引言

京津冀地区包括北京市、天津市和河北省，地处华北平原，地域面积21.6万km²，人口1.1亿，是我国经济最具活力、开放程度最高、创新能力最强、吸纳人口最多的区域之一。近几十年受显著的气候变化影响，以及强烈的人类活动干预和水资源开发利用，致使地表和地下水资源分布态势发生了明显变化，水资源供需矛盾日益突出，京津冀地区成为人均水资源量最低区域。了解该地区大气降水量精细化时空分布特征及其形成原因，对于进一步理解径流和地下水动态变化规律，合理规划、有效利用水资源，具有重要意义。

华北地区属于半湿润、半干旱季风性气候，是我国东部夏季三大降雨区之一，年降水量的80%以上出现在5—9月，受华北地形的影响，多雨带大致沿着燕山、太行山从东北向西南方向延伸，存在三个降雨中心，分别位于唐山附近、保定西侧、济南附近^[1-2]。夏季降水往往集中在几次强降水过程，降水相对集中使海河流域洪水具有峰值高、峰型陡、一次性洪量大的特点^[3]。主导华北地区夏季降水的气候背景十分复杂^[4]，一方面由于地处季风活动的北缘，汛期降水主要受夏季风活动等影响^[5-6]；另一方面，还受中高纬度西风环流系统影响^{[1, 7-8]}，这些复杂因素导致京津冀地区降水空间分布不均匀性，加重水资源利用的不确定性，严重制约该地区社会和经济发展。因此，对京津冀以及华北地区夏季降水的研究历来受到高度的关注。任国玉等^[9]认为海河流域降水近50多年来出现显著的下降趋势，从20世纪70年代中后期开始，华北地区夏季降水进一步减少^[10]，在1978年前后发生了年代际跃变^{[2, 11]}。郝立生等^[12]指出近50年华北雨量减少主要是由于盛夏暴雨事件减少造成的。

近年来，随着我国自动气象观测网的建设和积累了多年逐小时降水资料，人们开始关注到小时时间尺度的降水特征^[13-15]。YU et al.^[16-17]揭示了中国大陆夏季降水存在显著的日变化，且区域特征鲜明，我国中东部地区暖季降水日变化随季风雨带的南北进退表现出清晰的季节内演变^[18]。ZHOU et al.^[19]和原韦华等^[20]分析了夏季降水日变化，发现降水量日变化具有两个峰值，一个在凌晨，一个在傍晚，在我国东部地区都表现为短时降水峰值较一致地出现在17时左右，持续较长时间降水在清晨前后发生峰值降水，黄淮海地区的持续性降水峰值主要出现在02—06时。而韩函等^[21]应用卫星反演降水资料融合而成的格点小时降水，分析了华北夏季降水的日变化特征，发现夏季降水日峰值，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。

已有工作对过去几十年的降水和极端降水长期变化规律开展了系统分析^[22-23]，同时对日以上尺度降水量时空分布特征进行了研究。由于使用较为稀疏、时间分辨率较粗的观测站资料序列，目前对于降水日内变化特征认识不足，对于年和季节降水量的精细空间分布特征及其形成原因缺乏了解。

本文采用气象系统近年发展的高密度小时降水观测资料，首次尝试对京津冀地区不同历时降水量的精细化时空结构进行分析，揭示了京津冀地区降水的若干新特征，有助于加深对我国最重要地区大气降水和地表、地下水资源动态变化的科学认识。

1 资料与方法

京津冀地处113.5°~120°E和36°~42.3°N之间，地势西北高、东南低，从西北向东南呈半环状逐级下降，东西走向的燕山山脉居其北部, 南北走向的太行山山脉居其西部, 南部是华北平原。在研究分析过程中，鉴于京津冀区域南北纬度差别较大，地形地势差异显著，为进一步探索降水时空变化的区域差别，综合考虑了行政分区和气候区域，将所研究的京津冀地区分为六个区域(图 1)：冀北高原、燕山丘陵区、太行山区、冀东平原、京津平原、太行山前平原(简称“山前平原”)。

