近50 a浙江降水分布的時空特征

王可欣 樓俊偉 俞涵婷

(1.臺州市椒江區氣象局，浙江 臺州 318000；2.武義縣氣象局，浙江 武義 321200)

0 引 言

當今，氣候變化及其對經濟和社會的影響已成為廣泛關注的焦點，研究氣候變化規律及異常突變情況具有十分重要的意義，國內外學者對區域降水變化做了諸多研究。Jones和Hulme等[1-2]研究表明，20世紀以來，全球陸面降水增加了大約1%。秦大河等[3]研究發現，近50 a來，中國年降水量總體呈減少趨勢，但降水分布具有明顯的南北差異。姜彤等[4]研究表明，長江流域的降水量略有增加，夏季增幅較顯著。何書樵等[5]對近50 a長江中下游地區降水特征進行分析指出，降水呈上升趨勢，但不顯著。

浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南翼，是“海上絲綢之路”的重要參與者，境內地形起伏較大，自西南向東北呈階梯式傾斜狀態，包含平原、丘陵、盆地、山地、島嶼等多種地形，且處于長江流域雨帶和華南雨帶之間，又受熱帶氣旋影響，降水的區域性特征非常明顯。近年來一些學者對浙江及其區域內部分地區展開了氣候特征研究，肖晶晶等[6]研究發現1901—2017年浙江省年降水量無明顯線性變化趨勢，但存在56 a和35 a兩個變化主周期；降水氣候傾向率呈東北高西南低的分布特征，各地數值分布在-15.6～19.1 mm·(10a)-1之間。吳昊旻等[7]研究發現，近39 a，浙江省夏、秋季降水量在空間上呈東南沿海地區偏多、其他地區相對偏少的分布特征，在時間上存在不同時間尺度的周期振蕩，以6～10 a周期的振蕩較為明顯，并且8.7 a周期振蕩最顯著。

目前，針對浙江省降水量的研究大多采用“全省平均”的方法來分析，這樣會導致時間特征被平滑，造成降水的周期變化不明顯。針對以上問題，本文基于浙江省63個國家氣象觀測站近50 a(1971—2020年)的降水資料進行空間特征分析，在此基礎上，對全省進行區域劃分，對比分析不同區域降水的時間特征，以期進一步了解浙江省的氣候變化特征，為浙江開展區域化氣候變化的監測、診斷、評估、預報預警及對策提供科學依據和參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

氣象數據來源于浙江省氣候中心提供的浙江省全部63個國家氣象觀測站的降水量逐月統計值，數據經過嚴格的質量控制。時段劃分：年統計按照每年的1—12月之和，四季資料以3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12月、次年1、2月為冬季[8]。

1.2 研究方法

利用浙江省63個國家氣象觀測站近50 a(1971—2020年)的逐月降水統計資料，首先基于ArcGIS分析全省降水的空間分布特征，在此基礎上，以全省平均降水1516 mm等值線為分界線，將全省劃分成低值區(Ⅰ區)與高值區(Ⅱ區)；其次,采用一元線性回歸法研究高、低值區降水的時間變化趨勢；運用M-K(Mann-Kendall)趨勢分析法確定高、低值區降水的突變特征；最后利用Morlet小波分析法掌握高、低值區降水的周期變化規律。

2 浙江省降水的空間分布特征

從浙江省近50 a平均降水量的空間分布分析可知，浙江省年平均降水量大致表現為自西南向東北遞減，南北相差懸殊，降水量最大的站點為浙南的泰順站，年平均降水量為2029.4 mm，最少的為嵊泗站，年平均降水量僅為1102.2 mm，兩者幾乎相差一半。全省50 a平均降水1516 mm等值線位于杭州南—麗水北—寧波一線。

2.1 浙江省降水年代際空間分布特征

基于1970年代、1980年代、1990年代、2000年代以及2010年代5個不同年代，對全省降水量進行分析。所有年代際降水量均表現為自西南向東北遞減，1970年代至2000年代平均線表現為南北震蕩，北部降水明顯低值區以及南部降水明顯高值區范圍變化不大，2000年代至2010年代平均線大幅北抬。1970年代全省降水明顯大值區位于溫州南以及衢州西，平均線處于杭州南—麗水中—寧波一線；1980年代較1970年代平均線略北抬，明顯大值區只表現在溫州南；1990年代平均線進一步北抬，衢州西再次呈現明顯的大值區，溫州南明顯大值區維持，寧波—臺州沿海地區降水減少；2000年代平均線南落，衢州西大值區再一次消失，寧波—臺州沿海地區較1990年代降水增多；2010年代平均線大幅北抬至湖州北—舟山一帶，表明2010年代全省降水大范圍增多，且寧波沿海地區第一次表現出降水次大值區。

