長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)演變及其非平穩(wěn)性

吳 雷,許有鵬,王 強,徐 羽,高 斌

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036；2. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023；3. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系,浙江 寧波 315211)

在氣候變化和人類活動影響加劇的大背景下,局地乃至全球尺度的降水結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化,導(dǎo)致暴雨、洪水、干旱等極端水文氣象事件頻發(fā),在一定程度上影響了區(qū)域的水安全與可持續(xù)發(fā)展[1- 2]。降水作為水循環(huán)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其形成的環(huán)境背景正在發(fā)生變化,引發(fā)人們開始審視水文平穩(wěn)性是否已經(jīng)被打破、基于水文平穩(wěn)性假設(shè)構(gòu)建的水資源管理體系是否可靠[3- 4]。因此,變化環(huán)境下降水結(jié)構(gòu)演變及其平穩(wěn)/非平穩(wěn)性研究成為水科學(xué)研究的熱點問題。

已有研究從不同角度開展了降水結(jié)構(gòu)演變特征分析,如宋曉猛等[5]采用降水發(fā)生率和降水貢獻(xiàn)率指標(biāo),分析了北京地區(qū)不同降水歷時和不同降水等級的時空演變規(guī)律；Wu等[6]通過11個極端降水指數(shù),探討了長江中下游地區(qū)極端降水的時空變化趨勢；黃國如等[7]基于7種模式雨型,分析了珠江三角洲地區(qū)暴雨雨型的變化規(guī)律。在降水結(jié)構(gòu)演變非平穩(wěn)性識別方面,現(xiàn)有研究主要考察降水序列均值或方差的突變和趨勢性,常用的檢測方法有Pettitt和Mann- Kendall檢驗法,也有研究將降水極值序列的突變和趨勢統(tǒng)一納入廣義可加模型中進(jìn)行分析[8- 9]。此外,可以通過比較平穩(wěn)/非平穩(wěn)極值統(tǒng)計模型的擬合優(yōu)度來判斷降水序列是否具有平穩(wěn)性[10]。

長江三角洲城市群(簡稱長三角地區(qū))是全球六大城市群之一,過去幾十年其降水結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。Han等[11]對長三角地區(qū)1957—2013年逐日降水量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),1～2 d歷時降水的發(fā)生率和貢獻(xiàn)率呈增加趨勢,≥3 d歷時降水的發(fā)生率和貢獻(xiàn)率呈減少趨勢；Yuan等[12]通過9個極端降水指數(shù)分析發(fā)現(xiàn),長三角地區(qū)1960—2016年呈變濕趨勢；Lu等[13]發(fā)現(xiàn)非平穩(wěn)廣義極值分布對年最大1 d和5 d降水的擬合效果更好,指出城市擴張會增加極端降水的量級及其在不同重現(xiàn)期下的重現(xiàn)水平。

以往研究對降水結(jié)構(gòu)演變及其非平穩(wěn)性分析大多集中在極端降水方面,對降水結(jié)構(gòu)演變的整體認(rèn)識有待深化；相關(guān)研究多局限于現(xiàn)象描述,而定量化的歸因分析相對缺乏。本文基于長三角地區(qū)72個站點1960—2016年逐日降水量觀測數(shù)據(jù),科學(xué)運用Pettitt與Mann- Kendall方法,從降水量、降水日數(shù)、降水強度和不同等級降水(小雨、中雨、大雨與暴雨)發(fā)生率方面,分析長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)演變及其非平穩(wěn)性特征,并揭示其與大尺度環(huán)流系統(tǒng)變化和城市化的關(guān)系,以期為區(qū)域水資源管理和防洪減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長三角地區(qū)在上海、江蘇、浙江、安徽范圍內(nèi),由以上海為核心、聯(lián)系緊密的26個城市組成,是中國經(jīng)濟最具活力、城市化水平最高的區(qū)域之一。地勢由南向北傾斜,地形以平原為主(圖1(a))。氣候類型屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨。據(jù)1960—2016年長三角地區(qū)72個站點平均降水量統(tǒng)計(圖1(b)),夏季(6—8月)降水量約483.8 mm(350.7 ～ 601.3 mm),約占全年降水量的41.5%(33.4%～56.2%)。

