近56年京津冀區域降水量變化特征分析

于占江 金釗 張艷品

摘要按照自然地理條件和氣候的地理分布特征把京津冀分為5個不同的氣候子區域，選取資料序列完整且具有較長時間序列較為均勻分布的87個地面氣象站，運用線性回歸、Mann-Kendall突變檢驗、滑動t檢驗、Morlet小波函數等統計方法，選用1960—2015年逐日降水觀測數據，分別對5個子區域及全區的降水量進行時空變化特征分析。結果表明，近56年來京津冀全區及5個分氣候區年平均降水量變化呈現整體的一致性，均呈波動下降趨勢，冀東平原區下降趨勢顯著，但均未發生明顯突變現象;存在較為顯著的季節性，全區夏季降水量下降趨勢顯著，并于1996年發生突變，總降水量中以7月和8月貢獻最大，降水量減少速率也最快;除太行山區外，其他分氣候區夏季降水量均呈減少趨勢，且冀東平原區減少幅度最大，燕山丘陵在1996年發生了明顯突變;全區及各分氣候區年、季降水量呈現顯著的年際和年代或多年代際變化，主要存在4個周期變化，大致分為3～4、6～10、12～18和20年以上。

關鍵詞京津冀;氣候區;降水量;變化特征;突變檢驗;周期特征

中圖分類號S161.6文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）02-0215-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.064

在全球氣候變暖的大背景下[1]，干旱已成為人類面對的重大環境問題之一。干旱的發生會影響農業的生產，進而造成一系列的社會問題，而與干旱相關的最重要的氣象要素便是氣溫、降水與潛在蒸散量，降水影響更直接[2]。京津冀地處中緯度歐亞大陸東岸，為沿海和內陸交接地帶，屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，地勢西北高、東南低，地形包含平原、盆地、丘陵、山地及高原等[3]，是我國重要的農業生產區域。近些年，受全球氣候變暖的影響，中國京津冀地區氣溫明顯升高，降水量不斷減少，導致干旱問題日益嚴重[3-4]。針對京津冀區域降水變化的研究很多，如向亮等[5]利用正交函數分解、最大熵譜分析及Mann-Kendall 突變性檢驗等方法分析了1961—2011年河北省降水時空分布及變化特征;李春強等[6]分析了河北省1965—2005年不同時間尺度下降水序列的主要周期變化過程及其空間分布特征;李月英等[7]分析了石家莊地區的降水量和氣溫的變化特征;李鵬飛等[2]對京津冀區域近50年氣溫、降水與潛在蒸散量的變化分析。但之前的研究更多的是以行政分區分析河北、北京、天津的氣候變化特征，分析京津冀整體區域的很少，而按氣候的地理分布特征進行分區來研究降水變化特征鮮見報道。因此，筆者在前人工作的基礎上，采用線性趨勢分析法、滑動t檢驗、M-K突變檢驗及小波分析等方法對

近56年來京津冀5個分區及全區降水量的時空變化特征進行更詳細分析，以期在區域層面上深化對京津冀區域降水變化的認識，進而為京津冀區域的降水預測、農業生產及水資源利用提供參考，對指導京津冀農業生產和水資源調控的可持續發展均具有重要意義。

1資料與方法

1.1研究區概況選取河北、北京、天津3個省（市）作為研究區域，位于113°29′～119°58′E、36°01′～42°35′N，地域十分廣闊，南北跨越約6.5個緯距，南北長約730 km，東西寬約560 km，近600 km的海岸線，有高原、山地及平原，地理條件復雜。

參照河北省氣候分區[8]，按北京、天津自然地理條件和氣候特征，將京津冀也分為5個氣候區（圖1）：①冀北高原氣候區，包括張家口和承德二地區的北部高原地帶，該區冬季嚴寒，積雪期長;②燕山丘陵氣候區，包括除冀北高原以外的張家口地區、承德地區和北京北部山區，該區絕大部分地區晴天多，云霧少，夏季涼爽，多局部暴雨、山洪、雷暴和冰雹;③太行山氣候區，包括保定、石家莊、邢臺和邯鄲4個地區的西部地帶，全區降雨較多，夏季酷熱，悶熱天氣較多;④山前平原氣候區，包括保定、石家莊、邢臺和邯鄲4個地區的京廣線以東地帶，以及衡水地區和滄州地區，春季少雨干旱;⑤冀東平原氣候區，包括北京中南部、天津、廊坊及唐山地區中南部和秦皇島地區南部，該區夏季多雨，春季多東北大風。

