气候变化和城市化对青岛降水的影响

马 艳,郭丽娜

(1.山东省青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；2.山东省青岛市气象局，山东 青岛 266003)

引 言

在全球气候变化背景下，降水规律的研究也引起了广泛关注[1-5]。尽管近30 a来全球降水变化的总趋势基本为零，但热带地区降水在增加，而北半球中纬度地区降水在减少[6]。20世纪初至1950年代北半球陆地季风降水呈增加趋势，但1950—1980年代呈减小趋势，之后又呈增加趋势[7]。中国地区弱降水频率总体呈减小趋势[8-9]，极端强降水具有明显的地域性和局地性[10]。中国大部分地区年降水量增加的主要原因在于降水强度和强降水频数的增加，而低纬度部分地区年降水量减少是由于降水频数没有增加[11]。一个城市的降水分布除了受天气系统和地形影响之外，与城市化进程也密切相关[12-16]，珠三角城市群总体处于降水低值中心，其核心城市区域近10 a降雨呈减少趋势[17]；对南京和华南地区的城市化影响分析表明，城市热岛强度影响区域越大，降水分布的局地不均匀性也更加明显[18-19]。城市化进程对一般性降水的城郊差异影响较小，但对暴雨和短时强降水等灾害性降水事件的影响明显加大[20-22]。

在人类活动和自然因素的影响之下，我国沿海城市暴雨发生频率、日数和强度都发生了明显变化，如南方沿海城市广州和上海，气候变暖影响了降雨强度和频率，城市热岛效应导致城市极端暴雨的发生[23]；北方沿海城市中，1951—2010年辽宁沿海城市年降水量线性趋势为-12.80 mm·(10 a)-1，年降水量距平波动性较大[24]，天津市区冬季西北风盛行时，下风向的降水量明显增加，雨岛特征有所表现[25]。青岛处于暖温带半湿润区和北亚热带湿润区过渡带，即处于南北气候过渡带，又受海洋影响，是北方重要沿海城市之一，在全球气候变暖和城市化快速发展的共同影响下，该地区气温、风速以及极端降水发生频次和强度也发生了一系列变化[26-30]。虽然近年来青岛一直处于缺水干旱状态，但城市内涝又频发。2012年9月21日青岛市黄岛区出现特大暴雨，小时降水量93.1 mm，城区多处严重积水，造成重大经济损失。本文基于青岛市7个自动气象站降水量、不同量级降水日数的观测资料，分析青岛降水的气候变化规律，揭示其对全球变暖和青岛城市化进程的响应，以期为今后应对北方沿海城市内涝风险，修订区域防汛抗旱应急预案等提供一定的参考。

1 研究区概况

青岛市辖管7个市辖区(市南、市北、李沧、崂山、黄岛、城阳、即墨)，代管3个县级市(胶州、平度、莱西)，自西北到东南方向，海洋性气候特点愈加明显。改革开放初期青岛城市发展主要集中在东海岸的老城区(市南和市北区)和黄岛地区，1992年青岛市东部大开发，实现城市中心东移，2001年建设西海岸经济新区，青岛经济重心西移，城镇范围逐步扩大。

2 资料和方法

首先以1961—2018年青岛市7个国家基本气象站(青岛、崂山、胶南、即墨、胶州、平度和莱西站)年、月降水量及不同量级(小雨、中雨、大雨和暴雨)降水日数为基础，采用趋势分析等方法分析在全球气候背景下以及不同城市发展阶段情形下，青岛市近58 a来降水量和降雨日数的时间和空间差异性。其中气候平均态为1981—2010年，小雨、中雨、大雨、暴雨的划分为24 h降水量分别在0.1～9.9 mm、10.0～24.9 mm、25.0～49.9 mm、50.0～99.9 mm之间。

其次，基于1981—2018年青岛7个国家基本气象站的1 h年最大降水量，分析短历时降水的时空分布特征，以期反映极端降水事件的变化规律。其中，逐年1 h年最大降水量从降水自记纸或逐分钟降水量数据文件中，采用逐分钟滑动统计法挑取，不受日、月界的限制(但不跨年挑取)。其中，青岛站是市南区的代表站，能够反映青岛城市主城区的气候变化特点，胶南站是黄岛区的代表站，崂山站则是李沧区的代表站。表1列出青岛7个国家基本气象站的历史沿革，也反映出2018年各区市常住人口规模存在明显差异。

以青岛站和崂山站为城市代表站，胶南、即墨、胶州、平度和莱西站为郊区代表站，考察城市化对城市站周边降水量和降水日数的影响，其中城市化贡献率的计算方法如下：

(1)

