气候变化背景下甘肃南端的降水变化特征

折远洋, 王凤鹏, 杨 磊

(1.陇南师范高等专科学校 历史文化与旅游学院,甘肃 成县 742500; 2.江西师范大学 地理与环境学院,江西 南昌 330022)

在全球气温不断升高的背景下,气候变化对我国水资源的时空分布影响大,引起国内外学者的广泛关注[1—7].文献显示,全球气候变暖将加快极地和高山冰雪消融,影响全球(或区域)的水文循环过程,增加极端天气和气候灾害发生的概率[8—9].降水是主要的气候要素,是水循环过程中的重要环节,分析其变化特征对工农业生产具有重要的意义[10].受全球气候变暖和人类活动等的共同影响,很多地区降水呈增加或减少趋势,而且极端降水事件频发,降水强度变化幅度大.孟清等的研究表明,秦岭山地的降水时间短、强度大[11],尤其是在秦岭南部地区,应加强防备,以免引起洪水灾害造成的重大破坏.王润科等基于1959—2008年的月降水资料[12],分析该地区50 a的降水变化特征.结果表明,该地区的降水量年内分配不均,降水主要集中在5—9月,占全年降水量的79.1%.近年来,在全球气候变暖背景下,降水极端事件频繁发生.如2020年8月,陇南地区降水较多,某些站点的日降水量突破建站以来的极值,其中文县气象站2020年8月17日降水量达93.2 mm,为百年一遇.本次降水造成严重的自然灾害,全市直接经济损失达81.8亿元,9个县区40.75万人受灾[13].目前,气候变化背景下的大气降水特征多以区域性研究居多,而对于单个气象站点的小范围研究较少[14].因此,从日数据角度,对某地区降水变化进行更长序列的详细特征分析具有重要的意义.

1 研究区

陇南市位于甘肃省最南端,处于甘肃省唯一的长江流域嘉陵江上游水系地区.陇南地区地理坐标为东经104°34′～105°38′,北纬32°47′～33°42′,总面积4 683 km2.陇南市辖区海拔559～417 7 m,垂直差异明显.该区域可分为川坝河谷区、半山干旱区、林缘区和高寒阴湿区[12],地质地貌复杂,山大沟深,海拔起伏较大,具有多维地带性结构,表现出高度的过渡性、复杂性、多样性和敏感性[15].陇南地区降水充沛,是甘肃降水量最多的地区,植被覆盖相对于省内其他地区好,同时也是我国地质灾害造成人员财产损失和受灾害威胁最严重的区域之一[16—17].文中的降水数据选取该区唯一的国家基准气象站点,该站位于长江流域嘉陵江水系白龙江中游(东经104.9°,北纬33.4°),海拔1 120 m,气候属于北亚热带半湿润向暖温带半干旱过渡区,具有一定的代表性.

2 研究资料与研究方法

2.1 数据来源

选取国家基准气象站点陇南市气象局1960—2019年逐日降水数据,并对数据进行整理和筛选.降水数据收集与处理原则:①用于统计所需的降水数据资料,时间为1960—2019年.②日降水量数据缺失不超过总月日数的10%,若有缺失用插补延长法补全.其中,1968年缺失2—5月的数据,缺失时间较长,在不影响整体数据的情况下,采用前后2 a的降水数据做平均插值处理.③对于不合理的数据不予采用.按3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12—翌年2月为冬季,对气温资料进行四季划分,参考有关文献[18],按照6—9月为雨季,其他月份为非雨季对降水资料进行统计.

2.2 研究方法

通过一元线性回归方程拟合年平均降水量[19],分析陇南市1960—2019年平均气温和年降水量的变化.一元线性方程可用来表示气象要素的气候倾向率,如y=a+bx中,y为气象要素、a为常数项、b为斜率、x为时间(1960—2019年).10b表示气象要素每10 a的气候倾向率.

