近40 年北京地区夏季降水日变化及不同持续时间降水事件的特征

赵玮 郝翠 曹洁 周璇 卢俐

1 北京市气象台, 北京100089

2 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京210044

3 北京市气象信息中心, 北京100089

1 引言

降水的时空分布、过程演变和不同时间尺度变化，对生态环境、水资源分布、水循环过程有着重要的调节作用。降水日变化是地球系统中大气热力和动力过程对水循环过程综合影响的结果（Sorooshian et al., 2002; Dai and Trenberth, 2004），涉及水汽相变和成云致雨的诸多物理和化学过程，又受到不同尺度海—陆—气及复杂地形的综合影响（Yu et al., 2014; Zhu et al., 2020; Song and Wei,2021）。降水日变化不仅是表征精细化天气过程或降水事件的一个重要物理特征（Jo et al., 2020; Ha et al., 2020; Park et al.,2021），也是气候变化相关研究的重点（Li et al., 2008; Yuan et al., 2010; 张灵玲等, 2016; 李星雨等, 2018）。

以往的研究显示，中国的降水具有明显的日变化特征和很强的季节性、地域性特点（宇如聪和李建, 2016; 孔锋等, 2017）。青藏高原地区夏季降水量和降水频率表现出明显的凌晨和傍晚的双峰结构，而降水强度的双峰结构却不太明显（胡亮等, 2010;段丽君等, 2017; 计晓龙等, 2017）。位于高原东侧的四川盆地通常在后半夜降水量达到峰值（白爱娟等,2011 ）。我国东部的南北两区域夏季降水表现为午后和清晨双峰并存的特征（原韦华等, 2014; 赵玉春和王叶红, 2020）。秦岭南部降水量和降水频率日峰值主要出现在夜间，而秦岭北部降水量和频率的日峰值出现在午后（张宏芳等, 2020）。海南岛夏季降水量日变化峰值表现为单峰特点，出现在下午（Zhu et al., 2017）。华北夏季降水日峰值在太行山以西基本出现在傍晚；而在华北平原北部出现在深夜，在华北平原中南部出现在上午。华北地区夏季降水量、降水频率的日变化呈现出典型的双峰结构（韩函等,2017）。北京位于华北平原北端，东临渤海，西倚太行，北靠燕山，同时具有山地、平原和丘陵等地貌。境内地势总体西北高，东南低，山区与平原的地形落差、陆地与海洋的下垫面差异，加上近年来城市化快速发展等人类影响因素的共同作用，导致北京山区与平原、城区与郊区的降水气候和日变化特征有着较大的差异，目前针对北京地区降水日变化的研究并不多（李建等, 2008; 杨萍等, 2017），提高对北京地区降水日变化的科学认识，有助于我们准确的把握降水的时空变化特征，提高精细化降水预报能力，合理利用和保护水资源，趋利避害。

本文中采用了北京地区20 个国家站近四十多年的逐时夏季降水资料，可以对该地区夏季降水日变化的长期气候特征演变趋势及区域分布特点进行更细致的分析，从而为深入地了解北京地区夏季降水局地气候特征提供信息及依据。

2 资料和方法

2.1 资料

本文所用的降水资料为中国国家级地面气象站逐小时降水数据集（V2.0）和北京地区自动站逐小时观测数据。中国国家级地面气象站逐小时降水数据集（V2.0）是由中国气象局国家气象信息中心提供，包含2100 余个国家级地面气象站经过严格质量控制和一致性检验后所形成的数据集（张强等,2016），该数据覆盖时段为1951～2015 年。本文选取其中北京地区20 个国家站1980～2015 年6～8 月的逐小时降水数据（其中延庆佛爷顶站由于建站时间较晚，其资料长度为1982～2015 年）作为研究资料的一部分。北京地区自动站逐小时数据经过北京市气象局实时业务流程的数据质量控制，用于日常业务和科研（窦以文等, 2008），本文选取其中2016～2020 年6～8 月20 个国家站逐小时降水数据作为研究资料的另一部分，两部分数据组合成一套近40 年6～8 月北京地区20 站逐小时降水数据，用于北京地区降水日变化气候态特征分析。图1 为北京地区20 个国家站分布图。