文中所使用的资料是2007—2017年京津冀地区156个气象站点暖季(5—9月)逐小时降水量的观测数据。该数据来源于“全国综合气象信息共享平台(China Integrated Meteorological Information Service System，CIMISS)”，CIMISS对国内外及行业交换气象观测数据和业务产品进行收集并按需分发，对气象数据进行解码、质量控制和产品加工处理，随后使用数据库技术对实时和历史数据进行一体化入库管理。

定义降水量大于0.1 mm的时次为降水小时。参照前人方法^{[16, 24]}，确定降水间歇长度2 h, 作为两次降水过程的分界，即当一次降水过程连续2 h没有降水时，判断该事件结束，从而一次降水过程中可能存在不连续的无降水时次。降水历时即为从第一个降水小时至最后一个降水小时经过的总时数。按照降水持续时间的长短，将不同历时降水分为四类：持续时间1~3 h的短历时降水、4~6 h中历时降水、6~12 h长历时降水、12 h以上的持续性降水。

2 结果分析 2.1 京津冀地区降水量总体特征

2007—2017年，京津冀地区暖季降水量平均为440.4 mm。由2007—2017年京津冀地区暖季(5—9月)累计降水量空间分布(图 2)看，从南到北呈“少—多—少”分布特征，即燕山山脉迎风坡为降水高值区(平均降水量在540 mm以上)、冀北高原区为降水偏少区(平均降水量为300~360 mm)、山前平原地区降水量居中(平均降水量为400~480 mm)。京津冀夏季降水的分布格局主要是受到地形和盛行风的影响，当华北地区盛行偏东风时，由于地形的强迫抬升作用，易在迎风坡形成降水^[25-26]。因此，京津冀暖季降水大值沿燕山迎风坡从东向西呈带状分布，其中最大降雨中心在青龙—遵化—兴隆，降水量达580 mm以上，海淀—霞云岭降水量为530 mm以上，太行山区的阜平降水量为517.6 mm。

由京津冀地区2007—2017年5—9月逐月降水空间分布(图 3)来看，各月平均降水量的空间差异明显。5月(图 3a)京津冀地区平均降水量为35.6 mm，占暖季降水量的8.0%，其多雨区位于太行山区南部和山前平原的南部，以及燕山丘陵区的东部，平均降水量在40 mm以上；冀北高原区降水最少，平均为22.5 mm。6月(图 3b)降水量较5月有明显的增多，平均为76.6 mm，比5月降水量多1倍左右，其空间分布呈东北部多、西部南部少态势，多雨区位于冀东平原区和京津平原区，平均降水量90 mm以上，少雨区位于石家庄—衡水以南，即太行山区南部和山前平原南部，平均降水量在59~65 mm之间。7月(图 3c)降水量较6月又多1倍以上，平均降水量达154.4 mm，占暖季降水量的35.0%，其空间分布与整个暖季降水分布相似，呈现“少—多—少—多”的格局；冀北高原区降水量维持在110 mm以下，山前平原区也存在一个少雨区。8月(图 3d)降水量比7月略有减少，平均降水量为113.6 mm，呈东南多、西北少分布，多雨区位于京津冀东部的狭长区域，即山前平原东部、冀东平原东部，降水量在140 mm以上，山前平原和京津平原地区为100~140 mm，丘陵区和冀北高原区为90 mm以下。9月(图 3e)降水较8月明显减少，相差约9成，空间分布与6月相似，但多雨中心位置略有不同，多雨区位于太行山区、燕山山前一带，而山前平原区变为少雨区，与8月正好相反。

2.2 降水的日变化特征

由2007—2017年京津冀暖季平均累计降水量的日变化特征(图 4)来看，全区域降水的日演变呈现“两峰一谷”的特点，降水高峰值是在傍晚时段(17—21时)，小时降水量均在14 mm以上，最大值出现在19时，为15.2 mm；另一个峰值在02时，平均小时降水量为13.9 mm。白天(09—15时)为降水偏少时段，中午(11—13时)为降水最少的时段，谷值出现在12时，小时平均降水量仅为8.7 mm。

从各分区(图 5)来看，总体上呈现夜间和凌晨降水偏多、白天降水偏少的特征，最小雨量出现的时段基本一致，均出现在上午(09—14时)。这与宇如聪等^[16]研究的中国北方区域降水大值主要出现在午夜和凌晨的结论一致。