1.2資料選取

該研究所用氣象數據由國家氣象科學數據共享服務平臺（http：//data.cma.cn/）提供，在京津冀區域200多個氣象站中選擇資料序列完整且具有較長時間序列、測站環境評分都在70分以上（按照中國氣象局對測站探測環境評分標準評分）、均勻分布的87個氣象站，每個站點包含1960—2015年逐日降水資料，利用這些資料對近56年京津冀區域降水的時空變化特征進行分析。對氣象資料進行質量控制，對錯誤數據以及缺測較為嚴重的臺站數據進行剔除處理[9]。對每個站點的氣象資料進行整理，獲取年和季節序列。其中，季節劃分標準為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

1.3研究方法

1.3.1線性傾向分析。采用一元線性回歸分析，即y= ax+ b，其中，b是常數項， a是回歸系數，a×10為氣候傾向率，表示氣象要素每10年的變化率，a> 0表示呈上升趨勢，a<0時表示呈下降趨勢[10]。

1.3.2Mann-Kendall 趨勢檢驗方法。它是一種非參數檢驗方法，在水文、氣象方面應用廣泛。其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，非常適用于分析氣象溫度、降水等類型變量，計算簡單方便。具體原理參考文獻[11-12]。

1.3.3滑動t檢驗法（MTT）。它的原理是將氣候序列分為兩子序列，檢驗其均值有無顯著差異，以此來判斷是否存在突變，在水文、氣象被廣泛應用。具體原理參考文獻[13]。

1.3.4小波分析（wavelet analysis）。也稱為多分辨率分析（multiresolution analysis），被認為是Fourier變換的突破性進展，可獲得氣候序列變化的尺度和變化的時間位置。由于小波分析在時域和頻域上同時具有良好的局部特性，可以分析出時間序列周期變化的局部特征，從而能更清楚地看到各周期隨時間變化情況，因而該研究選用小波分析法來分析京津冀降水量在時頻兩域的變化特征[6，14-15]，小波母函數為Morlet小波。

2結果與分析

2.1降水量變化趨勢

2.1.1降水量空間分布。

從圖2可以看出，燕山丘陵氣候區年平均降水量最多，年均降水量達600 mm以上，冀北高原氣候區年平均降水最少，年均降水量在400 mm以下。太行山氣候區與山前平原氣候區年均降水量相當，相差不足30 mm。降水量從大到小依次為冀東平原區、太行山區、山前平原區、燕山丘陵區、冀北高原區?？梢?，近56年來京津冀區域年平均降水量在空間由東南向西北方向逐漸遞減，這與李鵬飛[2]等分析的結論一致。

2.1.2年降水量趨勢。由圖3可知，近56年京津冀全區及各分區年平均降水量均處于減少趨勢，但差異較為明顯，全區年均降水量氣候傾向率為-9.6 mm/10 a（未能通過α=0.05顯著性檢驗），下降趨勢不顯著;冀東平原區氣候傾向率（-16.5 mm/10 a）明顯低于京津冀區域氣候傾向率，平均降水量下降趨勢明顯;冀北高原區近乎沒有變化;降水量減少的速率從大到小依次為冀東平原區、太行山區、山前平原區、全區、燕山丘陵區、冀北高原區，說明京津冀區域年平均降水量減少速度沿海地區大于平原地區、平原地區大于高原地區。

2.1.3季降水量趨勢。

由表1可知，近56年來京津冀各分區及全區春季和秋季降水量均呈增加趨勢，冀北高原區春秋季和冀東平原區秋季通過0.05的顯著性檢驗，其他區均未通過，春季降水量增加幅度最大的為燕山丘陵氣候區，氣候傾向率為3.79 mm/10 a，秋季降水量增加幅度最大的為冀東平原氣候區，氣候傾向率為6.73 mm/10 a;各分區及全區夏季降水量均呈減少趨勢，除太行山區外其他區均通過0.05的顯著性檢驗，減少幅度最大的為冀東平原氣候區，氣候傾向率為-26.07 mm/10 a，由大到小依次為冀東平原區、太行山區、

全區、山前平原區、燕山丘陵區、冀北高原區，山前平原區與

燕山丘陵區幾乎相同;冬季降水量變化趨勢均不明顯，冀北高原和燕山丘陵氣候區呈弱增加趨勢，其他分氣候區為弱減少趨勢。

2.1.4月降水量趨勢。

分區月降水量平均值及氣候傾向率變化趨勢與全區變化趨勢基本一致（表2），降水量較多的月份為7和8月，降水量減少幅度較顯著的月份也為7和8月，其中7月減少最大為冀東平原氣候區（-15.33? mm/10 a），最小的為冀北高原氣候區（-3.47? mm/10 a），減少幅度由大到小依次為冀東平原區、全區、山前平原區、燕山丘陵區、太行山區、冀北高原區;8月減少最大的為太行山氣候區（-15.53 mm/10 a），減少幅度由大到小依次為太行山區、冀東平原區、燕山丘陵區、全區、山前平原區、冀北高原區。