图1 1980～2020 年北京地区20 个国家站位置分布图（阴影为地形高度）Fig. 1 Location distribution of 20 national observation stations in Beijing from 1980 to 2020 . Shading denotes the topographic height

2.2 方法

将小时降水量大于等于0.1 mm 作为降水发生的判据（中国气象局, 2003），对1980～2020 年6～8 月逐小时降水数据进行统计，计算多年平均夏季降水量、降水频率、降水强度，筛选单站最大日降水量，用于降水的气候特征分析；计算小时平均降水量、小时降水频率和强度，用于降水日变化特征分析；参考Yu et al.（2007）和Zhou et al.（2008），统计不同降水持续时间、降水量日峰值（Peak Precipitation Amount，简称PPA）、降水强度日峰值（Peak Precipitation Іntensity，简称PPІ）和降水频率日峰值（Peak Precipitation Frequency，简称PPF）等。计算公式和统计方法如下：

（1）多年平均夏季降水量=（总降水量/总非缺测日数）×92d （mm）。

（2）夏季降水频率=总降水日数/总非缺测日数×100%。

（3）夏季日降水强度=总降水量/总降水日数（mm d-1）。

（4）平均小时降水量PA=该时次总降水量/该时次非缺测小时数（mm h-1）。

（5）平均小时降水频率PF=该时次有降水的小时数/该时次非缺测小时数×100%。

（6）降水强度PІ=该时次总降水量/该时次有降水的小时数（mm h-1）。

持续时间的定义：某日第一个时刻降水量大于等于0.1 mm 记为降水开始时间，之后连续2 h 没有降水，判定这次降水结束。将一次降水开始至结束的小时定义为其持续时间（李建等, 2008），以1 h 为间隔，对持续1～24 小时的降水进行统计，超过24 小时的持续降水事件不在本文的讨论范围内。本文所有时间均为北京时。

K均值聚类分析方法：是一种经典聚类算法，归类原则是使相似的样本尽可能划分为一类（Nakamura et al., 2009; 郑 颖 青 等, 2013; 周 颖 等,2020）。该算法是一种动态聚类算法，其步骤是将数据分为K组，随机选取K 个对象作为初始的聚类中心，然后计算每个对象与各个种子聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心。聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类，直到聚类中心不再发生变化时结束，误差平方和最小时分类效果最优。

3 北京地区近40 年夏季降水的气候特征

降水日变化具有很强的区域特征，例如四川盆地的降水具有夜雨特点，海南岛夏季降水的峰值出现在午后。这些差异是多种因素共同作用的结果，其中区域降水的基本气候特征是影响降水日变化的一个重要因素。本节利用1980～2020 年北京地区20 个国家站近40 年的降水观测资料进行气候特征分析。从北京地区夏季近40 年平均降水量空间分布（图2a）来看，降水量分布具有西北山区小，平原大，山区向平原过渡区的迎风坡最大的特点。降水量的多寡与地形有很大的关联，西北山区降水量小于300 mm 的三个站点位于延庆、怀柔、门头沟的谷地，而同样位于西北部山区的佛爷顶站由于坐落在山上，平均降水量高于山谷地区的三站，为325 mm。平原地区的降水量绝大多数超过了350 mm，位于平原向山区过渡的山前迎风坡的东北部三站（怀柔、密云、平谷）和西南部浅山区向山区过渡的霞云岭站多年平均降水量更是超过了400 mm。多年平均降水量最大值出现在东北部的密云站（442 mm），最小值出现在西北部的延庆站（269 mm），二者相差达150 mm 以上，可见北京地区夏季降水的区域差异之大。此外，北京地区全年平均降水量在600 mm 左右，近40 年夏季平均降水量为370 mm，约占全年降水的六成以上，和张庆云（1999）研究结果相近。可见夏季降水的丰沛与否将对北京地区水资源的多寡造成重要影响。图2b 给出了20 站夏季多年平均降水频率的空间分布。与降水量分布相反，平原降水频率整体小于山区，降水频率最大的站点是西北部的佛爷顶站，达到46%，比频率最小的通州站多13%。西南部的霞云岭站一枝独秀，降水量和降水频率均位列前茅。降水强度（图2c）整体表现为西北弱，东部强，城区及南部居中的特点。宇如聪等（2021）研究了全国2100 个台站5-9 月多年平均日降水强度，华北地区的日降水强度在5～6 mm d-1，北京地区6～8 月多年平均日降水强度为11 mm d-1；北京东部六站的平均降水强度为12 mm d-1，虽然二者研究的时间段有差异，但可以从侧面反映北京地区夏季降水的强度还是较为可观的。除了降水量、降水强度外，台站在历史上是否出现过特大暴雨也是表征强降水的一个方面。气象业务中将日降水量大于等于250 mm 的降水定义为特大暴雨，图2d 是北京地区夏季日最大降水量的空间分布，北京地区20 个站点中有9 个站点日最大降水量超过了250 mm，这些站点集中分布在40°N 以南的平原和西部山前，位于城区和南部人口密集区域。综上可见，北京虽然是北方城市，但是其夏季降水的强度和极端性均不低，致灾风险高。因此研究北京降水的气候特征及日变化特征非常必要。

