引言

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天气现象，此类天气具有历时短、雨强大、局地性强的特点。很多气象工作者对短时强降水进行了研究，袁晨和马力^[1]利用观测站5 min雨量资料，分析了四川都江堰地区短时强降水的时空分布变化特征。廖晓农等^[2]研究了城市短时强降雨的中尺度特征。高留喜等^[3]对山东短时极端强降水特征进行了分析。韩宁和苗春生^[4]对陕西、甘肃、宁夏三省(区)的短时强降水特征做了统计分析。俞小鼎^[5]对短时强降水主观临近预报的主要思路和方法进行综述。文献[6-8]对短时强降水的气候特征和环流形势特征进行了分析和研究。随着数值预报的发展和人们对短时强降水发生发展机理的认识加深，殷雪莲等^[9]通过对沿祁连山两次典型强降水的对比分析得出“东高西低”切变辐合及低空急流是区域性强降水产生的关键。段鹤等^[10]、郝莹等^[11]利用多普勒天气雷达、探空和逐小时降水量资料，分析了短时强降水时空分布特征，分别建立了三种概念模型。Chen et al.^[12]利用逐小时降水资料对我国台湾地区的强降水过程进行了气候统计分析，结果表明在山区的迎风坡，暴雨过程的发生次数最多。李健等^[13]对北京市夏季降水的日变化特征做了深入研究，指出午后到次日清晨为降水量的高值区，而中午前后降水量为最低值。

本文利用山东省123个国家级观测站逐小时降水量资料，分析了2006—2015年5—9月间短时强降水(以降雨强度≥20 mm·h^-1为标准)时空分布特征，为山东短时强降水临近预警及防灾减灾提供参考依据。为分析方便，统计中定义了站数和站次两个名词，站数是指一天气过程中出现短时强降水的站点数量，同一站点不重复统计；站次是指一天气过程中出现短时强降水的站点次数，若同一站点出现多次，重复统计。因此，同一天气过程，站次不小于站数。

1 短时强降水时间变化特征 1.1 年变化特征 1.1.1 站次年变化特征

2006—2015年平均每年出现短时强降水为449站次，2013年出现短时强降水的站次最多，达564站次，2014年出现站次最少，仅为269站次，5年低于平均值，除2011、2014和2015年以外，其余几年短时强降水均在400站次以上(图 1)。

1.1.2 站数和极值年变化特征

山东全省123个站点中，平均每年117个站出现短时强降水。2014年出现站数最少，为107站，2007、2013年最多，达到了122站。高青和沾化3年未出现短时强降水，其中7站2年未出现，41站1年未出现(表略)。由短时强降水极值统计(表 1)看，2009年8月18日02:00费县出现了近10 a最强短时强降水，达到了137.2 mm·h^-1，其次为2011年7月25日20:00出现在乳山的短时强降水，达到了127.9 mm·h^-1。10 a中，8月出现年极值次数最多，达到了7次，7月出现了2次，9月出现1次，5—6月未出现年度极值。由极值站点分布(表 1)来看，鲁南出现4次，鲁西北4次，鲁中和半岛各1次，其中东营站出现了2次年度极值。由发生时间来看，10 a极值均出现在13:00—次日02:00之间，尤其以20:00出现次数最多，达到了4次。

1.1.3 站次的空间分布特征

为了分析站次的空间分布特征，统计分析2006—2015年10 a山东123个站出现短时强降水次数。结果表明，平均每站达到了37站次，禹城、临沂和兰陵出现次数最多，达到了56站次，寿光最少，仅16站次(图略)。由站次的空间分布(图 2)来看，临沂、济宁、济南、泰安是短时强降水易发生地区，聊城、东营、菏泽、潍坊、淄博则出现较少，淄博、潍坊和青岛的大部分区域不易出现短时强降水。

1.2 短时强降水月变化特征 1.2.1 站次月变化特征

由短时强降水站次月度变化(图 3)分析可见，2006—2015年10 a中，7月短时强降水累计站次最多，达2 074站次。其次为8月，为1 551站次，5月最少，为180站次。由逐月各站点短时强降水统计分析(表略)，5月，黄岛、章丘和邹平出现次数最多，为7站次，38站未出现过短时强降水；6月，鱼台最多，为12站次，其次为禹城11站次，6站未出现过短时强降水；7月，邹城、泗水最多，达30站次，最少为寿光和诸城，仅6站次；8月，临沂最多，为26站次，郓城、青岛和泰安仅出现6站次；9月黄岛最多，为13站次，35站未出现过短时强降水。

