引言

全球气候变暖是非常明确的(IPCC, 2014)，将影响地球的水循环，使地球更加干湿分明，从而高温、暴雨、干旱、洪涝、台风等极端气候事件频发，造成的不利影响和危害越来越大。在中国，最近50年(相对于2005年)全国总降水量呈微弱减少趋势，但是区域差异明显，华北地区年降水量和极端降水量均呈减少趋势(Zhai et al, 2005)，但华北地区极端降水量在总降水量中的比重呈增加趋势(翟盘茂等，2007)。由逐时降水资料提取的短时强降水的增加速率可能大于由日降水资料提取的极端降水增加速率，短时强降水对于局地洪涝灾害和土壤侵蚀等都有重要影响(Hichens et al，2013；宇如聪等，2014)。时间分辨率更高的降水资料能够刻画降水持续时间、日变化等统计特征，有助于深入理解东亚季风系统和局地降水系统等不同时空尺度的降水影响因子与形成机理。

近年来，由于时间和空间分辨率更高的降水资料的出现和丰富，更深层次地增加了对不同地区降水持续性、日变化特征及形成机制的认识。研究表明，降水变化的海陆差异明显，物理机制不同，在复杂地形及海陆分布的影响下，一些陆地地区存在午夜至凌晨的降水峰值(宇如聪等，2014；伍红雨等，2017)。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，长持续性降水的峰值多出现在夜间和清晨，短持续性降水的峰值多出现在下午或傍晚。太阳辐射加热引起的热力不稳定是造成下午或傍晚短时降水峰值的原因之一，持续性降水峰值则多与大尺度环流相联系(Chen et al，1983；李建等，2008)。出现在清晨的持续性峰值降水与东亚季风呈现一致的北进南退的季节内演变特征(Yuan et al，2010)。殷水清等(2012)分析了海河流域夏季逐时降水变化趋势，发现长短历时降水量均呈减少趋势，但短历时降水量比重增加，短历时降水过程平均雨强和峰值雨强呈增加趋势，到达峰值雨强时间略提前，可能与对流层上下层热力差异加剧有关。Li et al(2011)对比了华北和长江中下游地区长、短历时降水过程，表明近50年来“北旱”主要与长历时降水减少有关，“南涝”由长短历时降水共同增加造成。原韦华等(2014)指出，淮河南北地区持续性强降水中的降水强度和频次的日变化峰值差异明显，淮河北部持续性强降水开始时间较南部早，同时降水从开始到峰值历时更短。于文勇等(2012)研究表明，中国东南、江淮和黄淮、东北和华北地区降水平均持续时间夏季季节内变化对应了季风雨带的“北跳和南撤”过程。前期逐时降水方面的研究多关注降水量等方面日变化特征，针对不同历时降水过程降水量、频次、强度的研究较少。本文利用高时空分辨率的逐时降水资料，从不同历时降水过程降水量、频次、强度等方面，详细地比较山东省不同历时降水过程变化特征的异同，进一步增进对我国东部降水日变化及形成机制的理解。

山东地处中纬度地区，属暖温带季风气候区，雨热同季，下垫面特征复杂，同时山东年降水偏少且主要出现在汛期(5—9月)，造成降水时空分布差异明显，旱涝等自然灾害频发，气象灾害带来的损失日益严重(王建国，2005)。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平均态(迟竹萍，2009；董旭光等，2014)或单一极端降水指数(郭军等，2010；Xue and Wang, 2010)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)。针对山东省区域的逐时降水及降水过程变化特征方面的研究极少见，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，研究山东省不同历时降水过程的时空分布特征，以此更深入地了解山东省不同历时降水过程的变化情况，可为城市防汛、内涝、中小河流暴雨洪涝风险防范等提供参考。

1 资料和方法

本文所用降水资料为中国国家级地面气象站逐小时降水数据集，该资料由中国气象局气象信息中心提供并经过质量控制。受资料的限制，本文选用了山东省74个气象站1961—2012年汛期5—9月逐时降水资料。

