劉菲凡 鄭永光* 羅 琪 張恒進 公衍鐸

1)(中國氣象科學(xué)研究院, 北京 100081) 2)(國家氣象中心, 北京100081) 3)(中國船舶重工集團海裝風(fēng)電股份有限公司, 重慶 401122) 4)(黑龍江省氣象臺, 哈爾濱 150030)

引 言

華北位于東亞夏季風(fēng)影響區(qū)域的北端,降水主要集中在夏季。強降水會導(dǎo)致重大災(zāi)害,因此華北強降水受到廣泛關(guān)注[1-6]。已有研究[3-5]表明:華北暴雨發(fā)生頻率雖然低于華南,但其1 h極端降水的強度與華南大致相當。京津冀及周邊地區(qū)是華北的一部分,也是華北強降水的多發(fā)區(qū)[3-4,6]。

降水具有明顯年際和年代際變化特征。20世紀70年代中后期開始,華北年降水量出現(xiàn)減少趨勢[7],80年代華北降水量減少趨勢更為明顯[7-8],至21世紀初降水量逐漸增加[9]。京津冀及周邊地區(qū)年降水量年際變化與華北區(qū)域整體降水變化非常相似[10],但日變化特征差異較大[6]。

日變化特征是降水氣候研究的一個重要方面。國內(nèi)外已有眾多研究關(guān)注不同區(qū)域的降水日變化特征[3,5-6,11-19]。我國降水日變化整體上存在兩個峰值,分別出現(xiàn)在下午至傍晚和午夜至清晨時段[3,5-6,15]。公衍鐸[6]發(fā)現(xiàn)華北平原西部區(qū)域小時降水量不小于20 mm的短時強降水具有夜間峰值特征。京津冀地區(qū)夏季降水總體呈現(xiàn)午后至傍晚和凌晨較強的特點,而沿海區(qū)域呈多夜雨特征[11,19]。

不同月份的降水和對流日變化差異較大[14]。7月下旬—8月中旬華北進入主雨季且日降水峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榍宄縖17];其中京津冀平原區(qū)域在7—8月降水發(fā)生在清晨的概率最大[11]。梁蘇潔等[10]研究京津冀地區(qū)暖季降水發(fā)現(xiàn),1970—2015年5—6月午后短時降水事件次數(shù)有所增加,但7—8月夜間至凌晨累積降水量自1997年之后明顯減少,9月夜間降水量自21世紀初有所增強。

盡管京津冀及周邊地區(qū)暖季降水特征研究已經(jīng)取得大量成果,但針對不同區(qū)域不同時段、不同類型降水年際變化和日變化等的對比研究鮮見報道。因此,本研究將京津冀及周邊地區(qū)劃分為兩個區(qū)域,分別研究一般性降水和短時強降水的時間變化特征,以進一步加深對不同強度降水時間演變規(guī)律的認識。

1 資料和方法

本研究使用的資料為國家氣象信息中心提供的1951—2012年全國2420個國家級地面氣象站逐小時降水資料集[20],并進一步補充了2013—2021年的資料。本研究針對暖季(5—9月)的降水。由于該資料集的全國氣象站到1965年才逐漸增加至1000個以上,為了包含盡量多的有長時間觀測序列的氣象站以反映降水的年際變化特征,選取1966—2021年降水資料,篩選出1966—2021年87個氣象站,主要用于年際變化相關(guān)統(tǒng)計;篩選出1980—2021年298個氣象站(包含1966—2021年87個氣象站),主要用于日變化特征分析。同公衍鐸[6]、Zheng等[5]篩選站點的方法類似,當年有效記錄的時次數(shù)不低于該年暖季總體應(yīng)觀測時次數(shù)的80%時,認為該氣象站當年的觀測有效,反之則為無效。

