闵晶晶,从事数值产品释用和强对流天气短时临近预报研究.Email:
基于1979—2008年京津冀地区175个气象站的冰雹观测资料,应用气候趋势系数、倾向率、集中度和集中期,以及连续功率谱等方法,分析了京津冀地区及4个划分关键区冰雹发生的多时间尺度变化特征和变化趋势,并运用蒙特卡罗方法检验了气候趋势系数的显著性。结果表明:近30年该地区的冰雹有明显减少趋势,北部地区比南部地区减少幅度要大,山地区域比平原地区减少幅度大;基本上都存在2.0~2.5年的变化周期,该地区冰雹的发生具有准两年周期振荡的特征;南部平原冰雹发生的集中度最大,该区冰雹在年内发生时间最为集中;南部平原集中期较早,出现在6月初,其他几个关键区冰雹主要发生在6月底到7月初。应用气候要素累计距平曲线、Yamamoto方法进行了气候突变分析,结果表明京津冀地区冰雹在1993年发生了减少的突变,山地区域尤为显著。
Based on the daily hail data at 175 stations in Beijing, Tianjin and Hebei Province (BTH for short hereinafter) during 1979 to 2008, using climate trend coefficient, trend rate, concentration degree (CD), concentration period (CP), and continuous power spectrum, the multiple time-scale variation characteristics and trend variation of hail in BTH area are analyzed. It focuses on the four different key regions. Meanwhile, the significance of trend coefficient is tested by Monte Carlo scheme. The results show that the hail during last 30 years has increased obviously, the negative trend of hail is that reduction is larger in the northern areas than the southern areas, and larger in the mountain regions than the plain regions; there are 2.0-2.5 year periodic oscillations for interannual variations in all key regions, the inter-annual change of the occurring frequency of hail is characteristic of quasi-biennial oscillation (QBO); The hail-concentration degree (HCD) in the southern area was the biggest, indicating that the time when hail occurred in this key region was relatively concentrated; The hail-concentration period (HCP) in all regions except southern area being in pentad 31 (about early June), was pentads 36-37, indicating that hail mainly occurred from late June to early July. Analysis on abrupt climate change using accumulated anomaly method and Yamamoto method shows that an abrupt decreasing occurred in 1993, especially in mountain regions.
冰雹是在强对流云中生成的固态降水物,由强对流系统引发的剧烈天气现象,通常发生在暖背景下[
政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第四次评估报告[
国内针对一些极端灾害天气的发生做了大量研究,证实了这些特殊天气在近几十年来都有较大的变化趋势,比如:高温天气[
虽然针对冰雹发生分布特征的研究很多,但对于京津冀地区冰雹多年分布和变化趋势的研究较少,同时,上述研究主要是分析了冰雹天气的时空分布特征,对冰雹气候态特征分析较为简单。本文采用趋势系数、集中度和集中期、周期和突变分析等方法,对北京、天津、河北3个地区(以下统称为京津冀地区)175个气象站1979—2008年近30年的冰雹日资料进行了分析,同时针对不同地形而划分的气候关键区也做了相应的研究,有助于更好地了解该地区冰雹天气发生的历史演变规律,对进一步了解该地区冰雹的气候特征提供参考依据。
选用京津冀地区(以下称为:全区域)175个气象观测站1979—2008年冰雹日资料,所用资料已经过质量控制,具有较好的代表性。其中,规定在某日(00—00北京时),某个测站出现一次冰雹天气,记为一个冰雹站次。为了详细分析该地区不同地形上冰雹的变化趋势和特征,本文把研究区域划分为4个关键区,分别为:西部山区、东北山区、北部平原、南部平原,其中西部山区再细分为西北山区、太行山区。由于所选的4个关键区所包含的站点总数不一样,为了更好地比较它们之间的差异,下文主要分析各区域的冰雹平均站次数(关键区冰雹发生的总站次数/本区域涵盖的站点总数)的变化规律。
