华北地区夏季降水的气候特征分析

桑 林，余乐福

（1.华北空管局，北京，100621；2.佛山市气象局，广东 佛山，528000）

天气因素对机场的民航服务有着重要影响，不仅会影响起落、飞行活动，严重时甚至可危及飞行的安全。根据国际民航组织的估计，约三分之一的民航事故直接或间接的与气象因素相关，天气原因造成的不正常航班量占所有不正常航班总量的第三位。在我国航空运输中，雷暴、湍流、地面大风和降水等是影响安全飞行的主要气象要素。其中，降水对飞行的影响主要包括：影响视程，使能见度降低；造成飞机积冰；大雨和暴雨容易使发动机熄火；大雨对飞机的冲击，危及飞行安全；降水影响跑道使用，主要由于跑道积水、积雪或结冰，降低跑道的摩擦系数，以致飞机无法正常起降。因此，需要总结降水的地方性特点，供民航部门参考，以便更好的决策［1-7］。

站点54511靠近北京南苑机场，属于中国地面国际交换站，位于北京南郊，经纬度分别为116.47°E，39.8°N。站点54511所处区域为中国华北地区，是为我国主要缺水区域，有研究指出，自20世纪60年代以来，华北降水呈现明显的减少趋势［8］，造成生态环境、民生、工业等多方面的负面影响，已引起政府和科学界的高度重视。为了认识华北降水的变化规律，需要从时间、空间上分析华北降水的变化特征。张庆云［9］分析1880年以来华北地区降水变化发现，华北降水存在着显著的年代际变化。

前人研究表明，华北地区夏季降水与太平洋和印度洋的海温、西太平洋副热带高压、东亚夏季风、青藏高原积雪和北极海冰等都有着重要的关系。比如黄荣辉等［10］研究指出，华北地区夏季降水的改变可能是由于60年代中期和80-90年代初赤道东太平洋海表温度明显升高所致。顾伟宗等［11］揭示了前冬印度洋海温可以通过向华北的水汽输送来影响华北夏季降水。朱锦红等［12］发现东亚夏季风与华北降水有着良好的对应关系。更进一步，张庆云等［13］指出，东亚夏季风影响华北夏季降水是通过西北太平洋副热带高压的位置的南北移动实现。张人和［14］研究表明，东亚夏季风主要通过水汽输送的变化来影响华北地区夏季降水。

与此同时，华北地区的降水具有雨量集中、地域性强等特征，夏季降水占全年降水的60%以上，且华北地区北临内蒙古高原、东部濒临渤海，这使得在研究华北降水时使用区域平均具有较大的局限［15］。基于此，本文将基于54511的单站数据来研究夏季降水的变化。

1 资料与方法

本研究使用的资料包括54511国际交换站的夏季降水资料，研究时间段为1960至2011，共52年；美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料，空间分辨率为 2.5ⅹ2.5°；GPCP降水资料，空间分辨率为2.5ⅹ2.5°。本文中的华北地区是指 35°～40°N，110°～125°E。

200hPa经向风使用经验正交函数方法（EOF）求得第一主分量。

夏季降水占全年降水的比重随时间的变化使用Mann-Kendall（M-K）法检验［16］。

2 气候特征

图1 （a）月平均降水量 （b）每月降水占全年降水的累积比重

从图1可以看出，北京地区降水只有一个峰值，在7月份，达到了近180mm。8月份次之。6月份以来，北京地区降水陡增；而过了8月份，降水又骤降。6-8三个月的夏季降水，占全年降水的71.7%，说明北京地区降水为典型的季风降水特征。

从图2可以看出，54511站的夏季降水序列有着较强的年际和年代际变化。在90年代后期，7月份、8月份的降水有明显的减少，而在6月份则不显著。陆日宇［1］等研究指出华北地区夏季降水的特征主要由7，8月降水变化决定，我们从夏季平均的降水量序列图中（图2d）可以看到在90年代后期的显著减少。为了检验54511站夏季降水序列与华北地区夏季降水的关系，我们使用GPCP数据，对华北地区进行区域平均，得到了一条降水序列，即图2红色曲线。在7月份，54511站降水序列与华北平均的降水序列相关最强，达到了0.74，通过99%的显著性检验。其他两个季节虽然相关不如7月份强，也能通过95%的显著性检验。整个夏季降水的相关也达到了0.70，通过95%显著性检验。因此我们可以认为54511站的单站降水对华北地区夏季降水有着较好的代表性。

