1971—2013年長興年降水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征

魏麗華 吳 猛 史建橋

(1.長興縣氣象局，浙江 長興 313100； 2.94783部隊(duì)61分隊(duì)，浙江 長興313111)

1971—2013年長興年降水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征

魏麗華 吳 猛 史建橋

(1.長興縣氣象局，浙江 長興 313100； 2.94783部隊(duì)61分隊(duì)，浙江 長興313111)

利用長興地區(qū)1971—2013年逐日降水量資料，采用趨勢分析、功率譜分析和GIS空間分析，探討反映年內(nèi)降水結(jié)構(gòu)的2類指標(biāo)：不同強(qiáng)度降水日數(shù)和降水相關(guān)極值的時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明：近43 a來，降水量變化呈微弱減少趨勢，減少速率為6.61 mm/10a；不同強(qiáng)度降水日數(shù)變化差異明顯，其中總降水日數(shù)和小雨日數(shù)呈顯著下降趨勢，減少速率分別為3.38 d/10a、3.17 d/10a，相比而言，中雨日數(shù)和大雨及以上日數(shù)呈波動(dòng)趨勢，變化不大。2002—2013年，最大連續(xù)降水量和最大日降水量較多年平均水平偏低，但呈現(xiàn)為顯著上升趨勢，上升速率分別為133.62 mm/10 a、46.37 mm/10a。準(zhǔn)2～3 a是長興年降水量最為明顯的振蕩周期?？臻g分布上，不同強(qiáng)度降水日數(shù)和降水極值大體上呈南北高、東西低的態(tài)勢，高低中心分布差異特征明顯，高值區(qū)主要位于和平以南、白峴和顧渚等地區(qū)，低值區(qū)主要在林城和小浦以西、長興東部環(huán)太湖等地帶。

長興；年降水結(jié)構(gòu)；Mann-Kendall；時(shí)空變化

0 引 言

IPCC第4次評(píng)估報(bào)告[1]指出，最近幾十年強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻率有所上升，并且在溫室效應(yīng)影響下，這種趨勢會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。全球變暖，區(qū)域氣候改變，勢必導(dǎo)致降水及其分布發(fā)生變化，使得高溫、干旱、洪澇等災(zāi)害性天氣頻發(fā)。近年來，很多學(xué)者對降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行了相關(guān)研究[2-5]，結(jié)果表明，我國年、季降水日數(shù)呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，且降水日數(shù)減少的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量減少的范圍，并具有區(qū)域性和季節(jié)性。這說明降水量的研究不能等同于降水強(qiáng)度的研究，在研究降水時(shí)，很有必要研究不同強(qiáng)度降水日數(shù)和降水相關(guān)極值的氣候特征及其變化規(guī)律。事實(shí)上，降水量僅僅是表征降水特性的一方面[6]，不同強(qiáng)度降水日數(shù)以及降水極值與降水量的變化并不完全一致，甚至可能出現(xiàn)很大差異，如顧駿強(qiáng)等[7]利用1961—1999年浙江省36個(gè)站點(diǎn)的資料，分析了浙江省年、季、月降水總量與雨日數(shù)的氣候變化，指出在浙江省年降水量增加的同時(shí)，雨日數(shù)沒有同步的增加，除了7、8月份雨日是增加以外，其他月份的雨日數(shù)都表現(xiàn)為減少。