累积距平是通过曲线直观判断气候变化趋势的方法[14].对于气候要素序列,某一时刻t的累积距平:

(1)

(2)

M-K突变检验是常用的分析气象数据时间序列趋势的方法,它不需样本遵从一定的分布,也不受少数异样值的干扰,具有定量化程度高、检验范围宽、人为性小等优点[20—21].因此M-K突变检验法可用于分析降水的变化趋势,并分析其突变特点[22].

Morlet小波分析是利用小波变换调节、放大的功能了解降水要素序列在各层次的变化趋势[23].小波方差图是小波方差随时间尺度的变化特征,它反映降水要素信号波动的能量随时间尺度的分布情况,同时可确定信号中不同尺度扰动的相对强度和存在的主周期[24].

3 结果与分析

3.1 年际降水量的变化特征

陇南市1960—2019年的降水量变化距平ΔR和累积距平ΔRt趋势见图1.对其进行线性拟合,发现60 a的年降水量变化倾向率小于0,呈下降趋势,但下降幅度不明显,为-7 mm/10 a,年平均降水量为472.5 mm,最小值为270.5 mm(1997年),最大值为689.3 mm(1984年).由累积距平曲线可知,60 a降水量存在上升—下降—上升—下降—上升的波动.1960—1980年的降水量呈下降趋势,1980—2000年也呈下降趋势,但比前20 a下降的更明显,2000年后降水量呈上升趋势.

图1 1960—2019年陇南市的年降水变化

分析60 a甘肃南端降水时间t,发现整体上降水时间呈减少趋势(图1),减少斜率为2 d/10 a,降水时间最多年份为1964年(129 d),除1968年缺失资料较多,影响降水时间统计外,降水时间最少的是1997年(81 d),这与1997年的降水量最少相吻合.

从年代看,平均降水量Rav最多的是20世纪80年代(表1),达508.8 mm,超过平均值(36.3 mm).最少的是20世纪70年代(444.1 mm),年代极差ΔR为64.7 mm.标准差s最大的是20世纪90年代(118.9),最小为00年代(51.5).

表1 各年代降水特征

3.2 降水量年内分布特征

1960—2019年,陇南市的降水量月占比见图2a.由图2a可知,7月的降水量占比最多,达18.7%,其次分别为8,9,6月(16.5%,16.1%,14.6%).按照6—9月为雨季,其他月份为非雨季对降水资料进行统计,发现该地区雨季降水量占全年绝大部分,达65.9 %.而11月至翌年3月份的降水量只占全年的5.9 %.

图2 月降水量所占比例与各年代降水量

在不同年代,冬季各月(12月至翌年2月)的平均降水量Rm,at总体变化幅度不大(图2b),春季各月(3—5月)的降水量逐月增多,夏季各月(6—8月)的降水量相对较多,但不同年代差异大,秋季各月(9—12月)的降水呈减少趋势.降水量年内分配不均,且主要集中在5—9月的雨季.各年代月降水量基本均在夏季7月(60,70,90,10年代)或8月(80,00年代)达到最大值,在20世纪60年代,7月份的平均降水量最大(104.0 mm).

该地区四季的降水量变化趋势不同(图3,图中ΔR、ΔRt分别为距平和累计距平),春季和秋季呈增加趋势,但秋季增加幅度不大,夏季和冬季呈下降趋势.春季多年降水量的平均值为111.1 mm,占全年平均降水量的23.5 %.整体以3.2 mm/10 a的速度增加,2013年春季降水量为历年最高值,达221.6 mm,1962年为历年最低值,仅有46.7 mm,极差为174.9 mm,标准差为31.31.1968年以前的降水量偏少(图3a),1968—2010年的降水量波动较大,2011年后的降水量较充沛,处于正平衡状态.

