近50 a浙江降水分布的时空特征
2021-04-02王可欣楼俊伟俞涵婷
王可欣 楼俊伟 俞涵婷
(1.台州市椒江区气象局,浙江 台州 318000;2.武义县气象局,浙江 武义 321200)
0 引 言
当今,气候变化及其对经济和社会的影响已成为广泛关注的焦点,研究气候变化规律及异常突变情况具有十分重要的意义,国内外学者对区域降水变化做了诸多研究。Jones和Hulme等[1-2]研究表明,20世纪以来,全球陆面降水增加了大约1%。秦大河等[3]研究发现,近50 a来,中国年降水量总体呈减少趋势,但降水分布具有明显的南北差异。姜彤等[4]研究表明,长江流域的降水量略有增加,夏季增幅较显著。何书樵等[5]对近50 a长江中下游地区降水特征进行分析指出,降水呈上升趋势,但不显著。
浙江省地处中国东南沿海长江三角洲南翼,是“海上丝绸之路”的重要参与者,境内地形起伏较大,自西南向东北呈阶梯式倾斜状态,包含平原、丘陵、盆地、山地、岛屿等多种地形,且处于长江流域雨带和华南雨带之间,又受热带气旋影响,降水的区域性特征非常明显。近年来一些学者对浙江及其区域内部分地区展开了气候特征研究,肖晶晶等[6]研究发现1901—2017年浙江省年降水量无明显线性变化趋势,但存在56 a和35 a两个变化主周期;降水气候倾向率呈东北高西南低的分布特征,各地数值分布在-15.6~19.1 mm·(10a)-1之间。吴昊旻等[7]研究发现,近39 a,浙江省夏、秋季降水量在空间上呈东南沿海地区偏多、其他地区相对偏少的分布特征,在时间上存在不同时间尺度的周期振荡,以6~10 a周期的振荡较为明显,并且8.7 a周期振荡最显著。
目前,针对浙江省降水量的研究大多采用“全省平均”的方法来分析,这样会导致时间特征被平滑,造成降水的周期变化不明显。针对以上问题,本文基于浙江省63个国家气象观测站近50 a(1971—2020年)的降水资料进行空间特征分析,在此基础上,对全省进行区域划分,对比分析不同区域降水的时间特征,以期进一步了解浙江省的气候变化特征,为浙江开展区域化气候变化的监测、诊断、评估、预报预警及对策提供科学依据和参考。
1 资料与方法
1.1 数据来源
气象数据来源于浙江省气候中心提供的浙江省全部63个国家气象观测站的降水量逐月统计值,数据经过严格的质量控制。时段划分:年统计按照每年的1—12月之和,四季资料以3、4、5月为春季,6、7、8月为夏季,9、10、11月为秋季,12月、次年1、2月为冬季[8]。
1.2 研究方法
利用浙江省63个国家气象观测站近50 a(1971—2020年)的逐月降水统计资料,首先基于ArcGIS分析全省降水的空间分布特征,在此基础上,以全省平均降水1516 mm等值线为分界线,将全省划分成低值区(Ⅰ区)与高值区(Ⅱ区);其次,采用一元线性回归法研究高、低值区降水的时间变化趋势;运用M-K(Mann-Kendall)趋势分析法确定高、低值区降水的突变特征;最后利用Morlet小波分析法掌握高、低值区降水的周期变化规律。
2 浙江省降水的空间分布特征
从浙江省近50 a平均降水量的空间分布分析可知,浙江省年平均降水量大致表现为自西南向东北递减,南北相差悬殊,降水量最大的站点为浙南的泰顺站,年平均降水量为2029.4 mm,最少的为嵊泗站,年平均降水量仅为1102.2 mm,两者几乎相差一半。全省50 a平均降水1516 mm等值线位于杭州南—丽水北—宁波一线。
2.1 浙江省降水年代际空间分布特征
基于1970年代、1980年代、1990年代、2000年代以及2010年代5个不同年代,对全省降水量进行分析。所有年代际降水量均表现为自西南向东北递减,1970年代至2000年代平均线表现为南北震荡,北部降水明显低值区以及南部降水明显高值区范围变化不大,2000年代至2010年代平均线大幅北抬。1970年代全省降水明显大值区位于温州南以及衢州西,平均线处于杭州南—丽水中—宁波一线;1980年代较1970年代平均线略北抬,明显大值区只表现在温州南;1990年代平均线进一步北抬,衢州西再次呈现明显的大值区,温州南明显大值区维持,宁波—台州沿海地区降水减少;2000年代平均线南落,衢州西大值区再一次消失,宁波—台州沿海地区较1990年代降水增多;2010年代平均线大幅北抬至湖州北—舟山一带,表明2010年代全省降水大范围增多,且宁波沿海地区第一次表现出降水次大值区。
