1961-2020年中國降水等級(jí)的變化特征

許肖璐,張方敏,鄧汗青,何彬方,田紅,方硯秋

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044;2.安徽省氣候中心,合肥 230031;3.氣象科學(xué)研究所/大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031;4.壽縣國家氣候觀象臺(tái)/中國氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地,安徽淮南 232000)

根據(jù)IPCC第6次評(píng)估報(bào)告,氣候變化給自然界和人類帶來了廣泛而深重的危害[1-2]。在全球氣候變化的背景下,我國降水事件發(fā)生的強(qiáng)度、范圍和頻次正在逐漸改變,可能會(huì)導(dǎo)致洪澇、干旱等災(zāi)害事件的增多。根據(jù)預(yù)測(cè),極端降水事件在未來還有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)[3]。這些災(zāi)害的發(fā)生已經(jīng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境以及人身安全等各個(gè)方面造成了巨大危害和損失,嚴(yán)重威脅了人類的生產(chǎn)生活和社會(huì)發(fā)展,因此降水事件的發(fā)展規(guī)律及影響因素已經(jīng)越來越被人們所關(guān)注,成為新的研究熱點(diǎn)[4-5]。

中國地域廣闊,降水呈現(xiàn)出顯著的地域性,目前有關(guān)降水的研究大多只針對(duì)某一區(qū)域展開,全國范圍的研究大多針對(duì)月、季節(jié)平均條件的特征展開。不同等級(jí)降水是影響氣候環(huán)境的重要因素,小雨的減少會(huì)加劇干旱化趨勢(shì),大雨的增加會(huì)加重洪澇災(zāi)害和土壤侵蝕等[6],近年來,眾多學(xué)者對(duì)分級(jí)降水事件進(jìn)行了深入研究,在太湖流域[7]、贛江流域[8]、長(zhǎng)白山區(qū)[9]、西南地區(qū)等[10]不同尺度的研究表明我國各區(qū)域的分級(jí)降水情況并不一致。在已有研究中,以九大流域的劃分為背景進(jìn)行不同等級(jí)降水變化特征的研究較為少見。方國華等[11]建立了基于GEV 的極端降水統(tǒng)計(jì)模型,研究得到全國極端月降水量由東南向西北遞減,未來九大流域極端月降水呈現(xiàn)差異性增長(zhǎng);陳峪等[12]研究了1956—2008年中國主要河流流域的極端降水情況,結(jié)果表明,我國年平均暴雨日數(shù)增加不明顯,南方流域多有升高,北方流域有下降趨勢(shì);內(nèi)陸河流域有明顯變濕的趨勢(shì),東北部流域整體降水有減少趨勢(shì),東部大部分流域小雨降水量減少,西部與東南大部分流域大雨以上等級(jí)降水量增加[13-15]。但以往研究多集中于單一流域,關(guān)于全國九大流域整體降水情況的研究較為有限,研究選取的時(shí)間跨度也不盡相同,這也就意味著不同流域無法進(jìn)行對(duì)比分析。

因此本文通過對(duì)全國1961—2020 年降水情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,辨識(shí)近60 a來全國范圍內(nèi)不同等級(jí)降水的變化趨勢(shì),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究,探究不同等級(jí)降水在九大流域內(nèi)的時(shí)空以及季節(jié)變化特征,以期獲得新的研究進(jìn)展為提升流域減災(zāi)防災(zāi)能力做出貢獻(xiàn)。

1 資料與方法

1.1 研究資料及研究區(qū)域

本文采用來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的681個(gè)氣象站的1961—2020 年的日降水?dāng)?shù)據(jù)(http:∥data.cma.cn/),數(shù)據(jù)經(jīng)過國家氣象信息中心標(biāo)準(zhǔn)化訂正處理,以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查比如氣候界限值檢查、臺(tái)站極值檢查和一致性檢查,檢查后的數(shù)據(jù)實(shí)有率在99%以上,數(shù)據(jù)的正確性接近100%。九大流域邊界數(shù)據(jù)(圖1)來源中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/),將中國劃分為松遼河流域片、海河流域片、淮河流域片、黃河流域片、長(zhǎng)江流域片、珠江流域片、東南諸河片、西南諸河片、內(nèi)陸河片,各流域分別有104,40,48,88,198,71,31,33,68氣象站點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and meteorological station distribution

