近50年浙江沿海地区降水变化特征分析

黄丹丹, 王天阳, 李凤全, 杨曜莉

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

20世纪以来,全球及区域降水的变化对人类的生产生活影响深远,降水研究已成为诸多学者关注的焦点[1-3],而沿海地区作为海陆交替的边缘,更易受到极端气候的影响.

浙江沿海地区位于中国东南沿海长江三角洲南翼,是经济、科技和文化发达地区,同时又在长江流域雨带和华南雨带之间,常受热带气旋影响,加之地势较低,是我国主要的气象灾害风险区和环境脆弱区.沿海地区降水事件的变化规律引起众多学者的广泛关注.如Zhai等[4]、周娟等[5]均指出,我国东南沿海地区降水呈现增多趋势;王叶红等[6]指出,长江中下游在20世纪50年代、20世纪80—90年代为多雨期,20世纪60—70年代为少雨期;王可欣等[7]指出,近50年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·(10 a)-1,多雨年和少雨年交替出现,且降水主要集中在春季和夏季.

以往对于浙江降水规律研究以全省的降水量变化共性分析为主,涉及沿海地区降水变化特征的详细研究较少.本文基于浙江省7个沿海城市的38个气象站点的日值数据,采用线性分析、距平分析、滑动平均、M-K(Mann-Kendall的简称)检验等方法,开展降水的年际变化特征分析,以期为浙江沿海地区防灾减灾、海岸资源管理等提供科学参考.

1 研究区概况

浙江沿海和岛屿位于浙江省东部地区,东经118°01′～123°10′,北纬27°02′～31°11′,北邻上海市,南接福建省,海岸带和海岛涉及的主要行政区有：杭州市、嘉兴市、舟山市、宁波市、绍兴市、台州市、温州市7个地级市.该地区为亚热带季风气候,四季分明,年气温适中,降水充沛,年降水量为1 600 mm左右,雨热季节变化同步,气象灾害繁多.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文采用中国气象局整编的1971—2020年浙江沿海地区38个站点的逐日降水数据资料(前一日20：00至当日20：00的累积降水).本次研究的季节划分为：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(当年12月—翌年2月).由于浙江沿海地区气象站点众多,基于数据的完整性和站点分布尽可能均匀及本文研究工作的针对性考虑,选取其中38个站点(见图1(a))的逐日降水资料进行研究.

注：基于自然资源部标准地图服务网审图号为GS(2019)1822号标准地图制作,底图边界无修改

2.2 研究方法

GIS分组分析[8](grouping analysis)是根据要素属性和可选的空间/时态约束对要素进行分组,是聚类分析的一种常用工具,通常用于地理空间的类型划分.该方法兼顾了研究对象的属性因素和空间特征进行综合聚类分析,通过给定创建的组数,并设定分析属性字段和空间约束条件,使得每个组内要素保持最大相似性,同时组间要素保持最大差异性,其中,分组有效性用伪F统计量测算.因此,本文利用ArcGIS软件的分组分析工具对浙江沿海地区38个气象监测站点的多年平均降水量进行分组聚类分析,依据聚类结果将研究区域划分三大片区,分别为北部沿海地区、中部沿海地区及南部沿海地区(见图1(b)).与此同时,本文分别运用线性倾向估计法、滑动平均法分析浙江沿海地区降水的年代际及季节的变化趋势,运用M-K法分析降水的突变特征[9].

3 浙江沿海地区降水特征

3.1 降水量年代际变化特征

根据浙江沿海地区1971—2020年38个气象站点的逐日降水数据资料,分别计算得到浙江北部、中部和南部沿海地区各年代的降水量距平,具体见表1～表3.

3.1.1 浙江北部沿海地区降水量年代际变化特征

50年来,浙江北部沿海地区降水的年代际变化明显,总体表现出少→多→少→多的变化过程(见表1).20世纪70年代、20世纪80年代和21世纪00年代为负距平,属于少雨期; 20世纪90年代和2010—2020年为正距平,属于丰沛期.其中20世纪70年代负距平最大,2010—2020年正距平最大.

