近40 年北京地區(qū)夏季降水日變化及不同持續(xù)時間降水事件的特征

趙瑋 郝翠 曹潔 周璇 盧俐

1 北京市氣象臺, 北京100089

2 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京210044

3 北京市氣象信息中心, 北京100089

1 引言

降水的時空分布、過程演變和不同時間尺度變化，對生態(tài)環(huán)境、水資源分布、水循環(huán)過程有著重要的調(diào)節(jié)作用。降水日變化是地球系統(tǒng)中大氣熱力和動力過程對水循環(huán)過程綜合影響的結果（Sorooshian et al., 2002; Dai and Trenberth, 2004），涉及水汽相變和成云致雨的諸多物理和化學過程，又受到不同尺度海—陸—氣及復雜地形的綜合影響（Yu et al., 2014; Zhu et al., 2020; Song and Wei,2021）。降水日變化不僅是表征精細化天氣過程或降水事件的一個重要物理特征（Jo et al., 2020; Ha et al., 2020; Park et al.,2021），也是氣候變化相關研究的重點（Li et al., 2008; Yuan et al., 2010; 張靈玲等, 2016; 李星雨等, 2018）。

以往的研究顯示，中國的降水具有明顯的日變化特征和很強的季節(jié)性、地域性特點（宇如聰和李建, 2016; 孔鋒等, 2017）。青藏高原地區(qū)夏季降水量和降水頻率表現(xiàn)出明顯的凌晨和傍晚的雙峰結構，而降水強度的雙峰結構卻不太明顯（胡亮等, 2010;段麗君等, 2017; 計曉龍等, 2017）。位于高原東側的四川盆地通常在后半夜降水量達到峰值（白愛娟等,2011 ）。我國東部的南北兩區(qū)域夏季降水表現(xiàn)為午后和清晨雙峰并存的特征（原韋華等, 2014; 趙玉春和王葉紅, 2020）。秦嶺南部降水量和降水頻率日峰值主要出現(xiàn)在夜間，而秦嶺北部降水量和頻率的日峰值出現(xiàn)在午后（張宏芳等, 2020）。海南島夏季降水量日變化峰值表現(xiàn)為單峰特點，出現(xiàn)在下午（Zhu et al., 2017）。華北夏季降水日峰值在太行山以西基本出現(xiàn)在傍晚；而在華北平原北部出現(xiàn)在深夜，在華北平原中南部出現(xiàn)在上午。華北地區(qū)夏季降水量、降水頻率的日變化呈現(xiàn)出典型的雙峰結構（韓函等,2017）。北京位于華北平原北端，東臨渤海，西倚太行，北靠燕山，同時具有山地、平原和丘陵等地貌。境內(nèi)地勢總體西北高，東南低，山區(qū)與平原的地形落差、陸地與海洋的下墊面差異，加上近年來城市化快速發(fā)展等人類影響因素的共同作用，導致北京山區(qū)與平原、城區(qū)與郊區(qū)的降水氣候和日變化特征有著較大的差異，目前針對北京地區(qū)降水日變化的研究并不多（李建等, 2008; 楊萍等, 2017），提高對北京地區(qū)降水日變化的科學認識，有助于我們準確的把握降水的時空變化特征，提高精細化降水預報能力，合理利用和保護水資源，趨利避害。

本文中采用了北京地區(qū)20 個國家站近四十多年的逐時夏季降水資料，可以對該地區(qū)夏季降水日變化的長期氣候特征演變趨勢及區(qū)域分布特點進行更細致的分析，從而為深入地了解北京地區(qū)夏季降水局地氣候特征提供信息及依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 資料

