印江县汛期降水年代际特征及与气温的关系

方启云，代瑞华，杜 柯，黎凌云，颉春艳

(贵州省印江土家族苗族自治县气象局，贵州 铜仁 555200)

0 引言

近年来，随着气候变暖，汛期极端降水事件越来越频繁[1]。汛期降水的偏少或偏多是影响旱涝灾害的直接原因，旱涝灾害给人民的生产生活带来了巨大的影响。因此汛期降水的研究得到了很多专家学者的关注。徐大红[2]等人研究黔东北汛期降水存在明显的准2～4 a 周期的强信号，还存在准6～16 a 的弱周期信号。陈军[3]等人在贵州省旱涝变化特点及其与西太平洋副热带高压和海温的关系研究中也得出夏季旱涝的振荡周期以2 a、3 a及5 a左右为主的结论。在影响因子研究方面：赵振国、沙万英[4-5]等研究指出我国汛期降水与西太平洋副高关系密切；王芬等人认为贵州夏季大部分区域的降水与副热带高压的强度指数、面积指数正相关，与脊线位置、西伸脊点为负相关[6]；还有研究认为汛期降水也受夏季风、极涡、青藏高压等气候系统的影响[7-10]。纵观这些研究，间接地反映了气温变化对降水的影响，杨越峰[11]等对近52 a来湛江降水量和气温变化之间关系的研究得出了汛期降水与温度关系密切。

印江县位于梵净山西麓，地势起伏大，地形也比较复杂，汛期降水时空分布极为不均匀。本文试图借鉴上述专家学者的思路及研究方法，开展本地化研究，分析印江县汛期(5—9月)降水年代际特征，探讨其变化规律；并从统计学上找到印江县汛期降水与气温的关系。这样，可以为旱涝灾害的准确预报提供理论依据，对农民安排生产，政府合理规划水资源以及防灾减灾都有重要的意义。

1 资料和方法

1.1 资料

本文采用的资料为日降水和气温资料：印江县气象观测站1970—2018年汛期(5—9月)逐日降水量，日平均、最高和最低气温。

1.2 方法

①在分析汛期降水变化趋势时采用线性倾向估计和滑动平均法，并用Mann-Kendall趋势进行验证； Morlet小波分析周期特征；研究汛期总降水量与气温关系时采用相关分析、t检验[12]等方法。

②在分析不同量级降水与气温关系时，采用以1 ℃为间隔，把降水日的日平均最高气温和日平均气温进行分组，来讨论不同气温区间内对应的各量级降水。其中不同量级降水(分为小雨、中雨、大雨和暴雨及以上)判定采用中国气象局发布的通用行业标准。

2 汛期降水量年代际特征

2.1 汛期总降水量年代际特征

2.1.1 趋势变化特征 图1是印江县近49 a汛期总降水量变化趋势图。印江县近49 a汛期年平均降水量为732.6 mm，最小值发生在2013年，为383.4 mm，最大值发生在2014年，为1126.7 mm，两者相差约743.3 mm，最大值为最小值的2.9倍，说明印江县汛期总降水量波动幅度非常大。从5 a滑动平均线得到汛期总降水量呈现偏少—偏多循环起伏的变化特征。趋势呈增加—减少的交替年代变化：20世纪70—80年代中期呈逐渐增加趋势，80年代中期至末期逐渐减少，90年代逐渐增加，本世纪2000—2013年逐渐减少， 2014年至今呈逐渐增加趋势。

图1中的趋势线显示：汛期总降水量总体有增加趋势，但没有通过90%的显著性检验(p=0.68)。用Mann-Kendall趋势检验得到Z=0.57(Z1-0.1/2>Z>0),也说明该地区汛期年降水量呈不显著的增加趋势。

综体来看，随着气候的变化，汛期年降水量的增加、减少趋势呈现出在震荡中不显著增加趋势，为0.689 mm/a。

图1 印江县近49 a汛期降水量变化趋势图Fig.1 Change trend of precipitation in recent 49 a flood season in Yinjiang County

2.1.2 小波分析的周期特征 印江县近49 a汛期降水量的小波系数实部等值线图(图2)中，小波系数实部值为正时，代表降水量丰水期；为负时， 表示降水量枯水期。图中可以清晰看到印江县近49 a汛期降水量的演变过程中存在20～35 a,10～19 a，7～9 a以及2～4 a的4类尺度的周期变化规律。其中，在20～35 a时间尺度上正进行第2次丰—枯振荡，在10～19 a时间尺度上正进行第3次丰—枯振荡，这两种尺度的周期变化在整个分析时段都相对稳定，具有全域性；7～9 a时间尺度在20世纪80年代中期以前和2000年以后表现得比较明显。

