近56年京津冀區(qū)域降水量變化特征分析

于占江 金釗 張艷品

摘要按照自然地理?xiàng)l件和氣候的地理分布特征把京津冀分為5個(gè)不同的氣候子區(qū)域，選取資料序列完整且具有較長時(shí)間序列較為均勻分布的87個(gè)地面氣象站，運(yùn)用線性回歸、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Morlet小波函數(shù)等統(tǒng)計(jì)方法，選用1960—2015年逐日降水觀測數(shù)據(jù)，分別對(duì)5個(gè)子區(qū)域及全區(qū)的降水量進(jìn)行時(shí)空變化特征分析。結(jié)果表明，近56年來京津冀全區(qū)及5個(gè)分氣候區(qū)年平均降水量變化呈現(xiàn)整體的一致性，均呈波動(dòng)下降趨勢，冀東平原區(qū)下降趨勢顯著，但均未發(fā)生明顯突變現(xiàn)象;存在較為顯著的季節(jié)性，全區(qū)夏季降水量下降趨勢顯著，并于1996年發(fā)生突變，總降水量中以7月和8月貢獻(xiàn)最大，降水量減少速率也最快;除太行山區(qū)外，其他分氣候區(qū)夏季降水量均呈減少趨勢，且冀東平原區(qū)減少幅度最大，燕山丘陵在1996年發(fā)生了明顯突變;全區(qū)及各分氣候區(qū)年、季降水量呈現(xiàn)顯著的年際和年代或多年代際變化，主要存在4個(gè)周期變化，大致分為3～4、6～10、12～18和20年以上。

關(guān)鍵詞京津冀;氣候區(qū);降水量;變化特征;突變檢驗(yàn);周期特征

中圖分類號(hào)S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）02-0215-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.064

在全球氣候變暖的大背景下[1]，干旱已成為人類面對(duì)的重大環(huán)境問題之一。干旱的發(fā)生會(huì)影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，進(jìn)而造成一系列的社會(huì)問題，而與干旱相關(guān)的最重要的氣象要素便是氣溫、降水與潛在蒸散量，降水影響更直接[2]。京津冀地處中緯度歐亞大陸東岸，為沿海和內(nèi)陸交接地帶，屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，地勢西北高、東南低，地形包含平原、盆地、丘陵、山地及高原等[3]，是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。近些年，受全球氣候變暖的影響，中國京津冀地區(qū)氣溫明顯升高，降水量不斷減少，導(dǎo)致干旱問題日益嚴(yán)重[3-4]。針對(duì)京津冀區(qū)域降水變化的研究很多，如向亮等[5]利用正交函數(shù)分解、最大熵譜分析及Mann-Kendall 突變性檢驗(yàn)等方法分析了1961—2011年河北省降水時(shí)空分布及變化特征;李春強(qiáng)等[6]分析了河北省1965—2005年不同時(shí)間尺度下降水序列的主要周期變化過程及其空間分布特征;李月英等[7]分析了石家莊地區(qū)的降水量和氣溫的變化特征;李鵬飛等[2]對(duì)京津冀區(qū)域近50年氣溫、降水與潛在蒸散量的變化分析。但之前的研究更多的是以行政分區(qū)分析河北、北京、天津的氣候變化特征，分析京津冀整體區(qū)域的很少，而按氣候的地理分布特征進(jìn)行分區(qū)來研究降水變化特征鮮見報(bào)道。因此，筆者在前人工作的基礎(chǔ)上，采用線性趨勢分析法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、M-K突變檢驗(yàn)及小波分析等方法對(duì)