長興地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降水充沛、四季分明、雨熱同季，大部分為山區(qū)丘陵地帶，地形復(fù)雜，山峰連綿，東臨太湖，盛行東風(fēng)，水汽充沛，加之地處長江中下游杭嘉湖平原，南北系統(tǒng)經(jīng)常在此交匯，長興各月均可產(chǎn)生連陰雨天氣。一個(gè)區(qū)域的降水結(jié)構(gòu)，可以用不同強(qiáng)度降水日數(shù)和降水相關(guān)極值的分布情況來衡量。因此，為全面認(rèn)識(shí)降水的氣候變化特征，深入分析長興地區(qū)年降水結(jié)構(gòu)的時(shí)間演變特征和空間分布信息，本研究利用長興地區(qū)1971—2013年逐日降水資料，采用線性傾向估計(jì)、距平分析、功率譜分析和GIS空間分析等方法，詳細(xì)分析近43 a長興地區(qū)年降水結(jié)構(gòu)時(shí)空分布規(guī)律，以期為汛期旱澇預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選取長興氣象臺(tái)1971—2013年逐日降水量整編數(shù)據(jù)為研究對象，對年降水結(jié)構(gòu)時(shí)間變化特征進(jìn)行分析?；诳紤]數(shù)據(jù)序列的均一性和完整性，采用長興地區(qū)18個(gè)自動(dòng)化觀測站2011—2013年逐日降水量自動(dòng)觀測序列，探討年降水結(jié)構(gòu)的空間分布情況。降雨等級(jí)以中央氣象臺(tái)的劃分為標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)降水日數(shù)(P≥0.1 mm/d)、小雨日數(shù)(0.1 mm/d≤P<10 mm/d)、中雨日數(shù)(10 mm/d≤P<25 mm/d)和大雨及以上日數(shù)(P≥25 mm/d)。四季劃分標(biāo)準(zhǔn)為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)。

說明：降水量和降水日數(shù)氣候平均值取1981—2010年平均，降水日數(shù)包括降雪日， 降水量包括降雪量，若是純雪，把降雪轉(zhuǎn)化為降水量。

1.2 分析方法

1.2.1 異常年份分析

世界氣象組織對氣候異常提出兩種判別標(biāo)準(zhǔn)，一是距平超過標(biāo)準(zhǔn)差的2倍以上，二是它出現(xiàn)的幾率為25 a以上一遇[8]。本文采用距平大于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍作為異常，大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.5～2倍為接近異常來分析長興降水的異常特征。

1.2.2 功率譜分析

功率譜是應(yīng)用極為廣泛的一種分析周期的方法，它是以傅里葉變換為基礎(chǔ)的頻域分析方法，其意義為將時(shí)間序列的總能量分解到不同頻率上的分量，根據(jù)不同頻率波的方差貢獻(xiàn)診斷出序列的主要周期，從而確定周期的主要頻段，即序列隱含的顯著周期[9]。

本文利用redfit3.8[10]對長興縣降水量的周期進(jìn)行分析。

2 降水時(shí)空變化特征

2.1 時(shí)間變化特征

2.1.1 年際和季節(jié)變化

長興地區(qū)年平均降水量為1295.6 mm，其中1999年降水最多(1936.1 mm)，1978年最少，僅732.0 mm，43 a中僅有6 a降水量小于1000 mm。雖然降水量大，但降水較為均勻，見圖1a。從圖中可以看出，1971-2000年降水年變化較21世紀(jì)以來波動(dòng)振幅較大，降水量標(biāo)準(zhǔn)差分別為292.5 mm、149.5 mm。另外，從中還可以看出，20世紀(jì)70年代降水量較少，較多年平均偏少95.0 mm，80年代和90年代降水偏多，進(jìn)入21世紀(jì)以來，年降水量雖然表現(xiàn)為增加趨勢，但降水量較同期偏少99.2 mm，整體表現(xiàn)為一個(gè)先增加后減小的態(tài)勢。分析表明，1971—2013年長興地區(qū)年降水量呈波動(dòng)微弱下降趨勢，氣候傾向率為-6.61 mm/10a，下降趨勢不顯著，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)。

從四季降水量逐年分布圖(圖1b)可以發(fā)現(xiàn)，四季降水變化趨勢特征明顯，從變化趨勢來看，春、秋季降水量呈減少趨勢，減少速率分別為7.99 mm/10a、31.56 mm/10a，夏、冬季則表現(xiàn)為明顯增加趨勢，增加速率分別為17.99 mm/10a、14.24 mm/10a，僅有秋季減少趨勢達(dá)到了0.05顯著性水平。從四季降水量的變化來看，對近43 a長興年降水量變化趨勢，夏季的貢獻(xiàn)最大，二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.766，通過了0.001顯著性檢驗(yàn)，春季次之。可見，夏季降水量的變化特征主導(dǎo)了全年降水量的變化情況。