图2 印江县近49 a汛期降水量小波系数实部等值线图Fig.2 Real contour map of wavelet coefficient of precipitation in flood season in recent 49 a in Yinjiang County

为了更精确找到其周期特征，绘制了印江县近49 a汛期降水量小波方差图(图3)。图中显示：存在5个较为明显的峰值，它们依次对应着2 a、9 a、27 a、38 a和43 a左右的时间尺度。其中，最大峰值对应着 27 a的时间尺度，说明27 a左右的周期振荡最强，为印江县汛期年降水量变化的第1主周期；9 a时间尺度对应着第2峰值，为汛期年降水量变化的第2主周期，第3、第4和第5峰值分别对应着43 a、38 a和2 a的时间尺度，它们依次为印江县汛期降水量的第3、第4和第5主周期。这说明上述 5个周期的波动控制着印江县汛期年降水量在整个时间域内的变化特征。

图3 印江县近49 a汛期降水量小波方差图Fig.3 Wavelet variance of precipitation in flood season in recent 49 a in Yinjiang County

2.2 汛期逐月降水的年代际变化特征

图4统计给出了5—9月降水序列与汛期年降水序列的年变化以及相关系数r。r值显示， 7月相关性系数最大，6月和8月较大，都通过了95%的显著性检验，而5月和9月的相关系数非常小，没有通过显著性检验，即6月、7月和8月的降水对汛期总降水贡献最大。

6月、7月和8月降水量与汛期总降水量变化趋势一致，总体都呈增加趋势(其中8月降水量曲线与汛期平均降水量曲线几乎重合，增加趋势不显著)。且这3个月的5 a滑动趋势线显示：与汛期总降水量一样，这3个月都呈现增加—减少交替变化的年代际特征。

2.3 汛期的各级降水年代际变化特征

图5显示：近49 a汛期小雨、中雨和大雨的年降水呈减少趋势，暴雨及以上则呈增加趋势。图5中各量级降水的总降水量5 a滑动趋势线显示：中雨、大雨和暴雨及以上呈先增大再减小，小雨则先减小再增大的循环交替变化趋势。统计近49 a汛期小雨、中雨、大雨和暴雨及以上降水量占总降雨量的百分比，结果为：17.2%、27.2%、28.8%和26.8%。各级降水量占总降水量的百分比的趋势线显示：小雨、中雨和大雨呈下降趋势，暴雨及以上呈上升趋势。这说明近49 a汛期，占百分比最多的大雨的比例有微弱的下降趋势，暴雨及以上的比例有上升的趋势。

图4 印江县近49 a 5—9月月降水量随时间变化曲线图Fig.4 Time varying curve of precipitation in May, June, July, August and September in Yinjiang County in recent 49 years

图5 印江县近49 a汛期的各级降水量随时间变化曲线图Fig.5 Time varying curve of precipitation at all levels in recent 49 a flood season in Yinjiang County

3 汛期降水与气温关系

3.1 汛期总降水与气温关系

3.1.1 相关性分析 表1计算统计了印江县汛期总降水量与汛期各月温度统计量的相关系数。相关系数绝对值在0.3以上的有9个统计值,从大到小依次为:汛期平均最高气温、8月平均最高气温、6—8月共3个月的平均最高气温、汛期平均气温、8月平均气温、6—8月共3个月的平均气温、7月平均最高气温、7月平均气温和6月平均最高气温，且这些值都通过了95%及以上的显著性检验。由此可见，印江县近49 a汛期总降水量与最高温度、平均温度呈负相关，月份上与8月最密切， 7月次之，与6月的温度相关性不大。也就是7月和8月的气温增高时，印江县汛期降水总量将会有减少的趋势；反之，降水量增多。这与王芬[6]等人研究结论一致：6—8月副高的位置偏西或接近平均年份，即印江受副高控制，最高温度和平均温度将比常年偏高，那么降水偏少；副高位置偏东或接近平均年份，印江县受副高影响较小，降水偏多。

表1 印江县近49 a汛期总降水量与5—9月的各种温度指标的相关系数Tab.1 Correlation coefficient between total precipitation in flood season in recent 49 years and various temperature indexes from May to September in Yinjiang County

