天津市津南地區(qū)近40年氣候變化和極值分布特征研究

孫樹鵬，吳 洋，張 祿，廖云琛，趙 玥

(天津市津南區(qū)氣象局 天津300350)

0 引 言

近百年來地球氣候正在發(fā)生以變暖為主要特征的顯著變化，已有不少學者對全球變暖做了大量研究[1-4]。氣候變暖會使得高溫、暴雨等極端事件出現(xiàn)頻率和強度發(fā)生變化。各種極端事件的頻發(fā)，給人民的生產(chǎn)生活帶來很多不利影響[5-7]。津南地區(qū)地處華北平原東北部，臨近渤海，具有明顯的地方氣候特征。在全球變暖的大背景下，津南地區(qū)氣候也呈現(xiàn)一些新的特征。本文擬通過對津南地區(qū)近 40年的氣候資料進行統(tǒng)計分析，研究該地區(qū)氣溫、降水、日照等變化規(guī)律，更好地服務工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和民眾生活。

鑒于極值重現(xiàn)期問題也是防災減災中非常重要的問題[8]，本文通過對津南地區(qū)近 40年氣候資料的統(tǒng)計擬合，計算了日最高氣溫、日最低氣溫、日最大降水量不同概率的多年一遇數(shù)據(jù)，為氣象防災減災提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

本文研究使用資料為津南國家一般氣象站1980—2019年逐日觀測資料，主要采用的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速和日降水量等數(shù)據(jù)。本文采用皮爾遜型分布方法計算了各要素的極值重現(xiàn)期。

2 近40年氣候變化特征

2.1 各氣候要素年變化特征分析

計算 1980—2019年各氣象要素的逐日 40年平均值，可得日平均氣溫、平均相對濕度、平均風速和日降水量的年變化曲線，如圖1所示。由圖1a可知，津南地區(qū)日平均氣溫在 1月份達到最低，為-5℃左右，在7月份到達最高，為27℃左右，平均氣溫年較差在 30℃以上。日平均相對濕度在春季 4月份最低，為 50%以 下 ，在盛夏 8月份最高，接近 80%(圖 1b)。日降水量的峰值也出現(xiàn)在盛夏(圖 1d)，即津南區(qū)為典型的暖濕同季，雨熱同期。從日平均風速變化曲線來看(圖1c)，一般春季風速較大，在4月份到達峰值，日平均風速超過4m/s，而在盛夏8月份風速為全年的低谷期，最小不足2m/s。

圖1 津南地區(qū)各氣象要素日均值的年變化曲線Fig.1 Annual variation curves of daily mean value of meteorological elements in Jinnan area

2.2 各氣候要素近40年變化特征

計算津南國家一般氣象站近 40年的年平均氣溫、年平均相對濕度、年平均風速和年總降水量，如圖 2所示。由圖 2a可知，津南地區(qū)年平均氣溫在近40年基本呈逐步上升趨勢，平均 10年增加 0.5℃。但在 2010年前后增溫趨勢稍有放緩，之后又恢復上升態(tài)勢，這與全球增暖趨勢較為一致。由圖2b可知，津南地區(qū)年平均相對濕度在近 40年基本呈下降趨勢，平均每10年下降2%。這反映了津南地區(qū)空氣呈現(xiàn)變干燥的趨勢。由圖 2d可知，降水量沒有明顯下降趨勢，僅呈現(xiàn)較大的年際波動變化特征。圖 2c為年平均地面風速變化曲線，近 40年津南地區(qū)平均風速整體呈現(xiàn)下降的趨勢，但也有明顯的年代際變化特征，在 1980年、2000年和 2010年前后都有一個明顯的峰值期。

圖2 津南地區(qū)各氣象要素年均值近40年(1980—2019年)變化曲線Fig.2 Variation curves of annual mean values of meteorological elements in Jinnan area in recent 40 years(1980-2019)

統(tǒng)計津南國家一般氣象站近40年的最高和最低氣溫、日最大降水量和年總?cè)照諘r數(shù)，如圖 3。由圖3a和圖3b可知，津南地區(qū)最高和最低氣溫在近40年均基本呈升高趨勢，尤其最高氣溫在 1995年之后呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢，在2000年出現(xiàn)了近40年中的最高氣溫 41.3℃，在 1985年出現(xiàn)了近 40年中的最低氣溫-21.7℃。由圖 3c可知，津南地區(qū)日最大降水量在近年呈現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢，在2012年出現(xiàn)了255.8mm的極端最大降水量。由圖3d可知，近40年津南地區(qū)年總?cè)照諘r數(shù)在 2005年之前基本呈現(xiàn)下降的趨勢，但在之后又呈現(xiàn)增多趨勢。