圖1 長三角地區(qū)地形特征與夏季平均降水量空間分布Fig.1 Spatial distribution of topographic feature and average summer precipitation in the Yangtze River Delta

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 降水?dāng)?shù)據(jù)

本文選取長三角地區(qū)72個站點1960—2016年夏季逐日(日界為北京時間8時)降水量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集3.0版(http:∥data.cma.cn)和長江流域太湖區(qū)水文年鑒(圖1(b))。上述站點在研究期內(nèi)均不存在數(shù)據(jù)缺測和觀測場地變化,所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過合理性檢查,質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范要求。通常認(rèn)定日降水量≥0.1 mm為有降水發(fā)生,因此將微量日降水(<0.1 mm)記為無降水(0 mm)。

2.1.2 東亞夏季風(fēng)指數(shù)

東亞夏季風(fēng)是中國東部夏季天氣與氣候的主要驅(qū)動力和降水源[14],本文采用Li等[15]提出的東亞夏季風(fēng)指數(shù)(East Asian Summer Monsoon Index,EASMI)來描述東亞夏季風(fēng)的強度,采用的數(shù)據(jù)時段為1948—2017年(http:∥ljp.gcess.cn)。

2.1.3 土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)

20世紀(jì)70年代末、80年代末和1995年、2005年、2015年共5期1 km分辨率土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集,來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn),該數(shù)據(jù)集以相應(yīng)時期Landsat系列遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,采用人工目視解譯方法,將土地利用類型分為6個一級類型和25個二級類型,其總體精度分別優(yōu)于94.3%和91.2%[16]。

2.2 研究方法

2.2.1 降水結(jié)構(gòu)指標(biāo)

本文主要從降水量、降水日數(shù)、降水強度和不同等級降水(小雨、中雨、大雨與暴雨)發(fā)生率方面,分析長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)的時空演變及其非平穩(wěn)性特征。根據(jù)采用的降水?dāng)?shù)據(jù)特點,定義8時至次日8時降水量≥0.1 mm為1個降水日。參考國家標(biāo)準(zhǔn)《降水量等級：GB/T 28592―2012》,將日降水量劃分為小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)和暴雨(≥50.0 mm)共4個等級。定義降水強度為發(fā)生降水日降水量的平均值；降水發(fā)生率為某一等級降水發(fā)生的日數(shù)占總降水日數(shù)的比值。

2.2.2 非平穩(wěn)性分析

非平穩(wěn)時間序列中最典型的是均值隨時間而改變,使序列表現(xiàn)出明顯的急劇變化(突變)或緩慢變化(漸變)。時間序列是否存在突變或漸變,可以通過參數(shù)或非參數(shù)檢驗方法進(jìn)行統(tǒng)計推斷。由于水文數(shù)據(jù)大多是偏態(tài)且不服從同一分布,因而非參數(shù)檢驗方法在水文統(tǒng)計領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[17]。本文分別采用Pettitt和Mann- Kendall非參數(shù)檢驗法,對各站點降水序列進(jìn)行突變點識別和趨勢性診斷。這2種方法均采用秩和作為統(tǒng)計量進(jìn)行假設(shè)檢驗,具有適用范圍廣、受異常值干擾小的特點,是目前水文序列突變和漸變分析中應(yīng)用較多且具有理論意義的方法。

Pettitt和Mann- Kendall檢驗法均要求序列數(shù)據(jù)獨立,水文序列數(shù)據(jù)的獨立性主要考察其一階自相關(guān)性。去趨勢預(yù)置白算法(Trend- free Pre- whiting,TFPW)是Yue等[18]為消除時間序列的自相關(guān)性對Mann- Kendall檢驗結(jié)果的影響而提出的一種預(yù)處理方法。本文將該方法應(yīng)用在Pettitt和Mann- Kendall檢驗之前,通過去趨勢算法剔除趨勢項對自相關(guān)系數(shù)估計的影響,通過預(yù)置白算法剔除一階自相關(guān)項對檢驗結(jié)果的影響。

