2.1.1 旱涝趋势变化特征

在短时间尺度上, 1960— 2013年北京SPI值呈震荡波动, 旱涝交替频繁, 尤其是月尺度SPI₁在计算时没有考虑前期降水的影响, 降水时间持续性弱, 各月间变化比较大[图1(a)]。从5 a滑动平均曲线看, 北京旱涝变化大致可以分为三个阶段：20世纪60年代— 80年代中期SPI值波动性振荡, 旱涝交替频繁; 80年代中期— 90年代中期SPI值多在0值以上, 整个时期相对湿润, 旱灾发生频率较低; 90年代末— 21世纪初SPI值低位振荡后呈上升趋势, 1999— 2008年经历10 a干旱, 2008年后降水增多, 干旱趋势有所逆转。

图1

Fig. 1

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	图1 1960— 2013年北京不同时间尺度旱涝变化特征Fig. 1 The characteristics of drought-flood with different time scales in Beijing during 1960-2013

在年尺度上, 连续10个月以上干旱主要发生在1960年9月— 1961年7月、1962年8月— 1963年7月、1965年8月— 1966年7月、1968年6月— 1969年6月、1971年7月— 1973年6月、1974年8月— 1976年7月、1980年7月— 1982年6月、1983年6月— 1985年6月、1989年7月— 1990年4月、1993年9月— 1994年6月、1997年8月— 1998年5月、1999年6月— 2004年6月、2004年10月— 2008年5月、2009年9月— 2010年9月。可以看出, 1999年之前干旱持续时间最多为2 a左右, 1999— 2008年出现连续型干旱, 涝旱转折点为20世纪80年代中期, SPI₁₂值持续波动下降, 这个时期也正是全球气候变暖的显著期[图1(d)]。

为了验证SPI指数对北京旱涝灾害事件判断的准确性和有效性, 本文将选取历史资料和长时间无有效降水事件进行佐证（表1）。1951年有完整气象记录以来, 北京冬季无有效降水（日降水< 0.1 mm）最长时间有三次记录：1970年11月24日— 1971年2月16日持续114 d, 2010年10月24日— 2011年2月9日持续111 d, 2013年10月24日— 2014年2月7日持续106 d。从表1可以看出, 三次冬季持续干旱事件均被短时间尺度有效检测, 但是长时间尺度检测效果并不理想。以1970— 1971年最长持续无降水事件为例, 对不同尺度SPI对旱涝事件辨识差异原因进行分析。1970年1— 10月降水为597.0 mm, 1970年11月— 1971年1月降水为0 mm。由于1970年前期降水相对较多, 加之1971年2— 3月降水26.7 mm有效补充了土壤和地下水分, 使得区域干旱有所缓解。因此, 在长时间尺度并未检测出1970年冬季持续无有效降雨事件。对于历史记录重要连旱事件, 不同时间尺度均有较好的验证。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 历史上北京连续冬季无有效降雨和重大干旱事件对SPI有效性验证 Table 1 Verify the effectiveness of SPI index on testing the continuous no-rainfall days and heavy drought in history 序号 时间 类型 月尺度 季尺度 半年尺度 年尺度 1 1970-11-24— 1971-02-16 冬季干旱 √ ○ ○ ○ 2 2010-10-24— 2011-02-09 冬季干旱 √ √ ○ ○ 3 2013-10-24— 2014-02-07 冬季干旱 √ √ ○ ○ 4 1999— 2008 10 a连旱 √ √ √ √ 5 1971-10— 1972-06 冬春连旱 √ √ √ √ 6 1975-01— 1975-05 冬春连旱 √ √ √ √ 7 1980-07— 1980-08 夏季干旱 √ √ √ √ 8 1981-01— 1982-05 两年连旱 √ √ √ √ 9 1993-01— 1993-06 冬春连旱 √ √ √ ○ 注：√ 表示SPI有效判断干旱事件; ○表示SPI未判断出干旱事件; 干旱灾情详见《中国气象灾害大典(北京卷)》[6]。

表1 历史上北京连续冬季无有效降雨和重大干旱事件对SPI有效性验证 Table 1 Verify the effectiveness of SPI index on testing the continuous no-rainfall days and heavy drought in history

