四川省近60年降水時(shí)空演變規(guī)律

劉福平, 楊晨, 劉穎

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

在全球氣候變化背景下,我國各個(gè)區(qū)域的氣候均發(fā)生了巨大變化[1]。在所有氣象要素中,降水是描述區(qū)域氣候演變過程最重要的指標(biāo)之一,同時(shí)也是隨機(jī)性較強(qiáng)的水文要素之一[2]。

降水研究是深入認(rèn)識(shí)水循環(huán)的有效方法[3-4]。在不同的空間尺度上,郭小璇等[5]基于渦動(dòng)關(guān)系法分析了若爾蓋高原生態(tài)系統(tǒng)的水汽循環(huán)機(jī)制,結(jié)果表明,在季節(jié)尺度上蒸散變化受制于降水分布及全年降水量;陳燕等[6]選取江蘇省70個(gè)國家級(jí)氣象站點(diǎn)的日降水量資料評(píng)估了氣候變化對(duì)城市年徑流總量控制分區(qū)的影響發(fā)現(xiàn),降水變化趨勢是影響年徑流控制分區(qū)的關(guān)鍵因素;任正果等[7]通過探討我國南方地區(qū)極端降水事件的變化情況得到,各極端降水指數(shù)的變化趨勢存在空間差異這一結(jié)論;陳璇等[8]采用ArcGIS對(duì)近二十年來中國酸雨進(jìn)行研究,結(jié)果表明我國酸雨城市比例以及酸雨頻率和面積均有所下降;戰(zhàn)云健[9]利用兩組不同的數(shù)據(jù)集對(duì)近百年來亞洲地區(qū)降水特性展開研究,結(jié)果顯示近百年來亞洲地區(qū)年降水量呈上升態(tài)勢。

四川省地處我國西南內(nèi)陸,水文氣象要素具有較明顯的空間差異[10]。趙旋[11]基于近46年逐日降水資料對(duì)四川夏季降水量進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn),四川夏季降水量呈下降趨勢。馬順謙等[12]運(yùn)用極端降水和災(zāi)情資料對(duì)四川省歷史降水進(jìn)行了分析,結(jié)果表明在四川盆地西北部和南部以及川西高原北部年降水有明顯減小態(tài)勢。韓林君等[13]對(duì)近年來西南渦在四川盆地形成降水的特征進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn),區(qū)域降水與環(huán)流圈位置相對(duì)應(yīng)。周長艷等[14]通過對(duì)四川歷史暴雨的研究發(fā)現(xiàn),四川省年平均暴雨天數(shù)從西至東呈“增—減—增”的基本變化趨勢。白瑩瑩等[15]利用國家環(huán)境預(yù)測中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析資料對(duì)四川盆地歷史降水進(jìn)行了研究,結(jié)果表明盆地內(nèi)降水在空間分布上表現(xiàn)為東西向振蕩規(guī)律。毛文書等[16]采用自然正交分解法(Empirical Orthogonal Function,EOF)和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法(Rotated Empirical Orthogonal Function,REOF)對(duì)川渝地區(qū)夏季降水進(jìn)行了分析指出,四川夏季降水量的時(shí)空分布不均,且不同地區(qū)的夏季降水量具有多時(shí)間尺度的周期性變化特征。王晨鑫等[17]應(yīng)用譜分析方法研究發(fā)現(xiàn),四川夏季降水中心位于盆地西南的雅安一帶。譚友邦等[18]對(duì)四川盆地夏季降水的主要特征進(jìn)行研究,結(jié)果表明四川盆地的汛期降水變化為由東向西振蕩,且與太平洋熱帶環(huán)流變化和太平洋副熱帶高壓關(guān)系密切。張炎等[19]對(duì)四川盆地夏季降水差異和季風(fēng)間的關(guān)系進(jìn)行了探究,結(jié)果表明盆地西部和東部的夏季降水格局的分布特征與我國夏季降水I型和II型的降水格局相似。

