馬 艷,郭麗娜

(1.山東省青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266003；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

引 言

在全球氣候變化背景下，降水規(guī)律的研究也引起了廣泛關(guān)注[1-5]。盡管近30 a來全球降水變化的總趨勢基本為零，但熱帶地區(qū)降水在增加，而北半球中緯度地區(qū)降水在減少[6]。20世紀(jì)初至1950年代北半球陸地季風(fēng)降水呈增加趨勢，但1950—1980年代呈減小趨勢，之后又呈增加趨勢[7]。中國地區(qū)弱降水頻率總體呈減小趨勢[8-9]，極端強降水具有明顯的地域性和局地性[10]。中國大部分地區(qū)年降水量增加的主要原因在于降水強度和強降水頻數(shù)的增加，而低緯度部分地區(qū)年降水量減少是由于降水頻數(shù)沒有增加[11]。一個城市的降水分布除了受天氣系統(tǒng)和地形影響之外，與城市化進(jìn)程也密切相關(guān)[12-16]，珠三角城市群總體處于降水低值中心，其核心城市區(qū)域近10 a降雨呈減少趨勢[17]；對南京和華南地區(qū)的城市化影響分析表明，城市熱島強度影響區(qū)域越大，降水分布的局地不均勻性也更加明顯[18-19]。城市化進(jìn)程對一般性降水的城郊差異影響較小，但對暴雨和短時強降水等災(zāi)害性降水事件的影響明顯加大[20-22]。

在人類活動和自然因素的影響之下，我國沿海城市暴雨發(fā)生頻率、日數(shù)和強度都發(fā)生了明顯變化，如南方沿海城市廣州和上海，氣候變暖影響了降雨強度和頻率，城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市極端暴雨的發(fā)生[23]；北方沿海城市中，1951—2010年遼寧沿海城市年降水量線性趨勢為-12.80 mm·(10 a)-1，年降水量距平波動性較大[24]，天津市區(qū)冬季西北風(fēng)盛行時，下風(fēng)向的降水量明顯增加，雨島特征有所表現(xiàn)[25]。青島處于暖溫帶半濕潤區(qū)和北亞熱帶濕潤區(qū)過渡帶，即處于南北氣候過渡帶，又受海洋影響，是北方重要沿海城市之一，在全球氣候變暖和城市化快速發(fā)展的共同影響下，該地區(qū)氣溫、風(fēng)速以及極端降水發(fā)生頻次和強度也發(fā)生了一系列變化[26-30]。雖然近年來青島一直處于缺水干旱狀態(tài)，但城市內(nèi)澇又頻發(fā)。2012年9月21日青島市黃島區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，小時降水量93.1 mm，城區(qū)多處嚴(yán)重積水，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。本文基于青島市7個自動氣象站降水量、不同量級降水日數(shù)的觀測資料，分析青島降水的氣候變化規(guī)律，揭示其對全球變暖和青島城市化進(jìn)程的響應(yīng)，以期為今后應(yīng)對北方沿海城市內(nèi)澇風(fēng)險，修訂區(qū)域防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案等提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

青島市轄管7個市轄區(qū)(市南、市北、李滄、嶗山、黃島、城陽、即墨)，代管3個縣級市(膠州、平度、萊西)，自西北到東南方向，海洋性氣候特點愈加明顯。改革開放初期青島城市發(fā)展主要集中在東海岸的老城區(qū)(市南和市北區(qū))和黃島地區(qū)，1992年青島市東部大開發(fā)，實現(xiàn)城市中心東移，2001年建設(shè)西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)，青島經(jīng)濟(jì)重心西移，城鎮(zhèn)范圍逐步擴(kuò)大。

2 資料和方法

首先以1961—2018年青島市7個國家基本氣象站(青島、嶗山、膠南、即墨、膠州、平度和萊西站)年、月降水量及不同量級(小雨、中雨、大雨和暴雨)降水日數(shù)為基礎(chǔ)，采用趨勢分析等方法分析在全球氣候背景下以及不同城市發(fā)展階段情形下，青島市近58 a來降水量和降雨日數(shù)的時間和空間差異性。其中氣候平均態(tài)為1981—2010年，小雨、中雨、大雨、暴雨的劃分為24 h降水量分別在0.1～9.9 mm、10.0～24.9 mm、25.0～49.9 mm、50.0～99.9 mm之間。