小时降水量≥0.1 mm的时次判定为有降水发生(原韦华等，2014)，为降水小时(不足1 h则按1 h计)(殷水清等，2012；宋晓猛等，2015)。为研究不同历时降水过程的时空分布特征，首先识别并统计了各站的降水过程。以2 h为界限划分两次降水事件，即某一降水时次之后连续2 h没有降水时，判断该降水过程结束。将一次降水过程开始至结束间的小时数定义为降水的持续时间(h)，此时段内的小时降水量之和定义为降水过程雨量(mm)，降水平均雨强(mm·h^-1)定义为降水过程雨量除以降水过程历时，峰值雨强(mm·h^-1)定义为一次降水过程中最大的小时降水雨强。到达峰值雨强历时(h)定义为从降水开始至峰值雨强出现时刻之间的历时(殷水清等，2012)。将降水开始最频繁的时刻定义为降水开始时间。降水过程雨量均大于0.1 mm，降水过程历时均大于1 h。由于不同历时降水过程表现出不同的时空变化特征和趋势(李建等，2008)，将降水持续时间≤6 h的降水定义为短历时降水，而降水持续时间＞6 h的降水定义为持续性降水(殷水清等，2012；原韦华等, 2014, 宋晓猛等，2015)。

在研究降水过程长期特征时，采用最小二乘法计算线性趋势，采用非参数Mann-Kendall检验方法进行趋势分析和突变点分析，这是一种非参数的秩序检验法，为世界气象组织所推荐，在全球范围应用广泛(Song et al, 2014)。采用反距离加权(Inverse Distance Weighted，简称IDW)插值法(张明军等，2009)对短历时和持续性降水过程参数结果进行插值。

2 短历时和持续性降水基本特征

山东省汛期总降水、短历时降水、持续性降水各统计量74站平均值和气候倾向率见表 1。汛期总降水各统计量中总降水过程次数和平均雨强呈减小变化趋势，但减小趋势均不显著(通过了0.05显著性水平检验，P＜0.05)，其他各统计量为增大趋势，其中过程降水量、过程历时、达到峰值时间增大趋势极显著(P＜0.01)。汛期短历时降水量为201.7 mm·a^-1，占汛期总降水量的40.2%，呈不显著的减少趋势，气候倾向率为-0.847 mm·(10 a)^-1，持续性降水呈不显著的增加趋势，气候倾向率为1.130 mm·(10 a)^-1。短历时降水过程次数达到43.5次，占总次数的79.4%，呈极显著的减少趋势，气候倾向率为-0.174次·(10 a)^-1，持续性降水过程次数则呈不显著的增加趋势。短历时和持续性降水过程降水量均呈不显著的增加趋势，降水过程历时均呈显著的增加趋势，平均雨强均呈不显著的减小趋势，短历时降水峰值雨强和达到峰值时间呈不显著的减小趋势，而持续性降水峰值雨强和达到峰值时间则呈不显著的增大趋势。

3 短历时和持续性降水时空变化特征 3.1 降水量

山东省汛期短历时总降水量以鲁中山区、鲁东南地区最多，超过224.2 mm(图 1)，向东、向西递减，鲁西、半岛东部最少，不足191.0 mm。持续性总降水量由东南向西北、由半岛向内陆递减，鲁东南沿海、半岛东部总降水量最多，超过357.8 mm，鲁西北、鲁北等地最少，低于270.0 mm。过程降水量和总降水量空间分布类似，短历时过程降水量以鲁东南向西北方向经鲁中山区至德州一带最大(＞5.0 mm)，分别向东、向西递减，鲁西、鲁西南西部地区低于4.7 mm，半岛东部则不足4.3 mm；持续性过程降水量在半岛东部和鲁东南部分地区最大，超过29.6 mm，鲁中山区以北包括鲁西、鲁中等地最小，低于25.6 mm。

3.2 降水次数

山东省汛期短历时和持续性降水过程次数空间分布类似(图 2)。短历时、持续性过程降水次数以鲁中山区至鲁东南沿海，半岛东南部一带最多，短历时年平均降水过程次数大于46.1次，持续性则超过12.6次，均向西北方向逐渐递减，短历时降水过程次数以鲁西、鲁西北以及半岛西北部一带最少，年平均降水过程低于41.9次，持续性降水过程次数以鲁西、鲁西北、鲁北一带最少，低于10.7次。