1.2 研究方法

采用國家降水等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[16],進(jìn)行如下定義:24 h內(nèi)降雨量在0.1～9.9 mm 為小雨,24 h內(nèi)降雨量在10～24.9 mm 為中雨,24 h 內(nèi)降雨量在25～49.9 mm 為大雨,24 h內(nèi)降雨量大于50 mm 為暴雨。按照以上等級(jí)劃分,計(jì)算每個(gè)臺(tái)站每月的降水日數(shù)和降水量,然后累加計(jì)算各季節(jié)和各年的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。某一時(shí)期內(nèi)所有站點(diǎn)的總降水量與總降水日數(shù)之比為平均降水強(qiáng)度,各等級(jí)降水量與降水日數(shù)之比為各等級(jí)降水強(qiáng)度。此外,文中四季劃分標(biāo)準(zhǔn)為:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季。

本文采用線性傾向估計(jì)法分析降水日數(shù)與降水強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化規(guī)律,并采用p值對(duì)氣候傾向率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),p＞0.05不顯著、p＜0.05顯著、p＜0.01極顯著。此外,為了分析降水日數(shù)和降水強(qiáng)度的空間變化特征,利用ArcGIS軟件中的反距離權(quán)重插值法[17]進(jìn)行空間插值,該方法以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均,它可以靈活地調(diào)整權(quán)重函數(shù)和搜索半徑,以適應(yīng)不同的空間分布特征和插值精度要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 全國不同等級(jí)降水的時(shí)間變化特征

2.1.1 各等級(jí)降水年平均變化 1961—2020 年、1991—2020年和2011—2020 年全國不同等級(jí)平均降水日數(shù)、降水強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表中可以看出,全國小雨日數(shù)呈減少趨勢(shì),其中1961—2020年以-1.03 d/10 a的速率達(dá)到極顯著水平(p＜0.01);而中雨、大雨和暴雨降水日數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),1961—2020年大雨和暴雨降水日數(shù)分別以0.1,0.08 d/10 a的速率達(dá)到極顯著水平(p＜0.01),近10 a各等級(jí)降水日數(shù)變化幅度均遠(yuǎn)超過去30 a,60 a。暴雨強(qiáng)度變化幅度較大,小雨、中雨、大雨強(qiáng)度較為穩(wěn)定,無明顯變化,近30 a和近60 a小雨強(qiáng)度均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。

表1 全國不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of precipitation days and precipitation intensity of different grades in China

2.1.2 各等級(jí)降水季節(jié)變化 從1961—2020 年不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度的四季氣候傾向率變化可知(圖2),不同季節(jié)小雨日數(shù)均呈減少趨勢(shì),其中秋季小雨日數(shù)減少幅度最大(-0.3 d/10 a),且下降趨勢(shì)顯著(p＜0.05)。大雨、暴雨降水日數(shù)在各季節(jié)都呈上升趨勢(shì),兩者均在夏季增長(zhǎng)最快,在秋季最緩,且夏冬兩季均通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。中雨降水日數(shù)在夏季、冬季以較快速度上升,在春季、秋季則緩慢下降。

圖2 1961-2020年不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度的四季氣候傾向率Fig.2 Seasonal climatic tendency rates of precipitation days and precipitation intensity in different grades from 1961 to 2020

在不同等級(jí)降水強(qiáng)度方面,除春季暴雨和秋季中雨、大雨、暴雨外,其余降水強(qiáng)度均呈增強(qiáng)趨勢(shì)。各季節(jié)小雨強(qiáng)度均小幅增強(qiáng),且都通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。暴雨強(qiáng)度在各季節(jié)變化幅度較大,其中夏冬兩季暴雨強(qiáng)度均達(dá)到0.4 mm/10 a以上,呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)(p＜0.05)。