式中：Eu为城市化贡献率，反映城市化影响在城市附近台站降水量和不同量级降水日数趋势变化中所占的比率；Pu和Pr分别为城市站和郊区站降水量和降水日数的变化趋势系数，其差值反映城市化影响。若Pu和Pr的差值大于0表示城市化使之增大或增多，城市化对所考虑的气象要素造成增加贡献，若为负值则表明城市化对它们起到减弱贡献。

表1 青岛7个国家基本气象站历史沿革信息Tab.1 The historical evolution information of seven national basic weather stations in Qingdao

3 结果与分析

3.1 全球变暖背景下青岛市降水特征

图1为1961—2018年青岛市年降水量距平年际变化序列。可以看出，青岛市年降水量存在年际波动，年降水量整体呈减小趋势，气候倾向率为-18.47 mm·(10 a)-1。1961—2018年，青岛市平均降水量689.4 mm，较气候平均态(664.1 mm)偏多25.3 mm(图略)。其中1961—1980年，青岛市年平均降水量753.2 mm，远大于气候平均态，但1961—1980年降水量却呈减小趋势，气候倾向率为-86.46 mm·(10 a)-1；1981—2010年青岛市年降水量呈增加趋势，增加速率为77.93 mm·(10 a)-1；2011—2018年降水量较气候平均态偏少39.5 mm，但总体上呈现弱增加趋势，增加速率为2.71 mm·(10 a)-1。

1961—2018年青岛市年平均降雨日数为77.5 d，其中小雨日数58.9 d、中雨日数11.3 d、大雨日数5.3 d、暴雨日数2.0 d。不同量级的降水日数呈减少趋势，减少速率随着降雨量级的增大而减小，其中小雨和暴雨日数的气候倾向率分别为-1.73、-0.13 d·(10 a)-1(图2)。1981年以来，青岛市小雨日数呈减少趋势，而中雨、大雨和暴雨日数均表现为增加趋势，其中小雨、中雨、大雨和暴雨日数的线性变化趋势分别为-1.04、0.43、0.32、0.08 d·(10 a)-1。说明青岛市降水量的增加主要由中雨和大雨日数的增加引起。

图1 1961—2018年青岛市年降水量距平年际变化Fig.1 The variation of annual precipitation anomaly during 1961-2018 in Qingdao

表2列出1961—2018年青岛不同年代不同降水量级的降水日数变化趋势。可以看出，1960年代以来，小雨日数减少速率有逐渐增大趋势，至1990年代，小雨日数减少速率达最大，为-0.84 d·a-1，之后减少速率有减缓趋势。中雨日数有明显的年代际波动：1960、1980、2000年代中雨日数呈增加趋势，1970、1990、2010年代则表现为减少趋势。1960—2010年代，青岛市大雨日数均呈增加趋势，其中1980年代增加速率最大，为0.31 d·a-1，其中1990年代增加速率最小，为0.03 d·a-1。1960、1970、2010年代暴雨日数呈减少趋势，其中1970年代减小趋势明显，为-0.13 d·a-1；1980、1990、2000年代暴雨日数则呈增加趋势，其中1980年代增加趋势明显，增加速率0.14 d·a-1。

图2 1961—2018年青岛市不同量级降水日数距平年际变化Fig.2 The annual variation of anomaly of different level precipitation days during 1961-2018 in Qingdao

表2 1961—2018年青岛不同年不同量级降水日数变化趋势Tab.2 The linear tendency of different level precipitation days in different decades during 1961-2018 in Qingdao 单位：d·a-1

3.2 城市化效应下青岛降水特征

1961—2018年年平均降水量南部沿海地区(市南、崂山、黄岛)为719.6 mm，中部地区(胶州、即墨)为682.2 mm，北部内陆地区(平度、莱西)为651.0 mm(图略)。1961—2018年6—8月青岛市降水量的大值区主要集中在即墨和黄岛东南沿海一带，主城区(市南区、市北区)降水量却是一个相对的低值范围(图3)。6—8月青岛降雨的影响系统主要有低槽冷锋、温带气旋、低涡切变线以及台风等。受低槽冷锋、低涡切变线等北方天气系统影响，大部分降水过程是降水系统自西北向东南方向移动影响青岛地区，近地面层主导风向通常为南风或西南风。因此在这类天气系统过程中，相对于主城区而言，其东北方向的即墨位于主城区的下风向。而对于南方系统(江淮气旋、台风等)，降水过程通常自西南向东北方向移动影响青岛地区，近地面层主导风为东风或东北风。因此在这类天气系统过程中，黄岛处于市区的下风向。即墨和黄岛较大的降水量反映了明显的城市化效应。因此，在考虑天气系统和地形的影响之外，城市中心下风向也是预报降水落区和强度的关注点之一。

