北京市夏季降水年代际变化特征及成因分析

1、    北京市夏季降水年代际变化特征及成因分析    摘要： 本文利用北京市1961年2010年夏季地面气象观测资料，运用数理统计、相关性分析、m-k突变检验等方法，研究了北京市夏季降水年代际变化，得出以下结论：北京市夏季降水呈现逐年递减趋势，8月份递减幅度最为显著，且20世纪60年代与80年代之间相关性最高。1974年为北京市夏季降水突变年，夏季降水量与平均相对湿度之间存在正相关性，与平均气压、平均气温、平均风速之间均存在弱的负相关性。关键词：降水；夏季；相关性分析；m-k检验： p467 ： a doi编号： 10.14025/ki.jlny.201

2、8.08.061北京市降水从20世纪60年代起呈现减少趋势，70年代以来，降水量减少最为显著1。降水量的逐渐减少使得北京市的水资源变得十分严峻，对人们生活、工农业的发展等都造成了很大威胁。目前，国内很多学者对不同地区降水量时空分布特征进行研究。朱龙腾2等利用北京市逐年降水和气温气象资料，对北京市降水和气温的年代际变化进行分析。研究表明，北京市降水呈递减趋势，且1974年为年降水量突变年。张秀丽3等利用北京市逐日观测资料，采用dfa分形理论，根据求出的hurst指数值的大小判断未来降水变化趋势。王文4等利用北京11个台站逐日降水和气温资料，对北京市降水与气温变化特征进行分析。结果表明，北京市年降

3、水量呈递减趋势，而气温呈递增趋势。谢庄5等根据北京地区120年逐年气温和降水资料，对北京地区近百年气温与降水变化情况进行分析研究。研究表明，北京的年降水从20世纪50年代至80年代呈持续下降趋势。李春6等利用华北夏季降水、海平面气压等气象资料，对我国华北夏季降水年代际变化特征进行分析研究。结果表明，华北地区夏季降水呈递减趋势。李宏毅7等利用华南地区4，5月份降水量数据、海温资料和再分析资料，对华南地区4、5月份降水量年代际变化特征进行分析研究，以及所对应的大尺度环流的关系进行了一系列分析。研究表明，华南地区45月份降水量均在20世纪70年代初期发生较为明显的年代转变。北京为典型的北温带半湿润大

4、陆性季风气候，夏季高温多雨。年降雨量约为483.9毫米，为华北地区降雨最多的地区之一。降水季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在夏季6月、7月、8月三个月，7月和8月有大雨。本文利用北京市夏季6月、7月、8月逐年降水资料，使用数理统计方法、m-k检验、小波分析等方法，对北京市夏季降水年代际变化进行分析研究。1 资料来源本文使用北京市1961年2010年夏季6月、7月、8三个月逐年降水资料，分析北京市夏季降水年代际活动特征。用6月、7月、8月三个月降水资料之和来代表北京市夏季降水变化，本文不考虑毛毛雨情况。数据来源于北京市基准地面气象观测站及自动站数据集，使用日平均气压、日平均气、日平均相对湿

5、度、日平均风速4个指标数据，来对北京市夏季降水影响因子进行分析。2方法简介2.1 气候倾向率为了反映北京市夏季降水量的年代际变化趋势，这里用一次直线方程来定量描述，即：式中：为时间，单位为a，为月降水量距平值，单位为mm。c=a×10式中：c称为气候倾向率，即表示每10年北京市降水量的变化值。2.2 相关性分析若变量的取值（j=1，2，.m），则可以用变量和的样本相关系数作为它们的相似性度量。2.3 m-k突变检验方法是一种非参数统计检验方法，其仅用于检测序列的变化趋势，计算步骤如下：对于具有个样本的时间序列，构造一秩序列：其中，可见，秩序列是第i时刻数值大于第时刻数值个数的累计数。

6、在时间序列随即独立的假定下，定义统计量其中， 是累计数的均值和方差，在是相互独立，具有相同连续分布时，可由下式算出：3北京市夏季降水量的时间变化3.1夏季降水量年际变化特征图1为1961年2010年北京市夏季降水年际变化曲线，图中虚星线为降水量距平实测值，实线为一元回归方程拟合值，拟合值均通过0.05显著性水平检验。从（a）图中可以看出，北京市夏季降水量波动幅度较大，在1975年1995年之间，夏季降水量以正距平为主，说明了在此期间北京市夏季降水量较多；然后1996年2010年之间，夏季降水量以负距平为主，表明了在此期间夏季降水量较少。从一元回归方程可以看出，气候倾向率为-32.2mm/10年