各季节的降水量年代际变化趋势有所不同.春季降水量的年代际变化呈现少→多→少→多的趋势.20世纪70年代为负距平,20世纪80年代、20世纪90年代为正距平,21世纪00年代的负距平值最大,2010年以后接近平均值,降水较前一年代有所增加.夏季降水量的年代际变化总体也呈现出少→多→少→多的趋势.20世纪70年代、20世纪80年代均为负距平;20世纪90年代转为正距平,21世纪00年代又转为负距平,2010年后出现降水量最大正距平(112.53 mm).秋季降水量的年代际变化总体呈现多→少→多的趋势.20世纪70年代、20世纪80年代为正距平,20世纪90年代出现降水量的最大负距平,且持续到21世纪00年代,均属少雨期;2010—2020年降水量增加明显,且出现最大正距平.冬季降水量的年代际变化总体呈现出少→多的趋势.20世纪70—90年代均为负距平,属少雨期;进入21世纪降水量开始增加,均为正距平,为丰沛期;最低值出现在20世纪80年代,最高值出现在21世纪00年代.

表1 浙江北部沿海地区年及季节降水量距平的年代际变化 单位：mm

3.1.2 浙江中部沿海地区降水量年代际变化特征

50年来,浙江中部沿海地区降水年代际变化明显,总体表现出少→多→少→多的变化过程(见表2).20世纪70—80年代和21世纪00年代均为负距平,属于少雨期;20世纪90年代和2010—2020年均为正距平,属丰沛期;其中,21世纪00年代负距平值最大,2010—2020年正距平最大.

各季节的降水量年代际的变化趋势也有所不同.春季降水量的年代际变化总体呈现出多→少→多的趋势.20世纪70—90年代的降水量为正距平,21世纪00年代的负距平值最大,2010年以后为正距平.夏季降水量的年代际变化总体呈现出少→多→少→多的趋势.20世纪70—80年代为负距平,20世纪90年代为正距平,21世纪00年代降水量为负距平,2010—2020年的正距平值最大.秋季降水量的年代际变化总体呈现多→少→多的趋势.20世纪70—80年代为正距平,20世纪90年代—21世纪00年代为负距平,2010—2020年为正距平.冬季降水量的年代际变化总体呈现出少→多的趋势.20世纪70—90年代均为负距平,进入21世纪后降水量开始增加,均为正距平.

表2 浙江中部沿海地区年及季节降水量距平的年代际变化 单位：mm

表3 浙江南部沿海地区年及季节降水量距平的年代际变化 单位：mm

3.1.3 浙江南部沿海地区降水量年代际变化特征

50年来,浙江南部沿海地区降水的年代际变化明显,总体表现出少→多的变化过程(见表3).20世纪70—80年代为负距平,属少雨期;20世纪90年代—2020年为正距平,属丰沛期.其中,20世纪70年代的负距平最大,2010—2020年的正距平最大.

各季节降水量的年代际变化趋势也有所不同.春季降水量的年代际变化总体呈现出多→少的趋势.20世纪70—90年代均为正距平,进入21世纪以后均为负距平.夏季降水量的年代际变化总体呈现出少→多→少的趋势.20世纪70—80年代为负距平,20世纪90年代—21世纪00年代均为正距平,2010—2020年为负距平.秋季降水量的年代际变化总体呈现出少→多→少→多的趋势.20世纪70年代、20世纪90年代和21世纪00年代为负距平,20世纪80年代和2010—2020年为正距平.冬季降水量的年代际变化总体呈现出少→多的趋势.21世纪以前均为负距平,进入21世纪后降水量开始增加,均为正距平.

3.2 降水量长期变化特征

基于1971—2020年浙江沿海地区的日值降水数据,计算并绘制1971—2020年浙江沿海地区年降水量变化曲线及11 a滑动平均曲线(见图2).

浙江北部沿海地区50 a平均降水量为1 232.28 mm,最大降水量为1 653.52 mm(2018年),最小降水量为747.27 mm(2003年),其比值为2.21,年际变化较大.由图2(a)可以看出,研究时段北部沿海地区降水量年际变化的上升趋势显著(r=0.409,P<0.05),年际变化倾向率为64.86 mm·(10 a)-1.11 a滑动平均结果表现为降水量先波动上升,在2003年前后下降,后又一直呈现上升趋势.

浙江中部沿海地区50 a平均降水量为1 469.92 mm,最大降水量为1 916.69 mm(2012年),最小降水量为1 004.46 mm(2003年),其比值为1.91,年际差异较大.由图2(b)可以看出,研究时段中部沿海地区降水量年际变化的上升趋势显著(r=0.286,P<0.05),年际变化倾向率为40.54 mm·(10 a)-1.11 a滑动平均结果表现为降水量先波动上升,在2003年前后有所下降,后又一直呈现上升趋势.

