1951—2014年杭州市降水特性研究

(浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231)

1 研究背景

近年來，全球氣候變化及其影響下水循環(huán)變化研究已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點之一。水資源對全球變暖的響應(yīng)問題，關(guān)乎著人類生存與發(fā)展[1]。全球氣候變暖會影響區(qū)域溫度和降水變化，從而對區(qū)域主要水文要素及水循環(huán)過程產(chǎn)生直接或間接影響[2]。其中降水變化的影響最為直接和顯著，全球變暖改變了大氣環(huán)流特征，從而影響區(qū)域降水量和降水分布格局，會直接引起當(dāng)?shù)厮Y源量的變化并可能導(dǎo)致旱澇災(zāi)害的頻次和強度增加[3]。已有眾多專家學(xué)者對近幾十年來中國不同地區(qū)的降水特征及變化趨勢開展了相關(guān)研究，并取得了一系列的進展。于淑秋等[4]分析我國西北地區(qū)近50 a降水資料得出1986年以后西北地區(qū)年降水總量上升了5.2%的結(jié)論；于文金等[5]由太湖流域1991—2000年暴雨資料分析出年暴雨降水量出現(xiàn)不同程度的增加趨勢；張皓等[6]歸納出華北地區(qū)夏季降水出現(xiàn)明顯的降低趨勢。總體而言，中國不同地區(qū)及不同時間尺度上的降水變化特性對氣候變暖的響應(yīng)存在較大差別[7]。因此在研究降水變化特征時，需要針對研究區(qū)的具體特性開展相關(guān)研究。目前國內(nèi)大部分學(xué)者研究降水特征所選取的資料時間序列較短，且缺少最近幾年的降水資料分析，制約了地區(qū)降水規(guī)律分析的準(zhǔn)確性。

杭州市地處浙北平原區(qū)(29°11′N—30°34′N，118°20′E—120°37′E)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 421.7 mm，降雨量年內(nèi)分布極不均勻。隨著杭州經(jīng)濟的發(fā)展與人口的劇增，地區(qū)水資源開發(fā)利用矛盾也將日益加劇[8]。鑒于此，本文采用M-K檢驗及多種水文統(tǒng)計方法，基于杭州市1951—2014年間的逐日降水資料，分別對年際、年內(nèi)(季節(jié)、月、日)尺度下降水量和降水日數(shù)以及最大日降水進行系統(tǒng)分析，以期為氣候變化情景下杭州市水資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資 料

采用國家基準(zhǔn)氣象站杭州站(30°14′N，120°10′E)1951—2014年共64 a的逐日降水資料進行分析，降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。按年、季節(jié)、月、日等各時間尺度分別進行降水量、降水日數(shù)及最大日降水統(tǒng)計。

1 d的降水量達0.1 mm以上即作為一個雨日計算降水日數(shù)。根據(jù)氣候?qū)W劃分指標(biāo)及流域氣候特點劃分杭州4季，即春季為3—5月份，夏季為6—8月份，秋季為9—11月份，冬季為12月份—次年2月份。

2.2 研究方法

本文主要采用Mann-Kendall秩次相關(guān)分析法[9]、線性趨勢法以及相關(guān)水文統(tǒng)計學(xué)方法對杭州地區(qū)降水變化特性進行分析。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 降水年際變化特征

圖1為1951—2014年杭州市年降水量變化曲線。杭州為多雨地區(qū)，多年平均年降水量達到1 421.7 mm，1951—2014年間杭州年最大降水量為1954年的2 354.6 mm、年最小降水量為2003年的948.9 mm，其豐枯極值比為2.48，說明降水量年際變化較大。對長系列年降水資料進行M-K檢驗，得其降水量M-K檢驗值為0.359，未通過95%置信度下的顯著性檢驗(臨界值1.96)，結(jié)合年降水量線性回歸系數(shù)接近于0，說明長系列年降水未發(fā)生顯著變化。

圖1 1951—2014年杭州市年降水量變化Fig.1 Change of annual precipitation in Hangzhou City from 1951 to 2014

對年降水量數(shù)據(jù)進行了M-K突變點分析，得1959年、1963年、1989年為長系列突變點，即1959年、1963年、1989年前后降水量有所變化，故將64 a降水?dāng)?shù)據(jù)分為1951—1959年、1960—1963年、1964—1989年、1990—2014年4個時期進行分析(見圖1)。1951—1959年、1960—1963年、1964—1989年、1990—2014年間平均年降水量分別為1 568.3，1 368.1，1 368.3，1 433.0 mm，圍繞多年平均降水量線上下浮動，呈現(xiàn)出豐—枯—豐的年際變化特征。