2.1.2 旱涝年内变化特征

图2为1960— 2013年北京旱涝年内变化特征, 统计尺度为3个月SPI指数。SPI值越大, 表示降水相对较多（绿色渲染）; SPI值越小, 表示降水相对较少（红色渲染）。可以看出：① 1960— 2013年夏季和秋初, 北京SPI值变化具有明显的年代际变化, 以1998年为界, 前期夏秋两季干旱月份明显偏少（绿色渲染）, 后期干旱月份逐渐增多并呈连旱趋势（红色渲染）; ② 北京处于东部季风区, 夏秋两季为主要降水期, 与其他季节相比, 雨量较为丰沛, 不易发生干旱, 但是由于东亚夏季风系统异常变化, 特别是西太平洋海温（PDO）年代转变, 对北京夏季降水变化具有明显影响, 具体影响机制将在后文进行分析; ③ 对于春季而言, 20世纪70年代末— 90年代初为相对湿润期, 干旱事件明显偏少, 此时段前后为干旱集中期, 2000年之后春季降水呈波动性增长; 冬季降水呈稳定性波动变化, 干旱事件分布相对分散。

图2

Fig. 2

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	图2 1960— 2013年北京旱涝季节变化特征Fig. 2 Seasonal variations of drought-flood in Beijing during 1960-2013

2.1.3 旱涝年代变化特征

通过绘制1960— 1970、1970— 1980、1980— 1990、1990— 2000和2000— 2013年北京不同年代SPI值分布直方图, 利用非参数方法对分布特征进行拟合, 对北京旱涝强度年代变化进行分析（图3）。从图中可以看出：① 不同年代北京SPI值分布曲线均呈“ 正态” 分布, 正常和轻微旱涝灾害发生频率相对较高, 极端涝灾和极端干旱发生频率相对较低; ② 20世纪70年代轻微和中等旱涝事件呈增加趋势, 严重和极度旱涝逐年减少; ③ 20世纪80年代轻微涝灾发生频次微弱上升, 中度涝灾频次变化不大, 严重和极端涝灾呈减少趋势。在旱灾方面, 轻微、中等干旱大幅增加, 严重和极度干旱小幅下降; ④ 20世纪90年代轻微、中等旱涝事件均呈减少趋势, 严重和极度旱涝事件大幅增长, 旱涝事件趋于极端; ⑤ 2000— 2013年旱涝变化与20世纪90年代相似, 极端涝灾略有减少, 轻微和中等干旱逐渐增加, 极度干旱发生频次变化不大。

图3

Fig. 3

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	图3 1960— 2013年北京旱涝年代际变化特征Fig. 3 Interdecadal variations of drought-flood in Beijing during 1960-2013

2.1.4 旱涝周期变化特征

1960— 2013年北京旱涝周期变化特征明显, 存在多个不同时间尺度的强弱振荡周期。小波系数正值表示降水较多; 负值则代表降水较少（图4）。

图4

Fig. 4

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	图4 1960— 2013年北京四季旱涝变化小波分析Fig. 4 Morlet wavelet analysis of seasonal variations of drought-flood in Beijing during 1960-2013

① 春季旱涝周期。在19~20 a尺度上, 春季呈现“ 涝— 旱— 涝— 旱— 涝— 旱— 涝— 旱— 涝— 旱— 涝— 旱” 变化特征, 前后经历了6次旱涝循环, 2010年后进入新的5~6 a干旱期; 在25~30 a尺度上, 1960— 1973、1978— 1990和1998— 2013年为3次“ 偏涝” 期, 呈“ 涝— 旱— 涝— 旱— 涝” 的周期循环, 旱涝中心分别为1964、1975、1987、1996和2007年, 下一个干旱周期等值线开始形成, 等值线为负值, 未来春季在中长时间尺度上均呈现干旱化趋势[图4(a)]。

② 夏秋季旱涝周期。夏秋旱涝转化特征具有相似性, 在25~30 a尺度上表现为“ 旱— 涝— 旱— 涝— 旱— 涝” 的变化特征, 前后经历了3次旱涝循环。在15~20 a尺度上, 1960— 1979年旱涝转化大周期中有“ 旱— 涝— 旱— 涝” 2次旱涝循环, 1980— 1998年旱涝转化大周期呈“ 旱— 涝— 旱— 涝” 2次旱涝循环, 1999— 2013年在“ 先旱后涝” 背景下, 已经完成“ 旱— 涝— 旱— 涝” 周期转变, 未来2~3 a是否延续偏涝, 或是转入新一轮干旱期, 值得关注[图4(b)(c)]。

