天津宁河地区汛期降水时空变化特征

王璐瑶，李静楠，尹紫薇

(1.天津市宁河区气象局 天津 301500；2.天津市津南区气象局 天津 300350)

0 引 言

随着20世纪90年代以来气候变化的加剧，我国降水分布格局已发生明显变化，研究特定区域的降水变化特征对于分析气候变化背景下的区域水汽循环和气候特征等具有重要意义[1]，目前已成为相关专家学者研究的热点[2-3]。陈隆勋等[4]、战云健等[5]分析了全国降水量的长期变化趋势特征。不同学者针对我国不同地区降水变化特征也开展了诸多研究[6-10]。近50年来，气候变暖对天津降水量的影响日益突出，降水的气候变化特征正逐步发生改变[11]。郭军等[12]、段丽瑶等[13]、李春等[14]通过对天津降水观测数据的长期变化趋势特征的研究，揭示了降水日数和降水量的不同步变化使得极端强降水过程发生概率增加，是诱发旱涝灾害的重要原因之一；李明财等[15]、熊明明等[16]、单晓琳等[17]分析了天津夏季降水的日变化特征结果表明，长持续性降水的降水量呈减少趋势，降水量的日变化与降水强度有直接关系。但目前研究主要关注于天津市区或东部滨海新区的降水变化特征，而对天津其他地区鲜少提及。

宁河区位于天津市东北部、渤海湾西北部，作为全国无公害农产品生产基地示范区，其丰富的国家优质小站稻、河蟹、果蔬等资源在助力乡村振兴中发挥着重要作用。受海陆风影响，宁河区每年汛期强降水频发，易出现城市内涝、农作物渍涝等气象灾害。本文利用宁河1970—2020年连续的长序列气象观测记录，对宁河汛期降水时空变化特征进行研究，以期为防汛抗旱、农业防灾减灾等工作提供参考。

1 资料与方法

数据来自天津市气象信息中心，包括天津宁河国家气象观测站1970—2020年汛期6～9月逐小时、逐日、逐月降水数据和天津宁河 20个区域自动站2008—2020年(2008年建站)汛期6～9月逐小时、逐日和逐月降水数据。结合熊明明等[16]的数据质量控制方法，参与分析的观测站点共有 19个，分别为宁河国家气象观测站(54529)、宁河丰台镇(A2301)、宁河东棘坨(A2302)、宁河造甲城(A2303)、宁河江洼口(A2304)、宁河七里海镇(A2305)、宁河大北镇(A2306)、宁河小从庄(A2307)、宁河板桥镇(A2308)、宁河苗庄镇(A2309)、宁河镇(A2310)、宁河廉庄乡水利站(A2311)、 俵宁河 口乡(A2312)、宁河北淮淀(A2313)、宁河岳龙镇(A2314)、宁河潘庄镇(A2361)、宁河大于庄(A2362)、宁河七里海湿地(A2363)、宁河张子铺(A2364)。

2 汛期降水时间变化特征

2.1 年变化特征

2.1.1 降水量和降水日数变化特征

据统计，宁河多年汛期(6～9月)平均降水量占全年降水量的77.9%，可见宁河全年降水大多来自汛期降水的贡献，那么掌握宁河汛期降水变化规律对于提高本地天气预报水平就具有重要意义。图1给出了1970—2020年宁河国家气象观测站汛期逐年降水总量序列，结果表明 1970—2020年宁河汛期降水总量呈不显著的下降趋势(P＞0.05)，且年际和年代际间差异较大，最多的年份为 785.6mm(1988年)，最少的仅为 158.1mm(1999年)，相差近 4倍。结合5年滑动平均序列来看，宁河汛期降水量有明显的时间阶段性变化，且具有4个波峰特征：1970—1980年平均降水量偏多，为478.1mm，在1975年出现峰值；1981—1990年平均降水量最多，为 539.3mm，在1986年出现峰值；1990年之后降水开始明显减少，1991—2000年平均降水量最少，为 376.9mm，在1996年出现峰值；2000—2020年平均降水量偏少，为423.0mm，在2010年出现峰值。

图1 1970—2020年宁河汛期降水总量变化曲线Fig.1 Variation curve of precipitation during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：mm)

与汛期降水量相关联的降水日数变化特征如图2所示。与汛期降水量有所不同，降水日数呈现出显著下降的趋势(P＜0.05)，表明降水日数明显缩短。从 5年滑动平均序列来看，1970—1980年降水日数偏多，为 39d，1990年之后降水日数明显偏少，1990—2020年降水日数为35d。值得注意的是，对比图1和图2发现汛期降水量和汛期降水日数的变化趋势在1970—1990年较为一致，而在1990年之后汛期降水量和汛期降水日数呈现出明显的波动变化不一致的趋势特征。这与李春等[14]的结果相似，表明当前的降水气候特征对农业生产、生态环境有极大威胁。

