寧夏連陰雨氣候變化特征分析研究＊

張 智,梁 培,陳玉華,梁旭

(1.寧夏氣象信息中心,寧夏銀川 750002;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室,寧夏銀川 750002)

寧夏連陰雨氣候變化特征分析研究＊

張 智1,2,梁 培1,陳玉華1,梁旭2

(1.寧夏氣象信息中心,寧夏銀川 750002;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室,寧夏銀川 750002)

選取寧夏20個(gè)氣象站的氣象觀測(cè)資料,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、Lepage檢驗(yàn)和小波分析等方法,分析了寧夏全年和汛期(5-9月)連陰雨發(fā)生次數(shù)的氣候變化特征及其突變、周期變化。結(jié)果表明:自1990年以后,寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生了明顯變化,連陰雨發(fā)生次數(shù)均呈減少的趨勢(shì),年際變化和年代際變化特征明顯;南部山區(qū)連陰雨明顯多于北部地區(qū),高發(fā)中心位于南部六盤(pán)山東麓,六盤(pán)山東麓連陰雨多于西麓;連陰雨未發(fā)生突變;全年連陰雨存在3～5年的短周期和10年、16～18年左右的長(zhǎng)周期;汛期連陰雨存在著4～6年的短周期和12年的長(zhǎng)周期。

寧夏;連陰雨;氣候特征;小波分析法;Lepage檢驗(yàn)法;數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

0 引言

寧夏地處西北內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,境內(nèi)呈“南高北低”的地形地貌特點(diǎn),南部是黃土高原,中部為鄂爾多斯臺(tái)地丘陵,北部由黃河沖積平原、賀蘭山山脈組成。由于地形的影響,寧夏各地降水具有明顯的南北差異,南部地區(qū)年平均降水量是北部地區(qū)的3.7倍;由于季風(fēng)的影響,寧夏各地降水主要集中在5-9月,其間降水量占年降水量的80%以上;連陰雨既是寧夏滑坡、塌陷等自然災(zāi)害的主要誘發(fā)因素,又是寧夏中南部地區(qū)水資源的重要來(lái)源;冬季持續(xù)性降水能夠提高干旱地區(qū)的土壤墑情,春季和夏季持續(xù)性降水能解除農(nóng)業(yè)旱情,有利于寧夏中南部干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

關(guān)于西北地區(qū)降水的研究已有很多[1-7],近年來(lái)寧夏也有很多氣象工作者研究了寧夏的降水變化特征[8-12],但這些多側(cè)重于降水變化特征和暴雨天氣過(guò)程的分析研究,有關(guān)寧夏連陰雨氣候變化特征及其突變和周期等方面的研究還比較少。有研究表明1990年代以后寧夏降水呈減少的趨勢(shì)[12],但連陰雨發(fā)生次數(shù)的氣候特征是否發(fā)生了變化?有無(wú)年際、年代際變化規(guī)律?有無(wú)突變和周期?利用寧夏19個(gè)氣象站47年氣象觀測(cè)資料,分析了寧夏全區(qū)連陰雨發(fā)生次數(shù)的年際、年代際變化規(guī)律及其突變和周期,對(duì)比分析了1990年代前后寧夏連陰雨發(fā)生次數(shù)的氣候特征,可為寧夏降水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

選取寧夏19個(gè)氣象站1961-2007年逐日降水量、總云量資料(日界為北京時(shí)20:00時(shí)),以連陰雨、連陰雪(以下統(tǒng)稱(chēng)連陰雨)發(fā)生次數(shù)作為定量表征指標(biāo)。根據(jù)寧夏氣候特點(diǎn),對(duì)連陰雨的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定義為:

(1)若連續(xù)3 d日降水量≥0.1 mm,且日平均總云量≥8成,記為一次連陰雨過(guò)程;

(2)若連續(xù)4～5 d,其間允許有1個(gè)非雨日,且該非雨日日平均總云量≥8成;