③ 冬季旱涝周期。在18~20 a尺度上, 1960— 1977年旱涝转化的大周期中呈现“ 旱— 涝— 旱— 涝” 2次旱涝循环, 1978— 2003年旱涝转化的大周期内亦呈现“ 旱— 涝— 旱— 涝” 2次旱涝循环, 在2004— 2013年整体干旱背景下, 经历先旱后涝的变化, 2013年冬季持续干旱预示着：2013— 2018年新的一轮干旱期开始, 即在25~30 a大周期旱涝转化背景下, 18~20 a小周期偏旱, 区域冬季干旱风险增大[图4(d)]。

2.2.1 快速城市化对北京旱涝变化的影响

由于观测时段、站点密度以及是否考虑地理环境因素影响, 城市化对降水变化影响的结论略有差异, 但是快速城市化对北京降水变化影响的结论是一致的^{[21, 22, 23]}。本文在前人研究的基础上, 尝试将研究区扩大至京津冀地区（前期研究主要是北京近远郊20个气象站）, 从一个新的角度进一步验证城市化对北京旱涝变化的影响。为了寻找城市化对旱涝变化影响的参照站点, 绘制1960— 2013年北京旱涝与周边站点逐点相关性分布图, 黑色条带为相关系数高值区与低值区分界（0.55< r< 0.60）。从图5中可以看出, 北京旱涝变化与周围地区相关性分布受地理环境影响明显, 北部山地区和滨海平原区旱涝相关性明显较低, 高值区主要分布于山前平原区。综合考虑地理环境和空间距离等因素, 选取与北京空间距离较近的廊坊作为参照站点, 分析城市化对北京旱涝变化的影响。

图5

Fig. 5

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	图5 1960— 2013年北京旱涝变化与周围站点相关性空间分布Fig. 5 Spatial correlation of drought-flood variationsbetween Beijing and surrounding areas during 1960-2013

图6为1960— 2013年北京和廊坊旱涝变化20 a滑动相关曲线。从图中可以看出, 北京与廊坊旱涝相关性在1985年经历了明显的转折, 两者相关系数急剧降低, 并在1996年左右达到谷值; 1996年后北京气象站迁往大兴观象台, 两者相关系数维持稳定。1981— 1996年北京气象观测站位于北京动物园, 快速城市化使得台站周围观测环境发生改变, 迫使北京气象观测站迁往大兴观象台, 这个时段为验证城市化对北京旱涝影响提供了一个新的视角。具体分析如下：20世纪60— 70年代北京城市化水平相对较低, 城市和郊区下垫面差异没有本质区别, 真正意义的城区面积远远小于90年代, 这一点在赵娜等研究北京热岛效应中进行了详细论证^[23], 而此时段廊坊和北京旱涝变化表现出相对一致; 20世纪80年代北京城市迅速扩张和发展, 廊坊和北京旱涝变化差异性逐渐增大, 由于自然地理环境和气候背景相似, 这种差异性转折很可能是城市化驱动的结果。1996年北京气象站迁到大兴观象台, 台站环境转变使得廊坊和北京旱涝相关系数维持在0.60左右。值得一提的是, 整个时段内廊坊和北京相关系数均高于0.55, 两者在旱涝变化趋势上仍具有一致性。也就是说, 城市化并未改变北京旱涝宏观变化趋势。为了更清楚地反映城市化对北京干湿状况的影响, 将两站SPI值相减发现：在湿润期, 北京比廊坊明显偏湿; 在干旱期, 北京比廊坊明显偏干, 旱涝变化更加极端。

图6

Fig. 6

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	图6 1960— 2013年北京与廊坊旱涝变化趋势关系Fig. 6 The relationship of SPI between Beijing and Langfang during 1960-2013

