1961—2008年京津冀地區(qū)暴雨的氣候變化特征分析

韓桂明，翟盤茂

（1.南京信息工程大學，江蘇南京 210044；2.中國氣象科學研究院，北京 100081）

1961—2008年京津冀地區(qū)暴雨的氣候變化特征分析

韓桂明1，翟盤茂2

（1.南京信息工程大學，江蘇南京 210044；2.中國氣象科學研究院，北京 100081）

利用北京市、天津市和河北省1961—2008年逐日臺站降水資料，采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解（empirical orthogonal function）、Morlet小波、曼-肯德爾（Mann-Kendall）突變檢驗等方法，統(tǒng)計分析了京津冀地區(qū)暴雨量及暴雨頻次的氣候變化特征。結(jié)果表明：氣候態(tài)下，京津冀地區(qū)暴雨量及暴雨頻次沿地形呈東南多-西北少的分布型，暴雨發(fā)生時間相對集中在7月下旬和8月上旬。1961—2008年京津冀大部分地區(qū)暴雨量呈減少的趨勢，且在1980年發(fā)生顯著突變，2000年代以后暴雨量進一步減少。小波功率譜分析結(jié)果表明，京津冀地區(qū)暴雨量主要存在2～4 a的顯著主周期。該地區(qū)暴雨量EOF展開的前3模態(tài)顯示，暴雨量主要呈全區(qū)一致變化以及東西反向、南北反向的空間變化特征。

京津冀地區(qū)；暴雨；氣候變化；減少

近年來，全球氣候變暖背景下極端氣候事件的變化已引起了國際社會的廣泛關(guān)注。IPCC第五次評估報告指出，隨著全球變暖，北半球中高緯度陸地地區(qū)的降水量呈上升趨勢；同時，與強降水減少的區(qū)域相比，更多陸地區(qū)域出現(xiàn)強降水事件的數(shù)量可能已經(jīng)在增加[1]。但是，在全球各地，包括在中國大陸地區(qū)，有關(guān)極端氣候事件變化的研究結(jié)論還存在矛盾[2-5]。資料不完備和分析時段差異等可能是造成這種現(xiàn)象的主要原因。就中國平均而言，總的降水變化趨勢并不明顯，但雨日有所減少[6]。

暴雨是一種最為常見的氣象災害，暴雨的出現(xiàn)對國民經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)的安全有很大的威脅[7]。多年來許多氣象工作者對極端降水、暴雨等的研究結(jié)果表明，我國是多暴雨區(qū)域，大暴雨主要出現(xiàn)在華南、長江流域和華北地區(qū)，各地區(qū)暴雨存在區(qū)域性差異[8]。緯度越向西和北，多雨期就越集中[9]。受東亞夏季風的影響，我國華北地區(qū)暴雨的年代際變化較大，華北和東北南部地區(qū)暴雨從20世紀70年代開始至今一直偏少[10-11]，年降水量的減少主要是夏季降水量減少造成的[12]。陳海山等[13]研究發(fā)現(xiàn)，1958—2007年華北地區(qū)強降水日數(shù)減少，西北地區(qū)、長江流域及其以南地區(qū)強降水日數(shù)則呈現(xiàn)增加的趨勢。

京津冀地區(qū)東臨我國渤海，北部為燕山山脈，地形為北高南低，屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候[14-15]，天氣復雜多變，災害頻繁，降水量年際波動較大，引起洪澇和干旱災害頻繁交替，相對于暴雨的天氣學研究而言，迄今關(guān)于暴雨的氣候?qū)W研究相對較少。因此對該地區(qū)暴雨氣候特征的分析是很有必要的。本文利用1961—2008年京津冀有連續(xù)觀測記錄的49個站點的逐日臺站降水資料，對該地區(qū)暴雨的氣候特征以及時空變化特征進行較為系統(tǒng)地分析，旨在為今后暴雨的預報及研究提供參考，并加深對該地區(qū)氣候變化的了解和認識。

1 資料與方法

本文采用北京市、天津市和河北省1961—2008年有完整氣象記錄的49個氣象臺站逐日降水資料，對京津冀地區(qū)近50 a暴雨時空變化特征進行分析，降水資料來自北京市、天津市和河北省氣象局檔案館整編資料，研究區(qū)域氣象站點分布如圖1所示。

