0 引言

天津地处华北平原东北部，海河流域下游，是海河流域五大河系的入海口，素有“九河下梢”之称，也是京津冀城市群的海上门户，“一带一路”海陆交汇点，具有重要的战略地位。然而，天津却是一座资源型和水质型缺水城市^[1]，因此天津的降水问题得到广泛的研究，关于降水的研究主要包含降水量、降水日数和降水强度的时空演变。Chu等^[2]利用1958—2007年逐日降水数据研究表明，天津地区年降水量总体呈减少趋势，其中冬夏呈减少趋势，春秋呈增加趋势^[3-4]；夏季降水量减少趋势显著，在20世纪90年末期出现由多到少的突变^[5]。天津地区年和四季降水日数减少^[3]，其中贡献最大的是小雨日数的减少^[6-7]，但利用不同台站、不同时长降水数据得到的其他等级降水日数变化情况并不完全一致。郭军等^[6]利用1961—2009年台站观测的逐日降水数据研究表明暴雨日数有所增加，中雨日数基本持平，大雨日数有所减少。杨若子等^[8]利用1961—2017年均一化的逐日降水数据研究表明中雨日数有所增加，其他等级降水日数均有所减小。关于降水强度变化的研究结果也存在一些不一致性，王璐璐等^[9]和Shang等^[10]分别利用1961—2012年和1973—2016年台站观测的逐日降水数据研究发现天津地区降水强度没有明显的变化趋势，而杨若子等^[8]和徐新创等^[11]分别利用1961—2017年和1961—2010年均一化的逐日降水数据研究发现降水强度有所增加，其中小雨强度增加最明显^[12]，大雨、暴雨及大暴雨强度略有减少^[11]。综上，降水变化存在一定的不确定性，这种不确定性可能与数据年限、台站选取和数据处理方法有关，也说明降水变化的复杂性，需要更加详尽的研究。

以上对于天津地区降水变化的研究多以逐日降水数据作为基础(以20时作为日分界)，因为逐日降水数据为常规气象数据，获取方便、处理简单，在研究中被广泛使用。但以20时作为日分界，一次比较强的降水过程可能被人为分割为两次或以上日降水，影响降水过程整体性与持续性，造成降水量和降水强度的低估^[13]。而降水过程基于小时或者分钟数据统计，不受人为划定的日界限制，基于降水过程与基于日降水量的统计结果是有差异的，在我国中东部地区，过程降水量均值、第90百分位、第95百分位以及最大值的计算结果分别为日降水量的1.2、1.2、1.3和1.5倍^[14]。在天津地区，夏季强对流天气频发，一次降水过程发生时间多在3 h以内^[15]。这种情况下，日降水量与过程降水量相比可能相差不大，但按日来计算，降水强度会被大大削弱，影响对降水强度变化趋势的判断。因此，与日降水数据相比，基于降水过程能够呈现更精细的降水特征。

目前，分钟降水数据多用于城市暴雨强度公式和雨型的推算^[16]，而应用分钟降水数据对降水过程的研究较少。为了更精细地分析天津地区暖季降水结构及其演变特征，进一步了解气候变化特征并进行有效的水资源管理，文中基于天津12个国家级气象观测站1979—2020年暖季(5—9月)逐分钟降水数据，按2 h间隔提取降水过程^[17]，根据降水历时将其划分成短历时、中历时、长历时和持续性降水过程，从降水量、降水强度和降水过程频次3个方面来研究其时空变化特征。

1 数据与方法 1.1 数据

降水数据为1979—2020年暖季(5—9月)天津12个国家级气象观测站逐分钟降水数据，其中2005年以前的数据来自降水自记纸资料数字化结果。选取2010—2020年暖季天津12个国家级气象观测站和253个区域气象观测站平均气温数据用于城市热岛强度空间分布研究，1979—2020年暖季天津城市气候监测站、武清、北辰、静海气象站平均气温数据用于城市热岛强度时间变化研究。所有数据来自于天津市气象信息中心，数据经过审核和质量检查，完整可靠。

1.2 定义和分析方法

基于逐分钟降水观测数据，按2 h间隔提取降水过程^[17]。降水历时为一次降水过程开始时刻到结束时刻所经历的时间，单位为min。降水强度为一次降水过程降水量与降水历时的比值。参考郭军等^[18]的划分方法，将不同历时降水过程分为短历时降水(1~180 min)、中历时降水(181~360 min)、长历时降水(361~720 min)及持续性降水(720 min以上)。利用趋势系数法分析某要素序列的变化趋势，值为正(负)时表示该要素随时间变化呈上升(下降)趋势，并利用蒙特卡洛检验对该趋势系数进行显著性检验^[19]。