2.2.3 城市化影響貢獻(xiàn)率

城市化降水效應(yīng)可以通過城市、郊區(qū)降水序列的趨勢差異來反映,而城市化對這種趨勢差異的貢獻(xiàn)率即為城市化影響貢獻(xiàn)率(Contribution Rate of Urbanization,RCU),其計算公式為[19]

(1)

式中：Tu和Tr分別為城市、郊區(qū)降水序列的斜率。一般情況下,-100%100%或RCU<-100%,說明存在未知的當(dāng)?shù)厝藶榛蜃匀灰蛩赜绊懗鞘谢蚪紖^(qū)的降水,此情況視同為RCU=±100%。

3 結(jié)果與討論

3.1 突變分析與漸變分析的關(guān)系

突變是時間序列在特定時間節(jié)點不經(jīng)過任何過渡階段從一種模態(tài)向另一種模態(tài)的轉(zhuǎn)變；漸變是時間序列穩(wěn)定而規(guī)則的緩慢變化,并且這種趨勢在整個時間序列中保持不變。因此,若時間序列存在顯著突變,則不存在漸變趨勢。圖2是以夏季降水量為例,從長三角地區(qū)36個存在顯著均值突變的站點中選取的4個代表站(黑色虛線表示突變分段線,對應(yīng)的年份為突變時間點)。從計算結(jié)果來看,其整體序列均為顯著增加趨勢,而突變點前后子序列的趨勢方向有增/增、增/減、減/增、減/減4種組合形式,表明對存在顯著突變的時間序列進(jìn)行趨勢分析將得出錯誤的結(jié)論；子序列的趨勢方向與整體序列的趨勢方向沒有必然的聯(lián)系。因此,下文將首先對降水序列進(jìn)行突變分析,而后對無顯著突變的序列進(jìn)行趨勢分析。

圖2 突變分析與漸變分析的關(guān)系Fig.2 Relationship between abrupt change analysis and gradual change analysis

3.2 降水量、降水日數(shù)與降水強度演變及其非平穩(wěn)性特征

長三角地區(qū)72個站點1960—2016年夏季降水量、降水日數(shù)與降水強度的均值突變和漸變趨勢如圖3所示(圖中三角形表示均值突變通過0.05顯著性檢驗的站點,向上表示突變后均值大于突變前；括號內(nèi)數(shù)字表示站點數(shù)；顯著增加表示存在顯著(p<0.05)增加趨勢,其他依此類推；左上角是均值突變時間頻數(shù)柱形圖)。降水量發(fā)生均值突變的站點主要分布在環(huán)太湖地區(qū),突變后子序列的均值增大,突變時間跨越1974—1997年,其中位于1978年、1979年的站點有24個(66.7%),表現(xiàn)出明顯的時空集聚特征(圖3(a));此外,僅有2個位于長三角北部的站點降水量呈減少趨勢,其余站點均呈增加趨勢,其中10個站點為顯著增加趨勢(圖3(d))。降水日數(shù)發(fā)生均值突變的站點僅有4個(圖3(b)),而存在漸變趨勢的站點達(dá)到68個,以增加趨勢為主(53個),但其中僅有1個站點為顯著增加趨勢(圖3(e))。降水強度發(fā)生均值突變的站點主要分布在環(huán)太湖地區(qū),突變時間位于20世紀(jì)70年代末和80年代；另有部分站點沿長江分布,突變時間位于20世紀(jì)80年代末和90年代,這可能與區(qū)域間城市化進(jìn)程差異有關(guān)(圖3(c))。降水強度存在漸變趨勢的站點以增加趨勢為主,其中7個站點為顯著增加趨勢,在空間分布上沒有明顯的規(guī)律(圖3(f))。

圖3 長三角地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)與降水強度的均值突變與漸變趨勢空間分布Fig.3 Distributions of change point and trend for amount,days and intensity of summer precipitation

總體而言,長三角地區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)和降水強度均以增大為主(突變后子序列的均值增大或漸變趨勢為增加趨勢),占比分別為97.2%、75.0%和98.6%。其中,降水量和降水強度非平穩(wěn)的站點分別有46個(63.9%)與49個(68.1%),主要集中在環(huán)太湖地區(qū)；降水日數(shù)非平穩(wěn)的站點有7個(9.7%),其中3個表現(xiàn)為減少的站點分布在長三角地區(qū)北部,另外4個表現(xiàn)為增加的站點分布在杭州灣附近。