暴雨日定義為日降水量≥50 mm的降水日，暴雨量為年內(nèi)所有暴雨日降水量的總和，暴雨發(fā)生頻次為暴雨日數(shù)之和。為了統(tǒng)計分析京津冀地區(qū)氣候態(tài)下暴雨量和暴雨頻次的分布特征，本文使用線性趨勢分析、經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）、Morlet小波分析等方法對該地區(qū)暴雨的時空變化特征進行分析，并運用Mann-Kendall[16]方法對京津冀近50 a的暴雨量進行突變檢驗。

經(jīng)驗正交函數(shù)EOF展開方法的特征值對應的空間場是否顯著采用North等[17]提出的計算特征值范圍進行顯著性檢驗。特征值λj的誤差范圍為：

式中n為樣本空間量，相鄰特征值λj+1滿足

λj-λj+1≥ej時，就認為兩個特征值所對應的經(jīng)驗正交函數(shù)場是有氣象意義的信號場。

本文選用常用的Morlet小波，ω0=6，小波功率譜定義為：

全域小波功率譜Ea表征不同尺度a對應的能量密度，定義為：

根據(jù)Torence導出[18]的關(guān)系，尺度a和周期T的對應關(guān)系：

小波功率譜是否顯著，用紅噪聲或者白噪聲標準譜進行檢驗，本文采用紅噪聲檢驗。

2 京津冀地區(qū)暴雨氣候態(tài)特征

圖2a為京津冀地區(qū)氣候平均（1971—2000年）暴雨量的空間分布。可以發(fā)現(xiàn)，暴雨量沿地形呈“東南多、西北少”的空間分布，低值區(qū)位于河北省西北部燕山山脈的山后地區(qū)，該地區(qū)受地形影響，處于山后背風坡，不利于水汽輸送和冷暖空氣的交匯[19]。高值區(qū)位于京津冀東部的青龍、撫寧、塘沽等地，這些暴雨中心也與大尺度地形背景下的局地地形有關(guān)，由于其北面是燕山南麓，處于暖濕氣流的迎風坡，局地地形有利于冷空氣擴散南下與暖濕空氣交匯[20-21]，因此有利于形成暴雨。京津冀地區(qū)氣候平均暴雨發(fā)生日數(shù)（圖2b）與暴雨量分布較為一致，高值區(qū)位于京津冀中東部地區(qū)，出現(xiàn)暴雨最多的地方是河北省青龍站，年均出現(xiàn)2～3 d。

圖3為京津冀氣候平均的各旬暴雨量及暴雨站次。由圖可見，1961—2008年，各旬暴雨站次集中在6月上旬—9月份下旬，11月—2月和3月中下旬沒有暴雨出現(xiàn)。暴雨站次出現(xiàn)最多的時段在7月下旬，平均出現(xiàn)17.3站次，其次是8月上旬，為15.5站次，即暴雨站次呈現(xiàn)出“7下8上”的特征。從各旬暴雨日的平均暴雨量分布來看，6—9月各旬平均暴雨量較為平均，其中8月上旬平均暴雨量最大，達83.5 mm。

3 京津冀暴雨量時空變化特征

3.1 京津冀地區(qū)暴雨量時間變化特征

為了進一步研究京津冀地區(qū)暴雨量的長期變化特征，分析了該地區(qū)暴雨量距平年代際特征及線性趨勢（圖4）。可以發(fā)現(xiàn)，1961—2008年，京津冀地區(qū)暴雨量呈減少趨勢，減少速率為14.1mm/10a。從該地區(qū)暴雨量的年代際變化曲線上可以發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)暴雨量出現(xiàn)2次由多到少的波動交替現(xiàn)象，即在1980年代以前該地區(qū)暴雨量基本處于年代際偏多階段，1980—1990年代初期該地區(qū)暴雨量又處于年代際偏少時期；1990年代中期前后暴雨量呈現(xiàn)短暫的年代際偏多，1990年代后期至2000年代，京津冀地區(qū)暴雨量再次處于年代際偏少時期。

為了進一步研究京津冀地區(qū)暴雨量是否發(fā)生顯著年代際突變，應用Mann-Kendall突變檢驗對京津冀地區(qū)暴雨量進行分析，結(jié)果見圖5。由UF曲線可見，1961年以來，京津冀地區(qū)暴雨量呈現(xiàn)明顯的波動減少的趨勢，在1990年代中期前后有短暫的波動增加趨勢，2000年代后遞減趨勢大大超過了顯著性水平0.05臨界線，表明該地區(qū)暴雨量在2000年代后的減少十分顯著。根據(jù)UF與UB曲線交點的位置，結(jié)合京津冀地區(qū)暴雨量距平的年代際變化特征（圖5），可以看到，從1980年開始該地區(qū)暴雨量處于年代際偏少時段。經(jīng)統(tǒng)計，1961—1979年期間暴雨量距平為18.9 mm，而1980—2008期間為-20.3 mm，因此，可確定京津冀地區(qū)暴雨量在1980年代初發(fā)生了突減。

