1、北京市夏季降水年代际变化特征及成因分析 摘要： 本文利用北京市 1961 年 2010 年夏季地面气象观测资料，运用数理统计、相关性分析、 M-K突变检验等方法，研究了北京市夏季降水年代际变化，得出以下结论：北京市夏季降水呈现逐年递减趋势， 8月份递减幅度最为显著，且 20世纪 60 年代与 80年代之间相关性最高。 1974 年为北京市夏季降水突变年，夏季降水量与平均相对湿度之间存在正相关性，与平均气压、平均气温、平均风速之间均存在弱的负相关性。 关键词：降水；夏季；相关性分析； M-K检验 中图分类号： P467 文献标识码： A DOI 编 号： 10.14025/j.c 北京市降水从
2、20世纪 60年代起呈现减少趋势， 70年代以来，降水量减少最为显著。降水量的逐渐减少使得北京市的水资源变得十分严峻，对人们生活、工农业的发展等都造成了很大威胁。 目前，国内很多学者对不同地区降水量时空分布特征进行研究。朱龙腾等利用北京市逐年降水和气温气象资料，对北京市降水和气温的年代际变化进行分析。研究表明，北京市降水呈递减趋势，且 1974 年为年降水量突变年。张秀丽等利用北京市逐日观测资料，采用 DFA分形理论，根据求出的Hurst 指数值的大小判断未来降水变化 趋势。王文等利用北京 11个台站逐日降水和气温资料，对北京市降水与气温变化特征进行分析。结果表明，北京市年降水量呈递减趋势，而
3、气温呈递增趋势。谢庄等根据北京地区 120年逐年气温和降水资料，对北京地区近百年气温与降水变化情况进行分析研究。研究表明，北京的年降水从 20世纪 50年代至 80 年代呈持续下降趋势。李春等利用华北夏季降水、海平面气压等气象资料，对我国华北夏季降水年代际变化特征进行分析研究。结果表明，华北地区夏季降水呈递减趋势。李宏毅等利用华南地区 4， 5 月份降水量数据、海温资料和再分析资料，对华南地区 4、 5月 份降水量年代际变化特征进行分析研究，以及所对应的大尺度环流的关系进行了一系列分析。研究表明，华南地区 4 5 月份降水量均在 20 世纪 70年代初期发生较为明显的年代转变。 北京为典型的北
4、温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨。年降雨量约为 483.9毫米，为华北地区降雨最多的地区之一。降水季节分配很不均匀，全年降水的 80%集中在夏季 6月、 7 月、 8月三个月， 7 月和 8 月有大雨。本文利用北京市夏季 6月、 7月、 8月逐年降水资料，使用数理统计方法、 M-K检验、小波分析等方法，对北京市夏季降水年代际变化进行分析研究。 1 资料来源 本文使用北京市 1961 年 2010 年夏季 6月、 7 月、 8三个月逐年降水资料，分析北京市夏季降水年代际活动特征。用 6月、 7 月、 8月三个月降水资料之和来代表北京市夏季降水变化，本文不考虑毛毛雨情况。数据来源于北京市基准
5、地面气象观测站及自动站数据集，使用日平均气压、日平均气、日平均相对湿度、日平均风速 4个指标数据，来对北京市夏季降水影响因子进行分析。 2 方法简介 2.1 气候倾向率 为了反映北京市夏季降水量的年代际变化趋势，这里用一次直线方程来定量描 述，即： 式中： 为时间，单位为 a， 为月降水量距平值，单位为 mm。 c=a10 式中： c称为气候倾向率，即表示每 10 年北京市降水量的变化值。 2.2 相关性分析 若变量的取值 （ j=1， 2， .m），则可以用变量 和 的样本相关系数作为它们的相似性度量。 2.3 M-K突变检验 方法是一种非参数统计检验方法，其仅用于检测序列的变化趋势，计算步
6、骤如下：对于具有 个样本的时间序列 ，构造一秩序列： 其中 ，可 见，秩序列是第 i 时刻数值大于第 时刻数值个数的累计数。 在时间序列随即独立的假定下，定义统计量 其中 ， 是累计数 的均值和方差，在 是相互独立，具有相同连续分布时，可由下式算出： 3 北京市夏季降水量的时间变化 3.1 夏季降水量年际变化特征 图 1为 1961年 2010年北京市夏季降水年际变化曲线，图中虚星线为降水量距平实测值，实线为一元回归方程拟合值，拟合值均通过 0.05 显著性水平检验。从（ a）图中可以看出，北京市夏季降水量波动幅度较大，在 1975年 1995 年之间，夏季降水量以正距平为主，说明了在此期间北
7、京市夏季降水量较多；然后 1996 年 2010 年之间，夏季降水量以负距平为主，表明了在此期间夏季降水量较少。从一元回归方程可以看出，气候倾向率为-32.2mm/10 年，表示夏季降水量总体呈递减趋势，每 10年夏季降水量距平值减少 32.2mm。从（ b）图可以看出， 6 月份降水总体上呈递增趋势，但递增幅度较小，其气候倾向率为 2.9mm/10 年，表明了 6 月份降水距平值每 10年增加 2.9mm。（ c）图中可以看出，在 1967 年 1976 年期间，降水距平值以 正距平为主，说明了在此期间 7月份降水较多；在 1977 年 1984 年期间，降水距平值以负距平为主，说明了在此期
8、间 7月份降水较少；在 1985 年1999 年期间，降水距平值以正距平为主，说明了在此期间 7 月份降水较多；2000 年 2010 年期间，降水距平值以负距平为主，说明了在此期间 7 月份降水较少。从一元回归方程可以看出， 7月份降水总体呈递减趋势，其气候倾向率为 -11.5mm/10 年，表示每 10 年降水距平值减少 11.5mm。（ d）图可以看出， 8月份降水波动幅度较大，气候倾向率为 -23.6mm/10 年，表明每10a， 降水距平值减少 23.6mm，递减幅度较大。 3.2 夏季降水量年代际相关性分析 为了研究北京市夏季降水量各年代之间的相关性，运用 matlab编程求得其之
9、间的相关性系数（见表 1）。从表 1 可以看出， 20 世纪 60 年代与 70 年代之间相关性系数为 0.411，处于（ 0.3， 0.5）之间，表明了 60 年代夏季降水与 70年代夏季降水存在较为显著的正相关性。 60年代与 80年代相关性系数为 -0.8104，处于（ 0.8， 0.9）之间，表明了 60 年代降水与 80 年代存在显著性较高的负相关性关系。 20 世纪 60 年代与 90 年代、 21世纪初相关性系数均低于 0.3水平，表明两者之 ?g相关性较弱。 20世纪 70年代夏季降水量与各年代之间相关性系数也均低于 0.3 水平，说明 70 年代与其余年代之间无相关性。 3.
