1974～2018年曲靖市各等級降水的氣候特征及其與年降水量的關(guān)系

苗 蓉，成佳麗，田夢琳

(曲靖市氣象局，云南 曲靖 655000)

0 引言

IPCC《Global warming of 1.5 ℃》評估報告指出：2017年全球氣溫比工業(yè)化前升溫大約1 ℃。如果以當(dāng)前速率持續(xù)升溫，到2030～2050年將高出1.5 ℃[1]。若全球升溫1.5 ℃降導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)極端降水事件[2]。中國近年極端降水的頻數(shù)和強(qiáng)度呈增加趨勢[3-5]，但區(qū)域性差異特征明顯[6-8]。因此分析和把握區(qū)域降水規(guī)律與特征，對區(qū)域氣候變化評估有重要意義，在避免降水引發(fā)的氣象災(zāi)害中有指導(dǎo)作用。目前，不少學(xué)者按照國家《降水量等級》[9]標(biāo)準(zhǔn)，將降水分為不同等級，并對不同區(qū)域的降水事件開展一系列研究。王昊[7]發(fā)現(xiàn)西南高海拔地區(qū)降水以中小雨為主，而張琪[10]指出西南地區(qū)中小雨日呈明顯減少趨勢，但暴雨日、大雨日均呈增加趨勢，極端降水天氣日益突出；王芬[11]發(fā)現(xiàn)貴州總雨日、小雨日、中雨日、大雨日整體呈減少趨勢，而暴雨日呈一定增加趨勢。云南降水量有明顯的區(qū)域性特征[12-13]，符傳博[14]對云南降水量研究發(fā)現(xiàn)，降水量總體變化不大，但年總雨日明顯減少。彭貴芬[15]也得到類似結(jié)論：云南雨日在減少。

曲靖市位于云貴高原中部，降水事件多發(fā)[16-19]。當(dāng)前未有針對曲靖市不同等級降水的氣候特征的研究，不同等級的降水事件與旱澇之間存在密切聯(lián)系[19]。因此，本文旨在探討曲靖市不同等級雨日的氣候特征與降水量的關(guān)系及其典型干旱年的特征，從而加深對曲靖市區(qū)域降水規(guī)律的認(rèn)識，有助于區(qū)域氣候變化的評估和防災(zāi)減災(zāi)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

曲靖市地處滇東(103°03′E～104°50E′，24°19′N～27°03′N)，地貌以高原山地為主，整體上地勢具有“西北高東南低”的特點(圖1)。研究采用1974～2018年曲靖市9個大監(jiān)站降水日數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均通過質(zhì)量控制及均一性檢驗和信息化處理。

圖1 曲靖市9個大監(jiān)站分布及其海拔高度(單位：m)

1.2 研究方法

1.2.1 降水日

日降水量≥0.1 mm記為一個降水日，依據(jù)國家《降水量等級》[9]標(biāo)準(zhǔn)，將降水日分為4個等級：日降水量0.1～9.9 mm記為小雨日；日降水量10.0～24.9 mm記為中雨日；日降水量25.0～49.9 mm記為大雨日；日降水量≥50.0 mm記為暴雨日。

1.2.2 Cressman插值算法

Cressman插值算法[20]是將站點數(shù)據(jù)插值到格點上，根據(jù)站點與插值點的距離遠(yuǎn)近確定站點的權(quán)重系數(shù)。當(dāng)站點與插值點重合，權(quán)重系數(shù)為1；如果站點位置超出掃描半徑，則權(quán)重系數(shù)為0。即在有效掃描半徑內(nèi)都可以求一個該站點的權(quán)重系數(shù)。最終插值點上的值就是按照站點的貢獻(xiàn)大小依次計算得到。

1.2.3 氣候傾向率

氣候傾向率的分析通常采用線性擬合的方法，本文采用一元線性方程yi=axi+b擬合，i為年序(i=1，2，…45)，一般采用系數(shù)a的10倍來描述氣候傾向變化。對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗[21]，給定顯著性水平α=0.05，相關(guān)系數(shù)臨界值為0.29。

可沒過幾天，我愛哭的毛病又犯了。那天中午放學(xué)回家，媽媽發(fā)現(xiàn)由于早上走得匆忙把鑰匙落在了家里。“這可怎么辦？我還要寫作業(yè)呢！下午上課交不了作業(yè)肯定會被老師批評的?！毕氲竭@里，不爭氣的眼淚又開始在眼眶里直打轉(zhuǎn)?；仡^看看弟弟，他卻像個沒事人一樣，幫媽媽想辦法。終于，媽媽想起來還有一把鑰匙放在小姨家，于是，媽媽給小姨打電話，麻煩小姨把鑰匙送來。等到門開后，我趕緊偷偷地把眼淚擦干，若無其事地坐在客廳里寫起了作業(yè)。媽媽拿來了點心，撫摸著我的頭說：“強(qiáng)強(qiáng)，哭是懦弱的表現(xiàn)，眼淚解決不了任何問題。遇到困難要想辦法解決，這才是男子漢的表現(xiàn)。餓了吧，我這就給你們做飯去?！?/p>

