氣候變化和城市化對(duì)青島降水的影響

馬 艷,郭麗娜

(1.山東省青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266003；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

引 言

在全球氣候變化背景下，降水規(guī)律的研究也引起了廣泛關(guān)注[1-5]。盡管近30 a來(lái)全球降水變化的總趨勢(shì)基本為零，但熱帶地區(qū)降水在增加，而北半球中緯度地區(qū)降水在減少[6]。20世紀(jì)初至1950年代北半球陸地季風(fēng)降水呈增加趨勢(shì)，但1950—1980年代呈減小趨勢(shì)，之后又呈增加趨勢(shì)[7]。中國(guó)地區(qū)弱降水頻率總體呈減小趨勢(shì)[8-9]，極端強(qiáng)降水具有明顯的地域性和局地性[10]。中國(guó)大部分地區(qū)年降水量增加的主要原因在于降水強(qiáng)度和強(qiáng)降水頻數(shù)的增加，而低緯度部分地區(qū)年降水量減少是由于降水頻數(shù)沒(méi)有增加[11]。一個(gè)城市的降水分布除了受天氣系統(tǒng)和地形影響之外，與城市化進(jìn)程也密切相關(guān)[12-16]，珠三角城市群總體處于降水低值中心，其核心城市區(qū)域近10 a降雨呈減少趨勢(shì)[17]；對(duì)南京和華南地區(qū)的城市化影響分析表明，城市熱島強(qiáng)度影響區(qū)域越大，降水分布的局地不均勻性也更加明顯[18-19]。城市化進(jìn)程對(duì)一般性降水的城郊差異影響較小，但對(duì)暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害性降水事件的影響明顯加大[20-22]。

在人類(lèi)活動(dòng)和自然因素的影響之下，我國(guó)沿海城市暴雨發(fā)生頻率、日數(shù)和強(qiáng)度都發(fā)生了明顯變化，如南方沿海城市廣州和上海，氣候變暖影響了降雨強(qiáng)度和頻率，城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市極端暴雨的發(fā)生[23]；北方沿海城市中，1951—2010年遼寧沿海城市年降水量線性趨勢(shì)為-12.80 mm·(10 a)-1，年降水量距平波動(dòng)性較大[24]，天津市區(qū)冬季西北風(fēng)盛行時(shí)，下風(fēng)向的降水量明顯增加，雨島特征有所表現(xiàn)[25]。青島處于暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)和北亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡帶，即處于南北氣候過(guò)渡帶，又受海洋影響，是北方重要沿海城市之一，在全球氣候變暖和城市化快速發(fā)展的共同影響下，該地區(qū)氣溫、風(fēng)速以及極端降水發(fā)生頻次和強(qiáng)度也發(fā)生了一系列變化[26-30]。雖然近年來(lái)青島一直處于缺水干旱狀態(tài)，但城市內(nèi)澇又頻發(fā)。2012年9月21日青島市黃島區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，小時(shí)降水量93.1 mm，城區(qū)多處嚴(yán)重積水，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。本文基于青島市7個(gè)自動(dòng)氣象站降水量、不同量級(jí)降水日數(shù)的觀測(cè)資料，分析青島降水的氣候變化規(guī)律，揭示其對(duì)全球變暖和青島城市化進(jìn)程的響應(yīng)，以期為今后應(yīng)對(duì)北方沿海城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，修訂區(qū)域防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案等提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

青島市轄管7個(gè)市轄區(qū)(市南、市北、李滄、嶗山、黃島、城陽(yáng)、即墨)，代管3個(gè)縣級(jí)市(膠州、平度、萊西)，自西北到東南方向，海洋性氣候特點(diǎn)愈加明顯。改革開(kāi)放初期青島城市發(fā)展主要集中在東海岸的老城區(qū)(市南和市北區(qū))和黃島地區(qū)，1992年青島市東部大開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)城市中心東移，2001年建設(shè)西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)，青島經(jīng)濟(jì)重心西移，城鎮(zhèn)范圍逐步擴(kuò)大。

2 資料和方法

首先以1961—2018年青島市7個(gè)國(guó)家基本氣象站(青島、嶗山、膠南、即墨、膠州、平度和萊西站)年、月降水量及不同量級(jí)(小雨、中雨、大雨和暴雨)降水日數(shù)為基礎(chǔ)，采用趨勢(shì)分析等方法分析在全球氣候背景下以及不同城市發(fā)展階段情形下，青島市近58 a來(lái)降水量和降雨日數(shù)的時(shí)間和空間差異性。其中氣候平均態(tài)為1981—2010年，小雨、中雨、大雨、暴雨的劃分為24 h降水量分別在0.1～9.9 mm、10.0～24.9 mm、25.0～49.9 mm、50.0～99.9 mm之間。