3.2 京津冀暴雨量空間分布特征

圖6為京津冀暴雨量線性變化趨勢的空間分布?？梢钥吹剑摰貐^(qū)有43站（總共49站）暴雨量呈下降的趨勢，其中有8個站點的暴雨量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，河北境內(nèi)的赤誠、唐山、撫寧3站以及北京境內(nèi)的延慶、房山、大興、朝陽、通州5站的暴雨量均呈顯著減少的趨勢，其中朝陽站減少最多，達-30.9 mm/10 a。河北省北部的張北、承德等地，近50 a暴雨量呈略微增多的趨勢，但未通過顯著性檢驗。

為了更清楚地了解該地區(qū)1961年以來暴雨的時空分布特征，對京津冀地區(qū)1961—2008年暴雨量的標準化場做EOF分解，EOF展開的前7模態(tài)累計方差貢獻率總和為63.7%。本文主要分析了前三模態(tài)信息（表1），計算前3特征值的誤差e1、e2、e3分別對應為2.3、1.2、0.9，均小于相鄰特征值之差，因此前三特征向量場具有明顯的氣象學意義。

圖7a為京津冀地區(qū)暴雨量EOF分解的第一空間特征向量場，大部分地區(qū)都為正值區(qū)，且與氣候場的暴雨量分布（圖2a）較為一致，說明該型態(tài)大致反映了京津冀地區(qū)暴雨量全區(qū)一致的長期變化特征。結(jié)合EOF第一時間系數(shù)場（圖7b），可以發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)在1980年代前降水相對維持偏多的特征，1980年代中期至1990年代中期暴雨量波動減少，而在1990年代中期有短暫性偏多，隨后1990年代后期至2000年代均波動偏少，與該地區(qū)暴雨量異常時間變化波動趨勢一致。

EOF第二空間向量場特征見圖7c，其方差貢獻率為12.4%，可以發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)暴雨量的變化呈“西負、東正”的反向變化特征，即當京津冀東部地區(qū)暴雨量增多時，西部暴雨量減少。從對應的第二時間序列變化場上（圖7d）可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)暴雨量呈東多西少分布型共有22年，且這種分布型呈微弱增多的趨勢。

圖7e為EOF展開的第三空間向量特征場，方差貢獻率為9.3%，可以發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)南部為正值區(qū)，北部為負值區(qū)，表明該地區(qū)暴雨量存在南北反向變化的分布特征，從時間序列場上（圖7f）來看，該地區(qū)1963、1971、1977、1995年時間系數(shù)較大，對應的出現(xiàn)"南多、北少"的暴雨量分布型較顯著。第三時間序列呈弱下降趨勢，即該地區(qū)暴雨量南多、北少的分布型略有減少。

3.3 周期分析

小波變換方法是一種時頻分析方法，既可以了解時間序列不同時間的頻率特征，又可以了解不同頻率的時間分布特征。為了分析京津冀地區(qū)暴雨量不同尺度的周期變化特征，對1960年代以來該區(qū)域暴雨量進行Morlet小波變換。京津冀地區(qū)暴雨量功率譜在不同年代表現(xiàn)出不同的特征，1960年代、1990年代后期到2000年代初的降水以2～4 a的周期最為顯著，并通過10%的紅噪聲檢驗（圖8a陰影區(qū)黑色實線）；全域功率譜方差信度檢驗結(jié)果顯示2～4 a周期能通過顯著性10%的紅噪聲檢驗（圖8b）。

4 小結(jié)與討論

（1）氣候態(tài)下，京津冀地區(qū)暴雨量沿地形自東南向西北逐漸遞減，低值區(qū)位于河北省西北部燕山山脈的山后地區(qū)，氣候平均的暴雨次數(shù)與暴雨量的分布較為一致。1961年以來，各旬暴雨站次集中在6月上旬—9月下旬，11月至次年3月中下旬均無暴雨出現(xiàn)。暴雨站次出現(xiàn)最多的時段集中在7月下旬和8月上旬，呈現(xiàn)出“七下八上”的特征。