1.2.2 站数和极值月变化特征

由短时强降水极值月变化特征(表 2)分析可见，2006—2015年10 a中，7—8月山东123个站点全部出现过短时强降水。6月次之，为107个站点。5月、9月约30%的站点未出现短时强降水。由月极值分布来看，8月最大，为137.2 mm·h^-1，其次为7月，为127.9 mm·h^-1。最小为5月，为72.3 mm·h^-1。由短时强降水发生时段来看，5—9月均出现在20:00—次日02:00。由极值空间分布来看，5—6月多出现在鲁中山区，7—9月多出现在鲁东南和半岛南部。

1.3 短时强降水站次日变化特征

由于月气候特征差异，出现短时强降水的站次差异较大，不同月份、同一时次的短时强降水出现次数难以比较，影响到数据分析的结果，为了消除这种差异的影响，对数据进行标准化处理，使各指标处于同一数量级，适合进行综合评价，以解决数据指标之间的可比性。

本文采用归一化方法进行数据处理，以离差标准化对各月逐时次的站次进行线性变换，使结果值映射到[0, 1]。转换函数如下：

$ y=\frac{x-\min (x)}{\max (x)-\min (x)} $

(1)

按月统计每个时次出现短时强降水的总站次，其中：x是一天24 h内逐时短时强降水站次；max(x)为24 h内逐时短时强降水站次的最大值；min(x)为24 h内逐时短时强降水站次的最小值；y是归一化后数据。

分析短时强降水日变化特征(图 4)可以得出：

1) 5月短时强降水日变化呈“M”型。午后逐渐增加，后半夜逐渐减少，20:00—次日04:00为短时强降水易发生时段，21:00和01:00最易出现，05:00—17:00不易发生，14:00未出现(图 4a)。

2) 6月短时强降水日变化特征为单峰型，14:00—20:00以增加为主，21:00后为减少趋势。20:00是短时强降水最易发生的时间，是6月短时强降水站次的峰值，20:00、00:00、18:00较易发生。08:00—17:00不易出现，13:00未出现(图 4b)。

3) 7月短时强降水易出现在下午和后半夜，中午不发生，其日变化为两次上升、两次下降，即12:00—18:00、20:00—次日03:00是强降水站次增加，03:00最易发生；19:00—20:00、04:00—12:00减少，12:00未出现(图 4c)。

4) 8月短时强降水日变化呈“W”型，08:00—12:00、20:00—23:00减少，23:00未出现，13:00—19:00、00:00—07:00呈增加趋势，19:00最易出现。从中可以看出，上午和前半夜短时强降水站次减少，下午和后半夜增加(图 4d)。

5) 9月短时强降水日变化较大，白天振荡频率较大，夜间变化为“V”型。20:00—次日00:00减小，00:00未发生，01:00—07:00增加，07:00最易出现(图 4e)。

6) 5—9月山东短时强降水平均状况，上午(08:00—12:00)减少，12:00最少；下午到前半夜(13:00—21:00)逐渐增加，18:00和20:00最多(图 4f)。

综上所述，5—9月短时强降水日变化特征差异较大，这种规律与大气环流调整紧密相联，5—8月，夏季风向北推进，南方水汽向北输送，水汽和热力条件有利于短时强降水的产生。由于大气环流的渐变因素，热力因素变化随着纬度升高，影响减弱。但边界层的升温和升湿易导致大气在垂直方向上的不稳定，造成对流性降水，这种对流以高低空不稳定最为明显，一般情况下，这种不稳定最易出现在日最高气温前后，因此，这种变化规律可作为短时强降水日变化预报的参考依据。

2 短时强降水极值分布特征 2.1 各月短时强降水的极值分布特征

1) 5月短时强降水极值空间分布不均(图 5a)，中心位于济南、聊城、泰安和德州西部，极大值为72.3 mm·h^-1；次中心位于济宁、鲁西北东部和半岛北部。鲁东南、鲁中和半岛大部短时强降水极值在20~30 mm·h^-1。

2) 6月极值区域较5月明显增多(图 5b)，崂山是6月强降水极值地，达到了94.8 mm·h^-1，鲁西北东部、半岛、鲁中和鲁东南为20~40 mm·h^-1的强降水，其他区域为30~50 mm·h^-1。

3) 7月短时强降水强度和范围较6月明显增大(图 5c)，各站点雨强在30 mm·h^-1以上，大值中心位于半岛东部，极大值为127.9 mm·h^-1，次大值中心位于鲁西北，为104.2 mm·h^-1，鲁中和半岛西部降水强度相对较小。