其次，基于1981—2018年青島7個(gè)國(guó)家基本氣象站的1 h年最大降水量，分析短歷時(shí)降水的時(shí)空分布特征，以期反映極端降水事件的變化規(guī)律。其中，逐年1 h年最大降水量從降水自記紙或逐分鐘降水量數(shù)據(jù)文件中，采用逐分鐘滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)法挑取，不受日、月界的限制(但不跨年挑取)。其中，青島站是市南區(qū)的代表站，能夠反映青島城市主城區(qū)的氣候變化特點(diǎn)，膠南站是黃島區(qū)的代表站，嶗山站則是李滄區(qū)的代表站。表1列出青島7個(gè)國(guó)家基本氣象站的歷史沿革，也反映出2018年各區(qū)市常住人口規(guī)模存在明顯差異。

以青島站和嶗山站為城市代表站，膠南、即墨、膠州、平度和萊西站為郊區(qū)代表站，考察城市化對(duì)城市站周邊降水量和降水日數(shù)的影響，其中城市化貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法如下：

(1)

式中：Eu為城市化貢獻(xiàn)率，反映城市化影響在城市附近臺(tái)站降水量和不同量級(jí)降水日數(shù)趨勢(shì)變化中所占的比率；Pu和Pr分別為城市站和郊區(qū)站降水量和降水日數(shù)的變化趨勢(shì)系數(shù)，其差值反映城市化影響。若Pu和Pr的差值大于0表示城市化使之增大或增多，城市化對(duì)所考慮的氣象要素造成增加貢獻(xiàn)，若為負(fù)值則表明城市化對(duì)它們起到減弱貢獻(xiàn)。

表1 青島7個(gè)國(guó)家基本氣象站歷史沿革信息Tab.1 The historical evolution information of seven national basic weather stations in Qingdao

3 結(jié)果與分析

3.1 全球變暖背景下青島市降水特征

圖1為1961—2018年青島市年降水量距平年際變化序列?？梢钥闯?，青島市年降水量存在年際波動(dòng)，年降水量整體呈減小趨勢(shì)，氣候傾向率為-18.47 mm·(10 a)-1。1961—2018年，青島市平均降水量689.4 mm，較氣候平均態(tài)(664.1 mm)偏多25.3 mm(圖略)。其中1961—1980年，青島市年平均降水量753.2 mm，遠(yuǎn)大于氣候平均態(tài)，但1961—1980年降水量卻呈減小趨勢(shì)，氣候傾向率為-86.46 mm·(10 a)-1；1981—2010年青島市年降水量呈增加趨勢(shì)，增加速率為77.93 mm·(10 a)-1；2011—2018年降水量較氣候平均態(tài)偏少39.5 mm，但總體上呈現(xiàn)弱增加趨勢(shì)，增加速率為2.71 mm·(10 a)-1。

1961—2018年青島市年平均降雨日數(shù)為77.5 d，其中小雨日數(shù)58.9 d、中雨日數(shù)11.3 d、大雨日數(shù)5.3 d、暴雨日數(shù)2.0 d。不同量級(jí)的降水日數(shù)呈減少趨勢(shì)，減少速率隨著降雨量級(jí)的增大而減小，其中小雨和暴雨日數(shù)的氣候傾向率分別為-1.73、-0.13 d·(10 a)-1(圖2)。1981年以來(lái)，青島市小雨日數(shù)呈減少趨勢(shì)，而中雨、大雨和暴雨日數(shù)均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中小雨、中雨、大雨和暴雨日數(shù)的線性變化趨勢(shì)分別為-1.04、0.43、0.32、0.08 d·(10 a)-1。說(shuō)明青島市降水量的增加主要由中雨和大雨日數(shù)的增加引起。

圖1 1961—2018年青島市年降水量距平年際變化Fig.1 The variation of annual precipitation anomaly during 1961-2018 in Qingdao