2.2 全國不同等級(jí)降水的空間變化特征

2.2.1 不同等級(jí)降水變化趨勢(shì)的空間分布 圖3A—D為全國九大流域不同等級(jí)降水日數(shù)和氣候傾向率的空間分布及變化趨勢(shì)圖。中雨、大雨、暴雨降水日數(shù)均呈現(xiàn)東南多西北少的分布格局,這3類降水日數(shù)的高值區(qū)大都集中分布在珠江流域、東南諸河流域和長(zhǎng)江流域;小雨降水日數(shù)的高值區(qū)位于西南諸河流域和長(zhǎng)江流域,其降水日數(shù)可高達(dá)124 d以上,并以此為中心向四周逐漸遞減,在松遼河流域片北部、東部以及內(nèi)陸河流域北部地區(qū)降水日數(shù)均異常高于周圍地區(qū),甚至高值區(qū)降水日數(shù)可達(dá)到100 d以上,各等級(jí)降水日數(shù)均以內(nèi)陸河流域最少。圖中85.7%站點(diǎn)的小雨日數(shù)均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),東南諸河流域、珠江流域和西南諸河流域的東南部降水日數(shù)減少最為顯著,氣候傾向率可達(dá)-8.5 d/10 a,62.1%站點(diǎn)的中雨以及85%以上站點(diǎn)的大雨、暴雨日數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)?？傮w而言,東南諸河流域、珠江流域和西南諸河流域是小雨降水日數(shù)減少的顯著區(qū)域,但這些地區(qū)中雨、大雨、暴雨的降水日數(shù)增加也最為顯著。

圖3 1961-2020年全國各等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度及氣候傾向率空間分布Fig.3 The spatial distribution of precipitation days,precipitation intensity and climatic tendency rate in China during 1961-2020

圖3E—H 為全國九大流域不同等級(jí)降水強(qiáng)度和氣候傾向率的空間分布及變化趨勢(shì)圖。各等級(jí)降水強(qiáng)度空間分布大致相似,均呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢(shì),即各等級(jí)降水強(qiáng)度的高值區(qū)大致均集中分布在珠江流域、東南諸河流域和長(zhǎng)江流域。小雨和中雨強(qiáng)度低值區(qū)主要分布在內(nèi)陸河流域,大雨和暴雨降水強(qiáng)度低值區(qū)主要集中在西南諸河流域。從變化趨勢(shì)上來看,80%以上站點(diǎn)的小雨、大雨、暴雨降水強(qiáng)度均以顯著上升趨勢(shì)為主,小雨降水強(qiáng)度增幅以內(nèi)陸河流域最大,氣候傾向率可達(dá)1.5 mm/10 a,大雨降水強(qiáng)度增幅以長(zhǎng)江流域最大,氣候傾向率可達(dá)83.7 mm/10 a,暴雨降水強(qiáng)度增幅以淮河流域最大,氣候傾向率可達(dá)163.5 mm/10 a;中雨降水強(qiáng)度呈顯著上升和下降站點(diǎn)數(shù)量大致相似。

2.2.2 四季各等級(jí)降水空間分布 1961—2020年九大流域不同等級(jí)降水日數(shù)季節(jié)變化如圖4A—D 所示,大部分流域降水日數(shù)以春夏季為主,秋季次之,冬季最少。從不同季節(jié)來看,春季降水日數(shù)較多地區(qū)主要集中在東南諸河流域和珠江流域,小雨占主導(dǎo)地位,夏季降水日數(shù)較多地區(qū)主要集中在西南諸河流域、東南諸河流域以及珠江流域,秋季降水以小雨和中雨為主,主要分布在長(zhǎng)江流域、東南諸河流域和珠江流域,冬季降水日數(shù)最少,小雨等級(jí)居多,主要分布在東南諸河流域、長(zhǎng)江流域以及珠江流域。

圖4 1961-2020年九大流域不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度季節(jié)變化Fig.4 The number of precipitation days of different grades and precipitation intensity in the nine major river basins during 1961-2020