(3)若連續(xù)6 d以上,其間允許有2個(gè)非雨日,且該非雨日日平均總云量≥8成,但不能有連續(xù)2個(gè)非雨日。

本文運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析寧夏連陰雨天氣的氣候變化特征;運(yùn)用Lepage突變檢驗(yàn)法進(jìn)行氣候突變分析;運(yùn)用小波分析法分析周期變化。因汛期(5-9月)是寧夏各地的主要降水時(shí)期,文中重點(diǎn)對(duì)全年降水量和汛期降水量的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

2 時(shí)空分布特征

2.1 年際變化

從寧夏年連陰雨發(fā)生次數(shù)距平的年際變化圖(圖1a)中可以看到,寧夏年連陰雨發(fā)生次數(shù)總體呈負(fù)趨勢(shì),氣候傾向率分別為-3.2次/10 a,線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)為-0.181 4,未通過(guò)顯著性水平為0.10 (0.247 8)的檢驗(yàn),表明寧夏年連陰雨發(fā)生次數(shù)的總體負(fù)趨勢(shì)不明顯。累積距平主要表現(xiàn)為“兩升兩降”型變化,1960年代初期至1970年代中后期為連陰雨多發(fā)階段,1970年代后期至1980年代中后期為連陰雨少發(fā)階段,1980年代后期至1990年代初期為連陰雨多發(fā)階段,1990年代中期以后再次出現(xiàn)連陰雨少發(fā)階段。從年代際變化看,1960年代平均出現(xiàn)92.4次(1961-2007年平均87.1次), 1970年代平均為90.7次,1980年代平均為89.3次,1990年代平均只有77.5次,2001-2007年平均為85.3次;1960、1970、1980年代均為正距平,而1990年代和2001-2007年為負(fù)距平,亦即寧夏年連陰雨從1990年代之前的偏多期轉(zhuǎn)為1990年代之后的偏少期。

圖1 寧夏全年(a)和汛期(b)連陰雨距平逐年變化(柱狀為距平值,實(shí)直線(xiàn)為線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn),折線(xiàn)為累積距平值)

從寧夏汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)距平年際變化圖(圖1b)可以看到,寧夏汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)總體上也呈現(xiàn)為負(fù)趨勢(shì),氣候傾向率分別為-1.6次/ 10 a,線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)為-0.119 9,未通過(guò)顯著性水平為0.10的檢驗(yàn),表明寧夏汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)的總體負(fù)趨勢(shì)不明顯。累積距平主要表現(xiàn)為“一升一降”型變化,1960年代初期至1970年代后期為連陰雨多發(fā)階段,1980年代初期以后為連陰雨少發(fā)階段。從各年代變化看,1960年代平均出現(xiàn)59.9次(1961-2007年平均58.0次),1970年代平均為65.1次,1980年代平均為55.4次,1990年代平均只有47.8次,2001-2007年平均為63.7次;1960、1970年代和2001-2007年均為正距平,而1980、1990年代為負(fù)距平,亦即寧夏汛期連陰雨從1980年代之前的偏多期轉(zhuǎn)為1980年代之后的偏少期,但2001-2007年又有轉(zhuǎn)為偏多的趨勢(shì)。

從以上分析可以看到,寧夏近47年來(lái)全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)總體上均呈減少的趨勢(shì),其中全年減少的趨勢(shì)比汛期減少的趨勢(shì)大,線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),減少趨勢(shì)不明顯。全年連陰雨發(fā)生次數(shù)的累積距平主要表現(xiàn)為“兩升兩降”型變化,存在著明顯的偏多年和偏少年;汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)則表現(xiàn)為“一升一降”型變化,也存在著明顯的偏多年和偏少年,兩者的年際變化和年代際變化特征均很明顯。

2.2 月際變化

圖2為寧夏連陰雨發(fā)生次數(shù)的月際變化圖。從圖2中可以看到,1990年代前后相比,寧夏連陰雨仍然集中出現(xiàn)在7-9月,12月和1月出現(xiàn)最少,但各月出現(xiàn)頻次卻有所不同。其中2、4、5、8、9、10和11月表現(xiàn)為減少趨勢(shì),尤其是5、8和10月減少明顯,連陰雨頻次分別減少了3.0、4.3和3.7次; 1、3、6和7月表現(xiàn)為增加趨勢(shì),但增加趨勢(shì)不明顯,只有7月增加了1.7次,其他3個(gè)月增加頻次均在0.5次以下;12月頻次未發(fā)生變化。

