天津寧河地區汛期降水時空變化特征

王璐瑤，李靜楠，尹紫薇

(1.天津市寧河區氣象局 天津 301500；2.天津市津南區氣象局 天津 300350)

0 引 言

隨著20世紀90年代以來氣候變化的加劇，我國降水分布格局已發生明顯變化，研究特定區域的降水變化特征對于分析氣候變化背景下的區域水汽循環和氣候特征等具有重要意義[1]，目前已成為相關專家學者研究的熱點[2-3]。陳隆勛等[4]、戰云健等[5]分析了全國降水量的長期變化趨勢特征。不同學者針對我國不同地區降水變化特征也開展了諸多研究[6-10]。近50年來，氣候變暖對天津降水量的影響日益突出，降水的氣候變化特征正逐步發生改變[11]。郭軍等[12]、段麗瑤等[13]、李春等[14]通過對天津降水觀測數據的長期變化趨勢特征的研究，揭示了降水日數和降水量的不同步變化使得極端強降水過程發生概率增加，是誘發旱澇災害的重要原因之一；李明財等[15]、熊明明等[16]、單曉琳等[17]分析了天津夏季降水的日變化特征結果表明，長持續性降水的降水量呈減少趨勢，降水量的日變化與降水強度有直接關系。但目前研究主要關注于天津市區或東部濱海新區的降水變化特征，而對天津其他地區鮮少提及。

寧河區位于天津市東北部、渤海灣西北部，作為全國無公害農產品生產基地示范區，其豐富的國家優質小站稻、河蟹、果蔬等資源在助力鄉村振興中發揮著重要作用。受海陸風影響，寧河區每年汛期強降水頻發，易出現城市內澇、農作物漬澇等氣象災害。本文利用寧河1970—2020年連續的長序列氣象觀測記錄，對寧河汛期降水時空變化特征進行研究，以期為防汛抗旱、農業防災減災等工作提供參考。

1 資料與方法

數據來自天津市氣象信息中心，包括天津寧河國家氣象觀測站1970—2020年汛期6～9月逐小時、逐日、逐月降水數據和天津寧河 20個區域自動站2008—2020年(2008年建站)汛期6～9月逐小時、逐日和逐月降水數據。結合熊明明等[16]的數據質量控制方法，參與分析的觀測站點共有 19個，分別為寧河國家氣象觀測站(54529)、寧河豐臺鎮(A2301)、寧河東棘坨(A2302)、寧河造甲城(A2303)、寧河江洼口(A2304)、寧河七里海鎮(A2305)、寧河大北鎮(A2306)、寧河小從莊(A2307)、寧河板橋鎮(A2308)、寧河苗莊鎮(A2309)、寧河鎮(A2310)、寧河廉莊鄉水利站(A2311)、 俵寧河 口鄉(A2312)、寧河北淮淀(A2313)、寧河岳龍鎮(A2314)、寧河潘莊鎮(A2361)、寧河大于莊(A2362)、寧河七里海濕地(A2363)、寧河張子鋪(A2364)。

2 汛期降水時間變化特征

2.1 年變化特征

2.1.1 降水量和降水日數變化特征

據統計，寧河多年汛期(6～9月)平均降水量占全年降水量的77.9%，可見寧河全年降水大多來自汛期降水的貢獻，那么掌握寧河汛期降水變化規律對于提高本地天氣預報水平就具有重要意義。圖1給出了1970—2020年寧河國家氣象觀測站汛期逐年降水總量序列，結果表明 1970—2020年寧河汛期降水總量呈不顯著的下降趨勢(P＞0.05)，且年際和年代際間差異較大，最多的年份為 785.6mm(1988年)，最少的僅為 158.1mm(1999年)，相差近 4倍。結合5年滑動平均序列來看，寧河汛期降水量有明顯的時間階段性變化，且具有4個波峰特征：1970—1980年平均降水量偏多，為478.1mm，在1975年出現峰值；1981—1990年平均降水量最多，為 539.3mm，在1986年出現峰值；1990年之后降水開始明顯減少，1991—2000年平均降水量最少，為 376.9mm，在1996年出現峰值；2000—2020年平均降水量偏少，為423.0mm，在2010年出現峰值。

圖1 1970—2020年寧河汛期降水總量變化曲線Fig.1 Variation curve of precipitation during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：mm)

與汛期降水量相關聯的降水日數變化特征如圖2所示。與汛期降水量有所不同，降水日數呈現出顯著下降的趨勢(P＜0.05)，表明降水日數明顯縮短。從 5年滑動平均序列來看，1970—1980年降水日數偏多，為 39d，1990年之后降水日數明顯偏少，1990—2020年降水日數為35d。值得注意的是，對比圖1和圖2發現汛期降水量和汛期降水日數的變化趨勢在1970—1990年較為一致，而在1990年之后汛期降水量和汛期降水日數呈現出明顯的波動變化不一致的趨勢特征。這與李春等[14]的結果相似，表明當前的降水氣候特征對農業生產、生態環境有極大威脅。