2.2 浙江省降水的四季空間分布特征

從全省各季節降水量空間分布分析可知，各季節降水量空間分布差異明顯，春季降水量表現為自西南向東北遞減，且帶狀分布特征十分明顯，高值區在衢州西—麗水西一帶，低值區在湖州—舟山一帶；夏季主要表現為南多北少，高值區位于臺州北—溫州南，低值區位于湖州—舟山；秋季表現為東多西少，高值區位于寧波—舟山—溫州南沿海一帶，低值區主要位于浙西山地；冬季表現為西多東少，高值區位于浙西地區，低值區位于沿海一帶。

3 浙江省降水的時間變化趨勢

3.1 浙江省降水的時間演變特征

1971—2020年全省平均降水量的年際變化見圖1a。浙江省平均降水量年際變化波動較大，多雨年和少雨年交替出現，整體呈波動上升趨勢，氣候傾向率為37.07 mm·(10a)-1，近50 a區域平均降水量為1516 mm。由圖1c可見，I區降水量年際變化趨勢與全省年際變化特征更為接近，氣候傾向率為45.75 mm·(10a)-1，整體上升趨勢更明顯；Ⅱ區(圖1e)較全省年際變化波動更大，但整體上升趨勢較緩，氣候傾向率為23.42 mm·(10a)-1。根據5年滑動平均，全省、Ⅰ區、Ⅱ區平均降水量均表現為：1978年之前降水量上升，1978—1982年減少，1982—1985年又明顯增加，1985—2002年為緩慢上升期，2002—2007年明顯減少，此后又迅速增加。

由近50 a平均降水量的M-K檢驗曲線可見，全省(圖1b)以及Ⅰ區(圖1d)的UF、UB曲線均在2011年震蕩相交，表明在2011年降水量存在突變。而Ⅱ區(圖1f)在近50 a期間，UF、UB曲線存在多個交點，不能確定Ⅱ區降水量的突變年份。

圖1 1971—2020年平均降水量的年際變化(a.浙江省、c.Ⅰ區、e.Ⅱ區)和1971—2016年M-K檢驗曲線(b.浙江省、d.Ⅰ區、f.Ⅱ區)

根據小波變化系數在不同頻域內的方差貢獻的極大值，可以確定該頻域內信號變化的主要顯著尺度[9]。為了更清楚地判斷年平均降水量的主要時間尺度周期，采用Morlet小波對年平均降水進行分析。全省(圖2a)、Ⅰ區(圖2b)以及Ⅱ區(圖2c)的年平均降水量，在置信區間內均有小于4 a(主要周期為2 a)的周期變化規律。

3.2 浙江省降水的四季演變特征

由圖3a可知，浙江省降水主要集中在3—9月，占全年降水總量的76.6%。平均月降水量最大為發生在6月的243.1 mm，是月平均值的1.9倍，極端最大值出現在1994年6月，全省月平均降水量為418.0 mm；平均月降水量最小為發生在12月的54.8 mm，僅占月平均值的43.4%，極端最小值出現在1973年12月，全省月平均降水量僅為0.2 mm。Ⅰ區(圖3b)、Ⅱ區(圖3c)的月變化趨勢與全省基本一致，但Ⅰ區6—7月的降水量對汛期(3—9月)降水總量的貢獻比大于Ⅱ區，這與Ⅰ區較Ⅱ區地理位置偏北、大部分站點處于長江中下游典型梅雨帶、梅汛降水較Ⅱ區更集中的經驗相吻合。

結合圖3d可以發現，浙江省降水量也表現出明顯的季節性變化，春季平均降水量為442.0 mm，夏季為574.7 mm，秋季為290.4 mm，冬季為210.2 mm，降水主要集中在春、夏季，降水量占全年總降水量的67%，秋、冬季降水較少，冬季降水量只占全年的14%。結合影響浙江的天氣系統分析可知，春季開始，冷暖氣流交匯趨于頻繁，有利于出現降水天氣；夏季隨著副高的北抬，浙江省處在其外圍活躍的西南急流中，豐富的水汽輸送條件和動力條件帶來大量降水，夏季暴雨出現頻繁；秋、冬季隨著副高的南退，動力條件和水汽條件相對較差，降水減弱。

圖2 年平均降水量小波變換系數圖和小波方差圖(a.浙江省、b.Ⅰ區、c.Ⅱ區)

圖3 平均降水量月變化(a.浙江省、b.Ⅰ區、c.Ⅱ區)及季節變化(d.浙江省、Ⅰ區、Ⅱ區)

表1為各區域不同季節氣候傾向率。從浙江省1971—2020年各季節平均降水量年際變化可知，全省降水量除春季以9.67 mm·(10a)-1的速度減少外，其他3個季節降水量均呈現增加趨勢，其中，夏季以28.13 mm·(10a)-1的速度顯著增加，且增速最為明顯，秋季增速最小，為3.89 mm·(10a)-1，冬季為13.47 mm·(10a)-1。Ⅰ區春季降水減少趨勢較Ⅱ區和全省緩慢，Ⅱ區夏季和冬季降水增速較Ⅰ區和全省偏大。

