寧夏連陰雨氣候變化特征分析研究＊

張 智,梁 培,陳玉華,梁旭

(1.寧夏氣象信息中心,寧夏銀川 750002;2.寧夏氣象防災減災重點試驗室,寧夏銀川 750002)

寧夏連陰雨氣候變化特征分析研究＊

張 智1,2,梁 培1,陳玉華1,梁旭2

(1.寧夏氣象信息中心,寧夏銀川 750002;2.寧夏氣象防災減災重點試驗室,寧夏銀川 750002)

選取寧夏20個氣象站的氣象觀測資料,運用數理統計法、Lepage檢驗和小波分析等方法,分析了寧夏全年和汛期(5-9月)連陰雨發生次數的氣候變化特征及其突變、周期變化。結果表明:自1990年以后,寧夏全年和汛期連陰雨發生了明顯變化,連陰雨發生次數均呈減少的趨勢,年際變化和年代際變化特征明顯;南部山區連陰雨明顯多于北部地區,高發中心位于南部六盤山東麓,六盤山東麓連陰雨多于西麓;連陰雨未發生突變;全年連陰雨存在3～5年的短周期和10年、16～18年左右的長周期;汛期連陰雨存在著4～6年的短周期和12年的長周期。

寧夏;連陰雨;氣候特征;小波分析法;Lepage檢驗法;數理統計法

0 引言

寧夏地處西北內陸,遠離海洋,境內呈“南高北低”的地形地貌特點,南部是黃土高原,中部為鄂爾多斯臺地丘陵,北部由黃河沖積平原、賀蘭山山脈組成。由于地形的影響,寧夏各地降水具有明顯的南北差異,南部地區年平均降水量是北部地區的3.7倍;由于季風的影響,寧夏各地降水主要集中在5-9月,其間降水量占年降水量的80%以上;連陰雨既是寧夏滑坡、塌陷等自然災害的主要誘發因素,又是寧夏中南部地區水資源的重要來源;冬季持續性降水能夠提高干旱地區的土壤墑情,春季和夏季持續性降水能解除農業旱情,有利于寧夏中南部干旱地區的農業生產活動。

關于西北地區降水的研究已有很多[1-7],近年來寧夏也有很多氣象工作者研究了寧夏的降水變化特征[8-12],但這些多側重于降水變化特征和暴雨天氣過程的分析研究,有關寧夏連陰雨氣候變化特征及其突變和周期等方面的研究還比較少。有研究表明1990年代以后寧夏降水呈減少的趨勢[12],但連陰雨發生次數的氣候特征是否發生了變化?有無年際、年代際變化規律?有無突變和周期?利用寧夏19個氣象站47年氣象觀測資料,分析了寧夏全區連陰雨發生次數的年際、年代際變化規律及其突變和周期,對比分析了1990年代前后寧夏連陰雨發生次數的氣候特征,可為寧夏降水預測預報提供科學依據。

1 資料和方法

選取寧夏19個氣象站1961-2007年逐日降水量、總云量資料(日界為北京時20:00時),以連陰雨、連陰雪(以下統稱連陰雨)發生次數作為定量表征指標。根據寧夏氣候特點,對連陰雨的統計標準定義為:

(1)若連續3 d日降水量≥0.1 mm,且日平均總云量≥8成,記為一次連陰雨過程;

(2)若連續4～5 d,其間允許有1個非雨日,且該非雨日日平均總云量≥8成;

(3)若連續6 d以上,其間允許有2個非雨日,且該非雨日日平均總云量≥8成,但不能有連續2個非雨日。

本文運用數學統計方法分析寧夏連陰雨天氣的氣候變化特征;運用Lepage突變檢驗法進行氣候突變分析;運用小波分析法分析周期變化。因汛期(5-9月)是寧夏各地的主要降水時期,文中重點對全年降水量和汛期降水量的時空變化特征進行分析。

2 時空分布特征

2.1 年際變化

從寧夏年連陰雨發生次數距平的年際變化圖(圖1a)中可以看到,寧夏年連陰雨發生次數總體呈負趨勢,氣候傾向率分別為-3.2次/10 a,線性趨勢系數為-0.181 4,未通過顯著性水平為0.10 (0.247 8)的檢驗,表明寧夏年連陰雨發生次數的總體負趨勢不明顯。累積距平主要表現為“兩升兩降”型變化,1960年代初期至1970年代中后期為連陰雨多發階段,1970年代后期至1980年代中后期為連陰雨少發階段,1980年代后期至1990年代初期為連陰雨多發階段,1990年代中期以后再次出現連陰雨少發階段。從年代際變化看,1960年代平均出現92.4次(1961-2007年平均87.1次), 1970年代平均為90.7次,1980年代平均為89.3次,1990年代平均只有77.5次,2001-2007年平均為85.3次;1960、1970、1980年代均為正距平,而1990年代和2001-2007年為負距平,亦即寧夏年連陰雨從1990年代之前的偏多期轉為1990年代之后的偏少期。