表2列出1961—2018年青島不同年代不同降水量級(jí)的降水日數(shù)變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯?960年代以來(lái)，小雨日數(shù)減少速率有逐漸增大趨勢(shì)，至1990年代，小雨日數(shù)減少速率達(dá)最大，為-0.84 d·a-1，之后減少速率有減緩趨勢(shì)。中雨日數(shù)有明顯的年代際波動(dòng)：1960、1980、2000年代中雨日數(shù)呈增加趨勢(shì)，1970、1990、2010年代則表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。1960—2010年代，青島市大雨日數(shù)均呈增加趨勢(shì)，其中1980年代增加速率最大，為0.31 d·a-1，其中1990年代增加速率最小，為0.03 d·a-1。1960、1970、2010年代暴雨日數(shù)呈減少趨勢(shì)，其中1970年代減小趨勢(shì)明顯，為-0.13 d·a-1；1980、1990、2000年代暴雨日數(shù)則呈增加趨勢(shì)，其中1980年代增加趨勢(shì)明顯，增加速率0.14 d·a-1。

圖2 1961—2018年青島市不同量級(jí)降水日數(shù)距平年際變化Fig.2 The annual variation of anomaly of different level precipitation days during 1961-2018 in Qingdao

表2 1961—2018年青島不同年不同量級(jí)降水日數(shù)變化趨勢(shì)Tab.2 The linear tendency of different level precipitation days in different decades during 1961-2018 in Qingdao 單位：d·a-1

3.2 城市化效應(yīng)下青島降水特征

1961—2018年年平均降水量南部沿海地區(qū)(市南、嶗山、黃島)為719.6 mm，中部地區(qū)(膠州、即墨)為682.2 mm，北部?jī)?nèi)陸地區(qū)(平度、萊西)為651.0 mm(圖略)。1961—2018年6—8月青島市降水量的大值區(qū)主要集中在即墨和黃島東南沿海一帶，主城區(qū)(市南區(qū)、市北區(qū))降水量卻是一個(gè)相對(duì)的低值范圍(圖3)。6—8月青島降雨的影響系統(tǒng)主要有低槽冷鋒、溫帶氣旋、低渦切變線以及臺(tái)風(fēng)等。受低槽冷鋒、低渦切變線等北方天氣系統(tǒng)影響，大部分降水過(guò)程是降水系統(tǒng)自西北向東南方向移動(dòng)影響青島地區(qū)，近地面層主導(dǎo)風(fēng)向通常為南風(fēng)或西南風(fēng)。因此在這類(lèi)天氣系統(tǒng)過(guò)程中，相對(duì)于主城區(qū)而言，其東北方向的即墨位于主城區(qū)的下風(fēng)向。而對(duì)于南方系統(tǒng)(江淮氣旋、臺(tái)風(fēng)等)，降水過(guò)程通常自西南向東北方向移動(dòng)影響青島地區(qū)，近地面層主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)或東北風(fēng)。因此在這類(lèi)天氣系統(tǒng)過(guò)程中，黃島處于市區(qū)的下風(fēng)向。即墨和黃島較大的降水量反映了明顯的城市化效應(yīng)。因此，在考慮天氣系統(tǒng)和地形的影響之外，城市中心下風(fēng)向也是預(yù)報(bào)降水落區(qū)和強(qiáng)度的關(guān)注點(diǎn)之一。

圖3 1961—2018年青島市6—8月降水量空間分布(單位：mm)Fig.3 The distribution of precipitation from June to August during 1961-2018 in Qingdao (Unit: mm)

城市熱島效應(yīng)是城市化的典型特征，城市化可造成降水量的增加或減少[31-33]，在城市的上風(fēng)和下風(fēng)方向月均和季均降水量以及降水天氣現(xiàn)象的發(fā)生頻率明顯高于周?chē)R近地區(qū)，這種降水分布異常在夏季最顯著，且表現(xiàn)出隨著城市化進(jìn)程加快而增強(qiáng)的趨勢(shì)[34-35]。圖4為2017、2018年9月NOAA19衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的青島熱島強(qiáng)度指數(shù)和自動(dòng)氣象站的降水量空間分布?？梢钥闯?，在城區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心區(qū)都相應(yīng)存在熱島強(qiáng)度的高值區(qū)，2018年主城區(qū)的熱島強(qiáng)度明顯強(qiáng)于2017年，2018年9月降水量也明顯大于2017年，但在熱島強(qiáng)度的高值區(qū)并沒(méi)有降水量的大值區(qū)與之對(duì)應(yīng)，而是出現(xiàn)在熱島強(qiáng)度大值區(qū)周邊30 km左右。SHEPHERD等[36]對(duì)美國(guó)2座城市的分析也發(fā)現(xiàn)最大降水量發(fā)生在城市中心邊緣平均39 km處或者離城市中心64 km的區(qū)域。

