天津?qū)幒拥貐^(qū)汛期降水時(shí)空變化特征

王璐瑤，李靜楠，尹紫薇

(1.天津市寧河區(qū)氣象局 天津 301500；2.天津市津南區(qū)氣象局 天津 300350)

0 引 言

隨著20世紀(jì)90年代以來氣候變化的加劇，我國降水分布格局已發(fā)生明顯變化，研究特定區(qū)域的降水變化特征對(duì)于分析氣候變化背景下的區(qū)域水汽循環(huán)和氣候特征等具有重要意義[1]，目前已成為相關(guān)專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)[2-3]。陳隆勛等[4]、戰(zhàn)云健等[5]分析了全國降水量的長期變化趨勢(shì)特征。不同學(xué)者針對(duì)我國不同地區(qū)降水變化特征也開展了諸多研究[6-10]。近50年來，氣候變暖對(duì)天津降水量的影響日益突出，降水的氣候變化特征正逐步發(fā)生改變[11]。郭軍等[12]、段麗瑤等[13]、李春等[14]通過對(duì)天津降水觀測(cè)數(shù)據(jù)的長期變化趨勢(shì)特征的研究，揭示了降水日數(shù)和降水量的不同步變化使得極端強(qiáng)降水過程發(fā)生概率增加，是誘發(fā)旱澇災(zāi)害的重要原因之一；李明財(cái)?shù)萚15]、熊明明等[16]、單曉琳等[17]分析了天津夏季降水的日變化特征結(jié)果表明，長持續(xù)性降水的降水量呈減少趨勢(shì)，降水量的日變化與降水強(qiáng)度有直接關(guān)系。但目前研究主要關(guān)注于天津市區(qū)或東部濱海新區(qū)的降水變化特征，而對(duì)天津其他地區(qū)鮮少提及。

寧河區(qū)位于天津市東北部、渤海灣西北部，作為全國無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地示范區(qū)，其豐富的國家優(yōu)質(zhì)小站稻、河蟹、果蔬等資源在助力鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要作用。受海陸風(fēng)影響，寧河區(qū)每年汛期強(qiáng)降水頻發(fā)，易出現(xiàn)城市內(nèi)澇、農(nóng)作物漬澇等氣象災(zāi)害。本文利用寧河1970—2020年連續(xù)的長序列氣象觀測(cè)記錄，對(duì)寧河汛期降水時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，以期為防汛抗旱、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)等工作提供參考。

1 資料與方法

數(shù)據(jù)來自天津市氣象信息中心，包括天津?qū)幒訃覛庀笥^測(cè)站1970—2020年汛期6～9月逐小時(shí)、逐日、逐月降水?dāng)?shù)據(jù)和天津?qū)幒?20個(gè)區(qū)域自動(dòng)站2008—2020年(2008年建站)汛期6～9月逐小時(shí)、逐日和逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。結(jié)合熊明明等[16]的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，參與分析的觀測(cè)站點(diǎn)共有 19個(gè)，分別為寧河國家氣象觀測(cè)站(54529)、寧河豐臺(tái)鎮(zhèn)(A2301)、寧河?xùn)|棘坨(A2302)、寧河造甲城(A2303)、寧河江洼口(A2304)、寧河七里海鎮(zhèn)(A2305)、寧河大北鎮(zhèn)(A2306)、寧河小從莊(A2307)、寧河板橋鎮(zhèn)(A2308)、寧河苗莊鎮(zhèn)(A2309)、寧河鎮(zhèn)(A2310)、寧河廉莊鄉(xiāng)水利站(A2311)、 俵寧河 口鄉(xiāng)(A2312)、寧河北淮淀(A2313)、寧河岳龍鎮(zhèn)(A2314)、寧河潘莊鎮(zhèn)(A2361)、寧河大于莊(A2362)、寧河七里海濕地(A2363)、寧河張子鋪(A2364)。

2 汛期降水時(shí)間變化特征

2.1 年變化特征

2.1.1 降水量和降水日數(shù)變化特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，寧河多年汛期(6～9月)平均降水量占全年降水量的77.9%，可見寧河全年降水大多來自汛期降水的貢獻(xiàn)，那么掌握寧河汛期降水變化規(guī)律對(duì)于提高本地天氣預(yù)報(bào)水平就具有重要意義。圖1給出了1970—2020年寧河國家氣象觀測(cè)站汛期逐年降水總量序列，結(jié)果表明 1970—2020年寧河汛期降水總量呈不顯著的下降趨勢(shì)(P＞0.05)，且年際和年代際間差異較大，最多的年份為 785.6mm(1988年)，最少的僅為 158.1mm(1999年)，相差近 4倍。結(jié)合5年滑動(dòng)平均序列來看，寧河汛期降水量有明顯的時(shí)間階段性變化，且具有4個(gè)波峰特征：1970—1980年平均降水量偏多，為478.1mm，在1975年出現(xiàn)峰值；1981—1990年平均降水量最多，為 539.3mm，在1986年出現(xiàn)峰值；1990年之后降水開始明顯減少，1991—2000年平均降水量最少，為 376.9mm，在1996年出現(xiàn)峰值；2000—2020年平均降水量偏少，為423.0mm，在2010年出現(xiàn)峰值。