进一步分析各分区日降水量最大值出现的时间，发现由于地理位置和地形条件不同，导致最大降水量出现的时段差异较大。冀北高原、太行山、燕山丘陵等区域15—17时降水量开始增多，高原区最大值出现在15—17时，太行山区和燕山丘陵区出现在18—20时。这三个区域海拔较高, 午后太阳辐射容易导致对流加强, 层结不稳定, 加之山谷风环流上升支的抬升作用，午后到傍晚成云致雨的概率比较大，持续时间较短的降水事件峰值时间均出现在17时前后^{[20, 27]}。冀东平原日降水量表现为夜晚和午后双峰型，夜晚的峰值大于午后，夜晚的峰值出现在03—05时，午后峰值在15—20时。而京津平原和山前平原两个区域降水日变化较为一致，为白天少、夜晚多的特征，峰值出现在21时—次日02时，这些平原站点降水多在凌晨发生，主要归因于山谷风环流夜晚下降支在平原区域的辐合作用。殷水清等^[24]指出，海河流域夏季降水日变率特征的空间差异主要受到山谷环流和海陆环流的影响，下午在流域西部和北部的山区多出现幅合上升运动，对应于这一地区下午的降水峰值；同时, 沿海和平原地区以辐散下沉运动为主，导致这一地区下午降水发生频率低。

2.3 京津冀降水日变化的暖季季节内演变

由京津冀2007—2017年累计小时降水量逐候-日变化特征(图 6)可以看出，暖季降水可以分为5个阶段，5月至6月第4候降水量偏少，累计小时降水量在0.1~5.0 mm，降水呈夜间多白天少的分布，日降水多集中出现在16—20时，05—15时是降水偏少时段，特别是中午阶段降水稀少。6月第5候至7月第3候降水较前一阶段有所增加，累计小时降水量在5~10 mm之间，日降水的峰值出现在18—21时。7月第4候至8月第2候，对应7月下旬至8月上旬，这段时间正好是京津冀地区的“主汛期”，降水最大，累计小时降水量在10~20 mm，降水峰值出现在17—22时，次峰值出现在00—07时，平均累计小时降水量为15 mm左右。8月第3候至9月第2候，是京津冀的后汛期，累计小时降水量在5~10 mm，多夜间降水，峰值出现在00—08时。9月第3—6候累计小时降水量在0~5 mm，也是多夜间降水。虽然各个阶段降水峰值有所差异，但是都表现为白天09—15时降水偏少。

京津冀各分区降水量季节内特征总体表现为单峰型，即7月降水量最大，8月次之，5月降水量最少，各分区降水量日变化具有较强一致性。由分区逐候累计降水日变化(图 7)可以看出，5月第1候至7月第2候各分区日降水量呈单峰型，降水主要出现在午后和夜晚。进入7月第3候至8月第4候，即主汛期后，冀东平原区、京津平原区累计小时降水最大值出现在凌晨，这与文献[18]的研究结论一致。而冀北高原区、燕山丘陵区、太行山区等分区小时降水量最大值出现在午后和夜晚。位于平原的京津平原和山前平原区在午后也出现一个小时降水量的大值。

研究^[28]表明，山谷风热力环流是引起京津冀暖季山区和平原降水日变化差异的重要原因。沿燕山—太行山系，山区太阳辐射加热导致降水峰值多在午后发生，其后在对流层中层平均气流引导下向下游及东南方向传播，可能与平原地区清晨降水峰值的形成有关。同时，夜间山谷风环流的上升支与平原地区低层夜间西南急流叠加，有利于暖湿气流的输送，从而有助于平原地区夜间降水峰值形成^[28]。8月中旬以后，季风雨带南撤，降水量逐渐减少，降水日变化各分区基本一致，除冀北高原区外，累计小时降水量的大值均出现在凌晨。

2.4 降水持续性变化特征

将京津冀地区降水根据持续时间长短分为：持续时间1~3 h的短历时降水、4~6 h的中历时降水、6~12 h的长历时降水、12 h以上的持续性降水。由不同历时降水的日变化(图 8)发现短历时降水的日峰值出现在18时前后，中历时降水的日峰值比短历时的峰值略晚，大约出现在22时；而长历时降水和持续性降水日峰值出现在凌晨，正好对应于前文2.2节分析结果，即京津冀地区短时降水导致暖季降水量傍晚的日峰值，而长历时和持续性降水是凌晨日峰值的主要原因。