圖1 寧夏全年(a)和汛期(b)連陰雨距平逐年變化(柱狀為距平值,實直線為線性趨勢線,折線為累積距平值)

從寧夏汛期連陰雨發生次數距平年際變化圖(圖1b)可以看到,寧夏汛期連陰雨發生次數總體上也呈現為負趨勢,氣候傾向率分別為-1.6次/ 10 a,線性趨勢系數為-0.119 9,未通過顯著性水平為0.10的檢驗,表明寧夏汛期連陰雨發生次數的總體負趨勢不明顯。累積距平主要表現為“一升一降”型變化,1960年代初期至1970年代后期為連陰雨多發階段,1980年代初期以后為連陰雨少發階段。從各年代變化看,1960年代平均出現59.9次(1961-2007年平均58.0次),1970年代平均為65.1次,1980年代平均為55.4次,1990年代平均只有47.8次,2001-2007年平均為63.7次;1960、1970年代和2001-2007年均為正距平,而1980、1990年代為負距平,亦即寧夏汛期連陰雨從1980年代之前的偏多期轉為1980年代之后的偏少期,但2001-2007年又有轉為偏多的趨勢。

從以上分析可以看到,寧夏近47年來全年和汛期連陰雨發生次數總體上均呈減少的趨勢,其中全年減少的趨勢比汛期減少的趨勢大,線性趨勢系數均未通過顯著性檢驗,減少趨勢不明顯。全年連陰雨發生次數的累積距平主要表現為“兩升兩降”型變化,存在著明顯的偏多年和偏少年;汛期連陰雨發生次數則表現為“一升一降”型變化,也存在著明顯的偏多年和偏少年,兩者的年際變化和年代際變化特征均很明顯。

2.2 月際變化

圖2為寧夏連陰雨發生次數的月際變化圖。從圖2中可以看到,1990年代前后相比,寧夏連陰雨仍然集中出現在7-9月,12月和1月出現最少,但各月出現頻次卻有所不同。其中2、4、5、8、9、10和11月表現為減少趨勢,尤其是5、8和10月減少明顯,連陰雨頻次分別減少了3.0、4.3和3.7次; 1、3、6和7月表現為增加趨勢,但增加趨勢不明顯,只有7月增加了1.7次,其他3個月增加頻次均在0.5次以下;12月頻次未發生變化。

圖2 寧夏連陰雨平均發生次數月變化

2.3 空間分布

從寧夏各地連陰雨平均發生次數的空間分布(圖3a、3b)可以看到:1990年代以后各地連陰雨發生次數均減少,1961-1990年年均發生2.2～12.9次,1991-2007年年均發生1.7～11.4次,南部地區減少的次數明顯多于北部地區;寧夏連陰雨高發中心位于南部地區六盤山東麓的涇源,少發中心位于北部地區賀蘭山北端的惠農,1961-1990年兩者年均發生次數相差5.9倍,1991-2007年相差6.7倍,亦即北部地區連陰雨減少的速度比南部地區快;六盤山東麓連陰雨發生次數明顯多于西麓,隆德、西吉位于六盤山西麓,其連陰雨次數明顯少于六盤山東麓的涇源。這是因為六盤山東南坡是暖濕空氣進入寧夏的主要通道[13],由于山地地形的抬升作用,使得南部山區的連陰雨次數遠遠多于其他地區;賀蘭山北部地區的連陰雨發生次數明顯少于其他地區,惠農位于賀蘭山北端與卓子山之間的風口地區,其連陰雨次數明顯少于鄰近的平羅。

從以上分析可知,1990年代以后,寧夏各地連陰雨發生次數出現了明顯的變化,1961-1990年年均發生2.2～12.9次,1991-2007年年均發生1.7～11.4次,連陰雨高發中心位于南部山區六盤山東麓迎風坡的涇源,少發中心位于北部地區賀蘭山北端與卓子山之間風口的惠農。