分析青島各站點(diǎn)1961—2018年降水量和不同量級(jí)降水日數(shù)的年際變化(圖略)，發(fā)現(xiàn)大部分站點(diǎn)年降水量都呈減少趨勢(shì)，但減少速率有所差異，其中嶗山站、萊西站年降水量氣候傾向率分別為-35.69、-0.79 mm·(10 a)-1，即嶗山站減少趨勢(shì)明顯強(qiáng)于萊西站。嶗山站1980年由位于郊外的李村鎮(zhèn)遷址到李滄區(qū)青峰路，現(xiàn)為大面積城市建成區(qū)所包圍，萊西站也已不是完全意義上的郊區(qū)站。從青島市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)公報(bào)(http://qdtj.qingdao.gov.cn/)看出2018年李滄區(qū)和萊西市常駐人口比2008年同比增長(zhǎng)93.0%和4.2%。說(shuō)明城市化進(jìn)程使嶗山年降水量顯著減少。對(duì)于其他區(qū)市而言，2018年常駐人口比2008年同比增長(zhǎng)率在0.6%～36.6%之間，其中平度市最小為0.6%，黃島區(qū)最大為36.6%。青島站、平度站、即墨站、膠南站、膠州站年降水量線性趨勢(shì)分別為-25.00、-18.30、-18.20、-10.60、-9.80mm·(10a)-1，說(shuō)明市南區(qū)和李滄區(qū)年降水量減小較大，中北部地區(qū)相對(duì)較小。降水量的變化，不僅受全球氣候變化大環(huán)境的影響，而且局地地形地貌、環(huán)流特征、城市熱島等也是其影響因素。1981—2018年青島各站點(diǎn)年降水量變化呈增加趨勢(shì)，其中膠南站增加趨勢(shì)最大，為43.70 mm·(10 a)-1，即墨站增加趨勢(shì)最小，為8.90 mm·(10 a)-1。城市化進(jìn)程對(duì)不同量級(jí)降水日數(shù)的影響，除了萊西站中雨和大雨日數(shù)分別為0.18、0.21 d·(10 a)-1的弱增加趨勢(shì)外，其他各站小雨、中雨、大雨、暴雨日數(shù)基本都呈減少趨勢(shì)，且南部的減少趨勢(shì)大于北部和中部地區(qū)；各站小雨、中雨、大雨、暴雨日數(shù)減少的速率隨著降雨量級(jí)的增大而減小，即小雨日數(shù)的減小速率最大，暴雨日數(shù)最小。

圖4 NOAA19衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)青島熱島強(qiáng)度指數(shù)(a、c)以及相應(yīng)年9月降水量分布(b、d，單位：mm),(a)2017年9月12日,(b)2017年9月，(c)2018年9月6日，(d)2018年9月Fig.4 Distribution of urban heat island index (a, c) monitored by NOAA19 and precipitation in September (b, d, Unit: mm) in Qingdao(a) 12 September 2017, (b) September 2017, (c) 6 September 2018, (d) September 2018

1961—2018年青島城市站年平均降水量為696.4 mm，郊區(qū)站為686.6 mm，城郊差異不大。圖5為1961—2018年青島城市和郊區(qū)站年降水量距平變化?？梢钥闯觯墙冀邓烤蕼p少趨勢(shì)，且城市站減少幅度大于郊區(qū)站，其氣候傾向率分別為-30.36、-13.67 mm·(10 a)-1，城市化使降水量減少。另外，1961—1980年城市和郊區(qū)降水量均為明顯減小趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為-123.3、-71.45 mm·(10 a)-1，城市化貢獻(xiàn)率達(dá)-42.0%；1981—2018年城市站和郊區(qū)站的降水量表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，增加速率分別為35.72、24.68 mm·(10 a)-1，城市化對(duì)年降水量造成增加貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)率為30.9%。1961—2018年青島市城郊降水量減小趨勢(shì)的貢獻(xiàn)主要是1961—1980年降水量的變化。

1961—2018年不同量級(jí)降水日數(shù)，基本上表現(xiàn)為城市小雨和中雨日數(shù)多于郊區(qū)，郊區(qū)大雨和暴雨日數(shù)多于城市。表3列出1961—2018年青島城郊年降水量和不同量級(jí)降水日數(shù)的變化率、城市化的影響?？梢钥闯?，1961—1980年不同量級(jí)降水日數(shù)在城市站和郊區(qū)站均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中城市小雨、中雨和大雨日數(shù)的減少速率大于郊區(qū)。1981年以后，所有站點(diǎn)中雨和大雨日數(shù)都表現(xiàn)為增多趨勢(shì)，其中城市站中雨日數(shù)增加速率為0.26 d·(10 a)-1，郊區(qū)站為0.49 d·(10 a)-1，城市化對(duì)中雨日數(shù)為減少貢獻(xiàn)。城市和郊區(qū)站的小雨日數(shù)都呈減少趨勢(shì)，城市站的暴雨日數(shù)呈增加趨勢(shì)，而郊區(qū)站的暴雨日數(shù)則呈減少趨勢(shì)，即城市化影響使得暴雨日數(shù)增加。

