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Climate Change Research Letters
气候变化研究快报
, 2014, 3, 25-30
http://dx.doi.org/10.12677/ccrl.2014.31005
Published Online J
anuary
2014 (http://www.hanspub.org/journal/ccrl.html)
Climatic Characteristics of Rainstorm in Flood Season in
Beijing
Honglian Zheng
1
,
Hong Yang
1
,
Jun Yan
2
1
61741 Troops
of PLA, Beijing
2
Beijing Aviation Meteorological Institute, Beijing
Email:
azheng919@sina.com
Received
: Jun. 16
th
, 2013; revi s ed: Jul. 14
th
, 2013;
accepted: Jul. 25
th
, 2013
Copyright © 201
4
Honglian Zheng
et al. This is an open access article distributed u nder the Creative Commons Attribution License, which permits
unrestricted use, distribution, an d reproduction in any medium, provided the origin al work is properly cited. In accordance of th e Creative Commons
Attribution License all Copyrights © 201
4
are reserved for Hans and the owner of the intellectual property
Honglian Zheng
et al. All Copyright ©
201
4
are guarded by l
aw and by Hans as a guardian.
Abstract:
Using the data of precipitation, circulation parameters
and historic synoptic chart at Beijing station, the cl
i-
matic chara
cteristics
and
the
classification
of
weather situation in main flood season at Beijing station in the last 62
years
were
analysed
. The conclusion was expressed as follow
.
1) In flood season, the variation trend of accumulated
rainstorm rainfall
is
as same as accumulated rainfall
,
showing a decreasing trend
,
and the rainstorm
contribution
rate
shows
a wave change. 2)
In
former flood season, the proportion of
rainstorm
in
July and August show
s
some periodic
changes
,
and
the storm period
may be coming
in
the n
ext 10 years
. 3)
In flood season, the wavelet power spectrum of
storm frequency
is
a
2 - 3-
year
period
and
a
qusi-5-
year
period. According to it, the storm frequency will be on the low
side in 2013. 4) In the years of more
storms
, the Western Pacific Sub tropic High Area is
larger;
the strength
is stronger;
the
r
idge is
more north and west
;
and
sunspot is in
an
inactive period. Instead, in the years of
fewer
storms
, the Western
Pacific Subtropic High Area is smaller
;
the strength
is weak
er;
the
ridge
is
more north and west
;
the temperature
is
low
er;
and
sunspot is in
an
active period.
Keywords:
Synoptic Meteorology; Rainstorm
in Flood Season
;
Climatic Characteristics
;
W avelet Analysis
;
Frontal Rainstorm; Beijing
北京汛期暴雨气候特征分析
郑红莲
1
,杨
弘
1
,严
军
2
1
中国人民解放军
61741
部队,北京
2
北京航空气象研究所,北京
Email:
azheng919@sina.com
收稿日期:
2013
年
6
月
16
日;修回日期:
2013
年
7
月
14
日;录用日期:
2013
年
7
月
25
日
摘
要:
利用
北京站
(54511)1951~
2012
年的降水资料、环流特征量资料和历史天气图资料对
过去
62
年北京汛期
(6
~8
月
)
暴雨气候变化特征以及暴雨产生的天气形势分类进行分析。得出以下结论:
1)
北京汛期暴雨累积雨量
与汛期累积雨量变化趋势一致,呈逐年减少趋势,汛期暴雨贡献率呈现波动变化;
2) 7
、
8
月份的暴雨占前汛期
累积雨量的比例呈一定左右的周期变化,未来
10
年北京可能再次进入暴雨高发期;
3)
汛期暴雨频次的小波功
率谱显示其存在
2~3
年和准
5
年的周期变化,估计
2013
年暴雨频次有偏少趋势;
4)
北京汛期暴雨偏多的年份,
副高面积偏大,强度偏强,脊线偏北、偏西,太阳黑子处于非活跃期;暴雨频次较少的年份,副高面积偏小,
强度偏弱,脊线偏北、偏西,海温偏低,太阳黑子处于活跃期。
关键词:
天气学;汛期暴雨;气候特征;小波分析;锋面暴雨;北京
OPEN ACCESS
25
北京汛期暴雨气候特征分析
1.
