2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
降水变化是气候变化领域最为热点的话题之一,受到很大关注。传统的研究中,大多都是基于日尺度或是月尺度降水资料开展的研究,针对更小尺度降水的研究相对较少。近些年来,随着更高分辨率逐小时降水资料的挖掘和利用,越来越多的降水特征得以展开研究,如降水日变化特征[1],降水过程特点[2],降水持续性特征[3]以及短时强降水[4]等。可见,小时尺度的降水资料可以对降水特征进行更加深入的剖析。
北京是全世界最大的城市之一,地处我国华北地区,周围山体环绕,地形复杂,且在过去的几十年中城市化进程十分迅速。截至2013年,北京市中心城区的建成面积已从1980年的346 km2发展到1350 km2,城市常驻人口已超过2000万。复杂的地形容易引起的山谷风环流会对局地气候产生影响[5-7],而快速城市化发展带来的下垫面特征的改变也会对当地的降水产生影响[8-11]。可以设想,北京地区在过去几十年快速发展过程中城区、郊区和山区这些不同区域的降水结构变化可能存在一定的差异性。李建等[12]指出北京市夏季降水日变化有着清晨和傍晚至夜间的双峰值结构,更深入的研究显示北京市夏季降水日变化因地形原因存在一定的差异[13-14]。在气候变暖背景下北京地区夏季降水量总体呈下降趋势[15-17],同时城市区域的降水变得更为集中[18],且模式研究结果表明北京城区范围内更容易出现极端降水[19]。强降水集中显然对于人口密集的大城市区域存在巨大的潜在隐患,会造成巨大的经济损失,甚至是威胁人们的生命财产安全。所以,在降水的研究过程中,对于北京地区城区、郊区和山区进行划分,揭示城市区域降水结构变化特征并深入揭示其成因有着重要的意义。
值得注意的是,在降水过程中,弱降水、中等强度降水以及强降水对于降水变化的贡献是不同的,其影响机制也不尽相同,且在全国范围内有着独特的区域变化特征[20], 所以对降水强度进行分级来展开研究可以对降水结构进行更为深入的剖析。相对于基于逐日降水的研究而言,小时尺度的降水分级研究有更丰富的意义。本文将从分级降水的年代际变化特征、日变化特征、以及降水过程不对称性这3个方面,深入研究北京地区城区、郊区和山区不同等级降水变化特征的差异性,从而科学地认知该地区降水结构的变化,这也可以为进一步的城市区域降水变化机理研究提供参考。
1 资料和方法本文所用降水资料为中国国家级地面气象站逐小时降水数据集,包含北京市1977—2013年18个观测站点6—8月逐小时降水观测资料,由国家气象信息中心提供。本资料经过严格的质量控制[1],有降水记录的标准为某一有降水发生时刻的降水量≥0.1 mm。为了进一步确保资料完整性,统计了各站点数据的逐年缺测率,结果显示,所选站点的逐年缺测率均小于5%。降水站点和北京地形分布见图 1,考虑到北京地区复杂的下垫面特点,并参考Wang等[21]的研究,将北京地区的观测站点分为3类,山区、城区以及郊区站点,本文主要针对3类不同区域的降水变化特征进行对比分析。
目前对于小时尺度降水强度的分级没有明确的标准,考虑到整个华北地区的降水特征,以及前期的研究,本文定义小时降水强度的第50百分位值(≤50%)为弱降水,第50至95百分位值为中等强度降水,第95百分位值以上为强降水[4],统计时段为1977—2013年。表 1给出了3个区域不同强度降水的分级阈值,可以看到就弱降水而言,3个区域的阈值没有显著差异,而对中等强度降水和强降水,郊区和城区的阈值均显著高于山区,其中郊区略微高于城区。
在降水过程不对称性的分析中,将某一时刻开始降水量≥0.1 mm定义为一次降水过程的开始,逐时累积降水量≥0.1 mm的时次定义为有降水时次, 否则视为无降水。在最后一个时次发生降水之后,随后的两个时次内均无降水发生,则视为这一次降水过程结束。当识别出每一次降水过程之后,将每一次降水过程的峰值时刻定义为中心时刻进行统计合成[2]。在每一年3个区域所有降水事件统计合成之后,将从降水开始时刻到降水峰值时刻的时间定义为T1,峰值时刻到降水结束时刻的时间为T2,因此,降水峰值前历时与降水峰值后历时之比R可以被用来描述降水过程的不对称性。
此外,也利用了一元线性回归、趋势检验、滑动平均等方法分析降水的趋势和年代际变化特征。
2 分级降水的变化特征北京城区、郊区以及山区不同等级降水夏季平均降水量变化特征如图 2a、2c、2e所示。就弱降水来说,3个地区的弱降水量整体较少,且均呈现出减少趋势,其中城区和山区减少趋势分别为7.8%/10a和6.9%/10a,且通过了0.05的显著性检验(表 2),但郊区弱降水减少趋势不明显。值得注意的是,2000年开始,城区的弱降水相对于郊区来说有更大幅度的减少。中等强度降水在郊区多于城区、城区多于山区(图 2c),从趋势上看,3个区域都表现出更为显著的减少趋势,山区、郊区以及城区分别是7.5%/10a、11.0%/10a、7.5%/10a。3个地区强降水在年代际尺度上几乎没有明显的增加或减少趋势,山区的强降水量整体上少于城区和郊区。2004年之前郊区的强降水多于城区,而在2004年前后发生了位相的转变(图 2e)。综上所述,北京地区夏季降水结构中,弱降水和中等强度降水显著减少,强降水变化不大,北京地区夏季总降水量减少的主要原因是弱降水和中等强度降水的减少。
图 2b、2d、2f给出了不同等级降水贡献的变化曲线。虽然整体上3个区域不同等级降水的贡献没有显著的增加或减少趋势,但是存在着区域差异。弱降水比重为5%~7%;中等强度降水的比重为50%~60%;强降水平均比重在40%左右。在2004年之前,城区和郊区的降水贡献有着相似的变化特征,然而在2004年后,城区的弱降水和中等强度降水的比重相对于郊区而言减少(图 2b、2d),而强降水的比重上升(图 2f)。也就是说,北京平原地区(城区和郊区)降水结构发生了变化,这可能是由于城市区域下垫面特征的改变引起降水结构的改变,使得短时强降水更多发于城市区域。