图2 1970—2020年宁河汛期降水日数变化曲线Fig.2 Variation curve of precipitation days during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.1.2 不同等级降水事件变化特征

不同等级的降水量变化曲线如图3所示，结果显示除中雨呈现不显著上升趋势外，各等级降水量变化趋势均呈现不显著下降趋势(P＞0.05)。其中，中雨的上升速率为2.9mm/10a；小雨、大雨、暴雨、大暴雨的下降速率逐级增加，分别为 3.2、3.9、9.6、14.7mm/10a。各等级的降水量变化趋势与总降水量的变化趋势大致相同。

与汛期各等级降水量相关联的各等级降水日数变化特征如图4所示，结果表明仅小雨日数呈显著的下降趋势(P＜0.05)，下降速率为 1.1d/10a，表明小雨日数显著变短。对比图3和图4可见，小雨、大雨、暴雨、大暴雨的降水量和降水日数在 1990年之后较1970—1990年明显减少。其中暴雨和大暴雨的降水量和降水日数还存在以下特征：近 30年来暴雨量和暴雨日数减少但年际变化较大，而大暴雨量和大暴雨日数年际变化较小，这与傅宁等[18]的结果相似。

图3 1970—2020年宁河汛期各等级降水量变化曲线Fig.3 Variation curve of precipitation on different scales during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：mm)

图4 1970—2020年宁河汛期各等级降水日数变化曲线Fig.4 Variation curve of precipitation days on different scales during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.1.3 持续性降水变化特征

选取日降水量＜1mm的最大连续日数和日降水量≥1mm的最大连续日数作为连续干日和湿日，该指标能很好地反映旱涝情况[13]。由 1970—2020年宁河汛期逐年连续干日变化可以看出，干日有显著的上升趋势(P＜0.05)，上升速率为 1.1d/10a，表明连续干日明显变长。特别是 1995年以来，有 4年出现20d以上的无降水，近 10年的平均连续干日也长达16d，这表明近年来宁河的干旱程度有所加重。而从连续湿日变化趋势来看，宁河连续湿日没有显著的趋势性变化，1970—1980年多为 5～7d，1981—2020年多为3～5d，还有1年仅为2d，见图5。

图5 1970—2020年宁河汛期干日和湿日变化曲线Fig.5 Variation curve of dry days and wet days during flood season from 1970 to 2020 in Ninghe District(unit：d)

2.2 日变化特征

2.2.1 降水量、降水频次、降水强度变化特征

为更好地研究宁河汛期降水日变化特征，选取了近 20年来(2005—2020年)宁河地区国家气象观测站汛期逐小时降水数据作为研究对象来分析宁河汛期降水日变化特征。图6给出了宁河地区 2005—2020年汛期逐小时累积降水量、降水频次和降水强度日变化曲线。从降水量的日变化曲线来看，降水量的大值时段出现在夜间，特别是后半夜 02～05时，而在白天明显偏小。多年逐小时累积降水量大值存在明显的双峰，峰值分别出现在 03时(511.6mm)和22时(344.1mm)，而谷值出现在 17时，仅196.6mm。多年逐小时累积降水频次的日变化曲线与多年累积降水量较为相似，同样是在夜间发生频次明显高于白天。夜间 23时至次日上午 09时为降水频发时段，其中04时降水频次最高，有153次，而午间12时至夜间20时是降水少发时段，该时段波动变化不大，平均降水频次为94次。在近海地区，夏季海陆环午降水发生频率低有重要影响[19]。对于多年逐时降流导致的沿海和平原地区以辐散下沉运动为主，对下水强度来说，其与累积降水量的变化态势非常一致，均在夜间22时和04时存在2个峰值，但有所不同的是降水强度在午后 13时还出现了明显的峰值，平均雨强可达 3.23mm/h，这与太阳辐射加热易触发局地热对流活动[20-22]有关。综合看来，宁河汛期降水多倾向于后半夜和午后发生强降水事件。

图6 2005—2020年宁河汛期降水量、降水频次和降水强度日变化曲线Fig.6 Daily variation curves of precipitation, precipitation frequency and precipitation intensity during flood season from 2005 to 2020 in Ninghe District

2.2.2 不同持续时间降水变化特征

为进一步考察宁河汛期降水日变化特征，根据降水持续时间长短可分为持续 1～3h的短历时降水、4～6h的中历时降水、6～12h的长历时降水和 12h以上的持续性降水[23]。不同持续时间降水量和降水频次日变化特征在图7中给出。由图7(a)可以发现，宁河汛期短持续降水(6h以下)的降水量＞长持续降水(6h以上)的降水量。不同持续时间降水的降水量均在凌晨出现高值区，但出现时间有所不同，其中1～3h短历时降水量和 12h以上持续性降水量峰值出现时间最早，出现在03时。此外，二者在午后到傍晚时间段内也存在较大值；4～6h中历时降水量峰值则略晚，出现在04时；而6～12h长历时降水量峰值出现时间最晚，出现在 05时。从图7(b)可以看出，不同持续时间的降水频次也存在明显差异。降水频次呈现 1～3h的短历时降水最多，12h以上的持续性降水最少的特征。具体来看，持续时间在1～3h降水频次在凌晨02时最多，在午后到傍晚次多；4～6h中历时降水频次有单峰型特征，峰值出现在 03时；6～12h的长历时降水则集中在清晨到上午时段发生；12h以上的持续性降水频次与 1～3h短历时降水频次的变化趋势相似，但日变化幅度最小，最高值分别出现在04时和14时。

