北京市夏季降水年代際變化特征及成因分析

摘要： 本文利用北京市1961年～2010年夏季地面氣象觀測資料，運用數理統計、相關性分析、M-K突變檢驗等方法，研究了北京市夏季降水年代際變化，得出以下結論：北京市夏季降水呈現逐年遞減趨勢，8月份遞減幅度最為顯著，且20世紀60年代與80年代之間相關性最高。1974年為北京市夏季降水突變年，夏季降水量與平均相對濕度之間存在正相關性，與平均氣壓、平均氣溫、平均風速之間均存在弱的負相關性。

關鍵詞：降水；夏季；相關性分析；M-K檢驗

中圖分類號： P467 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.08.061

北京市降水從20世紀60年代起呈現減少趨勢，70年代以來，降水量減少最為顯著[1]。降水量的逐漸減少使得北京市的水資源變得十分嚴峻，對人們生活、工農業的發展等都造成了很大威脅。

目前，國內很多學者對不同地區降水量時空分布特征進行研究。朱龍騰[2]等利用北京市逐年降水和氣溫氣象資料，對北京市降水和氣溫的年代際變化進行分析。研究表明，北京市降水呈遞減趨勢，且1974年為年降水量突變年。張秀麗[3]等利用北京市逐日觀測資料，采用DFA分形理論，根據求出的Hurst指數值的大小判斷未來降水變化趨勢。王文[4]等利用北京11個臺站逐日降水和氣溫資料，對北京市降水與氣溫變化特征進行分析。結果表明，北京市年降水量呈遞減趨勢，而氣溫呈遞增趨勢。謝莊[5]等根據北京地區120年逐年氣溫和降水資料，對北京地區近百年氣溫與降水變化情況進行分析研究。研究表明，北京的年降水從20世紀50年代至80年代呈持續下降趨勢。李春[6]等利用華北夏季降水、海平面氣壓等氣象資料，對我國華北夏季降水年代際變化特征進行分析研究。結果表明，華北地區夏季降水呈遞減趨勢。李宏毅[7]等利用華南地區4，5月份降水量數據、海溫資料和再分析資料，對華南地區4、5月份降水量年代際變化特征進行分析研究，以及所對應的大尺度環流的關系進行了一系列分析。研究表明，華南地區4～5月份降水量均在20世紀70年代初期發生較為明顯的年代轉變。

北京為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨。年降雨量約為483.9毫米，為華北地區降雨最多的地區之一。降水季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6月、7月、8月三個月，7月和8月有大雨。本文利用北京市夏季6月、7月、8月逐年降水資料，使用數理統計方法、M-K檢驗、小波分析等方法，對北京市夏季降水年代際變化進行分析研究。

1 資料來源

本文使用北京市1961年～2010年夏季6月、7月、8三個月逐年降水資料，分析北京市夏季降水年代際活動特征。用6月、7月、8月三個月降水資料之和來代表北京市夏季降水變化，本文不考慮毛毛雨情況。數據來源于北京市基準地面氣象觀測站及自動站數據集，使用日平均氣壓、日平均氣、日平均相對濕度、日平均風速4個指標數據，來對北京市夏季降水影響因子進行分析。

2方法簡介

2.1 氣候傾向率

為了反映北京市夏季降水量的年代際變化趨勢，這里用一次直線方程來定量描述，即：

■

式中：■為時間，單位為a，■為月降水量距平值，單位為mm。

c=a×10

式中：c稱為氣候傾向率，即表示每10年北京市降水量的變化值。

2.2 相關性分析

若變量的取值■（j=1，2，...m），則可以用變量■和■的樣本相關系數作為它們的相似性度量。

■

2.3 M-K突變檢驗

方法是一種非參數統計檢驗方法，其僅用于檢測序列的變化趨勢，計算步驟如下：對于具有■個樣本的時間序列■，構造一秩序列：■其中■，可見，秩序列是第i時刻數值大于第■時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨即獨立的假定下，定義統計量■其中■， 是累計數■的均值和方差，在■是相互獨立，具有相同連續分布時，可由下式算出：

■

■

3北京市夏季降水量的時間變化

3.1夏季降水量年際變化特征

圖1為1961年～2010年北京市夏季降水年際變化曲線，圖中虛星線為降水量距平實測值，實線為一元回歸方程擬合值，擬合值均通過0.05顯著性水平檢驗。從（a）圖中可以看出，北京市夏季降水量波動幅度較大，在1975年～1995年之間，夏季降水量以正距平為主，說明了在此期間北京市夏季降水量較多；然后1996年～2010年之間，夏季降水量以負距平為主，表明了在此期間夏季降水量較少。從一元回歸方程可以看出，氣候傾向率為-32.2mm/10年，表示夏季降水量總體呈遞減趨勢，每10年夏季降水量距平值減少32.2mm。從（b）圖可以看出，6月份降水總體上呈遞增趨勢，但遞增幅度較小，其氣候傾向率為2.9mm/10年，表明了6月份降水距平值每10年增加2.9mm。（c）圖中可以看出，在1967年～1976年期間，降水距平值以正距平為主，說明了在此期間7月份降水較多；在1977年～1984年期間，降水距平值以負距平為主，說明了在此期間7月份降水較少；在1985年～1999年期間，降水距平值以正距平為主，說明了在此期間7月份降水較多；2000年～2010年期間，降水距平值以負距平為主，說明了在此期間7月份降水較少。從一元回歸方程可以看出，7月份降水總體呈遞減趨勢，其氣候傾向率為-11.5mm/10年，表示每10年降水距平值減少11.5mm。（d）圖可以看出，8月份降水波動幅度較大，氣候傾向率為-23.6mm/10年，表明每10a，降水距平值減少23.6mm，遞減幅度較大。