本文所研究的是京津冀及周邊地區(qū)(圖1,范圍為34°～43°N,113°～123°E),已有研究表明:京津冀及周邊地區(qū)大部分區(qū)域年平均降水量超過500 mm[21],渤海西側(cè)平原區(qū)域(圖1黑框區(qū)域,范圍為37°～41°N,115°～119.5°E)是其中的暴雨頻發(fā)區(qū)[21],小時降水量不低于20 mm的短時強降水和12 h降水量不低于100 mm發(fā)生頻率較高[3,6]。

因此,本研究將京津冀及周邊地區(qū)劃分為兩個區(qū)域(圖1)。第1個區(qū)域是前文所述的渤海西側(cè)平原區(qū)域,包含了1966—2021年逐年均符合前述篩選標準的降水觀測站21個,1980—2021年則有110個;第2個區(qū)域為京津冀及周邊地區(qū)中渤海西側(cè)平原以外的區(qū)域。

本研究基于小時降水量不低于0.1 mm的所有降水。短時強降水指小時降水量不低于20.0 mm[3],代表對流性降水[3-4,6];一般性降水指不滿足短時強降水定義的降水。對于某一測站和某一時段,短時強降水降水量總和為小時降水量不低于20.0 mm的小時降水量總和,短時強降水時次總和為小時降水量不低于20.0 mm的時次總和;總有效觀測時次為有效觀測記錄的時次總和,一般性降水的有效觀測時次為一般性降水有效觀測記錄的時次總和,短時強降水的有效觀測時次為短時強降水有效觀測記錄的時次總和[16,22]。

根據(jù)已有研究[6,16]的定義方法,對于某一測站,將一般性降水的平均小時降水量定義為一般性降水量總和與總有效觀測時次的比值,一般性降水的降水時次百分比為一般性降水時次總和與一般性降水的有效觀測時次比值,一般性降水的平均小時降水強度為一般性降水量總和與一般性降水時次總和的比值。類似地,定義短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比和平均小時降水強度。

參考Taszarek等[23]對平均小時降水量、降水時次百分比和平均小時降水強度的年際變化進行3年滑動平均分析年際變化,采用線性傾向估計方法得到三者的時間變化趨勢。

參考公衍鐸[6]對降水日變化標準化的定義,1966—2021年降水年際變化的標準化是用每年的平均值與1966—2021年平均值之比的時間序列表示,1980—2021年降水標準化也采用同樣方法。降水日變化的標準化則是用01:00—24:00(北京時,下同)逐時降水平均值除以24 h降水平均值得到,日變化年際變化的標準化用每年01:00—24:00逐時平均值除以1966—2021年逐時平均值的時間序列表示。

2 空間分布特征

總體上京津冀及周邊地區(qū)年平均暖季一般性降水量(圖2a填色)是總降水量的主要部分,顯著高于年平均暖季短時強降水。 從降水時次百分比看,圖2c顯示京津冀及周邊地區(qū)一般性降水平均占比約為6%,其中天津與河北中部為一般性降水低值區(qū)。

續(xù)圖2

一般性降水的時次百分比也顯著高于短時強降水的時次百分比,但渤海西側(cè)平原區(qū)域的東北部短時強降水占總降水時次百分比顯著高于區(qū)域內(nèi)其他地區(qū),進一步表明該區(qū)域為短時強降水的高發(fā)區(qū)。

對比圖2平均小時降水強度可知,一般性降水的平均小時降水強度僅約為短時強降水平均小時降水強度的1/15,這與以往研究得到的層狀云降水強度[5]基本一致。還需要指出的是,在渤海西側(cè)平原區(qū)域西南部存在一個短時強降水平均小時降水強度最大而平均年降水量、降水時次百分比卻為相對低值的區(qū)域,表明該區(qū)域短時強降水呈現(xiàn)明顯極端性,降水的對流性顯著,這可能同該區(qū)域的特殊地形(太行山在該區(qū)域存在東向開口的喇叭口地形)與石家莊等城市熱動力差異和大氣環(huán)流間相互作用有關(guān)。