本文所用的降水資料為中國國家級地面氣象站逐小時降水數(shù)據(jù)集（V2.0）和北京地區(qū)自動站逐小時觀測數(shù)據(jù)。中國國家級地面氣象站逐小時降水數(shù)據(jù)集（V2.0）是由中國氣象局國家氣象信息中心提供，包含2100 余個國家級地面氣象站經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制和一致性檢驗后所形成的數(shù)據(jù)集（張強等,2016），該數(shù)據(jù)覆蓋時段為1951～2015 年。本文選取其中北京地區(qū)20 個國家站1980～2015 年6～8 月的逐小時降水數(shù)據(jù)（其中延慶佛爺頂站由于建站時間較晚，其資料長度為1982～2015 年）作為研究資料的一部分。北京地區(qū)自動站逐小時數(shù)據(jù)經(jīng)過北京市氣象局實時業(yè)務流程的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，用于日常業(yè)務和科研（竇以文等, 2008），本文選取其中2016～2020 年6～8 月20 個國家站逐小時降水數(shù)據(jù)作為研究資料的另一部分，兩部分數(shù)據(jù)組合成一套近40 年6～8 月北京地區(qū)20 站逐小時降水數(shù)據(jù)，用于北京地區(qū)降水日變化氣候態(tài)特征分析。圖1 為北京地區(qū)20 個國家站分布圖。

圖1 1980～2020 年北京地區(qū)20 個國家站位置分布圖（陰影為地形高度）Fig. 1 Location distribution of 20 national observation stations in Beijing from 1980 to 2020 . Shading denotes the topographic height

2.2 方法

將小時降水量大于等于0.1 mm 作為降水發(fā)生的判據(jù)（中國氣象局, 2003），對1980～2020 年6～8 月逐小時降水數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算多年平均夏季降水量、降水頻率、降水強度，篩選單站最大日降水量，用于降水的氣候特征分析；計算小時平均降水量、小時降水頻率和強度，用于降水日變化特征分析；參考Yu et al.（2007）和Zhou et al.（2008），統(tǒng)計不同降水持續(xù)時間、降水量日峰值（Peak Precipitation Amount，簡稱PPA）、降水強度日峰值（Peak Precipitation ?ntensity，簡稱PP?）和降水頻率日峰值（Peak Precipitation Frequency，簡稱PPF）等。計算公式和統(tǒng)計方法如下：

（1）多年平均夏季降水量=（總降水量/總非缺測日數(shù)）×92d （mm）。

（2）夏季降水頻率=總降水日數(shù)/總非缺測日數(shù)×100%。

（3）夏季日降水強度=總降水量/總降水日數(shù)（mm d-1）。

（4）平均小時降水量PA=該時次總降水量/該時次非缺測小時數(shù)（mm h-1）。

（5）平均小時降水頻率PF=該時次有降水的小時數(shù)/該時次非缺測小時數(shù)×100%。

（6）降水強度P?=該時次總降水量/該時次有降水的小時數(shù)（mm h-1）。

持續(xù)時間的定義：某日第一個時刻降水量大于等于0.1 mm 記為降水開始時間，之后連續(xù)2 h 沒有降水，判定這次降水結束。將一次降水開始至結束的小時定義為其持續(xù)時間（李建等, 2008），以1 h 為間隔，對持續(xù)1～24 小時的降水進行統(tǒng)計，超過24 小時的持續(xù)降水事件不在本文的討論范圍內(nèi)。本文所有時間均為北京時。

K均值聚類分析方法：是一種經(jīng)典聚類算法，歸類原則是使相似的樣本盡可能劃分為一類（Nakamura et al., 2009; 鄭 穎 青 等, 2013; 周 穎 等,2020）。該算法是一種動態(tài)聚類算法，其步驟是將數(shù)據(jù)分為K組，隨機選取K 個對象作為初始的聚類中心，然后計算每個對象與各個種子聚類中心之間的距離，把每個對象分配給距離它最近的聚類中心。聚類中心以及分配給它們的對象就代表一個聚類，直到聚類中心不再發(fā)生變化時結束，誤差平方和最小時分類效果最優(yōu)。