圖1 1971—2013年長興降水量年際和四季分布圖

2.1.2 降水異常年份分析

從近43 a長興年和四季降水量的異常(含接近異常)年份來看(表1)：

1)長興地區(qū)春季降水量異常主要發(fā)生在19世紀(jì)70年代和21世紀(jì)以來，其中2011年異常偏少最為明顯，較同期偏少179.5 mm，1977年降水量距平為200.7 mm，異常偏多。夏季降水量異常特征顯著，偏多年份主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，其中1999年夏季降水量為近43 a最高值，較多年平均值偏多768.9 mm，大于標(biāo)準(zhǔn)偏差的3.5倍；異常偏少年份在1978年，降水量較同期偏少411.7 mm。在秋季，降水量異常偏多主要發(fā)生在19世紀(jì)70年代和80年代，其中1983年降水量距平為411.9 mm，大于標(biāo)準(zhǔn)偏差的接近4倍。在冬季，歷史上僅出現(xiàn)過一次異常偏多年份，以1997年偏多177.3 mm最為明顯。

2)1971—2013年長興年降水量異常偏少年份僅出現(xiàn)過一次，即1978年，降水量為近43 a來最低值，較多年平均值偏少563.6 mm。而異常偏多年份多發(fā)生在20世紀(jì)80年代和90年代，主要是由于夏、秋季降水量異常多造成的，其中1999年為近50 a最高值，較多年平均值偏多640.5 mm。

表1 1971—2013年長興年、季降水量的異常年份

+，-分別表示異常偏多和偏少。

2.1.3 不同強(qiáng)度降水日數(shù)時(shí)變特征

長興地區(qū)年平均總降水日數(shù)、小雨日數(shù)分別為142.3、102.5 d，均表現(xiàn)為下降趨勢，減少速率分別為3.38、3.17 d/10a，而且變化趨勢顯著，均達(dá)到了0.05顯著性水平；相比而言，中雨日數(shù)和大雨及以上日數(shù)平均為26.4 d、13.3 d，兩者則呈波動(dòng)趨勢，變化不大，見圖2a。另外，2001年以來，大雨及以上日數(shù)呈顯著增加趨勢，增加速率為3.9 d/10a，但日數(shù)較多年平均偏少1.6 d。不同強(qiáng)度降水日數(shù)中，小雨日數(shù)的變化對總降水日數(shù)的貢獻(xiàn)最大，二者變化態(tài)勢相當(dāng)一致，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.82。

1971—2013年長興不同強(qiáng)度降水日數(shù)年代際變化特征明顯(圖2b)，從圖中可以看出，總降水日數(shù)和小雨日數(shù)為逐漸減少趨勢，20世紀(jì)70年代和80年代較同期水平均偏多，為多雨期， 90年代以后開始大幅減少，21世紀(jì)以來，降水日數(shù)更少，較多年平均值偏少4.1 d。中雨日數(shù)和大雨及以上日數(shù)大體上是一個(gè)先增加后減少的態(tài)勢，20世紀(jì)70年代和80年代，中雨日數(shù)變化平穩(wěn)，90年代達(dá)到最小值，距平為-1.5 d，之后表現(xiàn)為上升趨勢；大雨及以上日數(shù)則在20世紀(jì)80年代和90年代較多年平均值偏多，21世紀(jì)以來則大幅減少，較多年平均值偏少1.6 d。

圖2 1971—2013年長興不同強(qiáng)度降水日數(shù)年際(a)和年代際(b)變化

2.1.4 降水極值時(shí)變特征

圖3為近43 a長興降水極值的分布情況，從中可以看出，最大連續(xù)降水量和最大日降水量階段性特征明顯，1971—2001年最大連續(xù)降水量和最大日降水量較多年平均值偏高，波動(dòng)振幅較大，標(biāo)準(zhǔn)差分別為32.3 mm、87.3 mm，均表現(xiàn)為緩慢波動(dòng)上升趨勢，上升速率分別為16.86、6.46 mm/10a，但變化趨勢不顯著，未達(dá)到95%顯著性水平；2002—2013年兩者較多年平均水平偏低，但呈現(xiàn)為顯著上升趨勢，上升速率分別為133.62、46.37 mm/10a。其中在1999年6月下旬最大連續(xù)降水量高達(dá)496.8 mm，最大日降水量基本出現(xiàn)在4—10月，1990年最大日降水量最多(165.6 mm)，2002年最少，僅有40.9 mm。

