1980- 2017 年京津冀暴雨时空格局变化

屈卓然

（北京师范大学，北京 100875）

1 概述

在全球变暖和快速城市化的背景下，区域的水循环发生演变，对不同地区的降水格局产生了不同程度的影响[1,2]。孔锋等分析了1961-2015 年中国暴雨的时空变化特征，结果表明从东南沿海向西北内陆中国暴雨雨量和雨日呈明显的“增-减-增”空间分布格局,且呈增长趋势的站点居多[3]。翟盘茂等研究指出华北地区虽然极端降水事件频数明显减少, 但极端降水量所占比例仍有所增加[4]。史培军等采用多种统计方法得出，快速城镇化因素极有可能是1951～2010 年中国年代际累积暴雨不断增加的主因[5]。

京津冀地区被誉为我国的首都经济圈。该地区人口密集，经济发达，具有重要的政治、经济地位。但该地区暴雨、洪涝灾害频繁。近几十年曾多次发生重大暴雨事件，造成了严重的人员伤亡和经济损失[7]。因而探讨该地区的降水特征，尤其是暴雨的时空格局演变具有十分重要的意义。但现有研究大多针对全国尺度[3-5]，很少对京津冀地区开展针对性、专门性的暴雨演变分析。

本文基于京津冀地区25 个气象站的日降水量数据，运用Mann-Kendall 趋势检验、可视化等方法，探究1980-2017 年京津冀地区暴雨时空格局演变。本研究可以丰富相关理论成果，为京津冀地区暴雨灾害的预防和管理工作提供参考，为区域的可持续发展规划提供借鉴，有利于保障区域安全、稳定的发展环境，因而具有重要的理论和实践意义。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

京津冀地区位于我国华北北部，包括北京市、天津市、河北省（图1），是我国的“首都经济圈”，具有重要的政治、经济地位。全区地势西北高、东南低，属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候，夏季降水集中。

图1 研究区概况

复杂多样的地貌，降水集中的特征，加上快速的城市化进程，使得该地区暴雨、洪涝灾害频发，曾多次造成严重的人员伤亡和经济损失。

2.2 数据来源

本文采用国家气象科学数据中心中国地面气候资料日值数据集（V3.0）中1980-2017 年京津冀地区25 个气象站点的逐日降水量。该数据集经过严格的质量控制，数据质量及完整性较好。

根据标注的质量控制码，筛选出缺测数据，用反距离权重法进行插值补全。再处理降水量特征值：微量降水（特征值为32700）计为0mm；雾露霜雪等形式的降水（特征值为30XXX、32XXX）不计入。

2.3 研究方法

本文采用中国气象局颁布的降水强度等级划分标准，取24 h 降水总量超过50 mm 作为暴雨阈值。首先计算各站点的年暴雨日数（D）和年暴雨累积量（M）。

其中，i 为年份，j 为暴雨日序号，ni表示第i 年的暴雨日数，pij表示第t 年的第j 个暴雨日的降水量，满足pij>5mm。

采用Mann-Kendall 趋势检验对各站点1980-2017 年年暴雨日数和年暴雨累积量的时间序列分别作分析，以检验该时间段内，各站点的年暴雨日数和年暴雨累积量的时间演变趋势。Mann-Kendall 趋势检验方法是一种非参数趋势显著性检验方法[8]。需首先对数据序列进行去除自相关处理。

式中：x'i为原数据序列第i 项的值；E（x'）为原序列的均值；r1为数据自相关系数。

去除自相关后的序列为x'1，x'2-r1x'1，x'3-r1x'2，...，x'n-r1x'n-1。

式中：n 表示序列长度；xi和xj分别为序列第i 和j 项的值（j>i）。

具有相同S 值的数据归为一组。变量S 的方差计算如下：

式中，Zs为正值表示序列具有增加趋势，Zs为负值表示序列具有减小趋势。

假设显著性水平为α，查相应的临界值表得到Z1-α/2。若|Zs|>Z1-α/2，则序列具有显著变化趋势。否则，趋势不显著。

为了用可视化方式直观展现京津冀地区降水的时空演变，从1980 年开始，每5 年作为一个时间段（最后一个时段不足5年，仅3 年），共计8 个时段。在每个时段内，分别求各站点年暴雨日数和年暴雨累积量的均值，作为各站点时段内的年均暴雨日数和年均暴雨累积量。分别对各时段站点的年均暴雨日数和年均暴雨累积量用反距离权重法进行空间插值，并用掩膜提取，得到京津冀地区降水的时空格局演变。

