天津市津南地区近40年气候变化和极值分布特征研究

孙树鹏，吴 洋，张 禄，廖云琛，赵 玥

(天津市津南区气象局 天津300350)

0 引 言

近百年来地球气候正在发生以变暖为主要特征的显著变化，已有不少学者对全球变暖做了大量研究[1-4]。气候变暖会使得高温、暴雨等极端事件出现频率和强度发生变化。各种极端事件的频发，给人民的生产生活带来很多不利影响[5-7]。津南地区地处华北平原东北部，临近渤海，具有明显的地方气候特征。在全球变暖的大背景下，津南地区气候也呈现一些新的特征。本文拟通过对津南地区近 40年的气候资料进行统计分析，研究该地区气温、降水、日照等变化规律，更好地服务工农业生产和民众生活。

鉴于极值重现期问题也是防灾减灾中非常重要的问题[8]，本文通过对津南地区近 40年气候资料的统计拟合，计算了日最高气温、日最低气温、日最大降水量不同概率的多年一遇数据，为气象防灾减灾提供科学依据。

1 资料与方法

本文研究使用资料为津南国家一般气象站1980—2019年逐日观测资料，主要采用的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速和日降水量等数据。本文采用皮尔逊型分布方法计算了各要素的极值重现期。

2 近40年气候变化特征

2.1 各气候要素年变化特征分析

计算 1980—2019年各气象要素的逐日 40年平均值，可得日平均气温、平均相对湿度、平均风速和日降水量的年变化曲线，如图1所示。由图1a可知，津南地区日平均气温在 1月份达到最低，为-5℃左右，在7月份到达最高，为27℃左右，平均气温年较差在 30℃以上。日平均相对湿度在春季 4月份最低，为 50%以 下 ，在盛夏 8月份最高，接近 80%(图 1b)。日降水量的峰值也出现在盛夏(图 1d)，即津南区为典型的暖湿同季，雨热同期。从日平均风速变化曲线来看(图1c)，一般春季风速较大，在4月份到达峰值，日平均风速超过4m/s，而在盛夏8月份风速为全年的低谷期，最小不足2m/s。

图1 津南地区各气象要素日均值的年变化曲线Fig.1 Annual variation curves of daily mean value of meteorological elements in Jinnan area

2.2 各气候要素近40年变化特征

计算津南国家一般气象站近 40年的年平均气温、年平均相对湿度、年平均风速和年总降水量，如图 2所示。由图 2a可知，津南地区年平均气温在近40年基本呈逐步上升趋势，平均 10年增加 0.5℃。但在 2010年前后增温趋势稍有放缓，之后又恢复上升态势，这与全球增暖趋势较为一致。由图2b可知，津南地区年平均相对湿度在近 40年基本呈下降趋势，平均每10年下降2%。这反映了津南地区空气呈现变干燥的趋势。由图 2d可知，降水量没有明显下降趋势，仅呈现较大的年际波动变化特征。图 2c为年平均地面风速变化曲线，近 40年津南地区平均风速整体呈现下降的趋势，但也有明显的年代际变化特征，在 1980年、2000年和 2010年前后都有一个明显的峰值期。

图2 津南地区各气象要素年均值近40年(1980—2019年)变化曲线Fig.2 Variation curves of annual mean values of meteorological elements in Jinnan area in recent 40 years(1980-2019)

统计津南国家一般气象站近40年的最高和最低气温、日最大降水量和年总日照时数，如图 3。由图3a和图3b可知，津南地区最高和最低气温在近40年均基本呈升高趋势，尤其最高气温在 1995年之后呈现较明显的增加趋势，在2000年出现了近40年中的最高气温 41.3℃，在 1985年出现了近 40年中的最低气温-21.7℃。由图 3c可知，津南地区日最大降水量在近年呈现多发态势，在2012年出现了255.8mm的极端最大降水量。由图3d可知，近40年津南地区年总日照时数在 2005年之前基本呈现下降的趋势，但在之后又呈现增多趋势。

图3 津南地区各气象要素年统计值近40年(1980—2019年)变化曲线Fig.3 Variation curves of annual statistical values of meteorological elements in Jinnan area in recent 40 years(1980-2019)

2.3 季节平均的年代际变化特征

分4个季节分别统计1980s(1980—1989年，以下类似)、1990s、2000s和 2010s平均值，可得 4个季节的年代际变化特征分布情况。由图 4a可知，在春、夏、秋3个季节气温均呈逐年代升高趋势，2010s在春季比 1980s高近 2℃，冬季平均气温在 2010s稍有回落，接近 1990s。由图 4b可知，在春、夏、秋3个季节相对湿度在 2000年之后均比之前偏低，其中2010s 4个季节均明显低于其他3个年代。平均风速的变化呈现较清晰地一致减弱的年代际变化趋势，见图 4c，1980s的 4个季节平均风速均最大，2010s的 4个季节平均风速均最低。降水量的变化规律性并不十分明显，但可看出 2010s夏季降水量明显高于其他年代。

图4 津南地区各气象要素季节均值的年代际变化曲线Fig.4 Interdecadal variation curves of seasonal mean values of meteorological elements in Jinnan area

2.4 极值重现期分析

气象要素重现期即极端气象要素值发生的平均间隔时间，其倒数即俗称的二十年一遇、五十年一遇、百年一遇等。虽然极端时间发生的概率较低，一旦发生往往造成严重的灾害，因此科学合理的计算重现期就显得十分重要。具体计算方法是以某种分布方式来拟合气象观测历史数据，根据特定概率(多少年一遇)可以得到对应的气象要素值。本文使用气象上常用的皮尔逊分布来计算气象要素重现期，分别得到津南国家一般气象站最高气温、最低气温、日最大降水量、极大风速的多少年一遇对应的数值。由表 1可知，津南区百年一遇最高气温为 43.4℃，最低气温为-24.3℃，日最大降水量为 231.5mm，极大风速为28.6m/s。

表1 各要素不同极值重现期对应值(多少年一遇对应要素值)Tab.1 Corresponding values of different extreme return periods of each element

3 结论与讨论

本文对津南区1980—2019年近40年的气温、相对湿度、风速、降水量和日照等气候要素进行了分析，研究结果表明：

①从各要素的年变化情况来看，津南地区为典型的暖湿同季，雨热同期，最高气温和最大降水量均出现在夏季。平均风速一般春季风速较大，秋冬季次之，盛夏最小。

②近 40年津南地区平均气温、最高气温、最低气温均呈明显的上升趋势，年平均气温每 10年增加约0.5℃，在2010年前后增温趋势稍有放缓，之后又恢复上升态势。平均相对湿度在近 40年基本呈下降趋势，平均每10年下降2%。平均风速整体呈现下降趋势。年总日照时数在 2005年之前基本呈现下降的趋势，但在之后又呈现增多趋势。

③从年代际变化角度分析，在春、夏、秋 3个季节气温均呈逐年代升高趋势，2010s在春季比 1980s偏高近 2℃。相对湿度在 2000年之后均比之前明显偏低，其中 2010s 4个季节均明显低于其他 3个年代。平均风速的变化呈现较清晰的一致减弱年代际变化趋势。降水量的年代际变化规律性并不十分明显，但2010s夏季降水量明显高于其他年代。

④根据皮尔逊分布计算了津南国家一般气象站最高气温、最低气温、日降水量和极大风速的不同重现期对应的极值。其中百年一遇最高气温为 43.4℃，最低气温为-24.3℃，日最大降水量为 231.5mm，极大风速为28.6m/s。