2.2降水量的突變性及周期性分析

2.2.1突變性。

對各分區和全區年平均降水量做突變分析，結果發現，各分區域年平均降水量均未出現顯著性上升、下降及明顯突變現象，且降水量均表現為前期增加、后期減少的變化態勢。冀北高原、冀東平原及燕山丘陵氣候區均在2000年之前以上升趨勢為主，之后以下降趨勢為主;山前平原和太行山氣候區變化趨勢相似，山前平原在20世紀60年代中前期表現為上升趨勢，其余時期則基本為下降趨勢，太行山區則在20世紀70年代之前為上升趨勢，之后以下降趨勢為主。京津冀全區降水量減少趨勢并不顯著，也沒有突變發生，除1972和1975年外，降水量在20世紀80年代之前呈上升趨勢，之后至2015年總體表現為下降趨勢，但在20世紀90年代初期和中期有短暫上升趨勢（圖4）。

對各分區和全區季平均降水量做突變分析，結果發現（圖5），除燕山丘陵區夏季平均降水量在1996年發生了明顯突變，冀北高原區冬季平均降水量在1970年發生突變外，其他分區及在其他季節均未發生突變;而京津冀全區結合滑動t檢驗（圖6），春季平均降水量在1982年發生了突變，夏季在結合全區夏季降水量累積距平曲線（圖7），夏季平均降水量的突變時間為1996年。秋季和冬季平均降水沒有發生突變。

2.2.2周期性。

采用Morlet小波函數對京津冀各分區及全區年平均降水量進行時間周期演變分析，結果發現（圖8），5個分區及全區年降水量具有總體一致性的特征，均存在3個明顯的特征時間尺度振蕩周期，分別為3～4、6～8和12～18年，但又有所差異。除冀東平原區年平均降水量以8～12年中尺度周期變化最為明顯外，冀北高原區和燕山丘陵區年平均降水量以準20年大尺度周期為主，山前平原區年平均降水量以12～18年大尺度周期為主，太行山區以準30年大尺度周期為主，說明除冀東平原區外其他4個氣候區降水量變化以年代際周期為主，降水相對比較穩定。對于全區12～18年的特征時間尺度在整個研究時域上始終存在，且進入20世紀80年代之后在特征尺度上有所增大，在整個研究時段大致存在3個降水偏少期和4個降水豐沛期;6～8年周期在1980—2010年比較顯著，其他時期則不太明顯;3～4年特征尺度上，在20世紀70年代中期之前，周期振蕩較明顯，在1990—2010年周期振蕩有所減弱，其余時段則不明顯。

京津冀分區和全區春季降水量也存在3個特征時間尺度，分別為準3年、6年和23年（圖8b），夏季降水量變化周期為3～4、6～8和12～18年，秋季降水量變化周期分別為準4年、8年和14年（圖8d），冬季分別為2～3年 、8～10年和準25年等3個特征時間尺度（圖8e）。

2.3夏季降水減少明顯的成因分析

郝立生[16]從北半球和區域環流變化及造成降水的主要要素風、濕度、水汽輸送、上升運動等的變化詳細分析了華北地區夏季降水減少的原因，結果發現，500 hPa高度場環流由突變前的經向環流突出轉變為緯向環流突出，貝加爾湖高空槽活動減少，使得華北上升運動過程減少;蒙古地區高空出現降溫，一方面造成對流層中上層位勢高度降低，導致高空急流位置南移，引起東亞夏季風減弱，使得水汽很難越過長江到達華北;另一方面降溫還造成對流層底層氣壓升高，使得地面低壓天氣過程減少。這幾個方面共同影響，結果造成華北夏季降水出現減少趨勢。許多研究結果也表明，東亞夏季風減弱與華北地區夏季降水減少有密切的聯系[17-19]，而京津冀區域位于華北地區東部，以上環流的變化勢必影響京津冀區域夏季降水呈減少趨勢。為了定量描述東亞夏季風強度變化，將850 hPa層區域平均（110°～120°E，25°～45°N）的南風風速定義為東亞夏季風指數[18]，將多個降水偏多年和偏少年夏季的850 hPa平均風場進行對比（圖9），可以看出，降水偏多年，京津冀區域風向多為偏南風且風力較強，夏季風表現為高強度，而相比之下偏少年份，東亞地區中緯度的偏南風減弱非常明顯，京津冀區域偏南風較弱，水汽很難輸送到30°N以北地區，夏季風表現很不突出。而京津冀區域內冀東平原氣候區減少幅度明顯大于其他氣候分區與京津冀區域的地形影響有關，這與向亮等[5]研究的結論相一致。

