近50 a浙江降水分布的時空特征

王可欣 樓俊偉 俞涵婷

(1.臺州市椒江區(qū)氣象局，浙江 臺州 318000；2.武義縣氣象局，浙江 武義 321200)

0 引 言

當今，氣候變化及其對經(jīng)濟和社會的影響已成為廣泛關(guān)注的焦點，研究氣候變化規(guī)律及異常突變情況具有十分重要的意義，國內(nèi)外學(xué)者對區(qū)域降水變化做了諸多研究。Jones和Hulme等[1-2]研究表明，20世紀以來，全球陸面降水增加了大約1%。秦大河等[3]研究發(fā)現(xiàn)，近50 a來，中國年降水量總體呈減少趨勢，但降水分布具有明顯的南北差異。姜彤等[4]研究表明，長江流域的降水量略有增加，夏季增幅較顯著。何書樵等[5]對近50 a長江中下游地區(qū)降水特征進行分析指出，降水呈上升趨勢，但不顯著。

浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南翼，是“海上絲綢之路”的重要參與者，境內(nèi)地形起伏較大，自西南向東北呈階梯式傾斜狀態(tài)，包含平原、丘陵、盆地、山地、島嶼等多種地形，且處于長江流域雨帶和華南雨帶之間，又受熱帶氣旋影響，降水的區(qū)域性特征非常明顯。近年來一些學(xué)者對浙江及其區(qū)域內(nèi)部分地區(qū)展開了氣候特征研究，肖晶晶等[6]研究發(fā)現(xiàn)1901—2017年浙江省年降水量無明顯線性變化趨勢，但存在56 a和35 a兩個變化主周期；降水氣候傾向率呈東北高西南低的分布特征，各地數(shù)值分布在-15.6～19.1 mm·(10a)-1之間。吳昊旻等[7]研究發(fā)現(xiàn)，近39 a，浙江省夏、秋季降水量在空間上呈東南沿海地區(qū)偏多、其他地區(qū)相對偏少的分布特征，在時間上存在不同時間尺度的周期振蕩，以6～10 a周期的振蕩較為明顯，并且8.7 a周期振蕩最顯著。

目前，針對浙江省降水量的研究大多采用“全省平均”的方法來分析，這樣會導(dǎo)致時間特征被平滑，造成降水的周期變化不明顯。針對以上問題，本文基于浙江省63個國家氣象觀測站近50 a(1971—2020年)的降水資料進行空間特征分析，在此基礎(chǔ)上，對全省進行區(qū)域劃分，對比分析不同區(qū)域降水的時間特征，以期進一步了解浙江省的氣候變化特征，為浙江開展區(qū)域化氣候變化的監(jiān)測、診斷、評估、預(yù)報預(yù)警及對策提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于浙江省氣候中心提供的浙江省全部63個國家氣象觀測站的降水量逐月統(tǒng)計值，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制。時段劃分：年統(tǒng)計按照每年的1—12月之和，四季資料以3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12月、次年1、2月為冬季[8]。

1.2 研究方法

利用浙江省63個國家氣象觀測站近50 a(1971—2020年)的逐月降水統(tǒng)計資料，首先基于ArcGIS分析全省降水的空間分布特征，在此基礎(chǔ)上，以全省平均降水1516 mm等值線為分界線，將全省劃分成低值區(qū)(Ⅰ區(qū))與高值區(qū)(Ⅱ區(qū))；其次,采用一元線性回歸法研究高、低值區(qū)降水的時間變化趨勢；運用M-K(Mann-Kendall)趨勢分析法確定高、低值區(qū)降水的突變特征；最后利用Morlet小波分析法掌握高、低值區(qū)降水的周期變化規(guī)律。

2 浙江省降水的空間分布特征

從浙江省近50 a平均降水量的空間分布分析可知，浙江省年平均降水量大致表現(xiàn)為自西南向東北遞減，南北相差懸殊，降水量最大的站點為浙南的泰順站，年平均降水量為2029.4 mm，最少的為嵊泗站，年平均降水量僅為1102.2 mm，兩者幾乎相差一半。全省50 a平均降水1516 mm等值線位于杭州南—麗水北—寧波一線。