近56年來京津冀5個(gè)分區(qū)及全區(qū)降水量的時(shí)空變化特征進(jìn)行更詳細(xì)分析，以期在區(qū)域?qū)用嫔仙罨瘜?duì)京津冀區(qū)域降水變化的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為京津冀區(qū)域的降水預(yù)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水資源利用提供參考，對(duì)指導(dǎo)京津冀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源調(diào)控的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況選取河北、北京、天津3個(gè)?。ㄊ校┳鳛檠芯繀^(qū)域，位于113°29′～119°58′E、36°01′～42°35′N，地域十分廣闊，南北跨越約6.5個(gè)緯距，南北長約730 km，東西寬約560 km，近600 km的海岸線，有高原、山地及平原，地理?xiàng)l件復(fù)雜。

參照河北省氣候分區(qū)[8]，按北京、天津自然地理?xiàng)l件和氣候特征，將京津冀也分為5個(gè)氣候區(qū)（圖1）：①冀北高原氣候區(qū)，包括張家口和承德二地區(qū)的北部高原地帶，該區(qū)冬季嚴(yán)寒，積雪期長;②燕山丘陵氣候區(qū)，包括除冀北高原以外的張家口地區(qū)、承德地區(qū)和北京北部山區(qū)，該區(qū)絕大部分地區(qū)晴天多，云霧少，夏季涼爽，多局部暴雨、山洪、雷暴和冰雹;③太行山氣候區(qū)，包括保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲4個(gè)地區(qū)的西部地帶，全區(qū)降雨較多，夏季酷熱，悶熱天氣較多;④山前平原氣候區(qū)，包括保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲4個(gè)地區(qū)的京廣線以東地帶，以及衡水地區(qū)和滄州地區(qū)，春季少雨干旱;⑤冀東平原氣候區(qū)，包括北京中南部、天津、廊坊及唐山地區(qū)中南部和秦皇島地區(qū)南部，該區(qū)夏季多雨，春季多東北大風(fēng)。

1.2資料選取

該研究所用氣象數(shù)據(jù)由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（http：//data.cma.cn/）提供，在京津冀區(qū)域200多個(gè)氣象站中選擇資料序列完整且具有較長時(shí)間序列、測站環(huán)境評(píng)分都在70分以上（按照中國氣象局對(duì)測站探測環(huán)境評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分）、均勻分布的87個(gè)氣象站，每個(gè)站點(diǎn)包含1960—2015年逐日降水資料，利用這些資料對(duì)近56年京津冀區(qū)域降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。對(duì)氣象資料進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以及缺測較為嚴(yán)重的臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理[9]。對(duì)每個(gè)站點(diǎn)的氣象資料進(jìn)行整理，獲取年和季節(jié)序列。其中，季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

1.3研究方法

1.3.1線性傾向分析。采用一元線性回歸分析，即y= ax+ b，其中，b是常數(shù)項(xiàng)， a是回歸系數(shù)，a×10為氣候傾向率，表示氣象要素每10年的變化率，a> 0表示呈上升趨勢，a<0時(shí)表示呈下降趨勢[10]。

1.3.2Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)方法。它是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，在水文、氣象方面應(yīng)用廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，非常適用于分析氣象溫度、降水等類型變量，計(jì)算簡單方便。具體原理參考文獻(xiàn)[11-12]。

1.3.3滑動(dòng)t檢驗(yàn)法（MTT）。它的原理是將氣候序列分為兩子序列，檢驗(yàn)其均值有無顯著差異，以此來判斷是否存在突變，在水文、氣象被廣泛應(yīng)用。具體原理參考文獻(xiàn)[13]。

1.3.4小波分析（wavelet analysis）。也稱為多分辨率分析（multiresolution analysis），被認(rèn)為是Fourier變換的突破性進(jìn)展，可獲得氣候序列變化的尺度和變化的時(shí)間位置。由于小波分析在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部特性，可以分析出時(shí)間序列周期變化的局部特征，從而能更清楚地看到各周期隨時(shí)間變化情況，因而該研究選用小波分析法來分析京津冀降水量在時(shí)頻兩域的變化特征[6，14-15]，小波母函數(shù)為Morlet小波。

