1961—2008年京津冀地区暴雨的气候变化特征分析

韩桂明，翟盘茂

（1.南京信息工程大学，江苏南京 210044；2.中国气象科学研究院，北京 100081）

1961—2008年京津冀地区暴雨的气候变化特征分析

韩桂明1，翟盘茂2

（1.南京信息工程大学，江苏南京 210044；2.中国气象科学研究院，北京 100081）

利用北京市、天津市和河北省1961—2008年逐日台站降水资料，采用经验正交函数分解（empirical orthogonal function）、Morlet小波、曼-肯德尔（Mann-Kendall）突变检验等方法，统计分析了京津冀地区暴雨量及暴雨频次的气候变化特征。结果表明：气候态下，京津冀地区暴雨量及暴雨频次沿地形呈东南多-西北少的分布型，暴雨发生时间相对集中在7月下旬和8月上旬。1961—2008年京津冀大部分地区暴雨量呈减少的趋势，且在1980年发生显著突变，2000年代以后暴雨量进一步减少。小波功率谱分析结果表明，京津冀地区暴雨量主要存在2～4 a的显著主周期。该地区暴雨量EOF展开的前3模态显示，暴雨量主要呈全区一致变化以及东西反向、南北反向的空间变化特征。

京津冀地区；暴雨；气候变化；减少

近年来，全球气候变暖背景下极端气候事件的变化已引起了国际社会的广泛关注。IPCC第五次评估报告指出，随着全球变暖，北半球中高纬度陆地地区的降水量呈上升趋势；同时，与强降水减少的区域相比，更多陆地区域出现强降水事件的数量可能已经在增加[1]。但是，在全球各地，包括在中国大陆地区，有关极端气候事件变化的研究结论还存在矛盾[2-5]。资料不完备和分析时段差异等可能是造成这种现象的主要原因。就中国平均而言，总的降水变化趋势并不明显，但雨日有所减少[6]。

暴雨是一种最为常见的气象灾害，暴雨的出现对国民经济、人民生命财产的安全有很大的威胁[7]。多年来许多气象工作者对极端降水、暴雨等的研究结果表明，我国是多暴雨区域，大暴雨主要出现在华南、长江流域和华北地区，各地区暴雨存在区域性差异[8]。纬度越向西和北，多雨期就越集中[9]。受东亚夏季风的影响，我国华北地区暴雨的年代际变化较大，华北和东北南部地区暴雨从20世纪70年代开始至今一直偏少[10-11]，年降水量的减少主要是夏季降水量减少造成的[12]。陈海山等[13]研究发现，1958—2007年华北地区强降水日数减少，西北地区、长江流域及其以南地区强降水日数则呈现增加的趋势。

京津冀地区东临我国渤海，北部为燕山山脉，地形为北高南低，属暖温带半湿润半干旱季风气候[14-15]，天气复杂多变，灾害频繁，降水量年际波动较大，引起洪涝和干旱灾害频繁交替，相对于暴雨的天气学研究而言，迄今关于暴雨的气候学研究相对较少。因此对该地区暴雨气候特征的分析是很有必要的。本文利用1961—2008年京津冀有连续观测记录的49个站点的逐日台站降水资料，对该地区暴雨的气候特征以及时空变化特征进行较为系统地分析，旨在为今后暴雨的预报及研究提供参考，并加深对该地区气候变化的了解和认识。

1 资料与方法

本文采用北京市、天津市和河北省1961—2008年有完整气象记录的49个气象台站逐日降水资料，对京津冀地区近50 a暴雨时空变化特征进行分析，降水资料来自北京市、天津市和河北省气象局档案馆整编资料，研究区域气象站点分布如图1所示。

暴雨日定义为日降水量≥50 mm的降水日，暴雨量为年内所有暴雨日降水量的总和，暴雨发生频次为暴雨日数之和。为了统计分析京津冀地区气候态下暴雨量和暴雨频次的分布特征，本文使用线性趋势分析、经验正交函数分解（EOF）、Morlet小波分析等方法对该地区暴雨的时空变化特征进行分析，并运用Mann-Kendall[16]方法对京津冀近50 a的暴雨量进行突变检验。