引言
北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风
气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,春秋短促。暴
雨是北京市主要的灾害性天气之一,容易导致城市内
涝等灾害,对交通、经济、人民财产安全有重大的威
胁。如
2012
年
7
月
21
日,北京遭遇近
50
年以来最
大的一场暴雨和山洪灾害,最大降雨点房山区为
460
mm
,接近
500
年一遇,略低于
1963
年
8
月
8
日北京
朝阳区来广营
(
当时为农田
)
463.5
mm
的最大降雨量。
城区最大降雨点石景山模式口
328
mm
,达到百年一
遇,接近
1963
年
8
月
8
日北京市酒仙桥
401
mm
。山
区引发泥石流,给人民生命财产造成严重损失。
北京处在大陆干冷气团向东南移动的通道上,每
年从
10
月到翌年
5
月几乎完全受来自西北利亚的干
冷气团控制,只有
6~9
月前后三个多月受到海洋暖湿
气团的影响。所以降水主要集中在夏季,
7
、
8
月尤为
集中。由于暖湿气团和干冷气团的势力消长、互相推
移等变化,使降水量的年际变化很大,丰水年和枯水
年雨量相差悬殊。由于降水量高度集中,即使旱年,
局部地势低洼地区也容易积水成涝。
暴雨预报是气象工作中的重点也是难点,了解暴
雨发生的气候背景天气形势特征是做好暴雨预报的
一个重要前提,前人对北京地区降水有过非常多的研
究,如张秀丽
[1]
等对北京逐日气温和降水量的长程变
化特征进行了研究,本文则对北京汛期的暴雨变化趋
势及其发生的平均气候形势进行分析,以期了解气候
背景形势,进而详细分析各类形势下的暴雨特征,从
而建立暴雨预报模型,应用于日常预报业务中,为北
京的汛期暴雨预报提供参考。
2.
数据来源和处理方法
本文主要关注北京汛期暴雨,资料取自北京气候
中心的
1951~
2012
年北京逐日降水量资料,以及
160
站的月平均降水资料,按照降水强度等级划分标准,
以
24 h(
当日
20:00
到次日
20:00)
的日降水总量
R > 50
mm
计为一个暴雨日,当
R > 100
mm
计为一个大暴雨
日,当
R > 250 mm
计为一个特大暴雨日,统计北京
在过去
62
年汛期
(6~8
月
)
暴雨气候变化特征,并利用
小波分析寻找汛期暴雨频次的变化周期,同时还利用
历史天气图资料以及
NC
EP 2.
5
˚
×
2.5
˚
格点高度场日
平均资料和月平均资料简单分析了汛期降水的历史
天气形势特征。
3.
汛期暴雨年变化特征
统计
1951~2012
年北京汛期的降水特征发现:汛
期总累积降水平均值为
430 mm
,极大值为
1169.9
mm
,
出现在
1959
年,极小值为
140.6
mm
,出现在
1999
年;汛期暴雨累积雨量平均值为
149.8
mm
,极大值为
827.7
mm
,出现 在
1959
年 ,其 中
1962
、
1968
、
1977
、
1980
、
1982
、
1989
、
1999
、
2001
、
2002
、
2003
、
2005
、
2007
、
2008
年总
13
年暴雨量为
0
,日降水极大值为
1959
年
7
月
31
日,
242.2 mm
,其次为
1963
年
8
月
9
日,
212.2 mm
,
1959
年
7
月
21
日,
161.3 mm
,
2012
年
7
月
21
日,
160 mm
。
分析
1951~2012
年北京汛期累积雨量与汛期暴雨
累积雨量和汛期暴雨的贡献率
(
图
1)
发现:
2000
年以
前,汛期累积雨量和暴雨累积雨量呈周期性变化,
2000
年以后,汛期累积雨量和暴雨累积雨量明显减少,
近
2
年累积雨量和暴雨累积雨量极端值相应有所增加,
表明近
2
年的汛期极端降水事件有所增加。过去
62
年间,汛期暴雨贡献率平均为
29.9%
,最大暴雨贡献
率为
70.7%
,出现在
1959
年,同样,
2000
年以前,
汛期暴雨贡献率呈现一定的周期性变化,
2000
年以后,
为暴雨贡献率相对低谷期,近
2
年有明显增加的趋势。
通过比较汛期累积雨量,汛期暴雨累积雨量以及汛期
暴雨对累积雨量的贡献率可以发现,暴雨的多少与汛
期累积雨量呈正比关系。
图
2
为
5
年滑动平均
6~8
月雨量占汛期雨量比例,
分析过去
62
年中
5
年滑动平均的
6~8
月份逐月雨量
占汛期雨量比例的年际变化特征可以发现:
6
月份的
累积雨量占汛期累积雨量的比例最小,且所占比例呈
上升趋势。
7
、
8
月份所占比例呈反相关关系,其中
8
月份所占比例呈下降趋势。同样,分析过去
62
年中
5
年滑动平均
6~8
月份逐月暴雨雨量占汛期雨量比例的
年际变化特征可以发现:
6
月份的暴雨累积雨量占汛
期累积雨量的比例最小,
7
、
8
月份的暴雨占汛期累积
雨量的比例呈一定的周期变化,
6
、
7
月份的暴雨占汛
期累积雨量的比例有所增加,
8
月份有所下降,
2000
年后达最低值,近几年暴雨所占比例有增加趋势,根
据曲线趋势预测,未来
10
年北京汛期暴雨可能逐渐
OPEN ACCESS
26
北京汛期暴雨气候特征分析
Figure 1. The standard variation trend of accumulated rainstorm rainfall, accumulated rainfall and rainstorm contribution rate
图
1.
