1 引言

北京作为迅速发展的超大城市，地处华北平原的西北端，西部山地属于太行山山脉，北部山地属于燕山山脉，东南部为冲洪积物组成的平原地域，由于其地形复杂，全区降水呈现出明显的地域性特征。同时，北京的气候属于温带大陆性季风气候，四季分明，降水的季节分配很不均匀，夏季降水最为集中，冬季降水稀少（陆日宇，1999；Li et al., 2002；林大伟等，2016）。由于强降水事件或持续性降水事件引发的各种次生灾害对中国尤其是特大城市会带来巨大的经济损失，因此，关于北京地区降水的发生和演变一直是科学家高度关注的研究方向，也取得不少成果（孙继松，2005；Li et al., 2011；周玉淑等，2014；肖现等，2015）。但是，由于降水资料的限制，此前关于小时时间尺度的降水研究大多针对降水个例进行特征分析和数值模拟（Miao et al., 2011；Zhong et al., 2015），对降水过程的气候分析则主要集中在了日、月或更长时间尺度上（陆日宇，2002；徐宗学等，2006；于淑秋，2007；王秀荣等，2008）。然而，由于城市中对降水精细化描述的要求越来越高，研究北京地区更高时间尺度和更高空间密度的降水资料将有助于更加精确地反映出降水信息和演变过程的特征。

近年来，随着北京自动观测网的全面布网和多年逐小时降水资料的出现，人们开始关注到小时时间尺度的降水特征，北京地区降水的细致特征也开始逐渐被揭示和认识（宇如聪等，2014；窦晶晶，2014；郑祚芳等，2014）。例如，前人对北京地区夏季降水的日变化特征研究发现，北京夏季降水在近40年发生了结构性调整，短持续性降水逐步增多，长持续性降水大幅减少（Li et al., 2008）；还有研究利用空间加密的小时降水资料，研究了北京夏季小时降水频次和降水量的空间分布和持续性特征（Yang et al., 2013b）。可以看到，越来越多的研究开始关注到北京地区降水的精细化特征。

由于夏季降水是北京地区降水的集中期，从已有研究看，目前关于北京小时降水特征（如日变化特征、持续性特征）的描述多集中在夏季，对全年降水的分布情况关注度较少。本文将基于小时时间尺度的空间加密降水资料，较为系统地研究北京地区不同季节降水的精细化特征，这对于更好地理解北京地区降水的变化规律，评估区域气候特征，提高城市防灾减灾能力等方面，具有较为重要的意义。

2 数据和方法

北京地区自1998年开始建立自动气象观测网，经过10多年的建站和发展，已经形成了时间上和空间上都比较密集的自动气象观测网（Yang et al., 2013a）。杨萍和刘伟东（2013）针对北京全区的降水资料，构建了北京地区小时降水资料的质量评估流程，对北京地区逐小时观测资料的完整性、准确性和可靠性进行了定量化的评估，并通过气候极值检查、时间一致性检查、空间一致性检查等方法对降水资料进行诊断分析，最终形成了一套质量较高的降水小时资料数据集。本文所用资料将该数据集动态更新到2014年，利用2007~2014年北京地区117个自动气象站逐小时的八年降水资料开展研究（站点使用情况如图 1所示）。

降水定义采用中国气象局的业务标准，即1 h降水量≥0.1 mm记为有降水，各站某一时间段降水量为该时段总的降水累积量。为了研究不同季节降水的持续性问题，文中参考已有研究（杨萍和刘伟东，2013），按照持续时间的长短，将不同持续性降水分为三类：短历时降水（持续时间为1~3 h），中历时降水（持续时间为4~6 h）和长历时降水（持续时间为6 h以上）。

本文在分析北京地区降水总体特征的基础上，对不同季节降水的基本特征进行统计分析，并重点研究了春、夏、秋三季降水的空间分布特征。以不同持续性降水的累积降水量在总降水量中的贡献率为研究重点，分析了不同季节降水的持续性特征，此外，在揭示北京地区全区降水量的日变化特征基础上，对各季降水量日峰值出现时间的空间分布进行了分析和研究。