目前,研究主要侧重于不同地区冰雹的时空分布,很少有人分析其年内的非均匀分配特征,而研究这种特征是分析冰雹发生时间集中程度演变规律的关键。张录军等[
冰雹集中度(
式中
根据式(1) 的计算公式可以看出:在研究时段内,
采用气候趋势系数和倾向率[
应用连续功率谱方法[
京津冀地区处于中纬度沿海与内陆交接地带, 地势西北高、东南低, 从西北向东南呈半环状逐级下降。山地、丘陵、盆地、平原类型齐全, 从西北向东南依次为内蒙古高原南缘、燕山和太行山地、河北平原三大地貌单元。
从近30年京津冀地区冰雹年均日数的空间分布(
1979—2008年京津冀地区冰雹年均日数的空间分布(单位:天)
Spatial distribution of annual mean hail day numbers in Beijing, Tianjin and Hebei Province from 1979 to 2008 (unit: d)
京津冀地区4个关键区的站点分布图
Schematic diagram of 4 key aeras of Beijing, Tianjin and Hebei Province
关键区及涵盖区域
The key areas and their coverage areas
关键区 | 西部山区 | 东北山区 | 北部平原 | 南部平原 | |
西北山区 | 太行山区 | ||||
涵盖区域 | 张家口市 |
保定市西部 |
承德市 |
唐山市 |
沧州市 |
涵盖站点数 | 19 | 5 | 14 | 65 | 72 |
1979—2008年不同区域冰雹平均站次数的逐年变化
The interannual variation of the average station number of hail in different regions from 1979 to 2008
根据蒙特卡罗模拟方法可以得到通过信度
近30年来,全区域、西部山区、东北山区、北部平原和南部平原冰雹平均站次数与年份的相关系数,即气候趋势系数分别为-0.6392、-0.6913、-0.5506、-0.5509、-0.5777,均通过
不同区域冰雹平均站次数的气候趋势系数(CTC)和气候倾向率(CTR)[单位:(10a)-1]
Climate trend coefficients and trend rates of the average station number of hail in different regions [unit: (10a-1)]
1979—2008 | 1979—1988 | 1989—1998 | 1999—2008 | |||||
|
||||||||
*通过 | ||||||||
* is | ||||||||
全区域 | -0.6392** | -0.3730 | 0.4112* | 0.5531 | -0.5758** | -1.0306 | -0.4372* | -0.2913 |
西部山区 | -0.6913** | -0.9666 | 0.3765* | 1.4370 | -0.6099** | -2.2409 | -0.1235 | -0.8850 |
东北山区 | -0.5506** | -0.8186 | 0.5167** | 1.0920 | -0.6118** | -2.5258 | -0.4224* | -0.7841 |
北部平原 | -0.5509** | -0.3221 | 0.4203* | 0.5391 | -0.4424* | -0.8786 | -0.5072** | -0.4831 |
南部平原 | -0.5777** | -0.2137 | 0.1552 | 0.3746 | -0.5608** | -0.5980 | 0.0898 | -0.1393 |
同时,根据10年的年际变化趋势结果看出(
京津冀地区近30年冰雹发生的平均站次数随时间的演变趋势是呈波状变化(
根据全区域冰雹年平均站次数功率谱图(
全区域冰雹平均站次数的功率谱
Power spectrum test of the average station number of hail in the whole region
依次分析了4个关键区的功率谱(图略),可以得到每个区域通过
不同区域冰雹的主周期(单位:年)
Main period of hail in different regions (unit: a)
全区域 | 西部山区 | 东北山区 | 北部平原 | 南部平原 | |
主周期 | 2.57 | 2.57 | 2.57 | 2.57 | 2.25 |
2.25 | 2.00 |
准两年周期振荡(QBO)是大气环流和气候年际尺度变化的一种非常显著而很重要的特征, 而且许多观测事实证明,在对流层大气环流以及地面气象要素的变化中普遍存在QBO现象,所以人们通常把季风环流、降水、海温等具有2~3 a周期的年际变化称之为对流层准两年振荡(TBO)[
1979—2008年全区域、西部山区、东北山区、北部平原和南部平原HCD(a)和HCP(b)的年际变化
The interannual variations of the HCD (a, left panel) and HCP (b, right panel) in the whole region, western mountains, northeast mountains, northern plains, and southern plains from 1979 to 2008