图7 2005—2020年宁河汛期不同持续时间降水的降水量、降水频次日变化曲线Fig.7 Daily variation curves of precipitation and precipitation frequency with different durations during flood season from 2005 to 2020 in Ninghe District

3 汛期降水空间分布特征

3.1 降水量、降水日数、小时平均降水强度及小时最大降水量空间分布特征

通过统计宁河的汛期降水量、降水日数、小时平均降水强度发现，宁河汛期降水总量高值区主要分布在西部、东北部和东南部地区，13年来的汛期降水总量在 5400mm 以上，北部和南部地区降水最少，降水总量在 5150mm 以下；降水日数在西部到中部一带及东北部地区最多，在 500d以上，西南和东南部则最少，在 475d以下；小时平均降水强度在南部地区存在高值分布带，在 2.25mm/h以上，东南地区还存在 2.5mm/h以上的明显高值中心；与小时平均降水强度分布态相反，小时最大降水量在北部地区较大，在75mm以上，局部甚至有100mm以上的高值中心。值得指出的是宁河东南部地区的汛期降水量最多而降水日数最少，这种明显相反的分布态势意味着该地区存在极端降水事件，小时平均降水强度也反映出在东南部最大，表明东南部(也就是宁河城区)地带需注意防范城区低洼地段内涝发生。北部地区降水量、降水日数、小时平均降水强度均较少，但局部小时最大降水量出现过100mm以上的强降水，需加强关注强降水对北部农业的渍涝影响。

3.2 强降水事件频次空间分布特征

结合天津的实际情况和成灾的可能性，对宁河短时强降水过程小时雨强分为 4级[16,24]：20mm/h≤R＜30mm/h、30mm/h≤R＜40.0mm/h、40mm/h≤R＜50mm/h和 50mm/h≤R。从宁河地区短时强降水事件发生频次的空间分布可以看出雨强 20mm/h≤R＜30mm/h的强降水事件高发区集中在西南部，在34次以上；其次是东南部，出现 28次以上；中北部最少，在 24次以下。30mm/h≤R＜40mm/h的强降水事件在中部出现高值区，出现次数在 9次以上，局地还出现 12次以上的高值中心；西部为低发区且有“中间少、两侧多”的分布带，在西部的东、西两侧发生频次在 9～10次，中间地带则仅有 6～7次；东部地区分布较为均匀，为7～8次。40mm/h≤R＜50mm/h的强降水事件在西南部存在发生频次高值区，出现频率在5次以上；西部和东部则为低发区。而R≥50mm/h则与 20mm/h≤R＜30mm/h的强降水事件分布态趋于相反，其高发区集中在北部。综合来看，对比不同强度降水事件发生频次不难发现，在 R≥30mm/h的强降水事件中，中部地区均为高发区；而在20mm/h≤R＜30mm/h的强降水事件中，中部地区则为低发区；西部和东部仅在 20mm/h≤R＜30mm/h的强降水事件中为高发区。

4 结 论

本文利用 1970—2020年天津宁河地区 19个自动气象站分析了宁河汛期(6～9月)降水的时间变化和基本空间分布特征，主要结论如下：

①从年变化特征来看，宁河汛期降水总量和降水日数呈下降趋势，存在明显的时间阶段性变化。不同等级降水事件中，除中雨呈上升趋势外，各等级降水量均呈下降趋势，且下降速率逐级增加。各等级降水日数变化与降水量特征相似，其中小雨日数下降显著。连续干日明显变长，宁河干旱程度有加重现象，湿日则没有显著的趋势变化。

②从日变化特征来看，宁河汛期降水量最大时段集中在02至05时，23时至次日09时为降水频发时段，午后易出现强降雨。不同持续时间降水量均在凌晨最大，1～3h短历时降水多发，而12h以上的持续性降水发生频次最少。

③从空间分布特征来看，降水量高值区分布在西部、东北部和东南部，降水日数在西部到中部一带东北部地区最多，南部地区小时平均降水强度最强。20mm/h≤R＜30mm/h、40mm/h≤R＜50mm/h 的强降水事件高发区均集中在西南部，30mm/h≤R＜40mm/h的强降水事件在中部地区多发，R≥50mm/h的降水事件则易出现在北部。