引言

极端事件是指一定区域和时段发生的超出一定阈值的异常气候极值^[1]。作为一种极端事件，极端降水发生概率小、风险高，一旦发生，往往造成重大人员和财产损失^[2]，其预报难度较大，且其发生概率呈逐渐增大趋势^[3-4]。因此探讨其变化规律对于避免或减轻其灾害损失具有重要意义。在全球气候变化背景下，世界各地降水量和极端降水事件增减趋势不同^[4]。目前，针对全国极端降水时空分布和变化趋势已有不少研究成果。就全国范围看，中国极端降水量时空差异较大，东南大、西北小，两湖盆地、黄海海湾和辽东半岛是高值区^[5]。中国强降水尚无明显极端化倾向，但平均降水强度极值呈增加趋势^[6]。虽然平均强度和极端降水值都呈增加趋势，极端降水事件也趋增多^[7]，全国极端降水年总站次具有线性增长趋势，但极端降水年际变化较大^[8-9]，其变化趋势随地域和季节差异显著^[10]，且其持续性区域差异明显^[11]。

极端降水具有很强的地域性，分区域研究尤显重要。湖北^[12]、湖南^[13]、福建^[14]等地相继开展了本地区极端降水研究，京津冀地区也有相关研究成果：2005年以前，河北平均年最大日降水量呈下降趋势，强降水日数和暴雨日数变化不大，但在总降水日数的比重有增大趋势^[15]；到2010年华北汛期降水量下降趋势明显，各等级降水量及其频率均有下降趋势，暴雨贡献率下降趋势最大^[16]。北京地区，极端降水阈值和频率沿地形高度分布，局地性特征明显，极端降水量、频率和强度呈下降趋势^[17-18]。石家庄极端降水频率变化趋缓，不同指数表现出不同周期变化，其空间分布存在差异^[19]。还有部分研究集中在京津冀^[20-21]和邯郸^[22]不同等级降水日数的时空演变上。

在全国极端降水研究方面，一般选用约740个国家站资料，京津冀地区仅有约50个国家站，站点偏少，对区域气候特征的刻画不够细致；而在京津冀地区，以往相关研究尚少，且所用资料多为2010年以前的，研究内容也大多局限于个别地市极端降水或不同等级降水。为此，本文选用1981—2016年京津冀地区174个国家站资料，从极端降水的时空分布特征以及变化趋势等多方面，分析京津冀地区极端降水特征，以期为极端降水预报和防灾减灾气象服务提供参考依据。

1 地理环境

京津冀13个地市(图 1)分布着174个国家站，全境由分布于张家口北部和承德北部的坝上高原、太行山和燕山高地与高地环绕的东南部华北平原三部分组成。其中，燕山自西向东，太行山自北向南构成半环状“弧形山脉”。

2 资料和方法 2.1 资料说明

利用1981—2016年京津冀地区174个国家站逐日(20—20时，北京时，下同)降水资料，分析极端降水的时空分布特征及变化趋势。所用资料来源于国家气象信息中心，并进行了严格的质量控制，订正了由于各种原因造成的错误，数据完整齐全。

2.2 研究方法

受天气系统和地形影响，降水具有地域分布不均匀的特性，所以不能用统一的阈值判定极端降水。目前在气候极值变化研究中通常使用百分位方法^[23-24]定义极端降水阈值，且大多研究^{[3, 17-18, 25-26]}证实利用第95百分位降水量定义极端降水阈值较为合适。因此本文将1981—2010年中每年每站非零日降水按升序排列，第95个百分位值的30 a气候平均值定义为气候平均极端降水阈值^{[3, 26-27]}，当某站日降水量超过该站的阈值时，就认为此日该站出现了极端降水。

文中物理量具体定义如下：(1)极端降水，指某站某日的降水量超出了本站气候平均极端降水阈值；(2)极端降水日数，指极端降水出现的天数；(3)极端降水量，指极端降水日出现的降水量；(4)年平均极端降水日数，指该站36 a (1981—2016年)极端降水日数总和的年平均值；(5)年平均极端降水量，指该站36 a极端降水总量的年平均值；(6)平均极端降水强度，指每个站的极端降水总量和极端降水总日数的比值；(7)极端降水量对总降水量的贡献，指同时间段极端降水量占总降水量的比例；(8)极端降水总站次，指某段时间某区域内极端降水出现的站次总和；(9)日平均极端降水站次，指极端降水总站次与极端降水日数的比值；(10)站次贡献，即年极端降水站次占年总降水站次的比例。利用年平均极端降水量、年平均极端降水日数、平均极端降水强度和极端降水量对总降水量的贡献等4个物理量分析极端降水的空间分布特征；利用极端降水总站次、日平均极端降水站次和站次贡献的变化情况分析极端降水的时间分布特征。