图2 1980～2020 年北京地区20 站（圆点）夏季（a）平均降水量（单位：mm）、（b）平均降水频率、（c）平均日降水强度（单位： mm d-1）、（d）日最大降水量（单位：mm）空间分布（阴影为地形高度）Fig. 2 Spatial distribution of (a) the average precipitation amount (units: mm), (b) average precipitation frequency, (c) average daily precipitation intensity (units: mm d-1), and (d) maximum daily precipitation amount (units: mm) at 20 stations (dots) in Beijing in the summer from 1980 to 2020.Shading denotes the topographic height

4 北京地区近40 年夏季降水日变化的基本特征

4.1 北京夏季区域平均降水日变化特征

从图3 可以看出，1980～2020 年北京夏季区域平均降水量日变化主体呈单峰型，谷值出现在中午12 时，12 时至22 时为一段陡立的增长区间，在22 时达到顶峰，之后开始下降，在下降过程中有两个微弱的波动变化，分别在凌晨04 时和上午09 时。降水频率为双峰型，主峰值时间出现在22 时，次峰值时间出现在早晨06 时。降水强度为多峰型，主峰值在22 时，次峰值在17 时，此外上午09 时也是一个高点。通过分析发现，降水量、降水强度和降水频率在22 时同时达到最大，而在12 时同时出现最低值。这和以往的研究有所不同，韩函等（2017）研究的华北地区的降水量日变化为双峰结构，而李建等（2008）研究的北京观象台单站降水量日变化则为三峰型曲线，这说明降水日变化与研究区域的范围和站点的分布有很大的关系，特别是与地形密切相关，我们将在4.3 节讨论北京地区夏季降水日变化的区域差异。

图3 1980～2020 年北京夏季区域平均（a）降水量PA、（b）降水频率PF、（c）降水强度PІ 的日变化特征（时间均为北京时）Fig. 3 Diurnal variations of summer precipitation amount (PA),precipitation frequency (PF), and precipitation intensity (PІ) regionally averaged in Beijing from 1980 to 2020 (BJT: Beijing time)

4.2 北京夏季月平均降水量日变化特征

从1980～2020 年北京夏季6～8 月逐月降水量的日变化曲线（图4）可以看出夏季不同月份的降水量具有不同的日变化特点，6 月降水量日变化曲线最为平缓，峰值最小，出现时间最早，在17 时和20 时两个时间点出现。7 月日变化曲线有一个主峰值两个次峰值，主峰值出现在21 时，对应降水量也最大。次峰值分布出现在凌晨04 时和上午09 时。8 月日变化曲线峰区最为陡立，峰值出现在22 时。虽然6～8 月的降水量峰值时间各不相同，但最低值出现时间确较为一致，均出现在中午11～12 时。从6 月到8 月降水的峰值依次后推，峰值雨量7 月最大，8 月次之，6 月最小。这一方面与影响北京夏季降水的主要天气系统有关，6 月多为东北冷涡影响，而7 月和八月随着东亚夏季风的加强，副热带高压的北跳，北京进入主汛期；另一方面说明6 月的降水主要以对流性降水为主，出现时间多为午后到傍晚，因而降水量的峰值时间在17～20 时，而7、8 月多为系统性降水，出现时间与天气系统的影响时间关系较大。

