華北地區(qū)夏季降水的氣候特征分析

桑 林，余樂福

（1.華北空管局，北京，100621；2.佛山市氣象局，廣東 佛山，528000）

天氣因素對機場的民航服務(wù)有著重要影響，不僅會影響起落、飛行活動，嚴(yán)重時甚至可危及飛行的安全。根據(jù)國際民航組織的估計，約三分之一的民航事故直接或間接的與氣象因素相關(guān)，天氣原因造成的不正常航班量占所有不正常航班總量的第三位。在我國航空運輸中，雷暴、湍流、地面大風(fēng)和降水等是影響安全飛行的主要氣象要素。其中，降水對飛行的影響主要包括：影響視程，使能見度降低；造成飛機積冰；大雨和暴雨容易使發(fā)動機熄火；大雨對飛機的沖擊，危及飛行安全；降水影響跑道使用，主要由于跑道積水、積雪或結(jié)冰，降低跑道的摩擦系數(shù)，以致飛機無法正常起降。因此，需要總結(jié)降水的地方性特點，供民航部門參考，以便更好的決策［1-7］。

站點54511靠近北京南苑機場，屬于中國地面國際交換站，位于北京南郊，經(jīng)緯度分別為116.47°E，39.8°N。站點54511所處區(qū)域為中國華北地區(qū)，是為我國主要缺水區(qū)域，有研究指出，自20世紀(jì)60年代以來，華北降水呈現(xiàn)明顯的減少趨勢［8］，造成生態(tài)環(huán)境、民生、工業(yè)等多方面的負(fù)面影響，已引起政府和科學(xué)界的高度重視。為了認(rèn)識華北降水的變化規(guī)律，需要從時間、空間上分析華北降水的變化特征。張慶云［9］分析1880年以來華北地區(qū)降水變化發(fā)現(xiàn)，華北降水存在著顯著的年代際變化。

前人研究表明，華北地區(qū)夏季降水與太平洋和印度洋的海溫、西太平洋副熱帶高壓、東亞夏季風(fēng)、青藏高原積雪和北極海冰等都有著重要的關(guān)系。比如黃榮輝等［10］研究指出，華北地區(qū)夏季降水的改變可能是由于60年代中期和80-90年代初赤道東太平洋海表溫度明顯升高所致。顧偉宗等［11］揭示了前冬印度洋海溫可以通過向華北的水汽輸送來影響華北夏季降水。朱錦紅等［12］發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)與華北降水有著良好的對應(yīng)關(guān)系。更進一步，張慶云等［13］指出，東亞夏季風(fēng)影響華北夏季降水是通過西北太平洋副熱帶高壓的位置的南北移動實現(xiàn)。張人和［14］研究表明，東亞夏季風(fēng)主要通過水汽輸送的變化來影響華北地區(qū)夏季降水。

與此同時，華北地區(qū)的降水具有雨量集中、地域性強等特征，夏季降水占全年降水的60%以上，且華北地區(qū)北臨內(nèi)蒙古高原、東部瀕臨渤海，這使得在研究華北降水時使用區(qū)域平均具有較大的局限［15］。基于此，本文將基于54511的單站數(shù)據(jù)來研究夏季降水的變化。

1 資料與方法

本研究使用的資料包括54511國際交換站的夏季降水資料，研究時間段為1960至2011，共52年；美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析資料，空間分辨率為 2.5ⅹ2.5°；GPCP降水資料，空間分辨率為2.5ⅹ2.5°。本文中的華北地區(qū)是指 35°～40°N，110°～125°E。

200hPa經(jīng)向風(fēng)使用經(jīng)驗正交函數(shù)方法（EOF）求得第一主分量。

夏季降水占全年降水的比重隨時間的變化使用Mann-Kendall（M-K）法檢驗［16］。

2 氣候特征

圖1 （a）月平均降水量 （b）每月降水占全年降水的累積比重

從圖1可以看出，北京地區(qū)降水只有一個峰值，在7月份，達到了近180mm。8月份次之。6月份以來，北京地區(qū)降水陡增；而過了8月份，降水又驟降。6-8三個月的夏季降水，占全年降水的71.7%，說明北京地區(qū)降水為典型的季風(fēng)降水特征。

從圖2可以看出，54511站的夏季降水序列有著較強的年際和年代際變化。在90年代后期，7月份、8月份的降水有明顯的減少，而在6月份則不顯著。陸日宇［1］等研究指出華北地區(qū)夏季降水的特征主要由7，8月降水變化決定，我們從夏季平均的降水量序列圖中（圖2d）可以看到在90年代后期的顯著減少。為了檢驗54511站夏季降水序列與華北地區(qū)夏季降水的關(guān)系，我們使用GPCP數(shù)據(jù)，對華北地區(qū)進行區(qū)域平均，得到了一條降水序列，即圖2紅色曲線。在7月份，54511站降水序列與華北平均的降水序列相關(guān)最強，達到了0.74，通過99%的顯著性檢驗。其他兩個季節(jié)雖然相關(guān)不如7月份強，也能通過95%的顯著性檢驗。整個夏季降水的相關(guān)也達到了0.70，通過95%顯著性檢驗。因此我們可以認(rèn)為54511站的單站降水對華北地區(qū)夏季降水有著較好的代表性。