2.2.2 大气环流异常对北京夏季旱涝变化的影响

1960— 2013年北京夏季旱涝变化大致可以分为三个阶段：20世纪60— 70年代中期降水偏少, 干旱频次相对较多; 70年代末至90年代初降水偏多, 干旱频次相对较少; 20世纪90年代末北京持续10 a干旱, 2008年后干旱趋势有所缓解。对应北京夏季旱涝变化三个阶段, 赤道东太平洋海温（ONI）呈现出“ 下降— 波动— 下降” 的变化过程, 北太平洋中纬度海温（PDO）呈现出“ 负相位— 正相位— 负相位” 转变。当PDO为负相位时, 随着赤道东太平洋海温降低, 北京干旱趋势均有所缓解; 当PDO为正相位时, 东太平洋海温高位波动, 东亚夏季风持续偏弱, 西太平洋副热带高压北界偏南, 北京旱涝则呈现波动变化。在1999年PDO由正相位转为负相位, 西太平洋副热带高压位置明显北移, 北京经历10 a连旱, 主汛期降水明显偏少（图7）。

图7

Fig. 7

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	图7 1960— 2013年北京夏季旱涝及其影响因素趋势变化Fig. 7 Variation trends of SPI and its influence factors in Beijing during 1960-2013

进一步统计北京夏季旱涝的对应环流因素关系发现：① 近54 a北京夏季旱涝年份大致相当, 偏旱年有15 a, 偏涝年有16 a; ② 当北京夏季降水偏少时, 5 a为El Niñ o年, 6 a为La Niñ a年, 赤道东太平洋3.4区海温多为负异常; 当北京夏季降水偏多时, 6 a为El Niñ o年, 5 a为La Niñ a年, 赤道东太平洋3.4区海温多为正异常; ③ 1975年之前PDO为负相位时, 夏季干旱多对应于El Niñ o事件, 湿润多对应于La Niñ a事件; 1975年之后PDO为正相位时, 夏季干旱则多对应于La Niñ a事件, 湿润多对应于El Niñ o事件; ④ 对于西太平洋副热带高压位置而言, 夏季偏旱年有10次偏北, 占偏旱年比重为66.7%; 夏季偏涝年有10次偏南, 占偏涝年比重为62.5%; ⑤ 对于季风强弱变化而言, 夏季偏旱年有10次夏季风为偏强, 占偏旱年比重为66.7%, 且多处于峰值或上升段; 偏涝年有10次为偏弱, 占偏涝年比重为62.5%, 多处于谷值或下降段（表2）。由以上分析可以看出, 在年际尺度上, ENSO与北京旱涝变化的关系存在不稳定性, El Niñ o事件并非严格对应旱灾, La Niñ a事件并非严格对应涝灾。西太平洋副热带高压位置和东亚夏季风强弱与北京旱涝变化关系则相对稳定。当西太平洋副热带高压明显北移、东亚夏季风偏强时, 北京多发生干旱; 当西太平洋副热带高压偏南, 东亚季风偏弱时, 北京多发生涝灾。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 1960— 2013年北京夏季旱涝事件与之对应环流状况 Table 2 The summer circulation conditions of drought-flood in Beijing during 1960-2013 干旱 ENSO 副高位置 夏季风 湿润 ENSO 副高位置 夏季风 1965 El Niñ o 偏南 弱-降 1967 La Niñ a 偏南 强-峰 1968 El Niñ o 偏南 强-降 1969 + 偏南 弱-谷 1972 El Niñ o 偏北 强-峰 1970 La Niñ a 偏北 弱-峰 1981 - 偏南 强-峰 1976 + 偏南 弱-降 1984 La Niñ a 偏北 强-升 1977 + 偏南 弱-谷 1989 - 偏南 弱-升 1979 + 偏南 弱-降 1997 El Niñ o 偏南 强-峰 1982 El Niñ o 偏南 强-降 1999 La Niñ a 偏北 强-峰 1986 El Niñ o 偏北 强-降 2000 La Niñ a 偏北 强-谷 1987 El Niñ o 偏南 弱-降 2001 La Niñ a 偏北 强-升 1988 La Niñ a 偏北 弱-谷 2002 El Niñ o 偏北 强-峰 1990 El Niñ o 偏南 强-峰 2003 + 偏北 弱-谷 1991 El Niñ o 偏南 弱-降 2006 + 偏北 强-峰 1994 El Niñ o 偏北 强-峰 2007 La Niñ a 偏北 弱-降 1998 La Niñ a 偏北 弱-谷 2010 La Niñ a 偏北 弱-谷 2011 La Niñ a 偏北 弱-升 2012 + 偏南 强-峰

表2 1960— 2013年北京夏季旱涝事件与之对应环流状况 Table 2 The summer circulation conditions of drought-flood in Beijing during 1960-2013