7、，表示夏季降水量总体呈递减趋势，每10年夏季降水量距平值减少32.2mm。从（b）图可以看出，6月份降水总体上呈递增趋势，但递增幅度较小，其气候倾向率为2.9mm/10年，表明了6月份降水距平值每10年增加2.9mm。（c）图中可以看出，在1967年1976年期间，降水距平值以正距平为主，说明了在此期间7月份降水较多；在1977年1984年期间，降水距平值以负距平为主，说明了在此期间7月份降水较少；在1985年1999年期间，降水距平值以正距平为主，说明了在此期间7月份降水较多；2000年2010年期间，降水距平值以负距平为主，说明了在此期间7月份降水较少。从一元回归方程可以看出，7月份降水总

8、体呈递减趋势，其气候倾向率为-11.5mm/10年，表示每10年降水距平值减少11.5mm。（d）图可以看出，8月份降水波动幅度较大，气候倾向率为-23.6mm/10年，表明每10a，降水距平值减少23.6mm，递减幅度较大。3.2夏季降水量年代际相关性分析为了研究北京市夏季降水量各年代之间的相关性，运用matlab编程求得其之间的相关性系数（见表1）。从表1可以看出，20世纪60年代与70年代之间相关性系数为0.411，处于（0.3，0.5）之间，表明了60年代夏季降水与70年代夏季降水存在较为显著的正相关性。60年代与80年代相关性系数为-0.8104，处于（0.8，0.9）之间，表明了6

9、0年代降水与80年代存在显著性较高的负相关性关系。20世纪60年代与90年代、21世纪初相关性系数均低于0.3水平，表明两者之間相关性较弱。20世纪70年代夏季降水量与各年代之间相关性系数也均低于0.3水平，说明70年代与其余年代之间无相关性。3.3夏季降水量突变检验从图2北京市夏季降水m-k统计曲线可以看出，从1961年开始uf曲线小于0，表明从1961年开始北京市在夏季降水量呈递增趋势。从1982年开始uf曲线超出临界线，表明了夏季降水从1982年开始递减趋势非常显著。uf和ub两条曲线的交点所对应的时刻约为1974年，且交点在临界线信度之内，则表明1974年为北京市夏季降水突变年。4 北

10、京市夏季降水相关影响因子分析很多学者做过研究，夏季降水呈现递减趋势，除了与环流背景、海温这两个因数有关外，造成降水减少的主要因素有：风速、相对湿度、气温、气压等。本文由于部分数据的缺失，仅考虑平均气压、平均气温、平均相对湿度、平均风速这几个因子。由于量纲单位不一致，首先对平均气压、平均气温、平均相对湿度、平均风速、夏季降水量这5个因子数据做标准化处理。本文将因子数据都归一化在0，1之间，具体处理方程如下：式中：为因子数据时间序列，为因子时间序列最小值， 为因子时间序列最大值。对标准化处理后的数据使用相关性分析，结果见表2：从表2个中的因子之间相关性系数结果可以看出，夏季降水量与平均相对湿度之间

11、存在正相关性，但相关性不太显著。夏季降水量与平均气压、平均气温、平均风速之间均存在弱的负相关性。图3为降水与各因子归一化后之间关系变化曲线，（a）图中可以看出，在1961年1970年之间相对湿度与降水趋势基本一致，1971年1980年之间相对湿度归一化值高于降水，1980年以后，两条曲线又保持很好的一致性；（b）图可以看出，平均气压与降水之间走势相差较大，平均气压处于一种较为稳定的波动状态；（c）图可以看出，在1961年1970年之间平均气温与降水趋势走势一致。1985年后，平均气温与降水呈反相关性，降水呈递减趋势，而气温呈递增趋势。5结论本文使用1961年2010年北京市夏季气象观测资料，对

12、其年代际变化特征进行分析，得出以下结论：一是通过对北京市夏季降水年代变化特征分析得出：夏季降水量总体呈递减趋势，10年降水量距平值减少32.2mm。其中，6月份降水总体上呈递增趋势，降水距平值每10年增加2.9mm。7月份降水总体呈递减趋势，每10年降水距平值减少11.5mm。8月份降水每10年降水距平值减少23.6mm，递减幅度较大。60年代夏季降水与70年代夏季降水存在较为显著的正相关性，60年代降水与80年代存在显著性较高的负相关性关系。其余年代之间相关性较弱。二是通过对北京市夏季降水减少影响因子分析得出：夏季降水量与平均相对湿度之间存在正相关性，但相关性不太显著。夏季降水量与平均气压、平均气温、平均风速之间均存在弱的负相关性。参考文献1叶笃正，黄荣辉.长江黄河流域旱涝规律和成因研究j.济南：山东科学技术出版社，1996：387.2朱龙腾，陈远生，燕然然，等.1951年至2010年北京市降水和气温的变化特征j.资源科学，2012，34（07）：1287-1297.3张秀丽，孙燕，祁文.北京逐日气温和降水量的长程变化特征j.气象科学，2008，28（04）：421-425.4王文，张薇，蔡晓军.近50a来北京市气温和降水的变化j.干旱气象，2009，27（04）：350-353.5谢庄，王桂田.北京地区气温和降水百年变化规律的探讨j.大气科学，1994