3 北京地區(qū)近40 年夏季降水的氣候特征

降水日變化具有很強的區(qū)域特征，例如四川盆地的降水具有夜雨特點，海南島夏季降水的峰值出現(xiàn)在午后。這些差異是多種因素共同作用的結果，其中區(qū)域降水的基本氣候特征是影響降水日變化的一個重要因素。本節(jié)利用1980～2020 年北京地區(qū)20 個國家站近40 年的降水觀測資料進行氣候特征分析。從北京地區(qū)夏季近40 年平均降水量空間分布（圖2a）來看，降水量分布具有西北山區(qū)小，平原大，山區(qū)向平原過渡區(qū)的迎風坡最大的特點。降水量的多寡與地形有很大的關聯(lián)，西北山區(qū)降水量小于300 mm 的三個站點位于延慶、懷柔、門頭溝的谷地，而同樣位于西北部山區(qū)的佛爺頂站由于坐落在山上，平均降水量高于山谷地區(qū)的三站，為325 mm。平原地區(qū)的降水量絕大多數(shù)超過了350 mm，位于平原向山區(qū)過渡的山前迎風坡的東北部三站（懷柔、密云、平谷）和西南部淺山區(qū)向山區(qū)過渡的霞云嶺站多年平均降水量更是超過了400 mm。多年平均降水量最大值出現(xiàn)在東北部的密云站（442 mm），最小值出現(xiàn)在西北部的延慶站（269 mm），二者相差達150 mm 以上，可見北京地區(qū)夏季降水的區(qū)域差異之大。此外，北京地區(qū)全年平均降水量在600 mm 左右，近40 年夏季平均降水量為370 mm，約占全年降水的六成以上，和張慶云（1999）研究結果相近。可見夏季降水的豐沛與否將對北京地區(qū)水資源的多寡造成重要影響。圖2b 給出了20 站夏季多年平均降水頻率的空間分布。與降水量分布相反，平原降水頻率整體小于山區(qū)，降水頻率最大的站點是西北部的佛爺頂站，達到46%，比頻率最小的通州站多13%。西南部的霞云嶺站一枝獨秀，降水量和降水頻率均位列前茅。降水強度（圖2c）整體表現(xiàn)為西北弱，東部強，城區(qū)及南部居中的特點。宇如聰?shù)龋?021）研究了全國2100 個臺站5-9 月多年平均日降水強度，華北地區(qū)的日降水強度在5～6 mm d-1，北京地區(qū)6～8 月多年平均日降水強度為11 mm d-1；北京東部六站的平均降水強度為12 mm d-1，雖然二者研究的時間段有差異，但可以從側面反映北京地區(qū)夏季降水的強度還是較為可觀的。除了降水量、降水強度外，臺站在歷史上是否出現(xiàn)過特大暴雨也是表征強降水的一個方面。氣象業(yè)務中將日降水量大于等于250 mm 的降水定義為特大暴雨，圖2d 是北京地區(qū)夏季日最大降水量的空間分布，北京地區(qū)20 個站點中有9 個站點日最大降水量超過了250 mm，這些站點集中分布在40°N 以南的平原和西部山前，位于城區(qū)和南部人口密集區(qū)域。綜上可見，北京雖然是北方城市，但是其夏季降水的強度和極端性均不低，致災風險高。因此研究北京降水的氣候特征及日變化特征非常必要。

圖2 1980～2020 年北京地區(qū)20 站（圓點）夏季（a）平均降水量（單位：mm）、（b）平均降水頻率、（c）平均日降水強度（單位： mm d-1）、（d）日最大降水量（單位：mm）空間分布（陰影為地形高度）Fig. 2 Spatial distribution of (a) the average precipitation amount (units: mm), (b) average precipitation frequency, (c) average daily precipitation intensity (units: mm d-1), and (d) maximum daily precipitation amount (units: mm) at 20 stations (dots) in Beijing in the summer from 1980 to 2020.Shading denotes the topographic height

4 北京地區(qū)近40 年夏季降水日變化的基本特征

4.1 北京夏季區(qū)域平均降水日變化特征

從圖3 可以看出，1980～2020 年北京夏季區(qū)域平均降水量日變化主體呈單峰型，谷值出現(xiàn)在中午12 時，12 時至22 時為一段陡立的增長區(qū)間，在22 時達到頂峰，之后開始下降，在下降過程中有兩個微弱的波動變化，分別在凌晨04 時和上午09 時。降水頻率為雙峰型，主峰值時間出現(xiàn)在22 時，次峰值時間出現(xiàn)在早晨06 時。降水強度為多峰型，主峰值在22 時，次峰值在17 時，此外上午09 時也是一個高點。通過分析發(fā)現(xiàn)，降水量、降水強度和降水頻率在22 時同時達到最大，而在12 時同時出現(xiàn)最低值。這和以往的研究有所不同，韓函等（2017）研究的華北地區(qū)的降水量日變化為雙峰結構，而李建等（2008）研究的北京觀象臺單站降水量日變化則為三峰型曲線，這說明降水日變化與研究區(qū)域的范圍和站點的分布有很大的關系，特別是與地形密切相關，我們將在4.3 節(jié)討論北京地區(qū)夏季降水日變化的區(qū)域差異。