3 年平均降水量的总体特征

图 2给出了北京地区2007~2014年多年平均降水量的空间分布（图 2a）和全区平均降水量的日变化特征（图 2b）。从多年平均降水量的气候学特征看，北京全区2007~2014年平均降水总量为539.3 mm，与过去几十年的年代际平均降水量相比，和20世纪80年代（年代平均降水量为533.6 mm）相当（徐宗学等，2006），在近五十年的年代际降水量中位于中等水平。从年均降水量的空间分布来看，全区整体呈现西北山区和山间盆地降水偏少、东南部山前地带和平原地区降水偏多、高降水中心由西南向东北带状分布的格局。该分布格局形成的重要原因是受到了地形和盛行风的影响（陈志昆和张书余，2010；郑祚芳等，2014）。地形的强迫抬升作用致使北京地区山前迎风坡更易形成降水，夏季盛行的低层东南风使地形的抬升作用进一步加强（Zhang et al., 2009；原韦华等，2014）。此外，夏季大气中低层的西南风水汽输送通道（周晓霞等，2008）对这一分布态势也有明显影响，该水汽输送通道致使山前平原地区的大气可降水量一般高于西北部山区和山间盆地，在有利的天气、气候条件下，更容易产生降水。

进一步分析降水的高值分布特点，发现大值中心主要集中于两个区域，其一位于北京东北部，覆盖了怀柔、密云、平谷等地，区域平均降水量为569.3 mm，高值中心站位于平谷的镇罗营站，年平均降水量达到659.9 mm，另一大值区域位于四环以内的城区及周边地域，并形成了以城区为高值中心，向周边发散性递减的分布格局，其中，海淀、朝阳等主城区区域平均降水量达到了581.9 mm，城区最高值站点为朝阳区的四惠桥站，达到了695.7 mm，为全区最高年降水量。东北部的高值区主要和西南气流与山地地形的相互作用有关，而城区的高值中心很可能与城市热岛效应及其热岛环流影响密切联系（陆日宇，2001；孙继松和杨波，2008；Miao et al., 2011; Yang et al., 2013b）。于淑秋（2007）在研究1960~2000年北京地区降水特征时，发现了城区多雨区和怀柔多雨区两个多雨中心，对比其空间分布格局，近几年北京地区降水的分布格局总体不变的情况下，城区多雨中心的覆盖范围明显扩大，呈现出以主城区为中心向四周发散的分布格局。Ren et al.（2007）的研究发现，北京站和密云站城市热岛强度在近几十年中呈现明显增长态势，其中，城区附近观测的增长应该主要和最近20多年城区面积扩张有关。大量关于城市热岛强度对降水影响的研究表明，城市热岛效应对城区及城区下风风向的降水有增多的影响（张立杰等，2009；郑祚芳等，2014）。本文指出的北京地区2007~2014年平均降水量双高值中心（城区高值中心和东北高值中心）的空间分布格局进一步验证了上述结论。

图 2b给出了2007~2014年北京全区年平均降水量的日变化特征，可以看到，北京全区降水的日演变呈现一峰一谷型，中午为降水最少的时段，谷值出现在13时，小时平均降水量为14.2 mm，夜间（22时至次日3时，北京时，下同）降水量偏高，峰值出现在23时，小时平均降水量为32.8 mm，超过了谷值降水量的双倍。过去，对夏季降水的日变化特征多有研究，前人针对北京及周边区域夏季降水的研究表明，降水量的日变化以夜间偏多、午间偏少（Li et al., 2011；宇如聪等，2014；原韦华等，2014），与本文研究全年降水的日变化特征的结果一致，这也体现了夏季降水在北京全年降水中占据着主要的贡献。