圖3 1971—2013年長興降水極值逐年分布圖

2.1.5 周期分析

基于redfit3.8，采用Welch方法對1971—2013年長興降水量進(jìn)行周期分析，結(jié)果如圖4示。從圖4可以看出，長興地區(qū)年降水量在周期長度3 a附近，功率譜估計(jì)值為第一峰值且超過置信度95%標(biāo)準(zhǔn)譜，說明準(zhǔn)3 a是年降水量第一顯著振蕩周期。另外，在2.2 a處功率譜估計(jì)值為第二峰值，也超過置信度95%標(biāo)準(zhǔn)譜。因此，準(zhǔn)2～3 a振蕩是長興地區(qū)年降水量最為明顯的顯著周期。

圖4 長興地區(qū)年降水量功率譜分析結(jié)果

2.2 空間分布特征

2.2.1 不同強(qiáng)度降水日數(shù)空間分布

圖5給出了長興地區(qū)不同強(qiáng)度降水日數(shù)的空間分布情況，從中可以看出，總降水日數(shù)和小雨日數(shù)在空間上大體呈南北高、東西低的特點(diǎn)，即虹星橋以南、小浦以北為高值區(qū)，長興以東、林城以西為低值區(qū)，其中吳山總降水日數(shù)和小雨日數(shù)最多，年平均分別為170.3、130.7 d；長興東部環(huán)太湖區(qū)兩者均偏少，其中新塘站總降水日數(shù)和小雨日數(shù)最少，年平均分別為121.0、93.0 d，其次是香山和林城，分別為126.7、94.0 d和126.7、92.7 d。中雨日數(shù)則表現(xiàn)為東南和西北高、西南和東北低的態(tài)勢，東南部的和平—呂山—李家巷一帶以及西北部的白峴—二界嶺為高值區(qū)，其中和平和白峴最多，年平均日數(shù)在30 d以上，長興東北部環(huán)太湖區(qū)和林城以西為低值區(qū)，年平均中雨日數(shù)為24～26 d。大雨及以上日數(shù)高值區(qū)主要分布在顧渚—長興—呂山—和平的南北向帶狀區(qū)以及白峴—槐坎一帶，年平均日數(shù)在12 d以上，長興以西和以東地區(qū)大雨及以上日數(shù)偏少，其中新塘最少，僅8 d。

圖5 2011—2013年長興地區(qū)不同強(qiáng)度降水日數(shù)空間分布

2.2.2 降水極值空間分布

降水相關(guān)極值的變化反映了降水潛力的變化。長興地區(qū)最大連續(xù)降水量和最大日降水量空間分布特征明顯，均表現(xiàn)為南北高、東西低的趨勢，結(jié)果如圖6所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，北部的白峴和顧渚地區(qū)以及南部和平、吳山一帶為最大連續(xù)降水量和最大日降水量的高值區(qū)，其中白峴年平均最大連續(xù)降水量最多，達(dá)319.6 mm，其次是顧渚(290.2 mm)，和平最大日降水量最高，為146.2 mm，其次是白峴(142.5 mm)；林城(小浦)以西和長興以東地區(qū)為最大連續(xù)降水量(最大日降水量)低值區(qū)，其中香山的最大連續(xù)降水量和最大日降水量最少，分別為153.3、90.2 mm，其次是泗安(194.2、91.4 mm)。

圖6 2011—2013年長興地區(qū)不同強(qiáng)度降水日數(shù)空間分布

3 結(jié) 語

本文利用1971—2013年長興逐日降水資料，詳細(xì)分析了近43 a長興地區(qū)年降水結(jié)構(gòu)時(shí)空分布規(guī)律，主要結(jié)果如下。