2.1 浙江省降水年代際空間分布特征

基于1970年代、1980年代、1990年代、2000年代以及2010年代5個不同年代，對全省降水量進行分析。所有年代際降水量均表現(xiàn)為自西南向東北遞減，1970年代至2000年代平均線表現(xiàn)為南北震蕩，北部降水明顯低值區(qū)以及南部降水明顯高值區(qū)范圍變化不大，2000年代至2010年代平均線大幅北抬。1970年代全省降水明顯大值區(qū)位于溫州南以及衢州西，平均線處于杭州南—麗水中—寧波一線；1980年代較1970年代平均線略北抬，明顯大值區(qū)只表現(xiàn)在溫州南；1990年代平均線進一步北抬，衢州西再次呈現(xiàn)明顯的大值區(qū)，溫州南明顯大值區(qū)維持，寧波—臺州沿海地區(qū)降水減少；2000年代平均線南落，衢州西大值區(qū)再一次消失，寧波—臺州沿海地區(qū)較1990年代降水增多；2010年代平均線大幅北抬至湖州北—舟山一帶，表明2010年代全省降水大范圍增多，且寧波沿海地區(qū)第一次表現(xiàn)出降水次大值區(qū)。

2.2 浙江省降水的四季空間分布特征

從全省各季節(jié)降水量空間分布分析可知，各季節(jié)降水量空間分布差異明顯，春季降水量表現(xiàn)為自西南向東北遞減，且?guī)罘植继卣魇置黠@，高值區(qū)在衢州西—麗水西一帶，低值區(qū)在湖州—舟山一帶；夏季主要表現(xiàn)為南多北少，高值區(qū)位于臺州北—溫州南，低值區(qū)位于湖州—舟山；秋季表現(xiàn)為東多西少，高值區(qū)位于寧波—舟山—溫州南沿海一帶，低值區(qū)主要位于浙西山地；冬季表現(xiàn)為西多東少，高值區(qū)位于浙西地區(qū)，低值區(qū)位于沿海一帶。

3 浙江省降水的時間變化趨勢

3.1 浙江省降水的時間演變特征

1971—2020年全省平均降水量的年際變化見圖1a。浙江省平均降水量年際變化波動較大，多雨年和少雨年交替出現(xiàn)，整體呈波動上升趨勢，氣候傾向率為37.07 mm·(10a)-1，近50 a區(qū)域平均降水量為1516 mm。由圖1c可見，I區(qū)降水量年際變化趨勢與全省年際變化特征更為接近，氣候傾向率為45.75 mm·(10a)-1，整體上升趨勢更明顯；Ⅱ區(qū)(圖1e)較全省年際變化波動更大，但整體上升趨勢較緩，氣候傾向率為23.42 mm·(10a)-1。根據(jù)5年滑動平均，全省、Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)平均降水量均表現(xiàn)為：1978年之前降水量上升，1978—1982年減少，1982—1985年又明顯增加，1985—2002年為緩慢上升期，2002—2007年明顯減少，此后又迅速增加。

由近50 a平均降水量的M-K檢驗曲線可見，全省(圖1b)以及Ⅰ區(qū)(圖1d)的UF、UB曲線均在2011年震蕩相交，表明在2011年降水量存在突變。而Ⅱ區(qū)(圖1f)在近50 a期間，UF、UB曲線存在多個交點，不能確定Ⅱ區(qū)降水量的突變年份。

圖1 1971—2020年平均降水量的年際變化(a.浙江省、c.Ⅰ區(qū)、e.Ⅱ區(qū))和1971—2016年M-K檢驗曲線(b.浙江省、d.Ⅰ區(qū)、f.Ⅱ區(qū))

根據(jù)小波變化系數(shù)在不同頻域內(nèi)的方差貢獻的極大值，可以確定該頻域內(nèi)信號變化的主要顯著尺度[9]。為了更清楚地判斷年平均降水量的主要時間尺度周期，采用Morlet小波對年平均降水進行分析。全省(圖2a)、Ⅰ區(qū)(圖2b)以及Ⅱ區(qū)(圖2c)的年平均降水量，在置信區(qū)間內(nèi)均有小于4 a(主要周期為2 a)的周期變化規(guī)律。

