近40 a我國主要城市群降水過程時空分布特征

王莉萍，王鑄，馬杰，王維國，孫賀，司麗麗

(1.國家氣象中心，北京 100081；2.河北省氣象災害防御中心，石家莊 050011)

引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的1999—2019年《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》及住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《城市建設統(tǒng)計公報》和《城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》，改革開放以來，我國城市化發(fā)展進程不斷推進，2019年我國的城鎮(zhèn)化率(60.60%)是1999年(30.89%)的近2倍，城區(qū)建成面積為1999年的2.5倍多。下墊面急劇演替、人口和產業(yè)聚集將導致大氣熱力、動力條件、成分及水利滲透性質等的顯著變化，進而對降水等氣象水文要素產生復雜影響(胡慶芳等，2018)。

大量研究表明城市化對降水有重要影響。Huff和Changnon(1972)發(fā)現(xiàn)城市化使得美國圣路易斯城區(qū)上空和城區(qū)下風方向降水量增加，美國大城市氣象觀測試驗(METROMEX計劃)證實城市化使夏季城區(qū)及下風方向50～75 km處降水增強，并且隨著城區(qū)面積的增大，降水增強效應明顯(Changnon，1979)。Shep?herd等(2002)基于TRMM衛(wèi)星降水資料的研究表明美國Atlanta等10個分散的大城市的城市化使降水有不同程度的增加，城區(qū)和下風區(qū)月降水量較上風區(qū)分別增加5.6%、28%，并發(fā)現(xiàn)城市下風區(qū)大雨發(fā)生概率大增。Hand和Shepherd(2009)采用TRMM和地面雨量資料也檢測出Oklahoma城市化對暖季降雨具有下風向增強效應。同樣的，Niyogi等(2011)數(shù)值模擬結果顯示若無城市存在，Indianapolis城市下風區(qū)雨量將顯著減少。Jauregui和Romales(1996)發(fā)現(xiàn)墨西哥城城市擴張使5—10月降水量比郊區(qū)高出12%～13%，同時增加了強度超過20 mm·h-1的降水事件頻率。Hughes(2006)認為城市化使大城市地區(qū)夏季降水有所增加。Shem和Shepherd(2009)利用WRF模式模擬了城市對對流降水的影響，結果表明城市對對流降水有顯著的增強作用。Kishtawal等(2010)發(fā)現(xiàn)在雨季印度城市化區(qū)域較鄉(xiāng)村小雨發(fā)生頻率顯著降低，而強降雨頻率顯著上升。Kug和Ahn(2013)對韓國40個城市1975—2005年的氣象站點降雨量進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)城市化對夏季城市的降雨量的影響最為明顯，但對其他季節(jié)的影響不大。

隨著中國城市的快速擴張，城市化對降水影響日益成為熱點。諸多研究利用城區(qū)與郊區(qū)雨量站降水指標的演變特征進行對比分析(李娜等，2006；Wang et al.，2009；丁瑾佳等，2010；彭莉莉和羅伯良，2015)，主要結論是城市化使城區(qū)及下風區(qū)雨季降水有較明顯增加(白瑩瑩等，2013)，使強降水事件發(fā)生頻率增加(鄭玉萍等，2011)，使降水在時間分布上更為集中(趙彩萍等，2019)，降水分布發(fā)生變化(梁萍等，2011；丁凱熙等，2019)等。中國城市的密度較大，城市化的過程中必然形成多個城市組成的城市群，長江三角洲的城市群在擴張過程中，城市中心夏季的降水強度較周圍增加了5%～15%(江志紅和唐振飛，2011；吳風波等，2015)，夏季降水日數(shù)減少，日降水強度增強(敖翔宇，2012)。珠江三角洲城市群的城市化對對流雨的影響較大，使城市區(qū)域的降雨量增加(黎偉標等，2009)，暴雨天氣增多(蒙偉光等，2007)。江志紅和李楊(2014)研究發(fā)現(xiàn)長江三角洲、珠江三角洲及京津唐三大城市群在城市化發(fā)展不同階段對降水影響存在差異，而城市化發(fā)展快速期，城市化發(fā)展都使降水增加。