10、3 夏季降水量突变检验 从图 2 北京市夏季降水 M-K统计曲线可以看出，从 1961 年开始 UF 曲线小于 0，表明从 1961 年开始北京市在夏季降水量呈递增趋势。从 1982 年开始 UF曲线超出临界线，表明了夏季降水从 1982年开始递减趋势非常显著。UF和 UB两条曲线的交点所对应的时刻约为 1974年，且交点在临界线信度之内，则表明 1974 年为北京市夏季降水突变年。 4 北京市夏季降水相关影响因子分析 很多学者做过研究，夏季降水呈现递减趋势，除了与环流背景、海温这两个因数有关外，造成降水减少的主要因素有：风速、相对湿度、气温、气压等。本文由于部分数据的缺失，仅考虑平均气压、平
11、均气温、平均相对湿度、平均风速这几个因子。 由于量纲单位不一致，首先对平均气压、平均气温、平均相对湿度、平均风速、夏季降水量这 5个因子数据做标准化处理。本文将因子数据都归一化在 0， 1之间，具体处理方程如下： 式中： 为因子 数据时间序列， 为因子时间序列最小值， 为因子时间序列最大值。对标准化处理后的数据使用相关性分析，结果见表 2： 从表 2 个中的因子之间相关性系数结果可以看出，夏季降水量与平均相对湿度之间存在正相关性，但相关性不太显著。夏季降水量与平均气压、平均气温、平均风速之间均存在弱的负相关性。图 3为降水与各因子归一化后之间关系变化曲线，（ a）图中可以看出，在 1961 年
12、 1970 年之间相对湿度与降水趋势基本一致， 1971 年 1980 年之间相对湿度归一化值高于降水，1980 年以后，两条曲线又保持很好的一致性；（ b） 图可以看出，平均气压与降水之间走势相差较大，平均气压处于一种较为稳定的波动状态；（ c）图可以看出，在 1961 年 1970 年之间平均气温与降水趋势走势一致。 1985年后，平均气温与降水呈反相关性，降水呈递减趋势，而气温呈递增趋势。 5 结论 本文使用 1961 年 2010 年北京市夏季气象观测资料，对其年代际变化特征进行分析，得出以下结论： 一是通过对北京市夏季降水年代变化特征分析得出：夏季降水量总体呈递减趋势， 10 年降水
13、量距平值减少 32.2mm。其中， 6月份降水总体上呈递增趋势，降水 距平值每 10年增加 2.9mm。 7月份降水总体呈递减趋势，每 10年降水距平值减少 11.5mm。 8月份降水每 10 年降水距平值减少 23.6mm，递减幅度较大。 60 年代夏季降水与 70 年代夏季降水存在较为显著的正相关性，60 年代降水与 80 年代存在显著性较高的负相关性关系。其余年代之间相关性较弱。二是通过对北京市夏季降水减少影响因子分析得出：夏季降水量与平均相对湿度之间存在正相关性，但相关性不太显著。夏季降水量与平均气压、平均气温、平均风速之间均存在弱的负相关性。 参考文献 叶笃正，黄荣辉 .长江黄河 流
14、域旱涝规律和成因研究 J.济南：山东科学技术出版社， 1996： 387. 朱龙腾，陈远生，燕然然，等 .1951 年至 2010 年北京市降水和气温的变化特征 J.资源科学， 2012， 34（ 07）： 1287-1297. 张秀丽，孙燕，祁文 .北京逐日气温和降水量的长程变化特征 J.气象科学， 2008， 28（ 04）： 421-425. 王文，张薇，蔡晓军 .近 50a来北京市气温和降水的变化 J.干旱气象，2009， 27（ 04）： 350-353. 谢庄，王桂田 .北京地区气温和降 水百年变化规律的探讨 J.大气科学，1994， 18（ 06）： 683-690. 李春，孙照渤，陈海山 .华北夏季降水的年代际变化及其与东亚地区大气环流的联系 J.南京气象学院学报， 2002， 25（ 04）： 455-462. 李宏毅，林朝晖，陈红 .我国华南 4、 5 月份降水年代际变化的特征及其与中西太平洋海温的可能关系 J.气候与环境研究， 2012， 17（ 04）：481-494. 作者 ?介：张辉，本科学历，助理工程师，研究方向：航空气象预报。