3.2 浙江省降水的四季演變特征

由圖3a可知，浙江省降水主要集中在3—9月，占全年降水總量的76.6%。平均月降水量最大為發(fā)生在6月的243.1 mm，是月平均值的1.9倍，極端最大值出現(xiàn)在1994年6月，全省月平均降水量為418.0 mm；平均月降水量最小為發(fā)生在12月的54.8 mm，僅占月平均值的43.4%，極端最小值出現(xiàn)在1973年12月，全省月平均降水量僅為0.2 mm。Ⅰ區(qū)(圖3b)、Ⅱ區(qū)(圖3c)的月變化趨勢與全省基本一致，但Ⅰ區(qū)6—7月的降水量對汛期(3—9月)降水總量的貢獻比大于Ⅱ區(qū)，這與Ⅰ區(qū)較Ⅱ區(qū)地理位置偏北、大部分站點處于長江中下游典型梅雨帶、梅汛降水較Ⅱ區(qū)更集中的經(jīng)驗相吻合。

結(jié)合圖3d可以發(fā)現(xiàn)，浙江省降水量也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，春季平均降水量為442.0 mm，夏季為574.7 mm，秋季為290.4 mm，冬季為210.2 mm，降水主要集中在春、夏季，降水量占全年總降水量的67%，秋、冬季降水較少，冬季降水量只占全年的14%。結(jié)合影響浙江的天氣系統(tǒng)分析可知，春季開始，冷暖氣流交匯趨于頻繁，有利于出現(xiàn)降水天氣；夏季隨著副高的北抬，浙江省處在其外圍活躍的西南急流中，豐富的水汽輸送條件和動力條件帶來大量降水，夏季暴雨出現(xiàn)頻繁；秋、冬季隨著副高的南退，動力條件和水汽條件相對較差，降水減弱。

圖2 年平均降水量小波變換系數(shù)圖和小波方差圖(a.浙江省、b.Ⅰ區(qū)、c.Ⅱ區(qū))

圖3 平均降水量月變化(a.浙江省、b.Ⅰ區(qū)、c.Ⅱ區(qū))及季節(jié)變化(d.浙江省、Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū))

表1為各區(qū)域不同季節(jié)氣候傾向率。從浙江省1971—2020年各季節(jié)平均降水量年際變化可知，全省降水量除春季以9.67 mm·(10a)-1的速度減少外，其他3個季節(jié)降水量均呈現(xiàn)增加趨勢，其中，夏季以28.13 mm·(10a)-1的速度顯著增加，且增速最為明顯，秋季增速最小，為3.89 mm·(10a)-1，冬季為13.47 mm·(10a)-1。Ⅰ區(qū)春季降水減少趨勢較Ⅱ區(qū)和全省緩慢，Ⅱ區(qū)夏季和冬季降水增速較Ⅰ區(qū)和全省偏大。

表1 各區(qū)域不同季節(jié)氣候傾向率

根據(jù)5年滑動平均分析可知，全省、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)降水量春季距平波動均相對較弱，總體緩慢減少，但在2009年后，降水量波動增加；夏季降水量在2001—2008年波動明顯減少，在其余時段則波動增加；秋、冬季降水量在平衡位置附近有較明顯的波動，整體呈現(xiàn)上升趨勢。