3.3 不同等級降水發(fā)生率演變及其非平穩(wěn)性特征

長三角地區(qū)72個站點1960—2016年夏季不同等級降水發(fā)生率的均值突變和漸變趨勢,如圖4所示(圖例含義同圖3)。小雨發(fā)生率存在均值突變的站點主要集中在環(huán)太湖地區(qū),突變后子序列的均值減小(圖4(a));此外,僅有3個站點呈增加趨勢,其余站點均呈減少趨勢,其中6個站點為顯著減少趨勢(圖4(e))。中雨發(fā)生率存在均值突變的站點僅有2個(圖4(b)),另外有40個站點呈增加趨勢,30個站點呈減少趨勢,但均未達(dá)到0.05顯著性水平(圖4(f))。大雨發(fā)生率存在均值突變的站點主要分布在上海及周邊地區(qū),突變后子序列的均值增大,突變時間位于1978—1994年,其頻數(shù)分布相對均勻(圖4(c));大雨發(fā)生率呈漸變趨勢的站點以增加趨勢為主,其中4個站點為顯著增加趨勢(圖4(g))。暴雨發(fā)生率存在均值突變的站點主要分布在太湖流域,突變后子序列的均值增大,突變時間位于20世紀(jì)80年代初期和末期的站點相對較多(圖4(d));此外,僅有1個站點呈減少趨勢,其余站點均呈增加趨勢,其中11個站點為顯著增加趨勢(圖4(h))。

圖4 長三角地區(qū)夏季不同等級降水發(fā)生率的均值突變與漸變趨勢空間分布Fig.4 Distributions of change point and trend for the incidence rate of different precipitation grades in summer

總體而言,長三角地區(qū)夏季小雨發(fā)生率以減少為主(95.8%),而中雨至暴雨發(fā)生率以增加為主,占比分別為56.9%、84.7%和98.6%。小雨發(fā)生率非平穩(wěn)的站點有31個(43.1%),表現(xiàn)為單調(diào)減少；大雨和暴雨發(fā)生率非平穩(wěn)的站點分別有17個(23.6%)和38個(52.8%),均表現(xiàn)為單調(diào)增加,三者都在太湖流域分布相對集聚。此外,三者均值突變發(fā)生的時間主要分布在20世紀(jì)70年代后期至80年代,這一時期也是長三角地區(qū)城市化快速發(fā)展初期。中雨發(fā)生率非平穩(wěn)的站點僅有2個(2.8%),其時空分布沒有明顯的規(guī)律。簡而言之,長三角地區(qū)夏季暴雨發(fā)生率演變及其非平穩(wěn)性表現(xiàn)最為明顯,而后依次為小雨、大雨和中雨發(fā)生率。

3.4 夏季降水結(jié)構(gòu)演變成因分析

3.4.1 夏季降水結(jié)構(gòu)演變與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系

為分析東亞夏季風(fēng)強度的變化規(guī)律,本文計算了1948—2017年標(biāo)準(zhǔn)化東亞夏季風(fēng)指數(shù),如圖5所示。東亞夏季風(fēng)表現(xiàn)出先強后弱的年代際變化過程,即20世紀(jì)40年代末至70年代東亞夏季風(fēng)異常偏強,而70年代末突然減弱。在0.05顯著性水平下,1960—2016年東亞夏季風(fēng)強度呈顯著減弱趨勢,線性傾向率約為-0.16/(10 a)。

圖5 1948—2017年標(biāo)準(zhǔn)化東亞夏季風(fēng)指數(shù)過程Fig.5 Normalized time series of EASMI for the period of 1948—2017