汛期总累积雨量、暴雨累积雨量以及暴雨贡献率的标准化变化趋势
Figure 2. The proportion of
anomaly
monthly rainfall from June to August
图
2.
6~8
月逐月雨量占汛期雨量比例
增加,且
6
月份暴雨所占比例将逐渐增加。
4.
汛期暴雨多时间尺度特征
经统计,在过去的
62
年里,汛期北京站出现降
水频次
2214 d
,平均
35.7 d
,其中暴雨频次
97
d
,平
均
1.56 d
,极大值为
5
,分别出现在
1991
、
1994
和
2011
年;出现大暴雨频次为
20
d
,平均
0.32 d
,其中
6
月
2
次,
7
月
7
次,
8
月
11
次,极大值为
4
,出 现 在
1959
年,次极大值
2
天,分别出现在
1956
、
1963
、
1985
年;无特大暴雨频次。大多数年份全年均无大暴雨、
特大暴雨出现。
分析汛期暴雨频次变化特征发现
(
图
3)
,在过去的
62
年里,汛期暴雨频次总体呈波动下降的趋势,但是
气候倾向率仅为
−
0.017
次
/
年,下降趋势不明显。
为了揭示北京汛期暴雨频次的时间演变特征,本
文采用小波分析方法对其进行分析,小波分析方法是
一种揭示时间序列
(
或空间分布
)
局域振荡特征的方 法,
分析气象变量时间序列
(
或场
)
的周期振荡特征,对于
认识分析对象变化规律及做出相应预测均有重要意
义,因此小波分析方法在气象定量分析中得到广泛使
用
[2
-5]
。图
4
为北京汛期暴雨日数的
Morlet
小波功率
谱的时频分布,图
4
(a)
表示信
号的小波局地功率谱,
OPEN ACCESS
27
北京汛期暴雨气候特征分析
Figure 3. The proportion of
anomaly
monthly rainstorm rainfall from June to August
图
3.
6~8
逐月暴雨雨量占汛期雨量比例
Figure 4. The wavelet power spectrum of storm frequency in flood season
图
4.
期暴雨频次的小波功率谱
粗实线包围区域为下降漏斗,下降漏斗里信号的周期
是可信的,通过了
95%
的红噪声信度检验,局地功率
谱图展示出信号的年际变化的特征。图
5(b)
为小波方
差图,小波方差随时间尺度的变化过程,反映了波动
的能量随时间尺度的变化,因此,可用小波方差图来
确定时间序列中各种尺度扰动的相对强度,确定时间
序列中存在的主要时间尺度,即周期。
从图
4
可以看出,汛期暴雨频数通过
95%
的红噪
声信度检验的小波功率谱有
2
个峰值,对应是
2.7579
年和
4.9140
年,汛期暴雨频次,在
1960
年附近存在
2~3
年的周期变化,在
1990
年附近存在准
5
年的周
期
变化。
图
6
给出了小波系数实部图,反映给定时间
和尺度下,相对于其它时间和尺度信号的强弱和位相
2
方面的信息,小波系数为正时,表示暴雨频数相对
偏多,为负时,表示暴雨频数偏少。从小波系数的实
部可以看出不同时间尺度和周期所对应的高低为向,
它反映了平均暴雨频数高低变化的不同,根据图
6
主
周期的小波系数实部图可知,北京
2012
年暴雨频次
处于低值期,估计
2013
年暴雨频次有增加趋势。
5.
