1971—2013年長興年降水結構時空變化特征

魏麗華 吳 猛 史建橋

(1.長興縣氣象局，浙江 長興 313100； 2.94783部隊61分隊，浙江 長興313111)

1971—2013年長興年降水結構時空變化特征

魏麗華 吳 猛 史建橋

(1.長興縣氣象局，浙江 長興 313100； 2.94783部隊61分隊，浙江 長興313111)

利用長興地區1971—2013年逐日降水量資料，采用趨勢分析、功率譜分析和GIS空間分析，探討反映年內降水結構的2類指標：不同強度降水日數和降水相關極值的時空分布規律。結果表明：近43 a來，降水量變化呈微弱減少趨勢，減少速率為6.61 mm/10a；不同強度降水日數變化差異明顯，其中總降水日數和小雨日數呈顯著下降趨勢，減少速率分別為3.38 d/10a、3.17 d/10a，相比而言，中雨日數和大雨及以上日數呈波動趨勢，變化不大。2002—2013年，最大連續降水量和最大日降水量較多年平均水平偏低，但呈現為顯著上升趨勢，上升速率分別為133.62 mm/10 a、46.37 mm/10a。準2～3 a是長興年降水量最為明顯的振蕩周期?？臻g分布上，不同強度降水日數和降水極值大體上呈南北高、東西低的態勢，高低中心分布差異特征明顯，高值區主要位于和平以南、白峴和顧渚等地區，低值區主要在林城和小浦以西、長興東部環太湖等地帶。

長興；年降水結構；Mann-Kendall；時空變化

0 引 言

IPCC第4次評估報告[1]指出，最近幾十年強降水事件的發生頻率有所上升，并且在溫室效應影響下，這種趨勢會進一步發展。全球變暖，區域氣候改變，勢必導致降水及其分布發生變化，使得高溫、干旱、洪澇等災害性天氣頻發。近年來，很多學者對降水的時空變化特征進行了相關研究[2-5]，結果表明，我國年、季降水日數呈現明顯的減少趨勢，且降水日數減少的范圍遠遠大于降水量減少的范圍，并具有區域性和季節性。這說明降水量的研究不能等同于降水強度的研究，在研究降水時，很有必要研究不同強度降水日數和降水相關極值的氣候特征及其變化規律。事實上，降水量僅僅是表征降水特性的一方面[6]，不同強度降水日數以及降水極值與降水量的變化并不完全一致，甚至可能出現很大差異，如顧駿強等[7]利用1961—1999年浙江省36個站點的資料，分析了浙江省年、季、月降水總量與雨日數的氣候變化，指出在浙江省年降水量增加的同時，雨日數沒有同步的增加，除了7、8月份雨日是增加以外，其他月份的雨日數都表現為減少。

長興地區屬亞熱帶海洋性季風氣候，降水充沛、四季分明、雨熱同季，大部分為山區丘陵地帶，地形復雜，山峰連綿，東臨太湖，盛行東風，水汽充沛，加之地處長江中下游杭嘉湖平原，南北系統經常在此交匯，長興各月均可產生連陰雨天氣。一個區域的降水結構，可以用不同強度降水日數和降水相關極值的分布情況來衡量。因此，為全面認識降水的氣候變化特征，深入分析長興地區年降水結構的時間演變特征和空間分布信息，本研究利用長興地區1971—2013年逐日降水資料，采用線性傾向估計、距平分析、功率譜分析和GIS空間分析等方法，詳細分析近43 a長興地區年降水結構時空分布規律，以期為汛期旱澇預測提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源與處理

選取長興氣象臺1971—2013年逐日降水量整編數據為研究對象，對年降水結構時間變化特征進行分析?；诳紤]數據序列的均一性和完整性，采用長興地區18個自動化觀測站2011—2013年逐日降水量自動觀測序列，探討年降水結構的空間分布情況。降雨等級以中央氣象臺的劃分為標準，分別統計各站點降水日數(P≥0.1 mm/d)、小雨日數(0.1 mm/d≤P<10 mm/d)、中雨日數(10 mm/d≤P<25 mm/d)和大雨及以上日數(P≥25 mm/d)。四季劃分標準為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)。

說明：降水量和降水日數氣候平均值取1981—2010年平均，降水日數包括降雪日， 降水量包括降雪量，若是純雪，把降雪轉化為降水量。

1.2 分析方法

1.2.1 異常年份分析

世界氣象組織對氣候異常提出兩種判別標準，一是距平超過標準差的2倍以上，二是它出現的幾率為25 a以上一遇[8]。本文采用距平大于標準差的2倍作為異常，大于標準差的1.5～2倍為接近異常來分析長興降水的異常特征。

1.2.2 功率譜分析

功率譜是應用極為廣泛的一種分析周期的方法，它是以傅里葉變換為基礎的頻域分析方法，其意義為將時間序列的總能量分解到不同頻率上的分量，根據不同頻率波的方差貢獻診斷出序列的主要周期，從而確定周期的主要頻段，即序列隱含的顯著周期[9]。