分析极端降水量和极端降水日数等变化趋势，采用线性倾向估计方法^[28]。气候要素的10 a变化用线性倾向率表示，即以气候要素为因变量、以时间为自变量的一元线性方程系数的10倍(y=ax+b中a的10倍)，且方程中的系数用最小二乘方法确定。统计结果使用Mann-Kendall非参数趋势检验法(以下简称M-K检验法) ^[29]检验，M-K检验法用于分析降水要素时间序列的变化趋势，优点在于样本不需要遵循某特定的分布，且很少受奇异值的干扰，计算简便。

3 结果分析 3.1 极端降水空间分布

为分析京津冀地区极端降水的空间分布特征，图 2给出1981—2010年京津冀地区第95百分位气候平均极端降水阈值的分布。从中可见，在中北部地区，自西北向东偏南方向降水阈值逐渐增大，南部地区变化不大；张家口和承德西北部地区较小，在16~25 mm之间，最小值在康保，为16.4 mm；北京东北部、唐山、秦皇岛和沧州地区较大，在37~42 mm之间，最大值出现在秦皇岛，为41.8 mm；南部地区在30~38 mm之间，且东部大于西部。另外，在北京北部、西部和保定西北部降水阈值梯度较大，降水阈值等值线密值区与燕山东西走向及太行山北侧的东北-西南走向相一致，这也在一定程度上说明地形对降水具有增幅作用；而太行山南部之所以未表现出降水阈值梯度的大值区，是因为太行山南部山区几乎无(国家站)观测资料。

表 1给出京津冀地区重点市的第90、95和99百分位气候平均极端降水阈值，从中可见，第90百分位的降水阈值在14.18~25.93 mm之间，第95百分位降水阈值为20.99~41.78 mm，第99百分位降水阈值为37.44~88.09 mm；从不同百分位阈值分布看，共同特点是张家口地区最小，东北部地区最大，不同点是第95和99百分位的阈值最大值出现在秦皇岛，分别为41.78 mm和88.09 mm，而90百分位的阈值最大值出现在唐山，为25.93 mm，秦皇岛排第二位。基于各百分位降水阈值分布的相似性和与前人研究的可比性，以下分析中极端降水的阈值采用第95百分位降水阈值。

1981—2016年京津冀地区年平均极端降水量空间分布显示（图 3），张家口地区较小，大部分地区在130 mm以下，万全最小，为103.6 mm；秦唐、北京东北部和承德南部最大，大部分地区可达200 mm以上，秦皇岛昌黎最大，为259.1 mm；保定、廊坊及以南地区变化不大，在160~200 mm上下。年平均极端降水量分布和36 a总降水量分布(图略)以及暴雨日数分布^[30]较一致，可以推断极端降水对总降水的贡献可能较大。

极端降水量对总降水量的贡献在一定程度上反映了一个地区降水量的结构分布情况。图 4给出1981—2016年京津冀地区极端降水量对总降水量贡献的空间分布，从中可见，全区贡献较小的地区为张家口、承德、北京西北部和天津地区，最小在张家口的万全，贡献率为28%；廊坊南部、秦皇岛和河北省的中南部地区，均为极端降水量贡献较大的区域，大部分地区贡献率均达到36%以上，最大在秦皇岛的昌黎，达到42%。说明廊坊南部、秦皇岛和河北省的中南部地区的降水在很大程度上依赖于极端降水，且京津冀全区有28%以上的降水来源于极端降水。Sun ^[31]在分析全国降水时指出，极端降水可以占到全国平均总降水的1/3，且主导着总降水的趋势变化，图 4的分析结果可以进一步证实这一观点。

图 5给出1981—2016年京津冀地区年平均极端降水日数的空间分布，从中可见，全区降水日数差别不大，统计发现，71%的站点集中在3.0~4.0 d之间；与第95百分位降水阈值和年平均极端降水量分布完全不同，极端降水日数较多的站点分布在第95百分位降水阈值和极端降水量较少的西北部地区，最多可达5.3 d，日数最少的分布在京津冀的东部地区，仅为2.4 d。在西北部地区(张家口)极端降水量较小，极端降水日数较多，由此推断其极端降水强度比较小，而在京津冀东部地区，极端降水强度较大。