其次，基于1981—2018年青島7個國家基本氣象站的1 h年最大降水量，分析短歷時降水的時空分布特征，以期反映極端降水事件的變化規(guī)律。其中，逐年1 h年最大降水量從降水自記紙或逐分鐘降水量數(shù)據(jù)文件中，采用逐分鐘滑動統(tǒng)計法挑取，不受日、月界的限制(但不跨年挑取)。其中，青島站是市南區(qū)的代表站，能夠反映青島城市主城區(qū)的氣候變化特點，膠南站是黃島區(qū)的代表站，嶗山站則是李滄區(qū)的代表站。表1列出青島7個國家基本氣象站的歷史沿革，也反映出2018年各區(qū)市常住人口規(guī)模存在明顯差異。

以青島站和嶗山站為城市代表站，膠南、即墨、膠州、平度和萊西站為郊區(qū)代表站，考察城市化對城市站周邊降水量和降水日數(shù)的影響，其中城市化貢獻(xiàn)率的計算方法如下：

(1)

式中：Eu為城市化貢獻(xiàn)率，反映城市化影響在城市附近臺站降水量和不同量級降水日數(shù)趨勢變化中所占的比率；Pu和Pr分別為城市站和郊區(qū)站降水量和降水日數(shù)的變化趨勢系數(shù)，其差值反映城市化影響。若Pu和Pr的差值大于0表示城市化使之增大或增多，城市化對所考慮的氣象要素造成增加貢獻(xiàn)，若為負(fù)值則表明城市化對它們起到減弱貢獻(xiàn)。

表1 青島7個國家基本氣象站歷史沿革信息Tab.1 The historical evolution information of seven national basic weather stations in Qingdao

3 結(jié)果與分析

3.1 全球變暖背景下青島市降水特征

圖1為1961—2018年青島市年降水量距平年際變化序列。可以看出，青島市年降水量存在年際波動，年降水量整體呈減小趨勢，氣候傾向率為-18.47 mm·(10 a)-1。1961—2018年，青島市平均降水量689.4 mm，較氣候平均態(tài)(664.1 mm)偏多25.3 mm(圖略)。其中1961—1980年，青島市年平均降水量753.2 mm，遠(yuǎn)大于氣候平均態(tài)，但1961—1980年降水量卻呈減小趨勢，氣候傾向率為-86.46 mm·(10 a)-1；1981—2010年青島市年降水量呈增加趨勢，增加速率為77.93 mm·(10 a)-1；2011—2018年降水量較氣候平均態(tài)偏少39.5 mm，但總體上呈現(xiàn)弱增加趨勢，增加速率為2.71 mm·(10 a)-1。

1961—2018年青島市年平均降雨日數(shù)為77.5 d，其中小雨日數(shù)58.9 d、中雨日數(shù)11.3 d、大雨日數(shù)5.3 d、暴雨日數(shù)2.0 d。不同量級的降水日數(shù)呈減少趨勢，減少速率隨著降雨量級的增大而減小，其中小雨和暴雨日數(shù)的氣候傾向率分別為-1.73、-0.13 d·(10 a)-1(圖2)。1981年以來，青島市小雨日數(shù)呈減少趨勢，而中雨、大雨和暴雨日數(shù)均表現(xiàn)為增加趨勢，其中小雨、中雨、大雨和暴雨日數(shù)的線性變化趨勢分別為-1.04、0.43、0.32、0.08 d·(10 a)-1。說明青島市降水量的增加主要由中雨和大雨日數(shù)的增加引起。

圖1 1961—2018年青島市年降水量距平年際變化Fig.1 The variation of annual precipitation anomaly during 1961-2018 in Qingdao

表2列出1961—2018年青島不同年代不同降水量級的降水日數(shù)變化趨勢?？梢钥闯?，1960年代以來，小雨日數(shù)減少速率有逐漸增大趨勢，至1990年代，小雨日數(shù)減少速率達(dá)最大，為-0.84 d·a-1，之后減少速率有減緩趨勢。中雨日數(shù)有明顯的年代際波動：1960、1980、2000年代中雨日數(shù)呈增加趨勢，1970、1990、2010年代則表現(xiàn)為減少趨勢。1960—2010年代，青島市大雨日數(shù)均呈增加趨勢，其中1980年代增加速率最大，為0.31 d·a-1，其中1990年代增加速率最小，為0.03 d·a-1。1960、1970、2010年代暴雨日數(shù)呈減少趨勢，其中1970年代減小趨勢明顯，為-0.13 d·a-1；1980、1990、2000年代暴雨日數(shù)則呈增加趨勢，其中1980年代增加趨勢明顯，增加速率0.14 d·a-1。