经验正交函数EOF展开方法的特征值对应的空间场是否显著采用North等[17]提出的计算特征值范围进行显著性检验。特征值λj的误差范围为：

式中n为样本空间量，相邻特征值λj+1满足

λj-λj+1≥ej时，就认为两个特征值所对应的经验正交函数场是有气象意义的信号场。

本文选用常用的Morlet小波，ω0=6，小波功率谱定义为：

全域小波功率谱Ea表征不同尺度a对应的能量密度，定义为：

根据Torence导出[18]的关系，尺度a和周期T的对应关系：

小波功率谱是否显著，用红噪声或者白噪声标准谱进行检验，本文采用红噪声检验。

2 京津冀地区暴雨气候态特征

图2a为京津冀地区气候平均（1971—2000年）暴雨量的空间分布。可以发现，暴雨量沿地形呈“东南多、西北少”的空间分布，低值区位于河北省西北部燕山山脉的山后地区，该地区受地形影响，处于山后背风坡，不利于水汽输送和冷暖空气的交汇[19]。高值区位于京津冀东部的青龙、抚宁、塘沽等地，这些暴雨中心也与大尺度地形背景下的局地地形有关，由于其北面是燕山南麓，处于暖湿气流的迎风坡，局地地形有利于冷空气扩散南下与暖湿空气交汇[20-21]，因此有利于形成暴雨。京津冀地区气候平均暴雨发生日数（图2b）与暴雨量分布较为一致，高值区位于京津冀中东部地区，出现暴雨最多的地方是河北省青龙站，年均出现2～3 d。

图3为京津冀气候平均的各旬暴雨量及暴雨站次。由图可见，1961—2008年，各旬暴雨站次集中在6月上旬—9月份下旬，11月—2月和3月中下旬没有暴雨出现。暴雨站次出现最多的时段在7月下旬，平均出现17.3站次，其次是8月上旬，为15.5站次，即暴雨站次呈现出“7下8上”的特征。从各旬暴雨日的平均暴雨量分布来看，6—9月各旬平均暴雨量较为平均，其中8月上旬平均暴雨量最大，达83.5 mm。

3 京津冀暴雨量时空变化特征

3.1 京津冀地区暴雨量时间变化特征

为了进一步研究京津冀地区暴雨量的长期变化特征，分析了该地区暴雨量距平年代际特征及线性趋势（图4）。可以发现，1961—2008年，京津冀地区暴雨量呈减少趋势，减少速率为14.1mm/10a。从该地区暴雨量的年代际变化曲线上可以发现，京津冀地区暴雨量出现2次由多到少的波动交替现象，即在1980年代以前该地区暴雨量基本处于年代际偏多阶段，1980—1990年代初期该地区暴雨量又处于年代际偏少时期；1990年代中期前后暴雨量呈现短暂的年代际偏多，1990年代后期至2000年代，京津冀地区暴雨量再次处于年代际偏少时期。

为了进一步研究京津冀地区暴雨量是否发生显著年代际突变，应用Mann-Kendall突变检验对京津冀地区暴雨量进行分析，结果见图5。由UF曲线可见，1961年以来，京津冀地区暴雨量呈现明显的波动减少的趋势，在1990年代中期前后有短暂的波动增加趋势，2000年代后递减趋势大大超过了显著性水平0.05临界线，表明该地区暴雨量在2000年代后的减少十分显著。根据UF与UB曲线交点的位置，结合京津冀地区暴雨量距平的年代际变化特征（图5），可以看到，从1980年开始该地区暴雨量处于年代际偏少时段。经统计，1961—1979年期间暴雨量距平为18.9 mm，而1980—2008期间为-20.3 mm，因此，可确定京津冀地区暴雨量在1980年代初发生了突减。