城市化對降水的影響不僅在城區(qū)，還包括其毗鄰區(qū)域。城市范圍的擴大和城市數(shù)目的增多，構成了龐大的城市化區(qū)域。2018年中共中央、國務院發(fā)布的《中共中央國務院關于建立更加有效的區(qū)域協(xié)調發(fā)展新機制的意見》指出以京津冀城市群、長三角城市群、粵港澳大灣區(qū)、成渝城市群、長江中游城市群、中原城市群、關中平原城市群等城市群推動國家重大區(qū)域戰(zhàn)略融合發(fā)展。但隨著城市的不斷擴大，城區(qū)內澇直至“城市看海”的情景日益加劇，2021年河南鄭州“7.20”、2019年武漢“6.21”、2016年京津冀“7.18”、2012年北京“7.21”、2008年深圳“6.13”和上?！?.25”等特大暴雨或極端暴雨都造成了大范圍的區(qū)域性災害。降水過程是區(qū)域產匯流的關鍵要素，也是區(qū)域洪澇預警預報的關鍵指標，是災害防御的重點方向(陳秀洪等，2017)，但目前從降水過程的角度開展城市化對不同區(qū)域影響的研究還較少，對其發(fā)展演變特征也缺乏深入認識。

基于對京津冀、長三角、珠三角、成渝、長江中游、中原、關中平原等七個城市群的重大區(qū)域發(fā)展范圍規(guī)劃，結合氣候背景差異、氣象防災減災的需求以及預報服務的現(xiàn)狀，本文擬采用小時分辨率降水過程辨識方法，提取并定量計算降水過程強度，分析七個城市群在城市化發(fā)展不同階段降水過程頻次、持續(xù)時間和強度的年變化、月變化特征，揭示七個城市群降水過程的時空分布規(guī)律，以期為未來城市群建設的發(fā)展規(guī)劃、災害防御提供科學依據(jù)和決策參考。

1 資料簡介及城市群規(guī)劃

使用國家氣象信息中心經(jīng)過質量控制整編的1980—2019年國家氣象觀測站逐小時降水資料和水平分辨率2.5°×2.5°的NCEP/NCAR再分析資料。圖1給出七個城市群的規(guī)劃區(qū)域，選擇各區(qū)域內具有連續(xù)長時間觀測序列的國家氣象觀測站作為代表站研究區(qū)域降水過程的變化特征，其中京津冀城市群89個、長三角城市群233個、珠三角城市群29個、成渝城市群115個、長江中游城市群153個、中原城市群219個、關中平原城市群86個，共924個國家氣象觀測站。

圖1 七個城市群的規(guī)劃區(qū)域Fig.1 The planning area of seven city clusters.

2 研究方法

2.1 城市化階段劃分

1975年美國地理學家Ray M.Northam提出城市發(fā)展分為起步發(fā)展、加速發(fā)展、成熟穩(wěn)定發(fā)展三個階段，城市化發(fā)展軌跡可概括為稍被拉平的“S”曲線(廖鴻志和鄭春敏，2003)。但由于城市化發(fā)展的不均衡性和指標劃分的差異性，我國城市化發(fā)展階段的劃分方法多樣，方創(chuàng)琳等(2008)提出城市發(fā)展四階段理論，即城市化初期階段(城市化水平在1%～30%之間)、城市化中期階段(城市化水平在30%～60%之間)、城市化后期階段(城市化水平在60%～80%之間)、城市化終期階段(城市化水平在80%～100%之間)；基于城市發(fā)展四階段理論，許婧雪和曹銀貴(2016年)對三峽庫區(qū)各區(qū)縣2005—2014年城市化發(fā)展階段進行劃分。任杲和宋迎昌(2018)分析認為各產業(yè)發(fā)展和戶籍制度改革對中國城市化發(fā)展進程有正向帶動作用,以1994年為界，第一階段(1953—1994年)中國城市化發(fā)展緩慢，第二階段(1995—2016年)發(fā)展則較為迅速。而城市群是城市化中后期發(fā)展的物質空間現(xiàn)象(王雅莉，2017)，徐鵬程和葉振宇(2019年)分析了城市群發(fā)展歷程，即80年代首次提出“城市群”概念，90年代城市群出現(xiàn)，21世紀城市群進入快速發(fā)展階段。本文結合對城市群研究的需要，將我國城市化發(fā)展大體分為城市緩慢發(fā)展期(1980—1999年)和城市快速發(fā)展期(2000—2019年)。