圖2 1951—2014年杭州市年降水日數(shù)變化及趨勢線Fig.2 Change and trend of annual precipitation days in Hangzhou City from 1951 to 2014

圖2為1951—2014年杭州年降水日數(shù)變化及趨勢線。從圖2可以看出，杭州地區(qū)多年平均年降水日數(shù)為150 d，線性趨勢度為-2.6 d/(10 a)，即平均每10 a降水日數(shù)減少2.6 d。對年降水日數(shù)長系列資料進行M-K檢驗，得其年降水日數(shù)M-K檢驗值為-2.76，分別通過了90%和95%置信度下的顯著性檢驗(臨界值分別為1.64和1.96)，即1951—2014年杭州年降水日數(shù)有顯著性減少的趨勢。結(jié)合長系列年降水量未發(fā)生明顯變化這一特征，可以斷定杭州地區(qū)單次降水量有所增加，即降雨強度增加，易形成強降雨。

3.2 降水季節(jié)分布特征

表1為1951—2014年杭州各季節(jié)降水量和降水日數(shù)分布特征，圖3、圖4分別為1951—2014年杭州各季節(jié)降水量、降水日數(shù)變化過程及趨勢線。

表1 1951—2014年杭州各季節(jié)降水量和降水日數(shù)分布特征Table 1 Seasonal distribution of precipitation andprecipitation days in Hangzhou City from 1951 to 2014

注：*代表通過95%置信度下的顯著性檢驗(臨界值1.96)

圖3 1951—2014年杭州市各季節(jié)降水量變化及趨勢線Fig.3 Seasonal changes and trends of precipitation in Hangzhou from 1951 to 2014

圖4 1951—2014年杭州市各季節(jié)降水日數(shù)變化及趨勢線Fig.4 Seasonal changes and trends of precipitation days in Hangzhou from 1951 to 2014

由表1、圖3和圖4可看出：

(1)春季多年平均降水量為403.2 mm，降水量線性回歸系數(shù)為負(fù)，趨勢度為-16.9 mm/(10 a)，M-K檢驗值為-2.08，說明1951—2014年間杭州地區(qū)春季降水有顯著性減少的趨勢。從具體春季降水量多年過程來看，春季降水量20世紀(jì)50年代處于豐水期，60年代降水量偏少，之后春季降水量在上下波動中下降。春季多年平均降水日數(shù)為45 d，降水日數(shù)與降水量變化趨勢一致，平均每10 a減少1.7 d，并通過了置信度為95%的顯著性檢驗。從過程上看，1951—2000年間降水日數(shù)穩(wěn)中有所下降，但自2000年以后春季降水日數(shù)出現(xiàn)明顯下降。

(2)夏季多年平均降水量為516.1 mm，為四季中降水最多的季節(jié)，20世紀(jì)50年代前期夏季降水量較多，50年代后期至60年代較少，之后呈穩(wěn)中有升趨勢。1951—2014年間夏季降水量線性回歸系數(shù)為正，M-K檢驗值為1.88，說明夏季降水量出現(xiàn)增加趨勢，平均每10 a增加20.9 mm。1951—2014年間夏季平均降水日數(shù)為40 d，降水日數(shù)20世紀(jì)60年代較少，其他年份變化不大。經(jīng)M-K檢驗及趨勢分析，1951—2014年間夏季降水日數(shù)未發(fā)生顯著性變化。夏季降水量發(fā)生增加，而降水日數(shù)無變化，說明近期單次降水雨強較大，較易造成洪澇災(zāi)害。

(3)秋季多年平均降水量為290 mm，趨勢度為-15.3 mm/(10 a)，M-K檢驗值為-1.98，說明雖然秋季降水變幅較大，但秋季降水量總體呈現(xiàn)顯著下降趨勢。1951—2014年間秋季平均降水日數(shù)為31 d，降水日數(shù)在波動中持續(xù)下降，經(jīng)M-K檢驗及趨勢分析，1951—2014年間秋季降水日數(shù)平均每10 a減少1 d，并通過了95%置信度下的顯著性檢驗。1951—2014年秋季降水量和降水日數(shù)均發(fā)生顯著性下降，屬于雨水較少期，發(fā)生秋旱的概率逐步增加。