2結(jié)果與分析

2.1降水量變化趨勢

2.1.1降水量空間分布。

從圖2可以看出，燕山丘陵氣候區(qū)年平均降水量最多，年均降水量達(dá)600 mm以上，冀北高原氣候區(qū)年平均降水最少，年均降水量在400 mm以下。太行山氣候區(qū)與山前平原氣候區(qū)年均降水量相當(dāng)，相差不足30 mm。降水量從大到小依次為冀東平原區(qū)、太行山區(qū)、山前平原區(qū)、燕山丘陵區(qū)、冀北高原區(qū)。可見，近56年來京津冀區(qū)域年平均降水量在空間由東南向西北方向逐漸遞減，這與李鵬飛[2]等分析的結(jié)論一致。

2.1.2年降水量趨勢。由圖3可知，近56年京津冀全區(qū)及各分區(qū)年平均降水量均處于減少趨勢，但差異較為明顯，全區(qū)年均降水量氣候傾向率為-9.6 mm/10 a（未能通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)），下降趨勢不顯著;冀東平原區(qū)氣候傾向率（-16.5 mm/10 a）明顯低于京津冀區(qū)域氣候傾向率，平均降水量下降趨勢明顯;冀北高原區(qū)近乎沒有變化;降水量減少的速率從大到小依次為冀東平原區(qū)、太行山區(qū)、山前平原區(qū)、全區(qū)、燕山丘陵區(qū)、冀北高原區(qū)，說明京津冀區(qū)域年平均降水量減少速度沿海地區(qū)大于平原地區(qū)、平原地區(qū)大于高原地區(qū)。

2.1.3季降水量趨勢。

由表1可知，近56年來京津冀各分區(qū)及全區(qū)春季和秋季降水量均呈增加趨勢，冀北高原區(qū)春秋季和冀東平原區(qū)秋季通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，其他區(qū)均未通過，春季降水量增加幅度最大的為燕山丘陵氣候區(qū)，氣候傾向率為3.79 mm/10 a，秋季降水量增加幅度最大的為冀東平原氣候區(qū)，氣候傾向率為6.73 mm/10 a;各分區(qū)及全區(qū)夏季降水量均呈減少趨勢，除太行山區(qū)外其他區(qū)均通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，減少幅度最大的為冀東平原氣候區(qū)，氣候傾向率為-26.07 mm/10 a，由大到小依次為冀東平原區(qū)、太行山區(qū)、

全區(qū)、山前平原區(qū)、燕山丘陵區(qū)、冀北高原區(qū)，山前平原區(qū)與

燕山丘陵區(qū)幾乎相同;冬季降水量變化趨勢均不明顯，冀北高原和燕山丘陵氣候區(qū)呈弱增加趨勢，其他分氣候區(qū)為弱減少趨勢。

2.1.4月降水量趨勢。

分區(qū)月降水量平均值及氣候傾向率變化趨勢與全區(qū)變化趨勢基本一致（表2），降水量較多的月份為7和8月，降水量減少幅度較顯著的月份也為7和8月，其中7月減少最大為冀東平原氣候區(qū)（-15.33? mm/10 a），最小的為冀北高原氣候區(qū)（-3.47? mm/10 a），減少幅度由大到小依次為冀東平原區(qū)、全區(qū)、山前平原區(qū)、燕山丘陵區(qū)、太行山區(qū)、冀北高原區(qū);8月減少最大的為太行山氣候區(qū)（-15.53 mm/10 a），減少幅度由大到小依次為太行山區(qū)、冀東平原區(qū)、燕山丘陵區(qū)、全區(qū)、山前平原區(qū)、冀北高原區(qū)。