4) 8月短时强降水各站点雨强一般在30 mm·h^-1以上(图 5d)，形成以鲁南和鲁西北西部为两个大值中心，极大值为137.2 mm·h^-1，两个大值中心之间为雨强较小区域。

5) 9月短时强降水极值中心区域和降水强度明显减小(图 5e)，大值中心主要位于鲁东南、半岛北部和鲁西北，其他区域降水强度均在20~30 mm·h^-1之间。

6) 山东5—9月短时强降水中心主要出现在鲁西北、鲁东南和半岛东部三个区域，鲁中和半岛西部降水强度相对较弱(图 5f)。

综上所述，5—9月，山东各月短时强降水产生极值的区域和时间存在明显差异。鲁西北、鲁东南和半岛东部易出现短时强降水，鲁中和半岛西部不易出现，尤其鲁中不易出现强度较大的短时强降水。7—8月出现短时强降水的强度大、范围广；5、6和9月强度和范围较小。

2.2 短时强降水极值的出现时间特征

统计山东省123个站10 a单站短时强降水极值及其出现时间，根据极值出现时间按年、月、时统计站数。按年、月、时分别统计山东123个站单站的10 a极值，结果显示，年、月、日差异较大。由极值站数的年变化(图 6a)来看，极值出现在2009年的站数最多，有17站，极值出现在2014年的站数最少，仅为3站。由月变化(图 6b)来看，极值出现在7月的站数最多，达到了59站，占48%，出现在8月的次之，有54站，约占44%，出现在5月的最少，仅为2站；5、6和9月仅占8%。由出现极值的时次分布(图 6c)看，有74站在夜间出现极值，49站在白天出现极值，即夜间短时强降水极值比白天多，其中在20:00、15:00、18:00和07:00四个时次出现极值的站点最多，分别达到12站、8站、8站、8站。

3 山东短时强降水过程等级划分

短时强降水一般由中尺度系统产生，因其尺度小、发生时间短、来势凶猛，造成的破坏特别严重，降水过程中常伴有强对流。根据山东近10 a短时强降水站数统计和出现短时强降水的范围，将山东短时强降水过程分为三级：

1) 局地短时强降水过程。全省范围内，同一天气过程有1~5站出现。

2) 小范围短时强降水过程。全省范围内，同一天气过程有6~20站出现。

3) 大范围短时强降水过程。全省范围内，同一天气过程有≥21站出现。

3.1 山东逐年短时强降水过程等级特征

由短时强降水天气过程年度变化统计数据(表 3)分析，10 a山东短时强降水过程，每年出现次数在24~40次之间，平均每年29次，年度差异较大，2014年最多，达到42次，2011年最少，为23次。由等级来看，以局地短时强降水天气过程最多，平均每年16次，2014年最多，为29次，2013年最少，为9次。小范围次之，平均每年8次，2008、2009、2014年最多，为12次，2010年最少，为2次；大范围最少，平均每年6次，2013年最多，为9次，2014年最少，仅为1次。等级越高，天气过程越少。

3.2 山东逐月短时强降水过程等级特征

由短时强降水天气过程月度变化数据(表 4)分析可见，10 a中，5、6、9月局地和小范围两个等级短时强降水天气过程所占比例较大，达到了90%，尤其5月和9月，局地和小范围过程达到了95%以上，大范围过程发生次数较少，仅出现1次。7—8月，局地短时强降水过程所占比例减小，大范围短时强降水天气过程次数明显增加，同时发生短时强降水天气过程的总次数也大大增加。

4 小结

通过以上分析可以得出，山东短时强降水存在明显的年、月和日变化，年度、月度极值差异较大，极值的时空分布具有明显差异。

1) 短时强降水站次时空分布不均。2013年最多，达到564站次，2014年最少，仅269站次；7月最易出现，平均每年207站次；最易出现在13:00—次日07:00；鲁南是山东短时强降水易发区域。

2) 短时强降水极值时空分布差异较大。10 a年度极值多出现鲁西北和鲁南，8月最多，时间集中在20:00—次日02:00，20:00最多，为4次。10 a单站极值中，2009年站数最多，且易发生在13:00—次日02:00，5—6月极值多出现在鲁中山区，7—9月多出现在鲁东南和半岛南部，鲁中和半岛西部降水强度相对较弱。

3) 短时强降水以局地天气过程最多，等级越高，天气过程越少。2014年最多，出现了42次，2011年最少，为23次。5月最少，为25次，7月最多，为98次。5、6、9月局地和小范围所占比例较大，占所有天气过程的90%，7—8月大范围短时强降水天气过程次数明显增加，总次数也大大增加。