(4)冬季多年平均降水量為212.4 mm，為四季中最干的季節(jié)，冬季降水有所起伏，變化較平穩(wěn)，總體在波動中上升。1951—2014年冬季降水量線性回歸系數(shù)為正，M-K檢驗值為1.48，說明冬季降水量有所增多，但增加趨勢不明顯，平均每10 a增加7.7 mm。冬季平均降水日數(shù)為33 d，線性回歸系數(shù)為負(fù)，但未通過顯著性檢驗，說明1951—2014年冬季降水日數(shù)呈微小下降趨勢，平均每10 a減少0.2 d。

總體而言，杭州地區(qū)1951—2014年間冬夏兩季降水量增多，而降水日數(shù)發(fā)生減少或沒有變化，說明單次降水雨強增強，發(fā)生夏季洪澇和冬季漬害的概率增加；春秋季降水量及降水日數(shù)發(fā)生顯著減少，兩季節(jié)發(fā)生干旱情況的概率有所增加。夏澇秋旱增加，勢必對杭州農(nóng)業(yè)產(chǎn)生不利影響，也給地區(qū)水資源開發(fā)利用帶來挑戰(zhàn)，應(yīng)及時采取措施。

3.3 月降水變化特征

通過對杭州站多年月降水量資料的分析(表2)可以看出，杭州市降水量年內(nèi)分配并不均勻，降水集中的3—9月份約占全年降水量的75%，最大月(6月份)降水量占全年降水量的15.2%，最小月(12月份)降水量占全年降水量3.7%。

表2 杭州站氣象站降水量年內(nèi)分配Table 2 Distribution of annual precipitation atHangzhou meteorological station

通過對杭州站多年月平均降水日數(shù)資料的分析(表3)可以看出:杭州市降水日數(shù)年內(nèi)分配較降水量分布要均勻，其中3—9月份約占全年降水日數(shù)的65%，最大月(3月份)降水日數(shù)為15.3 d，占全年降水日數(shù)的10.2%，最小月(12月份)降水日數(shù)為9 d，占全年降水日數(shù)的6%。

表3 杭州地區(qū)降水日數(shù)年內(nèi)分配

杭州站降水量和降水日數(shù)年內(nèi)分布如圖5所示。

圖5 杭州站降水量和降水日數(shù)年內(nèi)分布Fig.5 Distribution of annual precipitation and precipitation days in Hangzhou

由圖5(a)可知,杭州地區(qū)的雨季主要集中在2個時期。第1個雨期為梅汛期，自5月初左右開始，6月底至7月上旬結(jié)束，這個時期正是從晚春到夏季的過渡時期，此時，冷暖空氣頻繁交鋒，形成梅雨鋒系，雨帶在江南和長江中下游停滯而造成了連綿不斷的大面積降水。月平均降水量為164.2 mm左右，約占全年降水量的36.2%。第2個雨期在每年的8月下旬至9月份，這時期的降水主要受熱帶系統(tǒng)的影響，并和冷空氣結(jié)合，故雨量多而集中，因受臺風(fēng)或冷鋒南移影響所致，俗稱臺風(fēng)秋雨期。8月份和9月份平均降水量約為150.4 mm，占雨季降水量的21%左右。

綜合分析圖5(a)和圖5(b)可看出:5—7月份與8—9月份的降水特點有一個明顯的差異，即前者降水量大，且降水日數(shù)多；而后者降水日數(shù)雖少，但雨量大而集中，經(jīng)常出現(xiàn)暴雨和大暴雨。從降水日數(shù)的分布來看，杭州地區(qū)的年降水日數(shù)在145 d左右。其中，5—7月份的每月平均降水日數(shù)為15 d，而8—9月份的每月平均降水日數(shù)為13 d左右。

此外,3—4月份為杭州多雨時段，稱春雨期，降水量占全年降水量的17.6%左右。3—4月份降水日數(shù)占全年降水日數(shù)的20%，多年平均降水日數(shù)為30 d，相當(dāng)于每2 d就有1 d是下雨天。

10月份—次年2月份為年內(nèi)相對干季，因受蒙古南下的極地大陸干冷氣團影響，連續(xù)5個月的平均降水量僅為355.2 mm，占全年總降水量的25%，多年平均月降水量更是只有71 mm。10月份—次年2月份降水日數(shù)為52 d左右，多年月平均降水日數(shù)為10 d左右，這段時期的降水量和降水日數(shù)都較少，為年內(nèi)缺水月份。

3.4 最大日降雨

隨著全球氣候變化，極端降水事件越來越多，為分析杭州地區(qū)極端降水變化特征，選取1951—2014年間年、季、月尺度下的最大日降水?dāng)?shù)據(jù)進行分析。