圖1 1970—2020年寧河汛期降水總量變化曲線Fig.1 Variation curve of precipitation during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：mm)

與汛期降水量相關(guān)聯(lián)的降水日數(shù)變化特征如圖2所示。與汛期降水量有所不同，降水日數(shù)呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)(P＜0.05)，表明降水日數(shù)明顯縮短。從 5年滑動(dòng)平均序列來看，1970—1980年降水日數(shù)偏多，為 39d，1990年之后降水日數(shù)明顯偏少，1990—2020年降水日數(shù)為35d。值得注意的是，對(duì)比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)汛期降水量和汛期降水日數(shù)的變化趨勢(shì)在1970—1990年較為一致，而在1990年之后汛期降水量和汛期降水日數(shù)呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)變化不一致的趨勢(shì)特征。這與李春等[14]的結(jié)果相似，表明當(dāng)前的降水氣候特征對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境有極大威脅。

圖2 1970—2020年寧河汛期降水日數(shù)變化曲線Fig.2 Variation curve of precipitation days during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.1.2 不同等級(jí)降水事件變化特征

不同等級(jí)的降水量變化曲線如圖3所示，結(jié)果顯示除中雨呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)外，各等級(jí)降水量變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)(P＞0.05)。其中，中雨的上升速率為2.9mm/10a；小雨、大雨、暴雨、大暴雨的下降速率逐級(jí)增加，分別為 3.2、3.9、9.6、14.7mm/10a。各等級(jí)的降水量變化趨勢(shì)與總降水量的變化趨勢(shì)大致相同。

與汛期各等級(jí)降水量相關(guān)聯(lián)的各等級(jí)降水日數(shù)變化特征如圖4所示，結(jié)果表明僅小雨日數(shù)呈顯著的下降趨勢(shì)(P＜0.05)，下降速率為 1.1d/10a，表明小雨日數(shù)顯著變短。對(duì)比圖3和圖4可見，小雨、大雨、暴雨、大暴雨的降水量和降水日數(shù)在 1990年之后較1970—1990年明顯減少。其中暴雨和大暴雨的降水量和降水日數(shù)還存在以下特征：近 30年來暴雨量和暴雨日數(shù)減少但年際變化較大，而大暴雨量和大暴雨日數(shù)年際變化較小，這與傅寧等[18]的結(jié)果相似。

圖3 1970—2020年寧河汛期各等級(jí)降水量變化曲線Fig.3 Variation curve of precipitation on different scales during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：mm)

圖4 1970—2020年寧河汛期各等級(jí)降水日數(shù)變化曲線Fig.4 Variation curve of precipitation days on different scales during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.1.3 持續(xù)性降水變化特征

選取日降水量＜1mm的最大連續(xù)日數(shù)和日降水量≥1mm的最大連續(xù)日數(shù)作為連續(xù)干日和濕日，該指標(biāo)能很好地反映旱澇情況[13]。由 1970—2020年寧河汛期逐年連續(xù)干日變化可以看出，干日有顯著的上升趨勢(shì)(P＜0.05)，上升速率為 1.1d/10a，表明連續(xù)干日明顯變長。特別是 1995年以來，有 4年出現(xiàn)20d以上的無降水，近 10年的平均連續(xù)干日也長達(dá)16d，這表明近年來寧河的干旱程度有所加重。而從連續(xù)濕日變化趨勢(shì)來看，寧河連續(xù)濕日沒有顯著的趨勢(shì)性變化，1970—1980年多為 5～7d，1981—2020年多為3～5d，還有1年僅為2d，見圖5。

圖5 1970—2020年寧河汛期干日和濕日變化曲線Fig.5 Variation curve of dry days and wet days during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.2 日變化特征

