2000—2019年北京市降水量時空分布特征研究

王 鑫 時曉寧 任修琳

(1.北京市密云水庫管理處，北京 101512；2.北京市水務工程建設與管理事務中心，北京 100036)

降水量是區域水資源量的重要補給來源，對于增加水資源量、改善生態環境具有重要的作用。通過天然降水，可增加地表水面面積，補給地下水。北京市是一座水資源緊缺的大型城市，2014年底南水北調中線一期工程全線建成通水，“南水”進京后成為保障北京城市用水需求的主力水源，為地下水提供了“休養生息”的機會。在全球氣候變化的大背景下，北京獨特的群山環繞地形加之處在西風帶系統與太平洋副熱帶高壓系統交互作用帶，北京地區的降水結構變化顯著，極端天氣和暴雨事件頻發[1-3]。

國內許多專家學者對區域降水特征開展了研究[4-6]，已取得了一些成果，但對于北京地區相關研究較少。本研究基于長時間序列2000—2019年北京市111個雨量站降水量資料，采用線性回歸法、累積距平法、Mann-Kendall檢驗法和ArcGIS插值方法[7-8]，分析了北京市近20年的降水變化趨勢和降水時空分布及變化特征，為北京市的水資源開發利用提供參考依據。

1 研究區概況

北京市位于華北平原與太行山脈、燕山山脈的交接部位，全市總面積16400km2，其中山區面積10200km2，約占總面積的62%；平原區面積為6200km2，約占總面積的38%。在地形地貌上，北京地勢西北高、東南低，西部、北部和東北部三面環山，東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。由于山脈交接、斷裂、下陷和侵蝕作用，形成了古北口、南口、永定河入口三個通道，影響北京氣候。在水文氣象上，北京屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季涼爽，冬季寒冷干燥，四季分明。受西風帶影響，冬春盛行偏北風，夏季盛行偏南風。年平均風速2～3m/s，春季風速最大，平均達3.5～4m/s。1956—2000年期間，多年平均降水量為585mm，降水總量為98億m3，其中山區降水量577mm，降水總量60億m3；平原降水量597mm，降水總量38億m3。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本次研究根據監測站點坐標有無以及監測數據缺失情況，最終選取北京市111個雨量站年、汛期、非汛期3個不同時期降水量資料，數據經過嚴格的質量控制。年統計為每年的1—12月之和，汛期統計為5—10月之和。北京市雨量站空間分布見圖1。

圖1 北京市雨量站空間分布

2.2 研究方法

2.2.1 線性回歸法

線性回歸法是利用數理統計中的回歸分析確定兩種或兩種以上變量間相互關系的一種常見的統計分析方法。

2.2.2 累積距平法

累積距平法常用來判斷變化趨勢，利用各個時間節點的累積距平值繪制累積距平曲線，根據累積距平曲線的起伏可以直觀判斷長期的演變趨勢和持續性變化情況，并可以初步判斷發生突變的節點。

2.2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是提取趨勢變化的有效方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常數值的干擾，被廣泛應用在水文、氣象等非正態分布數據的趨勢檢驗中[9]。

2.2.4 ArcGIS插值法

ArcGIS插值法被廣泛應用于空間統計分析中，利用已知降水量數據的空間分布結構，進行空間插值分析，能夠預測某一區域內樣本數據以外的降水量值。

研究采用線性回歸法、累積距平法分析北京市降水量的時間變化趨勢，運用Mann-Kendall趨勢檢驗法確定年降水量的突變特征，利用ArcGIS插值法分析北京市降水量的空間分布及變化特征。

3 結果與分析

3.1 降水量時間分布規律

2000—2019年北京市年、汛期、非汛期降水量見表1。由表1可知，2000—2019年北京多年平均降水量為532mm，年最大降水量為711mm(2012年)，年最小降水量為410mm(2002年)；汛期(5—10月)多年平均降水量為482mm，汛期最大降水量為636mm(2016年)，最小降水量為365mm(2002年)；非汛期多年平均降水量為51mm，非汛期降水量最大值為122mm(2012年)，最小值為14mm(2006年)。

表1 2000—2019年北京市年、汛期、非汛期降水量

將2000—2019年降水量、汛期降水量、非汛期降水量，通過3年滑動平均和趨勢線表示出來(見圖2)。

從圖2可以看出，2000—2019年北京市的降水量總體呈增加的趨勢。2008年以前3年滑動平均降水曲線基本處于多年平均線以下，說明2008年以前北京市降水量較少；2008年以后，3年滑動平均降水量曲線基本處于多年平均以上，說明2008年以后北京市降水量增多。