浙江南部沿海地区50 a平均降水量为1 727.64 mm,最大降水量为2 311.93 mm(1990年),最小降水量为1 159.36 mm(1971年),其比值为1.99,该地区气候湿润.由图2(c)可以看出,研究时段南部沿海地区降水量年际变化的上升趋势不显著(r=0.060,P>0.05),年际变化倾向率为11.4 mm·(10 a)-1.11 a滑动平均结果表现为降水量波动上升的趋势.

图2 1971—2020年浙江沿海地区年降水量变化及趋势

3.3 降水量突变分析

图3是浙江沿海地区降水量的M-K统计量曲线.通过M-K突变检验法结合图3可知,浙江北部、中部和南部地区年降水的曲线UF和曲线UB在±1.96临界值之间(通过了P=0.05的显著性水平检验)均有显著的交点(此交点对应的时刻为突变开始的时间).

由图3(a)可知,浙江北部沿海地区年降水量除了在1978年左右为下降趋势外,其余年份均呈现上升趋势.另外,UF和UB曲线在2013年前后相交,表明2013年为年降水量的突变开始年份,且2013年以后,降水量明显增加.

图3 1971—2020年浙江沿海地区年降水量M-K统计量图

浙江中部沿海地区M-K统计量曲线(见图3(b))显示,20世纪70年代、20世纪90年代—21世纪初、2010年之后UF值大于0,说明这些时间降水量呈上升趋势,其余研究时间段UF值小于0.说明这些时段降水量均呈现下降趋势,且在1973年和2012年左右均存在交点,表明此时段是突变点,降水量显著增加.

浙江南部沿海地区M-K统计量曲线(见图3(c))显示,除了1976—1987年期间UF小于0外(说明降水呈现下降趋势),其他大部分年份均是呈现上升趋势.且在1972年前后、1985年左右均存在多个突变点,表明此时段降水量年际震荡显著.

3.4 极端降水变化特征

采用百分位阈值法计算浙江沿海地区极端降水阈值,将1971—2020年共计38个站点的逐日有效降水量(24 h降水量大于5 mm),按北部、中部和南部沿海地区进行归类,并分别按升序排序,第95百分位值对应的降水量(北部沿海地区42.47 mm,中部沿海地区35.12 mm,南部沿海地区42.47 mm)即为极端降水事件的阈值.根据极端降水阈值绘制1971—2020年浙江沿海地区极端降水强度的变化及极端降水天数变化趋势如图4所示.

图4(a)为1971—2020年浙江北部沿海地区极端降水变化趋势,结果表明,北部沿海地区平均极端降水强度为219.93 mm,总体呈现上升趋势,气候倾向率为46.94 mm·(10 a)-1.从11 a滑动平均变化趋势可以看出,北部沿海地区在20世纪前期极端降水强度一直波动上升,21世纪初开始有下降趋势,21世纪10年代后又快速上升.图4(b)为1971—2020年浙江北部沿海地区极端降水天数变化趋势,结果表明,多年平均极端降水天数为3.6 d,总体呈现上升趋势,气候倾向率为0.63 mm·(10 a)-1.从11 a滑动平均变化趋势可得,北部沿海地区在20世纪 90年代初期和2015年后极端降水天数大于平均值,而在20世纪70年代、20世纪80年代和21世纪初极端降水天数较少.综上,50年来浙江北部沿海地区极端降水强度总体呈现增加趋势,20世纪70年代、20世纪80年代极端降水事件较少,20世纪90年代极端降水事件增加,进入21世纪后极端降水事件呈现下降趋势,在2015年前后呈现极端降水事件的频率和强度开始呈上升趋势.