3.3 降水强度

山东省汛期短历时降水平均雨强空间分布与过程降水量类似(图 3)，以鲁东南向西北方向经鲁中山区至德州一带最大(＞1.8 mm·h^-1)，分别向东、向西递减，半岛东部最小(＜1.6 mm·h^-1)。持续性降水平均雨强以鲁中山区中南部至鲁东南、半岛东部一带最大(＞2.4 mm·h^-1)，鲁中山区西北部至莱州湾沿海较小(＜2.1 mm·h^-1)。

短历时峰值雨强空间分布较零散，鲁中山区周边地区峰值雨强较大，普遍超过72.1 mm·h^-1，部分地区超过97.4 mm·h^-1，鲁中山区东部至半岛一带较小，多小于72.1 mm·h^-1。持续性峰值雨强以鲁南、鲁东南、半岛东部最大，普遍大于85.0 mm·h^-1，部分地区超过102.6 mm·h^-1，鲁中山区以北至鲁北一带最小，普遍小于71.0 mm·h^-1。

3.4 降水历时

山东省汛期短历时降水过程历时(各地在2.4~2.6 h)和降水开始到峰值雨强历时(各地在1.46~1.61 h)空间分布类似(图 4)，鲁中山区、鲁北、半岛北部一带，短历时降水过程历时为2.6 h，开始到峰值雨强历时大于1.53 h。

持续性降水过程历时(各地在11.1~13.0 h)、开始到峰值雨强历时(各地在5.2~6.4 h)空间分布与短历时大致相反，持续性降水过程历时在鲁西南、鲁东南、半岛东部一带最长，超过12.5 h，鲁西北、鲁北一带最短，低于11.7 h，持续性开始到峰值雨强历时在鲁南、鲁东南、半岛东部一带最长，超过6.2 h，鲁西北、鲁北一带最短，不足5.7 h。

3.5 降水过程开始时间

山东各地短历时降水过程开始时间差异明显(图 5)，鲁中地区、鲁南及半岛个别地区降水一般开始于午后(13—18时)，鲁中山区周边及半岛沿海一带多以夜雨为主，降水开始时间多在夜间。这与林之光(1995)的研究结果一致，他指出山区以日雨为主，平原、盆地以夜雨为主。持续性降水过程开始时间多发生在夜间(图 5)，鲁西北、鲁西、鲁南等地多发生在前半夜(19—00时)，鲁东南、鲁北、鲁中山区西部、半岛沿海等地多发生在后半夜(01—06时)。山东沿海地区短历时和持续性降水多发生在后半夜，主要原因是海陆热力差异引起的海陆风日变化。夏季下午和傍晚，陆地上空的大气温度高于海洋，而午夜到凌晨，海洋上空的大气温度高于陆地，导致与白天相反的海陆循环(Dai，2001)。另外，夜晚云层顶部的辐射冷却致使边界层变得不稳定，促进海洋上空对流发展(殷水清等，2012)。因此，海上降水一般在凌晨发生，受其影响，沿海地区降水日变化也表现出同样特征。

从图 6短历时和持续性降水过程开始时间台站数可以看出，共计92%的台站短历时降水开始时间出现在早晨05—07时以及午后15—19时，早晨05—07时台站占比为53%，其中06时最多，午后15—19时台站占比为39%。持续性降水开始时间出现在夜间21时至次日03时的台站占比达到92%，持续性降水开始时间出现在00—02时各时次的台站均超过10个，合计台站占比达到59%。

4 短历时和持续性降水变化趋势 4.1 降水量

山东省各地汛期短历时总降水量气候倾向率在-32.99~11.59 mm·(10 a)^-1(图 7)，有59个站点呈减少变化趋势，其中有14个站点减少趋势显著(P＜0.05)。仅鲁西、鲁西北及半岛少数地区有不显著的增加趋势。持续性总降水量气候倾向率在-12.93~69.28 mm·(10 a)^-1，呈增加趋势的站点有64个，其中有22个站点增加趋势显著(P＜0.05)。仅鲁西北、半岛少数地区有不显著的减少趋势。

短历时过程降水量呈减少趋势的站点有35个，仅东明站减少趋势显著，乐陵、济阳、临邑站增加趋势显著。持续性过程降水量有54站呈增加趋势，其中位于鲁中东部、半岛地区的8站增加趋势显著，其他站点减少趋势不显著。