3 降水日变化图 3显示了北京城区、郊区和山区不同等级降水量逐时距平百分率。可以看到,各个等级降水的日变化特征不仅在空间上表现出明显的差异,在峰值时刻也有着不同的特征。弱降水在3个区域都表现出了清晨和夜间的双峰值结构(图 3a)。郊区的清晨峰值在04时,城区和山区的清晨峰值在06时,量级上表现为郊区多于城区,城区多于山区的特征;山区的夜间峰值时刻在18时,城区和郊区在20时,量级上与清晨时刻正好相反,山区和城区的降水量多于郊区;此外山区的弱降水量谷值在正午时刻,城区和郊区的弱降水量谷值在14时。与弱降水不同的是,中等强度降水仅仅表现出夜间1个峰值(图 3b),山区在18时,郊区在19时,而城区却有着明显的滞后,峰值在22时左右,量级上3个区域的差别不大,谷值也均在正午时刻。强降水也仅表现出1个峰值(图 3c),山区的强降水量峰值在17时,城区和郊区的强降水量峰值在21时,量级上表现为郊区高于山区和城区,城区和郊区的谷值在正午时刻,山区的谷值出现在10时。
峰值时段的降水往往最为集中、影响重大,所以最值得关注。为此本文统计了不同等级降水峰值前后1小时累计降水量的变化特征(图 4)。首先看弱降水的清晨峰值(图 4a),整体上3个地区的弱降水量有显著的减少趋势,量级上郊区高于城区。弱降水的夜间峰值(图 4b)城区没有显著的变化特征,郊区和山区在经历了一个谷值(2000年前后)之后,相对于城区有着明显的回升,且在2004年之后的一段时间里,峰值时刻降水量多于城区。中等强度降水的夜间峰值和强降水的夜间峰值相比较(图 4c和4d),有一个非常值得注意的特点:山区的中等强度降水和强降水没有显著变化;而城区的中等强度降水有减少趋势,相比郊区在2000年以后处在一个低值区,强降水却有着一定的增加趋势,尤其在2004年城区降水开始多于郊区,与之前变化相反。2004年前后的变化差异,是否与城市发展有关,需要开展更加深入的研究。
弱降水、中等强度降水以及强降水过程所涉及的天气背景是不同的,对其降水过程变化的研究有利于进一步揭示成因和机理。在对不同等级降水过程进行合成之后,结果如图 5所示。总体来看,城区、郊区以及山区的不同等级降水过程差异性不大,均有着不对称性特征,即降水从发生时刻开始,在较短时间内发展到峰值时刻,在峰值时刻之后会维持相对较长的一段时间。强降水过程的不对称性最强,具体表现在强降水过程在达到峰值时刻之后,峰值后的几个小时内的降水贡献均大于中等强度降水和弱降水,且峰值前后对应的时刻(-n时刻和n时刻)的贡献差异更大。值得一提的是,强降水和中等强度降水过程的持续性比较长,弱降水过程的持续性比较短。
随着气候背景的改变,降水过程也不是一成不变的模式,统计各区域逐年降水峰前时间与峰后时间的比值R,以此来作为降水不对性指数。这里定义各区域弱降水、中等强度降水以及强降水事件峰前峰后时间之比分别为Rl,Rm,Rh,结果如表 3所示。弱降水事件由于其持续时间较短,所以其不对称指数较小。对比持续时间较长的中等强度和强降水事件可知:无论是山区、郊区、还是城区,中等强度降水事件的平均不对称指数都比较接近1,而强降水事件的平均不对称性指数均在0.80以下。图 6给出了不同等级降水事件不对称性指数的变化曲线,其变化特征有着明显的空间差异。弱降水过程中(图 6a),3个地区的不对称性指数变化趋势不明显,但是城区弱降水的不对称性特征明显小于郊区和山区。中等强度降水过程中(图 6b),城区和郊区变化趋势不明显,而山区表现出微弱下降的趋势。虽然山区、郊区以及城区的强降水事件的不对称性指数都表现出下降趋势,但是城区相对于山区和郊区而言,这种下降趋势更为显著(图 6c),通过了95%的信度检验。城区Rh的显著减少意味着强降水过程从开始时刻到达峰值的时间显著缩短了,这会使得有致灾能力的强降水过程带来的影响变得更加难以应对。
本文利用北京市1977—2013年18个站点逐小时降水资料,对北京不同区域内的降水变化特征进行了深入细致的分析,得到的主要结论如下。
(1) 北京地区夏季降水量减少主要是由弱降水和中等强度降水的减少引起的,强降水并没有显著的减少趋势。2004年之后,相对郊区而言,城区强降水的比重越来越大,弱降水比重减少。
(2) 北京城区、郊区和山区不同等级降水的日变化特征存在差异,弱降水表现出清晨和夜间的双峰值结构,中等强度降水和强降水仅表现出夜间单峰的特征。此外,在各个峰值时刻的降水差异主要表现在城区和郊区2004年前后的差异,城区相对于郊区而言,夜间峰值的弱降水和中等强度降水减少,而强降水增多。
(3) 北京地区夏季降水过程峰值前后不对称性特征十分显著,其中以强降水的不对称性最明显,且这种不对称性特征变得越来越强。
值得进一步讨论的是,除了山区地形因素影响外,郊区和城区小时尺度降水自2004年起变化差异明显,主要体现在不同强度等级降水变化的差异。这说明城市化发展对短时降水可能产生了一定的影响,其可能影响包括城市热岛效应[22-24]、气溶胶影响[25-26]、城市冠层效应[27]等复杂的原因。城市的快速扩张、土地利用改变、温室气体排放,都会加剧热岛效应,城区的气温升高会使得空气的储水能力进一步提高,而且城郊的气温差有利于引起城郊间热力环流的形成,有利于不稳定条件产生从而引起短时强降水。城市冠层和气溶胶的存在则在一定程度上会抑制降水的发生,从而使得弱降水变少。更深入的机理问题还需要结合数值模拟开展研究。
[1] |
Yu R C, Zhou T J, Xiong A, et al. Diurnal variations of summer precipitation over contiguous China[J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(1): 223-234. |
[2] |
宇如聪, 原韦华, 李建. 降水过程的不对称性[J]. 科学通报, 2013, 58(15): 1385-1392. |
[3] |
