1971—2013年长兴年降水结构时空变化特征

魏丽华 吴 猛 史建桥

(1.长兴县气象局，浙江 长兴 313100； 2.94783部队61分队，浙江 长兴313111)

1971—2013年长兴年降水结构时空变化特征

魏丽华 吴 猛 史建桥

(1.长兴县气象局，浙江 长兴 313100； 2.94783部队61分队，浙江 长兴313111)

利用长兴地区1971—2013年逐日降水量资料，采用趋势分析、功率谱分析和GIS空间分析，探讨反映年内降水结构的2类指标：不同强度降水日数和降水相关极值的时空分布规律。结果表明：近43 a来，降水量变化呈微弱减少趋势，减少速率为6.61 mm/10a；不同强度降水日数变化差异明显，其中总降水日数和小雨日数呈显著下降趋势，减少速率分别为3.38 d/10a、3.17 d/10a，相比而言，中雨日数和大雨及以上日数呈波动趋势，变化不大。2002—2013年，最大连续降水量和最大日降水量较多年平均水平偏低，但呈现为显著上升趋势，上升速率分别为133.62 mm/10 a、46.37 mm/10a。准2～3 a是长兴年降水量最为明显的振荡周期。空间分布上，不同强度降水日数和降水极值大体上呈南北高、东西低的态势，高低中心分布差异特征明显，高值区主要位于和平以南、白岘和顾渚等地区，低值区主要在林城和小浦以西、长兴东部环太湖等地带。

长兴；年降水结构；Mann-Kendall；时空变化

0 引 言

IPCC第4次评估报告[1]指出，最近几十年强降水事件的发生频率有所上升，并且在温室效应影响下，这种趋势会进一步发展。全球变暖，区域气候改变，势必导致降水及其分布发生变化，使得高温、干旱、洪涝等灾害性天气频发。近年来，很多学者对降水的时空变化特征进行了相关研究[2-5]，结果表明，我国年、季降水日数呈现明显的减少趋势，且降水日数减少的范围远远大于降水量减少的范围，并具有区域性和季节性。这说明降水量的研究不能等同于降水强度的研究，在研究降水时，很有必要研究不同强度降水日数和降水相关极值的气候特征及其变化规律。事实上，降水量仅仅是表征降水特性的一方面[6]，不同强度降水日数以及降水极值与降水量的变化并不完全一致，甚至可能出现很大差异，如顾骏强等[7]利用1961—1999年浙江省36个站点的资料，分析了浙江省年、季、月降水总量与雨日数的气候变化，指出在浙江省年降水量增加的同时，雨日数没有同步的增加，除了7、8月份雨日是增加以外，其他月份的雨日数都表现为减少。

长兴地区属亚热带海洋性季风气候，降水充沛、四季分明、雨热同季，大部分为山区丘陵地带，地形复杂，山峰连绵，东临太湖，盛行东风，水汽充沛，加之地处长江中下游杭嘉湖平原，南北系统经常在此交汇，长兴各月均可产生连阴雨天气。一个区域的降水结构，可以用不同强度降水日数和降水相关极值的分布情况来衡量。因此，为全面认识降水的气候变化特征，深入分析长兴地区年降水结构的时间演变特征和空间分布信息，本研究利用长兴地区1971—2013年逐日降水资料，采用线性倾向估计、距平分析、功率谱分析和GIS空间分析等方法，详细分析近43 a长兴地区年降水结构时空分布规律，以期为汛期旱涝预测提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源与处理

选取长兴气象台1971—2013年逐日降水量整编数据为研究对象，对年降水结构时间变化特征进行分析。基于考虑数据序列的均一性和完整性，采用长兴地区18个自动化观测站2011—2013年逐日降水量自动观测序列，探讨年降水结构的空间分布情况。降雨等级以中央气象台的划分为标准，分别统计各站点降水日数(P≥0.1 mm/d)、小雨日数(0.1 mm/d≤P<10 mm/d)、中雨日数(10 mm/d≤P<25 mm/d)和大雨及以上日数(P≥25 mm/d)。四季划分标准为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)。

说明：降水量和降水日数气候平均值取1981—2010年平均，降水日数包括降雪日， 降水量包括降雪量，若是纯雪，把降雪转化为降水量。

1.2 分析方法

1.2.1 异常年份分析

世界气象组织对气候异常提出两种判别标准，一是距平超过标准差的2倍以上，二是它出现的几率为25 a以上一遇[8]。本文采用距平大于标准差的2倍作为异常，大于标准差的1.5～2倍为接近异常来分析长兴降水的异常特征。

1.2.2 功率谱分析

功率谱是应用极为广泛的一种分析周期的方法，它是以傅里叶变换为基础的频域分析方法，其意义为将时间序列的总能量分解到不同频率上的分量，根据不同频率波的方差贡献诊断出序列的主要周期，从而确定周期的主要频段，即序列隐含的显著周期[9]。