綜上可知,以往學(xué)者的研究多以夏季降水或暴雨等極端降水為主,研究區(qū)域也多聚焦于四川盆地和東南地區(qū),較少研究全省尺度下的年際降水和年內(nèi)降水的空間變化特征。鑒于此,本文應(yīng)用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法、Sen′s坡度估算法、Morlet小波分析法、相對(duì)重要性分析法,對(duì)四川省降水特征展開探究和分析:一方面,以年降水量為基礎(chǔ),探究年際降水的變化趨勢、變化周期與空間分布特征,并采用相對(duì)重要性分析進(jìn)一步探究年際降水的決定性因素;另一方面,從季節(jié)與月度尺度分析降水的年內(nèi)分配特點(diǎn)。以期為四川省的水能資源保護(hù)和綜合管理、水環(huán)境保護(hù)與治理、防災(zāi)減災(zāi)以及城市建設(shè)提供相應(yīng)的參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

四川省(26°03′～34°19′N,97°21′～108°12′E)位于中國西南地區(qū)內(nèi)陸,地處長江上游。全省地貌由山地、丘陵、平原、盆地和高原構(gòu)成,西部為高原、山地,東部為盆地、丘陵,東西差異大;地形復(fù)雜多樣,屬于中國大陸地勢三大階梯中的第一級(jí)青藏高原和第三級(jí)長江中下游平原的過渡地帶,地勢呈西高東低的特點(diǎn),西部海拔多在3 000 m以上,東部海拔多在500～2 000 m。全省可分為四川盆地、川西高山高原區(qū)、川西北丘狀高原山地區(qū)、川西南山地區(qū)、米倉山大巴山中山區(qū)五大區(qū)域。

四川省分屬三大氣候,分別為四川盆地中亞熱帶濕潤氣候、川西南山地亞熱帶半濕潤氣候、川西北高山高原高寒氣候。其中,四川盆地中亞熱帶濕潤氣候又兼有海洋性氣候特征;川西南山地亞熱帶半濕潤氣候區(qū)氣溫年差較小,四季不明顯,但干濕季分明;川西北高山高原高寒氣候區(qū)海拔高差大、氣候立體變化明顯。

四川省河流眾多,以長江水系為主,較大的支流有雅礱江、岷江、大渡河、沱江、涪江、嘉陵江等,主要的湖泊有邛海、瀘沽湖和馬湖[20]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國科學(xué)院的氣象要素站點(diǎn)觀測逐日數(shù)據(jù)集[21],降水序列的歷時(shí)為1958—2017年。各氣象站點(diǎn)的分布情況如圖1所示。站點(diǎn)在四川省內(nèi)分布均勻,其中少量站點(diǎn)的部分年份因歷史原因或其他原因存在缺測、漏測現(xiàn)象,利用附近站點(diǎn)的資料以插補(bǔ)延長的方法補(bǔ)齊,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性、代表性和一致性檢驗(yàn)后再用于研究分析。

圖1 四川省測站分布

2 研究方法

2.1 趨勢分析

2.1.1 滑動(dòng)平均法

設(shè)四川省年降水量序列X=(X1,X2,…,Xn),采用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法[22]計(jì)算降水序列5年滑動(dòng)平均值,得到新的平滑序列Y=(Y1,Y2,…,Yi):

(1)

式中:n為序列長度;i=1、2、…、n-4。利用式(1)可消除偶然降水對(duì)數(shù)據(jù)的影響,更直觀地反映出降水序列的變化趨勢。

2.1.2 M-K檢驗(yàn)法

M-K檢驗(yàn)法是一種不需要樣本滿足特殊分布,且結(jié)果不受異常數(shù)影響的非參數(shù)檢驗(yàn)方法[23]。利用M-K檢驗(yàn)法對(duì)降水量序列X=(X1,X2,…,Xn)進(jìn)行趨勢和顯著性檢驗(yàn),檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量Z的計(jì)算公式為:

(2)

其中,

(3)

(4)

式中:n為序列長度;Var(S)為方差;Xi、Xj分別為序列中第i個(gè)和第j個(gè)降水序列值(i>j)。本研究給定置信度為95%,當(dāng)Z>0時(shí),序列呈上升趨勢;反之則呈下降趨勢。當(dāng)|Z|>Z1-α/2時(shí),序列變化趨勢顯著;反之變化趨勢不顯著。

2.1.3 Sen′s坡度估測法

(5)

式中:k為βk序列的長度;Xi、Xj分別為序列中第i個(gè)和第j個(gè)降水序列值(i>j)。當(dāng)βmed>0時(shí),降水序列呈上升趨勢,反之則呈下降趨勢;βmax與βmin分別為βk的最大值和最小值,也是置信區(qū)間的上下限,若βmax和βmin正負(fù)相同,則所檢驗(yàn)序列的變化趨勢明顯。