Li J, Yu R C, Yuan W H, et al. Changes in duration-related characteristics of late-summer precipitation over eastern China in the past 40 Years[J]. Journal of Climate, 2011, 24(21): 5683-5690. DOI:10.1175/JCLI-D-11-00009.1 |
[4] |
Zhang H, Zhai P M. Temporal and spatial characteristics of extreme hourly precipitation over eastern China in the warm season[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2011, 28(5): 1177-1183. DOI:10.1007/s00376-011-0020-0 |
[5] |
Hu X M, Liu S H, Liang F M, et al. Observational study of wind fields, temperature fields over Beijing area in summer and winter[J]. Acta Scicentiarum Naturalum Universitis Pekinesis, 2005, 41(3): 399-407. |
[6] |
Sun J S. A study of the basic features and mechanism of boundary layer jet in Beijing area[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2005, 29(3): 445-452. |
[7] |
Wang X Q, Wang Z F, Gong Y B. Modulation of urban heat island circulation on mountain-plain wind in the Beijing area[J]. Climatic & Environmental Research, 2008, 13(5): 639-644. |
[8] |
Zhang C L, Chen F, Miao S G, et al. Impacts of urban expansion and future green planting on summer precipitation in the Beijing metropolitan area[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2009, 114(D2): 356-360. |
[9] |
Miao S G, Chen F, Li Q, et al. Impacts of urban processes and urbanization on summer precipitation:a case study of heavy rainfall in Beijing on 1 August 2006[J]. Journal of Applied Meteorology & Climatology, 2011, 50(4): 806-825. |
[10] |
Mishra V, Dominguez F, Lettenmaier D P. Urban precipitation extremes:how reliable are regional climate models[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(3): 419-420. |
[11] |
Han J Y, Baik J J, Lee H. Urban impacts on precipitation[J]. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 2014, 50(1): 17-30. DOI:10.1007/s13143-014-0016-7 |
[12] |
李建, 宇如聪, 王建捷. 北京市夏季降水的日变化特征[J]. 科学通报, 2008, 53(7): 829-832. |
[13] |
Yin S Q, Li W J, Chen D, et al. Diurnal variations of summer precipitation in the Beijing area and the possible effect of topography and urbanization[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2011, 28(4): 725-734. DOI:10.1007/s00376-010-9240-y |
[14] |
Wang J L, Zhang R H, Wang Y. Areal differences in diurnal variations in summer precipitation over Beijing metropolitan region[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2012, 110(3): 395-408. DOI:10.1007/s00704-012-0636-8 |
[15] |
Song X M, Zhang J, Aghakouchak A, et al. Rapid urbanization and changes in spatiotemporal characteristics of precipitation in Beijing metropolitan area[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2014, 119(19): 11250-11271. DOI:10.1002/2014JD022084 |