HCD主要是反映了每个候冰雹的平均站次数是否相等,HCD越小表明每个候所发生的站次数越接近,即冰雹在年内的发生时间越均匀,相反,HCD越大表明每个候所发生的站次数差异越显著,即冰雹在年内的发生时间越集中。
结合30年的平均HCD(
HCD近30年的时间演变图(
综上所述,南部平原冰雹在年内发生时间整体上最为集中,且年际差异较大,没有明显趋势变化;东北山区和北部平原相对较为集中,西部山区冰雹的发生较为均匀,但这几个区域近30年HCD的变化趋势很明显,趋势系数均通过了
HCP近30年的平均HCP(
HCP近30年的时间演变(
不同区域冰雹集中度和集中期的趋势系数和倾向率
Climate trend coefficients and trend rates of HCD and HCP in different regions
区域 | 集中度 | 集中期 | |||
趋势系数 | 倾向率/(10 a)-1 | 趋势系数 | 倾向率/(10 a)-1 | 平均值/候 | |
*通过 | |||||
* is | |||||
全区域 | 0.1357 | 0.0155 | 0.1035 | 2.4650 | 37.7 |
西部山区 | 0.4002** | 0.0159 | 0.2242 | 2.4286 | 37.4 |
东北山区 | 0.3128* | 0.0273 | -0.0330 | 2.1810 | 37.0 |
北部平原 | 0.4918** | 0.0222 | 0.1872 | 2.5633 | 35.7 |
南部平原 | 0.0185 | 0.0277 | 0.2658 | 2.2950 | 31.0 |
突变分析可以反映气候变化过程中气象要素存在某种不连续现象,可采用气象要素累积距平方法来表示。通过对气象要素的累积距平曲线的演变,来判断突变的阶段性。若在某年份的累积距平值中,绝对值达到最大值,其对应的年份可能是突变年份。
为了检验转折是否达到气候突变的标准,可以用Yamamoto方法来检验突变分析结果。Yamamoto方法是通过计算信噪比
信噪比
从京津冀不同区域累积距平曲线图(
京津冀不同区域冰雹发生的累积距平曲线图
Diagram of cumulative anomaly of the hail in the different regions
根据累积距平方法得到了该地区冰雹的发生次数在近30年存在由多发到少发的转折,但并不能完全说明这个转折点就是突变。为了检验上述转折是否达到气候突变的标准,本文采用Yamamoto方法来检验突变分析结果。
本文取转折年前后10年来计算信噪比,
Yamamoto方法对不同区域气候突变的检测
Analysis on abrupt climate change using Yamamoto method in different regions
全区域 | 西部山区 | 东北山区 | 北部平原 | 南部平原 | |
**表示为突变年,*表示极有可能为突变年 | |||||
** is the year of abrupt change, * is the year of probable abrupt change | |||||
转折年 | 1993** | 1993** | 1993** | 1993* | 1993** |
|
1.33 | 1.23 | 1.24 | 0.92 | 1.08 |
比较累积距平法和Yamamoto方法得到的结果可以很明显的证实,全区域和西部山区、北部山区、南部平原近30年来冰雹的发生在1993年出现了由多到少的突变,而北部平原在这一年发生突变的可能性也非常大。
通过分析近30年京津冀地区175个站点冰雹日资料,得出以下结论:
(1) 京津冀地区及划分的4个关键区在近30年来冰雹的发生有明显减少的趋势,北部地区比南部地区减少的幅度要大,山地区域比平原地区减少幅度大。1979—1988年冰雹的发生主要是呈上升趋势,1989—1998、1999—2008年这两个时期基本都是呈减少趋势,其中1989—1998年这10年是冰雹发生次数减小幅度最大的时间段,山地区域尤其明显。
(2) 近30年来京津冀地区冰雹的发生存在一个2.5 a的变化周期。其中西部山区、东北山区均存在一个2.5 a的主周期,而北部平原和南部平原都存在两个显著周期,大约为2.0~2.5 a。表明该地区冰雹的发生频率具有准两年周期振荡的特征。
(3) 南部平原冰雹在年内发生时间整体上最为集中,且年际差异显著,变化趋势不明显;东北山区和北部平原相对较为集中,西部山区冰雹的发生比较零散,但这几个区域近30年HCD的变化趋势很明显。京津冀地区冰雹在年内发生时间段由西北到东南越来越集中。
(4) 京津冀地区冰雹平均发生时间集中在第37.7候,即7月中旬;其中,除南部平原集中期较早外,为第31候大约在6月初,其他3个关键区基本发生在第36~37候,即6月底到7月初。同时,除了东北山区外,其他3个关键区的HCP都具有一定程度的增长趋势,即冰雹在年内集中发生的时间存在延后的趋势。
(5) 累积距平法和Yamamoto法分析结果表明,全区域和西部山区、东北山区、南部平原近30年来冰雹的发生在1993年出现了由多到少的突变,而北部平原在这一年发生突变的可能性也非常大。
感谢中国气象局国家气象中心郑永光研究员对本文提出了宝贵的修改意见。
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