1980- 2017 年京津冀暴雨時空格局變化

屈卓然

（北京師范大學(xué)，北京 100875）

1 概述

在全球變暖和快速城市化的背景下，區(qū)域的水循環(huán)發(fā)生演變，對不同地區(qū)的降水格局產(chǎn)生了不同程度的影響[1,2]?？卒h等分析了1961-2015 年中國暴雨的時空變化特征，結(jié)果表明從東南沿海向西北內(nèi)陸中國暴雨雨量和雨日呈明顯的“增-減-增”空間分布格局,且呈增長趨勢的站點(diǎn)居多[3]。翟盤茂等研究指出華北地區(qū)雖然極端降水事件頻數(shù)明顯減少, 但極端降水量所占比例仍有所增加[4]。史培軍等采用多種統(tǒng)計(jì)方法得出，快速城鎮(zhèn)化因素極有可能是1951～2010 年中國年代際累積暴雨不斷增加的主因[5]。

京津冀地區(qū)被譽(yù)為我國的首都經(jīng)濟(jì)圈。該地區(qū)人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)地位。但該地區(qū)暴雨、洪澇災(zāi)害頻繁。近幾十年曾多次發(fā)生重大暴雨事件，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[7]。因而探討該地區(qū)的降水特征，尤其是暴雨的時空格局演變具有十分重要的意義。但現(xiàn)有研究大多針對全國尺度[3-5]，很少對京津冀地區(qū)開展針對性、專門性的暴雨演變分析。

本文基于京津冀地區(qū)25 個氣象站的日降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)、可視化等方法，探究1980-2017 年京津冀地區(qū)暴雨時空格局演變。本研究可以豐富相關(guān)理論成果，為京津冀地區(qū)暴雨災(zāi)害的預(yù)防和管理工作提供參考，為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供借鑒，有利于保障區(qū)域安全、穩(wěn)定的發(fā)展環(huán)境，因而具有重要的理論和實(shí)踐意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于我國華北北部，包括北京市、天津市、河北省（圖1），是我國的“首都經(jīng)濟(jì)圈”，具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)地位。全區(qū)地勢西北高、東南低，屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，夏季降水集中。

圖1 研究區(qū)概況

復(fù)雜多樣的地貌，降水集中的特征，加上快速的城市化進(jìn)程，使得該地區(qū)暴雨、洪澇災(zāi)害頻發(fā)，曾多次造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）中1980-2017 年京津冀地區(qū)25 個氣象站點(diǎn)的逐日降水量。該數(shù)據(jù)集經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)質(zhì)量及完整性較好。

根據(jù)標(biāo)注的質(zhì)量控制碼，篩選出缺測數(shù)據(jù)，用反距離權(quán)重法進(jìn)行插值補(bǔ)全。再處理降水量特征值：微量降水（特征值為32700）計(jì)為0mm；霧露霜雪等形式的降水（特征值為30XXX、32XXX）不計(jì)入。

2.3 研究方法

本文采用中國氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，取24 h 降水總量超過50 mm 作為暴雨閾值。首先計(jì)算各站點(diǎn)的年暴雨日數(shù)（D）和年暴雨累積量（M）。

其中，i 為年份，j 為暴雨日序號，ni表示第i 年的暴雨日數(shù)，pij表示第t 年的第j 個暴雨日的降水量，滿足pij>5mm。

采用Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)對各站點(diǎn)1980-2017 年年暴雨日數(shù)和年暴雨累積量的時間序列分別作分析，以檢驗(yàn)該時間段內(nèi)，各站點(diǎn)的年暴雨日數(shù)和年暴雨累積量的時間演變趨勢。Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)趨勢顯著性檢驗(yàn)方法[8]。需首先對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行去除自相關(guān)處理。

式中：x'i為原數(shù)據(jù)序列第i 項(xiàng)的值；E（x'）為原序列的均值；r1為數(shù)據(jù)自相關(guān)系數(shù)。

去除自相關(guān)后的序列為x'1，x'2-r1x'1，x'3-r1x'2，...，x'n-r1x'n-1。

式中：n 表示序列長度；xi和xj分別為序列第i 和j 項(xiàng)的值（j>i）。

具有相同S 值的數(shù)據(jù)歸為一組。變量S 的方差計(jì)算如下：

式中，Zs為正值表示序列具有增加趨勢，Zs為負(fù)值表示序列具有減小趨勢。

假設(shè)顯著性水平為α，查相應(yīng)的臨界值表得到Z1-α/2。若|Zs|>Z1-α/2，則序列具有顯著變化趨勢。否則，趨勢不顯著。

為了用可視化方式直觀展現(xiàn)京津冀地區(qū)降水的時空演變，從1980 年開始，每5 年作為一個時間段（最后一個時段不足5年，僅3 年），共計(jì)8 個時段。在每個時段內(nèi)，分別求各站點(diǎn)年暴雨日數(shù)和年暴雨累積量的均值，作為各站點(diǎn)時段內(nèi)的年均暴雨日數(shù)和年均暴雨累積量。分別對各時段站點(diǎn)的年均暴雨日數(shù)和年均暴雨累積量用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值，并用掩膜提取，得到京津冀地區(qū)降水的時空格局演變。