由于北京地区季节降水主要集中在夏季，过去对北京地区夏季降水的诸多特征成果丰硕（Li et al., 2008；张立杰等, 2009, 周玉淑等，2014），而其他季节的降水特征的关注度尚不够充分。事实上，北京地区不同季节的降水各有特点，研究各季降水的特征有助于更全面地理解和分析北京地区降水的精细化特征，表 1给出不同季节降水的年平均值，并统计了日尺度下各个时间段降水累积量的结果。

表 1的结果显示，2007~2014年期间，北京夏季降水最为集中，累积降水量为356.5 mm，占据全年平均降水总量的三分之二。春秋季降水量次之，但秋季降水量是春季的1.7倍，明显高于春季，冬季年均降水总量最少，仅为4.5 mm。鉴于冬季年均降水量极少，对其进行细化分析的研究意义不足，因此，本文对降水季节特征的研究将集中在春、夏、秋三季。从全年降水的日分布看，夜间降水偏多（19时至次日06时），白天降水偏少（07时至18时），与图 2b显示出的日变化特征一致。从不同时期降水量日变化的分布情况可以看到，不同季节降水日变化的分布格局既有一致性之处，又相互存在差异。整体来说，夏秋两季夜间降水偏多（19时至次日06时），白天降水偏少（07时至18时），春季为午后至上半夜（13时至24时）降水偏多，凌晨至上午（01时至12时）降水偏少。进一步分析发现，春夏两季的分时段累积降水量为晚间（19时至24时）最多，秋季为凌晨（01时至06时）最多。对于降水最少的阶段也存在一定的季节差异，春、夏季的上午时段（07时至12时）为降水量最少，秋季则为下午时段（13时至18时）累积降水量最少。

以上结果显示出北京地区降水既有明显的季节差异，又存在显著的日变化特征。前人关于华北特别是北京地区季节降水影响因子的研究很多，一般认为东亚地区大气环流是降水季节变化的最重要影响因素之一，而大气环流的变化通常是对诸多外强迫因子发生变化的响应（孙继松和杨波，2008；郝立生等，2011）。水汽输送也是影响季节降水的关键因素，春季影响北京降水的水汽通道主要是西南风的水汽输送，夏季，西南风水汽输送进一步加强，同时东南风和偏西风水汽通道与其共同作用影响夏季降水，而秋季影响该区降水的重要输送途径为东南风水汽通道，可见，不同季节水汽输送方式的不同也造成了降水的季节差异明显（周晓霞等，2008）。

降水的日变化特征反映了大气热力和动力过程对水汽循环的综合影响，同时局地尺度环流对天气和气候的影响也很重要（Dai, 1999; Sorooshian et al., 2002; 吴庆梅等，2009；刘树华等，2009）。北京地区各季呈现的日变化规律普遍具有夜间和凌晨降水偏多的特征，这与已有研究得到的中国北方区域降水的大值主要出现在午夜和凌晨的结论一致（宇如聪等，2014）。前人通过对持续性降水特征的研究发现了北方地区夜间降水偏多主要由持续性降水引起（原韦华等，2014），而凌晨降水的偏多更可能与层状云及中尺度对流系统联系紧密（Chen, 2010, Yuan et al., 2010）。此外，山谷风环流和城市热岛环流的共同作用，也有利于北京城区及其附近平原地带傍晚和夜间出现雨量峰值（吴庆梅等，2009；刘树华等，2009；Miao et al., 2011）。将来，利用高密度观测资料和中尺度气候模式模拟技术，进一步研究揭示北京地区降水日变化特征形成的机理非常必要。

4 不同季节降水的特征研究

已有研究表明，短时降水和长持续时间的降水对应着不同的大气环流状况，降水特性和时空的分布也不尽相同（宇如聪等，2014）。本部分将在研究北京地区不同季节年均降水量空间分布的基础上，重点分析各季降水中在不同持续时间降水事件所占据的比重，以探讨各季降水的主要类型和过程，并在研究各季降水日变化特征的基础上，重点分析日峰值降水出现时间的空间演变规律。