图4 1971—2020年浙江沿海地区极端降水强度和极端降水天数变化及趋势

图4(c)为1971—2020年浙江中部沿海地区极端降水变化趋势,由图4(c)可以看出,中部沿海地区平均极端降水强度为211.37 mm,总体呈现上升趋势,气候倾向率为45.63 mm·(10 a)-1.从11 a滑动平均曲线可以看出,中部沿海地区在20世纪90年代中期之前极端降水强度一直呈现波动上升趋势,20世纪90年代中期以后呈现下降趋势,进入21世纪初期后极端降水强度又开始呈现波动上升趋势.图4(d)为1971—2020年浙江中部沿海地区极端降水天数变化趋势,结果表明,多年平均极端降水天数为4.3 d,总体呈现上升趋势,气候倾向率为0.79 mm·(10 a)-1.从11 a滑动平均曲线的变化趋势中可以看出,中部沿海地区在20世纪80年代、20世纪90年代中后期和2005年以后极端降水天数大于平均值,而在20世纪70年代和21世纪00年代初期极端降水天数较少.综上,50年来浙江中部沿海地区极端降水强度总体呈现增加趋势,20世纪70年代极端降水事件较少,20世纪80—90年代极端降水事件增加,进入21世纪初期极端降水事件呈现下降趋势,在2005年前后又呈现出极端降水事件的频率和强度开始上升趋势.

图4(e)为1971—2020年浙江南部沿海地区极端降水变化趋势,结果表明,南部沿海地区平均极端降水强度为312.38 mm,总体呈现上升趋势,气候倾向率为9.27 mm·(10 a)-1.从11 a滑动平均曲线的变化趋势中可知,南部沿海地区极端降水强度在20世纪70年代呈现下降趋势,此后一直呈现波动上升趋势.图4(f)为1971—2020年浙江南部沿海地区极端降水天数变化趋势,结果表明,多年平均极端降水天数为4.5 d,总体呈现上升趋势,气候倾向率为0.19 mm·(10 a)-1.从11 a滑动平均曲线的变化趋势中可知,南部沿海地区在1988年至2007年前后极端降水天数大于平均值,而在20世纪70—80年代初期、2010年后极端降水天数较少.综上,50年来浙江南部沿海地区极端降水强度总体呈现增加趋势,20世纪70年代至21世纪前期极端降水事件较少,在2003年前后至2013年出现极端降水事件的频率和强度开始呈上升趋势,2013年后极端降水事件又呈现下降趋势.

4 热带气旋对浙江沿海地区降水变化的影响分析

气旋性降水是沿海地区最为频繁的自然灾害,其带来的短时极端降水危害严重.根据对中国气象局热带气旋资料中心(http：//tcdata.typhoon.org.cn)提供的数据资料分析发现,1949—2022年登陆我国浙江的热带气旋为79个,年平均值为1.06个[10-11].本文讨论的热带气旋指中心最大风速大于10.8 m/s(热带低压及以上)的热带气旋,表4给出了1971—2020年登陆浙江沿海地区的热带气旋的频数统计,平均每年1.12个,年代际变化明显.这与前文中浙江沿海地区的极端降水强度和天数均呈上升趋势的结果有一定的对应关系.结合历年浙江省台风登陆路径资料可以看出,登陆地点集中于中南部沿海城市,尤其是台州和温州[12-13],这很好地解释了前文中有关浙江南部沿海地区20世纪70—80年代降水突变后显著增加的现象.20世纪00年代中期,第0509号强台风“麦莎”和第0608号超强台风“桑美”从浙江温州正面登陆,带来了特大暴雨,因此,南部地区极端降水强度和极端降水天数的数值居高位.21世纪,在浙江沿海登陆的台风共计31个,其中出现强台风及超强台风的频次大幅增多.这也和前文中分析得到的进入21世纪后3区的极端降水事件的频率增多相符.

表4 1971—2020年登陆浙江地区热带气旋次数统计表 单位：个

5 结论与讨论

利用浙江沿海地区38个气象站点1971—2020年的逐日降水资料,采用线性回归、滑动平均、M-K突变分析等方法,分别对浙江北部、中部和南部沿海地区的降水变化特征进行分析,得到以下主要结论：

1)1971—2020年,浙江沿海地区的降水量、极端降水强度及极端降水天数总体均呈现上升趋势,特别是进入21世纪后3区出现极端降水事件的频率增多.

2)从降水量的年代际变化来看,浙江北部和中部地区降水量总体均呈现少→多→少→多的变化过程,而南部沿海地区总体表现出少→多的变化过程;从季节来看,3区除冬季均呈现出少→多的趋势外,其他3个季节降水变化差异显著.

3)浙江北部沿海地区在2013年降水量开始突变后增加;中部沿海地区在1973年、2012年降水量开始突变后增加;南部沿海地区在多个年份存在突变点,并且降水量在20世纪70年代中期、20世纪80年代中期多次突变后显著增加.

4)浙江沿海地区的极端降水分布规律受台风影响尤为突出,特别是中南部沿海地区;在进入21世纪后,3区的极端降水频率增多.