2.2.1 降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度變化特征

為更好地研究寧河汛期降水日變化特征，選取了近 20年來(2005—2020年)寧河地區(qū)國家氣象觀測(cè)站汛期逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)作為研究對(duì)象來分析寧河汛期降水日變化特征。圖6給出了寧河地區(qū) 2005—2020年汛期逐小時(shí)累積降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度日變化曲線。從降水量的日變化曲線來看，降水量的大值時(shí)段出現(xiàn)在夜間，特別是后半夜 02～05時(shí)，而在白天明顯偏小。多年逐小時(shí)累積降水量大值存在明顯的雙峰，峰值分別出現(xiàn)在 03時(shí)(511.6mm)和22時(shí)(344.1mm)，而谷值出現(xiàn)在 17時(shí)，僅196.6mm。多年逐小時(shí)累積降水頻次的日變化曲線與多年累積降水量較為相似，同樣是在夜間發(fā)生頻次明顯高于白天。夜間 23時(shí)至次日上午 09時(shí)為降水頻發(fā)時(shí)段，其中04時(shí)降水頻次最高，有153次，而午間12時(shí)至夜間20時(shí)是降水少發(fā)時(shí)段，該時(shí)段波動(dòng)變化不大，平均降水頻次為94次。在近海地區(qū)，夏季海陸環(huán)午降水發(fā)生頻率低有重要影響[19]。對(duì)于多年逐時(shí)降流導(dǎo)致的沿海和平原地區(qū)以輻散下沉運(yùn)動(dòng)為主，對(duì)下水強(qiáng)度來說，其與累積降水量的變化態(tài)勢(shì)非常一致，均在夜間22時(shí)和04時(shí)存在2個(gè)峰值，但有所不同的是降水強(qiáng)度在午后 13時(shí)還出現(xiàn)了明顯的峰值，平均雨強(qiáng)可達(dá) 3.23mm/h，這與太陽輻射加熱易觸發(fā)局地?zé)釋?duì)流活動(dòng)[20-22]有關(guān)。綜合看來，寧河汛期降水多傾向于后半夜和午后發(fā)生強(qiáng)降水事件。

圖6 2005—2020年寧河汛期降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度日變化曲線Fig.6 Daily variation curves of precipitation, precipitation frequency and precipitation intensity during flood season from 2005 to 2020 in Ninghe District

2.2.2 不同持續(xù)時(shí)間降水變化特征

為進(jìn)一步考察寧河汛期降水日變化特征，根據(jù)降水持續(xù)時(shí)間長短可分為持續(xù) 1～3h的短歷時(shí)降水、4～6h的中歷時(shí)降水、6～12h的長歷時(shí)降水和 12h以上的持續(xù)性降水[23]。不同持續(xù)時(shí)間降水量和降水頻次日變化特征在圖7中給出。由圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，寧河汛期短持續(xù)降水(6h以下)的降水量＞長持續(xù)降水(6h以上)的降水量。不同持續(xù)時(shí)間降水的降水量均在凌晨出現(xiàn)高值區(qū)，但出現(xiàn)時(shí)間有所不同，其中1～3h短歷時(shí)降水量和 12h以上持續(xù)性降水量峰值出現(xiàn)時(shí)間最早，出現(xiàn)在03時(shí)。此外，二者在午后到傍晚時(shí)間段內(nèi)也存在較大值；4～6h中歷時(shí)降水量峰值則略晚，出現(xiàn)在04時(shí)；而6～12h長歷時(shí)降水量峰值出現(xiàn)時(shí)間最晚，出現(xiàn)在 05時(shí)。從圖7(b)可以看出，不同持續(xù)時(shí)間的降水頻次也存在明顯差異。降水頻次呈現(xiàn) 1～3h的短歷時(shí)降水最多，12h以上的持續(xù)性降水最少的特征。具體來看，持續(xù)時(shí)間在1～3h降水頻次在凌晨02時(shí)最多，在午后到傍晚次多；4～6h中歷時(shí)降水頻次有單峰型特征，峰值出現(xiàn)在 03時(shí)；6～12h的長歷時(shí)降水則集中在清晨到上午時(shí)段發(fā)生；12h以上的持續(xù)性降水頻次與 1～3h短歷時(shí)降水頻次的變化趨勢(shì)相似，但日變化幅度最小，最高值分別出現(xiàn)在04時(shí)和14時(shí)。

圖7 2005—2020年寧河汛期不同持續(xù)時(shí)間降水的降水量、降水頻次日變化曲線Fig.7 Daily variation curves of precipitation and precipitation frequency with different durations during flood season from 2005 to 2020 in Ninghe District