2.2 周期分析

降水序列具有周期性質(zhì),而小波分析在時(shí)域和頻域中具備良好的局部特性,可清晰發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)藏于時(shí)間序列中的周期信息[24]。本文采用Morlet小波分析方法研究四川省年降水量的周期變化規(guī)律。時(shí)間序列上小波變換函數(shù)為:

(6)

式中:Wf(a,b)為小波系數(shù);a為尺度因子,決定小波寬度;b為平移因子,反映小波位置移動(dòng);ψ*(·)為復(fù)共軛函數(shù)。連續(xù)小波變換的方差為:

(7)

由小波變換系數(shù)的實(shí)部等值線圖可分析降水在不同時(shí)間尺度下的周期性變化規(guī)律,通過小波方差圖可分辨出降水序列存在的主周期[25]。

2.3 相對(duì)重要性分析

3 結(jié)果分析與討論

3.1 年際變化分析

3.1.1 趨勢分析

由圖1可知,四川省內(nèi)氣象站點(diǎn)分布較為均勻,故采用算術(shù)平均法計(jì)算四川省面降水量。采用前述公式(1)計(jì)算四川省1958—2017年年降水量的5年滑動(dòng)平均值和累積距平值,結(jié)果如圖2所示。

圖2 四川省1958—2017年年降水量變化趨勢

由圖2(a)知:①四川省多年平均降水量為903.2 mm,年降水序列及其滑動(dòng)平均分布曲線的波動(dòng)幅度較大。②年降水量最大值為1 035.1 mm,出現(xiàn)在1998年;最小值為767.5 mm,出現(xiàn)在2006年;極差為267.6 mm。③擬合斜率為-0.25,表明年降水序列呈下降趨勢。經(jīng)M-K趨勢檢驗(yàn),Z為-0.86且|Z|<1.96,表明年降水序列雖為下降趨勢,但不顯著。利用Matlab計(jì)算Sen′s坡度得βmed為-0.198,表明年均降水序列以每年0.198 mm的速率減少,βmax與βmin分別為0.63、-2.62,正負(fù)相異,同樣驗(yàn)證了年降水量變化不明顯這一結(jié)論。

降水量低于多年平均降水量的年份為較枯年份,降水量高于多年平均降水量的年份為較豐年份。由圖2(b)知:①較枯年份為23年,較豐年份為37年,較豐年份和較枯年份的數(shù)量比約1.6,均勻分布于零線上下。②1958—1968年、1980—1990年、2011—2017年降水量呈增加趨勢,是降水量較豐的時(shí)段;1969—1979年、1992—2002年降水量呈下降趨勢,是降水量較枯時(shí)段。③1958—2017年的降水量大體呈“豐—枯—豐”交替,變化周期為10年左右。

3.1.2 周期分析

使用Morlet小波對(duì)四川省年降水量進(jìn)行分析,以了解未來數(shù)年四川降水的變化趨勢。經(jīng)計(jì)算得到年降水量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖如圖3所示,其中正值分布區(qū)域?qū)?yīng)降水量較豐年份,負(fù)值分布區(qū)域?qū)?yīng)降水量較枯年份,零值代表降水量處于多年平均水平。由圖3可知,年降水量存在4～9年、11～15年、21～31年3種較為明顯的變化周期,其中4～9年、21～31年兩個(gè)周期尺度的降水豐枯變化規(guī)律顯著且具有全域性,相應(yīng)的尺度中心分別為8年和28年。此外,11～15年周期尺度的降水豐枯變化規(guī)律也較為明顯,但交替變化相對(duì)雜亂。

圖3 四川省年降水小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖

小波方差是各周期尺度下能量函數(shù)的積分,反映了水文要素在各時(shí)間尺度下的擾動(dòng)強(qiáng)度。四川省年降水量的小波方差圖如圖4所示。由圖4可知,變化過程中小波方差極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度有28年和13年,8年也有體現(xiàn)但不明顯。分析表明,降水序列同時(shí)具有28年和13年的主周期,最大峰值對(duì)應(yīng)28年,為第1主周期;次峰值對(duì)應(yīng)13年,為第2主周期。