图3 1961—2018年青岛市6—8月降水量空间分布(单位：mm)Fig.3 The distribution of precipitation from June to August during 1961-2018 in Qingdao (Unit: mm)

城市热岛效应是城市化的典型特征，城市化可造成降水量的增加或减少[31-33]，在城市的上风和下风方向月均和季均降水量以及降水天气现象的发生频率明显高于周围临近地区，这种降水分布异常在夏季最显著，且表现出随着城市化进程加快而增强的趋势[34-35]。图4为2017、2018年9月NOAA19卫星遥感监测的青岛热岛强度指数和自动气象站的降水量空间分布。可以看出，在城区或乡镇中心区都相应存在热岛强度的高值区，2018年主城区的热岛强度明显强于2017年，2018年9月降水量也明显大于2017年，但在热岛强度的高值区并没有降水量的大值区与之对应，而是出现在热岛强度大值区周边30 km左右。SHEPHERD等[36]对美国2座城市的分析也发现最大降水量发生在城市中心边缘平均39 km处或者离城市中心64 km的区域。

分析青岛各站点1961—2018年降水量和不同量级降水日数的年际变化(图略)，发现大部分站点年降水量都呈减少趋势，但减少速率有所差异，其中崂山站、莱西站年降水量气候倾向率分别为-35.69、-0.79 mm·(10 a)-1，即崂山站减少趋势明显强于莱西站。崂山站1980年由位于郊外的李村镇迁址到李沧区青峰路，现为大面积城市建成区所包围，莱西站也已不是完全意义上的郊区站。从青岛市统计局统计公报(http://qdtj.qingdao.gov.cn/)看出2018年李沧区和莱西市常驻人口比2008年同比增长93.0%和4.2%。说明城市化进程使崂山年降水量显著减少。对于其他区市而言，2018年常驻人口比2008年同比增长率在0.6%～36.6%之间，其中平度市最小为0.6%，黄岛区最大为36.6%。青岛站、平度站、即墨站、胶南站、胶州站年降水量线性趋势分别为-25.00、-18.30、-18.20、-10.60、-9.80mm·(10a)-1，说明市南区和李沧区年降水量减小较大，中北部地区相对较小。降水量的变化，不仅受全球气候变化大环境的影响，而且局地地形地貌、环流特征、城市热岛等也是其影响因素。1981—2018年青岛各站点年降水量变化呈增加趋势，其中胶南站增加趋势最大，为43.70 mm·(10 a)-1，即墨站增加趋势最小，为8.90 mm·(10 a)-1。城市化进程对不同量级降水日数的影响，除了莱西站中雨和大雨日数分别为0.18、0.21 d·(10 a)-1的弱增加趋势外，其他各站小雨、中雨、大雨、暴雨日数基本都呈减少趋势，且南部的减少趋势大于北部和中部地区；各站小雨、中雨、大雨、暴雨日数减少的速率随着降雨量级的增大而减小，即小雨日数的减小速率最大，暴雨日数最小。

图4 NOAA19卫星遥感监测青岛热岛强度指数(a、c)以及相应年9月降水量分布(b、d，单位：mm),(a)2017年9月12日,(b)2017年9月，(c)2018年9月6日，(d)2018年9月Fig.4 Distribution of urban heat island index (a, c) monitored by NOAA19 and precipitation in September (b, d, Unit: mm) in Qingdao(a) 12 September 2017, (b) September 2017, (c) 6 September 2018, (d) September 2018

1961—2018年青岛城市站年平均降水量为696.4 mm，郊区站为686.6 mm，城郊差异不大。图5为1961—2018年青岛城市和郊区站年降水量距平变化。可以看出，城郊降水量均呈减少趋势，且城市站减少幅度大于郊区站，其气候倾向率分别为-30.36、-13.67 mm·(10 a)-1，城市化使降水量减少。另外，1961—1980年城市和郊区降水量均为明显减小趋势，其气候倾向率分别为-123.3、-71.45 mm·(10 a)-1，城市化贡献率达-42.0%；1981—2018年城市站和郊区站的降水量表现为增加趋势，增加速率分别为35.72、24.68 mm·(10 a)-1，城市化对年降水量造成增加贡献，贡献率为30.9%。1961—2018年青岛市城郊降水量减小趋势的贡献主要是1961—1980年降水量的变化。