3 結(jié)果與分析

3.1 Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)

對1980-2017 年京津冀25 個站點(diǎn)年暴雨日數(shù)序列做Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)得檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zs1如表1。

表1 25 個站點(diǎn)年暴雨日數(shù)的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

由表1 可知，1980-2017 年，京津冀地區(qū)25 個站點(diǎn)年暴雨日數(shù)并沒有十分一致的變化規(guī)律，有增有減，且大多數(shù)站點(diǎn)年暴雨日數(shù)的變化趨勢不顯著。僅54311 站（圍場站）的年暴雨日數(shù)呈顯著的增加趨勢。

對1980-2017 年京津冀25 個站點(diǎn)年暴雨累積量序列做Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)得檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zs2如表2。

表2 25 個站點(diǎn)年暴雨累積量的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

由表2 可知，1980-2017 年，京津冀地區(qū)25 個站點(diǎn)年暴雨累積量并沒有十分一致的變化規(guī)律，有增有減，且大多數(shù)站點(diǎn)年暴雨累積量的變化趨勢不顯著。僅54606 站（饒陽站）的年暴雨累積量呈顯著的減少趨勢。

3.2 時空格局演變

將1980-2017 年劃分成8 個時間段，在每個時段內(nèi)，分別對站點(diǎn)的年均暴雨日數(shù)進(jìn)行空間插值，得到各時段年均暴雨日數(shù)的分布格局，從而直觀展現(xiàn)1980-2017 年，京津冀地區(qū)年均暴雨日數(shù)的時空演變（圖2）。

圖2 1980-2017 年京津冀年均暴雨日數(shù)的變化

1980-2017 年，京津冀各地年均暴雨日數(shù)存在波動，但總體上呈現(xiàn)西北低、東部高的分布格局。高值區(qū)位于北京至秦皇島一帶，這是由于京津冀地區(qū)的主要水汽來源于偏東風(fēng)與偏南風(fēng)，而該地區(qū)位于迎風(fēng)坡，局部地形利于降水產(chǎn)生。低值區(qū)主要位于河北省西北部的壩上高原地區(qū)。此外，河北圍場一帶年均暴雨日數(shù)有顯著的增加，河北南部邢臺、南宮一帶年均暴雨日數(shù)明顯減少。北京至秦皇島一帶年均暴雨日數(shù)較高，且年際變率較大，在京津冀的暴雨風(fēng)險防范中應(yīng)特別關(guān)注。

在8 個時段內(nèi)，分別對站點(diǎn)的年均暴雨累積量進(jìn)行空間插值，得到各時段年均暴雨累積量的分布格局，從而直觀展現(xiàn)1980-2017 年京津冀地區(qū)年均暴雨累積量的時空演變（圖3）。

圖3 1980-2017 年京津冀年均暴雨累積量的變化

從總體上看，京津冀地區(qū)年均暴雨積累量也呈現(xiàn)出西北低、東部高的空間分布特征，與前文分析一致，地形是導(dǎo)致此種格局的主導(dǎo)因素。1980-2017 年，京津冀各地年均暴雨累積量存在波動，其中河北省南部饒陽至邢臺一帶年均暴雨累積量明顯減少，北京至秦皇島一帶年均暴雨累積量較大，且年際變率較大，在京津冀的暴雨風(fēng)險防范中應(yīng)特別關(guān)注。

此外，中部、東部及南部平原地區(qū)與西北部山區(qū)年暴雨日數(shù)和年暴雨累積量的正向差距隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展呈現(xiàn)出逐漸拉大的趨勢。已有研究表明，城鎮(zhèn)化進(jìn)程伴隨著土地利用的變化，進(jìn)而會造成地表反照率、地氣通量交換、水循環(huán)等發(fā)生變化，對暴雨產(chǎn)生影響[9，10]。但其具體的作用機(jī)制和效果還有待更深入的研究。

4 結(jié)論與討論

本文基于京津冀地區(qū)25 個氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)和可視化方法，探究了1980-2017 年京津冀地區(qū)暴雨時空格局變化。得出以下結(jié)論：（1）受地形影響，京津冀地區(qū)年均暴雨日數(shù)和年均暴雨累積量均呈現(xiàn)出西北少、東部高的分布格局。（2）1980-2017 年，京津冀各地年暴雨日數(shù)和年暴雨累積量均存在波動，并無一致性的變化趨勢，大多數(shù)的變化趨勢是不顯著的。

北京至秦皇島一帶年暴雨日數(shù)、年暴雨累積量都較高，且年際變率較大，在暴雨風(fēng)險防范時應(yīng)特別關(guān)注該區(qū)域。此外，雖然目前大多數(shù)站點(diǎn)的變化趨勢都是不顯著的，但許多站點(diǎn)的變化趨勢已接近顯著的臨界點(diǎn)，仍應(yīng)保持警惕，合理規(guī)劃城市發(fā)展，做好暴雨災(zāi)害的預(yù)測、預(yù)防工作，為京津冀高速發(fā)展提供安全、穩(wěn)定的環(huán)境。