1.2.4 Mann Kendall突變檢驗

Mann Kendall(M-K)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，可以明確突變的時間，并指出突變區(qū)域[21]。給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。

1.2.5t檢驗

選取1974～2018年中1個特別干旱期(2009～2012年)記為干旱事件，1981～2010年平均值記為氣候平均態(tài)，計算干旱事件與氣候平均態(tài)的差值，并做顯著性t檢驗。給定顯著性水平α=0.05，臨界值為1.68。

2 結(jié)果分析

2.1 曲靖市降水概況

1974～2018年，曲靖市各等級降水年均情況統(tǒng)計如表1所示，年均降水量1 036.0 mm、年均降水日147.4 d。年均小雨日115.4 d，占比78.28%，是各等級降水日中占比最大的一項，即小雨為曲靖市主要降水事件。但小雨降水強(qiáng)度弱，年降水量僅有275.8 mm，占比26.61%。統(tǒng)計各等級降水日與年降水量的相關(guān)系數(shù)如表2所示。小雨日與年降水量相關(guān)系數(shù)為0.25，相關(guān)不顯著，是各等級降水日與年降水量相關(guān)最小的一項。年均中雨日21.9 d，占比14.86%，僅次于小雨，但中雨年降水量達(dá)344.7 mm，占比33.20%，是曲靖市降水量貢獻(xiàn)率最大的降水事件。中雨日與年降水量顯著相關(guān)，相關(guān)達(dá)0.84。年均大雨日僅有8.1 d，占比5.48%，對總雨日的影響并不明顯。大雨年雨量達(dá)275.1 mm，占比26.61%，對年降水量的貢獻(xiàn)與小雨持平。但大雨日與年降水量相關(guān)達(dá)0.86，大雨日雖少，但其變化可導(dǎo)致年降水量顯著變化。暴雨發(fā)生頻率低，年暴雨日2.0 d，占比1.38%，表現(xiàn)為小概率降水事件。但暴雨降水強(qiáng)度強(qiáng)，達(dá)70.1 mm/d，其年雨量140.1 mm，占比13.58%。暴雨日與年降水量相關(guān)系數(shù)達(dá)0.76，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小雨日。

表1 曲靖市降水年均情況統(tǒng)計

表2 曲靖市各等級降水日與年降水量的相關(guān)系數(shù)

注：**表示通過0.05的顯著性檢驗.

2.2 各等級降水日和年降水量的空間歷年分布

利用Cressman插值算法對曲靖市9個大監(jiān)站的降水日數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到圖2。曲靖市各等級降水

日均呈現(xiàn)由“東南向西北”遞減的空間分布特征。曲靖市各縣(市)區(qū)年降水日126.9～195.3 d，高值位于羅平縣，低值位于會澤縣。各等級降水日的空間分布區(qū)域性差異明顯，年小雨日102.2～148.9 d，小雨日空間分布與年降水日相似，主要由于小雨日占比最大所致。中雨日年均18.2～27.8 d，馬龍、宣威、富源空間分布與年降水日存在明顯差異；年大雨日5.6～13.6 d，高值位于羅平、師宗大部、富源南部地區(qū)；年暴雨日0.8～5.1 d，暴雨局地性特征明顯，暴雨日大值主要在羅平大部、富源南部地區(qū)。年降水量的空間分布也呈現(xiàn)由“東南向西北”遞減的特征，羅平年降水量達(dá)1 606.6 mm，會澤僅有774.3 mm。

圖2 曲靖市(a)年降水日、(b)小雨日、(c)中雨日、(d)大雨日、(e)暴雨日、(f)年降水量的空間歷年分布

各等級降水日與年降水量的高低值落區(qū)基本一致，呈“東南向西北”遞減的特征，這可能與曲靖市“西北高東南低”的地勢相關(guān)，羅平、師宗、富源一帶是水汽到達(dá)曲靖市的必經(jīng)之地，降水的幾率較大。