圖2 1970—2020年寧河汛期降水日數變化曲線Fig.2 Variation curve of precipitation days during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.1.2 不同等級降水事件變化特征

不同等級的降水量變化曲線如圖3所示，結果顯示除中雨呈現不顯著上升趨勢外，各等級降水量變化趨勢均呈現不顯著下降趨勢(P＞0.05)。其中，中雨的上升速率為2.9mm/10a；小雨、大雨、暴雨、大暴雨的下降速率逐級增加，分別為 3.2、3.9、9.6、14.7mm/10a。各等級的降水量變化趨勢與總降水量的變化趨勢大致相同。

與汛期各等級降水量相關聯的各等級降水日數變化特征如圖4所示，結果表明僅小雨日數呈顯著的下降趨勢(P＜0.05)，下降速率為 1.1d/10a，表明小雨日數顯著變短。對比圖3和圖4可見，小雨、大雨、暴雨、大暴雨的降水量和降水日數在 1990年之后較1970—1990年明顯減少。其中暴雨和大暴雨的降水量和降水日數還存在以下特征：近 30年來暴雨量和暴雨日數減少但年際變化較大，而大暴雨量和大暴雨日數年際變化較小，這與傅寧等[18]的結果相似。

圖3 1970—2020年寧河汛期各等級降水量變化曲線Fig.3 Variation curve of precipitation on different scales during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：mm)

圖4 1970—2020年寧河汛期各等級降水日數變化曲線Fig.4 Variation curve of precipitation days on different scales during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.1.3 持續性降水變化特征

選取日降水量＜1mm的最大連續日數和日降水量≥1mm的最大連續日數作為連續干日和濕日，該指標能很好地反映旱澇情況[13]。由 1970—2020年寧河汛期逐年連續干日變化可以看出，干日有顯著的上升趨勢(P＜0.05)，上升速率為 1.1d/10a，表明連續干日明顯變長。特別是 1995年以來，有 4年出現20d以上的無降水，近 10年的平均連續干日也長達16d，這表明近年來寧河的干旱程度有所加重。而從連續濕日變化趨勢來看，寧河連續濕日沒有顯著的趨勢性變化，1970—1980年多為 5～7d，1981—2020年多為3～5d，還有1年僅為2d，見圖5。

圖5 1970—2020年寧河汛期干日和濕日變化曲線Fig.5 Variation curve of dry days and wet days during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.2 日變化特征

2.2.1 降水量、降水頻次、降水強度變化特征

為更好地研究寧河汛期降水日變化特征，選取了近 20年來(2005—2020年)寧河地區國家氣象觀測站汛期逐小時降水數據作為研究對象來分析寧河汛期降水日變化特征。圖6給出了寧河地區 2005—2020年汛期逐小時累積降水量、降水頻次和降水強度日變化曲線。從降水量的日變化曲線來看，降水量的大值時段出現在夜間，特別是后半夜 02～05時，而在白天明顯偏小。多年逐小時累積降水量大值存在明顯的雙峰，峰值分別出現在 03時(511.6mm)和22時(344.1mm)，而谷值出現在 17時，僅196.6mm。多年逐小時累積降水頻次的日變化曲線與多年累積降水量較為相似，同樣是在夜間發生頻次明顯高于白天。夜間 23時至次日上午 09時為降水頻發時段，其中04時降水頻次最高，有153次，而午間12時至夜間20時是降水少發時段，該時段波動變化不大，平均降水頻次為94次。在近海地區，夏季海陸環午降水發生頻率低有重要影響[19]。對于多年逐時降流導致的沿海和平原地區以輻散下沉運動為主，對下水強度來說，其與累積降水量的變化態勢非常一致，均在夜間22時和04時存在2個峰值，但有所不同的是降水強度在午后 13時還出現了明顯的峰值，平均雨強可達 3.23mm/h，這與太陽輻射加熱易觸發局地熱對流活動[20-22]有關。綜合看來，寧河汛期降水多傾向于后半夜和午后發生強降水事件。

圖6 2005—2020年寧河汛期降水量、降水頻次和降水強度日變化曲線Fig.6 Daily variation curves of precipitation, precipitation frequency and precipitation intensity during flood season from 2005 to 2020 in Ninghe District

2.2.2 不同持續時間降水變化特征

為進一步考察寧河汛期降水日變化特征，根據降水持續時間長短可分為持續 1～3h的短歷時降水、4～6h的中歷時降水、6～12h的長歷時降水和 12h以上的持續性降水[23]。不同持續時間降水量和降水頻次日變化特征在圖7中給出。由圖7(a)可以發現，寧河汛期短持續降水(6h以下)的降水量＞長持續降水(6h以上)的降水量。不同持續時間降水的降水量均在凌晨出現高值區，但出現時間有所不同，其中1～3h短歷時降水量和 12h以上持續性降水量峰值出現時間最早，出現在03時。此外，二者在午后到傍晚時間段內也存在較大值；4～6h中歷時降水量峰值則略晚，出現在04時；而6～12h長歷時降水量峰值出現時間最晚，出現在 05時。從圖7(b)可以看出，不同持續時間的降水頻次也存在明顯差異。降水頻次呈現 1～3h的短歷時降水最多，12h以上的持續性降水最少的特征。具體來看，持續時間在1～3h降水頻次在凌晨02時最多，在午后到傍晚次多；4～6h中歷時降水頻次有單峰型特征，峰值出現在 03時；6～12h的長歷時降水則集中在清晨到上午時段發生；12h以上的持續性降水頻次與 1～3h短歷時降水頻次的變化趨勢相似，但日變化幅度最小，最高值分別出現在04時和14時。

