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user: 3. 极端降水变化特征分析 3.1. 时间变化特征及突变检验 从北京市持续干燥指数(CDD)的年际变化曲线(实测值)与5a滑动平均曲线图(图略)上可见，持续干燥指数有略微下降的趋势，线性趋势为−0.526 d/10a，1984年最大值可达139.7 d，2003年最小值低至41.3 d，进一步计算其趋势系数发现，线性趋势并未通过显著性检验。进一步对持续干燥指数进行M-K突变检验。图1(a)为持续干燥指数的突变检验示意图，由图可知，结果持续干燥指数在近几十年中并无明显的突变现象发生。对北京地区持续湿润指数(CWD)的年际变化曲线与5a滑动平均曲线图进行分析(图略)，结果表明，近几十年中持续湿润指数总体为下降趋势，其线性趋势为−0.054 d/10a，通过显著性检验，1996年最大值可达8.6 d，1975年最低值为2.19 d。由持续湿润指数M-K突变检验可知(图1(b))，与持续干燥指数类似，北京地区持续湿润指数在近几十年中也无明显的突变产生。进一步对从北京地区降水总量(PRCPTOT)的年际变化曲线和5a滑动平均曲线进行分析(图略)，结果表明北京地区降水总量随时间总体呈下降趋势，其线性趋势为−15.274 mm/10a。此外，降水总量的年际变化非常明显，1969年降水总量高达840.03 mm，而2005年最小值仅为261.82 mm。由降水总量M-K检验可知(图1(c))，降水总量仍然没有明显突变现象发生。从北京的极端降水日数(R25 mm)的年际变化曲线及5a滑动平均的年际变化曲线(图略)可以发现，近几十年来北京地区极端降水日数随时间略有减少，其线性趋势为−0.255 d/10a，且年际变化十分明显，1977年达到最大值，为11.3 d，而1999年则低至1.25 d。由极端降水日数M-K检验可知(图1(d))，结果同样无明显突变。 图1. 连续指数和绝对指数的M-K检验结果。(a) CDD；(b) CWD；(c) PRCPTOT；(d) R25mm 图2给出了北京市极端降水量(R95p)、日最大降水量(RX1day)、5日最大降水量(RX5day)以及降水强度(SDII)的年际变化和5a滑动平均曲线。由北京地区R95p年际变化及5a滑动平均(图2(a))可知，极端降水量随时间的变化呈下降趋势，线性趋势为−17.724 mm/10a，最大值为2012年的337.12 mm，最小值为1980年的23.66 mm。由极端降水量M-K检验结果可知(图3(a))，北京地区R95p在1990s存在一个明显的突变点，之后一直到21世纪初期均为显著的下降趋势。从北京地区的RX1day的年际变化与5a滑动平均曲线可知(图2(b))，北京地区日最大降水量呈年代际减少趋势，其线性趋势为达到−3.659 mm/10a，同时还存在明显的年际变化特征，最大值为2012年153.76 mm，最小值为1980年的43.17 mm。由日最大降水量M-K突变检验可知(图3(b))，1998年在临界线之间存在一交点，表明20世纪末期日最大降水量下降趋势已经超过了显著性水平0.05临界线。由RX5day的年际变化和5a滑动平均曲线图上可见(图2(c))，5日最大降水量仍然为减少趋势，其线性趋势为−9.024 mm/10a；与其他指数类似，仍存在较大的年际变化差异，最大值为1963年251.13 mm，最小值为1980年的55.29 mm。5日最大降水量M-K检验(图3(c))与日最大降水量(图3(b))类似，同样在1998年存在明显的年代际突变现象。由北京地区降水强度(SDII)的年际变化与5a滑动平均曲线可知(图2(d))，降水强度减小趋势较为明显，其线性趋势达到−0.209/10a。降水强度也仍然存在较大的年际变化特征，最大值在1994年，为17.21 mm，而最小值为1980年的7.99 mm，2010年后降水强度有所增加。进一步由降水强度的M-K突变检验结果可知(图3(d))，2000~2010年之间呈明显的下降趋势，但并无突变点存在。 图2. 北京相对指数和强度指数的年际变化曲线。(a) R95P；(b) RX1day；(c) RX5day；(d) SDII 3.2. 空间变化特征 3.2.1. 极端降水指数年平均空间分布 由北京连续指数、绝对指数、相对指数和强度指数空间分布(图略)可以看出，CDD低值中心在霞云岭和怀柔地区较为明显，海拔较高的山地CDD值普遍偏低。