1961-2012年京津冀地区不同等级降水日数时空演变特征

1961-2012年京津冀地区不同等级降水日数时空演变特征
刘金平;韩军彩;向亮;范引琪
【摘要】利用1961—2012年京津冀地区78个气象站逐日降水资料，采用趋势
分析、Morlet小波和经验正交函数（EOF）等方法，分析京津冀地区不同等级降
水日数的时空演变特征。

结果表明：近52 a来，京津冀地区各等级降水日数的变化趋势不明显。

空间分布上，降雨日总数和小雨日数呈自西北向东南递减的特征；中雨日数和大雨日数分别存在两个大值中心，二者大值中心的位置相似，一个位于京津冀地区东北部，另一个位于西部太行山区；暴雨日数的空间分布特征不明显，具有随机性。

降雨日总数和小雨日数存在准13 a和准6 a两个尺度的振荡周期；
中雨日数、大雨日数及暴雨日数存在15—18 a和8—11 a两个尺度的振荡周期。

EOF第一模态分析表明，降京津冀地区各等级降水日数在全区具有较好的一致性；第二模态分析表明，降雨日总数、小雨日数、中雨日数和大雨日数具有南北反位相的特征，暴雨日数具有西北部和东部多（少）、中部和西部少（多）的分布特征。

%Based on daily precipitation data at 78 weather stations of Beijing-Tianjin-Hebei region during 1961-2012,spatial and temporal evolution of precipitation days at different levels were analyzed using methods of a trend analysis,a Morlet wavelet and an empirical orthogonal
function(EOF).The results show that it has not a signifi-cant trend for precipitation day at different levels in the recent 52 years in the study area.Spatial distribution of the total rain and light rain days is in a decreasing trend from northwest to southeast.The moderate and heavy rain days have two similar centers of high values,and both are located in the northeast of Beijing-Tianjin-Hebei region and in the west of
Taihangshan mountain region,respectively.However,the spatial distribution of torrential rain day has no significant feature and it is random.Both total and light rain days have two time-scale oscillation periods i.e.13 years and 6 years,so are moderate,heavy and torrential rain days i.e.15-18 years and 8-1 1 years.The first mode of EOF analysis suggests that the number of precipitation days in all levels has a better consistency in the region. The second mode of EOF analysis suggests that total rain days,light,moderate and heavy rain days have an oppo-site phase in the north and south,and torrential rain days is more(less)in the northeast and east of study area,less (more)in middle and west of study area.
【期刊名称】《气象与环境学报》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】8页(P43-50)
【关键词】降水日数;降水等级;周期
【作者】刘金平;韩军彩;向亮;范引琪
【作者单位】河北省气候中心，河北石家庄050021;石家庄市气象局，河北石家庄050081;河北省气候中心，河北石家庄050021;河北省气候中心，河北石家庄050021
【正文语种】中文
【中图分类】P468.0+24
降水是表征气候变化的重要气象要素之一，与人类生产活动和动植物的生长发育密切相关。

近年来，随着全球气候变暖，中国的极端天气气候事件频繁发生，尤其是极端降水事件趋多且趋强，导致旱涝灾害加剧，严重影响农业生产和社会经济的可持续发展。

翟盘茂和邹旭恺［1］、翟盘茂和潘晓华［2］研究表明，华北地区强
降水事件发生呈减少的趋势，降水量是中国干旱变化的最主要原因；严中伟和杨赤［3］研究发现，中国北方干旱化问题主要体现在微量降水事件的显著减少，而降水量并无显著变化；郝立生等［4］研究发现，中国华北地区盛夏暴雨事件对夏季降水量和全年降水量的变化有重要贡献；白爱娟和刘晓东［5］研究发现，降水量时空的不均匀分布导致降水极端事件频繁发生，是近年来旱涝灾害增多的一个重要原因；刘学锋等［6］分析近47 a海河流域的降水事件发现，极端强降水量减少
是极端强降水强度和发生频率减少共同作用的结果；谢志清等［7］研究发现，长江三角洲一次连续过程的降水量极大值的空间分布相对集中。

上述研究表明，旱涝灾害的发生不仅与降水量有一定的关系，而且与降水强度和发生频率有密切的关系。

因此，仅分析总降水量和强降水的变化不能全面揭示降水的特征。

目前，对不同等级降水量和降水日数的研究已较多［8－14］，而对京津冀地区降水的研究主要集中在降水量方面［15－19］，对降水日数的研究较少，且研究范
围较小，研究方法也以简单的趋势分析为主。

韩军彩等［20］分析了石家庄市不
同等级降水日数的时空分布，发现石家庄市年降水日数和各等级降水日数均呈减少的趋势；李春等［21］分析了天津降水日数的变化特征，发现近50 a天津年降水日数总体呈减少的趋势，并在1980年前后发生一次明显突变。