图3 季节降水距平和累积距平变化曲线

夏季多年降水量的平均值为235.2 mm,占年平均降水量的近一半(49.8%).整体以-4 mm/10 a的速度不断下降,降水量的最大值与最小值分别出现在1984,1997年,降水量分别为483.0,65.8 mm,两者相差397.2 mm,标准差为70.80.夏季降水变化总体呈现减少—增加—减少的趋势(图3b),1977年以前以减少趋势为主,1977—1993年则主要呈增加的趋势,1993年累积距平达最大值(582.8 mm),随后几年降水量呈减少趋势,到2006年后降水量出现回升,正负平衡相间.

秋季多年降水量平均值为120.6 mm,占全年平均降水量的25.5 %.虽然降水量波动较大,但整体变化趋于平稳,线性倾向率为0.015 9.最大值与最小值分别出现在1975,1987年,降水量分别为233.2,41.9 mm,标准差为35.75.秋季降水量变化趋势较复杂(图3c),2007年前呈波动式减少,2007年后呈波动式增加.

冬季多年降水量平均值为5.7mm,占全年平均降水量的比例最小(仅1.2%),整体以0.16 mm/10 a的速度不断减少,最大值与最小值分别出现在1961,2010年,降水量分别为15.4,0.2 mm,标准差为3.29.冬季降水量波动较复杂,1974年形成一个低谷(ΔR=-5.05 mm),1988年为一个降水量次高峰(ΔR=8.45 mm).

3.3 突变分析

分析年降水量累积距平和突变M-K检验法得到的检验统计曲线,发现陇南市1960—2019年的降水量存在下降—上升—下降—上升的过程,整体上趋于平稳(变化率为-7mm/10 a),1993年是该时间段的累积距平峰值,2010年是低谷.UF,UB 为统计量曲线(图4a),取±1.96为临界曲线的M-K检验值,即0.01显著性水平的置信度检验区间.UF,UB统计量的曲线波动较大,在20世纪80年代初期有突变增多的迹象,但持续时间较短,在90年代后又转为减少趋势,在2010年左右降水量减少趋势有所减慢,并逐渐变成增加趋势.因此,整个区间的年降水量变化趋势没有发生显著性突变.

图4 陇南市M-K突变与重标极差R/S变化趋势

对年降水量做R/S重标极差变化分析(图4b),发现该地区60 a的Hurst指数为0.776 7,大于0.5,表明陇南市降水存在较弱的正向状态持续性,即陇南市未来一段时间内年平均降水量仍维持目前的波动状况.

对陇南市1960—2019年不同季节的降水量通过M-K检验法得到检验统计曲线(图5).由图5a可知,春季降水量的UF,UB曲线与临界值(±1.96)有3处交点(20世纪60年代后期、20世纪70年代末和21世纪2010年),最明显的在20世纪70年代末附近,检验统计量UB曲线超出a=0.01的检测水平限.结合图1可知,20世纪60年代后期为累积距平低谷值,且在70年代末达到累积距平曲线的高峰,2010年又为累积距平低谷值,表明春季降水量的时间突变点不明显.

图5 陇南市四季降水量M-K检验统计值曲线

图5b是1960—2019年夏季降水量在a=0.01检测水平限下的检验统计量UF,UB曲线,在临界值±1.96两侧的交点分别是1965,2018年,而统计量 UF,UB曲线在20世纪70年代末至90年代初存在多处交点.结合图2b可知,夏季降水量累积距平在20世纪70年代中期为低谷,90年代初期为一个峰值,表明在20世纪70年代末至90年代,该地区夏季降水量突变不明显.

图5c是1960—2019年秋季降水量在a=0.01检测水平限下的检验统计量UF,UB曲线,在临界值±1.96两侧的交点是2015年左右.结合图2b可知,秋季降水量累积距平在2015年没有明显的峰值或低谷,而整个时间段内秋季降水量正负波动较多.因此,秋季降水量变化趋势没有发生显著性突变.