圖4 四川省年降水變化過程小波方差圖

進(jìn)一步繪制13年和28年時(shí)間尺度下年降水量的小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程線,如圖5所示。圖5中小波系數(shù)為正時(shí)對(duì)應(yīng)較豐年份,為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)較枯年份,為零時(shí)表示處于突變點(diǎn)。由圖5可知:不同時(shí)間尺度下,降水序列按各自周期呈豐枯變化。在13年時(shí)間尺度下,年降水量經(jīng)過15次豐枯交替,之后處于較豐時(shí)期;在28年時(shí)間尺度下,年降水量經(jīng)過7次豐枯交替,表現(xiàn)出的年降水變化趨勢及未來變化情況與13年時(shí)間尺度的一致。

圖5 四川省年降水小波系數(shù)實(shí)部變化過程

總體而言,四川省年降水量具有多時(shí)間尺度的變化特點(diǎn),時(shí)間尺度存在差異,降水所處豐枯時(shí)期也不完全一致,與之對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)亦不相同。大時(shí)間尺度下的豐水期或者枯水期包括小時(shí)間尺度下的豐水期與枯水期,而大時(shí)間尺度下的少數(shù)普通降水點(diǎn)在小時(shí)間尺度上常常表現(xiàn)為突變點(diǎn)。這一現(xiàn)象在1985年之前表現(xiàn)得尤為明顯。因此,四川省年際降水的豐枯變化規(guī)律和時(shí)間尺度的選取有著相當(dāng)密切的聯(lián)系。

3.1.3 空間分布分析

采用克里金插值法制作四川省多年平均降水量等值線圖,如圖6所示。由圖6可知:從降水量等值線數(shù)值的角度看,年降水量空間分布差異較大,呈現(xiàn)出東多西少、南多北少,由東南向西北依次遞減的趨勢;位于四川盆地邊緣地區(qū)的樂山市為降水量最高值的主體區(qū)域,位于四川省東北地區(qū)的達(dá)州市東北部為降水量次高值的主體區(qū)域,而位于四川省西北地區(qū)的甘孜藏族自治州西北部是四川省降水量最少區(qū)域。從降水等值線分布角度看,年均降水的降水中心位于樂山市西部,其形成可能與水汽抬升時(shí)遭遇峨眉山阻擋有關(guān);由降水等值線的疏密程度可知,這一地形原因所造成的空間降水分布差異在盆地與山地高原的交界處表現(xiàn)得尤為明顯。

圖6 四川省多年平均降水量等值線空間分布

3.1.4 相對(duì)重要性分析

為探究降水頻率和降水強(qiáng)度在四川省年降水量變化過程中的相對(duì)重要性,選取日均降水量P0=2.5 mm為判定閾值,根據(jù)2.3節(jié)中方法計(jì)算四川省各站點(diǎn)St-Sp散點(diǎn)圖,如圖7所示,圖7中各編號(hào)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)名稱見表1。由圖7可以看出,有16個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)在直線St=Sp下方,14個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)在直線St=Sp上方。

圖7 四川省各站點(diǎn)St-Sp散點(diǎn)圖

表1 站點(diǎn)與圖7中標(biāo)注符號(hào)對(duì)應(yīng)表

為進(jìn)一步探究各站點(diǎn)降水量受降水頻率和降水強(qiáng)度影響的相對(duì)重要性,繪制四川省年降水量受降水頻率和強(qiáng)度決定的站點(diǎn)分布圖,如圖8所示。

結(jié)合圖7和圖8可知:四川省年降水量由降水頻率與降水強(qiáng)度共同決定。其中,以降水頻率影響為主的站點(diǎn)主要分布于四川省西部的甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州與阿壩藏族羌族自治州,而以降水強(qiáng)度影響為主的站點(diǎn)主要集中于四川省東部的盆地地區(qū)。

3.2 年內(nèi)變化趨勢分析

3.2.1 季節(jié)尺度下的降水分析

對(duì)1958—2017年四川省各季節(jié)降水量進(jìn)行分析,為便于計(jì)算,設(shè)定春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—次年2月。四川省各季節(jié)降水量的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值見表2,各季節(jié)降水的箱線圖如圖9所示。