圖7 2005—2020年寧河汛期不同持續時間降水的降水量、降水頻次日變化曲線Fig.7 Daily variation curves of precipitation and precipitation frequency with different durations during flood season from 2005 to 2020 in Ninghe District

3 汛期降水空間分布特征

3.1 降水量、降水日數、小時平均降水強度及小時最大降水量空間分布特征

通過統計寧河的汛期降水量、降水日數、小時平均降水強度發現，寧河汛期降水總量高值區主要分布在西部、東北部和東南部地區，13年來的汛期降水總量在 5400mm 以上，北部和南部地區降水最少，降水總量在 5150mm 以下；降水日數在西部到中部一帶及東北部地區最多，在 500d以上，西南和東南部則最少，在 475d以下；小時平均降水強度在南部地區存在高值分布帶，在 2.25mm/h以上，東南地區還存在 2.5mm/h以上的明顯高值中心；與小時平均降水強度分布態相反，小時最大降水量在北部地區較大，在75mm以上，局部甚至有100mm以上的高值中心。值得指出的是寧河東南部地區的汛期降水量最多而降水日數最少，這種明顯相反的分布態勢意味著該地區存在極端降水事件，小時平均降水強度也反映出在東南部最大，表明東南部(也就是寧河城區)地帶需注意防范城區低洼地段內澇發生。北部地區降水量、降水日數、小時平均降水強度均較少，但局部小時最大降水量出現過100mm以上的強降水，需加強關注強降水對北部農業的漬澇影響。

3.2 強降水事件頻次空間分布特征

結合天津的實際情況和成災的可能性，對寧河短時強降水過程小時雨強分為 4級[16,24]：20mm/h≤R＜30mm/h、30mm/h≤R＜40.0mm/h、40mm/h≤R＜50mm/h和 50mm/h≤R。從寧河地區短時強降水事件發生頻次的空間分布可以看出雨強 20mm/h≤R＜30mm/h的強降水事件高發區集中在西南部，在34次以上；其次是東南部，出現 28次以上；中北部最少，在 24次以下。30mm/h≤R＜40mm/h的強降水事件在中部出現高值區，出現次數在 9次以上，局地還出現 12次以上的高值中心；西部為低發區且有“中間少、兩側多”的分布帶，在西部的東、西兩側發生頻次在 9～10次，中間地帶則僅有 6～7次；東部地區分布較為均勻，為7～8次。40mm/h≤R＜50mm/h的強降水事件在西南部存在發生頻次高值區，出現頻率在5次以上；西部和東部則為低發區。而R≥50mm/h則與 20mm/h≤R＜30mm/h的強降水事件分布態趨于相反，其高發區集中在北部。綜合來看，對比不同強度降水事件發生頻次不難發現，在 R≥30mm/h的強降水事件中，中部地區均為高發區；而在20mm/h≤R＜30mm/h的強降水事件中，中部地區則為低發區；西部和東部僅在 20mm/h≤R＜30mm/h的強降水事件中為高發區。

4 結 論

本文利用 1970—2020年天津寧河地區 19個自動氣象站分析了寧河汛期(6～9月)降水的時間變化和基本空間分布特征，主要結論如下：

①從年變化特征來看，寧河汛期降水總量和降水日數呈下降趨勢，存在明顯的時間階段性變化。不同等級降水事件中，除中雨呈上升趨勢外，各等級降水量均呈下降趨勢，且下降速率逐級增加。各等級降水日數變化與降水量特征相似，其中小雨日數下降顯著。連續干日明顯變長，寧河干旱程度有加重現象，濕日則沒有顯著的趨勢變化。

②從日變化特征來看，寧河汛期降水量最大時段集中在02至05時，23時至次日09時為降水頻發時段，午后易出現強降雨。不同持續時間降水量均在凌晨最大，1～3h短歷時降水多發，而12h以上的持續性降水發生頻次最少。

③從空間分布特征來看，降水量高值區分布在西部、東北部和東南部，降水日數在西部到中部一帶東北部地區最多，南部地區小時平均降水強度最強。20mm/h≤R＜30mm/h、40mm/h≤R＜50mm/h 的強降水事件高發區均集中在西南部，30mm/h≤R＜40mm/h的強降水事件在中部地區多發，R≥50mm/h的降水事件則易出現在北部。