圖3 1980～2020 年北京夏季區(qū)域平均（a）降水量PA、（b）降水頻率PF、（c）降水強度P? 的日變化特征（時間均為北京時）Fig. 3 Diurnal variations of summer precipitation amount (PA),precipitation frequency (PF), and precipitation intensity (P?) regionally averaged in Beijing from 1980 to 2020 (BJT: Beijing time)

4.2 北京夏季月平均降水量日變化特征

從1980～2020 年北京夏季6～8 月逐月降水量的日變化曲線（圖4）可以看出夏季不同月份的降水量具有不同的日變化特點，6 月降水量日變化曲線最為平緩，峰值最小，出現(xiàn)時間最早，在17 時和20 時兩個時間點出現(xiàn)。7 月日變化曲線有一個主峰值兩個次峰值，主峰值出現(xiàn)在21 時，對應降水量也最大。次峰值分布出現(xiàn)在凌晨04 時和上午09 時。8 月日變化曲線峰區(qū)最為陡立，峰值出現(xiàn)在22 時。雖然6～8 月的降水量峰值時間各不相同，但最低值出現(xiàn)時間確較為一致，均出現(xiàn)在中午11～12 時。從6 月到8 月降水的峰值依次后推，峰值雨量7 月最大，8 月次之，6 月最小。這一方面與影響北京夏季降水的主要天氣系統(tǒng)有關，6 月多為東北冷渦影響，而7 月和八月隨著東亞夏季風的加強，副熱帶高壓的北跳，北京進入主汛期；另一方面說明6 月的降水主要以對流性降水為主，出現(xiàn)時間多為午后到傍晚，因而降水量的峰值時間在17～20 時，而7、8 月多為系統(tǒng)性降水，出現(xiàn)時間與天氣系統(tǒng)的影響時間關系較大。

圖4 1980～2020 年北京地區(qū)6～8 月平均降水量日變化特征Fig. 4 Diurnal variations of the regionally averaged precipitation amount from June to August in Beijing from 1980 to 2020

4.3 北京地區(qū)夏季降水日變化的區(qū)域差異

從圖5a 可以看出，1980～2020 年北京地區(qū)夏季降水量日峰值PPA 在空間分布上具有明顯的區(qū)域特征，西北四站的PPA 出現(xiàn)時間均在20 時以前，分別為齋堂站15 時、佛爺頂站17 時、湯河口18 時、延慶19 時。其余16 站出現(xiàn)在20 時以后（含20 時）且多數(shù)為22 時。降水頻率日峰值PPF 和降水強度日峰值PP? 在空間分布上和降水量日峰值PPA 較為一致（圖5b、c），大致上為西北四站出現(xiàn)在20 時以前，其余16 站出現(xiàn)在20 時及以后。根據(jù)PPA、PPF 和PP? 表現(xiàn)出的一致性，結合近40 年夏季平均降水量、頻率和強度的氣候分布特點，將20 個國家站的經(jīng)緯度、海拔高度、PPA、PPF、PP?、40 年夏季平均降水量PA、平均降水頻率PF、平均降水強度P? 統(tǒng)一進行歸一化處理后，利用K均值聚類分析算法進行分類，分類結果為兩個區(qū)域。區(qū)域1（R1）包括西北四站（延慶、佛爺頂、湯河口、齋堂），區(qū)域2（R2）包括其余16 站（圖5d）。從圖6 可以看出兩個區(qū)域的降水量、降水頻率和強度的日變化具有完全不同的分布特點。區(qū)域1 降水量日變化曲線大體上呈雙峰，一主一次，主峰出現(xiàn)在傍晚到前半夜，具有峰寬頂平的特點，在16～21 時都處于降水量高值區(qū)，16時和19 時是兩個高點。次峰相對主峰而言降水量整體偏小，出現(xiàn)在早晨時段，05 時和07 時為兩個高點。區(qū)域1 和區(qū)域2 的降水頻率日變化曲線均為雙峰結構，傍晚到前半夜（17～22 時）以及早晨（05～07 時）是區(qū)域1 降水頻率的高頻時段。區(qū)域1 的降水頻率主峰值時間（18 時）要比區(qū)域2的主峰值時間（22 時）提前4 個小時，但是次峰值出現(xiàn)時間較為接近，均為早晨05、06 時。區(qū)域1 的降水強度分布具有明顯的兩極分化特點，下午到傍晚時間段為高強度區(qū)，22 時以后至上午為低強度區(qū)。區(qū)域1 的主峰降水對應為高強度高頻率的降水，次峰降水對應較高頻率低強度的降水。區(qū)域2 的降水量、降水頻率和降水強度曲線形態(tài)與北京全區(qū)域的曲線較為接近，峰值出現(xiàn)時間也較為一致，但三者峰值比全區(qū)域更高。