图5d是1960—2019年冬季降水量在a=0.01检测水平限下的检验统计量 UF,UB曲线,在临界值±1.96两侧的交点分别在20世纪60年代中后期和80年代后期.结合图3d可知,1971,1991年的降水量累积距平出现高峰,但1971年前后波动持续时间较短,而20世纪90年代后降水量整体呈减少趋势.因此1991年可能是冬季降水量的突变点.

3.4 小波周期分析

通过小波分析方法得到降水量的周期性变化特征(图6).陇南市近60 a降水存在不同时间尺度上的周期振荡和突变特征.降水周期变化包括2个明显层次,且8,19 a 左右时间尺度的周期变化在整个时段都有较强的信号.8 a的变化周期几乎贯穿整个研究时间段,但在1985—2000年出现较强的震荡.分析表明,19 a尺度上周期变化主要体现在1980—2010年.

图6 陇南市60 a降水量小波周期分析

甘肃陇南近60 a的降水量小波方差分析见图6b.由图6b可知,该地区年降水的小波方差有2个明显的峰值,8 a左右的周期震荡最强,为该地区第一主周期,19 a左右为第二个主周期.说明上述2个周期的波动控制着区域降水在整个时间域内的变化特征.从振荡周期看,该地区降水量在未来几年内,处于降水偏多的阶段.

4 讨论

一个地区降水量的多寡很大程度上取决于水汽输送的状况[25].该区域位于我国三大自然区(东部季风区、西北干旱半干旱区和青藏高寒区)交汇过渡地带,水汽来源比较复杂,且受西南印度洋地区季风、东部太平洋季风和来自东欧的偏西气流共同的影响.夏季丰水期水汽主要来源西南暖湿气流,降水量较多,而冬季受西北干冷气流影响,降水量较少[26].文中研究区域6—9月的降水量占全年的65.9%,11月至翌年3月份的降水量只占全年的5.9 %,具有典型的雨热同期气候特征.近60 a该地区降水量总体变化幅度不大,这与西北地区20 世纪最后30 a的降水量增多、西北气候由暖干向暖湿转型明显的结果不一致[27—28],表明该地区虽然行政区划上属于西北地区的甘肃省,但降水特征明显与甘肃西部的河西走廊地区乃至我国西北干旱区存在较大差异.该地区四季降水量变化趋势总体上趋于平稳,但是年际变化相对较大,另外,各季节降水突变分析中表现出交点较多、突变点不明显的特征,表明该地区降水过程较复杂,这与部分学者研究结果基本一致[29].

降水作为水循环过程中重要的环节,降水量的多少影响着一个地区的旱涝情况、农业生产以及经济发展状况[30].甘肃南端是我国南北过渡带和青藏高原东沿交汇地区,地形多为山地,结构复杂,许多地区山大沟深,是我国地质灾害造成人员财产损失和受灾害威胁最严重的区域之一[17].

5 结论

1)近60 a陇南市的降水量总体呈下降趋势,但趋势不明显(斜率为-7mm/10 a),年平均降水量为472.5 mm.降水时间呈减少趋势(斜率为2 d/10 a),降水时间最少的为1997年(81 d).从年代分析,20世纪80年代的平均降水量最多(508.8 mm),降水量最少的在20世纪70年代(444.1 mm).

2)全年降水量主要集中在6—9月的雨季,占全年降水量的65.9%,其中7月的占比最多,达18.7%,其次为8月(16.5%).春季多年降水量平均值为111.1 mm,占全年平均降水量的23.5 %,整体以3.2 mm/10 a的速度增加.夏季多年平均降水量为235.2 mm,占全年平均降水量的近一半(49.8%).秋季多年平均降水量为120.6 mm,占全年平均降水量的25.5 %.冬季降水最少,仅占全年降水量的1.2%.

3)突变分析持续性检验发现,整个区间的年降水量变化趋势突变不显著,并且Hurst指数为0.776 7,表明年平均降水量整体持续目前的状况.结合累积距平和M-K突变检验,该地区四季的降水变化突变点不明显.年降水量变化存在2个明显周期,分别为8,19 a.