2.2 降水過程定義和辨識方法

為了分析城市發(fā)展不同階段七個城市群降水過程發(fā)生頻次、持續(xù)時間和強度等指標的變化特征，基于小時分辨率降水過程辨識和定量評估方法(王莉萍等，2021)來定義站點降水過程和區(qū)域降水過程。

站點降水過程辨識時同時滿足以下兩個條件：①過程開始定義為1 h降水量達到歷史小時降水量從小到大排序80百分位值，過程結束定義為連續(xù)8 h以上沒有時刻達到80百分位值；②站點日降水量達到歷史日降水量從小到大排序90百分位值。

區(qū)域降水過程辨識方法：過程開始定義為達到錄入閾值的站點數(shù)占評估區(qū)域內站點的10%及以上；過程結束定義為連續(xù)8 h以上達到錄入閾值的站點數(shù)占評估區(qū)域內站點的比例不足10%。

按小時分辨率精細識別降水過程，對降水過程開始和結束的界定及強度的計算更加精準。計算降水過程強度時考慮1 h最大降水量、滑動3 h和6 h最大降水量以及有效降水持續(xù)時間，在降水強度、持續(xù)時間、覆蓋范圍三個指標無量綱指數(shù)化基礎上，計算站點降水過程強度指數(shù)(RSI)和區(qū)域降水過程強度指數(shù)(RPI)

式(1)—(3)中，I為降水強度指數(shù)；T為持續(xù)時間指數(shù)；n為錄入降水過程的站點數(shù)；C為覆蓋范圍指數(shù)，由錄入降水過程站點占評估區(qū)域的比例經(jīng)無量綱化后得出。I1max為1 h最大降水強度指數(shù)；I3max為3 h最大降水強度指數(shù)；I6max為6 h最大降水強度指數(shù)；a、b、c、d為權重系數(shù)，均取值0.25。

為了分析七個城市群降水過程的強度，基于概率密度分布，根據(jù)出現(xiàn)概率約1%、5%、10%、15%、69%將降水過程強度指數(shù)按照800、400、180、80四個節(jié)點劃分為5個指數(shù)范圍，分別表示極端、特強、強、較強、中等五個等級。

3 降水過程頻次特征

降水過程頻次可以直觀反映降水過程的變化，基于區(qū)域降水過程的辨識方法，提取七個城市群1980—2019年降水過程序列，對比研究城市緩慢和快速發(fā)展期降水過程次數(shù)變化(圖2)，城市緩慢發(fā)展期，京津冀城市群出現(xiàn)降水過程463次、長三角城市群815次、珠三角城市群913次、成渝城市群1 070次、長江中游城市群891次、中原城市群492次、關中平原城市群546次，七個城市群降水過程次數(shù)平均值741.2次。城市快速發(fā)展期，京津冀城市群出現(xiàn)降水過程503次、長三角城市群917次、珠三角城市群972次、成渝城市群1 142次、長江中游城市群930次、中原城市群565次、關中平原城市群559次，七個城市群降水過程次數(shù)平均值798.3次?？梢姡鞘锌焖侔l(fā)展期七個城市群降水過程次數(shù)較緩慢發(fā)展期均增多，但增多幅度不均，平均偏多7.7%，中原城市群偏多幅度最多14.8%，關中平原城市群偏多幅度最少2.4%。

圖2 城市緩慢發(fā)展期(1980—1999年)和快速發(fā)展期(2000—2019年)七個城市群降水過程次數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Statistics of precipitation process times in seven urban agglomerations during the slow urban development period(1980-1999)and the fast urban development period(2000-2019).

