北京市夏季降水年代際變化特征及成因分析

摘要： 本文利用北京市1961年～2010年夏季地面氣象觀測(cè)資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析、M-K突變檢驗(yàn)等方法，研究了北京市夏季降水年代際變化，得出以下結(jié)論：北京市夏季降水呈現(xiàn)逐年遞減趨勢(shì)，8月份遞減幅度最為顯著，且20世紀(jì)60年代與80年代之間相關(guān)性最高。1974年為北京市夏季降水突變年，夏季降水量與平均相對(duì)濕度之間存在正相關(guān)性，與平均氣壓、平均氣溫、平均風(fēng)速之間均存在弱的負(fù)相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：降水；夏季；相關(guān)性分析；M-K檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)： P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.08.061

北京市降水從20世紀(jì)60年代起呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，70年代以來(lái)，降水量減少最為顯著[1]。降水量的逐漸減少使得北京市的水資源變得十分嚴(yán)峻，對(duì)人們生活、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展等都造成了很大威脅。

目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)降水量時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。朱龍騰[2]等利用北京市逐年降水和氣溫氣象資料，對(duì)北京市降水和氣溫的年代際變化進(jìn)行分析。研究表明，北京市降水呈遞減趨勢(shì)，且1974年為年降水量突變年。張秀麗[3]等利用北京市逐日觀測(cè)資料，采用DFA分形理論，根據(jù)求出的Hurst指數(shù)值的大小判斷未來(lái)降水變化趨勢(shì)。王文[4]等利用北京11個(gè)臺(tái)站逐日降水和氣溫資料，對(duì)北京市降水與氣溫變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，北京市年降水量呈遞減趨勢(shì)，而氣溫呈遞增趨勢(shì)。謝莊[5]等根據(jù)北京地區(qū)120年逐年氣溫和降水資料，對(duì)北京地區(qū)近百年氣溫與降水變化情況進(jìn)行分析研究。研究表明，北京的年降水從20世紀(jì)50年代至80年代呈持續(xù)下降趨勢(shì)。李春[6]等利用華北夏季降水、海平面氣壓等氣象資料，對(duì)我國(guó)華北夏季降水年代際變化特征進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，華北地區(qū)夏季降水呈遞減趨勢(shì)。李宏毅[7]等利用華南地區(qū)4，5月份降水量數(shù)據(jù)、海溫資料和再分析資料，對(duì)華南地區(qū)4、5月份降水量年代際變化特征進(jìn)行分析研究，以及所對(duì)應(yīng)的大尺度環(huán)流的關(guān)系進(jìn)行了一系列分析。研究表明，華南地區(qū)4～5月份降水量均在20世紀(jì)70年代初期發(fā)生較為明顯的年代轉(zhuǎn)變。

北京為典型的北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨。年降雨量約為483.9毫米，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一。降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6月、7月、8月三個(gè)月，7月和8月有大雨。本文利用北京市夏季6月、7月、8月逐年降水資料，使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、M-K檢驗(yàn)、小波分析等方法，對(duì)北京市夏季降水年代際變化進(jìn)行分析研究。

1 資料來(lái)源

本文使用北京市1961年～2010年夏季6月、7月、8三個(gè)月逐年降水資料，分析北京市夏季降水年代際活動(dòng)特征。用6月、7月、8月三個(gè)月降水資料之和來(lái)代表北京市夏季降水變化，本文不考慮毛毛雨情況。數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站數(shù)據(jù)集，使用日平均氣壓、日平均氣、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速4個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)北京市夏季降水影響因子進(jìn)行分析。

2方法簡(jiǎn)介

2.1 氣候傾向率

為了反映北京市夏季降水量的年代際變化趨勢(shì)，這里用一次直線方程來(lái)定量描述，即：

■

式中：■為時(shí)間，單位為a，■為月降水量距平值，單位為mm。

c=a×10

式中：c稱為氣候傾向率，即表示每10年北京市降水量的變化值。

2.2 相關(guān)性分析

若變量的取值■（j=1，2，...m），則可以用變量■和■的樣本相關(guān)系數(shù)作為它們的相似性度量。

■

2.3 M-K突變檢驗(yàn)

方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其僅用于檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)，計(jì)算步驟如下：對(duì)于具有■個(gè)樣本的時(shí)間序列■，構(gòu)造一秩序列：■其中■，可見(jiàn)，秩序列是第i時(shí)刻數(shù)值大于第■時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨即獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量■其中■， 是累計(jì)數(shù)■的均值和方差，在■是相互獨(dú)立，具有相同連續(xù)分布時(shí)，可由下式算出：

