王璐瑤,李靜楠,尹紫薇
(1.天津市寧河區(qū)氣象局 天津 301500;2.天津市津南區(qū)氣象局 天津 300350)
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(fā)生明顯變化,研究特定區(qū)域的降水變化特征對于分析氣候變化背景下的區(qū)域水汽循環(huán)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(zhàn)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(qū)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(fā)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(shù)據(jù)的長期變化趨勢特征的研究,揭示了降水日數(shù)和降水量的不同步變化使得極端強降水過程發(fā)生概率增加,是誘發(fā)旱澇災害的重要原因之一;李明財?shù)萚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(xù)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(qū)或東部濱海新區(qū)的降水變化特征,而對天津其他地區(qū)鮮少提及。
寧河區(qū)位于天津市東北部、渤海灣西北部,作為全國無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地示范區(qū),其豐富的國家優(yōu)質小站稻、河蟹、果蔬等資源在助力鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要作用。受海陸風影響,寧河區(qū)每年汛期強降水頻發(fā),易出現(xiàn)城市內澇、農(nóng)作物漬澇等氣象災害。本文利用寧河1970—2020年連續(xù)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(nóng)業(yè)防災減災等工作提供參考。
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和天津寧河 20個區(qū)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(shù)據(jù)。結合熊明明等[16]的數(shù)據(jù)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(zhèn)(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(zhèn)(A2305)、寧河大北鎮(zhèn)(A2306)、寧河小從莊(A2307)、寧河板橋鎮(zhèn)(A2308)、寧河苗莊鎮(zhèn)(A2309)、寧河鎮(zhèn)(A2310)、寧河廉莊鄉(xiāng)水利站(A2311)、 俵寧河 口鄉(xiāng)(A2312)、寧河北淮淀(A2313)、寧河岳龍鎮(zhèn)(A2314)、寧河潘莊鎮(zhèn)(A2361)、寧河大于莊(A2362)、寧河七里海濕地(A2363)、寧河張子鋪(A2364)。
2.1.1 降水量和降水日數(shù)變化特征
據(jù)統(tǒng)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(guī)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(xiàn)峰值;1981—1990年平均降水量最多,為 539.3mm,在1986年出現(xiàn)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(xiàn)峰值;2000—2020年平均降水量偏少,為423.0mm,在2010年出現(xiàn)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(lián)的降水日數(shù)變化特征如圖2所示。與汛期降水量有所不同,降水日數(shù)呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(P<0.05),表明降水日數(shù)明顯縮短。從 5年滑動平均序列來看,1970—1980年降水日數(shù)偏多,為 39d,1990年之后降水日數(shù)明顯偏少,1990—2020年降水日數(shù)為35d。值得注意的是,對比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)汛期降水量和汛期降水日數(shù)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(shù)呈現(xiàn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境有極大威脅。
圖2 1970—2020年寧河汛期降水日數(shù)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(xiàn)不顯著上升趨勢外,各等級降水量變化趨勢均呈現(xiàn)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(lián)的各等級降水日數(shù)變化特征如圖4所示,結果表明僅小雨日數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)還存在以下特征:近 30年來暴雨量和暴雨日數(shù)減少但年際變化較大,而大暴雨量和大暴雨日數(shù)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(shù)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(xù)性降水變化特征
選取日降水量<1mm的最大連續(xù)日數(shù)和日降水量≥1mm的最大連續(xù)日數(shù)作為連續(xù)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(xù)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(xù)干日明顯變長。特別是 1995年以來,有 4年出現(xiàn)20d以上的無降水,近 10年的平均連續(xù)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(xù)濕日變化趨勢來看,寧河連續(xù)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)