圖5 1980～2020 年北京地區(qū)20 站夏季（a）降水量日峰值PPA（圓點為時間）、（b）降水頻次日峰值PPF、（c）降水強度日峰值PP? 空間分布及（d）兩個區(qū)域劃分Fig. 5 (a) Spatial distribution of the occurrence time of summer peak precipitation amount (dots) in Beijing from 1980 to 2020; (b) same as in (a) but for peak precipitation frequency; (c) same as in (a) but for peak precipitation intensity; (d) the two regions: R1 and R2

圖6 1980～2020 年夏季（a–c）區(qū)域1 和（d–f）區(qū)域2 的（a，d）區(qū)域平均降水量PA、（b，e）降水頻次PF、（c，f）降水強度P? 的日變化特征Fig. 6 Diurnal variations of the regionally averaged summer (a, d) precipitation amount, (b, e) precipitation frequency, and (c, f) precipitation intensity over (a–c) R1 and (d–f) R2 from 1980 to 2020

5 北京夏季不同持續(xù)時間降水逐年演變特征

根據(jù)不同持續(xù)時間對近40 年北京夏季降水進行了分類，分別統(tǒng)計1～24 小時不同持續(xù)時長的降水事件。圖7 是1980～2020 年夏季不同持續(xù)時間降水的累計降水量逐年分布及演變趨勢，圖8 為1980～2020 年夏季不同持續(xù)時間降水量占總降水量的百分比，如綠色表示持續(xù)時間為1～3 小時的累計降水量與當年夏季總降水量的百分比。綜合兩張圖可以看出20 世紀80 年代開始到90 年代初期，持續(xù)時間小于六小時的短時降水較為活躍，在20世紀90 年代初達到了峰值，這一點與李建等（2008）的研究結果較為一致。隨后大于6 小時的長持續(xù)性降水有所增加，特別是8～10 小時這個區(qū)間的降水量出現(xiàn)明顯增長。2000 年以來，雖然短時降水間歇性活躍，但是與2000 年以前相比降水量明顯減少，2005 年以后長持續(xù)性降水開始增多，在2012 年達到近20 年的峰值。近五年長持續(xù)時間降水量占夏季總降水量的比重明顯增加。綜上可知近40 年北京地區(qū)夏季降水出現(xiàn)結構性調(diào)整，短持續(xù)時間降水主導期和長持續(xù)時間降水主導期交替出現(xiàn)。整體來看2000 年以前以短持續(xù)性降水為主，近15 年長持續(xù)性降水明顯增多。

圖7 1980～2020 年夏季不同持續(xù)性降水的累計降水量逐年演變圖Fig. 7 Annual evolution of the accumulative precipitation with different durations in summer from 1980 to 2020

圖8 1980～2020 年夏季不同持續(xù)時間降水量占總降水量百分比圖Fig. 8 Percentage of precipitation with different durations in summer from 1980 to 2020