伴隨著夏季降水的年代際變化，那夏季降水占全年降水的比重是否發(fā)生變化？基于此，我們對54511站夏季降水占全年降水的比重做M-K檢驗。M-K檢驗是最常見的氣候突變點檢驗方法。從圖3中我們發(fā)現(xiàn)正序列（UF）和逆序列（UB）之間在1996年有個交點，且交點位于5%對應(yīng)的兩條臨界線（正負(fù)1.96）之間，這說明在1996年夏季降水的比重產(chǎn)生突變。同時，可以看出在這之前，夏季降水的比重基本維持不變；但在后一個時間段，夏季降水的比重呈現(xiàn)減少趨勢，并且在2003年減少的趨勢更為顯著，通過95%顯著性檢驗。

圖3 54511站夏季降水占全年比例的M－K突變檢驗

圖4為夏季降水占全年比重的時間序列，從時間序列上，我們更明顯的看到在1996年夏季降水占全年降水的比重的突變。突變之前的時間段內(nèi)（1960-1996），夏季降水占全年降水的平均比重為74.4%，而突變之后（1996-2011）的平均比重則降低為62.1%。夏季降水的占比降低，那么其他季節(jié)的降水占全年降水的比重則肯定會相應(yīng)的增加。究竟那個季節(jié)的降水占比增加呢？從圖5可以看出，突變前后的兩個時間段內(nèi)，春、秋、冬三個季節(jié)的降水占全年降水的平均比重都有所增加。其中以秋季降水比重增加為最多，達到了5.9%，春季降水比重也增加了5.6%，冬季降水的平均比重略有增加，但基本不變。這說明，從單站數(shù)據(jù)看，北京地區(qū)夏季降水的比重在1996年有了突變，平均比重下降了12%左右，而春、秋季節(jié)的降水占全年降水的比重則相應(yīng)增加。

圖4 夏季降水在全年降水量中的比重，兩條橫線分別代表1951－1996和1996－2011這兩個時間段內(nèi)的平均值

圖5 突變前后兩個時間段內(nèi)春、夏、秋、冬降水占全年比例

3 與絲綢之路型的關(guān)系

進一步，我們將54511站的夏季降水與200hPa的經(jīng)相風(fēng)場做單點相關(guān)，如圖6所示，其中打點處為通過95%顯著性檢驗的區(qū)域。在歐亞大陸上，有一個明顯的波列結(jié)構(gòu)，西起里海附近，東至日本上空。這個波列與Lu等提出的絲綢之路型類似［17］。Yasui and Watanabe［18］對 20-60°N，0-150°E 的區(qū)域夏季200hPa經(jīng)向風(fēng)做EOF分解，其第一模態(tài)可以表現(xiàn)為絲綢之路型，且與其他模態(tài)有著顯著的差異。對比54511站的夏季降水序列和PC1，可以發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)型很好，如圖7所示。二者相關(guān)達到了0.35，通過了95%的顯著性檢驗。同時，PC1也能很好的展現(xiàn)單站夏季降水的年代際變化，在90年代末期有個明顯的降低趨勢。研究表明，絲綢之路型與東亞夏季風(fēng)有著顯著的相關(guān)，而東亞夏季風(fēng)與華北地區(qū)的降水也有著密切關(guān)系［19］。因此可能的機制是絲綢之路型影響了東亞夏季風(fēng)，進而影響了華北地區(qū)的降水。有關(guān)這方面的研究需要進一步從觀測數(shù)據(jù)及模式中得到驗證。

圖6 54511站夏季降水與200hPa經(jīng)相風(fēng)的相關(guān)，打點處表示通過95%顯著性檢驗，*代表了站點的位置。

圖7 54511站夏季降水（實線）與200hPa經(jīng)向風(fēng)EOF分解的PC1的時間序列（虛線），相關(guān)系數(shù)達0.35，*號代表通過95%顯著性檢驗

4 結(jié)論

本研究基于華北地區(qū)單站的降水序列，重點分析了夏季降水的氣候特征，得到如下結(jié)論：

（1）單站數(shù)據(jù)顯示夏季降水有著明顯的年際和年代際變化特征，其中年代際主要由7月和8月降水決定。夏季降水序列與華北區(qū)域平均的夏季降水序列有著顯著相關(guān)，說明單站數(shù)據(jù)對華北地區(qū)夏季降水有著很好的代表性。

（2）夏季降水占全年降水的比重在1996年有年代際的突變，由之前的74.4%降低到62.1%。與此同時，春、秋季節(jié)的降水占比增加，而冬季基本不變。

（3）夏季降水與200hPa的經(jīng)向風(fēng)之間的相關(guān)呈現(xiàn)絲綢之路型，背后的物理機制可能是絲綢之路型影響了東亞夏季風(fēng)，進而影響了華北地區(qū)的降水。

總體來說，夏季降水與絲綢之路型有關(guān)，占全年降水的比重也在1996年發(fā)生突變。掌握這樣的降水特點，可為機場的安全保障和運行能力提供客觀依據(jù)。

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