無論城市化緩慢和快速發(fā)展期，位于北方的京津冀城市群、中原城市群和關中平原城市群降水過程次數(shù)均低于七個城市群平均值，京津冀城市群降水過程次數(shù)最少；其他四個位于南方的城市群降水過程次數(shù)均高于七個城市群平均值，成渝城市群年平均降水過程次數(shù)是京津冀城市群降水過程次數(shù)的2倍多。降水過程發(fā)生頻次的南、北差異極大，與我國的降水南多北少的氣候背景一致，城市化快速發(fā)展期南、北方降水態(tài)勢方面未表現(xiàn)出顯著變化。

眾所周知，城市群降水增多取決于大氣環(huán)流和局地下墊面條件等多種因素?；?980—2019年水平分辨率2.5°×2.5°的NCEP/NCAR再分析風場資料，計算城市快速發(fā)展期與緩慢發(fā)展期925 hPa風矢量差(圖3)，北方城市群為氣旋型環(huán)流控制，南方城市群偏南風增強，均有利于降水增多，其中京津冀、長三角、成渝、關中平原城市群及長江中游城市群南部、中原城市群東部風矢量差通過0.05的顯著性檢驗，可見，低層風場環(huán)流對降水增多總體上有正作用。同時，城市化快速擴張引起的城市熱島、氣溶膠增多、下墊面劇烈變化等多因素也可能導致降水增多。

圖3 城市快速發(fā)展期(2000—2019年)較緩慢發(fā)展期(1980—1999年)925 hPa風矢量差及其顯著性水平超過99.9%的區(qū)域(綠色陰影)Fig.3 Wind vector difference of 925 hPa in urban rapid development period(2000-2019)and slow development period(1980-1999),and areas with a significance level greater than 99.9%(green shaded).

3.1 降水過程次數(shù)年分布特征

基于提取的七個城市群1980—2019年降水過程序列分析逐年次數(shù)演變，發(fā)現(xiàn)長三角、珠三角、成渝、長江中游、中原等城市群降水過程次數(shù)隨著時間有緩慢波動增長趨勢，七個城市群逐年平均的演變趨勢符合回歸趨勢線y=0.152 6x-266.6(x為年份，y為平均降水過程次數(shù)擬合值)，回歸趨勢線通過α=0.05水平的顯著性檢驗，降水過程年平均增率約0.152 6次·a-1。進一步分析城市發(fā)展不同階段的變化趨勢和波動幅度，逐年累計七個城市群降水過程次數(shù)(圖4)，城市緩慢發(fā)展期降水過程累計次數(shù)沿平均值(259.5次)上下波動，總體較近40 a平均值偏少10次左右；城市快速發(fā)展期降水過程累計次數(shù)呈明顯波動上升趨勢，趨勢線通過α=0.05水平的顯著性檢驗。說明降水過程發(fā)生頻次在城市快速發(fā)展期增長明顯，例如，長三角城市群2005年之后、珠三角城市群和長江中游城市群2010年之后、成渝城市群2012年之后、中原城市群2003年之后降水過程次數(shù)明顯增多，次數(shù)最多值也出現(xiàn)在2010年之后，可見，2010年之后增加更加明顯，證實了大氣環(huán)流調整和城市化等因素對降水增多的作用。

圖4 1980—2019年七個城市群降水過程累計次數(shù)逐年演變圖Fig.4 Cumulative number of Precipitation Processes in seven urban agglomerations year by year Evolution Chart from 1980 to 2019.

3.2 降水過程次數(shù)月分布特征

眾所周知，我國的降水過程主要集中在汛期，具有明顯的季節(jié)分布特征。為了探討城市化快速發(fā)展期降水過程月分布的變化，對比城市緩慢和快速發(fā)展期七個城市群降水過程次數(shù)的月分布(表1)，結果顯示快速發(fā)展期降水過程次數(shù)較緩慢發(fā)展期各月份總體偏多。1月、2月、12月從氣候態(tài)上降水過程稀少的月份，長三角城市群、長江中游城市群出現(xiàn)明顯增多現(xiàn)象；中原城市群、關中平原城市群及成渝城市群1—3月，11—12月降水過程發(fā)生的次數(shù)從緩慢發(fā)展期到快速發(fā)展期出現(xiàn)從無到有，從少到多的變化，珠三角城市群在1月份降水過程次數(shù)明顯增加。由此可見，城市快速發(fā)展期降水過程次數(shù)增多在各月份均有顯現(xiàn)，甚至是冬季月份，這可能與氣候變暖、人類活動導致的下墊面熱力和動力條件改變有關。

表1 城市緩慢發(fā)展期和快速發(fā)展期七個城市群降水過程次數(shù)的月分布統(tǒng)計(單位:次)Table 1 Monthly distribution statistics of the number of precipitation processes in seven urban agglomerations in the slow development period and the fast development period.