城市热岛强度(urban heat island intensity，UHII)指由于城市热岛效应等因素引起的城乡之间的气温差异，表达式为UHII=t_u-t_r，其中：t_u为城市站平均气温，t_r为乡村参考站平均气温^[20]。城市热岛强度空间分布采用孟凡超等^[20]的遥感选站法结果，将台头、蔡公庄、南王平和西堤头4个站作为乡村参考站，其余站作为城市站，得到天津城市热岛强度空间分布。城市热岛强度时间变化参考刘伟东等^[21]的选站方法，从具有较长观测序列的国家级气象观测站中选择天津城市气候监测站为城市站，武清、北辰、静海为乡村参考站，得到城市热岛强度时间变化。

2 结果分析 2.1 天津暖季各历时降水过程时间变化特征 2.1.1 年变化趋势

为了对比日降水和按2 h间隔提取的降水过程的区别，首先给出利用日降水数据统计得到的天津1979—2020年暖季降水量、降水强度(累计降水量与降水日数的比值)和降水日数的变化趋势(图 1)。结果表明，降水量、降水强度和降水日数总体上呈较弱的减少趋势，且没有通过显著性检验。各等级(小雨、中雨、大雨、暴雨)累计降水量、降水强度和降水日数的趋势分析表明，除小雨、中雨降水强度和中雨累计量呈较弱的增加趋势(图略)外，其余要素均呈较弱的减少趋势。

由以上分析得知，利用日降水数据统计得到的天津暖季降水变化，从累计降水量、暴雨累计量及其对应的降水强度来看略有减少，但是近年来“城市看海”现象频发，体现出极端降水事件的增多，这两种结果从表面上看是相悖的。为了研究这种现象，基于逐分钟降水观测数据，按2 h间隔提取降水过程，给出不同历时降水过程的降水量(图 2)、降水强度(图 3)、频次(图 4)及其占比(图 5)的变化情况。可以看出，短历时和中历时降水量显著增加(可通过0.05水平的显著性检验)，长历时和持续性降水量减少(其中持续性降水量的减少趋势可通过0.05水平的显著性检验)；各个历时降水强度均呈增加趋势(其中短历时和持续性降水强度的变化趋势可通过0.05水平的显著性检验)；各历时降水过程频次及其占比的变化趋势与降水量基本一致，其中短历时和持续性降水过程频次及其占比在2000年初有一个“断层式”的增加和减少(图 4、5)。

经MK(Mann-Kendall)检验(图略)发现，短历时和中历时降水量、短历时和持续性降水强度及各历时降水过程频次均出现了突变，但突变年份不一，大多在2000年前后。为了更直观地看出降水的变化，以2000年为界，给出2000年前后(分别为1979—1999年和2000年—2020年，下同)各历时降水过程的降水量、降水强度、频次及其占比的对比(表 1)。短历时和中历时降水过程的降水量、降水强度、频次及其占比均有所增加。短历时和中历时降水量总和从145.5 mm增至218.9 mm，增加了73.4 mm，而长历时和持续性降水量总和由322.2 mm减少至221.5 mm，减少了100.7 mm。从降水构成来看，长历时和持续性降水过程减少的降水量超过短历时和中历时降水过程增加的降水量，造成总降水量的减少。不同历时降水过程的降水强度并没有减少，反而均有增加，这是因为天津地区降水以短历时为主(以天津市区为例，180 min以内的降水过程占62.4%，360 min以内的降水过程占78.0%)，如果按日计算会大大削弱降水强度，而降水历时精细到分钟统计的降水强度比较精确，可以更准确地体现降水强度的变化特征。因此，前面提到的降水量减少和极端降水事件频发并不相悖。

不同历时降水过程的开始时间有所不同(图 6)。1979—2020年，短历时降水过程开始时间多在午夜至清晨和午后至傍晚，其中2000年前降水过程开始时间多出现在19—20时，2000年后开始时间出现在19—20时的降水过程频次占比有所减少，开始时间出现在00—07时的降水过程频次占比有所增加，午夜至清晨和午后至傍晚这两个时段降水过程频次总体上较为接近。刘菲凡等^[22]研究表明京津冀地区降水量、降水时次百分比均存在午夜后至清晨和傍晚两个持续时间较长的峰值时段，与本文研究结果基本一致。1979—2020年，中历时降水过程开始时间多出现在夜间，其中2000年前降水过程开始时间多出现在19—20时，2000年后开始时间出现在19—20时的降水过程频次占比有所减少，开始时间出现在前半夜21—23时、凌晨02—03时、午后15—17时的降水过程频次占比有所增加。1979—2020年，长历时降水过程开始时间多出现在19—20时，其中2000年前降水过程开始时间多出现在19—20时，其频次占比超过10%，2000年后开始时间出现在19—20时的降水过程频次大幅减少，而开始时间出现在中午至傍晚11—18时、夜间00—01时的降水过程频次占比明显增加，最大出现在00时。1979—2020年，持续性降水开始时间多出现在19—20时，2000年前开始时间出现在19—20时的降水过程频次占比超过15%，2000年后开始时间出现在白天的降水过程频次占比有所增加，开始时间出现在19—20时的降水过程频次占比有所减少，但仍然最大，占比超过10%。总体上看，天津不同历时降水过程开始时间多出现在傍晚19—20时及午夜至清晨，其中开始时间出现在19—20时的降水过程频次最多。随着气候变化，19—20时开始的降水过程频次仍然较多，但占比减少，除持续性降水过程外，其他各历时降水过程开始时间集中出现的时段峰值均有所削弱。

