部平原地区。以第99.5%分位数作为阈值时，阈值范围集中在30~40 mm，降水强度集中在35~50 mm∙h−1。
2) 2017~2021年间，淄博市共有377站次极端短时强降水样本，各站年均发生0.9次。2018年站均发生短时强降水的次数最多。
3) 淄博极端短时强降水频次和强度均有明显的月变化和日变化特征。8月频次最多，6月强度最大。频次的日变化具有双峰的特征，但出现在凌晨的峰值远小于出现在傍晚的峰值，极端短时强降水多出现于午后到前半夜，后半夜到上午相对较少。降水强度变化呈单峰型，傍晚到前半夜降水强度更大。
山东省气象局青年科研基金项目(2020SDQN13)。
李 妍,卞 磊,田云菲,葛瑞婷,郭 旗. 淄博市极端短时强降水时空分布特征Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Extreme Short-Time Heavy Rainfall in Zibo[J]. 气候变化研究快报, 2022, 11(05): 830-836. https://doi.org/10.12677/CCRL.2022.115086