本文利用redfit3.8[10]對長興縣降水量的周期進行分析。

2 降水時空變化特征

2.1 時間變化特征

2.1.1 年際和季節變化

長興地區年平均降水量為1295.6 mm，其中1999年降水最多(1936.1 mm)，1978年最少，僅732.0 mm，43 a中僅有6 a降水量小于1000 mm。雖然降水量大，但降水較為均勻，見圖1a。從圖中可以看出，1971-2000年降水年變化較21世紀以來波動振幅較大，降水量標準差分別為292.5 mm、149.5 mm。另外，從中還可以看出，20世紀70年代降水量較少，較多年平均偏少95.0 mm，80年代和90年代降水偏多，進入21世紀以來，年降水量雖然表現為增加趨勢，但降水量較同期偏少99.2 mm，整體表現為一個先增加后減小的態勢。分析表明，1971—2013年長興地區年降水量呈波動微弱下降趨勢，氣候傾向率為-6.61 mm/10a，下降趨勢不顯著，未通過0.05顯著性檢驗。

從四季降水量逐年分布圖(圖1b)可以發現，四季降水變化趨勢特征明顯，從變化趨勢來看，春、秋季降水量呈減少趨勢，減少速率分別為7.99 mm/10a、31.56 mm/10a，夏、冬季則表現為明顯增加趨勢，增加速率分別為17.99 mm/10a、14.24 mm/10a，僅有秋季減少趨勢達到了0.05顯著性水平。從四季降水量的變化來看，對近43 a長興年降水量變化趨勢，夏季的貢獻最大，二者相關系數高達0.766，通過了0.001顯著性檢驗，春季次之?？梢?，夏季降水量的變化特征主導了全年降水量的變化情況。

圖1 1971—2013年長興降水量年際和四季分布圖

2.1.2 降水異常年份分析

從近43 a長興年和四季降水量的異常(含接近異常)年份來看(表1)：

1)長興地區春季降水量異常主要發生在19世紀70年代和21世紀以來，其中2011年異常偏少最為明顯，較同期偏少179.5 mm，1977年降水量距平為200.7 mm，異常偏多。夏季降水量異常特征顯著，偏多年份主要出現在20世紀90年代，其中1999年夏季降水量為近43 a最高值，較多年平均值偏多768.9 mm，大于標準偏差的3.5倍；異常偏少年份在1978年，降水量較同期偏少411.7 mm。在秋季，降水量異常偏多主要發生在19世紀70年代和80年代，其中1983年降水量距平為411.9 mm，大于標準偏差的接近4倍。在冬季，歷史上僅出現過一次異常偏多年份，以1997年偏多177.3 mm最為明顯。

2)1971—2013年長興年降水量異常偏少年份僅出現過一次，即1978年，降水量為近43 a來最低值，較多年平均值偏少563.6 mm。而異常偏多年份多發生在20世紀80年代和90年代，主要是由于夏、秋季降水量異常多造成的，其中1999年為近50 a最高值，較多年平均值偏多640.5 mm。

表1 1971—2013年長興年、季降水量的異常年份

+，-分別表示異常偏多和偏少。

2.1.3 不同強度降水日數時變特征

長興地區年平均總降水日數、小雨日數分別為142.3、102.5 d，均表現為下降趨勢，減少速率分別為3.38、3.17 d/10a，而且變化趨勢顯著，均達到了0.05顯著性水平；相比而言，中雨日數和大雨及以上日數平均為26.4 d、13.3 d，兩者則呈波動趨勢，變化不大，見圖2a。另外，2001年以來，大雨及以上日數呈顯著增加趨勢，增加速率為3.9 d/10a，但日數較多年平均偏少1.6 d。不同強度降水日數中，小雨日數的變化對總降水日數的貢獻最大，二者變化態勢相當一致，相關系數高達0.82。

1971—2013年長興不同強度降水日數年代際變化特征明顯(圖2b)，從圖中可以看出，總降水日數和小雨日數為逐漸減少趨勢，20世紀70年代和80年代較同期水平均偏多，為多雨期， 90年代以后開始大幅減少，21世紀以來，降水日數更少，較多年平均值偏少4.1 d。中雨日數和大雨及以上日數大體上是一個先增加后減少的態勢，20世紀70年代和80年代，中雨日數變化平穩，90年代達到最小值，距平為-1.5 d，之后表現為上升趨勢；大雨及以上日數則在20世紀80年代和90年代較多年平均值偏多，21世紀以來則大幅減少，較多年平均值偏少1.6 d。

圖2 1971—2013年長興不同強度降水日數年際(a)和年代際(b)變化

2.1.4 降水極值時變特征

圖3為近43 a長興降水極值的分布情況，從中可以看出，最大連續降水量和最大日降水量階段性特征明顯，1971—2001年最大連續降水量和最大日降水量較多年平均值偏高，波動振幅較大，標準差分別為32.3 mm、87.3 mm，均表現為緩慢波動上升趨勢，上升速率分別為16.86、6.46 mm/10a，但變化趨勢不顯著，未達到95%顯著性水平；2002—2013年兩者較多年平均水平偏低，但呈現為顯著上升趨勢，上升速率分別為133.62、46.37 mm/10a。其中在1999年6月下旬最大連續降水量高達496.8 mm，最大日降水量基本出現在4—10月，1990年最大日降水量最多(165.6 mm)，2002年最少，僅有40.9 mm。

