1960-2011年陜西省汛期降水變化特征分析

1960-2011年陜西省汛期降水變化特征分析

1降水日變化及降水特征全球變化導(dǎo)致全球降水結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，其頻率和強(qiáng)度的發(fā)展特征值得關(guān)注，尤其是在研究極端強(qiáng)降水變化時。受資料的限制,研究主要側(cè)重于利用長時間序列的日、月、年尺度上的降水資料研究其時空分布特征及變化趨勢。但是,許多水文過程、土壤侵蝕和城市排水等都需要更短時間尺度上的降水資料來刻畫。根據(jù)Clausius-Clapeyron方程,全球氣候模式中氣溫每增加1℃,極端日降水量增加7%,而Lenderinketal分析表明,在荷蘭當(dāng)日平均氣溫>12℃時,氣溫每增加1℃,極端小時降水量增加14%。由此可知,由逐時降水資料提取的短時強(qiáng)降水的增加速率可能大于由日降水資料提取的極端降水增加速率。近年,隨著逐時降水資料的獲得,國內(nèi)外有關(guān)降水日變化及成因、短時降水的變化趨勢等研究也日趨深入。Yuetal基于1961-2004年中國臺站自動觀測降水資料分析了中國大陸地區(qū)的夏季降水日變化特征,發(fā)現(xiàn)降水日變化存在顯著的區(qū)域特征;區(qū)域尺度上,白愛娟等研究發(fā)現(xiàn)青藏高原中部降水量最大值多集中在傍晚前后,李建等指出北京市夏季降水日變化在降水量和降水頻次上均以午后至次日清晨為高值區(qū),而在中午前后達(dá)到最低值,且降水發(fā)生了結(jié)構(gòu)性調(diào)整;Shouraseni研究指出,印度極端小時降水事件大多數(shù)出現(xiàn)在高海拔地區(qū),同時,冬季極端降水事件的變化呈減少趨勢,夏季則呈增多趨勢。張煥等利用1961-2000年西南地區(qū)112個站點(diǎn)逐時降水資料,分析指出夏季西南大部分地區(qū)總降水時數(shù)呈減少趨勢,而大部分地區(qū)極端強(qiáng)降水時數(shù)和強(qiáng)度都呈增加趨勢。姚莉等利用1991-2005年我國485個站逐時降水資料分析得出,4mm·h-1以上雨強(qiáng)出現(xiàn)頻數(shù)最多的地區(qū)在南部沿海,雨強(qiáng)出現(xiàn)頻數(shù)的日變化在各地區(qū)是不相同的。陜西地處中國西北內(nèi)陸,與沿海地區(qū)相比降水明顯偏少。但近年來,該地區(qū)因歷時短、降水強(qiáng)導(dǎo)致山洪、泥石流、城市內(nèi)澇等嚴(yán)重災(zāi)害事件時有發(fā)生。2007年8月8日陜西中部出現(xiàn)區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程,引發(fā)山體滑坡和城市內(nèi)澇。2010年7月18日陜西嵐皋短時強(qiáng)降水發(fā)生泥石流和8月8日甘肅舟曲因突發(fā)性短時強(qiáng)降水發(fā)生特大山洪災(zāi)害。雖然對西北地區(qū)短時強(qiáng)降水的研究已經(jīng)取得了不少成果,但這些研究大多是針對某次暴雨個例分析其成因,尋找預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。而對該地區(qū)短歷時強(qiáng)降水的時空分布及變化方面的研究目前還不多。陜西南北狹長,秦嶺山脈橫貫其中南部,北部為黃土高原,中部為關(guān)中盆地,南部為秦巴山區(qū)。境內(nèi)南北間氣候差異明顯。長城沿線以北為溫帶干旱半干旱氣候、陜北南部和關(guān)中平原為暖溫帶半干旱半濕潤氣候;陜南盆地為北亞熱帶濕潤氣候、山地大部為暖溫帶濕潤氣候,是典型的生態(tài)脆弱區(qū)和氣候敏感區(qū)。研究該地區(qū)短歷時降水的變化特征對于山洪地質(zhì)災(zāi)害的防御和水土保持具有重要意義。因此,本文利用1961-2011年汛期(5-9月)逐時降水資料,對各降水指標(biāo)的日變化特征及其長期趨勢進(jìn)行分析,以期為陜西降水變化機(jī)理的深入研究及地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。2極值方法及計(jì)算所選資料包括:中國氣象局國家氣象信息中心提供的逐時降水資料,并經(jīng)過了初步的質(zhì)量控制。為了確保資料不受異常值的影響,這里進(jìn)一步利用人工觀測的日降水量對逐時降水量進(jìn)行了校對。選取的陜西23個測站包括4個地面觀測基準(zhǔn)站、12個基本站和7個一般站。考慮到基準(zhǔn)站和基本站具有較好的空間代表性以及資料年代長,缺測少等優(yōu)點(diǎn),同時補(bǔ)充了7個資料較為完整的一般站,使站點(diǎn)分布更加均勻合理,站點(diǎn)分布見圖1。資料時段為1961-2011年。汛期是指5-9月,汛期降水指標(biāo)值是以小時降水為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)而得。當(dāng)1h降水量≥0.1mm時認(rèn)為有降水發(fā)生。本文所用的主要降水指標(biāo)有:降水頻次、降水強(qiáng)度、第98個百分位降水量、極端強(qiáng)降水頻次、降水量等。降水頻次為時段內(nèi)有降水的小時數(shù);降水強(qiáng)度為時段內(nèi)的小時降水量之和除以降水時數(shù)。