4 降水過程持續(xù)時間特征

降水持續(xù)時間是降水過程評價的要素之一，在降水強度一定時，降水持續(xù)時間越長，降水過程則越強?；谔崛〉?980—2019年七個城市群逐次降水過程的開始和結束時間序列，計算每次降水過程的持續(xù)時間，從表2中七個城市群降水過程持續(xù)時間統(tǒng)計來看，城市快速發(fā)展期比緩慢發(fā)展期年平均降水時數(shù)偏長，但單次過程平均時數(shù)偏短，說明降水過程頻次增多，與上文研究結論一致。位于南方的城市群平均降水時數(shù)在950 h以上，長江中游城市群年平均降水時數(shù)(1 296.5 h，城市快速發(fā)展期)最多，單次過程平均時數(shù)(28.5 h，城市緩慢發(fā)展期)也最長。位于北方的城市群年平均降水時數(shù)普遍在600 h以下，京津冀城市群年平均降水時數(shù)最少，單次過程平均持續(xù)時間也是最少。七個城市群降水時數(shù)最多年和最少年相差289～885 h，中原城市群最多和最少年相差的時數(shù)為最少年時數(shù)的2倍多，京津冀城市群、長三角城市群、關中平原城市群為1倍多，珠三角城市群和長江中游城市群也在8成以上，這說明了我國主要城市群旱澇現(xiàn)象均較為明顯，尤其是中原城市群、京津冀城市群和長三角城市群更加突出，由此分析可知，城市快速發(fā)展過程中，要切實做好旱年城市用水規(guī)劃和澇年城市排澇設計。

表2 七個城市群降水過程時間(單位:h)統(tǒng)計(1980—2019年)Table 2 Precipitation Process Time Statistics(unit:h)of the seven urban agglomerations(1980-2019).

4.1 降水過程持續(xù)時間年分布

雖然七個城市群降水過程持續(xù)時間在城市快速發(fā)展期較緩慢發(fā)展期縮短(表3)，但縮短幅度均不足5%，并且從七個城市群1980—2019年降水過程持續(xù)時間的年際分布(圖略)來看，每個城市群單次降水過程持續(xù)時間逐年沿平均值上下波動，無顯著變化趨勢。進一步分析城市發(fā)展不同階段降水過程持續(xù)時間的變化特征，逐年累計七個城市群降水過程持續(xù)時間，由圖5可見，20世紀80年代降水過程累計持續(xù)時間最長(154.2 h)，最長值出現(xiàn)在1989年(167.9 h)；90年代累計持續(xù)時間沿平均值上下波動，波動幅度較80年代減小。城市快速發(fā)展期七個城市群降水過程累計持續(xù)時間比平均值(148.7 h)偏小，較城市緩慢發(fā)展期明顯偏短，尤其是2006—2015年逐年累計持續(xù)時間總體低于平均值，可見，城市快速發(fā)展期，七個城市群降水過程的持續(xù)時間縮短，與趙彩萍等(2019)研究一致，因而區(qū)域地面會迅速匯集大量的雨水，加之不斷擴大的硬化地面下滲率幾乎為零，洪澇災害風險將加大。

圖5 1980—2019年七個城市群降水過程累計持續(xù)時間逐年演變圖Fig.5 Annual evolution of cumulative duration of precipitation process in seven urban agglomerations from 1980 to 2019.

4.2 降水過程持續(xù)時間月分布

降水過程持續(xù)時間的月分布與我國雨帶的維持和擺動趨勢一致，七個城市群降水過程持續(xù)時間逐月分布(圖6)，位于南方的城市群持續(xù)時間的峰值均出現(xiàn)在6月，7—8月持續(xù)時間明顯下降，9—10月又出現(xiàn)小峰值。位于北方的城市群降水過程持續(xù)時間總體變化不大，京津冀城市群降水過程持續(xù)時間偏長的月份在8月，中原城市群和關中平原城市群降水過程持續(xù)時間偏長的月份出現(xiàn)在9—10月。

圖6 1980—2019年七個城市群降水過程持續(xù)時間逐月分布圖Fig.6 Monthly distribution of duration of precipitation process in sevenr urban agglomerations from 1980 to 2019.