极端降水强度越大，致灾性越强，越是应该密切关注。图 6是给出京津冀地区36 a平均极端降水强度，从中可见，在北部地区，平均极端降水强度自西北向东南逐渐增加，最小为26.79 mm·d^-1，最大值在天津(宁河)地区，为73.81 mm·d^-1；在南部地区，由西向东逐渐增大，大部分地区在50~65 mm·d^-1之间。总体来看，张家口、承德中北部、北京西北部和保定西北部的平均极端降水强度在26~50 mm·d^-1 (大雨)之间，其他大部分地区均在50 mm·d^-1(暴雨)及以上；平均极端降水强度西北部小、东部地区大，与之前推断一致，且其分布与第95百分位降水阈值分布大体一致。

3.2 极端降水时间分布

图 7给出1981—2016年京津冀地区极端降水总站次和极端降水日数的历年变化，从中可见，1995年和2012年站次出现最多，分别为986站次和895站次，1999年最少，为296站次；36 a间，京津冀地区共出现2 031 d极端降水，平均每年极端降水日为56.4 d，极端降水日数最多的年份分别是1990年(71 d)、1998年(71 d)和2012年(67 d)；在1998年之前和2007年之后，极端降水总站次和极端降水日数变化趋势一致。

图 8给出京津冀地区日平均极端降水站次和站次贡献的历年变化。从日平均极端降水站次(实线)分析可知，1995年和1996年日平均的降水站次最多，分别为15.1站次·d^-1和14.9站次·d^-1；1999年最少，为5.3站次·d^-1。日平均极端降水站次越多，一般可以认为极端降水发生的区域越大，即1995年和1996年极端降水影响的区域范围最大，而1999年最小。从站次贡献(虚线)分析可知，贡献率在2.7% (2015年)到8.5% (1995年)之间，中位数为4.6%，说明在100站次降水中，最多有8.5站次是极端降水，最少有2.7站次出现极端降水，大多数在4.6个站次左右，反映了极端降水站次在总降水站次中的分布情况。

图 9给出1981—2016年京津冀地区年平均极端降水量、年平均极端降水站次及其比值的逐月分布，从中可见，京津冀地区极端降水3—11月均有发生，7月极端降水量达到最大，年平均为13 561 mm；7月份站次最多，年平均为229站次，其次是8月份，6月和9月次之。年平均极端降水量与站次的比值可以在一定程度上反映极端降水的强度，从比值上看，极端降水的强度为每站次37.2~59.2 mm之间，7月和8月份最大，分别为每站次59.2 mm和58.2 mm，10月份和6月份次之，9月虽然年平均站次较多，但极端降水的强度并不比10月大。

图 10给出1981—2016年京津冀地区年平均极端降水日数和平均日站次的逐月分布，从中可见，7月和8月年平均极端降水日数最多，分别为18.4 d和15.3 d，其次是6月和9月，最少的是3月和11月；平均日站次可以大概反映降水区域的大小，7月平均每个极端降水日出现的降水范围是最大的，平均每天达到12.5站次，其次是8月，平均每天为11.5站次，值得一提的是，10月份排第三位，平均每天达到9.1站次，5月最少，平均每天为6.4站次；3月、11月和10月虽然极端降水的日数少，但是平均每天的站次并不少，即极端降水出现的范围并不小。由上文分析也知10月极端降水的强度也排第三位，所以除汛期外，3月、11月和10月，尤其10月应给予特别关注。

3.3 极端降水的变化趋势

图 11给出1981—2016年京津冀地区174个国家站年平均极端降水量、年平均极端降水日数、平均极端降水强度和极端降水量对总降水贡献的变化趋势。从年平均极端降水量的变化趋势(图 11a)可见，除张家口、承德东部、秦皇岛、北京西北部、廊坊南部、保定南部、沧州东部和石家庄呈增加趋势外，其他绝大部分地区(112个站)均为减少趋势，占总站数的64%；强于-20 mm·(10 a)^-1减少趋势的站数占总站数的21%，减少趋势最大的前3个站分别为天津宁河、衡水饶阳和深州，分别为-45.7 mm·(10 a)^-1、-44.2·mm(10 a)^-1和-43.5 mm·(10 a)^-1，均通过了95%的统计检验；20 mm·(10 a)^-1以上增加趋势的站数占总站数的7%，增加趋势最大的前两个站分别为天津大港和围场，分别为53.4 mm·(10 a)^-1和28.6 mm·(10 a)^-1，均通过了95%的统计检验。总体来看，年平均极端降水量的增减趋势较大，尤其是减少趋势，且呈减少趋势的范围略大。