6 結論和討論

本文利用北京地區(qū)20 個國家站近四十年的長期逐時降水資料，分析了北京夏季降水的氣候特征和日變化時空分布特征。主要結論如下：

（1）北京地區(qū)夏季40 年平均降水量分布具有西北山區(qū)小，平原大，山區(qū)向平原過渡區(qū)的迎風坡最大的特點；降水頻率則相反，平原降水頻率整體小于山區(qū)；降水強度整體表現(xiàn)為西北弱，東部強，城區(qū)與南部居中的特點。北京地區(qū)20 個站點中有9 個站點日最大降水量超過了250 mm，這些站點集中分布在40°N 以南的平原和西部山前，位于城區(qū)和南部人口密集區(qū)域。北京雖然是北方城市，但是夏季降水的強度和極端性均不低，致災風險高。

（2）北京夏季區(qū)域平均降水量日變化主體呈單峰型，峰值時間22 時；降水頻次為雙峰，主峰值時間22 時，次峰值時間早晨06 時；降水強度多峰型，主峰值在22 時，次峰值17 時，此外上午09 時也是一個高點。降水量、降水強度和降水頻率在22 時同時達到最大，而在12 時同時出現(xiàn)最低值。降水日變化與研究區(qū)域的范圍有很大的關系。

（3）從6～8 月逐月降水量的日變化曲線可以看出不同月份具有不同的分布特點，降水的峰值時間隨月份依次后推，6 月最早（17 時和20 時），7 月 次 之（21 時），8 月 最 晚（22 時）；峰 值 雨量7 月最大，8 月次之，6 月最小。

（4）降水量日峰值PPA、降水頻率日峰值PPF 和降水強度日峰值PP? 在空間分布具有較強的一致性，大致上為西北四站出現(xiàn)在20 時以前，其余16 站出現(xiàn)在20 時及以后。利用K均值聚類分析后將北京地區(qū)20 站分為兩個區(qū)域，結果顯示兩個區(qū)域的降水量、降水頻率和強度的日變化具有不同的分布特點。區(qū)域1 降水量日變化曲線大體上呈雙峰，主峰出現(xiàn)在傍晚到前半夜，具有“峰寬頂平”的特點，區(qū)域1 的降水頻率主峰值時間（18 時）要比區(qū)域2 的主峰值時間（22 時）提前4 個小時，但是次峰值出現(xiàn)時間較為接近，區(qū)域1 的降水強度分布具有明顯的兩極分化特點，下午到傍晚時間段為高強度區(qū)，22 時以后至上午為低強度區(qū)。區(qū)域2 的降水量、降水頻率和降水強度曲線形態(tài)與北京全區(qū)域的曲線較為接近，峰值出現(xiàn)時間也較為一致，但峰值皆比全區(qū)域的更高。

（5）從不同持續(xù)時間降水的逐年累積降水量演變可以看出近40 年北京地區(qū)的降水結構在不斷調(diào)整，短持續(xù)時間降水主導期和長持續(xù)時間降水主導期交替出現(xiàn)。整體來看2000 年以前以短持續(xù)性降水為主，近15 年長持續(xù)性降水明顯增多。

降水日變化受諸多因素的影響，如復雜地形的影響、山谷風、海陸風、局地對流、低空急流、東亞夏季風等都是影響降水日變化特征的重要因素（Yu et al., 2007; Zhou et al., 2008; Qian et al., 2010;Zhuo et al., 2014; Zhu et al., 2020），本文雖然利用長時間序列降水資料對北京地區(qū)夏季降水日變化特征進行了更加細致的分析，在一定程度上揭示了北京降水日變化的氣候態(tài)、季節(jié)和區(qū)域特征及差異，獲得了不同持續(xù)時間降水交替主導的降水結構特征，但對北京夏季降水日變化的機制還不清楚，需要利用高分辨率模式和再分析數(shù)據(jù)，進一步深入研究北京夏季降水日變化的產(chǎn)生機理。另外，2005 年前后北京短時降水事件累計降水量變化的原因有待在今后結合衛(wèi)星等其他資料進一步探究。