2.2 浙江省降水的四季空间分布特征
从全省各季节降水量空间分布分析可知,各季节降水量空间分布差异明显,春季降水量表现为自西南向东北递减,且带状分布特征十分明显,高值区在衢州西—丽水西一带,低值区在湖州—舟山一带;夏季主要表现为南多北少,高值区位于台州北—温州南,低值区位于湖州—舟山;秋季表现为东多西少,高值区位于宁波—舟山—温州南沿海一带,低值区主要位于浙西山地;冬季表现为西多东少,高值区位于浙西地区,低值区位于沿海一带。
3 浙江省降水的时间变化趋势
3.1 浙江省降水的时间演变特征
1971—2020年全省平均降水量的年际变化见图1a。浙江省平均降水量年际变化波动较大,多雨年和少雨年交替出现,整体呈波动上升趋势,气候倾向率为37.07 mm·(10a)-1,近50 a区域平均降水量为1516 mm。由图1c可见,I区降水量年际变化趋势与全省年际变化特征更为接近,气候倾向率为45.75 mm·(10a)-1,整体上升趋势更明显;Ⅱ区(图1e)较全省年际变化波动更大,但整体上升趋势较缓,气候倾向率为23.42 mm·(10a)-1。根据5年滑动平均,全省、Ⅰ区、Ⅱ区平均降水量均表现为:1978年之前降水量上升,1978—1982年减少,1982—1985年又明显增加,1985—2002年为缓慢上升期,2002—2007年明显减少,此后又迅速增加。
由近50 a平均降水量的M-K检验曲线可见,全省(图1b)以及Ⅰ区(图1d)的UF、UB曲线均在2011年震荡相交,表明在2011年降水量存在突变。而Ⅱ区(图1f)在近50 a期间,UF、UB曲线存在多个交点,不能确定Ⅱ区降水量的突变年份。
图1 1971—2020年平均降水量的年际变化(a.浙江省、c.Ⅰ区、e.Ⅱ区)和1971—2016年M-K检验曲线(b.浙江省、d.Ⅰ区、f.Ⅱ区)
根据小波变化系数在不同频域内的方差贡献的极大值,可以确定该频域内信号变化的主要显著尺度[9]。为了更清楚地判断年平均降水量的主要时间尺度周期,采用Morlet小波对年平均降水进行分析。全省(图2a)、Ⅰ区(图2b)以及Ⅱ区(图2c)的年平均降水量,在置信区间内均有小于4 a(主要周期为2 a)的周期变化规律。
3.2 浙江省降水的四季演变特征
由图3a可知,浙江省降水主要集中在3—9月,占全年降水总量的76.6%。平均月降水量最大为发生在6月的243.1 mm,是月平均值的1.9倍,极端最大值出现在1994年6月,全省月平均降水量为418.0 mm;平均月降水量最小为发生在12月的54.8 mm,仅占月平均值的43.4%,极端最小值出现在1973年12月,全省月平均降水量仅为0.2 mm。Ⅰ区(图3b)、Ⅱ区(图3c)的月变化趋势与全省基本一致,但Ⅰ区6—7月的降水量对汛期(3—9月)降水总量的贡献比大于Ⅱ区,这与Ⅰ区较Ⅱ区地理位置偏北、大部分站点处于长江中下游典型梅雨带、梅汛降水较Ⅱ区更集中的经验相吻合。
结合图3d可以发现,浙江省降水量也表现出明显的季节性变化,春季平均降水量为442.0 mm,夏季为574.7 mm,秋季为290.4 mm,冬季为210.2 mm,降水主要集中在春、夏季,降水量占全年总降水量的67%,秋、冬季降水较少,冬季降水量只占全年的14%。结合影响浙江的天气系统分析可知,春季开始,冷暖气流交汇趋于频繁,有利于出现降水天气;夏季随着副高的北抬,浙江省处在其外围活跃的西南急流中,丰富的水汽输送条件和动力条件带来大量降水,夏季暴雨出现频繁;秋、冬季随着副高的南退,动力条件和水汽条件相对较差,降水减弱。
图2 年平均降水量小波变换系数图和小波方差图(a.浙江省、b.Ⅰ区、c.Ⅱ区)
图3 平均降水量月变化(a.浙江省、b.Ⅰ区、c.Ⅱ区)及季节变化(d.浙江省、Ⅰ区、Ⅱ区)
表1为各区域不同季节气候倾向率。从浙江省1971—2020年各季节平均降水量年际变化可知,全省降水量除春季以9.67 mm·(10a)-1的速度减少外,其他3个季节降水量均呈现增加趋势,其中,夏季以28.13 mm·(10a)-1的速度显著增加,且增速最为明显,秋季增速最小,为3.89 mm·(10a)-1,冬季为13.47 mm·(10a)-1。Ⅰ区春季降水减少趋势较Ⅱ区和全省缓慢,Ⅱ区夏季和冬季降水增速较Ⅰ区和全省偏大。
表1 各区域不同季节气候倾向率