4.2 降水次数

短历时降水过程次数气候倾向率在-3.96~0.98次·(10 a)^-1(图 8)，呈减少趋势的站点达到70个，其中鲁中山区周边、半岛南部地区的25个站点减少趋势显著。鲁西、鲁南、鲁中山区、半岛东部少数地区有不显著的增加趋势。持续性降水过程次数气候倾向率在-0.39~1.70次·(10 a)^-1，呈增加趋势的站点达到67个，其中鲁西、鲁西北、鲁西南、鲁东南等地增加趋势显著。仅半岛中东部地区有不显著的减少趋势。

4.3 降水强度

短历时过程平均雨强气候倾向率在-0.29~ 0.09 mm·h^-1·(10 a)^-1(图 9)，鲁西、鲁南、鲁东南、半岛等地有43站呈减小趋势，其中5站减小趋势显著，其他站点趋势不显著。持续性过程平均雨强气候倾向率在-0.13~0.15 mm·h^-1·(10 a)^-1，鲁中山区西部和西南部、鲁北、半岛南部等地有32站呈不显著地减少趋势，鲁中山区东北部和东部、鲁南、半岛北部和东部等地呈不显著的增加趋势。

短历时过程峰值雨强气候倾向率在-6.29~3.41 mm·h^-1·(10 a)^-1，鲁西北、鲁北、鲁西南、鲁中、半岛北部和东部等地共计45站呈增大趋势，其中4站增大趋势显著。鲁南、半岛南部等地有39站呈减小趋势，其中4站减小趋势显著。持续性过程峰值雨强气候倾向率在-4.02~4.65 mm·h^-1·(10 a)^-1，鲁西、鲁西北、鲁南、鲁东南、半岛北部等地有54站呈增大趋势，其中4站增大趋势显著，有2站减小趋势显著。

4.4 降水历时

短历时过程降水历时气候倾向率在-0.06~0.08 h·(10 a)^-1(图 9)，鲁西、鲁中山区西部、鲁南、半岛东部等地有21站呈减小趋势，仅威海站减小趋势显著，鲁北、鲁东南、鲁中山区东部、半岛南部沿海等地有53站呈增大趋势，其中有10站增大趋势显著。持续性过程降水历时气候倾向率在-0.14~0.72 h·(10 a)^-1，全省大部地区共66站呈增大趋势，其中鲁中东部、鲁南、胶州湾等地有13站增大趋势显著，其他站点减小趋势均不显著。

短历时过程开始到峰值雨强历时气候倾向率在-0.04~0.04 h·(10 a)^-1，鲁北、鲁西、鲁南、半岛中部和东部等地36站呈减小趋势，其中聊城、威海、泰安3站减小趋势显著，其他地区临清、诸城、青岛、胶州4站增大趋势显著。持续性过程开始到峰值雨强历时气候倾向率在-0.18~0.43 h·(10 a)^-1，鲁西北等地有17站呈减小趋势，但均不显著，其他全省大部地区均呈增大趋势，其中高清、青岛、崂山3站增大趋势显著。

5 结论与讨论

(1) 山东省汛期降水过程降水量、过程历时、达到峰值时间均呈极显著地增加趋势；短历时降水过程次数的极显著减少是山东降水次数减少的主要原因；降水过程历时的延长是短历时和持续性降水共同影响的结果；虽然短历时总降水量减少，但持续性总降水量增加更多，造成汛期总降水量增加；汛期平均雨强略有减小；总降水和持续性降水峰值雨强有增大的趋势，短历时降水峰值雨强略有减小；总降水和持续性降水达到峰值雨强时间有增加趋势，短历时降水则略有减小。

(2) 山东省汛期短历时总降水量以鲁中山区、鲁东南地区最多，鲁东南沿海、半岛东部持续性总降水量最多；短历时过程降水量、平均雨强以鲁东南向西北方向经鲁中山区至德州一带最大，持续性过程降水量、平均雨强在半岛东部和鲁东南部分地区最大；短历时、持续性过程降水次数以鲁中山区至鲁东南沿海，半岛东南部一带最多；短历时峰值雨强以鲁中山区周边地区较大，持续性峰值雨强以鲁南、鲁东南、半岛东部最大；短历时降水过程历时、降水开始到峰值雨强历时以鲁中山区、鲁北、半岛北部一带较长，持续性降水过程历时、降水开始到峰值雨强历时以鲁西南、鲁东南、半岛东部一带较长；鲁中地区、鲁南及半岛个别地区短历时降水开始时间一般于午后(13—18时)，鲁中山区周边及半岛沿海一带多以夜雨为主，持续性降水过程平均开始时间多发生在夜间。