[16] |
Zhai Y Z, Guo Y L, Zhou J, et al. The spatio-temporal variability of annual precipitation and its local impact factors during 1724-2010 in Beijing, China[J]. Hydrological Processes, 2014, 28(4): 2192-2201. DOI:10.1002/hyp.9772 |
[17] |
Zhu L T, Chen Y S, Yan R R, et al. Characteristics of precipitation and temperature changes in Beijing city during 1951-2010[J]. Resources Science, 2012, 34(7): 1287-1297. |
[18] |
Guo X L, Fu D H, Wang J. Mesoscale convective precipitation system modified by urbanization in Beijing city[J]. Atmospheric Research, 2006, 82: 112-126. DOI:10.1016/j.atmosres.2005.12.007 |
[19] |
Yang L, Tian F Q, Smith J A, et al. Urban signatures in the spatial clustering of summer heavy rainfallevent sover the Beijing metropolitan region[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 2014, 119(3): 1203-1217. DOI:10.1002/2013JD020762 |
[20] |
王小玲, 翟盘茂. 1957-2004年中国不同强度级别降水的变化趋势特征[J]. 热带气象学报, 2008, 24(5): 459-466. |
[21] |
Wang J, Yan Z W, Li Z. Impact of urbanization on changes in temperature extremes in Beijing during1978-2008[J]. Science Bulletin, 2013, 58(36): 4679-4686. DOI:10.1007/s11434-013-5976-y |
[22] |
Jauregui E, Romales E. Urban effects on convective precipitation in Mexico city[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(20): 3383-3389. DOI:10.1016/1352-2310(96)00041-6 |
[23] |
Dixon P G. Patterns and causes of Atlanta's urban heat island-initiated precipitation[J]. Journal of Applied Meteorology, 2003, 42(9): 1273-1284. DOI:10.1175/1520-0450(2003)042<1273:PACOAU>2.0.CO;2 |
[24] |
Bornstein R, Lin Q. Urban heat islands and summertime convective thunderstorms in Atlanta:three case studies[J]. Atmospheric Environment, 2000, 34(3): 507-516. DOI:10.1016/S1352-2310(99)00374-X |
[25] |
Guo J P, Deng M J, Fan J W, et al. Precipitation and air pollution at mountain and plain stations in northern China:insights gained from observations and modeling[J]. Journal of Geophysical Research, 2014, 119(8): 4793-4807. |
[26] |
Jin M L, Shepherd J M, King M D. Urban aerosols and their variations with clouds and rainfall:a case study for New York and Houston[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2005, 110(10): 211. |
[27] |
Chen F, Kusaka H, Bornstein R, et al. The integrated WRF/urban modelling system:development, evaluation, and applications to urban environmental problems[J]. International Journal of Climatology, 2011, 31(2): 273-288. DOI:10.1002/joc.v31.2 |
2. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China