根据5年滑动平均分析可知,全省、Ⅰ区和Ⅱ区降水量春季距平波动均相对较弱,总体缓慢减少,但在2009年后,降水量波动增加;夏季降水量在2001—2008年波动明显减少,在其余时段则波动增加;秋、冬季降水量在平衡位置附近有较明显的波动,整体呈现上升趋势。
由各季节平均降水量的M-K检验曲线可知,全省春季降水量UF与UB曲线在1993—1995年期间相交,但正反序列均未超过1.96置信线,表明全省春季降水量可能在1993—1995年间发生突变;I区突变时间与全省突变时间一致,但Ⅱ区突变时间略有推迟,为1997—1999年间。全省夏季UF曲线均在0线之上,且1994年之后超过1.96置信线,表示夏季降水量呈现显著的上升趋势,这与夏季降水量的年际变化特点以及气候倾向率相吻合,且UF与UB曲线在1983—1988年间有交点,说明在该期间存在突变;I区UF与UB曲线在1974—1978年间、1982年、1985年、2002年、2008年多次相交,但正反序列超过1.96置信线,说明I区夏季降水量在多个年份存在突变可信且降水量变化剧烈;Ⅱ区UF与UB曲线仅在1989年相交,即突变时间为1989年。秋季全省UF与UB曲线在2012年以及2019年相交,即秋季降水量在2012年、2019年发生突变;I区除在2012年突变外,在1973—1975年间也有突变点;Ⅱ区在1973—1974年间以及2007—2009年间发生突变。全省冬季降水量在2001—2007年间频繁发生多雨年—少雨年的转换,并且在2016—2018年间有一个少雨年—多雨年的突变(2016年冬季雨量为114.4 mm,2018年冬季雨量为391.8 mm,后者为前者的3.4倍),可以得出突变发生在2001—2007年间以及2017年;I区突变年份与全省一致;Ⅱ区除在上述年份发生了突变外,在1997年也发生了突变。
从四季平均降水量周期分析可知,全省、Ⅰ区以及Ⅱ区各季节降水量均存在2~4 a的年际变化周期,且正负信号强度基本贯穿于整个时间域,具体表现为“多雨年—少雨年—多雨年……”的交替。此外,全省夏季在20世纪80年代中期—90年代中期,还叠加着4~6 a的变化周期,秋季和冬季在80年代分别存在6 a和5 a的变化周期;Ⅱ区秋季在80年代前期,存在6~8 a的变化周期,冬季在80年代后期至21世纪00年代前期,存在5 a的震荡周期。
4 结 语
本文利用浙江省1971—2020年的逐月降水统计资料,采用Kriging插值法对全省降水做空间插值,并基于年代际进行对比分析,同时以1516 mm降水平均线为界划分低值区(Ⅰ区)以及高值区(Ⅱ区)。运用一元线性回归、M-K趋势分析、Morlet小波分析等方法分别对全省以及Ⅰ区、Ⅱ区降水趋势变化的时间特征进行分析,得出结论如下。
(1)在空间分布上,近50 a全省平均降水量以及不同年代际年平均降水量均表现为自西南向东北递减,南北相差悬殊;各季节降水量空间分布差异明显,春季自西南向东北递减,夏季南多北少,秋季东多西少,冬季西多东少。
(2)通过趋势分析,近50 a来,浙江省年平均降水量整体呈现波动上升趋势,气候倾向率为37.07 mm·(10a)-1,年际波动较大,多雨年和少雨年交替出现,且降水主要集中在春季和夏季;除春季降水量呈现波动下降趋势外,夏季、秋季、冬季降水量均呈现波动上升趋势,其中夏季上升趋势最为明显,气候倾向率达28.13 mm·(10a)-1;I区降水量年际变化趋势与全省年际变化特征更接近,整体上升趋势更明显;Ⅱ区较全省年际变化波动更大,但整体上升趋势较缓。
(3)通过M-K检验,全省和Ⅰ区年平均降水量均在2011年存在突变,Ⅱ区降水量没有确定的突变年份。各季节突变时间如下,春季全省为1993—1995年间,I区与全省一致,Ⅱ区略有推迟,为1997—1999年间;夏季全省为1983—1988年间,I区夏季降水量在多个年份存在突变可信,Ⅱ区为1989年;秋季全省为2012年和2019年,I区为1973—1975年间以及2012年,Ⅱ区为1973—1974年间以及2007—2009年间;冬季全省为2001—2007年间以及2017年,I区与全省一致,Ⅱ区除在上述年份发生突变外,在1997年也发生了突变。
(4)通过Morlet小波分析,全省、I区以及Ⅱ区年平均降水量与各季节平均降水量在置信区间内均有小于4 a(主要周期为2 a)的周期变化规律,但存在周期变化的时间段不同。