本文对1961—2012年京津冀地区不同等级降水日数及其变化趋势进行分析，揭示京津冀地区不同等级降水日数的时空变化特征，以期为掌握区域气候变化规律和应对旱涝灾害提供科学依据。

资料来源于河北省气候中心、北京市气候中心和天津市气候中心的1961—2012
年78个气象观测站的逐日降水资料（图1），对其中部分缺测的数据通过同一站
点和其邻近站点前后时间的数据插值补齐［10，12］。

降水量等级按照中国气象
局颁布的《降水强度等级划分标准（内陆部分）》的24 h降水量范围为分类的参考依据，去除过渡等级，本文划分为小雨、中雨、大雨和暴雨4个等级（表1）。

采用线性倾向估计法分析降水日数的变化趋势；采用Morlet小波法分析年降水日数时间序列的变化振荡周期；采用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）法分析降水日数的空间变化特征［22］。

2.1 不同等级降水日数及其变化趋势空间分布
2.1.1 不同等级降水日数空间分布
由表1可知，1961—2012年京津冀地区年平均降水日数为71.0 d，其中小雨日
数占降雨日总数的79.9%，比重最大；中雨日数占降雨日总数的13.3%；大雨和
暴雨日数占降雨日总数的比重小于10%。

除中雨日数呈略增加的趋势外，降雨日
总数、小雨日数、大雨日数和暴雨日数均呈减少的趋势，但变化趋势均未通过
0.05水平的显著性检验，说明京津冀地区各等级降水日数的变化趋势不明显，与
华东地区降雨日总数和小雨日数呈显著减少的趋势，暴雨日数呈显著增加的趋势有明显的不同［12］。

图2为1961—2012年京津冀地区不同等级降水日数的空间分布，由图2可以看出，京津冀地区降雨日总数呈由西北向东南递减的特征，降雨日总数最大值出现在张家口的崇礼，中心数值达109.2 d；降雨日总数最小值出现在东部平原的霸州，中心数值为59.5 d（图2a）。

小雨日数的空间分布、趋势及高低值位置（图2b）均与降雨日总数较相似，这与小雨日数占降雨日总数79.9%的最大比重密切相关；在一定程度上，小雨日数的空间分布基本可以表征降雨日总数的分布特征［12］。

由中雨日数的空间分布可以看出（图2c），中雨日数分布存在两个高值中心，一
个中心位于东北部的兴隆和遵化一带，中心数值达12.2 d；另一个中心位于西部
太行山区的涞源，中心数值达11.1 d；以两个高值中心为连线，中雨日数向两侧逐渐递减，并在京津冀的西北部和东南部分别有两个低值中心，西北部的低值中心位于张家口的康保，东南部的低值中心位于邯郸的威县和曲周，两个低值中心的中雨日数均不足8.0 d。

由京津冀地区大雨日数的空间分布可知（图2d），除张家口和承德西部地区的大雨日数少于3.0 d外，其他地区大雨日数均为3.0 d以上；大雨日数的两个高值中心分别位于东北部的唐山和兴隆一带及西部太行山区的保定和石家庄交界地区，其中，唐山的大雨日数达5.3 d。

由京津冀地区暴雨日数的空间分布可以看出（图2e），暴雨日数的空间分布特征不明显，具有随机性，全区暴雨日数均为3.0 d以下，西北部的张家口大部地区年平均暴雨日数不足1.0 d。

2.1.2 不同等级降水日数变化趋势的空间分布
1961—2012年京津冀地区81.6%的站点降雨日总数呈减少的趋势（图3a），其中天津的塘沽减少趋势最显著，中心值为3.3 d／10 a；其他减少趋势较明显的站点分布在张家口中部、承德南部、廊坊中部、沧州西部及石家庄和邢台交界一带，中心数值均超过2.0 d／10 a。

降雨日总数呈增加趋势的站点主要分布在张家口北部、承德西部、石家庄西部及承德中部地区，其中除张家口的康保降雨日总数的增加趋势达1.4 d／10 a，其他地区降雨日总数的增加趋势均未超过1.0 d／10 a。

小雨日数与降雨日总数的变化趋势基本一致（图3b），等值线的分布、趋势和极值位置均较相似。

其中，17个站的降雨日总数变化趋势通过0.05水平的显著性检验，占全部站点的21.8%；13个站的小雨日数变化趋势通过0.05水平的显著性检验，占全部站点的16.7%，说明京津冀大部地区降雨日总数和小雨日数变化趋势不明显。