3.2 京津冀暴雨量空间分布特征

图6为京津冀暴雨量线性变化趋势的空间分布。可以看到，该地区有43站（总共49站）暴雨量呈下降的趋势，其中有8个站点的暴雨量呈现显著下降的趋势，河北境内的赤诚、唐山、抚宁3站以及北京境内的延庆、房山、大兴、朝阳、通州5站的暴雨量均呈显著减少的趋势，其中朝阳站减少最多，达-30.9 mm/10 a。河北省北部的张北、承德等地，近50 a暴雨量呈略微增多的趋势，但未通过显著性检验。

为了更清楚地了解该地区1961年以来暴雨的时空分布特征，对京津冀地区1961—2008年暴雨量的标准化场做EOF分解，EOF展开的前7模态累计方差贡献率总和为63.7%。本文主要分析了前三模态信息（表1），计算前3特征值的误差e1、e2、e3分别对应为2.3、1.2、0.9，均小于相邻特征值之差，因此前三特征向量场具有明显的气象学意义。

图7a为京津冀地区暴雨量EOF分解的第一空间特征向量场，大部分地区都为正值区，且与气候场的暴雨量分布（图2a）较为一致，说明该型态大致反映了京津冀地区暴雨量全区一致的长期变化特征。结合EOF第一时间系数场（图7b），可以发现，京津冀地区在1980年代前降水相对维持偏多的特征，1980年代中期至1990年代中期暴雨量波动减少，而在1990年代中期有短暂性偏多，随后1990年代后期至2000年代均波动偏少，与该地区暴雨量异常时间变化波动趋势一致。

EOF第二空间向量场特征见图7c，其方差贡献率为12.4%，可以发现，京津冀地区暴雨量的变化呈“西负、东正”的反向变化特征，即当京津冀东部地区暴雨量增多时，西部暴雨量减少。从对应的第二时间序列变化场上（图7d）可以发现，该地区暴雨量呈东多西少分布型共有22年，且这种分布型呈微弱增多的趋势。

图7e为EOF展开的第三空间向量特征场，方差贡献率为9.3%，可以发现，京津冀地区南部为正值区，北部为负值区，表明该地区暴雨量存在南北反向变化的分布特征，从时间序列场上（图7f）来看，该地区1963、1971、1977、1995年时间系数较大，对应的出现"南多、北少"的暴雨量分布型较显著。第三时间序列呈弱下降趋势，即该地区暴雨量南多、北少的分布型略有减少。

3.3 周期分析

小波变换方法是一种时频分析方法，既可以了解时间序列不同时间的频率特征，又可以了解不同频率的时间分布特征。为了分析京津冀地区暴雨量不同尺度的周期变化特征，对1960年代以来该区域暴雨量进行Morlet小波变换。京津冀地区暴雨量功率谱在不同年代表现出不同的特征，1960年代、1990年代后期到2000年代初的降水以2～4 a的周期最为显著，并通过10%的红噪声检验（图8a阴影区黑色实线）；全域功率谱方差信度检验结果显示2～4 a周期能通过显著性10%的红噪声检验（图8b）。

4 小结与讨论

（1）气候态下，京津冀地区暴雨量沿地形自东南向西北逐渐递减，低值区位于河北省西北部燕山山脉的山后地区，气候平均的暴雨次数与暴雨量的分布较为一致。1961年以来，各旬暴雨站次集中在6月上旬—9月下旬，11月至次年3月中下旬均无暴雨出现。暴雨站次出现最多的时段集中在7月下旬和8月上旬，呈现出“七下八上”的特征。

（2）1961—2008年，京津冀绝大部分地区的暴雨量呈现减少的趋势，河北境内的赤诚、唐山、抚宁3站以及北京境内的延庆、房山、大兴、朝阳、通州5站的暴雨量呈显著减少的趋势，而河北省北部的张北、承德和围场等站的暴雨量呈略增加的趋势。京津冀暴雨量发生显著突减的时间为1980年，进入21世纪后暴雨量进一步减少。本地区绝大部分区域的暴雨日数和雨量呈显著下降的趋势，与全球陆地部分地区强降水增加的结论[1，15]构成了明显对照，反映了我国东部季风区降水异常所具有的特殊区域性和复杂性。