采用Spearman相關(guān)系數(shù)對東亞夏季風(fēng)指數(shù)與長三角地區(qū)72個站點的降水序列進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如圖6所示(左下角小圖為相關(guān)系數(shù)累積分布函數(shù))。夏季降水量、降水日數(shù)和降水強度分別有70個(97.2%)、70個和52個(72.2%)站點與東亞夏季風(fēng)指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明弱(強)東亞夏季風(fēng)對應(yīng)多數(shù)站點的夏季降水量多(少)、降水日數(shù)多(少)、降水強度大(小)。Li等[15]也發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)強度與長江中下游地區(qū)夏季降水之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。究其原因,Ge等[20]認(rèn)為東亞夏季風(fēng)偏強的年份,西太平洋副熱帶高壓偏北,季風(fēng)雨帶長時間位于華南和華北地區(qū),導(dǎo)致梅雨期偏短,降水偏少；而東亞夏季風(fēng)偏弱的年份,西太平洋副熱帶高壓偏南,季風(fēng)雨帶長時間停留在長江中下游地區(qū),導(dǎo)致梅雨期偏長,降水偏多。梅雨區(qū)降水主要位于長江中下游地區(qū),梅雨期降水量約占該地區(qū)夏季降水總量的45%[14]。就夏季不同等級降水發(fā)生率而言,有63個(87.5%)站點的小雨發(fā)生率與東亞夏季風(fēng)指數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系；與之相反,分別有62個(86.1%)、55個(76.4%)和40個(55.6%)站點的中雨至暴雨發(fā)生率與東亞夏季風(fēng)指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明弱(強)東亞夏季風(fēng)對應(yīng)多數(shù)站點的小雨發(fā)生率少(多),而中雨至暴雨發(fā)生率多(少)。

值得注意的是,東亞夏季風(fēng)強度與長三角地區(qū)夏季降水序列之間的相關(guān)程度較低,相關(guān)系數(shù)為-0.42～0.38,并且通過0.05顯著性檢驗的站點所占比例較小(2.8%～19.4%),其空間分布也沒有明顯的規(guī)律。究其原因,可能是東亞夏季風(fēng)強度與長三角地區(qū)夏季降水之間的關(guān)系具有多面性,此關(guān)系取決于大氣環(huán)流場的整體配置;季風(fēng)雨帶的移動及相應(yīng)的降水配置,除了與東亞夏季風(fēng)強度有關(guān),還受到西太平洋副熱帶高壓北上程度和中高緯阻塞形勢的共同影響[21];此外,局地天氣尺度環(huán)流也是影響夏季降水的重要因素[22- 23]。上述各種因素變化組合的多樣性,增加了東亞夏季風(fēng)強度與長三角地區(qū)夏季降水之間關(guān)系的復(fù)雜程度和不確定性。

圖6 東亞夏季風(fēng)指數(shù)與長三角地區(qū)夏季降水序列的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between the time series of EASMI and precipitation

3.4.2 夏季降水結(jié)構(gòu)演變與城市化的關(guān)系

改革開放以來,長三角地區(qū)經(jīng)歷了快速的城市化過程,大量植被、水域等自然景觀被道路、房屋等人工建筑物所取代,形成了獨特的城市冠層結(jié)構(gòu)。如圖7所示,20世紀(jì)70年代末,長三角地區(qū)城鎮(zhèn)用地和交通、工礦用地分別為2 580 km2與784 km2,到2015年已擴張至7 937 km2與3 095 km2。城市化引起的土地利用與覆被變化會改變區(qū)域熱力、動力等陸面物理特征,引起局地大氣環(huán)流系統(tǒng)變化,進(jìn)而影響區(qū)域降水。

圖7 20世紀(jì)70年代末至2015年長三角地區(qū)土地利用變化Fig.7 Land use changes over the Yangtze River Delta from the late 1970s to 2015

為揭示城市化對長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)的影響,本文以城市化發(fā)展最為迅速的太湖流域為典型,選取上海、蘇州、無錫、常州、杭州、嘉興、湖州等地的城市與郊區(qū)代表站進(jìn)行分析,其空間距離臨近(14.7～30.9 km),可以認(rèn)為兩者處在相同的大尺度環(huán)流系統(tǒng)背景下(圖8)。本文以城市與郊區(qū)站點降水指標(biāo)的均值為分析對象,以避免單對站點代表性不足。