3 暖季降水的年際變化特征

3.1 不同類型降水年際變化

渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水和短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比(圖3)為增長趨勢,短時強降水的增加趨勢比一般性降水更明顯且波動幅度也更大。渤海西側(cè)平原區(qū)域一般性降水和短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比的變化趨勢為略有減少但不顯著,這可能是與該區(qū)域年際變化振幅明顯大于渤海西側(cè)平原以外區(qū)域以及下文給出的暖季不同階段的變化趨勢不同相關(guān)。以上結(jié)果與1980—2021年暖季298個氣象站計算結(jié)果基本一致,但1980—2021年暖季渤海西側(cè)平原區(qū)域的一般性降水和短時強降水的平均小時降水量和降水時次百分比增加趨勢較顯著。

圖3 1966—2021年暖季渤海西側(cè)平原以外區(qū)域和渤海西側(cè)平原區(qū)域的平均小時降水量、降水時次百分比和平均小時降水強度3年滑動平均Fig.3 Three-year running standardized averaged hourly rainfall amount,frequency,intensity over Beijing,Tianjin,Hebei and its neighbouring areas excluding the west plains of the Bohai Sea Region and the west plains of Bohai Sea Region during warm season of 1966-2021

對于平均小時降水強度(圖3),兩區(qū)域一般性降水和短時強降水的平均小時降水強度變化幅度均不大,只是渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水略有增加,這是因為該區(qū)域一般性降水平均小時降水量增加趨勢顯著大于降水時次百分比增加趨勢。

3.2 暖季不同階段降水年際變化

由于華北地區(qū)強降水主要發(fā)生在7—8月[8-9],因此,本文比較春末夏初5—6月(圖略)、盛夏7—8月(圖4)、初秋9月(圖略)一般性降水和短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比和平均小時降水強度的年際變化。

圖4 同圖3,但為1966—2021年7—8月Fig.4 The same as in Fig.3,but for Jul and Aug from 1966 to 2021

對于平均小時降水量、降水時次百分比,5—6月兩個區(qū)域一般性降水和短時強降水均為增加趨勢,與整個暖季變化趨勢一致;7—8月渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水和短時強降水也為增加趨勢,而渤海西側(cè)平原區(qū)域則均為減小趨勢;9月渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水和短時強降水均大幅減小,但渤海西側(cè)平原區(qū)域變化趨勢不明顯。

對于平均小時降水強度,兩個區(qū)域暖季不同階段的短時強降水年際變化趨勢均不明顯,同整個暖季年際變化趨勢(圖3)基本一致,但7—8月渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水強度的增加趨勢較整個暖季明顯。

5—8月渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水和短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比在整個暖季均為增加趨勢;對于渤海西側(cè)平原區(qū)域,5—6月一般性降水和短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比呈增加趨勢、7—8月呈減少趨勢(圖4)和9月無明顯趨勢,且平均小時降水量和降水時次百分比的年際變化波動性明顯大于渤海西側(cè)平原以外區(qū)域(圖3),因此該區(qū)域整個暖季的年際變化變化趨勢不明顯。

4 暖季降水日變化特征

4.1 不同類型降水總體日變化

本節(jié)分析兩個區(qū)域一般性降水和短時強降水標準化的日變化特征。分別采用1966—2021年和1980—2021年有效觀測站降水資料進行日變化特征分析,二者特征非常類似,由于1980—2021年有效觀測站數(shù)量更多,且日變化特征更為清晰,因此圖5和圖6均采用1980—2021年降水數(shù)據(jù)。

圖5 1980—2021年暖季渤海西側(cè)平原以外區(qū)域和渤海西側(cè)平原區(qū)域標準化的平均小時降水量、降水時次百分比和平均小時降水強度日變化Fig.5 Standardized diurnal variations of averaged hourly rainfall amount,frequency and intensity over Beijing,Tianjin,Hebei and its neighbouring areas excluding the west plains of the Bohai Sea Region and the west plain of Bohai Sea Region during warm season from 1980 to 2021

圖6 同圖5,但為1980—2021年5—6月Fig.6 The same as in Fig.5,but for May to Jun from 1980 to 2021