1 h的降水強(qiáng)度對(duì)于洪澇災(zāi)害預(yù)警和城市內(nèi)澇應(yīng)對(duì)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。青島市年平均1 h降水量在膠南和即墨站較大，分別為49.8、45.2 mm，青島和嶗山站較小，分別為38.6、38.9 mm，與青島市6—8月降水量空間分布大致相同(圖3)。青島大部分區(qū)域不易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水[37]，張凱靜等[29]也分析指出青島市大于30 mm的小時(shí)降水量在即墨和黃島出現(xiàn)最多。1981—2017年全市1 h年最大降水量表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，增加速率為0.50 mm·(10 a)-1，但1990—2017年全市1 h年最大降水量卻呈減小趨勢(shì)[-1.09 mm·(10 a)-1](圖略)。山東魯中地區(qū)1999—2015年1 h年最大降水量也呈減少趨勢(shì)[38]。

圖5 1961—2018年(a)、1961—1980年(b)、1981—2018年(c)青島城市和郊區(qū)站年降水量距平年際變化Fig.5 The variation of annual precipitation anomaly during 1961-2018 (a), 1961-1980 (b), 1981-2018 (c) at urban and suburb sites of Qingdao

表3 1961—2018年青島城郊年降水量和不同量級(jí)降水日數(shù)的變化趨勢(shì)和城市化影響Tab.3 The linear tendency and influence of urbanization on annual precipitation and different level precipitation days at urban and suburb sites of Qingdao during 1961-2018

青島市不同站點(diǎn)1 h年最大降水量變化趨勢(shì)也有差異(圖6)，其中青島站和嶗山站表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，增加率分別為4.37、3.65 mm·(10 a)-1。1981—2017年膠南站1 h年最大降水量呈弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，1990—2017年則為弱減小趨勢(shì)。1980—2017年、1990—2017年即墨、膠州和平度站1 h年最大降水量均為減小趨勢(shì)，1990—2017年3站變化趨勢(shì)分別為-7.32、-3.52 和-2.19 mm·(10 a)-1。1980、1990、2000年代，青島站小時(shí)降水強(qiáng)度分別約為31、40、43 mm·h-1。城市化使青島市小時(shí)降水量的城郊差異較明顯，城區(qū)1 h年最大降水量呈增大趨勢(shì)，易形成洪澇災(zāi)害，郊區(qū)則表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。另外，青島城區(qū)短歷時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率和強(qiáng)度增加明顯，上海和廣州小時(shí)降水量也是呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)[23]。

圖6 1981—2017年青島市1 h年最大降水量年際變化Fig.6 The annual variation of yearly 1-hour maximum precipitation during 1981-2017 in Qingdao

4 結(jié) 論

(1)1961—2018年青島市年降水量呈波動(dòng)變化，但整體上呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，氣候傾向率為-18.47 mm·(10 a)-1；1981—2018年青島市年降水量則表現(xiàn)為增大趨勢(shì)[2.71 mm·(10 a)-1]。

(2)1961—2018年青島市不同量級(jí)的降水日數(shù)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，減少速率隨著降水量級(jí)的增大而減小，其中城市站減少速率大于郊區(qū)站。1981年以來(lái)，青島市小雨日數(shù)減少，中雨和大雨日數(shù)增加；中雨和大雨日數(shù)在城市和郊區(qū)都表現(xiàn)為增多趨勢(shì)，而暴雨在城區(qū)比郊區(qū)更容易出現(xiàn)；青島市降水量的增加主要由中雨和大雨日數(shù)增加造成。

(3)1961—2018年青島城市和郊區(qū)年降水量均呈現(xiàn)為減少趨勢(shì)，且城市減少幅度大于郊區(qū)，城市化對(duì)年降水量造成增加貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)率為30.9%；6—8月青島市降水量的大值區(qū)主要集中在主城區(qū)下風(fēng)方，市區(qū)則是降水量相對(duì)低值區(qū)。

(4)1981—2018年全市1 h年最大降水量表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，增加速率為0.93 mm·(10 a)-1；城郊差異明顯，城區(qū)1 h年最大降水量表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，易形成洪澇災(zāi)害，郊區(qū)則表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。