3 汛期降水空間分布特征

3.1 降水量、降水日數(shù)、小時(shí)平均降水強(qiáng)度及小時(shí)最大降水量空間分布特征

通過統(tǒng)計(jì)寧河的汛期降水量、降水日數(shù)、小時(shí)平均降水強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，寧河汛期降水總量高值區(qū)主要分布在西部、東北部和東南部地區(qū)，13年來的汛期降水總量在 5400mm 以上，北部和南部地區(qū)降水最少，降水總量在 5150mm 以下；降水日數(shù)在西部到中部一帶及東北部地區(qū)最多，在 500d以上，西南和東南部則最少，在 475d以下；小時(shí)平均降水強(qiáng)度在南部地區(qū)存在高值分布帶，在 2.25mm/h以上，東南地區(qū)還存在 2.5mm/h以上的明顯高值中心；與小時(shí)平均降水強(qiáng)度分布態(tài)相反，小時(shí)最大降水量在北部地區(qū)較大，在75mm以上，局部甚至有100mm以上的高值中心。值得指出的是寧河?xùn)|南部地區(qū)的汛期降水量最多而降水日數(shù)最少，這種明顯相反的分布態(tài)勢(shì)意味著該地區(qū)存在極端降水事件，小時(shí)平均降水強(qiáng)度也反映出在東南部最大，表明東南部(也就是寧河城區(qū))地帶需注意防范城區(qū)低洼地段內(nèi)澇發(fā)生。北部地區(qū)降水量、降水日數(shù)、小時(shí)平均降水強(qiáng)度均較少，但局部小時(shí)最大降水量出現(xiàn)過100mm以上的強(qiáng)降水，需加強(qiáng)關(guān)注強(qiáng)降水對(duì)北部農(nóng)業(yè)的漬澇影響。

3.2 強(qiáng)降水事件頻次空間分布特征

結(jié)合天津的實(shí)際情況和成災(zāi)的可能性，對(duì)寧河短時(shí)強(qiáng)降水過程小時(shí)雨強(qiáng)分為 4級(jí)[16,24]：20mm/h≤R＜30mm/h、30mm/h≤R＜40.0mm/h、40mm/h≤R＜50mm/h和 50mm/h≤R。從寧河地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生頻次的空間分布可以看出雨強(qiáng) 20mm/h≤R＜30mm/h的強(qiáng)降水事件高發(fā)區(qū)集中在西南部，在34次以上；其次是東南部，出現(xiàn) 28次以上；中北部最少，在 24次以下。30mm/h≤R＜40mm/h的強(qiáng)降水事件在中部出現(xiàn)高值區(qū)，出現(xiàn)次數(shù)在 9次以上，局地還出現(xiàn) 12次以上的高值中心；西部為低發(fā)區(qū)且有“中間少、兩側(cè)多”的分布帶，在西部的東、西兩側(cè)發(fā)生頻次在 9～10次，中間地帶則僅有 6～7次；東部地區(qū)分布較為均勻，為7～8次。40mm/h≤R＜50mm/h的強(qiáng)降水事件在西南部存在發(fā)生頻次高值區(qū)，出現(xiàn)頻率在5次以上；西部和東部則為低發(fā)區(qū)。而R≥50mm/h則與 20mm/h≤R＜30mm/h的強(qiáng)降水事件分布態(tài)趨于相反，其高發(fā)區(qū)集中在北部。綜合來看，對(duì)比不同強(qiáng)度降水事件發(fā)生頻次不難發(fā)現(xiàn)，在 R≥30mm/h的強(qiáng)降水事件中，中部地區(qū)均為高發(fā)區(qū)；而在20mm/h≤R＜30mm/h的強(qiáng)降水事件中，中部地區(qū)則為低發(fā)區(qū)；西部和東部僅在 20mm/h≤R＜30mm/h的強(qiáng)降水事件中為高發(fā)區(qū)。

4 結(jié) 論

本文利用 1970—2020年天津?qū)幒拥貐^(qū) 19個(gè)自動(dòng)氣象站分析了寧河汛期(6～9月)降水的時(shí)間變化和基本空間分布特征，主要結(jié)論如下：

①從年變化特征來看，寧河汛期降水總量和降水日數(shù)呈下降趨勢(shì)，存在明顯的時(shí)間階段性變化。不同等級(jí)降水事件中，除中雨呈上升趨勢(shì)外，各等級(jí)降水量均呈下降趨勢(shì)，且下降速率逐級(jí)增加。各等級(jí)降水日數(shù)變化與降水量特征相似，其中小雨日數(shù)下降顯著。連續(xù)干日明顯變長，寧河干旱程度有加重現(xiàn)象，濕日則沒有顯著的趨勢(shì)變化。

②從日變化特征來看，寧河汛期降水量最大時(shí)段集中在02至05時(shí)，23時(shí)至次日09時(shí)為降水頻發(fā)時(shí)段，午后易出現(xiàn)強(qiáng)降雨。不同持續(xù)時(shí)間降水量均在凌晨最大，1～3h短歷時(shí)降水多發(fā)，而12h以上的持續(xù)性降水發(fā)生頻次最少。

③從空間分布特征來看，降水量高值區(qū)分布在西部、東北部和東南部，降水日數(shù)在西部到中部一帶東北部地區(qū)最多，南部地區(qū)小時(shí)平均降水強(qiáng)度最強(qiáng)。20mm/h≤R＜30mm/h、40mm/h≤R＜50mm/h 的強(qiáng)降水事件高發(fā)區(qū)均集中在西南部，30mm/h≤R＜40mm/h的強(qiáng)降水事件在中部地區(qū)多發(fā)，R≥50mm/h的降水事件則易出現(xiàn)在北部。