對比城市緩慢和快速發(fā)展期七個城市群降水過程持續(xù)時間的月變化(圖7)，除1、2、12月因統(tǒng)計樣本偏少不具有代表性外，3、4月份降水過程持續(xù)時間增加，5、6、7月為減少趨勢，8、9月為增加趨勢。例如，主汛期長江中游城市群6月、關中平原城市群7月降水過程持續(xù)時間均明顯偏少。

圖7 3—11月城市快速發(fā)展期與緩慢發(fā)展期七個城市群過程持續(xù)時間差值Fig.7 Duration time difference of processes in seven urban agglomerations between rapid and slow urban development period from March to November.

對比降水過程持續(xù)時間的月分布和城市不同發(fā)展階段的月變化，隨著城市化快速發(fā)展，過程持續(xù)時間相對偏長的5、6、7月呈縮短趨勢，但過程持續(xù)時間相對偏短的3、4月和8、9月呈增長現(xiàn)象，說明3—9月降水過程持續(xù)時間向平均態(tài)發(fā)展，城市快速發(fā)展期不同月份間降水持續(xù)時間的差異縮短。

5 降水過程強度特征

降水過程強度是暴雨災害風險評估的重要指標之一，也是致災的前提和觸發(fā)條件，降水過程強度越強，其致災危險性越大。分析城市化緩慢和快速發(fā)展期降水過程的強度變化，對預測和規(guī)避暴雨災害風險具有重要價值。根據(jù)公式(1)、(2)計算1980—2019年七個城市群降水過程強度等級，等級分布從強到弱依次為極端、特強、強、較強、中等，由于基于小時分辨率的降水過程強度等級的算法中加入1 h、3 h、6 h等短歷時降水的作用，因此與暴雨災害的吻合度較好，降水過程強度越強，災情越重(王莉萍等，2021)。由表3可見，珠三角城市群極端(66次)和特強(112次)降水過程次數(shù)最多，降水過程偏多偏強發(fā)生，災情發(fā)生的可能性也偏重，城市群規(guī)劃和建設需考慮暴雨洪澇突發(fā)、易發(fā)、多發(fā)的特點，增設防御措施。強降水過程和較強降水過程次數(shù)最多的主要位于長江上中游，分別是長江中游城市群(274次)和成渝城市群(396次)，地質環(huán)境相對脆弱，強和較強降水過程發(fā)生頻繁，可能導致流域性洪水和次生災害偏多，是我國暴雨災害防御的重點區(qū)域之一。

表3 城市緩慢和快速發(fā)展期七個城市群降水過程強度次數(shù)統(tǒng)計(單位:次)Table 3 Statistics of intensity times(unit:times)of precipitation process in seven urban agglomerations during slow and fast urban development periods.

從七個城市群五個強度等級降水過程次數(shù)變化來看(表3)，城市快速發(fā)展期，京津冀城市群極端、較強和中等降水過程次數(shù)增加，長三角和珠三角城市群五個強度等級降水過程次數(shù)均增加，成渝城市群強和中等降水過程次數(shù)增加，長江中游城市群極端、強、較強降水過程次數(shù)增加，中原城市群特強、較強、中等降水過程次數(shù)增加，關中平原城市群特強、強、較強降水過程次數(shù)增加?？梢?，不同城市群不同強度降水過程的變化趨勢不同，但總體上降水過程是增多增強的，尤其是京津冀、長三角、珠三角等先發(fā)展的城市群在城市化快速發(fā)展期極端降水過程次數(shù)均增多，說明城市化快速發(fā)展可能促使極端降水過程的多發(fā)。

從七個城市群五個強度等級降水過程持續(xù)時間來看，極端降水過程平均持續(xù)時間96.5h、特強61.3 h、強39.6 h、較強27.2 h、中等13.1 h。隨著降水過程增強，過程持續(xù)時間也增長，具有正相關性。在城市化快速發(fā)展期，七個城市群各個強度等級降水過程持續(xù)時間總體縮短(表4)，并且降水過程越強，持續(xù)時間縮短越明顯，從致災因子危險性分析，降水過程越強，持續(xù)時間越短，災害發(fā)生的可能性越大，并且偏重發(fā)生。

表4 城市緩慢和快速發(fā)展期七個城市群降水過程平均持續(xù)時間統(tǒng)計(單位:h)Table 4 Statistics of average duration(unit:h)of precipitation process in seven urban agglomerations during slow and fast urban development periods.