圖2 寧夏連陰雨平均發(fā)生次數(shù)月變化

2.3 空間分布

從寧夏各地連陰雨平均發(fā)生次數(shù)的空間分布(圖3a、3b)可以看到:1990年代以后各地連陰雨發(fā)生次數(shù)均減少,1961-1990年年均發(fā)生2.2～12.9次,1991-2007年年均發(fā)生1.7～11.4次,南部地區(qū)減少的次數(shù)明顯多于北部地區(qū);寧夏連陰雨高發(fā)中心位于南部地區(qū)六盤(pán)山東麓的涇源,少發(fā)中心位于北部地區(qū)賀蘭山北端的惠農(nóng),1961-1990年兩者年均發(fā)生次數(shù)相差5.9倍,1991-2007年相差6.7倍,亦即北部地區(qū)連陰雨減少的速度比南部地區(qū)快;六盤(pán)山東麓連陰雨發(fā)生次數(shù)明顯多于西麓,隆德、西吉位于六盤(pán)山西麓,其連陰雨次數(shù)明顯少于六盤(pán)山東麓的涇源。這是因?yàn)榱P(pán)山東南坡是暖濕空氣進(jìn)入寧夏的主要通道[13],由于山地地形的抬升作用,使得南部山區(qū)的連陰雨次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他地區(qū);賀蘭山北部地區(qū)的連陰雨發(fā)生次數(shù)明顯少于其他地區(qū),惠農(nóng)位于賀蘭山北端與卓子山之間的風(fēng)口地區(qū),其連陰雨次數(shù)明顯少于鄰近的平羅。

從以上分析可知,1990年代以后,寧夏各地連陰雨發(fā)生次數(shù)出現(xiàn)了明顯的變化,1961-1990年年均發(fā)生2.2～12.9次,1991-2007年年均發(fā)生1.7～11.4次,連陰雨高發(fā)中心位于南部山區(qū)六盤(pán)山東麓迎風(fēng)坡的涇源,少發(fā)中心位于北部地區(qū)賀蘭山北端與卓子山之間風(fēng)口的惠農(nóng)。

圖3 寧夏1961-1990年(a)與1991-2007年(b)連陰雨平均次數(shù)分布圖

3 突變檢驗(yàn)

寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)分別在1990年代和1980年代出現(xiàn)了明顯變化(圖1),但是否出現(xiàn)了氣候上的突變?在此用Lepage突變檢驗(yàn)法[14]進(jìn)行檢驗(yàn)。圖4為寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)序列的Lepage檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量變化圖,從圖中可以看到,雖然全年連陰雨發(fā)生次數(shù)序列Lepage統(tǒng)計(jì)量在1996年出現(xiàn)一個(gè)峰值4.81,汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)序列Lepage統(tǒng)計(jì)量在1973年和1979年各出現(xiàn)一個(gè)峰值3.95,但兩個(gè)序列的峰值均沒(méi)有通過(guò)置信度為95%檢驗(yàn)的臨界值5.99,沒(méi)有十分顯著的突變現(xiàn)象發(fā)生。

4 周期分析

運(yùn)用Mexihat小波分析方法[14]分析寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)在不同時(shí)間尺度上的變化特征。

圖4 寧夏全年(a)和汛期(b)連陰雨發(fā)生次數(shù)的突變檢驗(yàn)

從寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)的小波分析圖(圖5)中可以看到,寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)確實(shí)存在明顯的年際變化和年代際變化特征。年連陰雨(圖5a)存在著3～5年的短周期, 1990年代以前的周期強(qiáng)中心出現(xiàn)在1960年代中后期,1990年代以后的周期強(qiáng)中心出現(xiàn)在21世紀(jì)初期;存在10年、16～18年的長(zhǎng)周期,其中10年的周期強(qiáng)中心出現(xiàn)在1970年代中期,16～18年的周期強(qiáng)中心出現(xiàn)在1980年代后期。