圖3 津南地區(qū)各氣象要素年統(tǒng)計值近40年(1980—2019年)變化曲線Fig.3 Variation curves of annual statistical values of meteorological elements in Jinnan area in recent 40 years(1980-2019)

2.3 季節(jié)平均的年代際變化特征

分4個季節(jié)分別統(tǒng)計1980s(1980—1989年，以下類似)、1990s、2000s和 2010s平均值，可得 4個季節(jié)的年代際變化特征分布情況。由圖 4a可知，在春、夏、秋3個季節(jié)氣溫均呈逐年代升高趨勢，2010s在春季比 1980s高近 2℃，冬季平均氣溫在 2010s稍有回落，接近 1990s。由圖 4b可知，在春、夏、秋3個季節(jié)相對濕度在 2000年之后均比之前偏低，其中2010s 4個季節(jié)均明顯低于其他3個年代。平均風速的變化呈現(xiàn)較清晰地一致減弱的年代際變化趨勢，見圖 4c，1980s的 4個季節(jié)平均風速均最大，2010s的 4個季節(jié)平均風速均最低。降水量的變化規(guī)律性并不十分明顯，但可看出 2010s夏季降水量明顯高于其他年代。

圖4 津南地區(qū)各氣象要素季節(jié)均值的年代際變化曲線Fig.4 Interdecadal variation curves of seasonal mean values of meteorological elements in Jinnan area

2.4 極值重現(xiàn)期分析

氣象要素重現(xiàn)期即極端氣象要素值發(fā)生的平均間隔時間，其倒數(shù)即俗稱的二十年一遇、五十年一遇、百年一遇等。雖然極端時間發(fā)生的概率較低，一旦發(fā)生往往造成嚴重的災害，因此科學合理的計算重現(xiàn)期就顯得十分重要。具體計算方法是以某種分布方式來擬合氣象觀測歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)特定概率(多少年一遇)可以得到對應的氣象要素值。本文使用氣象上常用的皮爾遜分布來計算氣象要素重現(xiàn)期，分別得到津南國家一般氣象站最高氣溫、最低氣溫、日最大降水量、極大風速的多少年一遇對應的數(shù)值。由表 1可知，津南區(qū)百年一遇最高氣溫為 43.4℃，最低氣溫為-24.3℃，日最大降水量為 231.5mm，極大風速為28.6m/s。

表1 各要素不同極值重現(xiàn)期對應值(多少年一遇對應要素值)Tab.1 Corresponding values of different extreme return periods of each element

3 結(jié)論與討論

本文對津南區(qū)1980—2019年近40年的氣溫、相對濕度、風速、降水量和日照等氣候要素進行了分析，研究結(jié)果表明：

①從各要素的年變化情況來看，津南地區(qū)為典型的暖濕同季，雨熱同期，最高氣溫和最大降水量均出現(xiàn)在夏季。平均風速一般春季風速較大，秋冬季次之，盛夏最小。

②近 40年津南地區(qū)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈明顯的上升趨勢，年平均氣溫每 10年增加約0.5℃，在2010年前后增溫趨勢稍有放緩，之后又恢復上升態(tài)勢。平均相對濕度在近 40年基本呈下降趨勢，平均每10年下降2%。平均風速整體呈現(xiàn)下降趨勢。年總?cè)照諘r數(shù)在 2005年之前基本呈現(xiàn)下降的趨勢，但在之后又呈現(xiàn)增多趨勢。

③從年代際變化角度分析，在春、夏、秋 3個季節(jié)氣溫均呈逐年代升高趨勢，2010s在春季比 1980s偏高近 2℃。相對濕度在 2000年之后均比之前明顯偏低，其中 2010s 4個季節(jié)均明顯低于其他 3個年代。平均風速的變化呈現(xiàn)較清晰的一致減弱年代際變化趨勢。降水量的年代際變化規(guī)律性并不十分明顯，但2010s夏季降水量明顯高于其他年代。

④根據(jù)皮爾遜分布計算了津南國家一般氣象站最高氣溫、最低氣溫、日降水量和極大風速的不同重現(xiàn)期對應的極值。其中百年一遇最高氣溫為 43.4℃，最低氣溫為-24.3℃，日最大降水量為 231.5mm，極大風速為28.6m/s。