北京汛期多、少暴雨年的天气形势特征
汛期暴雨是发生在一定的大尺度环流形势下,冷
功率
/ m m
2
(b)
0 1 2 3 45
4
8
16
尺度因子
周期/年
(a)
1960 1970 1980 1990 2000 2010
4
8
16
1/8
1/4
1/2
1
2
4
8
OPEN ACCESS
28
北京汛期暴雨气候特征分析
Figure 5. The rainstorm day frequency in flood season
图
5.
汛期暴雨日数频次
Figure 6. The real part of wavelet coefficient of storm frequency on main period
图
6.
暴雨频次主周期时间尺度的小波系数实部过程线
暖空气在某地区交汇,引起暴雨的天气尺度系统或中
小尺度系统发展,从而使某地区出现强垂直运动和水
汽输送等,给暴雨的形成提供有利条件。每年的暴雨
频次变化也和大环流形势变化有一定的关系,为了了
解这两者之间的关系,我们选取了暴雨频次较多的
3
年
(1991
、
199
4
和
2011
年
)
和暴雨频次为
0
、降水次数,
降水总量最少的
3
年
(1999
、
2001
和
2003
年
)
,分别 做
汛期环流形势特征分析。
从表
1
北京汛期多暴雨年环流指数特征和表
2
北
京汛期少暴雨年环流指数特征可
知,汛期暴雨频次较
多的
3
年,副高面积偏大,强度偏强,脊线偏北,偏
西,海温偏高,太阳黑子处于非活跃期;相反,暴雨
频次较少的
3
年,副高面积偏小,强度偏弱,脊线偏
北,偏西,海温偏低,太阳黑子处于活跃期。
汛期副高面积偏大,强度偏强,成带状时,有利
于西南气流水汽的输送,当高纬地区有冷空气南下,
冷暖交汇点处于北京上空时,北京容易产生强降水,
北京
2012
年
7·21
特大暴雨原因之一就是北方南下的
冷空气和强盛的西南暖湿气流在华北一带剧烈交汇
而形成,当然,
7·21
特大暴雨
还与北京西部、北部山
1960 1970
1980 19902000 2010
-3
-2
-1
0
1
2
3
小波系数
时间
/年
a= 2.7579
年
a= 4.914
年
OPEN ACCESS
29
北京汛期暴雨气候特征分析
Table 1. The characteristics of circulation parameters in the more storm flood years
表
1.
北京汛期多暴雨年环流指数特征
(
距平值
)
6
月
7
月
8
月
环流指数
1991
1994
2011
1991
1994
2011
1991
1994
2011
西太副高面积
5.7
10.7
9.7
10.7
17.7
−
0.3
−
1.7
22.3
10.3
西太副高强度
19
45
24
37.5
38.5
−
11.5
−
0.2
58.8
24.8
西太副高脊线
1.6
−
1.4
1.6
0.9
4.9
1.9
−
3.9
5.1
5.1
西太副高北界
1.1
1.1
2.1
0.3
3.3
−
0.7
−
3.3
5.7
3.7
西太副高西伸脊点
−
5.4
−
5.4
−
0.4
−
9.3
−
4.3
0.7
21.9
−
23.1
6.9
厄尔尼诺
8.9
5.9
−
2.1
5.1
6.1
−
1.9
7 7
−
4
太阳黑子
903
−
448
−
347
114 2
312
−
261
1156.6
−
471.4
−
215.4
Table 2. The characteristics of circulation parameters in the less storm flood years
表
2.
北京汛期少暴雨年环流指数特征
(
距平值
)
6
月
7
月
8
月
环流指数
1999
2001
2003
1999
2001
2003
1999
2001
2003
西太副高面积
−
9.3
−
9.3
7.7
−
9.3
−
6.3
16.7
−
4.7
2.3
18.3
西太副高强度
−
17
−
16
14
−
18.5
−
11. 5
46.5
−
10.2
2.8
73.8
西太副高脊线
3.6
2.6
−
1.4
3.9
2.9
−
1.1
4.1
1.1
2.1
西太副高北界
2.1
1.1
−
1.9
3.3
2.3
0.3
3.7
−
1.3
1.7
西太副高西伸脊点
9.6
4.6
−
5.4
15.7
−
4.3
−
29.3
11.9
−
8.1
−
28.1
厄尔尼诺
−
6.1
−
0.1
−
1.1
−
4.9
1.1
3.1
−
7 0 3
太阳黑子
416
521
57
841
706
150
574.6
516.6
5.6
区对对流活动的加强和东部高压天气系统阻碍北京
降雨系统的东移有关。
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