（3）暴雨量距平场EOF展开前7个模态累积方差贡献率为63.7%，第一模态全区一致为正且呈东西向递减分布，大值区位于京津冀中东部地区，与气候平均场分布相似；第2模态呈“东正、西负”的反向变化特征，即该地区暴雨量呈现东西反向变化的分布特征；第3模态则呈现了南北反向变化的分布特征。

（4）利用Morlet小波变换分析发现京津冀地区暴雨量在1960年代、1990年代末到2000年代初的降水以2～4 a的周期最为显著，该地区暴雨量全域功率谱方差信度检验结果显示2～4 a周期能通过显著性10%的红噪声检验。

与已有研究对比可以发现，京津冀地区暴雨时空分布特征与华北汛期降水具有高度一致性。如Song等[22]指出，华北地区近50 a来汛期总降水、≥50 mm的暴雨量和暴雨频次均呈下降趋势。对于华北降水长期变化特征的可能原因，Ding等[23]指出，近几十年来东亚夏季风持续减弱，不能将更多的水汽供应输送至中国北方地区，是北方降水量大大减少的主要原因。张书萍等[24]则认为，蒙古地区附近位势高度场呈上升趋势，而贝加尔湖地区对流层低层温度上升，导致华北地区可利用降水量减少，干旱发生的可能性增加。进一步的研究表明，北极涛动（AO）、太平洋年代际振荡（PDO）的年代际位相转变，导致中高纬西风带和西太平洋副高调整，是华北降水在1970年代末显著减少，近50年来呈下降趋势的深层原因[25]。

尽管如此，针对京津冀地区暴雨时空变化的机理研究仍较为少见。暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物[26]，其变化特征是否有特殊成因？京津冀地区与华北区域的降水变化有何差异，原因是什么？这些都有待于进一步的研究。

[1]IPCC.The Physical Science Basis.Contribution of Working GroupItotheFifthAssessmentReportofthe Intergovernmental Panel on Climate Change[Stocker,T.F., D.Qin,G.-K.Plattner,M.Tignor,S.K.Allen,J. Boschung,A.Nauels,Y.Xia,V.Bex and P.M.Midgley（eds.）].2013，Cambridge University Press,Cambridge, United Kingdom and New York，NY，USA.

[2]林而达，吴绍洪，戴晓苏，等.气候变化影响的最新认知[J].气候变化研究进展，2007，3（3）：125-131.

[3]Groisman，P.Y.,Karl.T.and Easterling.D.et al.Changes intheprobabilityofheavyprecipitation：important indicatorsofclimaticchange[J].ClimaticChange，1999，42：243-283.

[4]翟盘茂，王萃萃，李威.极端降水事件变化的观测研究[J].气候变化研究进展，2007，3（3）：144-148.

[5]鲍名.近50年我国持续型暴雨的统计分析及其大尺度环流背景[J].大气科学，2007，31：779-792.

[6]翟盘茂，邹旭恺.1951—2003年中国气温和降水变化及其对干早的影响[J].气候变化研究进展，2005，1（1）：16-18.

[7]谢五三，田红.近50年安徽省暴雨气候特征[J].气象科技，2011，39（2）：160-164.

[8]丁一汇，张建云，等.气象灾害丛书-暴雨洪涝[M].北京：气象出版社，2009.

[9]王遵娅，丁一汇.中国雨季的气候学特征[J].大气科学，2008，32（1）：1-13.

[10]叶彩华，侯双双，姜会飞，等.华北地区作物生长期暴雨的时空特征[J],安徽农业科学，2010，38（18）：9655-9658.

[11]黄荣辉，顾雷，陈际龙，等.东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展[J].大气科学，2008，32：691-719.