图4 1980～2020 年北京地区6～8 月平均降水量日变化特征Fig. 4 Diurnal variations of the regionally averaged precipitation amount from June to August in Beijing from 1980 to 2020

4.3 北京地区夏季降水日变化的区域差异

从图5a 可以看出，1980～2020 年北京地区夏季降水量日峰值PPA 在空间分布上具有明显的区域特征，西北四站的PPA 出现时间均在20 时以前，分别为斋堂站15 时、佛爷顶站17 时、汤河口18 时、延庆19 时。其余16 站出现在20 时以后（含20 时）且多数为22 时。降水频率日峰值PPF 和降水强度日峰值PPІ 在空间分布上和降水量日峰值PPA 较为一致（图5b、c），大致上为西北四站出现在20 时以前，其余16 站出现在20 时及以后。根据PPA、PPF 和PPІ 表现出的一致性，结合近40 年夏季平均降水量、频率和强度的气候分布特点，将20 个国家站的经纬度、海拔高度、PPA、PPF、PPІ、40 年夏季平均降水量PA、平均降水频率PF、平均降水强度PІ 统一进行归一化处理后，利用K均值聚类分析算法进行分类，分类结果为两个区域。区域1（R1）包括西北四站（延庆、佛爷顶、汤河口、斋堂），区域2（R2）包括其余16 站（图5d）。从图6 可以看出两个区域的降水量、降水频率和强度的日变化具有完全不同的分布特点。区域1 降水量日变化曲线大体上呈双峰，一主一次，主峰出现在傍晚到前半夜，具有峰宽顶平的特点，在16～21 时都处于降水量高值区，16时和19 时是两个高点。次峰相对主峰而言降水量整体偏小，出现在早晨时段，05 时和07 时为两个高点。区域1 和区域2 的降水频率日变化曲线均为双峰结构，傍晚到前半夜（17～22 时）以及早晨（05～07 时）是区域1 降水频率的高频时段。区域1 的降水频率主峰值时间（18 时）要比区域2的主峰值时间（22 时）提前4 个小时，但是次峰值出现时间较为接近，均为早晨05、06 时。区域1 的降水强度分布具有明显的两极分化特点，下午到傍晚时间段为高强度区，22 时以后至上午为低强度区。区域1 的主峰降水对应为高强度高频率的降水，次峰降水对应较高频率低强度的降水。区域2 的降水量、降水频率和降水强度曲线形态与北京全区域的曲线较为接近，峰值出现时间也较为一致，但三者峰值比全区域更高。

图5 1980～2020 年北京地区20 站夏季（a）降水量日峰值PPA（圆点为时间）、（b）降水频次日峰值PPF、（c）降水强度日峰值PPІ 空间分布及（d）两个区域划分Fig. 5 (a) Spatial distribution of the occurrence time of summer peak precipitation amount (dots) in Beijing from 1980 to 2020; (b) same as in (a) but for peak precipitation frequency; (c) same as in (a) but for peak precipitation intensity; (d) the two regions: R1 and R2

图6 1980～2020 年夏季（a–c）区域1 和（d–f）区域2 的（a，d）区域平均降水量PA、（b，e）降水频次PF、（c，f）降水强度PІ 的日变化特征Fig. 6 Diurnal variations of the regionally averaged summer (a, d) precipitation amount, (b, e) precipitation frequency, and (c, f) precipitation intensity over (a–c) R1 and (d–f) R2 from 1980 to 2020

5 北京夏季不同持续时间降水逐年演变特征

根据不同持续时间对近40 年北京夏季降水进行了分类，分别统计1～24 小时不同持续时长的降水事件。图7 是1980～2020 年夏季不同持续时间降水的累计降水量逐年分布及演变趋势，图8 为1980～2020 年夏季不同持续时间降水量占总降水量的百分比，如绿色表示持续时间为1～3 小时的累计降水量与当年夏季总降水量的百分比。综合两张图可以看出20 世纪80 年代开始到90 年代初期，持续时间小于六小时的短时降水较为活跃，在20世纪90 年代初达到了峰值，这一点与李建等（2008）的研究结果较为一致。随后大于6 小时的长持续性降水有所增加，特别是8～10 小时这个区间的降水量出现明显增长。2000 年以来，虽然短时降水间歇性活跃，但是与2000 年以前相比降水量明显减少，2005 年以后长持续性降水开始增多，在2012 年达到近20 年的峰值。近五年长持续时间降水量占夏季总降水量的比重明显增加。综上可知近40 年北京地区夏季降水出现结构性调整，短持续时间降水主导期和长持续时间降水主导期交替出现。整体来看2000 年以前以短持续性降水为主，近15 年长持续性降水明显增多。