圖8 城市與郊區(qū)雨量站的空間分布Fig.8 Spatial distribution of rain gauges in urban and suburban areas

以1978年為界,1960—1978年為城市化緩慢發(fā)展階段,1979—2016年為城市化快速發(fā)展階段；該時間節(jié)點也是東亞夏季風(fēng)由強轉(zhuǎn)弱的轉(zhuǎn)折點[21]。由表1可知,1960—1978年城市夏季降水量和降水日數(shù)高于郊區(qū),降水強度低于郊區(qū);而1979—2016年3個指標(biāo)均表現(xiàn)為城市高于郊區(qū)。對比2個階段的變化,可以發(fā)現(xiàn)城市化快速發(fā)展階段3個指標(biāo)在城市與郊區(qū)均有所增加。其中,降水量增幅最大,其次為降水強度,降水日數(shù)增幅最?。怀鞘薪邓亢徒邓畯姸鹊脑龇笥诮紖^(qū),而降水日數(shù)的增幅小于郊區(qū)。RCU結(jié)果表明,1979—2016年城市化對夏季降水量和降水強度有增加作用,對降水日數(shù)有減少作用,城市化影響貢獻(xiàn)率分別為25.4%、27.9%和-37.3%。敖翔宇等[24]利用WRF(Weather Research and Forecasting)模擬發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,并指出降水日數(shù)的減少主要是由于城市化使小雨日數(shù)減少引起的。

表1 城市與郊區(qū)夏季降水量、降水日數(shù)與降水強度變化差異及城市化影響貢獻(xiàn)率

城市與郊區(qū)夏季不同等級降水發(fā)生率變化差異及城市化影響貢獻(xiàn)率,如表2所示。與1960—1978年相比,1979—2016年城市與郊區(qū)夏季小雨發(fā)生率均減少,而大雨和暴雨發(fā)生率均增加。其中,暴雨發(fā)生率變化最大,其次為大雨發(fā)生率,小雨發(fā)生率變化最小。此外,城市中雨發(fā)生率略有增加,而郊區(qū)中雨發(fā)生率微弱減少。RCU結(jié)果表明,1979—2016年城市化對夏季小雨和中雨發(fā)生率有減少作用,而對大雨和暴雨發(fā)生率有增加作用,城市化影響貢獻(xiàn)率分別為-33.2%、-100%、54.6%和25.5%。Kishtawal等[25]在印度次大陸發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,即與郊區(qū)相比,快速城市化導(dǎo)致城市夏季強降水事件發(fā)生率更高,而弱降水事件發(fā)生率更低。這是因為與自然景觀相比,以磚石、水泥、瀝青等材料構(gòu)成的人工建筑物通常吸熱快而比熱容小,在相同的太陽輻射條件下,城市地區(qū)的氣溫明顯高于郊區(qū),形成城市熱島效應(yīng)。城市熱島會對大氣邊界層產(chǎn)生擾動,破壞大氣層結(jié)穩(wěn)定性,形成熱島環(huán)流。受此影響,在水汽充足、凝結(jié)核豐富的條件下,容易觸發(fā)并增強濕對流運動,形成強降水、雷暴等對流性天氣[26- 28]。另外,城市人工建筑增大了下墊面的粗糙度,對氣流有機械阻障、觸發(fā)湍流和抬升作用,也有利于形成對流性降水[2]。