3.1.2 时间变化分析 前面分析得到印江县汛期总降水量与汛期平均最高气温关系成显著的负相关。图6是印江县汛期总降水量与平均最高气温标准化时间系数序列及6阶多项式拟合曲线。显示:汛期平均最高气温随时间有显著增加趋势(P=0.03)；与汛期总降水量变化呈现明显的相反变化趋势，6阶拟合曲线显示：20世纪70年代中期以前，平均最高气温下降，降水量增加；70年代中期至80年代中期，平均最高气温升高，而汛期总降水量减少；80年代中期至90年代初，平均最高气温下降，而汛期总降水量增加；90年代初到2009年，平均最高气温升高，汛期总降水量减少；2010—2015年，平均最高气温下降，汛期总降水量增加；2016年至今，平均最高气温升高，汛期总降水量减少。说明，汛期平均最高气温和汛期总降水量在年代际尺度上也呈现显著反向变化趋势。

图6 印江县汛期总降水量与平均最高气温标准化时间系数序列及6阶多项式拟合曲线Fig.6 Time coefficient series and 6-order polynomial fitting curve of total precipitation and average maximum temperature in flood season in Yinjiang County

3.2 汛期各级降水与气温关系

从近49 a汛期不同量级降水量占总降水量的百分比随日平均气温的变化趋势(图7)可见：不同量级的降水量百分比都是随日平均气温升高先上升后下降：当日平均气温处于25～26 ℃时，小雨和中雨降水量所占百分比达到峰值，低于此气温时，降水量百分比基本随气温的升高而上升，高于此气温时，降水量百分比随气温的升高而下降。当日平均气温处于23～25 ℃时，大雨和暴雨及以上量级的降水所占百分比达到峰值，低于此气温时，降水量百分比基本随气温的升高而上升，高于此气温时，降水量百分比随气温的升高而下降。

图8显示，不同量级的降水量百分比基本随日最高气温升高先升高后下降：小雨、中雨、大雨和暴雨以上量级降水量所占百分比达到峰值时，最高温度区间分别为：24～31 ℃、27～30 ℃、24～27 ℃和28～31 ℃，低于上述最高气温区间最低温度时，各级降水量基本随气温的升高而上升，高于上述最高气温区间最高温度时，各级降水量随气温的升高而下降；其中在最高温度≤17 ℃和最高温度≥36 ℃的温度区间内，近49 a汛期暴雨及以上量级降水事件没有分布。

图7 印江县近49 a汛期不同量级降水量占汛期总降水量的百分比随日平均气温变化趋势图Fig.7 Variation Trend of the percentage of precipitation of different magnitude in total precipitation of flood season with daily average temperature in recent 49 a in Yinjiang County

图8 印江县近49 a汛期不同量级降水量占汛期总降水量的百分比随日最高气温变化趋势图Fig.8 Variation trend of the percentage of precipitation of different magnitude in the total precipitation of flood season with the highest daily temperature in recent 49 a in Yinjiang County

4 结论

本研究利用常规气候统计方法对印江县1970—2018年汛期降水年代际特征进行分析，并简要统计与气温的关系，得到以下结论:

①印江县近49 a汛期总降水量总体有不显著的增加趋势(变率为0.689)，呈现增加—减少的交替年代变化特征，其中贡献大的是6月、7月和8月，且这3个月与汛期总降水交替变化特征保持一致。年代尺度演变上，20～35 a,10～19 a，7～9 a以及2～4 a的4类周期变化尺度共同起作用，其中27 a为第1主周期，9 a为第2主周期。

②印江县近49 a汛期各量级年总降水量特征：小雨、中雨和大雨呈减少趋势，中雨减少微弱，暴雨及以上有增加趋势。各量级降水所占百分比上小雨最少，其他量级相差不大，其中小雨和中雨呈下降趋势，占百分比最多的大雨也呈下降趋势，但比较微弱，暴雨及以上有上升的趋势。

③印江县近49 a汛期总降水量与汛期最高温度、平均温度呈负相关，月份上与8月最密切， 7月次之，与其他月的温度相关性不大。即在8月和7月气温升高时，汛期总降水量偏少；气温降低时，降水偏多。不同量级降水量占总降水量的百分比，随日平均、最高气温的升高都呈先上升后下降的趋势。各量级降水的百分比的峰值都有各自的温度区间。