5.1 降水過程強度年分布

隨著強度增強，七個城市群降水過程發(fā)生次數(shù)均急劇減少，尤其是極端和特強降水過程發(fā)生次數(shù)極少或沒有發(fā)生。為了分析總體趨勢，對七個城市群極端、特強、強、較強和中等降水過程次數(shù)分別進行逐年累計(圖8a)，從累計次數(shù)的逐年演變趨勢分析，僅中等降水過程次數(shù)是逐年線性增加的(通過α=0.05水平的顯著性檢驗)，其他強度等級的降水過程發(fā)生次數(shù)逐年變化趨勢不明顯。但極端降水過程累計次數(shù)最多年2016年(7次)和次多年2006年、2008年(6次)均出現(xiàn)在城市快速發(fā)展期。因此，進一步分析強等級以上(極端+特強+強)降水過程累計次數(shù)的逐年演變(圖8b)，城市化發(fā)展緩慢期，強等級以上降水過程累計次數(shù)在平均值(43.75次)上下波動；城市化快速發(fā)展期，強等級以上的降水過程累計次數(shù)具有明顯的增長趨勢，趨勢線通過α=0.05水平的顯著性檢驗，城市快速發(fā)展期大氣環(huán)流調整和城市化作用可能對強等級以上降水過程的多發(fā)有促進作用。

圖8 1980—2019年七個城市群降水過程強度累計次數(shù)(a)與極端+特強+強降水過程累計次數(shù)(b)逐年演變圖Fig.8 Annual evolution of cumulative times of(a)precipitation process intensity and(b)extreme+extra-strong+strong precipitation process in seven urban agglomerations from1980 to 2019.

5.2 降水過程強度月分布

從七個城市群五個強度等級降水過程的月變化(圖9)來看，極端和特強降水過程珠三角城市群、長三角城市群和長江中游城市群的峰值在6月，成渝城市群和中原城市群在7月，京津冀城市群在7—8月，關中平原城市群在7—9月。強和較強降水過程位于南方的城市群主要出現(xiàn)在5—6月，位于北方的城市群主要出現(xiàn)在7—8月。中等降水過程位于南方的城市群主要在4—8月，位于北方的城市群次數(shù)最多的月份在7月，呈單峰型分布，可見，不同城市群不同強度的降水過程具有明顯月變化，峰值主要集中在汛期。

圖9 1980—2019年七個城市群極端(a)、特強(b)、強(c)、較強(d)、中等(e)降水過程次數(shù)的月分布Fig.9 Monthly distribution of(a)extreme,(b)extra strong,(c)strong,(d)relatively strong and(e)moderate precipitation process of seven urban agglomerations from1980 to 2019.

與城市緩慢發(fā)展期相比，在城市快速發(fā)展期，從圖10中七個城市群極端和特強降水過程累計次數(shù)明顯增加的月份是8月和9月，明顯減少的月份分別是7月和5月，極端性降水過程表現(xiàn)為延遲發(fā)生的趨勢，例如，8月、9月長三角城市群、珠三角城市群、成渝城市群和關中平原城市群極端和特強降水過程增多；5月、7月成渝城市群、長江中游城市群、關中平原城市群極端和特強降水過程減少；另外，2—4月長江中游城市群極端和特強降水過程也增多，兼有提早發(fā)生的趨勢。七個城市群強降水過程累計次數(shù)3—6月明顯增加，8月、10月明顯減少，強降水過程有提早發(fā)生的趨勢。七個城市群較強和中等降水過程次數(shù)各月份總體增加，冬季月份(12月、1月、2月)出現(xiàn)次數(shù)呈增多現(xiàn)象；但較強降水過程次數(shù)珠三角城市群3月和4月、成渝城市群8月和9月出現(xiàn)明顯減少現(xiàn)象，也就是在華南前汛期的前段、華西秋雨前段的較強降水過程出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。由上可見，城市化快速發(fā)展，降水過程強度的月分布發(fā)生變化，以京津冀城市群來看，5—6月強降水過程減少，較強和中等強度降水過程增多；7月極端和特強降水過程增多，強和較強降水過程減少；8月特強、強和較強降水過程均減少，說明汛期京津冀城市群極端和特強降水過程發(fā)生時段趨于集中，7月降水過程極端性增強；9—11月強和較強降水過程增多，說明秋季京津冀城市群降水過程有增多增強的趨勢。從中原城市群來看，在城市快速發(fā)展期5—10月特強降水過程次數(shù)均增加，表明汛期中原城市群降水過程呈現(xiàn)出向增強、增多發(fā)展。