2.1.2 季内变化特征的演变

图 7给出天津暖季各历时降水过程的降水量、降水强度及频次季内变化特征(按旬统计)。总体来看，降水量与降水强度的季内变化及时间演变特征基本一致。天津地区降水量历来以“七下八上”为主，该时段降水总量占夏季降水的40%左右。但从短历时降水过程的降水量及降水强度的变化(图 7a、b)来看，2000年之前大值区基本出现在“七下八上”期间，而2000年之后，这种规律被打破，大值区覆盖的时间范围越来越广，强降水从6月中旬持续至8月下旬，降水过程频次也明显增加(图 7c)。短历时强降水对城市排水至关重要，短历时强降水的增加会对海绵城市设计提出更高的要求，给城市排水系统带来更大的压力^[23-24]。

中历时降水过程的降水量和降水过程频次随时间也有所增加，1990年之前中历时降水量和降水过程频次较少，1990年之后逐渐增加，出现时间主要在7、8月，2000年后时间范围增加至6—8月(图 7d、f)。降水强度同时有所增加，但季内变化不明显(图 7e)。

长历时降水过程的降水量和降水强度变化较为一致，有两个较大的阶段，1985—1995年和2000年后(图 7g、h)。对比这两个阶段，时间范围从6—8月转为集中出现在“七下八上”期间。降水过程频次的变化也表现出这个特征，在2000年以前，6—8月是长历时降水过程的多发期，之后明显减少，多出现在7—8月(图 7i)。

持续性降水过程频次总体上是减少的(图 7l)，但降水量更集中，即降水集中出现在一两场雨中，比如2012年7月25—26日、2016年7月20—21日和2018年7月23—24日出现了3次持续时间较长的系统性降水，降水量和降水强度都比较大(图 7j、k)。

2.2 天津暖季各历时降水量空间分布特征

图 8给出各历时降水过程的降水量、降水强度及频次的空间分布。从降水量的空间分布来看，短历时和中历时降水量均在南部和北部地区较大，而市区及周边地区较小(图 8a、d)；长历时降水量在东部的宁河区较大，西部较小(图 8g)；持续性降水量在北部较大，南部较小(图 8j)。降水过程频次的空间分布与降水量较为一致，这在一定程度上反映出降水量与降水过程频次有关，降水过程多，降水量也大。短历时和中历时降水过程频次在南部和东南一带存在大值区(图 8c、f)；长历时降水过程频次在东北一带较大(图 8i)；持续性降水过程频次大值区出现在北部蓟州区及北辰区(图 8l)。降水强度的空间分布与降水量有所不同，降水强度是降水量与降水历时的比值，同样的降水量条件下，降水历时越短，降水强度越大。短历时和中历时降水强度在北部的宝坻及北辰存在大值区(图 8b、e)；长历时降水强度大值区位于东南一带(图 8h)；持续性降水强度大值区位于南部地区(图 8k)。

从各历时降水过程的降水量、降水强度和频次变化趋势的空间分布(表 2)来看，各站点短历时和中历时降水过程的降水量和频次多呈增加趋势，短历时降水过程各要素增加趋势更加明显，且通过检验的站点较多；各站点长历时降水量变化趋势不显著，频次以减少为主；各站点持续性降水过程的降水量和频次以减少为主。各历时降水强度多呈增加趋势，其中短历时和持续性降水强度通过显著性检验的站点较多。综合来看，3个表征降水特征的要素均在短历时和持续性降水过程中表现出更显著的变化趋势，中历时和长历时降水过程各要素变化趋势显著的站点相对较少，说明天津各地降水量的变化主要体现在短历时降水量的增加和持续性降水量的减少，以及对应历时降水强度的增加。

2.3 降水变化与城市热岛的可能联系

天津目前已形成“津城”“滨城”双城发展格局，所谓“津城”“滨城”，分别指天津中心城区和滨海新区。在快速城市化发展的背景下，天津城市热岛现象越来越明显^[20]。从天津地区城市热岛强度的时间变化(图 9a)可以看到，城市热岛强度呈显著增加趋势，1979—2020年，热岛强度逐年代增强。从空间上看(采用2010—2020年区域气象观测站数据，图 9b)，城市热岛主要出现在市区、东丽、津南及滨海新区中南部地区，其中市区东部、东丽西部及滨海新区中部热岛强度较强。