此外，降雨日总数变化趋势通过显著性检验的17个站中有10个站的小雨日数的变化趋势也通过了显著性检验，占通过显著性检验的降雨日总数站数的58.8%；而在这17个站中，中雨日数、大雨日数和暴雨日数的变化趋势均未通过显著性检验，说明降雨日总数的减少可能是由于小雨日数减少造成的，与小雨日数
占降雨日总数比重大有关。

2.2 不同等级降水日数空间变化
对1961—2012年京津冀地区78个气象站不同等级降水日数进行EOF分析（表2），了解不同等级降水日数的空间分型。

结果表明，降雨日总数的第一特征向量方差贡献超过50.0%，小雨日数的第一特征向量方差贡献为46.2%；其他量级降水日数第一特征向量方差贡献均未超过30.0%，其中暴雨日数的第一特征向量方差贡献小于20.0%；第二特征向量方差贡献最大的为暴雨日数（12.3%），降雨日总数和小雨日数的第二特征向量方差贡献为10.0%左右，中雨日数和大雨日数的第二特征向量方差贡献为7.0%左右。

图4和图5分别为1961—2012年京津冀地区不同等级降水日数EOF第一和第二特征向量的空间分布，由图4可知，除暴雨日数外，降雨日总数、小雨日数、中雨日数及大雨日数在全区域内均为正值，说明不同等级降水日数的空间变化具有较好的一致性，同增同减，主要是受大尺度天气系统影响造成的；从暴雨日数EOF 第一特征向量的空间分布（图4e）可知，京津冀大部地区均为负值，仅张家口北部和承德中部地区为正值，也具有较好的一致性。

由第二特征向量的空间分布（图5）可以看出，降雨日总数和小雨日数为北部地区为正值，南部地区为负值；中雨日数和大雨日数为北部地区为负值，南部地区为正值；零线基本位于京津冀中部地区，将京津冀地区分为南北两部分；表明了京津冀地区降雨日总数、小雨日数、中雨日数和大雨日数呈南北反位相的分布特征，北多（少）南少（多），主要是由于纬度差异造成的。

从暴雨日数EOF第二特征向量的空间分布（图5e）可以看出，零线将京津冀地区分成3部分，西北部和东部地区为正值，中部和西部地区为负值，表明京津冀地区暴雨日数呈西北部和东部多（少）、中部和西部少（多）的分布特征。

2.3 降水日数时间序列的周期变化
1961—2012年京津冀地区降雨日总数（图6a）和小雨日数（图6b）均存在准
13 a的低频振荡周期和准6 a的高频振荡周期，两个时间尺度的振荡周期均显著
存在；中雨日数（图6c）、大雨日数（图6d）和暴雨日数（图6e）在年代际尺
度上均显著存在15—18 a的周期，振幅较大且周期振荡稳定，在10 a左右的尺
度上，存在8—11 a的振荡周期。

此外，中雨日数（图6c）和大雨日数（图6d）还存在4—6 a的振荡周期，20世纪80年代至90年代中期准6 a周期较明显，20世纪60—70年代和20世纪90年代后期至21世纪初期准5 a周期较明显；
暴雨日数（图6e）在20世纪60年代至21世纪初期存在6—7 a的周期，周期
显著、振幅较大且振荡稳定。

从图6还可以看出，各等级降水的降水日数均存在
准3 a的振荡周期，其中降雨日总数、小雨日数、中雨日数和大雨日数在20世纪60—70年代显著存在，暴雨日数在20世纪60年代显著存在。

综上所述，近52 a京津冀地区降水日数的变化并没有固定的周期，而是大、中、
小多种周期尺度相互嵌套。

降雨日总数和小雨日数存在3个不同时间尺度的振荡
周期，中雨日数、大雨日数和暴雨日数存在4个不同时间尺度的振荡周期；在相
同的时间尺度上，中雨日数、大雨日数和暴雨日数的振荡周期大于降雨日总数及小雨日数的振荡周期。

（1）1961—2012年京津冀年平均降水日数为71.0 d，小雨日数占降雨日总数的79.9%。

各等级降水日数的变化趋势不明显，京津冀地区80%以上的站点降雨日
总数呈减少的趋势，其中有17个站的减少趋势通过显著性检验，主要是由于小雨日数减少造成的。

降水日数的减少对增加土壤墒情不利，因此应加强水分管理，应对旱涝灾害对农业生产的影响。

在空间上，降雨日总数和小雨日数呈自西北向东南递减的特征，大值中心位于张家口中部；中雨日数和大雨日数均有两个大值中心，二者大值中心的位置相似，一个位于京津冀东北部的承德和唐山一带，另一个位于西部太行山区；暴雨日数的空间分布特征不明显，具有随机性。