1961—2018年不同量级降水日数，基本上表现为城市小雨和中雨日数多于郊区，郊区大雨和暴雨日数多于城市。表3列出1961—2018年青岛城郊年降水量和不同量级降水日数的变化率、城市化的影响。可以看出，1961—1980年不同量级降水日数在城市站和郊区站均表现为减少趋势，其中城市小雨、中雨和大雨日数的减少速率大于郊区。1981年以后，所有站点中雨和大雨日数都表现为增多趋势，其中城市站中雨日数增加速率为0.26 d·(10 a)-1，郊区站为0.49 d·(10 a)-1，城市化对中雨日数为减少贡献。城市和郊区站的小雨日数都呈减少趋势，城市站的暴雨日数呈增加趋势，而郊区站的暴雨日数则呈减少趋势，即城市化影响使得暴雨日数增加。

1 h的降水强度对于洪涝灾害预警和城市内涝应对都具有重要的现实意义。青岛市年平均1 h降水量在胶南和即墨站较大，分别为49.8、45.2 mm，青岛和崂山站较小，分别为38.6、38.9 mm，与青岛市6—8月降水量空间分布大致相同(图3)。青岛大部分区域不易出现短时强降水[37]，张凯静等[29]也分析指出青岛市大于30 mm的小时降水量在即墨和黄岛出现最多。1981—2017年全市1 h年最大降水量表现为增大趋势，增加速率为0.50 mm·(10 a)-1，但1990—2017年全市1 h年最大降水量却呈减小趋势[-1.09 mm·(10 a)-1](图略)。山东鲁中地区1999—2015年1 h年最大降水量也呈减少趋势[38]。

图5 1961—2018年(a)、1961—1980年(b)、1981—2018年(c)青岛城市和郊区站年降水量距平年际变化Fig.5 The variation of annual precipitation anomaly during 1961-2018 (a), 1961-1980 (b), 1981-2018 (c) at urban and suburb sites of Qingdao

表3 1961—2018年青岛城郊年降水量和不同量级降水日数的变化趋势和城市化影响Tab.3 The linear tendency and influence of urbanization on annual precipitation and different level precipitation days at urban and suburb sites of Qingdao during 1961-2018

青岛市不同站点1 h年最大降水量变化趋势也有差异(图6)，其中青岛站和崂山站表现为增加趋势，增加率分别为4.37、3.65 mm·(10 a)-1。1981—2017年胶南站1 h年最大降水量呈弱增长趋势，1990—2017年则为弱减小趋势。1980—2017年、1990—2017年即墨、胶州和平度站1 h年最大降水量均为减小趋势，1990—2017年3站变化趋势分别为-7.32、-3.52 和-2.19 mm·(10 a)-1。1980、1990、2000年代，青岛站小时降水强度分别约为31、40、43 mm·h-1。城市化使青岛市小时降水量的城郊差异较明显，城区1 h年最大降水量呈增大趋势，易形成洪涝灾害，郊区则表现为减小趋势。另外，青岛城区短历时强降水的发生概率和强度增加明显，上海和广州小时降水量也是呈现不断增加趋势[23]。

图6 1981—2017年青岛市1 h年最大降水量年际变化Fig.6 The annual variation of yearly 1-hour maximum precipitation during 1981-2017 in Qingdao

4 结 论

(1)1961—2018年青岛市年降水量呈波动变化，但整体上呈现减小趋势，气候倾向率为-18.47 mm·(10 a)-1；1981—2018年青岛市年降水量则表现为增大趋势[2.71 mm·(10 a)-1]。

(2)1961—2018年青岛市不同量级的降水日数均表现为减少趋势，减少速率随着降水量级的增大而减小，其中城市站减少速率大于郊区站。1981年以来，青岛市小雨日数减少，中雨和大雨日数增加；中雨和大雨日数在城市和郊区都表现为增多趋势，而暴雨在城区比郊区更容易出现；青岛市降水量的增加主要由中雨和大雨日数增加造成。

(3)1961—2018年青岛城市和郊区年降水量均呈现为减少趋势，且城市减少幅度大于郊区，城市化对年降水量造成增加贡献，贡献率为30.9%；6—8月青岛市降水量的大值区主要集中在主城区下风方，市区则是降水量相对低值区。

(4)1981—2018年全市1 h年最大降水量表现为增大趋势，增加速率为0.93 mm·(10 a)-1；城郊差异明显，城区1 h年最大降水量表现为增大趋势，易形成洪涝灾害，郊区则表现为减小趋势。