3.2夏季降水量年代際相關性分析

為了研究北京市夏季降水量各年代之間的相關性，運用matlab編程求得其之間的相關性系數（見表1）。從表1可以看出，20世紀60年代與70年代之間相關性系數為0.411，處于（0.3，0.5）之間，表明了60年代夏季降水與70年代夏季降水存在較為顯著的正相關性。60年代與80年代相關性系數為-0.8104，處于（0.8，0.9）之間，表明了60年代降水與80年代存在顯著性較高的負相關性關系。20世紀60年代與90年代、21世紀初相關性系數均低于0.3水平，表明兩者之間相關性較弱。20世紀70年代夏季降水量與各年代之間相關性系數也均低于0.3水平，說明70年代與其余年代之間無相關性。

3.3夏季降水量突變檢驗

從圖2北京市夏季降水M-K統計曲線可以看出，從1961年開始UF曲線小于0，表明從1961年開始北京市在夏季降水量呈遞增趨勢。從1982年開始UF曲線超出臨界線，表明了夏季降水從1982年開始遞減趨勢非常顯著。UF和UB兩條曲線的交點所對應的時刻約為1974年，且交點在臨界線信度之內，則表明1974年為北京市夏季降水突變年。

4 北京市夏季降水相關影響因子分析

很多學者做過研究，夏季降水呈現遞減趨勢，除了與環流背景、海溫這兩個因數有關外，造成降水減少的主要因素有：風速、相對濕度、氣溫、氣壓等。本文由于部分數據的缺失，僅考慮平均氣壓、平均氣溫、平均相對濕度、平均風速這幾個因子。

由于量綱單位不一致，首先對平均氣壓、平均氣溫、平均相對濕度、平均風速、夏季降水量這5個因子數據做標準化處理。本文將因子數據都歸一化在[0，1]之間，具體處理方程如下：

式中：■為因子數據時間序列，■為因子時間序列最小值， 為因子時間序列最大值。對標準化處理后的數據使用相關性分析，結果見表2：

從表2個中的因子之間相關性系數結果可以看出，夏季降水量與平均相對濕度之間存在正相關性，但相關性不太顯著。夏季降水量與平均氣壓、平均氣溫、平均風速之間均存在弱的負相關性。圖3為降水與各因子歸一化后之間關系變化曲線，（a）圖中可以看出，在1961年～1970年之間相對濕度與降水趨勢基本一致，1971年～1980年之間相對濕度歸一化值高于降水，1980年以后，兩條曲線又保持很好的一致性；（b）圖可以看出，平均氣壓與降水之間走勢相差較大，平均氣壓處于一種較為穩定的波動狀態；（c）圖可以看出，在1961年～1970年之間平均氣溫與降水趨勢走勢一致。1985年后，平均氣溫與降水呈反相關性，降水呈遞減趨勢，而氣溫呈遞增趨勢。

5結論

本文使用1961年～2010年北京市夏季氣象觀測資料，對其年代際變化特征進行分析，得出以下結論：

一是通過對北京市夏季降水年代變化特征分析得出：夏季降水量總體呈遞減趨勢，10年降水量距平值減少32.2mm。其中，6月份降水總體上呈遞增趨勢，降水距平值每10年增加2.9mm。7月份降水總體呈遞減趨勢，每10年降水距平值減少11.5mm。8月份降水每10年降水距平值減少23.6mm，遞減幅度較大。60年代夏季降水與70年代夏季降水存在較為顯著的正相關性，60年代降水與80年代存在顯著性較高的負相關性關系。其余年代之間相關性較弱。二是通過對北京市夏季降水減少影響因子分析得出：夏季降水量與平均相對濕度之間存在正相關性，但相關性不太顯著。夏季降水量與平均氣壓、平均氣溫、平均風速之間均存在弱的負相關性。

參考文獻

[1]葉篤正，黃榮輝.長江黃河流域旱澇規律和成因研究[J].濟南：山東科學技術出版社，1996：387.

[2]朱龍騰，陳遠生，燕然然，等.1951年至2010年北京市降水和氣溫的變化特征[J].資源科學，2012，34（07）：1287-1297.

[3]張秀麗，孫燕，祁文.北京逐日氣溫和降水量的長程變化特征[J].氣象科學，2008，28（04）：421-425.

[4]王文，張薇，蔡曉軍.近50a來北京市氣溫和降水的變化[J].干旱氣象，2009，27（04）：350-353.

[5]謝莊，王桂田.北京地區氣溫和降水百年變化規律的探討[J].大氣科學，1994，18（06）：683-690.

[6]李春，孫照渤，陳海山.華北夏季降水的年代際變化及其與東亞地區大氣環流的聯系[J].南京氣象學院學報，2002，25（04）：455-462.

[7]李宏毅，林朝暉，陳紅.我國華南4、5月份降水年代際變化的特征及其與中西太平洋海溫的可能關系[J].氣候與環境研究，2012，17（04）：481-494.

作者簡介：張輝，本科學歷，助理工程師，研究方向：航空氣象預報。