■

■

3北京市夏季降水量的時(shí)間變化

3.1夏季降水量年際變化特征

圖1為1961年～2010年北京市夏季降水年際變化曲線，圖中虛星線為降水量距平實(shí)測(cè)值，實(shí)線為一元回歸方程擬合值，擬合值均通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。從（a）圖中可以看出，北京市夏季降水量波動(dòng)幅度較大，在1975年～1995年之間，夏季降水量以正距平為主，說(shuō)明了在此期間北京市夏季降水量較多；然后1996年～2010年之間，夏季降水量以負(fù)距平為主，表明了在此期間夏季降水量較少。從一元回歸方程可以看出，氣候傾向率為-32.2mm/10年，表示夏季降水量總體呈遞減趨勢(shì)，每10年夏季降水量距平值減少32.2mm。從（b）圖可以看出，6月份降水總體上呈遞增趨勢(shì)，但遞增幅度較小，其氣候傾向率為2.9mm/10年，表明了6月份降水距平值每10年增加2.9mm。（c）圖中可以看出，在1967年～1976年期間，降水距平值以正距平為主，說(shuō)明了在此期間7月份降水較多；在1977年～1984年期間，降水距平值以負(fù)距平為主，說(shuō)明了在此期間7月份降水較少；在1985年～1999年期間，降水距平值以正距平為主，說(shuō)明了在此期間7月份降水較多；2000年～2010年期間，降水距平值以負(fù)距平為主，說(shuō)明了在此期間7月份降水較少。從一元回歸方程可以看出，7月份降水總體呈遞減趨勢(shì)，其氣候傾向率為-11.5mm/10年，表示每10年降水距平值減少11.5mm。（d）圖可以看出，8月份降水波動(dòng)幅度較大，氣候傾向率為-23.6mm/10年，表明每10a，降水距平值減少23.6mm，遞減幅度較大。

3.2夏季降水量年代際相關(guān)性分析

為了研究北京市夏季降水量各年代之間的相關(guān)性，運(yùn)用matlab編程求得其之間的相關(guān)性系數(shù)（見(jiàn)表1）。從表1可以看出，20世紀(jì)60年代與70年代之間相關(guān)性系數(shù)為0.411，處于（0.3，0.5）之間，表明了60年代夏季降水與70年代夏季降水存在較為顯著的正相關(guān)性。60年代與80年代相關(guān)性系數(shù)為-0.8104，處于（0.8，0.9）之間，表明了60年代降水與80年代存在顯著性較高的負(fù)相關(guān)性關(guān)系。20世紀(jì)60年代與90年代、21世紀(jì)初相關(guān)性系數(shù)均低于0.3水平，表明兩者之間相關(guān)性較弱。20世紀(jì)70年代夏季降水量與各年代之間相關(guān)性系數(shù)也均低于0.3水平，說(shuō)明70年代與其余年代之間無(wú)相關(guān)性。

3.3夏季降水量突變檢驗(yàn)

從圖2北京市夏季降水M-K統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，從1961年開(kāi)始UF曲線小于0，表明從1961年開(kāi)始北京市在夏季降水量呈遞增趨勢(shì)。從1982年開(kāi)始UF曲線超出臨界線，表明了夏季降水從1982年開(kāi)始遞減趨勢(shì)非常顯著。UF和UB兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻約為1974年，且交點(diǎn)在臨界線信度之內(nèi)，則表明1974年為北京市夏季降水突變年。

4 北京市夏季降水相關(guān)影響因子分析

很多學(xué)者做過(guò)研究，夏季降水呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，除了與環(huán)流背景、海溫這兩個(gè)因數(shù)有關(guān)外，造成降水減少的主要因素有：風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、氣壓等。本文由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失，僅考慮平均氣壓、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速這幾個(gè)因子。

由于量綱單位不一致，首先對(duì)平均氣壓、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、夏季降水量這5個(gè)因子數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文將因子數(shù)據(jù)都?xì)w一化在[0，1]之間，具體處理方程如下：

式中：■為因子數(shù)據(jù)時(shí)間序列，■為因子時(shí)間序列最小值， 為因子時(shí)間序列最大值。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)使用相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2：

從表2個(gè)中的因子之間相關(guān)性系數(shù)結(jié)果可以看出，夏季降水量與平均相對(duì)濕度之間存在正相關(guān)性，但相關(guān)性不太顯著。夏季降水量與平均氣壓、平均氣溫、平均風(fēng)速之間均存在弱的負(fù)相關(guān)性。圖3為降水與各因子歸一化后之間關(guān)系變化曲線，（a）圖中可以看出，在1961年～1970年之間相對(duì)濕度與降水趨勢(shì)基本一致，1971年～1980年之間相對(duì)濕度歸一化值高于降水，1980年以后，兩條曲線又保持很好的一致性；（b）圖可以看出，平均氣壓與降水之間走勢(shì)相差較大，平均氣壓處于一種較為穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)；（c）圖可以看出，在1961年～1970年之間平均氣溫與降水趨勢(shì)走勢(shì)一致。1985年后，平均氣溫與降水呈反相關(guān)性，降水呈遞減趨勢(shì)，而氣溫呈遞增趨勢(shì)。

5結(jié)論

本文使用1961年～2010年北京市夏季氣象觀測(cè)資料，對(duì)其年代際變化特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

一是通過(guò)對(duì)北京市夏季降水年代變化特征分析得出：夏季降水量總體呈遞減趨勢(shì)，10年降水量距平值減少32.2mm。其中，6月份降水總體上呈遞增趨勢(shì)，降水距平值每10年增加2.9mm。7月份降水總體呈遞減趨勢(shì)，每10年降水距平值減少11.5mm。8月份降水每10年降水距平值減少23.6mm，遞減幅度較大。60年代夏季降水與70年代夏季降水存在較為顯著的正相關(guān)性，60年代降水與80年代存在顯著性較高的負(fù)相關(guān)性關(guān)系。其余年代之間相關(guān)性較弱。二是通過(guò)對(duì)北京市夏季降水減少影響因子分析得出：夏季降水量與平均相對(duì)濕度之間存在正相關(guān)性，但相關(guān)性不太顯著。夏季降水量與平均氣壓、平均氣溫、平均風(fēng)速之間均存在弱的負(fù)相關(guān)性。

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作者簡(jiǎn)介：張輝，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：航空氣象預(yù)報(bào)。