1961—2020年九大流域不同等級(jí)降水強(qiáng)度季節(jié)變化如圖4E—H 所示,春季各等級(jí)降水強(qiáng)度較大的地區(qū)主要分布在東南諸河流域、長(zhǎng)江流域以及珠江流域,夏季各等級(jí)降水強(qiáng)度在不同流域相差不大,秋季東南諸河流域和珠江流域的暴雨降水強(qiáng)度較大,均超過75 mm/d,冬季降水以小雨為主,降水強(qiáng)度較大的地區(qū)主要分布在東南諸河流域和淮河流域。各流域小雨、中雨、大雨強(qiáng)度在不同季節(jié)變化不大,春、夏、秋季降水強(qiáng)度較為接近,冬季降水強(qiáng)度最小,暴雨強(qiáng)度在夏季最大,秋季、春季次之,冬季最小。

九大流域不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度四季氣候傾向率變化趨勢(shì)如圖5 所示,小雨日數(shù)在內(nèi)陸河流域、西南諸河流域和松遼河流域有上升趨勢(shì),其余流域均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中冬季東南諸河流域以及珠江流域小雨日數(shù)均以大于1.2 d/10 a的速度顯著下降(p＜0.05),可知東南諸河流域和珠江流域?qū)π∮耆諗?shù)減少的貢獻(xiàn)最大。中雨以上等級(jí)降水日數(shù)大致以增加趨勢(shì)為主,西南諸河流域春季中雨日數(shù)增加最快,上升趨勢(shì)顯著(p＜0.05);東南諸河流域夏季的大雨、暴雨日數(shù)均以大于0.2 d/10 a的速度顯著上升(p＜0.05)。

圖5 九大流域不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度)四季氣候傾向率及顯著性變化Fig.5 The number of precipitation days of different grades and precipitation intensity in the nine major river basins and their climatic tendency rates and significant changes

從不同等級(jí)降水強(qiáng)度來看,大部分流域的小雨強(qiáng)度均達(dá)到顯著上升趨勢(shì)(p＜0.05);中雨強(qiáng)度在各季節(jié)無明顯變化,僅內(nèi)陸河流域冬季中雨強(qiáng)度增幅遠(yuǎn)高于其余流域,且達(dá)到顯著趨勢(shì)(p＜0.05);大雨強(qiáng)度在內(nèi)陸河流域和東南諸河流域有較明顯的季節(jié)變化;暴雨強(qiáng)度變化幅度較大,東南諸河流域冬季暴雨強(qiáng)度(7.4 mm/10 a)增強(qiáng)最快,且增加趨勢(shì)顯著(p＜0.05)。

3 討論

不同等級(jí)降水空間分布有一定差異性,小雨日數(shù)的高值區(qū)主要分布在西南諸河流域,中雨、大雨、暴雨日數(shù)多集中分布在東南諸河流域和珠江流域。形成原因主要是受西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓以及副熱帶西風(fēng)急流等天氣系統(tǒng)的影響[18-19],東南沿海地區(qū)降水豐富,且夏季臺(tái)風(fēng)天氣多發(fā)[20],中雨以上量級(jí)降水較多;印度洋孟加拉灣南支槽前西南暖濕氣流的水汽輸送[21-22],在西南諸河流域等地區(qū)形成降水,多以小雨為主[23],當(dāng)西南季風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛時(shí),也可深入到長(zhǎng)江流域。