（2）EOF第一特征向量表明，各等级降水日数在京津冀全区具有较好的一致性，同增同减；第二特征向量表明，降雨日总数、小雨日数、中雨日数和大雨日数具有南北反位相的特征，北多（少）南少（多），暴雨日数具有西北部和东部多（少）、中部和西部少（多）的分布特征。

（3）降雨日总数和小雨日数存在3个不同时间尺度的振荡周期，中雨日数、大雨日数和暴雨日数存在4个不同时间尺度的振荡周期，1961—2012年京津冀地区
降雨日总数、小雨日数存在准13 a和准6 a的振荡周期，中雨日数、大雨日数和
暴雨日数存在15—18 a、8—11 a振荡周期。

在相同的时间尺度上，中雨日数、
大雨日数及暴雨日数的振荡周期大于降雨日总数和小雨日数的振荡周期。

因此，京津冀地区各等级降水日数的大、中、小多种周期尺度相互嵌套，具有较强的时频局部特征，小波分析的时频局部化特性可展现降水时间序列的精细结构，可以将序列中的随时间变化的周期振荡显现出来，也可以对时间序列的演变趋势进行定性估计，为分析气候多时间尺度的变化特征及短期气候预测等节水农业关键问题研究提供了新途径。

【相关文献】
［1］翟盘茂，邹旭恺．1951—2003年中国气温和降水变化及其对干旱的影响［J］．气候变化研究进展，2005，1（1）：6－18．
［2］翟盘茂，潘晓华．中国北方近50年温度和降水极端事件变化[J]．地理学报，2003，58（9）：1－10．
［3］严中伟，杨赤．近几十年我国极端气候变化格局[J]．气候与环境研究，2000，5（3）：267
－372．
［4］郝立生，闵锦忠，丁一汇．华北地区降水事件变化和暴雨事件减少原因分析[J]．地球物理学报，2011，54（5）：1160－1167．
［5］白爱娟，刘晓东．华东地区近50年降水量的变化特征及其与旱涝灾害的关系分析[J]．热带
气象学报，2010，26（2）：194－200．
［6］刘学锋，向亮，于长文．海河流域降水极值的时空演变特征[J]．气候与环境研究，2010，15
（4）：451－461．
［7］谢志清，姜爱军，杜银，等．长江三角洲强降水过程年极值分布特征研究[J]．南京气象学院
学报，2005，28（2）：267－274．
［8］陈晓燕，尚可政，王式功，等．近50年中国不同强度降水日数时空变化特征[J]．干旱区研究，2010，27（5）：766－772．
［9］符娇兰，林祥，钱维宏．中国夏季分级雨日的时空特征[J]．热带气象学报，2008，24（4）：367－373．
［10］宁亮，钱永甫．中国年和季各等级日降水量的变化趋势分析[J]．高原气象，2008，27（5）：1010－1020．
［11］朱坚，张耀存，黄丹青．全球变暖情景下中国东部地区不同等级降水变化特征分析[J]．高
原气象，2009，28（4）：889－896．
［12］吴昊旻，黄安宁，姜燕敏．华东地区不同等级降水日数的时空分布特征[J]．气候与环境研究，2013，18（3）：387－396．
［13］王传辉，周顺武，时刚．1967—2008年青藏高原汛期不同强度降水日数变化[J]．气象与
环境学报，2011，27（4）：17－24．
［14］彭贵芬，刘瑜．云南各量级雨日的气候特征及变化[J]．高原气象，2009，28（1）：214－219．
［15］许月卿，李双成，蔡运龙．基于小波分析的河北平原降水变化规律研究[J]．中国科学D辑：地球科学，2004，34（12）：1176－1183．
［16］尤焕苓，任国玉，刘伟东．1961—2010年北京地区降水变化特征[J]．沙漠与绿洲气象，2012，6（4）：13－20．
［17］孙振华，冯绍元，杨忠山，等．1950—2005年北京市降水特征初步分析[J]．灌溉排水学报，2007，26（2）：12－16．
［18］张健，章新平，王晓云，等．京津冀地区近47 a降水量的变化特征[J]．干旱气象，2009，27（1）：74－80．
［19］刘学锋，赵黎明，王颖．京津冀区域春夏季降水的气候变化[J]．地理学与国土研究，2002，18（1）：72－76．
［20］韩军彩，陈静，岳艳霞，等．石家庄市不同等级降水日数的时空分布特征[J]．气象与环境
学报，2009，25（6）：34－38．
［21］李春，刘德义，黄鹤．1958—2007年天津降水量和降水日数变化特征[J]．气象与环境学报，2010，26（4）：8－11．
［22］魏凤英．现代气象统计诊断与预测技术（2版）[M]．北京：气象出版社，2007：6．。