汛期連陰雨(圖5b)存在著4～6年的短周期,周期強(qiáng)中心分別出現(xiàn)在1960年代中后期和1980年代中期;存在的12年長(zhǎng)周期強(qiáng)中心出現(xiàn)在1970年代中期。

圖5 寧夏全年(a)和汛期(b)連陰雨發(fā)生次數(shù)的Mexihat小波分析

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)寧夏連陰雨發(fā)生次數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律及其突變、周期的分析研究,得到以下結(jié)論:

(1)寧夏全年和汛期連陰雨發(fā)生次數(shù)均呈減少的趨勢(shì),全年比汛期的減少的趨勢(shì)大,線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),減少趨勢(shì)不明顯,年連陰雨發(fā)生次數(shù)的累積距平主要表現(xiàn)為“兩升兩降”型變化,汛期表現(xiàn)為“一升一降”型變化,存在著明顯的偏多年和偏少年,兩者的年際變化和年代際變化特征均很明顯。

(2)寧夏連陰雨均集中出現(xiàn)在7-9月,各地連陰雨發(fā)生次數(shù)均減少,南部山區(qū)減少的次數(shù)明顯多于北部地區(qū);連陰雨高發(fā)中心位于南部六盤(pán)山東麓,少發(fā)中心位于北部賀蘭山北端;六盤(pán)山東麓的連陰雨發(fā)生次數(shù)明顯多于西麓,而賀蘭山北部地區(qū)的連陰雨發(fā)生次數(shù)明顯少于其他地區(qū)。

(3)通過(guò)Lepage檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn),雖然全年連陰雨在1996年、汛期連陰雨在1973年和1979年均出現(xiàn)峰值,但均沒(méi)有發(fā)生突變現(xiàn)象。

(4)通過(guò)小波分析,寧夏全年連陰雨存在著3～5年的短周期和10年、16～18年左右的長(zhǎng)周期;汛期連陰雨存在著4～6年的短周期和12年的長(zhǎng)周期。

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Study on the Characteristics of Cl imatic Changes of Continuous Rain in Ningx ia

Zhang Zhi1,2,Liang Pei1,Chen Yuhua1and Liang Xu2

(1.N ingxia M eteorological Infor m ation Center,Yinchuan750002,China; 2.N ingxia Key Laboratory of M eteorological D isaster Prevention and Reduction,Yinchuan750002,China)

By selecting the meteorological data of 19 stations in Ningxia,using the methods of mathematical statistics,Lepage test andMexihatwavelet analysis,the characteristicsof climatic changes and theirmutations and periodic changes of continuous rains in a whole year and the flood season(May to September)in Ningxia are analyzed.The results show that the continuous rainy climate in whole year and flood seasons in Ningxia has experienced marked changes since 1990.Continuous rain tends to decrease.The interannual and interdecadal changes are obvious.Continuous rain in mountain areas in southern Ningxia ismore than that in the northern part. The area at the east foot ofLiupanshan mountain in southern Ningxia is prone to continuous rain.Continuous rain in area at the east foot ofLiupanshan mountain ismore than that in the area at the west foot.There are no abrupt changes.There exist a 3～5 years short cycle of annual continuous rain,10 years and 16～18 years long cycles. For continuous rain in flood seasons,there exist a 4～6 years short cycle and 12 years long cycle.

Ningxia;continuous rain;climatic characteristics;wavelet analysis;Lepage test;mathematical statistics

P426.62

A

1000-811X(2010)01-0069-04

2009-08-18

寧夏科技攻關(guān)項(xiàng)目“寧夏極端氣候事件及氣象災(zāi)害的變化研究”(KGX-12-09-02);寧夏自然基金項(xiàng)目“寧夏連陰雨(雪)事件變化及機(jī)理研究”(NZ08160)

張智(1967-),男,山東泰安人,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事氣候分析工作.E-mail:zz_tt@126.com