2.3 各等級降水日和年降水量的歷年線性趨勢變化

繪制了降水日、小雨日、中雨日、大雨日、暴雨日、年降水量的歷年線性趨勢變化空間分布圖(圖3)。1974～2018年全市降水日、小雨日、中雨日均呈不同程度的減少趨勢。年降水日呈“南北兩端大于中間”的減少趨勢，除富源縣年降水減少不顯著，其余地區(qū)顯著減少。小雨日也有“南北兩端大于中間”的下降趨勢，其中馬龍大部、富源下降趨勢不顯著，且富源東部地區(qū)小雨日有緩慢增加的趨勢。中雨日也呈現(xiàn)出下降趨勢，南部師宗、羅平下降顯著。全市大雨日分布“有增有減”，麒麟、沾益、陸良呈減少趨勢，其余縣(市)區(qū)呈不顯著增加。暴雨日在曲靖市北部宣威、會澤增加，說明這些區(qū)域極端降水天氣突出。各等級降水日呈現(xiàn)不同的趨勢變化特征，年降水量也具有明顯線性變化趨勢，會澤呈緩慢增加，沾益、陸良、師宗局地、羅平大部呈顯著的減少趨勢。

注：打點區(qū)域表示通過0.05的顯著性檢驗

圖3 曲靖市(a)降水日、(b)小雨日、(c)中雨日、(d)大雨日、(e)暴雨日和(f)年降水量的氣候傾向率的空間分布

Fig.3 Spatial distribution of climate tendency rate of(a)precipitation days，(b)light-rainy days，(c)mid-rainy days，(d)heavy-rainy days，(e)rainstorm days，(f)annual precipitation in Qujing City

1974～2018年曲靖全市降水日、小雨日、中雨日發(fā)生頻率均呈減少趨勢。大雨、暴雨事件表現(xiàn)出明顯區(qū)域性特征。會澤、宣威大雨日、暴雨日呈一定增加趨勢；富源、馬龍、師宗、羅平大雨日增加，暴雨日減少；麒麟大雨日減少，暴雨日增加；沾益大雨日、暴雨日均減少。

2.4 各等級降水日和年降水量的年際變化趨勢

采用氣候傾向率和M-K突變檢驗，分析1974～2018年曲靖市各等級降水日和年降水量的年際變化趨勢(圖4)。年降水日整體呈減少趨勢，氣候傾向率為-5.01 d/10a，年均降水日為147.4 d。降水日峰值出現(xiàn)在1974年達(dá)169.7 d，2009年最少，僅為120.2 d。年降水日自20世紀(jì)70年代初期整體呈現(xiàn)下降趨勢。UF和UB曲線相交于1987年、1990年。1987年后年降水日突破了0.05的顯著性水平，故判定1987年為年降水日顯著減少的突變點。小雨日整體呈一定的減少趨勢，氣候傾向率為-3.967 d/10 a，年均小雨日為115.4 d。小雨日的峰值出現(xiàn)在1997年達(dá)135.0 d，2009年最少，僅為100.4 d。小雨日在20世紀(jì)80年代前呈上升趨勢，自20世紀(jì)80年代起整體呈現(xiàn)下降趨勢，UF和UB曲線相交于1993年，故1993年為小雨日顯著下降的突變點。中雨日20世紀(jì)90年代前呈振蕩變化趨勢，氣候傾向率-0.934 d/10 a，年均中雨日為21.9 d。中雨日的峰值出現(xiàn)在1986年，該年中雨日達(dá)29.6 d，2011年最少，為11.7 d。UF和UB曲線相交于2000年，2000年后中雨日持續(xù)減少，特別是2011年后減少趨勢十分顯著。大雨日呈現(xiàn)“減少—增多—減少—增多—減少—增多”的波動趨勢分布，氣候傾向率為-0.035 d/10a，趨勢性不明顯。年均大雨日為8.1 d。大雨日的峰值出現(xiàn)在1974年達(dá)11.9 d，2011年大雨日最少年3.8 d。暴雨日的UF曲線呈現(xiàn)出圍繞零線小范圍的上下波動現(xiàn)象，年際間趨勢變化不穩(wěn)定。歷年氣候傾向率為-0.074 d/10a，年暴雨日為2.0 d，峰值出現(xiàn)在1976年達(dá)3.4 d，1989年最少年0.6 d。

注：**表示通過0.05的顯著性檢驗

圖4 曲靖市(a)降水日、(b)小雨日、(c)中雨日、(d)大雨日、(e)暴雨日和(f)年降水量的歷年變化趨勢和突變的檢驗

Fig.4 Annual trends and mutation test of(a)precipitation days，(b)light-rainy days(c)mid-rainy days，(d)heavy-rainy days，(e)rainstorm days，(f)annual precipitation in Qujing City