圖9 四川省各季節(jié)降水量箱線圖

表2 四川省季節(jié)降水量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

由表2可知:①各季節(jié)降水量由大到小的順序依次是夏季、秋季、春季、冬季。②夏季降水量最多,為496.4 mm,占全年降水量的54.2%;冬季降水量最少,為28.5 mm,占全年降水量的3.1%;春秋兩季降水量則較接近,分別占全年降水量的18.8%與23.9%。③春夏兩季降水呈增加趨勢,秋冬兩季降水呈降低態(tài)勢,在95%置信水平下,各季節(jié)的|Z|值均小于Z1-α/2,經(jīng)計(jì)算各季節(jié)降水量的坡度值所得變化趨勢與M-K檢驗(yàn)的一致,且βmax和βmin均正負(fù)相異。故四川省年內(nèi)降水集中于春夏兩季,表現(xiàn)為增長趨勢,秋冬兩季表現(xiàn)為降低趨勢,但變化均不顯著。

由圖9可知,各季節(jié)降水量的多年均值和對(duì)應(yīng)中位數(shù)大致相等,表明各季節(jié)降水按日期呈對(duì)稱分布,未產(chǎn)生明顯左偏或右偏現(xiàn)象。相對(duì)春秋冬三季,夏季降水量極差相對(duì)平均數(shù)的增長幅度最高。

3.2.2 月尺度下的降水分析

繪制四川省月度降水量箱線圖如圖10所示。由圖10可知:①四川省降水量的年內(nèi)分布極不均衡,各月平均降水量中7月降水量最高,為182.0 mm,占全年降水量的19.9%;8月與6月的次之,分別占全年降水量的17.9%與16.4%;12月—次年2月為降水量最少的3個(gè)月,這3個(gè)月的降水總量占全年降水量的3.1%。②月尺度下的降水量均值與對(duì)應(yīng)中位數(shù)大致相等,表明月尺度下的日降水量呈對(duì)稱分布,其中8月降水量極差相對(duì)均值的增幅最大。③月降水表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)歸因特征,相同季節(jié)各月降水量整體波動(dòng)性不大,不同季節(jié)對(duì)應(yīng)月降水量的差異明顯。

圖10 四川省月度降水量箱線圖

四川省降水量的年內(nèi)分布不均衡,是由于四川東南部屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),其夏季受海陸溫差影響,冬季受西伯利亞冷風(fēng)干擾,氣候呈季節(jié)性交替,使降水受季風(fēng)帶和地形影響明顯,天氣非周期性變化規(guī)律和降水季節(jié)、月度變化特征突出。位于西北部的甘孜藏族自治州和阿壩藏族羌族自治州屬高山高原氣候區(qū),受緯度和地形影響,氣候寒冷、風(fēng)力大、水汽少,進(jìn)一步加劇了降水的不均勻性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)四川省30個(gè)氣象站點(diǎn)1958—2017年的逐日降水量數(shù)據(jù),分析了四川省年際降水與年內(nèi)降水的分布特征,并對(duì)年際降水影響因素的相對(duì)重要性進(jìn)行了探究,得出如下結(jié)論:

1)四川省多年平均降水量為902.3 mm,最大值為1 035.1 mm,出現(xiàn)在1998年,最小值為767.5 mm,出現(xiàn)在2006年;年降水序列波動(dòng)較大,并以每年0.198 mm的速率不斷減少;降水較豐年份與較枯年份的比例接近且呈現(xiàn)出豐枯交替的變化規(guī)律,變化周期為10年左右;年際間降水量變化的主周期為28年和13年,同時(shí)存在8年的次周期;年降水量的空間分布差異極大,表現(xiàn)出東多西少、南多北少,由東南向西北逐漸減少的變化特征,降水中心位于樂山市西部。

2)四川省降水量的年內(nèi)分配不均衡。一方面,從季節(jié)尺度看,各季節(jié)降水量遞減排序?yàn)橄募尽⑶锛?、春季、冬?其中夏季降水量占全年降水量的比例高達(dá)54.2%,而冬季降水量僅占年降水量的3.1%;季節(jié)尺度下各月度降水量呈對(duì)稱分布。另一方面,從月度尺度看,7月降水量最大,8月與6月的次之,且同一季節(jié)內(nèi)月降水量變化不大,不同季節(jié)對(duì)應(yīng)月降水量差異極為明顯,月度尺度上的日降水量呈對(duì)稱分布。

3)四川省降水量的年際變化受降水強(qiáng)度和降水頻率共同影響,以降水頻率影響為主的區(qū)域分布在四川省西部的高山高原地區(qū),而以降水強(qiáng)度影響為主的區(qū)域則集中于四川省東部的盆地地區(qū)。