伴随着夏季降水的年代际变化，那夏季降水占全年降水的比重是否发生变化？基于此，我们对54511站夏季降水占全年降水的比重做M-K检验。M-K检验是最常见的气候突变点检验方法。从图3中我们发现正序列（UF）和逆序列（UB）之间在1996年有个交点，且交点位于5%对应的两条临界线（正负1.96）之间，这说明在1996年夏季降水的比重产生突变。同时，可以看出在这之前，夏季降水的比重基本维持不变；但在后一个时间段，夏季降水的比重呈现减少趋势，并且在2003年减少的趋势更为显著，通过95%显著性检验。

图3 54511站夏季降水占全年比例的M－K突变检验

图4为夏季降水占全年比重的时间序列，从时间序列上，我们更明显的看到在1996年夏季降水占全年降水的比重的突变。突变之前的时间段内（1960-1996），夏季降水占全年降水的平均比重为74.4%，而突变之后（1996-2011）的平均比重则降低为62.1%。夏季降水的占比降低，那么其他季节的降水占全年降水的比重则肯定会相应的增加。究竟那个季节的降水占比增加呢？从图5可以看出，突变前后的两个时间段内，春、秋、冬三个季节的降水占全年降水的平均比重都有所增加。其中以秋季降水比重增加为最多，达到了5.9%，春季降水比重也增加了5.6%，冬季降水的平均比重略有增加，但基本不变。这说明，从单站数据看，北京地区夏季降水的比重在1996年有了突变，平均比重下降了12%左右，而春、秋季节的降水占全年降水的比重则相应增加。

图4 夏季降水在全年降水量中的比重，两条横线分别代表1951－1996和1996－2011这两个时间段内的平均值

图5 突变前后两个时间段内春、夏、秋、冬降水占全年比例

3 与丝绸之路型的关系

进一步，我们将54511站的夏季降水与200hPa的经相风场做单点相关，如图6所示，其中打点处为通过95%显著性检验的区域。在欧亚大陆上，有一个明显的波列结构，西起里海附近，东至日本上空。这个波列与Lu等提出的丝绸之路型类似［17］。Yasui and Watanabe［18］对 20-60°N，0-150°E 的区域夏季200hPa经向风做EOF分解，其第一模态可以表现为丝绸之路型，且与其他模态有着显著的差异。对比54511站的夏季降水序列和PC1，可以发现两者相关型很好，如图7所示。二者相关达到了0.35，通过了95%的显著性检验。同时，PC1也能很好的展现单站夏季降水的年代际变化，在90年代末期有个明显的降低趋势。研究表明，丝绸之路型与东亚夏季风有着显著的相关，而东亚夏季风与华北地区的降水也有着密切关系［19］。因此可能的机制是丝绸之路型影响了东亚夏季风，进而影响了华北地区的降水。有关这方面的研究需要进一步从观测数据及模式中得到验证。

图6 54511站夏季降水与200hPa经相风的相关，打点处表示通过95%显著性检验，*代表了站点的位置。

图7 54511站夏季降水（实线）与200hPa经向风EOF分解的PC1的时间序列（虚线），相关系数达0.35，*号代表通过95%显著性检验

4 结论

本研究基于华北地区单站的降水序列，重点分析了夏季降水的气候特征，得到如下结论：

（1）单站数据显示夏季降水有着明显的年际和年代际变化特征，其中年代际主要由7月和8月降水决定。夏季降水序列与华北区域平均的夏季降水序列有着显著相关，说明单站数据对华北地区夏季降水有着很好的代表性。

（2）夏季降水占全年降水的比重在1996年有年代际的突变，由之前的74.4%降低到62.1%。与此同时，春、秋季节的降水占比增加，而冬季基本不变。

（3）夏季降水与200hPa的经向风之间的相关呈现丝绸之路型，背后的物理机制可能是丝绸之路型影响了东亚夏季风，进而影响了华北地区的降水。

总体来说，夏季降水与丝绸之路型有关，占全年降水的比重也在1996年发生突变。掌握这样的降水特点，可为机场的安全保障和运行能力提供客观依据。

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