2.2降水量的突變性及周期性分析

2.2.1突變性。

對(duì)各分區(qū)和全區(qū)年平均降水量做突變分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各分區(qū)域年平均降水量均未出現(xiàn)顯著性上升、下降及明顯突變現(xiàn)象，且降水量均表現(xiàn)為前期增加、后期減少的變化態(tài)勢。冀北高原、冀東平原及燕山丘陵氣候區(qū)均在2000年之前以上升趨勢為主，之后以下降趨勢為主;山前平原和太行山氣候區(qū)變化趨勢相似，山前平原在20世紀(jì)60年代中前期表現(xiàn)為上升趨勢，其余時(shí)期則基本為下降趨勢，太行山區(qū)則在20世紀(jì)70年代之前為上升趨勢，之后以下降趨勢為主。京津冀全區(qū)降水量減少趨勢并不顯著，也沒有突變發(fā)生，除1972和1975年外，降水量在20世紀(jì)80年代之前呈上升趨勢，之后至2015年總體表現(xiàn)為下降趨勢，但在20世紀(jì)90年代初期和中期有短暫上升趨勢（圖4）。

對(duì)各分區(qū)和全區(qū)季平均降水量做突變分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖5），除燕山丘陵區(qū)夏季平均降水量在1996年發(fā)生了明顯突變，冀北高原區(qū)冬季平均降水量在1970年發(fā)生突變外，其他分區(qū)及在其他季節(jié)均未發(fā)生突變;而京津冀全區(qū)結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)（圖6），春季平均降水量在1982年發(fā)生了突變，夏季在結(jié)合全區(qū)夏季降水量累積距平曲線（圖7），夏季平均降水量的突變時(shí)間為1996年。秋季和冬季平均降水沒有發(fā)生突變。

2.2.2周期性。

采用Morlet小波函數(shù)對(duì)京津冀各分區(qū)及全區(qū)年平均降水量進(jìn)行時(shí)間周期演變分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖8），5個(gè)分區(qū)及全區(qū)年降水量具有總體一致性的特征，均存在3個(gè)明顯的特征時(shí)間尺度振蕩周期，分別為3～4、6～8和12～18年，但又有所差異。除冀東平原區(qū)年平均降水量以8～12年中尺度周期變化最為明顯外，冀北高原區(qū)和燕山丘陵區(qū)年平均降水量以準(zhǔn)20年大尺度周期為主，山前平原區(qū)年平均降水量以12～18年大尺度周期為主，太行山區(qū)以準(zhǔn)30年大尺度周期為主，說明除冀東平原區(qū)外其他4個(gè)氣候區(qū)降水量變化以年代際周期為主，降水相對(duì)比較穩(wěn)定。對(duì)于全區(qū)12～18年的特征時(shí)間尺度在整個(gè)研究時(shí)域上始終存在，且進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后在特征尺度上有所增大，在整個(gè)研究時(shí)段大致存在3個(gè)降水偏少期和4個(gè)降水豐沛期;6～8年周期在1980—2010年比較顯著，其他時(shí)期則不太明顯;3～4年特征尺度上，在20世紀(jì)70年代中期之前，周期振蕩較明顯，在1990—2010年周期振蕩有所減弱，其余時(shí)段則不明顯。

京津冀分區(qū)和全區(qū)春季降水量也存在3個(gè)特征時(shí)間尺度，分別為準(zhǔn)3年、6年和23年（圖8b），夏季降水量變化周期為3～4、6～8和12～18年，秋季降水量變化周期分別為準(zhǔn)4年、8年和14年（圖8d），冬季分別為2～3年 、8～10年和準(zhǔn)25年等3個(gè)特征時(shí)間尺度（圖8e）。