4.1 降水总量的空间分布特征

图 3给出了北京地区春、夏、秋三季降水平均累积量的空间分布。图中可以看到，各个季节平均降水量的空间差异明显。夏季降水的空间分布格局与全年的结果非常类似，呈现城区和东北区双高值中心的格局，这与夏季降水总量占据全年降水量的比例最大（66.1%）密不可分。这种空间分布格局反映出降水与地形、水汽通道及夏季盛行风等因子的密切联系。春季降水量在全区整体偏低的情况下，在怀柔、朝阳出现了较为明显的小范围高值中心，可能和自动站所处局地地形位置有关，城区的局地多雨区也在一定程度上和城市热岛效应影响有联系。秋季降水量的空间差异性非常明显，仍旧存在着与夏季降水格局相类似的双高值中心，但位置有所差别，城区的高值中心向东南方向偏移，集中于朝阳和通州区域内，东北区的高值中心向西北方向移动，集中在密云和怀柔的北部区域。郝立生等（2011）曾发现，秋季华北降水的水汽输送从夏季的西南风通道转变为东南风通道，秋季北京地区降水分布可能与水汽输送通道的转变有一定关联性。

4.2 季节降水量的持续性特征

表 2给出了2007~2014年北京各季不同持续时间的降水累积量对平均降水总量中的贡献率。春、秋两季与夏季格局存在较大区别。夏季降水中，短历时降水的总量贡献率最大，这与前人研究结论一致（殷水清等，2012；Yang et al., 2013b），其次是长历时降水，其降水量贡献率次之，而夏季中历时降水的贡献率最低。春、秋两季与夏季降水格局的主要区别在于贡献率位居第一的为长历时降水，春季占42.6%，秋季甚至超过50%，而与夏季一致的是，中历时降水在春、秋季降水中的贡献率均较低。不同季节持续性降水的分布格局其累积到全年的效应在表 2中也有反映，全年降水中，长历时降水量的贡献率与短历时降水总量基本持平且略高，中历时降水的贡献率最小。Li et al.（2008）在研究北京地区夏季持续性降水格局时，发现持续时间短的降水贡献率在变大，而大于6小时的长持续性降水贡献率在减小。随着城市化的加速，更易致灾的短历时强降水所在比重越来越大，而且强降水事件也不仅出现在夏季，在其他季节出现的几率也在增大（孙继松和杨波，2008；魏东等，2009；Yang et al., 2013b）。

从各季短历时降水累积降水量贡献率的空间分布可知（图 4），不同季节其短历时降水贡献的格局各不相同。春季的短历时降水量贡献率的大值中心主要集中在顺义、昌平以南的区域，从纬向分布来看，出现了“+ − +”的高低值交替格局，并呈现发散性分布，在顺义向西南方向出现了顺义、昌平、斋堂三个区域性大值中心，而其南部的城区及以西的大部则为低值区域，再向南的大兴又出现了高值中心；从夏季短历时降水空间分布的总体格局看，其受地形的影响相对较大，贡献率较高的区域集中在北京的西部和山区的迎风坡，其中，昌平的太平庄站为全区最大，短历时降水量贡献率达到了51.7%，而东南部平原和东北部的密云平谷等地的短历时降水贡献率偏低，在平原区域整体偏低的情况下，城区短历时降水量的贡献率仍旧较高，说明城市热岛效应对城区短历时降水存在一定的影响；秋季短历时降水量全区分布呈现纬向上的“− + −”格局，其中高值区域位于北京地区的中部，呈纬向带状分布，其中海淀区域的稻香湖站贡献率为39.5%，为全区最大，秋季短时降水量贡献与春夏季相比，比重最小，即使最大站点的贡献率也仅比春季区域平均值多了1.5%。