圖2 1961—2018年青島市不同量級降水日數(shù)距平年際變化Fig.2 The annual variation of anomaly of different level precipitation days during 1961-2018 in Qingdao

表2 1961—2018年青島不同年不同量級降水日數(shù)變化趨勢Tab.2 The linear tendency of different level precipitation days in different decades during 1961-2018 in Qingdao 單位：d·a-1

3.2 城市化效應(yīng)下青島降水特征

1961—2018年年平均降水量南部沿海地區(qū)(市南、嶗山、黃島)為719.6 mm，中部地區(qū)(膠州、即墨)為682.2 mm，北部內(nèi)陸地區(qū)(平度、萊西)為651.0 mm(圖略)。1961—2018年6—8月青島市降水量的大值區(qū)主要集中在即墨和黃島東南沿海一帶，主城區(qū)(市南區(qū)、市北區(qū))降水量卻是一個相對的低值范圍(圖3)。6—8月青島降雨的影響系統(tǒng)主要有低槽冷鋒、溫帶氣旋、低渦切變線以及臺風(fēng)等。受低槽冷鋒、低渦切變線等北方天氣系統(tǒng)影響，大部分降水過程是降水系統(tǒng)自西北向東南方向移動影響青島地區(qū)，近地面層主導(dǎo)風(fēng)向通常為南風(fēng)或西南風(fēng)。因此在這類天氣系統(tǒng)過程中，相對于主城區(qū)而言，其東北方向的即墨位于主城區(qū)的下風(fēng)向。而對于南方系統(tǒng)(江淮氣旋、臺風(fēng)等)，降水過程通常自西南向東北方向移動影響青島地區(qū)，近地面層主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)或東北風(fēng)。因此在這類天氣系統(tǒng)過程中，黃島處于市區(qū)的下風(fēng)向。即墨和黃島較大的降水量反映了明顯的城市化效應(yīng)。因此，在考慮天氣系統(tǒng)和地形的影響之外，城市中心下風(fēng)向也是預(yù)報降水落區(qū)和強度的關(guān)注點之一。

圖3 1961—2018年青島市6—8月降水量空間分布(單位：mm)Fig.3 The distribution of precipitation from June to August during 1961-2018 in Qingdao (Unit: mm)

城市熱島效應(yīng)是城市化的典型特征，城市化可造成降水量的增加或減少[31-33]，在城市的上風(fēng)和下風(fēng)方向月均和季均降水量以及降水天氣現(xiàn)象的發(fā)生頻率明顯高于周圍臨近地區(qū)，這種降水分布異常在夏季最顯著，且表現(xiàn)出隨著城市化進(jìn)程加快而增強的趨勢[34-35]。圖4為2017、2018年9月NOAA19衛(wèi)星遙感監(jiān)測的青島熱島強度指數(shù)和自動氣象站的降水量空間分布?？梢钥闯觯诔菂^(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心區(qū)都相應(yīng)存在熱島強度的高值區(qū)，2018年主城區(qū)的熱島強度明顯強于2017年，2018年9月降水量也明顯大于2017年，但在熱島強度的高值區(qū)并沒有降水量的大值區(qū)與之對應(yīng)，而是出現(xiàn)在熱島強度大值區(qū)周邊30 km左右。SHEPHERD等[36]對美國2座城市的分析也發(fā)現(xiàn)最大降水量發(fā)生在城市中心邊緣平均39 km處或者離城市中心64 km的區(qū)域。