[12]张健，章新平，王晓云，等.近47年来京津冀地区降水的变化[J].干旱区资源与环境，2010，24（2）：74-80.

[13]陈海山，范苏丹，张新华.中国近50 a极端降水事件变化特征的季节性差异[J].大气科学学报，2009，32（6）：744-751.

[14]周淑贞.气象学与气候学[M].北京：高等教育出版社，1997：200-235.

[15]Peel,M.C.,Finlayson,B.L.and McMahon,T.A. Updated worldmap of the Koppen-Geiger climate classification[J].Hydrol.Earth Syst.Sci.，2007，11：1633-1644.ISSN 1027-5606.

[16]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007：296.

[17]North G R,Bell T L,Cahalan R F,et al.Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal functions[J]. Mon.Wea.Rev.，1982，110（7）：699-706.

[18]Torrence C,Compo G P.A practical guide to wavelet analysis[J].Bulletin of the American Meteorological society，1998，79（1）：61-78.

[19]马京津，于波，高晓清，等.大尺度环流变化对华北地区夏季水汽输送的影响[J].高原气象，2008，2（3）：517-523.

[20]骆凯，李耀东，秦丽.一次华北暴雨过程的数值模拟及水汽螺旋度和水汽涡度收支应用分析[J].气象与减灾研究，2010，33（2）：35-42.

[21]王福侠，张迎新，胡欣，等.华北平原一次秋季大暴雨过程的物理成因分析[J].气象科技，2004，32：15-20.

[22]Song Y.，Christine Achberger and Hans W Linderholm. Rain-season trends in precipitation and their effect in different climate regions of China during 1961-2008[J]. 2011，Environmental Research Letters，6（3）：034025.

[23]Ding Y.,Wang Z.,Sun Y.Inter decadal variation of the summer precipitation in East China and its association with decreasing Asian summer monsoon.Part I:Observed evidences[J].InternationalJournalofClimatology 2008，28（9）：1139-1161.

[24]张书萍，祝从文，周秀骥.华北水资源年代际变化及其与全球变暖之间的关联[J].大气科学，2014，38（5）：1005-1016.

[25]吕俊梅，祝从文，琚建华，等.近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因[J].大气科学，2014，38（4）：782-794.

[26]陶诗言.中国之暴雨[M].北京：科学出版社，1980：225.

Study on Characteristics of Climatic Variations of the Rainstorm in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1961-2008

HAN Guiming1，ZHAI Panmao2

（1.Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China；2.Chinese Academy of Meteorological Science，Beijing 100081，China）

Based on the observational daily precipitation data provided by Beijing,Tianjin and Hebei province Meteorological Bureau during 1961-2008,the characteristics of the climatic variations of stormrain in Beijing-Tianjin-Hebei province region（Jing-Jin-Ji）are analyzed in this paper by using the empirical orthogonal function（EOF）method,Morlet wavelet and Mann-Kendall test.The major results are summarized as follows:the rainstorm precipitation and its frequency show a high consistency distribution which exhibits a significant meridional gradient along the terrain of Jing-Jin-Ji,and appears mainly during late July and early August of the year in climatology.There is a continuously decrease trend in the precipitation of rainstorm in Jing-Jin-Ji since 1960s. Evidence also shows that 1980 is an abrupt change point and an obviously decrease trend of rainstorm in Jing-Jin-Ji occurs in 2000s.Wavelet power spectrum reveals that 2-4a is a significantly period for rainstorm in Jing-Jin-Ji.The rainstorm in Jing-Jin-Ji shows a consistent change or opposite changes in east and west or in south and north.

Beijing-Tianjin-Hebei（Jing-Jin-Ji）；rainstorm；climatic variations；decrease

P468

B

1002-0799（2015）04-0025-07

韩桂明，翟盘茂.1961—2008年京津冀地区暴雨的气候变化特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（4）：25-31.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.004

2015-01-23；

2015-04-20

韩桂明（1982-），女，主要从事极端降水与气象应急管理研究。E-mail：hangm@bjmb.gov.cn