渤海西側(cè)平原區(qū)域較渤海西側(cè)平原以外區(qū)域降水的夜發(fā)性更顯著,一般性降水和短時強降水峰值持續(xù)時間也更長,這與渤海西側(cè)平原區(qū)域主要為平原和沿海,而渤海西側(cè)平原以外區(qū)域包括較多山地相關(guān),夜間降水的成因與地形和海陸等不同下墊面分布導(dǎo)致的局地環(huán)流日變化有關(guān)[17,24-26],也與低空急流位置及其日變化密切相關(guān)[27]。

由圖5可知,兩個區(qū)域一般性降水的平均小時降水量、降水時次百分比均存在午夜后至清晨與傍晚兩個持續(xù)時間較長的峰值時段;午夜后一般性降水平均小時降水量峰值與傍晚時段大致相當,而降水時次百分比午夜后的峰值顯著高于傍晚時段。渤海西側(cè)平原區(qū)域一般性降水的平均小時降水量和降水時次百分比峰值持續(xù)時間顯著大于渤海西側(cè)平原以外區(qū)域,且午夜后的峰值較前半夜變化不大,這可能與兩個區(qū)域的下墊面分布差異密切相關(guān)。值得注意的是,一般性降水平均小時降水強度僅傍晚1個峰值,表明一般性降水在傍晚時段顯著強于午夜后。

圖5兩個區(qū)域的短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比日變化幅度較一般性降水更顯著,均呈主峰在傍晚時段、次峰在午夜后的特征;渤海西側(cè)平原區(qū)域的短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比的傍晚主峰持續(xù)時間較渤海西側(cè)平原以外區(qū)域更長,約為2 h,且渤海西側(cè)平原區(qū)域接近中午時段的谷值更低,而渤海西側(cè)平原以外區(qū)域的主峰值略高于渤海西側(cè)平原區(qū)域。此外,相比于一般性降水,短時強降水平均小時降水量、降水時次百分比的峰值持續(xù)時間明顯較短,平均小時降水強度則幾乎無明顯日變化。

4.2 暖季不同階段降水日變化

兩個區(qū)域在5—6月(圖6)、7—8月(圖略)和9月(圖略)的午夜后至清晨以及傍晚時段均是一般性降水平均小時降水量和降水時次百分比的峰值時段,但5—6月主峰值為傍晚時段,體現(xiàn)了春末夏初對流主要發(fā)生在傍晚的特點;7—8月和9月一般性降水平均小時降水量和降水時次百分比的主峰值為午夜后至清晨,且與渤海西側(cè)平原以外區(qū)域相比,渤海西側(cè)平原區(qū)域午夜后至清晨的一般性降水平均小時降水量更大,降水時次百分比的峰值維持時間更長,這體現(xiàn)了受東亞夏季風(fēng)影響的夏季降水日變化特征。

對于短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比,5—6月兩個區(qū)域的短時強降水主要由傍晚時段對流導(dǎo)致;7—8月與暖季整體日變化分布相似,其中渤海西側(cè)平原區(qū)域午夜后至清晨的次峰值明顯高于渤海西側(cè)平原以外區(qū)域且半峰持續(xù)時間也更長,超過約2 h;9月前半夜時段與后半夜至清晨的對流降水活躍度大致相當,不過渤海西側(cè)平原區(qū)域的兩個峰值更為突出。

兩個區(qū)域降水日變化的年際變化也存在較多差異,主要表現(xiàn)為渤海西側(cè)平原以外區(qū)域午夜后至清晨短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比增加顯著,這可能是因為渤海西側(cè)平原以外區(qū)域包括了暖季降水量更多的山東和河南北部等區(qū)域。