3 结果与分析

3.1 Mann-Kendall 趋势检验

对1980-2017 年京津冀25 个站点年暴雨日数序列做Mann-Kendall 趋势检验得检验统计量Zs1如表1。

表1 25 个站点年暴雨日数的Mann-Kendall趋势检验统计量

由表1 可知，1980-2017 年，京津冀地区25 个站点年暴雨日数并没有十分一致的变化规律，有增有减，且大多数站点年暴雨日数的变化趋势不显著。仅54311 站（围场站）的年暴雨日数呈显著的增加趋势。

对1980-2017 年京津冀25 个站点年暴雨累积量序列做Mann-Kendall 趋势检验得检验统计量Zs2如表2。

表2 25 个站点年暴雨累积量的Mann-Kendall趋势检验统计量

由表2 可知，1980-2017 年，京津冀地区25 个站点年暴雨累积量并没有十分一致的变化规律，有增有减，且大多数站点年暴雨累积量的变化趋势不显著。仅54606 站（饶阳站）的年暴雨累积量呈显著的减少趋势。

3.2 时空格局演变

将1980-2017 年划分成8 个时间段，在每个时段内，分别对站点的年均暴雨日数进行空间插值，得到各时段年均暴雨日数的分布格局，从而直观展现1980-2017 年，京津冀地区年均暴雨日数的时空演变（图2）。

图2 1980-2017 年京津冀年均暴雨日数的变化

1980-2017 年，京津冀各地年均暴雨日数存在波动，但总体上呈现西北低、东部高的分布格局。高值区位于北京至秦皇岛一带，这是由于京津冀地区的主要水汽来源于偏东风与偏南风，而该地区位于迎风坡，局部地形利于降水产生。低值区主要位于河北省西北部的坝上高原地区。此外，河北围场一带年均暴雨日数有显著的增加，河北南部邢台、南宫一带年均暴雨日数明显减少。北京至秦皇岛一带年均暴雨日数较高，且年际变率较大，在京津冀的暴雨风险防范中应特别关注。

在8 个时段内，分别对站点的年均暴雨累积量进行空间插值，得到各时段年均暴雨累积量的分布格局，从而直观展现1980-2017 年京津冀地区年均暴雨累积量的时空演变（图3）。

图3 1980-2017 年京津冀年均暴雨累积量的变化

从总体上看，京津冀地区年均暴雨积累量也呈现出西北低、东部高的空间分布特征，与前文分析一致，地形是导致此种格局的主导因素。1980-2017 年，京津冀各地年均暴雨累积量存在波动，其中河北省南部饶阳至邢台一带年均暴雨累积量明显减少，北京至秦皇岛一带年均暴雨累积量较大，且年际变率较大，在京津冀的暴雨风险防范中应特别关注。

此外，中部、东部及南部平原地区与西北部山区年暴雨日数和年暴雨累积量的正向差距随着城镇化发展呈现出逐渐拉大的趋势。已有研究表明，城镇化进程伴随着土地利用的变化，进而会造成地表反照率、地气通量交换、水循环等发生变化，对暴雨产生影响[9，10]。但其具体的作用机制和效果还有待更深入的研究。

4 结论与讨论

本文基于京津冀地区25 个气象站点数据，利用Mann-Kendall 趋势检验和可视化方法，探究了1980-2017 年京津冀地区暴雨时空格局变化。得出以下结论：（1）受地形影响，京津冀地区年均暴雨日数和年均暴雨累积量均呈现出西北少、东部高的分布格局。（2）1980-2017 年，京津冀各地年暴雨日数和年暴雨累积量均存在波动，并无一致性的变化趋势，大多数的变化趋势是不显著的。

北京至秦皇岛一带年暴雨日数、年暴雨累积量都较高，且年际变率较大，在暴雨风险防范时应特别关注该区域。此外，虽然目前大多数站点的变化趋势都是不显著的，但许多站点的变化趋势已接近显著的临界点，仍应保持警惕，合理规划城市发展，做好暴雨灾害的预测、预防工作，为京津冀高速发展提供安全、稳定的环境。