圖3 寧夏1961-1990年(a)與1991-2007年(b)連陰雨平均次數分布圖

3 突變檢驗

寧夏全年和汛期連陰雨發生次數分別在1990年代和1980年代出現了明顯變化(圖1),但是否出現了氣候上的突變?在此用Lepage突變檢驗法[14]進行檢驗。圖4為寧夏全年和汛期連陰雨發生次數序列的Lepage檢驗統計量變化圖,從圖中可以看到,雖然全年連陰雨發生次數序列Lepage統計量在1996年出現一個峰值4.81,汛期連陰雨發生次數序列Lepage統計量在1973年和1979年各出現一個峰值3.95,但兩個序列的峰值均沒有通過置信度為95%檢驗的臨界值5.99,沒有十分顯著的突變現象發生。

4 周期分析

運用Mexihat小波分析方法[14]分析寧夏全年和汛期連陰雨發生次數在不同時間尺度上的變化特征。

圖4 寧夏全年(a)和汛期(b)連陰雨發生次數的突變檢驗

從寧夏全年和汛期連陰雨發生次數的小波分析圖(圖5)中可以看到,寧夏全年和汛期連陰雨發生次數確實存在明顯的年際變化和年代際變化特征。年連陰雨(圖5a)存在著3～5年的短周期, 1990年代以前的周期強中心出現在1960年代中后期,1990年代以后的周期強中心出現在21世紀初期;存在10年、16～18年的長周期,其中10年的周期強中心出現在1970年代中期,16～18年的周期強中心出現在1980年代后期。

汛期連陰雨(圖5b)存在著4～6年的短周期,周期強中心分別出現在1960年代中后期和1980年代中期;存在的12年長周期強中心出現在1970年代中期。

圖5 寧夏全年(a)和汛期(b)連陰雨發生次數的Mexihat小波分析

5 小結

通過對寧夏連陰雨發生次數的時空變化規律及其突變、周期的分析研究,得到以下結論:

(1)寧夏全年和汛期連陰雨發生次數均呈減少的趨勢,全年比汛期的減少的趨勢大,線性趨勢系數均未通過顯著性檢驗,減少趨勢不明顯,年連陰雨發生次數的累積距平主要表現為“兩升兩降”型變化,汛期表現為“一升一降”型變化,存在著明顯的偏多年和偏少年,兩者的年際變化和年代際變化特征均很明顯。

(2)寧夏連陰雨均集中出現在7-9月,各地連陰雨發生次數均減少,南部山區減少的次數明顯多于北部地區;連陰雨高發中心位于南部六盤山東麓,少發中心位于北部賀蘭山北端;六盤山東麓的連陰雨發生次數明顯多于西麓,而賀蘭山北部地區的連陰雨發生次數明顯少于其他地區。

(3)通過Lepage檢驗方法的檢驗,雖然全年連陰雨在1996年、汛期連陰雨在1973年和1979年均出現峰值,但均沒有發生突變現象。

(4)通過小波分析,寧夏全年連陰雨存在著3～5年的短周期和10年、16～18年左右的長周期;汛期連陰雨存在著4～6年的短周期和12年的長周期。

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Study on the Characteristics of Cl imatic Changes of Continuous Rain in Ningx ia

Zhang Zhi1,2,Liang Pei1,Chen Yuhua1and Liang Xu2

(1.N ingxia M eteorological Infor m ation Center,Yinchuan750002,China; 2.N ingxia Key Laboratory of M eteorological D isaster Prevention and Reduction,Yinchuan750002,China)

By selecting the meteorological data of 19 stations in Ningxia,using the methods of mathematical statistics,Lepage test andMexihatwavelet analysis,the characteristicsof climatic changes and theirmutations and periodic changes of continuous rains in a whole year and the flood season(May to September)in Ningxia are analyzed.The results show that the continuous rainy climate in whole year and flood seasons in Ningxia has experienced marked changes since 1990.Continuous rain tends to decrease.The interannual and interdecadal changes are obvious.Continuous rain in mountain areas in southern Ningxia ismore than that in the northern part. The area at the east foot ofLiupanshan mountain in southern Ningxia is prone to continuous rain.Continuous rain in area at the east foot ofLiupanshan mountain ismore than that in the area at the west foot.There are no abrupt changes.There exist a 3～5 years short cycle of annual continuous rain,10 years and 16～18 years long cycles. For continuous rain in flood seasons,there exist a 4～6 years short cycle and 12 years long cycle.

Ningxia;continuous rain;climatic characteristics;wavelet analysis;Lepage test;mathematical statistics

P426.62

A

1000-811X(2010)01-0069-04

2009-08-18

寧夏科技攻關項目“寧夏極端氣候事件及氣象災害的變化研究”(KGX-12-09-02);寧夏自然基金項目“寧夏連陰雨(雪)事件變化及機理研究”(NZ08160)

張智(1967-),男,山東泰安人,學士,高級工程師,主要從事氣候分析工作.E-mail:zz_tt@126.com