分析青島各站點1961—2018年降水量和不同量級降水日數(shù)的年際變化(圖略)，發(fā)現(xiàn)大部分站點年降水量都呈減少趨勢，但減少速率有所差異，其中嶗山站、萊西站年降水量氣候傾向率分別為-35.69、-0.79 mm·(10 a)-1，即嶗山站減少趨勢明顯強于萊西站。嶗山站1980年由位于郊外的李村鎮(zhèn)遷址到李滄區(qū)青峰路，現(xiàn)為大面積城市建成區(qū)所包圍，萊西站也已不是完全意義上的郊區(qū)站。從青島市統(tǒng)計局統(tǒng)計公報(http://qdtj.qingdao.gov.cn/)看出2018年李滄區(qū)和萊西市常駐人口比2008年同比增長93.0%和4.2%。說明城市化進(jìn)程使嶗山年降水量顯著減少。對于其他區(qū)市而言，2018年常駐人口比2008年同比增長率在0.6%～36.6%之間，其中平度市最小為0.6%，黃島區(qū)最大為36.6%。青島站、平度站、即墨站、膠南站、膠州站年降水量線性趨勢分別為-25.00、-18.30、-18.20、-10.60、-9.80mm·(10a)-1，說明市南區(qū)和李滄區(qū)年降水量減小較大，中北部地區(qū)相對較小。降水量的變化，不僅受全球氣候變化大環(huán)境的影響，而且局地地形地貌、環(huán)流特征、城市熱島等也是其影響因素。1981—2018年青島各站點年降水量變化呈增加趨勢，其中膠南站增加趨勢最大，為43.70 mm·(10 a)-1，即墨站增加趨勢最小，為8.90 mm·(10 a)-1。城市化進(jìn)程對不同量級降水日數(shù)的影響，除了萊西站中雨和大雨日數(shù)分別為0.18、0.21 d·(10 a)-1的弱增加趨勢外，其他各站小雨、中雨、大雨、暴雨日數(shù)基本都呈減少趨勢，且南部的減少趨勢大于北部和中部地區(qū)；各站小雨、中雨、大雨、暴雨日數(shù)減少的速率隨著降雨量級的增大而減小，即小雨日數(shù)的減小速率最大，暴雨日數(shù)最小。

圖4 NOAA19衛(wèi)星遙感監(jiān)測青島熱島強度指數(shù)(a、c)以及相應(yīng)年9月降水量分布(b、d，單位：mm),(a)2017年9月12日,(b)2017年9月，(c)2018年9月6日，(d)2018年9月Fig.4 Distribution of urban heat island index (a, c) monitored by NOAA19 and precipitation in September (b, d, Unit: mm) in Qingdao(a) 12 September 2017, (b) September 2017, (c) 6 September 2018, (d) September 2018

1961—2018年青島城市站年平均降水量為696.4 mm，郊區(qū)站為686.6 mm，城郊差異不大。圖5為1961—2018年青島城市和郊區(qū)站年降水量距平變化。可以看出，城郊降水量均呈減少趨勢，且城市站減少幅度大于郊區(qū)站，其氣候傾向率分別為-30.36、-13.67 mm·(10 a)-1，城市化使降水量減少。另外，1961—1980年城市和郊區(qū)降水量均為明顯減小趨勢，其氣候傾向率分別為-123.3、-71.45 mm·(10 a)-1，城市化貢獻(xiàn)率達(dá)-42.0%；1981—2018年城市站和郊區(qū)站的降水量表現(xiàn)為增加趨勢，增加速率分別為35.72、24.68 mm·(10 a)-1，城市化對年降水量造成增加貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)率為30.9%。1961—2018年青島市城郊降水量減小趨勢的貢獻(xiàn)主要是1961—1980年降水量的變化。

1961—2018年不同量級降水日數(shù)，基本上表現(xiàn)為城市小雨和中雨日數(shù)多于郊區(qū)，郊區(qū)大雨和暴雨日數(shù)多于城市。表3列出1961—2018年青島城郊年降水量和不同量級降水日數(shù)的變化率、城市化的影響?？梢钥闯?，1961—1980年不同量級降水日數(shù)在城市站和郊區(qū)站均表現(xiàn)為減少趨勢，其中城市小雨、中雨和大雨日數(shù)的減少速率大于郊區(qū)。1981年以后，所有站點中雨和大雨日數(shù)都表現(xiàn)為增多趨勢，其中城市站中雨日數(shù)增加速率為0.26 d·(10 a)-1，郊區(qū)站為0.49 d·(10 a)-1，城市化對中雨日數(shù)為減少貢獻(xiàn)。城市和郊區(qū)站的小雨日數(shù)都呈減少趨勢，城市站的暴雨日數(shù)呈增加趨勢，而郊區(qū)站的暴雨日數(shù)則呈減少趨勢，即城市化影響使得暴雨日數(shù)增加。