本文利用redfit3.8[10]对长兴县降水量的周期进行分析。

2 降水时空变化特征

2.1 时间变化特征

2.1.1 年际和季节变化

长兴地区年平均降水量为1295.6 mm，其中1999年降水最多(1936.1 mm)，1978年最少，仅732.0 mm，43 a中仅有6 a降水量小于1000 mm。虽然降水量大，但降水较为均匀，见图1a。从图中可以看出，1971-2000年降水年变化较21世纪以来波动振幅较大，降水量标准差分别为292.5 mm、149.5 mm。另外，从中还可以看出，20世纪70年代降水量较少，较多年平均偏少95.0 mm，80年代和90年代降水偏多，进入21世纪以来，年降水量虽然表现为增加趋势，但降水量较同期偏少99.2 mm，整体表现为一个先增加后减小的态势。分析表明，1971—2013年长兴地区年降水量呈波动微弱下降趋势，气候倾向率为-6.61 mm/10a，下降趋势不显著，未通过0.05显著性检验。

从四季降水量逐年分布图(图1b)可以发现，四季降水变化趋势特征明显，从变化趋势来看，春、秋季降水量呈减少趋势，减少速率分别为7.99 mm/10a、31.56 mm/10a，夏、冬季则表现为明显增加趋势，增加速率分别为17.99 mm/10a、14.24 mm/10a，仅有秋季减少趋势达到了0.05显著性水平。从四季降水量的变化来看，对近43 a长兴年降水量变化趋势，夏季的贡献最大，二者相关系数高达0.766，通过了0.001显著性检验，春季次之。可见，夏季降水量的变化特征主导了全年降水量的变化情况。

图1 1971—2013年长兴降水量年际和四季分布图

2.1.2 降水异常年份分析

从近43 a长兴年和四季降水量的异常(含接近异常)年份来看(表1)：

1)长兴地区春季降水量异常主要发生在19世纪70年代和21世纪以来，其中2011年异常偏少最为明显，较同期偏少179.5 mm，1977年降水量距平为200.7 mm，异常偏多。夏季降水量异常特征显著，偏多年份主要出现在20世纪90年代，其中1999年夏季降水量为近43 a最高值，较多年平均值偏多768.9 mm，大于标准偏差的3.5倍；异常偏少年份在1978年，降水量较同期偏少411.7 mm。在秋季，降水量异常偏多主要发生在19世纪70年代和80年代，其中1983年降水量距平为411.9 mm，大于标准偏差的接近4倍。在冬季，历史上仅出现过一次异常偏多年份，以1997年偏多177.3 mm最为明显。

2)1971—2013年长兴年降水量异常偏少年份仅出现过一次，即1978年，降水量为近43 a来最低值，较多年平均值偏少563.6 mm。而异常偏多年份多发生在20世纪80年代和90年代，主要是由于夏、秋季降水量异常多造成的，其中1999年为近50 a最高值，较多年平均值偏多640.5 mm。

表1 1971—2013年长兴年、季降水量的异常年份

+，-分别表示异常偏多和偏少。

2.1.3 不同强度降水日数时变特征

长兴地区年平均总降水日数、小雨日数分别为142.3、102.5 d，均表现为下降趋势，减少速率分别为3.38、3.17 d/10a，而且变化趋势显著，均达到了0.05显著性水平；相比而言，中雨日数和大雨及以上日数平均为26.4 d、13.3 d，两者则呈波动趋势，变化不大，见图2a。另外，2001年以来，大雨及以上日数呈显著增加趋势，增加速率为3.9 d/10a，但日数较多年平均偏少1.6 d。不同强度降水日数中，小雨日数的变化对总降水日数的贡献最大，二者变化态势相当一致，相关系数高达0.82。

1971—2013年长兴不同强度降水日数年代际变化特征明显(图2b)，从图中可以看出，总降水日数和小雨日数为逐渐减少趋势，20世纪70年代和80年代较同期水平均偏多，为多雨期， 90年代以后开始大幅减少，21世纪以来，降水日数更少，较多年平均值偏少4.1 d。中雨日数和大雨及以上日数大体上是一个先增加后减少的态势，20世纪70年代和80年代，中雨日数变化平稳，90年代达到最小值，距平为-1.5 d，之后表现为上升趋势；大雨及以上日数则在20世纪80年代和90年代较多年平均值偏多，21世纪以来则大幅减少，较多年平均值偏少1.6 d。

图2 1971—2013年长兴不同强度降水日数年际(a)和年代际(b)变化

2.1.4 降水极值时变特征

图3为近43 a长兴降水极值的分布情况，从中可以看出，最大连续降水量和最大日降水量阶段性特征明显，1971—2001年最大连续降水量和最大日降水量较多年平均值偏高，波动振幅较大，标准差分别为32.3 mm、87.3 mm，均表现为缓慢波动上升趋势，上升速率分别为16.86、6.46 mm/10a，但变化趋势不显著，未达到95%显著性水平；2002—2013年两者较多年平均水平偏低，但呈现为显著上升趋势，上升速率分别为133.62、46.37 mm/10a。其中在1999年6月下旬最大连续降水量高达496.8 mm，最大日降水量基本出现在4—10月，1990年最大日降水量最多(165.6 mm)，2002年最少，仅有40.9 mm。