2.2.1 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(qū)國家氣象觀測站汛期逐小時降水數(shù)據(jù)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(qū) 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(xiàn)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(xiàn)在 03時(511.6mm)和22時(344.1mm),而谷值出現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)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(qū),夏季海陸環(huán)午降水發(fā)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(qū)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(tài)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(xù)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(jù)降水持續(xù)時間長短可分為持續(xù) 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(xù)性降水[23]。不同持續(xù)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(fā)現(xiàn),寧河汛期短持續(xù)降水(6h以下)的降水量>長持續(xù)降水(6h以上)的降水量。不同持續(xù)時間降水的降水量均在凌晨出現(xiàn)高值區(qū),但出現(xiàn)時間有所不同,其中1~3h短歷時降水量和 12h以上持續(xù)性降水量峰值出現(xiàn)時間最早,出現(xiàn)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(xiàn)在04時;而6~12h長歷時降水量峰值出現(xiàn)時間最晚,出現(xiàn)在 05時。從圖7(b)可以看出,不同持續(xù)時間的降水頻次也存在明顯差異。降水頻次呈現(xiàn) 1~3h的短歷時降水最多,12h以上的持續(xù)性降水最少的特征。具體來看,持續(xù)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(xiàn)在 03時;6~12h的長歷時降水則集中在清晨到上午時段發(fā)生;12h以上的持續(xù)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(xiàn)在04時和14時。
圖7 2005—2020年寧河汛期不同持續(xù)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
通過統(tǒng)計寧河的汛期降水量、降水日數(shù)、小時平均降水強度發(fā)現(xiàn),寧河汛期降水總量高值區(qū)主要分布在西部、東北部和東南部地區(qū),13年來的汛期降水總量在 5400mm 以上,北部和南部地區(qū)降水最少,降水總量在 5150mm 以下;降水日數(shù)在西部到中部一帶及東北部地區(qū)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(qū)存在高值分布帶,在 2.25mm/h以上,東南地區(qū)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(tài)相反,小時最大降水量在北部地區(qū)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(qū)的汛期降水量最多而降水日數(shù)最少,這種明顯相反的分布態(tài)勢意味著該地區(qū)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(qū))地帶需注意防范城區(qū)低洼地段內澇發(fā)生。北部地區(qū)降水量、降水日數(shù)、小時平均降水強度均較少,但局部小時最大降水量出現(xiàn)過100mm以上的強降水,需加強關注強降水對北部農(nóng)業(yè)的漬澇影響。
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(qū)短時強降水事件發(fā)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(fā)區(qū)集中在西南部,在34次以上;其次是東南部,出現(xiàn) 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(xiàn)高值區(qū),出現(xiàn)次數(shù)在 9次以上,局地還出現(xiàn) 12次以上的高值中心;西部為低發(fā)區(qū)且有“中間少、兩側多”的分布帶,在西部的東、西兩側發(fā)生頻次在 9~10次,中間地帶則僅有 6~7次;東部地區(qū)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(fā)生頻次高值區(qū),出現(xiàn)頻率在5次以上;西部和東部則為低發(fā)區(qū)。而R≥50mm/h則與 20mm/h≤R<30mm/h的強降水事件分布態(tài)趨于相反,其高發(fā)區(qū)集中在北部。綜合來看,對比不同強度降水事件發(fā)生頻次不難發(fā)現(xiàn),在 R≥30mm/h的強降水事件中,中部地區(qū)均為高發(fā)區(qū);而在20mm/h≤R<30mm/h的強降水事件中,中部地區(qū)則為低發(fā)區(qū);西部和東部僅在 20mm/h≤R<30mm/h的強降水事件中為高發(fā)區(qū)。
本文利用 1970—2020年天津寧河地區(qū) 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(shù)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(shù)變化與降水量特征相似,其中小雨日數(shù)下降顯著。連續(xù)干日明顯變長,寧河干旱程度有加重現(xiàn)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(fā)時段,午后易出現(xiàn)強降雨。不同持續(xù)時間降水量均在凌晨最大,1~3h短歷時降水多發(fā),而12h以上的持續(xù)性降水發(fā)生頻次最少。
③從空間分布特征來看,降水量高值區(qū)分布在西部、東北部和東南部,降水日數(shù)在西部到中部一帶東北部地區(qū)最多,南部地區(qū)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(fā)區(qū)均集中在西南部,30mm/h≤R<40mm/h的強降水事件在中部地區(qū)多發(fā),R≥50mm/h的降水事件則易出現(xiàn)在北部。