本文研究得出,全國小雨日數(shù)呈減少趨勢(shì),中雨、大雨和暴雨日數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),除暴雨強(qiáng)度變化幅度較大外,小雨、中雨和大雨強(qiáng)度均無明顯變化,這與前人的研究結(jié)果一致[12,24]。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn):春、冬季的東南諸河流域以及秋、冬季的珠江流域小雨日數(shù)銳減,其余流域小雨日數(shù)減幅小或呈增加趨勢(shì),由此可見東南諸河流域和珠江流域小雨日數(shù)的減少可能是導(dǎo)致全國小雨日數(shù)減少的主要原因,張麗亞等[25]認(rèn)為小雨減少應(yīng)歸結(jié)為氣候變暖和氣溶膠增多,指出在相同的空氣濕度下溫暖環(huán)境中更難凝結(jié)成降水,因此在增暖更明顯的東南部流域小雨減少更為顯著。大量的氣溶膠會(huì)降低地表吸收的太陽輻射,使得空氣穩(wěn)定性變得更好,并降低了地表空氣的上升速度;高濃度氣溶膠還能影響云團(tuán)的形成,使得云團(tuán)的物理特性發(fā)生變化,從而影響降水[26]。在氣溶膠顆粒顯著增加的中國東南部地區(qū),降水明顯減少,這就歸結(jié)于氣溶膠粒子的間接效應(yīng)使得降水更難發(fā)生[27]。結(jié)合本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),容易引發(fā)洪澇災(zāi)害的大雨、暴雨表現(xiàn)出降水日數(shù)增加、降水強(qiáng)度大幅變化或基本不變的趨勢(shì),維持地區(qū)基本濕潤(rùn)的小雨表現(xiàn)出降水日數(shù)減少、降水強(qiáng)度基本不變的趨勢(shì),在這種降水格局下,干旱和洪澇等極端降水事件在未來發(fā)生概率有增強(qiáng)可能性[8,24],不同流域降水特征具有區(qū)域性差異,其所面對(duì)的氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)有所不同,需因地制宜采取措施防范。

研究表明,自然系統(tǒng)自身變化和外強(qiáng)迫協(xié)同作用的共同影響導(dǎo)致了降水的變化,除了太陽活動(dòng)、火山氣溶膠等自然外強(qiáng)迫,還有溫室氣體、土地利用、氣溶膠等人為所致的外強(qiáng)迫[28-29],本文分析了全國不同等級(jí)降水日數(shù)、降水強(qiáng)度的時(shí)空分布特征和季節(jié)變化規(guī)律,但各流域的主要環(huán)流系統(tǒng)及水循環(huán)等對(duì)不同等級(jí)降水的影響還需深入探討,因此,在今后的研究中可以加以考慮,進(jìn)一步明確影響各流域降水情況的因素。

4 結(jié)論

(1)1961—2020年全國小雨日數(shù)呈減少趨勢(shì),中雨、大雨和暴雨日數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),除暴雨強(qiáng)度變化幅度較大外,小雨、中雨和大雨強(qiáng)度均無明顯變化。秋季小雨日數(shù)減幅最大,大雨、暴雨日數(shù)在夏季增長(zhǎng)最快,秋季最緩,暴雨強(qiáng)度在各季節(jié)波動(dòng)幅度均較大。

(2)1961—2020年中雨、大雨、暴雨日數(shù)均呈現(xiàn)東南多西北少的分布格局,小雨日數(shù)的高值區(qū)位于西南諸河流域和長(zhǎng)江流域,并以此為中心向四周遞減,不同等級(jí)降水強(qiáng)度均呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢(shì),內(nèi)陸河流域降水日數(shù)、降水強(qiáng)度均為最小。從空間變化趨勢(shì)來看,在通過0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)中,小雨日數(shù)在大部分站點(diǎn)均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),中雨、大雨、暴雨日數(shù)大致呈顯著上升趨勢(shì),小雨、大雨、暴雨強(qiáng)度在大部分站點(diǎn)以顯著上升趨勢(shì)為主,中雨強(qiáng)度呈顯著上升和下降站點(diǎn)數(shù)量大致相似。

(3)春、秋、冬三季降水主要集中在東南諸河流域和珠江流域,小雨占主導(dǎo)地位,夏季降水主要集中在西南諸河流域、東南諸河流域以及珠江流域。

(4)小雨日數(shù)的減少在春季和冬季較為明顯,東南諸河流域和珠江流域?qū)π∮耆諗?shù)減少起到了很大貢獻(xiàn),中雨以上等級(jí)降水日數(shù)在各季節(jié)大致以上升趨勢(shì)為主;大雨強(qiáng)度在春季增強(qiáng)、秋季減弱,各流域暴雨強(qiáng)度在春季呈增強(qiáng)趨勢(shì)。