图7 1980～2020 年夏季不同持续性降水的累计降水量逐年演变图Fig. 7 Annual evolution of the accumulative precipitation with different durations in summer from 1980 to 2020

图8 1980～2020 年夏季不同持续时间降水量占总降水量百分比图Fig. 8 Percentage of precipitation with different durations in summer from 1980 to 2020

6 结论和讨论

本文利用北京地区20 个国家站近四十年的长期逐时降水资料，分析了北京夏季降水的气候特征和日变化时空分布特征。主要结论如下：

（1）北京地区夏季40 年平均降水量分布具有西北山区小，平原大，山区向平原过渡区的迎风坡最大的特点；降水频率则相反，平原降水频率整体小于山区；降水强度整体表现为西北弱，东部强，城区与南部居中的特点。北京地区20 个站点中有9 个站点日最大降水量超过了250 mm，这些站点集中分布在40°N 以南的平原和西部山前，位于城区和南部人口密集区域。北京虽然是北方城市，但是夏季降水的强度和极端性均不低，致灾风险高。

（2）北京夏季区域平均降水量日变化主体呈单峰型，峰值时间22 时；降水频次为双峰，主峰值时间22 时，次峰值时间早晨06 时；降水强度多峰型，主峰值在22 时，次峰值17 时，此外上午09 时也是一个高点。降水量、降水强度和降水频率在22 时同时达到最大，而在12 时同时出现最低值。降水日变化与研究区域的范围有很大的关系。

（3）从6～8 月逐月降水量的日变化曲线可以看出不同月份具有不同的分布特点，降水的峰值时间随月份依次后推，6 月最早（17 时和20 时），7 月 次 之（21 时），8 月 最 晚（22 时）；峰 值 雨量7 月最大，8 月次之，6 月最小。

（4）降水量日峰值PPA、降水频率日峰值PPF 和降水强度日峰值PPІ 在空间分布具有较强的一致性，大致上为西北四站出现在20 时以前，其余16 站出现在20 时及以后。利用K均值聚类分析后将北京地区20 站分为两个区域，结果显示两个区域的降水量、降水频率和强度的日变化具有不同的分布特点。区域1 降水量日变化曲线大体上呈双峰，主峰出现在傍晚到前半夜，具有“峰宽顶平”的特点，区域1 的降水频率主峰值时间（18 时）要比区域2 的主峰值时间（22 时）提前4 个小时，但是次峰值出现时间较为接近，区域1 的降水强度分布具有明显的两极分化特点，下午到傍晚时间段为高强度区，22 时以后至上午为低强度区。区域2 的降水量、降水频率和降水强度曲线形态与北京全区域的曲线较为接近，峰值出现时间也较为一致，但峰值皆比全区域的更高。

（5）从不同持续时间降水的逐年累积降水量演变可以看出近40 年北京地区的降水结构在不断调整，短持续时间降水主导期和长持续时间降水主导期交替出现。整体来看2000 年以前以短持续性降水为主，近15 年长持续性降水明显增多。

降水日变化受诸多因素的影响，如复杂地形的影响、山谷风、海陆风、局地对流、低空急流、东亚夏季风等都是影响降水日变化特征的重要因素（Yu et al., 2007; Zhou et al., 2008; Qian et al., 2010;Zhuo et al., 2014; Zhu et al., 2020），本文虽然利用长时间序列降水资料对北京地区夏季降水日变化特征进行了更加细致的分析，在一定程度上揭示了北京降水日变化的气候态、季节和区域特征及差异，获得了不同持续时间降水交替主导的降水结构特征，但对北京夏季降水日变化的机制还不清楚，需要利用高分辨率模式和再分析数据，进一步深入研究北京夏季降水日变化的产生机理。另外，2005 年前后北京短时降水事件累计降水量变化的原因有待在今后结合卫星等其他资料进一步探究。