3結論

利用京津冀地區87個地面氣象臺站1960—2015年的逐日降水資料，采用線性回歸、M-K突變分析和小波分析等方法，對京津冀5個分區和京津冀全區降水變化規律進行了分析，得到如下結果：

（1）京津冀區域年降水量呈東南向西北方向逐漸遞減，冀東平原區最多，冀北高原區最少。

（2）京津冀全區年平均降水量呈下降趨勢，不顯著，冀東平原區下降趨勢明顯，冀北高原幾乎沒有變化，減少速率由大到小依次為冀東平原區、太行山區、山前平原區、全區、燕山丘陵區、冀北高原區。

（3）京津冀各分區及全區夏季降水量呈明顯減少趨勢，減少幅度由大到小依次為冀東平原區、太行山區、全區、山前平原區、燕山丘陵區、冀北高原區，山前平原區與燕山丘陵區幾乎相同;冬季降水量變化趨勢均不明顯，冀北高原和燕山丘陵氣候區呈弱增加趨勢，其他分氣候區為弱減少趨勢。

（4）京津冀分區月降水量平均值及氣候傾向率變化趨勢與全區變化趨勢基本一致，降水量減少幅度較顯著的月份為7月和8月。

（5）京津冀全區及各分氣候區年、季平均降水量主要存在4個周期變化，但周期尺度大小有所不同，大致分為3～4、6～10、12～18及20年以上。其中，全區夏季降水量變化周期特征與全區年降水量周期特征相似，存在3～4、6～8和12～18年等3個明顯的特征時間尺度振蕩周期，且12～18年的特征時間尺度在整個研究時域始終存在。

（6）京津冀區域夏季降水減少趨勢顯著的主要原因是東亞夏季風和地形影響。

參考文獻

[1] SOLOMON S，QIN D，MANNING M，et al.Climate change 2007：The physical science basis[C]//IPCC.Contribution of working group I to the fourth assessment report of intergovernmental panel on climate change.Cambridge： Cambridge University Press，2007.

[2] 李鵬飛，劉文軍，趙昕奕.京津冀地區近50年氣溫、降水與潛在蒸散量變化分析[J].干旱區資源與環境，2015，29（3）：137-143.

[3] 張健，章新平，王曉云，等.京津冀地區近47a降水量的變化特征[J].干旱氣象，2009，27（1）：23-28.

[4] 趙少華，楊永輝，邱國玉，等.河北平原34年來氣候變化趨勢分析[J].資源科學，2007，29（4）：109-113.

[5] 向亮，郝立生，安月改，等.51a河北省降水時空分布及變化特征[J].干旱區地理，2014，37（1）：56-65.

[6] 李春強，杜毅光，李保國.1965-2005年河北省降水量變化的小波分析[J].地理科學進展，2010，29（11）：1340-1344.

[7] 李月英，范俊紅，于海磊，等.石家莊降水量和氣溫變化特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2009，3（2）：31-34.

[8] 宋善允.河北氣候特征及氣候資源[M].石家莊：河北科學技術出版社，2016：14-15.

[9] 胡鯤，趙春生，龍曉斌，等.濰坊地區蒸發量的變化特征及其影響因子分析[J].中國農學通報，2014，30（29）：256-260.

[10] 徐建新，陳學凱，黃鑫，等.貴州省近50年降水量時空分布及變化特征[J].水電能源科學，2015，33（2）：10-14.

[11] 李春強，杜毅光，李保國，等.河北省近四十年（1965-2005）氣溫和降水變化特征分析[J].干旱區資源與環境，2009，23（7）：1-7.

[12] 曹永強，張亮亮，王學鳳，等.近50年遼寧省氣溫及降水量變化趨勢與突變特征分析[J].水電能源科學，2016，34（1）：6-9.

[13] 楊萍，王乃昂，王翠云，等.1960-2007年青海湖地區氣溫變化趨勢和突變分析[J].青海大學學報（自然科學版），2011，29（2）：49-53.

[14] 尤衛紅，段旭，杞明輝，等.連續小波變換在云南近百年氣溫和降水變化分析中的應用[J].高原氣象，1999，18（1）：47-54.

[15] 劉泓志，肖長來，張巖祥，等.吉林省西部52年降水量分布演變特征及趨勢分析[J].水電能源科學，2015，33（6）：11-14.

[16] 郝立生.華北降水時空變化及降水量減少影響因子研究[D].南京：南京信息工程大學，2011.

[17] 梁平德.印度夏季風與我國華北夏季降水量[J].氣象學報，1988，46（1）：75-81.

[18] 趙聲蓉，宋正山，紀立人.華北汛期降水與亞洲季風異常關系的研究[J].氣象學報，2002，60（1）：68-75.

[19] 克來木汗·買買提，葛朝霞，吳立君，等.華北地區可利用降水量特征分析[J].水電能源科學，2013，31（2）：9-11.