1 h的降水強度對于洪澇災(zāi)害預(yù)警和城市內(nèi)澇應(yīng)對都具有重要的現(xiàn)實意義。青島市年平均1 h降水量在膠南和即墨站較大，分別為49.8、45.2 mm，青島和嶗山站較小，分別為38.6、38.9 mm，與青島市6—8月降水量空間分布大致相同(圖3)。青島大部分區(qū)域不易出現(xiàn)短時強降水[37]，張凱靜等[29]也分析指出青島市大于30 mm的小時降水量在即墨和黃島出現(xiàn)最多。1981—2017年全市1 h年最大降水量表現(xiàn)為增大趨勢，增加速率為0.50 mm·(10 a)-1，但1990—2017年全市1 h年最大降水量卻呈減小趨勢[-1.09 mm·(10 a)-1](圖略)。山東魯中地區(qū)1999—2015年1 h年最大降水量也呈減少趨勢[38]。

圖5 1961—2018年(a)、1961—1980年(b)、1981—2018年(c)青島城市和郊區(qū)站年降水量距平年際變化Fig.5 The variation of annual precipitation anomaly during 1961-2018 (a), 1961-1980 (b), 1981-2018 (c) at urban and suburb sites of Qingdao

表3 1961—2018年青島城郊年降水量和不同量級降水日數(shù)的變化趨勢和城市化影響Tab.3 The linear tendency and influence of urbanization on annual precipitation and different level precipitation days at urban and suburb sites of Qingdao during 1961-2018

青島市不同站點1 h年最大降水量變化趨勢也有差異(圖6)，其中青島站和嶗山站表現(xiàn)為增加趨勢，增加率分別為4.37、3.65 mm·(10 a)-1。1981—2017年膠南站1 h年最大降水量呈弱增長趨勢，1990—2017年則為弱減小趨勢。1980—2017年、1990—2017年即墨、膠州和平度站1 h年最大降水量均為減小趨勢，1990—2017年3站變化趨勢分別為-7.32、-3.52 和-2.19 mm·(10 a)-1。1980、1990、2000年代，青島站小時降水強度分別約為31、40、43 mm·h-1。城市化使青島市小時降水量的城郊差異較明顯，城區(qū)1 h年最大降水量呈增大趨勢，易形成洪澇災(zāi)害，郊區(qū)則表現(xiàn)為減小趨勢。另外，青島城區(qū)短歷時強降水的發(fā)生概率和強度增加明顯，上海和廣州小時降水量也是呈現(xiàn)不斷增加趨勢[23]。

圖6 1981—2017年青島市1 h年最大降水量年際變化Fig.6 The annual variation of yearly 1-hour maximum precipitation during 1981-2017 in Qingdao

4 結(jié) 論

(1)1961—2018年青島市年降水量呈波動變化，但整體上呈現(xiàn)減小趨勢，氣候傾向率為-18.47 mm·(10 a)-1；1981—2018年青島市年降水量則表現(xiàn)為增大趨勢[2.71 mm·(10 a)-1]。

(2)1961—2018年青島市不同量級的降水日數(shù)均表現(xiàn)為減少趨勢，減少速率隨著降水量級的增大而減小，其中城市站減少速率大于郊區(qū)站。1981年以來，青島市小雨日數(shù)減少，中雨和大雨日數(shù)增加；中雨和大雨日數(shù)在城市和郊區(qū)都表現(xiàn)為增多趨勢，而暴雨在城區(qū)比郊區(qū)更容易出現(xiàn)；青島市降水量的增加主要由中雨和大雨日數(shù)增加造成。

(3)1961—2018年青島城市和郊區(qū)年降水量均呈現(xiàn)為減少趨勢，且城市減少幅度大于郊區(qū)，城市化對年降水量造成增加貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)率為30.9%；6—8月青島市降水量的大值區(qū)主要集中在主城區(qū)下風(fēng)方，市區(qū)則是降水量相對低值區(qū)。

(4)1981—2018年全市1 h年最大降水量表現(xiàn)為增大趨勢，增加速率為0.93 mm·(10 a)-1；城郊差異明顯，城區(qū)1 h年最大降水量表現(xiàn)為增大趨勢，易形成洪澇災(zāi)害，郊區(qū)則表現(xiàn)為減小趨勢。