圖2 北京市2000—2019年年降水量

汛期降水量趨勢與年降水量基本一致(見圖3)，2008年汛期降水量583mm，超過了20年平均汛期降水量482mm，3年滑動平均降水曲線明顯升高；而非汛期的降水量、3年滑動平均降水曲線波動較大(見圖4)，非汛期降水量總體偏少，只有2012年達到122mm，其余年份均小于100mm，這也與北京市冬、春季干旱少雨的氣候特征一致。

圖3 北京市2000—2019年汛期降水量

圖4 北京市2000—2019年非汛期降水量

北京市2000—2019年降水距平值和累積距平值見圖5。從圖5可以看出，2002—2008年降水距平值以負值為主，是累積距平曲線的下降段，表明北京市年降水量在這一時期處于減少的狀態；2008—2019年降水距平值以正值為主，累積平均值呈現明顯的上升趨勢，表明北京市年降水量在這一時期明顯增加。

圖5 北京市2000—2019年降水距平值和累積距平值

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對北京市2000—2019年年降水量數據的檢驗結果見圖6。所有UFk組成一條曲線UF，反序列得到另一條曲線UB，選取顯著性水平為95%的置信度(α=0.05)對其進行評價，即U0.05/2=±1.96，將統計量曲線UF、UB和±1.96兩條直線均繪在同一張圖上。如果UF的值大于0，則表明降水數列呈上升趨勢，小于0則表明降水量呈下降趨勢。將UF超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域，如果UF和UB兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間[10]。

圖6 降水量的Mann-Kendall突變分析

從圖中可以看出：

a.按時間順序升序排列計算的統計量UF大多數為正值，且其值隨時間逐漸變大，可知年降水量在2000—2019年呈上升趨勢，這與線性分析、累積距平分析的結果相符。

b.2011—2013年、2015—2019年這兩個時間段的UF曲線超過臨界線，說明此兩段時間內的降雨為突變狀態。

c.在2002年、2006年和2014年曲線UF與UB出現相交點，表示降水趨勢發生改變，這與年降水量變化相符合，這三年為降水量從下降趨勢變為上升趨勢的拐點。

3.2 降水量空間分布特征

依據現有雨量站的降水數據繪制北京市多年平均降水量的等值線圖(見圖7)。從圖7中可以看出，北京市年降水量空間分布并不均勻，降水量較大區域(深灰色)集中在北部迎風帶(密云西部、懷柔東部)、平谷東部，多年平均降水量均大于600mm；而延慶西部、大興、通州南部相對較少，這可能與夏季主要影響北京降水的氣團方位和運動途徑有關。從圖7還可以看出，北京市降水量基本在400mm以上，這與北京市屬于半濕潤地區的情況相符合。

圖7 2000—2019年北京市年降水量時空變化情況

2000—2019年北京市汛期降水量時空變化情況見圖8。汛期降水空間形態與年降水量相似度較高，空間特征基本吻合，汛期降水量大，對北京市降水量的貢獻率均超過80%，從圖8中可以看出，大部分地區的降水量均高于400mm。同樣，在北部迎風帶、平谷東部汛期降水量較大，多達500mm以上。在門頭溝北部、延慶西南部汛期降水量最少，均在400mm以下。

圖8 2000—2019年北京市汛期降水量時空變化情況

4 結 語

本文基于北京市111個雨量站降水量數據，分析了2000—2019年北京市降水量時空分布特征，得出如下結論：

a.時間分布上，2000—2019年北京市的降水量總體上呈增加的趨勢。多年平均降水量為532mm，年降水量波動范圍為410～711mm。峰值出現在2012年，年降水量為711mm；2002年降水量最低，僅為410mm。汛期(5—10月)多年平均降水量為482mm，非汛期多年平均降水量為51mm。

b.空間分布上，北京市年降水量空間分布差異明顯，東北部與西南部較高，西北部與東南部較低，降水量主要集中在北部迎風帶(密云西部、懷柔東部)、平谷東部，多年平均降水量均大于600mm；而延慶西部、大興、通州南部相對較少。

c.通過Mann-Kendall趨勢檢驗，北京市的降水量總體上呈增加趨勢，與線性分析、累積距平分析的結果相符。突變點在2002年、2006年和2014年，與年降水量趨勢變化相符。

通過對北京市降水量時空分布特征的研究，可以清楚地了解北京市近20年降水量的變化特征，為北京市的水資源開發利用提供參考依據。為適應北京市水資源精細化管理要求，下一步應結合氣象、防洪排澇等因素，加強對于局地降水量以及降水過程的分析研究工作。