降水量整體呈一定的減少趨勢，變化傾向率為-26.951 mm/10 a，年均降水量為1 036.0 mm。年降水量的峰值出現(xiàn)在1974年達(dá)1 347.3 mm，高出多年平均值的30.1%，2011年最少，僅有592.1 mm為多年平均值的57.2%。年降水量在20世紀(jì)90年代前圍繞零線作小范圍上下波動，自20世紀(jì)90年代后，整體呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢。因此，將降水量分為3個階段。第一階段為20世紀(jì)90年代前：年降水量穩(wěn)定少變，同時期小雨日呈“先增后減”趨勢；中雨日波動中有增有減；大雨日“先減后增”；暴雨日呈減少趨勢。1985～1987年，中雨日、大雨日增多導(dǎo)致年降水量增多。第二階段為進(jìn)入20世紀(jì)90年代：年降水量緩慢下降，小雨日、中雨日減少；大雨日“先減后增”；暴雨日微弱減少；印證了對降水貢獻(xiàn)率最大的中雨事件減少導(dǎo)致年降水量減少。第三階段為進(jìn)入21世紀(jì)：年降水量明顯減少，小雨日、中雨日顯著減少導(dǎo)致雨日顯著減少；大雨日增加；暴雨日微弱減少。中雨日變化趨勢與年降水量基本一致，再次驗證了中雨事件對曲靖市降水的重要貢獻(xiàn)。

3 特大干旱期的降水氣候特征分析

2009～2012年是曲靖市最近250年最干時期[23]，其中曲靖市遭遇了60年不遇的特大旱災(zāi)年，創(chuàng)下了有氣象資料記載以來的“四個歷史之最”[24-26]，干旱持續(xù)時間最長。為了解此次曲靖干旱期降水事件分布的差異，對2009～2012年曲靖市不同等級降水事件與多年平均(1981～2010年)做合成分析(表3)。2009～2012年曲靖市年不同等級降水事件與該地區(qū)氣候態(tài)的平均場相比，年降水量減少了215.8 mm，以中雨、大雨量減少為主，占比79.9%。降水日減少了17.5d；小雨日減少了9.2d；中雨日減少了5.5d，大雨日減少了2.5d，暴雨日減少了0.2d。其中，降水日、中雨日、大雨日通過了置信度為95%的顯著性檢驗，呈顯著減少。中雨、大雨事件的異常偏少與2009～2012年曲靖地區(qū)的嚴(yán)重干旱關(guān)系最大，而小雨、暴雨對此次嚴(yán)重干旱事件關(guān)系較小。

表3 曲靖市特大干旱期(2009～2012年)與氣候平均態(tài)的差值和t檢驗

Tab.3 Differences and t-test between the extreme drought period(2009～2012)and the climatological mean in Qujing City

降水等級雨量/mm雨日/d差值T值差值T值小雨-35.81.317-9.21.338中雨-87.61.804??-5.51.774??大雨-84.91.681??-2.51.701??暴雨-7.50.171-0.20.350合計-215.81.674-17.51.888??

注：**表示t檢驗通過0.05的顯著性檢驗.

4 結(jié)論

通過探討1974～2018年曲靖市各等級降水日與年降水量的氣候特征及其關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1)小雨是曲靖市主要降水事件；中雨是對年降水量貢獻(xiàn)率最大的降水事件；大雨和暴雨事件發(fā)生頻率低，但是降水強(qiáng)度高，與總雨量顯著相關(guān)，對年降水量具有顯著貢獻(xiàn)。

(2)曲靖市各等級降水日和年降水量呈現(xiàn)“東南向西北”遞減的分布，高值區(qū)分布在東南的羅平縣、師宗縣，低值區(qū)分布在會澤縣。

(3)曲靖市不同降水事件歷年變化的區(qū)域性分布特征明顯，全市降水日、小雨日、中雨日發(fā)生頻率均呈減少趨勢。會澤、宣威大雨日、暴雨日呈一定增加趨勢；富源、馬龍、師宗、羅平大雨日有增加趨勢，暴雨日為減少趨勢；麒麟大雨日減少，暴雨日增加；沾益大雨日、暴雨日均為減少趨勢。

(4)曲靖市年降水量變化分為3階段，20世紀(jì)90年代前穩(wěn)定少變；進(jìn)入20世紀(jì)90年代緩慢減少；進(jìn)入21世紀(jì)明顯減少。小雨日、中雨日進(jìn)入第二階段趨勢后持續(xù)性減少是導(dǎo)致總雨日減少的主要原因；尤其是中雨日明顯減少導(dǎo)致年降水量減少。

(5)曲靖市2009～2012年持續(xù)嚴(yán)重干旱背景下，中雨、大雨事件的異常偏少，是此段嚴(yán)重干旱期發(fā)生的最直接原因。