图 9、图 10、图 11分别给出了2007—2017年京津冀暖季不同历时降水频率、降水量和降水贡献率的空间分布，从全区域来看，短历时降水出现频率最大，每年平均出现20~45次，呈西北部多、东南部少分布，以山区和平原交接地区为界，平原地区均在35次以下，山区短历时降水平均每年出现35次以上，其中冀北高原区和燕山丘陵区短历时降水平均在40次以上(图 9a)，这些地区午后到傍晚持续时间较短的降水事件出现概率较大(图 5)，山区短历时的累计降水量在60~90 mm之间(图 10a)，对暖季降水的贡献率在25%以上(图 11a)。中历时降水每年平均出现6~12次，冀东平原区、京津平原北部、太行山区北部有三个大值区，每年出现10次以上的中历时降水，其他地区在8~10次(图 9b)。中历时累计降水量呈东多西少分布，冀东平原累计降水量在120 mm以上，与降水频次高值区相对应，其降水贡献率为24%左右，其他两个降水频次高值区，累计降水量较少，贡献率也仅为20%左右(图 10b、图 11b)。长历时和持续性降水出现频率较少，年平均分别为6.0次和3.1次，但二者的空间分布有较大的差异，长历时降水频率高值区主要分布在燕山丘陵的东部(图 9c)，而持续性降水主要出现在太行山区(图 9d)。长历时累计降水量的高值区位于平原地区的东部(图 10c)，其降水贡献率在28%以上(图 11c)；持续性降水高值区位于太行山区以及燕山迎风坡，累计降水贡献率在30%左右。

总体来看，冀北高原区和燕山丘陵区短历时降水量对累计降水总量的贡献较大(图 11a)，而在平原地区，长历时降水的贡献更大(图 11c)。持续性降水贡献大值中心区出现在太行山区。从京津冀平均看，长历时和持续性降水对暖季降水的贡献大于短历时降水，说明东亚夏季风大尺度环流所引起的持续性降水对京津冀地区的降水影响较大。

3 结论与讨论

使用2007—2017年京津冀地区暖季逐小时降水，分析了京津冀及其各分区降水量季节内变化和日变化特征，发现：

1) 京津冀地区多雨区位于燕山山脉南麓，多雨区中有多个降雨中心，沿燕山南麓从东到西分别是青龙、遵化—兴隆、海淀—霞云岭、阜平。在整个暖季中，位于燕山南麓的冀东平原区一直存在多雨区。

2) 各分区降水量季节内特征总体表现为单峰型，即5月—7月初之前降水量较少，可称为京津冀的前汛期；7月降水量最大，7月第3候至8月第4候是主汛期；8月降水量仅次于7月，但8月中旬以后开始减少，称为后汛期。

3) 京津冀暖季降水呈夜间多，白天少的特点，但各分区多雨时段出现的时间差异较大。随着雨带的移动，前汛期(5月—7月第3候)降水多发生在16—21时；主汛期(7月第4候—8月第2候)降水呈双峰型，峰值在17—22时，次峰值出现在00—07时；后汛期(8月第3候—9月)多夜间降水，峰值多出现在00—08时。

4) 山区多短历时降水，累计降水量占整季降水的25%以上。长历时累计降水对季节降水贡献率大值区位于京津冀的平原地区，而持续性降水贡献率大值位于太行山区以及燕山迎风坡。由京津冀整体平均看，长历时和持续性降水对暖季降水的贡献大于短时降水。

开展京津冀地区暖季降水的精细化特征研究，掌握降水的演变规律，对提高水资源的利用以及防汛抗旱有较为重要的意义。但由于已有资料的限制，本文所用的资料仅局限于2007—2017年，样本量不足所带来的分析结果的代表性具有不确定性。同时，如何利用更高时空分辨率的区域自动站观测数据，精细刻画城市内部、山脉丘陵对降水的影响，仍有待进一步开展。