表2 城市與郊區(qū)夏季不同等級降水發(fā)生率變化差異及城市化影響貢獻(xiàn)率

3.5 討 論

(1) 本文分析了長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)的時空演變特征,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)站點的夏季降水量、降水強度、大雨和暴雨發(fā)生率增加,而小雨發(fā)生率減少,表明該地區(qū)強降水事件發(fā)生率趨多,而弱降水事件發(fā)生率趨少。此外,長三角地區(qū)城市化水平高,下墊面不透水率比例大,導(dǎo)致相同降水條件下地表徑流量增加、匯流速度加快,城市及其下游的洪水過程線變高、變尖、變瘦,洪峰出現(xiàn)時間提前[22]。受降水結(jié)構(gòu)變化和城市化的雙重影響,長三角地區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險不斷增加。值得注意的是,上述降水指標(biāo)呈現(xiàn)非平穩(wěn)性的站點主要分布在太湖流域,該地區(qū)城市化程度更高,遭遇洪澇災(zāi)害的概率也更大,應(yīng)予以重視。過去,一般基于水文系統(tǒng)平穩(wěn)性假設(shè)進(jìn)行防洪設(shè)施規(guī)劃設(shè)計與運行管理,實際上一些地區(qū)(或流域)的降水、流量等水文要素表現(xiàn)出非平穩(wěn)性,如長三角地區(qū)、京津冀地區(qū)、珠江流域和淮河流域等[8- 9,13,29]。Cheng等[30]指出平穩(wěn)性假設(shè)可能導(dǎo)致極端降水被低估高達(dá)60%,將增加基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)遭遇洪水和失效的風(fēng)險。因此,亟需對傳統(tǒng)基于水文平穩(wěn)性假設(shè)構(gòu)建的水資源管理體系有效性進(jìn)行論證[3- 4]。

(2) 降水結(jié)構(gòu)演變是氣候變化和城市化共同作用的結(jié)果,這在水文科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)形成共識,但兩者對降水影響的機制及貢獻(xiàn)率仍有待深入研究[31]。在基于站點資料分析城市化降水效應(yīng)方面,一般將雨量站按城市化水平進(jìn)行分區(qū)或分類,然后分析不同城市化發(fā)展階段城、郊降水差異,并將這種差異視為城市化差異引起的[7,19]。很多研究忽略了站點所在環(huán)境差異對降水系統(tǒng)的影響,如高程、坡度、坡向及與大型水體的空間關(guān)系等,從而降低了分析結(jié)果的可靠性。本文基于土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)識別城市化差異明顯的城、郊站點,選取多組空間距離臨近的站點,對其降水指標(biāo)的均值進(jìn)行分析,不僅能減小城市化以外環(huán)境因素對分析結(jié)果的影響,同時避免了單對站點代表性不足的問題。

4 結(jié) 論

本文基于長三角地區(qū)72個站點1960—2016年逐日降水量數(shù)據(jù),從降水量、降水日數(shù)、降水強度和不同等級降水(小雨、中雨、大雨與暴雨)發(fā)生率方面,分析了長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)的時空演變及其非平穩(wěn)性特征,并探討其可能的成因。主要得到以下結(jié)論：

(1) 長三角地區(qū)夏季小雨發(fā)生率以減少為主,而其他6個降水指標(biāo)均以增加為主。其中,小雨發(fā)生率非平穩(wěn)的站點表現(xiàn)為單調(diào)減少;降水量、降水強度、大雨和暴雨發(fā)生率非平穩(wěn)的站點表現(xiàn)為單調(diào)增加,并且主要分布在太湖流域,增加了該區(qū)域遭受洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。在不同等級降水中,暴雨變化和非平穩(wěn)性表現(xiàn)最為明顯,而后依次為小雨、大雨和中雨,表明變化環(huán)境引起的水循環(huán)變異導(dǎo)致強降水事件發(fā)生率趨多,而弱降水事件發(fā)生率趨少。

(2) 20世紀(jì)40年代末至70年代東亞夏季風(fēng)異常偏強,而70年代末突然減弱。東亞夏季風(fēng)強度與長三角地區(qū)多數(shù)站點的小雨發(fā)生率呈正相關(guān)關(guān)系,與其他6個降水指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)程度均較低(-0.42～0.38), 并且通過0.05顯著性檢驗的站點比例較小(2.8%～19.4%),表明長三角地區(qū)夏季降水結(jié)構(gòu)演變除了與東亞夏季風(fēng)強度有關(guān),還受到其他因素的影響。

(3) 長三角地區(qū)城市化典型區(qū)(太湖流域)城市化對夏季降水量、降水強度、大雨和暴雨發(fā)生率有增加作用,城市化影響貢獻(xiàn)率分別為25.4%、27.9%、54.6%和25.5%；而對降水日數(shù)、小雨和中雨發(fā)生率有減少作用,城市化影響貢獻(xiàn)率分別為-37.3%、-33.2%和-100%。