图3 1971—2013年长兴降水极值逐年分布图

2.1.5 周期分析

基于redfit3.8，采用Welch方法对1971—2013年长兴降水量进行周期分析，结果如图4示。从图4可以看出，长兴地区年降水量在周期长度3 a附近，功率谱估计值为第一峰值且超过置信度95%标准谱，说明准3 a是年降水量第一显著振荡周期。另外，在2.2 a处功率谱估计值为第二峰值，也超过置信度95%标准谱。因此，准2～3 a振荡是长兴地区年降水量最为明显的显著周期。

图4 长兴地区年降水量功率谱分析结果

2.2 空间分布特征

2.2.1 不同强度降水日数空间分布

图5给出了长兴地区不同强度降水日数的空间分布情况，从中可以看出，总降水日数和小雨日数在空间上大体呈南北高、东西低的特点，即虹星桥以南、小浦以北为高值区，长兴以东、林城以西为低值区，其中吴山总降水日数和小雨日数最多，年平均分别为170.3、130.7 d；长兴东部环太湖区两者均偏少，其中新塘站总降水日数和小雨日数最少，年平均分别为121.0、93.0 d，其次是香山和林城，分别为126.7、94.0 d和126.7、92.7 d。中雨日数则表现为东南和西北高、西南和东北低的态势，东南部的和平—吕山—李家巷一带以及西北部的白岘—二界岭为高值区，其中和平和白岘最多，年平均日数在30 d以上，长兴东北部环太湖区和林城以西为低值区，年平均中雨日数为24～26 d。大雨及以上日数高值区主要分布在顾渚—长兴—吕山—和平的南北向带状区以及白岘—槐坎一带，年平均日数在12 d以上，长兴以西和以东地区大雨及以上日数偏少，其中新塘最少，仅8 d。

图5 2011—2013年长兴地区不同强度降水日数空间分布

2.2.2 降水极值空间分布

降水相关极值的变化反映了降水潜力的变化。长兴地区最大连续降水量和最大日降水量空间分布特征明显，均表现为南北高、东西低的趋势，结果如图6所示。从中可以发现，北部的白岘和顾渚地区以及南部和平、吴山一带为最大连续降水量和最大日降水量的高值区，其中白岘年平均最大连续降水量最多，达319.6 mm，其次是顾渚(290.2 mm)，和平最大日降水量最高，为146.2 mm，其次是白岘(142.5 mm)；林城(小浦)以西和长兴以东地区为最大连续降水量(最大日降水量)低值区，其中香山的最大连续降水量和最大日降水量最少，分别为153.3、90.2 mm，其次是泗安(194.2、91.4 mm)。

图6 2011—2013年长兴地区不同强度降水日数空间分布

3 结 语

本文利用1971—2013年长兴逐日降水资料，详细分析了近43 a长兴地区年降水结构时空分布规律，主要结果如下。

1)长兴地区年降水量大，但四季降水较为均匀，分析表明：1971—2013年长兴降水量表现为微弱减少趋势，减少速率为6.61 mm/10a；春季和秋季降水量呈下降趋势，夏季和冬季则表现为显著上升趋势，四季变化速率大小为：秋季>夏季>冬季>春季；降水异常偏多主要发生在20世纪80年代和90年代。

2)不同强度降水日数变化差异明显，其中总降水日数和小雨日数呈显著下降趋势，减少速率分别为3.38、3.17 d/10a；相比而言，中雨日数和大雨及以上日数呈波动趋势，变化不大。另外，2001年以来，大雨及以上日数呈显著增加趋势，增加速率为3.9 d/10a，但日数较多年平均偏少1.6 d。

3)最大连续降水量和最大日降水量阶段性特征明显，尤其是2002—2013年，两者较多年平均水平偏低，但呈现为显著上升趋势，上升速率分别为133.62、46.37 mm/10a。其中在1999年6月下旬最大连续降水量高达496.8 mm，最大日降水量基本出现在4—10月，1990最大日降水量最多(165.6 mm)，2002年最少，仅有40.9 mm。

4)准2～3 a是长兴降水量最为明显的振荡周期。

5)空间分析表明，2011—2013年长兴县不同强度降水日数和降水极值大体上呈南北高、东西低的态势，高低中心分布差异特征明显，高值区主要位于和平以南、白岘和顾渚等地区，低值区主要在林城和小浦以西、长兴东部环太湖等地带。

在全球变暖的背景下，尤其是近年来长兴地区气温逐渐上升，而降水却表现为缓慢的减少趋势，对未来长兴农林业发展存在一定的不利因素。降水因受地形、地貌等因素的影响，在空间上分布很不均匀[11]，但由于受站点位置、站网密度等限制，地面观测不能准确把握降雨的空间分布和强度变化，因此，如何利用有限的站点资料，融合高分辨数据，实现降水量空间精细化估算还需要深入研究和探讨。

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2015-07-20