图 5给出2007~2014年北京地区中历时降水量贡献率的空间分布。尽管中历时降水对降水总量的贡献率最低，但是其空间分布却较有特点。对比春、夏、秋三季的空间格局能够看到，在北京东北部尤其是密云区域，均出现了大值中心。密云区域在近年来降水持续偏多（郑祚芳等，2014），通过对各季降水格局的分析看，其降水偏多的重要因素是4~6小时的持续性降水量偏大，窦晶晶等（2014）研究表明，北京地区西南风导致的降水事件最多，占据40%，结合图 5可以看到，密云正处西南风向的下风方向，其降水偏多可能与其所处的下风方向、密云水库造成的湖陆环流等相关。此外，春季中历时降水贡献率整体呈现南少北多的情况，夏季在城区和城区的下风方向（东北部）出现两个大值区，可能仍旧是反映了城市热岛效应和地形因素的影响；而秋季呈现出南多北少的格局，是否同北京大气污染空间分布呈现“南差北好”（董芬等，2013）的分布格局有关（Rosenfeld, 2000），值得进一步探讨。

与中历时降水量维持较小的贡献率相比，研究时段内的长历时降水的贡献率明显增大。春季和夏季的长历时降水量的空间分布与中历时降水存在较好的反向对应关系。春季中历时降水量贡献率唯一的大值区域（东北部）在长历时降水中为显著的低值中心，而长历时降水量贡献率在春季最为明显的高值中心位于海淀区域及周边，这可能是因为海淀区位于山区和平原的交界处，春季常盛行东南风与东北风交替的复杂风场，加强了山前地形的抬升作用，为持续性强降水提供了充足的扰动源（吴庆梅等，2009；窦晶晶等，2014）；夏季长历时降水贡献率以城区的低值区域为中心向南北扩展为南高北低的格局，南部大兴区域的高值中心在中历时降水中为明显的偏低值区域；秋季全区的长历时降水量的贡献率均偏高，高值区域北起汤河口，南至房山，形成了从北向南的高值带。

对比长历时降水的空间分布（图 6），城区及周边区域出现贡献率的大值区域仅发生在春季，而夏季、秋季在城区长历时降水的贡献率均不高。通过对不同季节降水格局的分析能够看到，城市化对降水的影响尚不能一概而论。以秋季为例，不管何种类型的降水，在城区均没有看到明显大值区域，这可能说明秋季降水受城市热岛效应的影响相对较小。此外，北京地区夏季降水多以对流性短时强降水为主，从夏季短历时和中历时降水的空间分布也能够看到，上述两种雨型在城区及下风方向存在显著的大值区，受到城市热岛效应的影响较为明显，但北京夏季长历时强降水在城区贡献率偏低说明了城市热岛效应并非对夏季各种雨型都产生增强效应。

4.3 季节降水的日变化特征

图 7表明2007~2014年北京全区不同季节降水年平均累积降水量的日变化特征，可以看到，不同季节降水量的日变化差异非常显著。从小时降水量的值域范围来看，夏季小时累计降水量最大，介于8~24 mm之间，春、秋两季累计降水量的数量级相当，春季小时累计降水量介于1~4 mm之间，秋季累积降水量日变化的振幅偏大，介于2~7 mm之间，但春、秋两季小时降水量的峰值未达到夏季降水量的日谷值，夏季降水量明显高于其他季节。从不同季节小时降水量日变化的特征看，日变化曲线差异较大。春、秋两季日变化类型相似，呈现双峰型变化特征，春季峰值出现时间分别为12时和22时，且峰值接近，分别为3.6 mm和3.7 mm，春季降水量的谷值出现在09时，降水量仅为1.8 mm；秋季降水量峰值出现为06时，值为6.9 mm，另外在24时存在一个次峰值点，为6.1 mm，秋季降水量最少的时次为午后14时；与春、秋两季的日变化有所不同，夏季的降水量日变化呈现为单峰型变化，极值位置出现在晚间23时，降水量为23.1 mm，午间12时为谷值点，降水量为8.4 mm。