海拔较高的霞云岭CWD值较高，北部及东北地区CWD值普遍偏低，与CDD基本反向对应。Prcptot、R25mm、RX1day、RX5day、SDII都表现出相似的空间分布特征，呈现出延庆始终处于低值区，自延庆向东值有所增加的分布特征。整体来看，西南至东南地区指数值普遍偏高，在城区附近偶尔出现区域性高值区。 图3. 相对指数和强度指数的M-K检验结果。(a) R95p；(b) RX1day；(c) RX5day；(d) (SDII) 3.2.2. 极端降水指数空间趋势分析 由北京连续指数、绝对指数、相对指数和强度指数的变化率空间分布(图略)以及北京地区极端降水指数趋势统计表(表2)可知，降水指数呈现出上升趋势的站点主要分布在北京市东北部地区，但持续干燥指数并未表现出同样分布特征。进一步分析发现，朝阳以南地区CDD变化率呈现增加趋势，而朝阳以北地区日降水量 < 1 mm的最长连续日数随时间的变化有所减弱，延庆、怀柔、密云、上荀、顺义、平谷等站经过了0.05显著性水平检验。CWD的变化率正值区主要位于北京北部的顺义、怀柔、朝阳及丰台等地，北京南部及西北地区日降水量 ≥ 1 mm的最长连续日数随时间的变化减弱显著；降水总量PRCPTOT的变化率空间分布差异十分明显，除通州外，总体表现为显著的下降趋势。因此，可认为北京年降水量 > 1 mm的降水总量持续减少易增大干旱风险，影响水资源的供给；各气象站日降水量 ≥ 25 mm的日数随时间变化有所减少，昌平站下降最为显著，除朝阳外，极端降水日数均通过了0.05显著性水平检验。进一步对逐年日降水量 > 95%百分位的降水量进行分析，发现日降水量 > 95%百分位的降水量呈现逐年减少趋势，且空间分布差异明显，16个站点均通过0.05显著性检验，从西向东下降趋势越显著；怀柔站逐年最大日降水量则随时间有所增加，其线性趋势达到0.803 mm/10a，其它站点线性趋势均为负值，且除顺义和怀柔外，均通过了0.05显著性水平检验，下降趋势显著；五日最大降水量变化趋势从北京东北部向西南方向依次递减，均通过0.05显著性水平检验；降水强度的变化范围为−0.36~−0.067/d/10a，除平谷站外，降水强度整体呈显著性下降。 Table 2 Trends in the trend of extreme precipitation indices in Beijin 指数 上升趋势站数 下降趋势站数 显著上升趋势站数 显著下降趋势站数 CDD 8 8 1 5 CWD 4 12 0 10 PRCPTOT 0 16 0 15 R25mm 0 16 0 14 R95p 0 16 0 16 RX1day 0 16 0 12 Rx5day 0 16 0 16 SDII 0 16 0 14 表2. 北京地区极端降水指数趋势统计 3.3. 极端降水指数周期 进一步对1960~2014年北京极端降水指数序列进行小波分析(图4)。由持续干燥指数小波系数实部等值线图可知正负震荡中心交替出现(图4(a))，在演变过程中存在着9~32、9~18以及2~7a的三类尺度周期变化规律，其中9~32a的震荡周期最强，为持续干燥指数的第一周期；9~18a时间尺度为持续干燥指数的第二周期，并出现了偏少~偏多交替的准四次震荡，在20世纪70年代震荡较为明显。由持续湿润指数小波系数实部等值线图(图4(b))可知，在1960~2014年时间域上存在8~32a时间尺度的年代际变化周期，震荡周期最强，为持续湿润指数的第一周期；在年际变化尺度上还存在8~18a左右的短周期，在2000年附近较为明显；另外还存在8~12a，4~6a不等的小周期。由降水总量小波系数实部等值线图(图4(c))可知正负震荡中心交替出现，在演变过程中存在5~30a、5~18a、10~14a和4~6a不同尺度的变化周期。其中5~30a的震荡周期最强，为第一周期；在5~18a的时间尺度为降水总量的第二周期；10~14a和4~6a尺度不等的小周期出现频次。由极端降水日数小波系数实部等值线图(图4(d))可知，演变过程中存在着6~30a、6~18a、7~12a、4~6a以及2a不等的5类尺度周期。其中，第一周期和第二周期在20世纪70~80年代较为明显。由极端降水量小波系数实数部等值线图(图4(e))可知，演变过程中存在着6~32a、12~23a、8~12a和4~6a不同尺度的变化周期，6~32a的震荡最强为第一周期，12~23a为第二周期，在1980s附近较为明显。日极端降水量、5日极端降水量和降水强度小波系数实部图类似，周期不稳定，大中小三种周期尺度相互嵌套，偏少–偏多交替出现(图4(f)~(h))。