(3) 山东省汛期短历时总降水量以鲁中山区周边、半岛南部部分站点减少趋势最显著，而持续性总降水量以鲁中山区、鲁南、半岛西南部增加趋势最显著；短历时过程降水量东明站减少趋势，乐陵、济阳、临邑站增加趋势显著，持续性过程降水量以鲁中东部、半岛地区的8站增加趋势显著；短历时降水过程次数呈减少趋势的站点达70个，其中鲁中山区周边、半岛南部地区的25个站点减少趋势显著，持续性降水过程次数呈增加趋势的站点达到67个，其中鲁西、鲁西北、鲁西南、鲁东南等地增加趋势显著；短历时过程平均雨强在鲁西、鲁南、鲁东南、半岛等地有43站呈减小趋势，其中5站减小趋势显著，持续性过程平均雨强在鲁中山区西部和西南部、鲁北、半岛南部等地呈不显著地减少趋势，鲁中山区东北部和东部、鲁南、半岛北部和东部等地呈不显著地增加趋势；短历时过程峰值雨强在鲁西北、鲁北、鲁西南、鲁中、半岛北部和东部等地共计45站呈增大趋势，其中4站增大趋势显著，持续性过程峰值雨强鲁西、鲁西北、鲁南、鲁东南、半岛北部等地有54站呈增大趋势，其中4站增大趋势显著，2站减小趋势显著；短历时过程降水历时在鲁北、鲁东南、鲁中山区东部、半岛南部沿海等地有53站呈增大趋势，其中有10站增大趋势显著，持续性过程降水历时全省大部地区共66站呈增大趋势，其中鲁中东部、鲁南、胶州湾等地有13站增大趋势显著；短历时过程开始到峰值雨强历时仅聊城、威海、泰安3站减小趋势显著，临清、诸城、青岛、胶州4站增大趋势显著，持续性过程开始到峰值雨强历时全省大部地区均呈增大趋势，其中高清、青岛、崂山3站增大趋势显著。

山东省汛期总降水量略有增加，主要是由过程降水量和过程历时显著增大造成，持续性降水次数、过程降水量、过程历时的增加对总降水量的增加贡献最大。下垫面特征(林之光，1995；苏锦兰等，2015；王丛梅等，2017)是影响短历时和持续性总降水量、过程降水量、平均雨强等的空间分布差异和变化的主要原因之一。

山东省汛期短历时降水开始时间主要集中在凌晨和午后，持续性降水开始时间主要出现在夜间。鲁中地区、鲁南及半岛个别地区短历时降水一般开始于午后(13—18时)，鲁中山区周边及半岛沿海一带多以夜雨为主，这与林之光(1995)的研究结果一致，他指出山区以日雨为主，平原、盆地以夜雨为主。山东沿海地区短历时和持续性降水多发生在后半夜，主要原因是海陆热力差异引起的海陆风日变化。夏季下午和傍晚，陆地上空的大气温度高于海洋，而午夜到凌晨，海洋上空的大气温度高于陆地，导致与白天相反的海陆循环(Dai，2001)。另外，夜晚云层顶部的辐射冷却致使边界层变得不稳定，促进海洋上空对流发展(殷水清等，2012)。因此，海上降水一般在凌晨发生，受其影响，沿海地区降水日变化也表现出同样特征。

下午至傍晚的短历时降水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, 2007a)。而开始于夜间至清晨的降水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，形成该时段短历时降水。

研究表明，山东省短历时降水量、过程降水强度并没有表现出明显的增加趋势，这可能与使用的资料长度、选取的站点、降水长短历时的划分规则等因素有关，为进一步得到短时和长持续性降水事件变化特征，可针对不同下垫面的站点数据进行更细致的降水过程划分，如降水历时在3 h内的划分为短时降水过程或对逐时、逐分钟降水数据进行短时强降水的统计分析，舍弃参与统计的小时或分钟弱降水数据，可能会更细致地刻画降水过程的演变规律。