各站年平均极端降水日数变化趋势表明(图 11b)，其增减分布和年平均极端降水量增减分布基本一致，尤焕苓等^[19]也指出北京极端降水量和极端降水日数的变化趋势分布类似，说明极端降水量和极端降水日数关系密切；增减趋势范围在-0.6~0.9 d·(10 a)^-1之间，呈减少和增加趋势的站数分别占59%和41%，增加趋势最大的4个站均通过95%的统计检验。总体看，京津冀地区年平均极端降水日数随时间变化不大，变化趋势在1 d·(10 a)^-1以内，减少趋势的站数略多。

对于某个站来说，如果极端降水的日数变化不大，那么极端降水量的变化主要取决于极端降水强度的变化，从平均极端降水强度的变化趋势(图 11c)可见，承德、张家口南部、北京西部、保定、石家庄和邢台西部为增加趋势，其他大部分地区为减少趋势；京津冀地区59%站点的极端降水强度在减弱，减少趋势最明显的为饶阳站，为-12.5 mm·d^-1·(10 a)^-1，且通过了99%的统计检验，趋势强于-5 mm·d^-1·(10 a)^-1的站数(22个站)占13%；增加趋势最明显的为大港站，为12.3 mm·d^-1·(10 a)^-1，且通过了95%的统计检验，但其他站的增长趋势不明显，97%呈增加趋势的站点，其增加趋势均小于5 mm·d^-1·(10 a)^-1。总体看，无论站数或减少幅度，平均极端降水强度的减少趋势相对明显。

从极端降水量对总降水贡献的变化趋势(图 11d)可见，其增减趋势分布与年平均极端降水量、年平均极端降水日数的分布相似，但略有不同，沧州以减少趋势为主。呈减少趋势的站数占总站数的70%，其中有19个站的减少趋势强于-4.0%·(10 a)^-1，且均通过了90%的统计检验，减少最明显的是深州，为-7.1%·(10 a)^-1，且通过99%的统计检验；呈增加趋势的站数占总站数的30%，增加最明显的为大港，达7.6%·(10 a)^-1，96%具有增加趋势的站点均在3.4%·(10 a)^-1之内。总体来看，极端降水量对总降水贡献是以减少为主，且减少趋势明显，说明京津冀大部分地区降水量对极端降水的依赖程度也逐渐减小。

综上分析可知，京津冀绝大部分地区，年平均极端降水量、年平均极端降水日数、平均极端降水强度与极端降水量对总降水贡献的变化趋势的分布情况基本一致，对于全省174个国家站而言，呈减少趋势的站点相对较多，占到总站数的59%~70%。由于年平均极端降水日数变化不大，由此推测年平均极端降水量的变化主要是由平均极端降水强度的变化造成的。

4 结论

本文对1981—2016年京津冀地区极端降水的时空分布和变化趋势进行了分析，得出以下主要结论：

(1) 京津冀地区第90、95和99百分位极端降水阈值在空间分布上具有一致性，即在中北部地区，自西北向东偏南方向降水阈值逐渐增大，南部地区变化不大，且东部大于西部；年平均极端降水量、平均极端降水强度与百分位极端降水阈值分布大体一致，而年平均极端降水日数的分布则与其相反。

(2) 年平均极端降水量在103.6~259.1 mm之间；极端降水量对总降水贡献在28%以上，中南部地区36%以上，最大在秦皇岛的昌黎，达到42%；年平均极端降水日数在3.0~4.0 d之间；西北部地区平均极端降水强度在大雨量级，其他大部分地区为暴雨量级，最大为73.81 mm·d^-1。

(3) 京津冀地区极端降水总站次和极端降水日数变化的趋势一致；1995年极端降水总站次、平均日极端降水站次以及极端降水站次占总降水站次的比重为最大，极端降水的平均影响范围最大，1990年和1998年极端降水日数最多。3—11月，站点均有可能出现极端降水，7月出现极端降水日数最多，平均每天出现的极端降水站次最多，极端降水强度也最大。

(4) 年平均极端降水量、年平均极端降水日数、平均极端降水强度以及极端降水量对总降水量贡献的变化趋势的分布基本一致，呈减少趋势的站点均相对较多。年平均极端降水量增减幅度较大，年平均极端降水日数变化在1 d·(10 a)^-1以内，平均极端降水强度和极端降水量对总降水量贡献减少趋势明显。京津冀大部分地区年平均极端降水量的变化主要是由平均极端降水强度的变化造成的。