（2）1961—2008年，京津冀絕大部分地區(qū)的暴雨量呈現(xiàn)減少的趨勢，河北境內(nèi)的赤誠、唐山、撫寧3站以及北京境內(nèi)的延慶、房山、大興、朝陽、通州5站的暴雨量呈顯著減少的趨勢，而河北省北部的張北、承德和圍場等站的暴雨量呈略增加的趨勢。京津冀暴雨量發(fā)生顯著突減的時間為1980年，進入21世紀后暴雨量進一步減少。本地區(qū)絕大部分區(qū)域的暴雨日數(shù)和雨量呈顯著下降的趨勢，與全球陸地部分地區(qū)強降水增加的結(jié)論[1，15]構(gòu)成了明顯對照，反映了我國東部季風區(qū)降水異常所具有的特殊區(qū)域性和復雜性。

（3）暴雨量距平場EOF展開前7個模態(tài)累積方差貢獻率為63.7%，第一模態(tài)全區(qū)一致為正且呈東西向遞減分布，大值區(qū)位于京津冀中東部地區(qū)，與氣候平均場分布相似；第2模態(tài)呈“東正、西負”的反向變化特征，即該地區(qū)暴雨量呈現(xiàn)東西反向變化的分布特征；第3模態(tài)則呈現(xiàn)了南北反向變化的分布特征。

（4）利用Morlet小波變換分析發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)暴雨量在1960年代、1990年代末到2000年代初的降水以2～4 a的周期最為顯著，該地區(qū)暴雨量全域功率譜方差信度檢驗結(jié)果顯示2～4 a周期能通過顯著性10%的紅噪聲檢驗。

與已有研究對比可以發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)暴雨時空分布特征與華北汛期降水具有高度一致性。如Song等[22]指出，華北地區(qū)近50 a來汛期總降水、≥50 mm的暴雨量和暴雨頻次均呈下降趨勢。對于華北降水長期變化特征的可能原因，Ding等[23]指出，近幾十年來東亞夏季風持續(xù)減弱，不能將更多的水汽供應輸送至中國北方地區(qū)，是北方降水量大大減少的主要原因。張書萍等[24]則認為，蒙古地區(qū)附近位勢高度場呈上升趨勢，而貝加爾湖地區(qū)對流層低層溫度上升，導致華北地區(qū)可利用降水量減少，干旱發(fā)生的可能性增加。進一步的研究表明，北極濤動（AO）、太平洋年代際振蕩（PDO）的年代際位相轉(zhuǎn)變，導致中高緯西風帶和西太平洋副高調(diào)整，是華北降水在1970年代末顯著減少，近50年來呈下降趨勢的深層原因[25]。

盡管如此，針對京津冀地區(qū)暴雨時空變化的機理研究仍較為少見。暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物[26]，其變化特征是否有特殊成因？京津冀地區(qū)與華北區(qū)域的降水變化有何差異，原因是什么？這些都有待于進一步的研究。

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Study on Characteristics of Climatic Variations of the Rainstorm in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1961-2008

HAN Guiming1，ZHAI Panmao2

（1.Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China；2.Chinese Academy of Meteorological Science，Beijing 100081，China）

Based on the observational daily precipitation data provided by Beijing,Tianjin and Hebei province Meteorological Bureau during 1961-2008,the characteristics of the climatic variations of stormrain in Beijing-Tianjin-Hebei province region（Jing-Jin-Ji）are analyzed in this paper by using the empirical orthogonal function（EOF）method,Morlet wavelet and Mann-Kendall test.The major results are summarized as follows:the rainstorm precipitation and its frequency show a high consistency distribution which exhibits a significant meridional gradient along the terrain of Jing-Jin-Ji,and appears mainly during late July and early August of the year in climatology.There is a continuously decrease trend in the precipitation of rainstorm in Jing-Jin-Ji since 1960s. Evidence also shows that 1980 is an abrupt change point and an obviously decrease trend of rainstorm in Jing-Jin-Ji occurs in 2000s.Wavelet power spectrum reveals that 2-4a is a significantly period for rainstorm in Jing-Jin-Ji.The rainstorm in Jing-Jin-Ji shows a consistent change or opposite changes in east and west or in south and north.

Beijing-Tianjin-Hebei（Jing-Jin-Ji）；rainstorm；climatic variations；decrease

P468

B

1002-0799（2015）04-0025-07

韓桂明，翟盤茂.1961—2008年京津冀地區(qū)暴雨的氣候變化特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（4）：25-31.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.004

2015-01-23；

2015-04-20

韓桂明（1982-），女，主要從事極端降水與氣象應急管理研究。E-mail：hangm@bjmb.gov.cn