由各季節(jié)平均降水量的M-K檢驗曲線可知，全省春季降水量UF與UB曲線在1993—1995年期間相交，但正反序列均未超過1.96置信線，表明全省春季降水量可能在1993—1995年間發(fā)生突變；I區(qū)突變時間與全省突變時間一致，但Ⅱ區(qū)突變時間略有推遲，為1997—1999年間。全省夏季UF曲線均在0線之上，且1994年之后超過1.96置信線，表示夏季降水量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，這與夏季降水量的年際變化特點以及氣候傾向率相吻合，且UF與UB曲線在1983—1988年間有交點，說明在該期間存在突變；I區(qū)UF與UB曲線在1974—1978年間、1982年、1985年、2002年、2008年多次相交，但正反序列超過1.96置信線，說明I區(qū)夏季降水量在多個年份存在突變可信且降水量變化劇烈；Ⅱ區(qū)UF與UB曲線僅在1989年相交，即突變時間為1989年。秋季全省UF與UB曲線在2012年以及2019年相交，即秋季降水量在2012年、2019年發(fā)生突變；I區(qū)除在2012年突變外，在1973—1975年間也有突變點；Ⅱ區(qū)在1973—1974年間以及2007—2009年間發(fā)生突變。全省冬季降水量在2001—2007年間頻繁發(fā)生多雨年—少雨年的轉(zhuǎn)換，并且在2016—2018年間有一個少雨年—多雨年的突變(2016年冬季雨量為114.4 mm，2018年冬季雨量為391.8 mm，后者為前者的3.4倍)，可以得出突變發(fā)生在2001—2007年間以及2017年；I區(qū)突變年份與全省一致；Ⅱ區(qū)除在上述年份發(fā)生了突變外，在1997年也發(fā)生了突變。

從四季平均降水量周期分析可知，全省、Ⅰ區(qū)以及Ⅱ區(qū)各季節(jié)降水量均存在2～4 a的年際變化周期，且正負信號強度基本貫穿于整個時間域，具體表現(xiàn)為“多雨年—少雨年—多雨年……”的交替。此外，全省夏季在20世紀80年代中期—90年代中期，還疊加著4～6 a的變化周期，秋季和冬季在80年代分別存在6 a和5 a的變化周期；Ⅱ區(qū)秋季在80年代前期,存在6～8 a的變化周期，冬季在80年代后期至21世紀00年代前期,存在5 a的震蕩周期。

4 結(jié) 語

本文利用浙江省1971—2020年的逐月降水統(tǒng)計資料，采用Kriging插值法對全省降水做空間插值，并基于年代際進行對比分析，同時以1516 mm降水平均線為界劃分低值區(qū)(Ⅰ區(qū))以及高值區(qū)(Ⅱ區(qū))。運用一元線性回歸、M-K趨勢分析、Morlet小波分析等方法分別對全省以及Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)降水趨勢變化的時間特征進行分析，得出結(jié)論如下。

(1)在空間分布上，近50 a全省平均降水量以及不同年代際年平均降水量均表現(xiàn)為自西南向東北遞減，南北相差懸殊；各季節(jié)降水量空間分布差異明顯，春季自西南向東北遞減，夏季南多北少，秋季東多西少，冬季西多東少。

(2)通過趨勢分析，近50 a來，浙江省年平均降水量整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，氣候傾向率為37.07 mm·(10a)-1，年際波動較大，多雨年和少雨年交替出現(xiàn)，且降水主要集中在春季和夏季；除春季降水量呈現(xiàn)波動下降趨勢外，夏季、秋季、冬季降水量均呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中夏季上升趨勢最為明顯，氣候傾向率達28.13 mm·(10a)-1；I區(qū)降水量年際變化趨勢與全省年際變化特征更接近，整體上升趨勢更明顯；Ⅱ區(qū)較全省年際變化波動更大，但整體上升趨勢較緩。

(3)通過M-K檢驗，全省和Ⅰ區(qū)年平均降水量均在2011年存在突變，Ⅱ區(qū)降水量沒有確定的突變年份。各季節(jié)突變時間如下，春季全省為1993—1995年間，I區(qū)與全省一致，Ⅱ區(qū)略有推遲，為1997—1999年間；夏季全省為1983—1988年間，I區(qū)夏季降水量在多個年份存在突變可信，Ⅱ區(qū)為1989年；秋季全省為2012年和2019年，I區(qū)為1973—1975年間以及2012年，Ⅱ區(qū)為1973—1974年間以及2007—2009年間；冬季全省為2001—2007年間以及2017年，I區(qū)與全省一致，Ⅱ區(qū)除在上述年份發(fā)生突變外，在1997年也發(fā)生了突變。

(4)通過Morlet小波分析，全省、I區(qū)以及Ⅱ區(qū)年平均降水量與各季節(jié)平均降水量在置信區(qū)間內(nèi)均有小于4 a(主要周期為2 a)的周期變化規(guī)律，但存在周期變化的時間段不同。