圖10 城市快速發(fā)展期與緩慢發(fā)展期七個城市群極端、特強、強、較強、中等降水過程次數(shù)差值Fig.10 The frequency difference of extreme,extra strong,strong,relatively strong and moderate precipitation processes in seven urban agglomerations between urban rapid and slow development periods.

6 結論和討論

對比分析城市緩慢發(fā)展期(1980—1999年)和快速發(fā)展期(2000—2019年)京津冀、長三角、珠三角、成渝、長江中游、中原及關中平原等七個城市群降水過程的次數(shù)、持續(xù)時間和強度的時空變化特征，得出如下結論：

(1)從降水過程次數(shù)來看，城市快速發(fā)展期降水過程次數(shù)較緩慢發(fā)展期偏多7.7%。城市快速發(fā)展期降水過程次數(shù)呈增多趨勢，尤其是2010年之后降水過程次數(shù)明顯增加。冬季降水過程次數(shù)出現(xiàn)從無到有，從少到多的變化趨勢。

(2)從降水過程持續(xù)時間來看，城市快速發(fā)展期比緩慢發(fā)展期年平均降水時數(shù)增長，但單次過程平均時數(shù)縮短；降水過程持續(xù)時間3、4月增加，5、6、7月有減少趨勢，8、9月為增加趨勢，降水過程持續(xù)時間的月分布差異有縮小趨勢。

(3)從降水過程的強度來看，城市快速發(fā)展期，七個城市群強以上等級(極端+特強+強)降水過程次數(shù)有逐年增加趨勢，中等降水過程次數(shù)也有逐年增加趨勢。極端和特強降水過程8、9月份有明顯增加趨勢，強降水過程3—6月為增加趨勢，冬季較強和中等強度降水過程次數(shù)增多。

(4)城市快速發(fā)展期，京津冀、長三角、珠三角等先發(fā)展的城市群極端降水過程次數(shù)增多，長三角城市群、珠三角城市群、成渝城市群和關中平原城市群極端和特強降水過程有延遲發(fā)生的趨勢，長江中游城市群有提早和延遲發(fā)生的趨勢；中原城市群5—10月特強降水過程次數(shù)均增多。

我國主要城市群降水過程具有明顯時空變化特征，在城市快速發(fā)展期，七個城市群降水過程次數(shù)增多，過程持續(xù)時間縮短，強度增強，暴雨災害發(fā)生的可能性和致災程度也將加大，近年來我國大范圍降水過程的案例(來自中央氣象臺)及相關暴雨災情也證實了上述結論。分析七個城市群在城市緩慢發(fā)展期(1980—1999年)和快速發(fā)展期(2000—2019年)降水過程頻次、持續(xù)時間和強度年變化和月變化的可能原因：一是全球氣候變暖的影響加劇，大氣環(huán)流形勢調整使降水更易發(fā)生，使降水的時空分布特征發(fā)生變化，也使極端事件發(fā)生的頻度和強度增加(李沁汶等，2019)；二是城市化的快速發(fā)展，城市人口和面積的急劇擴張改變了區(qū)域環(huán)境，影響區(qū)域氣候特征(趙娜等，2011)，進而對降水過程的發(fā)生發(fā)展和時空分布等產生影響；三是氣候變暖影響加劇和城市化快速發(fā)展作用的疊加影響，但存在很多未知要素和不確定性，有待后續(xù)進一步開展相關分析研究工作。我國七個城市群降水過程在城市不同發(fā)展階段的變化特征，對降水過程的預報服務、氣象災害防御、城市建設規(guī)劃等以及城市化影響區(qū)域氣候機理機制的研究具有重要的參考意義，也可以此為基礎預估未來降水過程的態(tài)勢和程度，服務于國家氣象防災減災戰(zhàn)略。