2.3夏季降水減少明顯的成因分析

郝立生[16]從北半球和區(qū)域環(huán)流變化及造成降水的主要要素風(fēng)、濕度、水汽輸送、上升運(yùn)動(dòng)等的變化詳細(xì)分析了華北地區(qū)夏季降水減少的原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，500 hPa高度場環(huán)流由突變前的經(jīng)向環(huán)流突出轉(zhuǎn)變?yōu)榫曄颦h(huán)流突出，貝加爾湖高空槽活動(dòng)減少，使得華北上升運(yùn)動(dòng)過程減少;蒙古地區(qū)高空出現(xiàn)降溫，一方面造成對(duì)流層中上層位勢高度降低，導(dǎo)致高空急流位置南移，引起東亞夏季風(fēng)減弱，使得水汽很難越過長江到達(dá)華北;另一方面降溫還造成對(duì)流層底層氣壓升高，使得地面低壓天氣過程減少。這幾個(gè)方面共同影響，結(jié)果造成華北夏季降水出現(xiàn)減少趨勢。許多研究結(jié)果也表明，東亞夏季風(fēng)減弱與華北地區(qū)夏季降水減少有密切的聯(lián)系[17-19]，而京津冀區(qū)域位于華北地區(qū)東部，以上環(huán)流的變化勢必影響京津冀區(qū)域夏季降水呈減少趨勢。為了定量描述東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化，將850 hPa層區(qū)域平均（110°～120°E，25°～45°N）的南風(fēng)風(fēng)速定義為東亞夏季風(fēng)指數(shù)[18]，將多個(gè)降水偏多年和偏少年夏季的850 hPa平均風(fēng)場進(jìn)行對(duì)比（圖9），可以看出，降水偏多年，京津冀區(qū)域風(fēng)向多為偏南風(fēng)且風(fēng)力較強(qiáng)，夏季風(fēng)表現(xiàn)為高強(qiáng)度，而相比之下偏少年份，東亞地區(qū)中緯度的偏南風(fēng)減弱非常明顯，京津冀區(qū)域偏南風(fēng)較弱，水汽很難輸送到30°N以北地區(qū)，夏季風(fēng)表現(xiàn)很不突出。而京津冀區(qū)域內(nèi)冀東平原氣候區(qū)減少幅度明顯大于其他氣候分區(qū)與京津冀區(qū)域的地形影響有關(guān)，這與向亮等[5]研究的結(jié)論相一致。

3結(jié)論

利用京津冀地區(qū)87個(gè)地面氣象臺(tái)站1960—2015年的逐日降水資料，采用線性回歸、M-K突變分析和小波分析等方法，對(duì)京津冀5個(gè)分區(qū)和京津冀全區(qū)降水變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)果：

（1）京津冀區(qū)域年降水量呈東南向西北方向逐漸遞減，冀東平原區(qū)最多，冀北高原區(qū)最少。

（2）京津冀全區(qū)年平均降水量呈下降趨勢，不顯著，冀東平原區(qū)下降趨勢明顯，冀北高原幾乎沒有變化，減少速率由大到小依次為冀東平原區(qū)、太行山區(qū)、山前平原區(qū)、全區(qū)、燕山丘陵區(qū)、冀北高原區(qū)。

（3）京津冀各分區(qū)及全區(qū)夏季降水量呈明顯減少趨勢，減少幅度由大到小依次為冀東平原區(qū)、太行山區(qū)、全區(qū)、山前平原區(qū)、燕山丘陵區(qū)、冀北高原區(qū)，山前平原區(qū)與燕山丘陵區(qū)幾乎相同;冬季降水量變化趨勢均不明顯，冀北高原和燕山丘陵氣候區(qū)呈弱增加趨勢，其他分氣候區(qū)為弱減少趨勢。

（4）京津冀分區(qū)月降水量平均值及氣候傾向率變化趨勢與全區(qū)變化趨勢基本一致，降水量減少幅度較顯著的月份為7月和8月。

（5）京津冀全區(qū)及各分氣候區(qū)年、季平均降水量主要存在4個(gè)周期變化，但周期尺度大小有所不同，大致分為3～4、6～10、12～18及20年以上。其中，全區(qū)夏季降水量變化周期特征與全區(qū)年降水量周期特征相似，存在3～4、6～8和12～18年等3個(gè)明顯的特征時(shí)間尺度振蕩周期，且12～18年的特征時(shí)間尺度在整個(gè)研究時(shí)域始終存在。

（6）京津冀區(qū)域夏季降水減少趨勢顯著的主要原因是東亞夏季風(fēng)和地形影響。

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