圖3 1971—2013年長興降水極值逐年分布圖

2.1.5 周期分析

基于redfit3.8，采用Welch方法對1971—2013年長興降水量進行周期分析，結果如圖4示。從圖4可以看出，長興地區年降水量在周期長度3 a附近，功率譜估計值為第一峰值且超過置信度95%標準譜，說明準3 a是年降水量第一顯著振蕩周期。另外，在2.2 a處功率譜估計值為第二峰值，也超過置信度95%標準譜。因此，準2～3 a振蕩是長興地區年降水量最為明顯的顯著周期。

圖4 長興地區年降水量功率譜分析結果

2.2 空間分布特征

2.2.1 不同強度降水日數空間分布

圖5給出了長興地區不同強度降水日數的空間分布情況，從中可以看出，總降水日數和小雨日數在空間上大體呈南北高、東西低的特點，即虹星橋以南、小浦以北為高值區，長興以東、林城以西為低值區，其中吳山總降水日數和小雨日數最多，年平均分別為170.3、130.7 d；長興東部環太湖區兩者均偏少，其中新塘站總降水日數和小雨日數最少，年平均分別為121.0、93.0 d，其次是香山和林城，分別為126.7、94.0 d和126.7、92.7 d。中雨日數則表現為東南和西北高、西南和東北低的態勢，東南部的和平—呂山—李家巷一帶以及西北部的白峴—二界嶺為高值區，其中和平和白峴最多，年平均日數在30 d以上，長興東北部環太湖區和林城以西為低值區，年平均中雨日數為24～26 d。大雨及以上日數高值區主要分布在顧渚—長興—呂山—和平的南北向帶狀區以及白峴—槐坎一帶，年平均日數在12 d以上，長興以西和以東地區大雨及以上日數偏少，其中新塘最少，僅8 d。

圖5 2011—2013年長興地區不同強度降水日數空間分布

2.2.2 降水極值空間分布

降水相關極值的變化反映了降水潛力的變化。長興地區最大連續降水量和最大日降水量空間分布特征明顯，均表現為南北高、東西低的趨勢，結果如圖6所示。從中可以發現，北部的白峴和顧渚地區以及南部和平、吳山一帶為最大連續降水量和最大日降水量的高值區，其中白峴年平均最大連續降水量最多，達319.6 mm，其次是顧渚(290.2 mm)，和平最大日降水量最高，為146.2 mm，其次是白峴(142.5 mm)；林城(小浦)以西和長興以東地區為最大連續降水量(最大日降水量)低值區，其中香山的最大連續降水量和最大日降水量最少，分別為153.3、90.2 mm，其次是泗安(194.2、91.4 mm)。

圖6 2011—2013年長興地區不同強度降水日數空間分布

3 結 語

本文利用1971—2013年長興逐日降水資料，詳細分析了近43 a長興地區年降水結構時空分布規律，主要結果如下。

1)長興地區年降水量大，但四季降水較為均勻，分析表明：1971—2013年長興降水量表現為微弱減少趨勢，減少速率為6.61 mm/10a；春季和秋季降水量呈下降趨勢，夏季和冬季則表現為顯著上升趨勢，四季變化速率大小為：秋季>夏季>冬季>春季；降水異常偏多主要發生在20世紀80年代和90年代。

2)不同強度降水日數變化差異明顯，其中總降水日數和小雨日數呈顯著下降趨勢，減少速率分別為3.38、3.17 d/10a；相比而言，中雨日數和大雨及以上日數呈波動趨勢，變化不大。另外，2001年以來，大雨及以上日數呈顯著增加趨勢，增加速率為3.9 d/10a，但日數較多年平均偏少1.6 d。

3)最大連續降水量和最大日降水量階段性特征明顯，尤其是2002—2013年，兩者較多年平均水平偏低，但呈現為顯著上升趨勢，上升速率分別為133.62、46.37 mm/10a。其中在1999年6月下旬最大連續降水量高達496.8 mm，最大日降水量基本出現在4—10月，1990最大日降水量最多(165.6 mm)，2002年最少，僅有40.9 mm。

4)準2～3 a是長興降水量最為明顯的振蕩周期。

5)空間分析表明，2011—2013年長興縣不同強度降水日數和降水極值大體上呈南北高、東西低的態勢，高低中心分布差異特征明顯，高值區主要位于和平以南、白峴和顧渚等地區，低值區主要在林城和小浦以西、長興東部環太湖等地帶。

在全球變暖的背景下，尤其是近年來長興地區氣溫逐漸上升，而降水卻表現為緩慢的減少趨勢，對未來長興農林業發展存在一定的不利因素。降水因受地形、地貌等因素的影響，在空間上分布很不均勻[11]，但由于受站點位置、站網密度等限制，地面觀測不能準確把握降雨的空間分布和強度變化，因此，如何利用有限的站點資料，融合高分辨數據，實現降水量空間精細化估算還需要深入研究和探討。

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2015-07-20