1)長興地區(qū)年降水量大，但四季降水較為均勻，分析表明：1971—2013年長興降水量表現(xiàn)為微弱減少趨勢，減少速率為6.61 mm/10a；春季和秋季降水量呈下降趨勢，夏季和冬季則表現(xiàn)為顯著上升趨勢，四季變化速率大小為：秋季>夏季>冬季>春季；降水異常偏多主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代和90年代。

2)不同強(qiáng)度降水日數(shù)變化差異明顯，其中總降水日數(shù)和小雨日數(shù)呈顯著下降趨勢，減少速率分別為3.38、3.17 d/10a；相比而言，中雨日數(shù)和大雨及以上日數(shù)呈波動(dòng)趨勢，變化不大。另外，2001年以來，大雨及以上日數(shù)呈顯著增加趨勢，增加速率為3.9 d/10a，但日數(shù)較多年平均偏少1.6 d。

3)最大連續(xù)降水量和最大日降水量階段性特征明顯，尤其是2002—2013年，兩者較多年平均水平偏低，但呈現(xiàn)為顯著上升趨勢，上升速率分別為133.62、46.37 mm/10a。其中在1999年6月下旬最大連續(xù)降水量高達(dá)496.8 mm，最大日降水量基本出現(xiàn)在4—10月，1990最大日降水量最多(165.6 mm)，2002年最少，僅有40.9 mm。

4)準(zhǔn)2～3 a是長興降水量最為明顯的振蕩周期。

5)空間分析表明，2011—2013年長興縣不同強(qiáng)度降水日數(shù)和降水極值大體上呈南北高、東西低的態(tài)勢，高低中心分布差異特征明顯，高值區(qū)主要位于和平以南、白峴和顧渚等地區(qū)，低值區(qū)主要在林城和小浦以西、長興東部環(huán)太湖等地帶。

在全球變暖的背景下，尤其是近年來長興地區(qū)氣溫逐漸上升，而降水卻表現(xiàn)為緩慢的減少趨勢，對未來長興農(nóng)林業(yè)發(fā)展存在一定的不利因素。降水因受地形、地貌等因素的影響，在空間上分布很不均勻[11]，但由于受站點(diǎn)位置、站網(wǎng)密度等限制，地面觀測不能準(zhǔn)確把握降雨的空間分布和強(qiáng)度變化，因此，如何利用有限的站點(diǎn)資料，融合高分辨數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)降水量空間精細(xì)化估算還需要深入研究和探討。

[1] IPCC. Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press, 2007:996.

[2] 白淑英,史建橋,相棟，等.近50年青海降水時(shí)空格局變化[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,27(6):148-153.

[3] 劉笑,邵曉華,王濤.中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空分布特征[J].南水北調(diào)與水利科技,2013,11(6):10-15.

[4] 王穎,施能,顧駿強(qiáng),等.中國雨日的氣候變化[J].大氣科學(xué),2006,30(1):162-170.

[5] 彭貴芬,劉瑜.云南各量級(jí)雨日的氣候特征及變化[J].高原氣象,2009,28 (1):214-219.

[6] 吳昊旻,廖必軍,蔡壽強(qiáng). 浙江省不同強(qiáng)度降水日數(shù)的時(shí)空分布特征[J].干旱氣象,2012,30(3):360-366.

[7] 顧駿強(qiáng),施能,薛根元. 近40年浙江省降水量、雨日的氣候變化[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2002,13(3):322-329.

[8] 杜軍,邊多,胡軍,等.西藏近35年日照時(shí)數(shù)的變化特征及其影響因素[J].地理學(xué)報(bào),2007,62(5):492-500.

[9] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2007.

[10] Michael Schulz,Manfred Mudelsee. REDFIT:estimatingred-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series[J]. Computers& Geosciences，2002(28)：421-426.

[11] 陳賀,李原園,楊志峰,等.地形因素對降水分布影響的研究[J].水土保持研究, 2007,14(1):119-122.

2015-07-20