由上述分析得知，天津各地降水量的变化主要体现在短历时降水量的增加和持续性降水量的减少，以及对应历时降水强度的增加。由短历时和持续性降水过程的降水量及降水强度的变化趋势空间分布(图 10)来看，变化比较显著的地区主要有市区及周边地区和滨海新区，这在空间上与天津城市热岛变化具有很高的一致性，极有可能说明短历时降水量的增加和持续性降水量的减少与城市热环境变化有关。为了更清晰地看出短历时降水量及降水强度、持续性降水量及降水强度与城市热岛强度在空间上的相关性，给出它们与天津城市热岛强度相关系数的空间分布(图 10)。因为区域气象观测站时间序列较短，所以此处利用图 9a中的城市热岛强度长时间序列做空间相关性分析。可以看出，短历时降水量及降水强度、持续性降水量及降水强度与城市热岛强度的相关系数在市区及其周边地区可通过0.05水平的显著性检验，其中短历时降水量和降水强度增加趋势显著的区域与相关系数较高的区域在空间上匹配度较高。这一结果说明短历时降水量及降水强度、持续性降水量及降水强度与天津地区城市热岛强度之间存在一定的联系。以往的研究表明，降水过程变化与局地热力、动力作用有关，一般来说，城市热岛造成的增温效应会导致城市地面风辐合增强，对城区和下风区降水过程产生显著影响，主要表现在短历时降水明显增加，强度增大等^[25-27]。那么天津的降水变化格局极有可能与城市化导致的城市热环境变化有关，待区域气象观测站数据长度足够时，可更细致地分析降水变化与城市热岛强度之间的关系，从而做进一步研究。

3 总结与讨论

利用1979—2020年暖季(5—9月)天津12个国家级气象观测站逐分钟降水数据，研究不同历时降水过程的降水量、降水强度和降水过程频次的时空变化特征。主要结论如下。

(1) 日降水数据统计结果表明，天津暖季降水量、降水强度和降水日数略有减小，但不同历时降水过程的降水量、降水强度和频次变化却有不同。短历时和中历时降水量呈显著增加趋势，持续性降水量呈显著减少趋势；各历时降水强度均呈增加趋势；各历时降水过程频次及其占比的变化趋势与降水量基本一致。不同历时降水过程开始时间多出现在19—20时，随着气候变化，19—20时开始的降水过程频次占比减少，除持续性降水外，其他各历时降水过程开始时间出现的时段峰值均有所削弱。

(2) 从季内变化看，短历时降水过程的降水量和降水强度大值区的时间范围从传统的“七下八上”扩大到6月中旬至8月下旬。而长历时和持续性降水过程的降水量和降水强度大值区的时间范围更为集中，长历时降水过程更多出现在“七下八上”期间，而持续性降水过程集中出现在一两场雨中。

(3) 从空间分布来看，天津暖季各历时降水过程的降水量和频次空间分布比较一致，与降水强度存在不同的空间特征。短历时和中历时降水量的大值区出现在南部和北部地区，降水强度的大值区出现在中北部，而长历时和持续性降水量大值区分别出现在东部和北部，降水强度大值区分别出现在东南和南部地区。从变化趋势的空间分布来看，各站点短历时和中历时降水过程的降水量和频次多呈增加趋势，长历时降水量变化趋势不显著，降水过程频次以减少为主；持续性降水过程的降水量和频次以减少为主。各历时降水强度多呈增加趋势。

(4) 3个表征降水特征的要素均在短历时和持续性降水中表现出更显著的变化趋势，说明天津各地降水的变化主要体现在短历时降水量的增加和持续性降水量的减少，以及对应历时降水强度的增加，这种变化在市区及周边地区和滨海新区尤为显著，可能与城市化导致的城市热环境变化有关。

文中研究结果表明，利用日降水数据统计，天津暖季降水量、降水强度和降水日数略有减小。利用分钟级降水数据统计分析不同历时降水过程后发现，短历时和中历时降水量显著增加，持续性降水量显著减少；各历时降水强度并没有减少，反而均有增加。短历时强降水对城市排水至关重要，这个结果较好地解释了降水量减少与“城市看海”现象频发的相悖现象。在所有降水过程中，发生改变比较明显的是短历时和持续性降水过程，二者的变化趋势在时间和空间上均与天津城市热岛强度的变化比较一致。以往研究表明城市化可导致城区和下风向降水量明显增加，强度增大。此外，天津处于渤海西岸，渤海湾海风锋对强降水有触发或加强作用，城市效应和海陆差异可造成对流天气频发^[28-30]。未来需进一步研究不同历时降水过程的频次、强度、出现时间、区域位置等对城市热岛现象的响应及其影响机制。