圖6為杭州地區(qū)最大日降水年際變化曲線?？梢钥闯?，1951—2014年間最大日降水的最大值發(fā)生在2013年(246.4 mm)，最小值發(fā)生在2004年(41.6 mm)。最大日降水量多年平均值為92.9 mm，趨勢度為1.17 mm/(10 a)，對其進行M-K檢驗，得M-K檢驗值為0.087，未通過95%置信度下的顯著性檢驗，說明杭州地區(qū)最大日降水量近64 a來增加趨勢并不明顯，但從長系列最大日降水量變化過程線可以看出，近10 a來杭州地區(qū)最大日降水量整體偏大。

圖6 杭州地區(qū)最大日降水年際變化Fig.6 Interannual variation of maximum daily precipitation in Hangzhou

圖7為杭州地區(qū)最大日降水所在月份年際變化，表4為杭州地區(qū)最大日降水所在月份及季節(jié)統(tǒng)計?？梢钥闯?，除冬季外，杭州各季節(jié)(3—10月份)均能發(fā)生最大日降水記錄。M-K檢驗值-1.04，未發(fā)生顯著變化。其中以夏季最多，64 a間出現(xiàn)了39次，占60.9%。從月份上看，最大日降水發(fā)生在6月份的頻次最大，64 a間最大日降水發(fā)生在6月份的頻次為15次，占23.4%。隨著全球氣候不斷變暖，極端降水事件頻發(fā)，需要重點關(guān)注6月份的暴雨。

圖7 杭州地區(qū)最大日降水所在月份年際變化Fig.7 Interannual variation of the month with the maximum daily precipitation in Hangzhou

表4 杭州地區(qū)最大日降水所在月份及季節(jié)統(tǒng)計Table 4 Statistics of month and season with the maximumdaily precipitation in Hangzhou

4 結(jié) 論

本文基于1951—2014年長系列日降水資料，采用Mann-Kendall秩次相關(guān)分析法、線性趨勢法以及相關(guān)水文統(tǒng)計學(xué)方法對杭州地區(qū)年、季、月、日各尺度下降水變化特性進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)1951—2014年期間，杭州市年降水量無顯著的變化趨勢，但1959年、1963年、1989年前后降水量有所變化，且年降水天數(shù)顯著減少，即單次降水的降雨強度有增大的趨勢，可以斷定杭州地區(qū)單次降水量有所增加，易形成強降雨。

(2)杭州地區(qū)冬夏兩季節(jié)降水量增多，而降水日數(shù)發(fā)生減少或沒有變化，說明單次降水雨強增強，發(fā)生夏季洪澇和冬季漬害的概率增加；春秋季降水量及降水日數(shù)發(fā)生顯著減少，兩季節(jié)發(fā)生干旱情況的概率有所增加。夏澇秋旱增加，勢必對杭州農(nóng)業(yè)產(chǎn)生不利影響。

(3)杭州地區(qū)降水量年內(nèi)分配不均，降水主要集中在3—9月份，即春雨期、梅汛期、臺風(fēng)秋雨期，3—9月份降水量占全年降水量的75%，降水日數(shù)占全年降水日數(shù)的65%左右。10月份—次年2月份為年內(nèi)相對干季，連續(xù)5個月的平均降水量僅為355.2 mm，占全年總降水量的25%，10月份—次年2月份降水日數(shù)為52 d左右，多年月平均為10 d左右，這段時期的降水量和降水日數(shù)都較少，為年內(nèi)缺水月份。

(4)1951—2014年間最大日降水的最大值發(fā)生在2013年(246.4 mm)，最小值發(fā)生在2004年(41.6 mm)，杭州地區(qū)最大日降水量近64 a來增加趨勢并不明顯，但從長系列最大日降水量變化過程線可以看出，近10 a來杭州地區(qū)最大日降水量整體偏大。除冬季外，杭州各季節(jié)(3—10月份)均能發(fā)生最大日降水記錄。從月份上看，以6月份最大，64 a間最大日降水發(fā)生在6月份的頻次為15次，占23.4%。隨著全球氣候不斷變暖，極端降水日益發(fā)生，對杭州市防洪抗旱能力提出了進一步的要求。

(5)研究成果不僅可為杭州地區(qū)降水、氣候變化研究提供基礎(chǔ)，同時也可為流域內(nèi)水資源的合理開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境的改善和災(zāi)害控制提供科學(xué)依據(jù)。本文所采用的多種研究方法也可為氣候相似區(qū)降水量研究提供科學(xué)參考。