前人研究表明，华北平原地区日尺度降水以夜雨为主（原韦华等，2014）。结合图 1北京全区的站点分布看，大多数站点隶属平原区域，从各季降水的日变化来看，北京全区各季降水基本都在夜间偏大。此外，中国季风区降水在季风环流和季风雨带径向移动的影响下，具有显著的季节内演变特征；有研究表明季风间断期降水的峰值易集中在午后，季风活跃期降水峰值会出现在清晨（宇如聪等，2014），北京各季降水日峰值的出现时间，或许与季风间断期和活跃期的相互作用有一定联系，也可能同城市热岛环流和山谷风环流共同影响有关。

图 8给出了2007~2014年北京全区小时累计降水量日峰值出现时间的空间分布。各个季节降水量极值出现时间的分布差异较大。春季峰值的出现时间可分为两类，一类是午夜前夕22时至24时，集中在北部及西部山区，二是在午间12时左右，以城区和通州为主，对比春季降水量的日变化特征，日变化的双峰曲线其峰值段也为午间和午夜，由此可见，日峰值出现时间的区域性差异特征是春季全区降水日变化呈现双峰结构的重要原因。夏季全区的一致性较强，以晚上22时至次日02时为主，与夏季全区日变化为单峰型结构较为一致。秋季降水极值分布具有明显的南北差异，主城区扩展到西南的大部分区域以凌晨03时至07时为主，主城区以北的大部地区以晚上20时至24时为主，这样的空间分布结构与秋季全区日变化变化呈现双峰型结构一致。

结合表 2的结果，春秋两季长历时降水的贡献率最高，而夏季短历时降水占据重要地位。清晨、午后的降水的双峰值与降水的持续性密切相关，且华北地区最易在午夜至清晨发生持续性降水（Yu et al., 2009）。春秋季降水日峰值出现在午夜或清晨可能与这两个季节以持续性降水为主的特征密切相关。夏季的短时降水主要是由太阳辐射加热日变化导致的热力不稳定引起，从而使峰值时间呈现出较强的区域一致性，复杂地形导致的山谷风特征（Yu et al，2009；窦晶晶等，2014），以及城区明显的城市热岛环流，也是造成北京夏季降水日峰值出现时间以午夜为主的重要因素。

5 结论

本文基于北京市加密自动站的降水观测资料，给出了北京地区降水的总体特征，并对比了不同季节下北京地区降水的空间差异、持续性特征和日变化特征，结论如下：

（1）北京地区年平均降水量的空间分布特征显示，城区和东北部具有两个降水量明显高值中心；北京全年降水量的季节分布不均，日分布也不均。夏季降水最为集中，2007~2014年的降水量为356.5 mm，占该时段年降水总量的三分之二。春秋季降水量次之，但秋季降水量要明显高于春季，是春季的1.7倍，冬季年均降水总量极少。

（2）不同季节降水量日变化的分析结果显示，春秋两季呈现双峰型变化，其主要原因是峰值出现时间在全区具有较为明显的区域性差异，夏季呈现单峰型变化，全区所有站点峰值出现时间也具有良好的一致性。

（3）城市化对北京地区降水的影响具有季节差异，夏季短历时和中历时降水在城区和东北部存在显著的大值区，受到城市热岛效应的影响可能较为明显，长历时降水在城区反而相对偏低而春季城区短、中历时降水并未偏多，长历时降水却在城区出现明显的高值中心。

开展北京地区降水的精细化特征研究，掌握降水的演变规律，对于改进区域数值模式和提高气象预测水平有较为重要的意义。但由于已有资料的限制，本文所用的资料仅局限于2007~2014年这8年，样本量不足所带来的分析结果的代表性问题有待后续资料的丰富做进一步考证和研究，同时，对于各个季节降水日变化和空间分布特征成因的研究也不够充分，仍有待进一步开展。