表1 各區域不同季節氣候傾向率

根據5年滑動平均分析可知，全省、Ⅰ區和Ⅱ區降水量春季距平波動均相對較弱，總體緩慢減少，但在2009年后，降水量波動增加；夏季降水量在2001—2008年波動明顯減少，在其余時段則波動增加；秋、冬季降水量在平衡位置附近有較明顯的波動，整體呈現上升趨勢。

由各季節平均降水量的M-K檢驗曲線可知，全省春季降水量UF與UB曲線在1993—1995年期間相交，但正反序列均未超過1.96置信線，表明全省春季降水量可能在1993—1995年間發生突變；I區突變時間與全省突變時間一致，但Ⅱ區突變時間略有推遲，為1997—1999年間。全省夏季UF曲線均在0線之上，且1994年之后超過1.96置信線，表示夏季降水量呈現顯著的上升趨勢，這與夏季降水量的年際變化特點以及氣候傾向率相吻合，且UF與UB曲線在1983—1988年間有交點，說明在該期間存在突變；I區UF與UB曲線在1974—1978年間、1982年、1985年、2002年、2008年多次相交，但正反序列超過1.96置信線，說明I區夏季降水量在多個年份存在突變可信且降水量變化劇烈；Ⅱ區UF與UB曲線僅在1989年相交，即突變時間為1989年。秋季全省UF與UB曲線在2012年以及2019年相交，即秋季降水量在2012年、2019年發生突變；I區除在2012年突變外，在1973—1975年間也有突變點；Ⅱ區在1973—1974年間以及2007—2009年間發生突變。全省冬季降水量在2001—2007年間頻繁發生多雨年—少雨年的轉換，并且在2016—2018年間有一個少雨年—多雨年的突變(2016年冬季雨量為114.4 mm，2018年冬季雨量為391.8 mm，后者為前者的3.4倍)，可以得出突變發生在2001—2007年間以及2017年；I區突變年份與全省一致；Ⅱ區除在上述年份發生了突變外，在1997年也發生了突變。

從四季平均降水量周期分析可知，全省、Ⅰ區以及Ⅱ區各季節降水量均存在2～4 a的年際變化周期，且正負信號強度基本貫穿于整個時間域，具體表現為“多雨年—少雨年—多雨年……”的交替。此外，全省夏季在20世紀80年代中期—90年代中期，還疊加著4～6 a的變化周期，秋季和冬季在80年代分別存在6 a和5 a的變化周期；Ⅱ區秋季在80年代前期,存在6～8 a的變化周期，冬季在80年代后期至21世紀00年代前期,存在5 a的震蕩周期。

4 結 語

本文利用浙江省1971—2020年的逐月降水統計資料，采用Kriging插值法對全省降水做空間插值，并基于年代際進行對比分析，同時以1516 mm降水平均線為界劃分低值區(Ⅰ區)以及高值區(Ⅱ區)。運用一元線性回歸、M-K趨勢分析、Morlet小波分析等方法分別對全省以及Ⅰ區、Ⅱ區降水趨勢變化的時間特征進行分析，得出結論如下。

(1)在空間分布上，近50 a全省平均降水量以及不同年代際年平均降水量均表現為自西南向東北遞減，南北相差懸殊；各季節降水量空間分布差異明顯，春季自西南向東北遞減，夏季南多北少，秋季東多西少，冬季西多東少。

(2)通過趨勢分析，近50 a來，浙江省年平均降水量整體呈現波動上升趨勢，氣候傾向率為37.07 mm·(10a)-1，年際波動較大，多雨年和少雨年交替出現，且降水主要集中在春季和夏季；除春季降水量呈現波動下降趨勢外，夏季、秋季、冬季降水量均呈現波動上升趨勢，其中夏季上升趨勢最為明顯，氣候傾向率達28.13 mm·(10a)-1；I區降水量年際變化趨勢與全省年際變化特征更接近，整體上升趨勢更明顯；Ⅱ區較全省年際變化波動更大，但整體上升趨勢較緩。

(3)通過M-K檢驗，全省和Ⅰ區年平均降水量均在2011年存在突變，Ⅱ區降水量沒有確定的突變年份。各季節突變時間如下，春季全省為1993—1995年間，I區與全省一致，Ⅱ區略有推遲，為1997—1999年間；夏季全省為1983—1988年間，I區夏季降水量在多個年份存在突變可信，Ⅱ區為1989年；秋季全省為2012年和2019年，I區為1973—1975年間以及2012年，Ⅱ區為1973—1974年間以及2007—2009年間；冬季全省為2001—2007年間以及2017年，I區與全省一致，Ⅱ區除在上述年份發生突變外，在1997年也發生了突變。

(4)通過Morlet小波分析，全省、I區以及Ⅱ區年平均降水量與各季節平均降水量在置信區間內均有小于4 a(主要周期為2 a)的周期變化規律，但存在周期變化的時間段不同。