4.3 暖季降水日變化的年際變化

本節(jié)考察暖季一般性降水和短時強降水日變化的年際變化特征。從圖7平均小時降水量、降水時次百分比看,渤海西側(cè)平原以外區(qū)域和渤海西側(cè)平原區(qū)域一般性降水平均小時降水量和降水時次百分比在1970—1980年和2010之后較多,但12:00—17:00下午時段一般性降水平均小時降水量存在明顯減少趨勢。2010年以后兩個區(qū)域短時強降水18:00 左右傍晚時段有所增加,在12:00—17:00下午時段有所減弱,午夜后至清晨時段增加非常明顯,但渤海西側(cè)平原區(qū)域顯著性略差。

由圖7平均小時降水強度可知,兩個區(qū)域的一般性降水和短時強降水的年際變化均不突出,但由于兩類降水平均小時降水量和降水時次百分比存在變化,2005年后午夜后至清晨時段(約為00:00—08:00)兩類降水平均小時降水強度總體有所增強,但渤海西側(cè)平原區(qū)域顯著性略差。

結(jié)合3.2節(jié)可知,渤海西側(cè)平原以外區(qū)域短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比年際變化增加趨勢對應(yīng)該區(qū)域午夜后至清晨短時強降水顯著增加;而渤海西側(cè)平原區(qū)域短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比年際變化不顯著是該區(qū)域午夜后時段增加幅度不顯著且與下午時段的減弱相抵消的結(jié)果。

5 結(jié)論與討論

利用國家級氣象站小時降水長時間序列統(tǒng)計分析暖季京津冀及周邊地區(qū)兩個區(qū)域(渤海西側(cè)平原區(qū)域和渤海西側(cè)平原以外區(qū)域)的一般性降水和短時強降水的空間分布、年際變化、日變化以及日變化的年際變化特征及差異的原因,主要結(jié)論如下:

1) 京津冀及周邊地區(qū)暖季一般性降水平均小時降水量和降水時次百分比顯著高于短時強降水,但渤海西側(cè)平原區(qū)域中存在短時強降水的平均小時降水強度大而平均小時降水量、降水時次百分比均為相對低值的區(qū)域,相比于渤海西側(cè)平原以外區(qū)域的鄰近區(qū)域短時強降水具有更強的極端性,降水的對流性更顯著。

2) 1966—2021年暖季渤海西側(cè)平原以外區(qū)域一般性降水和短時強降水的平均小時降水量、降水時次百分比呈增長趨勢,其中短時強降水增幅更為顯著;而渤海西側(cè)平原區(qū)域整個暖季降水年際變化趨勢不明顯,是由該區(qū)域年際變化波動幅度大、且7—8月一般性降水和短時強降水均減少、其他月份均增加所致。

3) 兩個區(qū)域短時強降水較一般性降水均具有更明顯的日變化。渤海西側(cè)平原以外區(qū)域暖季午夜后短時強降水較傍晚時段顯著減弱;渤海西側(cè)平原區(qū)域具有更明顯的夜發(fā)性,尤其7—9月相比于渤海西側(cè)平原以外區(qū)域,渤海西側(cè)平原區(qū)域的兩類降水平均小時降水量和降水時次百分比午夜后至清晨次峰明顯、半峰持續(xù)時間超過約2 h。

4) 從降水日變化的年際變化看,兩個區(qū)域的一般性降水平均小時降水量和降水時次百分比具有不同的年際變化特征,但下午時段一般性平均小時降水量均呈明顯減少趨勢。2005年以后渤海西側(cè)平原以外區(qū)域和渤海西側(cè)平原以外區(qū)域短時強降水平均小時降水量和降水時次百分比下午時段明顯減弱,而午夜后至清晨增加較明顯。

本文得到暖季京津冀及周邊地區(qū)兩個區(qū)域一般性降水和短時強降水的地理分布、時間演變特征,這兩個區(qū)域二類降水年際變化差異形成的根本原因是大氣環(huán)流、水汽條件和對流條件的差異;除了大尺度大氣環(huán)流的影響,還可能與下墊面分布差異密切相關(guān),后續(xù)工作將在前人降水機制研究[28-30]基礎(chǔ)上使用多源觀測、再分析和數(shù)值模擬等資料研究其物理機制。