目前,國內(nèi)外,短歷時極端強(qiáng)降水沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本文采用國際上經(jīng)常選用的百分位閾值定義極值方法來確定陜西省各個測站小時極端強(qiáng)降水閾值。具體做法是以某測站51年(1961-2011年)汛期逐時降水量序列(由小到大)第98百分位對應(yīng)的降水量作為該測站1h極端強(qiáng)降水量的閾值,1h降水量超過閾值時,認(rèn)為該時次出現(xiàn)了極端強(qiáng)降水事件;超過閾值的總降水量與極端降水頻次的比值,表征極端降水強(qiáng)度。用標(biāo)準(zhǔn)化降水發(fā)生頻率來刻畫降水日變化特征。將一天分為24個時段,某時段的降水發(fā)生頻率定義為這一時段內(nèi)發(fā)生降水的小時數(shù)(≥0.1mm·h-1)除以總觀測小時數(shù)(式(1)和(2))。對降水發(fā)生頻率除以24h平均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(式(3))。其中:n為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時間;D為觀測天數(shù);fn為降水發(fā)生頻率;cdn為計(jì)數(shù)器,有雨的小時記為1,無雨的小時記為0;pdn為1h降水量;NF為標(biāo)準(zhǔn)化的降水發(fā)生頻率。采用線性傾向估計(jì)方法分析陜西省降水指標(biāo)的長期變化趨勢。3結(jié)果分析3.1降水頻次與降水強(qiáng)度的年際、年代際變化特征5-9月陜西降水總時數(shù)自北向南增多,且南北差異較大,陜北降水總時數(shù)一般在200~300h,關(guān)中300~400h,陜南在400~520h。平均雨強(qiáng)各地差異較小,一般在1.0~1.8mm·h-1之間,其中,陜北黃土高原和陜南秦巴山區(qū)的平均雨強(qiáng)要大于關(guān)中平原地區(qū)。1961-2011年,陜西汛期各站小時降水頻次的長期變化趨勢不盡一致。陜北和陜南西部表現(xiàn)為減少趨勢(圖2a),減少幅度超過-5h·(10a)-1的站有吳起、延安、綏德、志丹和佛坪,其中吳起、延安的減少趨勢通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。關(guān)中大部和陜南東部表現(xiàn)為增多趨勢,但增多幅度較小,均未通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)。小時平均降水強(qiáng)度的長期變化趨勢大多數(shù)站點(diǎn)表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢(圖2b),其中洛川、西安、石泉和安康通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。23個代表站中僅延安、宜川、銅川、略陽和漢中5個站點(diǎn)表現(xiàn)為減弱趨勢,但均未通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)。由于陜西南北不同氣候區(qū)降水頻次的長期趨勢不同,因此選取了延安、西安和安康站分別代表陜北高原暖溫帶半干旱氣候區(qū)、關(guān)中平原暖溫帶半濕潤氣候區(qū)和漢水河谷北亞熱帶濕潤氣候區(qū),詳細(xì)分析不同區(qū)域降水頻次和降水強(qiáng)度的年際、年代際變化特征。從小時降水頻次的逐年變化(圖3)中可以看到,3個代表站降水頻次的變化總體上是一致的,但變化的幅度不同,西安站在波峰和波谷處時表現(xiàn)得更為突出,即振幅更大一些,這可能與西安城市熱島效應(yīng)有關(guān)。延安站降水頻次的變化幅度在20世紀(jì)80年代中期以后明顯減小,特別是2000年以后,關(guān)中和陜南降水頻次顯著增加時,而陜北黃土高原的小時降水頻次增加緩慢,這可能導(dǎo)致了陜北高原區(qū)降水頻次整體上的減少趨勢。3個代表站降水強(qiáng)度長期變化均呈增強(qiáng)趨勢,其中西安和安康站變化趨勢更明顯。為了進(jìn)一步了解近51年陜西省整體降水變化,將23個氣象站降水要素的平均作為區(qū)域平均值。統(tǒng)計(jì)顯示,1961-2011年陜西省平均小時降水頻次的長期變化趨勢不明顯,僅表現(xiàn)出“多—少”相間的階段性變化特征(圖4)。具體為20世紀(jì)60年代初期較多,60年代中期-70年代末較少,80年代初期顯著增多,80年代后期-90年代末顯著偏少,2000年以后又開始增多。區(qū)域平均降水量的變化呈微弱的增加趨勢,增加幅度為1%·(10a)-1。降水量與降水頻次的年代際變化基本上是一致的,兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92。但降水量與降水頻次的長期趨勢略有不同,這可能是2000年以后降水量的增加幅度大于降水頻次的增加幅度所致。陜西省平均降水強(qiáng)度呈顯著的增強(qiáng)趨勢(圖4),增強(qiáng)幅度為1.6%·(10a)-1。比較圖4中的三條曲線發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)60年代前期和80年代降水頻次和降水量偏多時期,降水強(qiáng)度卻并不強(qiáng);90年代降水頻次和降水量偏少,但降水強(qiáng)度偏強(qiáng)。近51年1h雨強(qiáng)在波動中緩慢增強(qiáng)。以上分析可見,汛期陜西省降水時數(shù)和降水量長期變化在空間上不一致,陜北為減少趨勢,關(guān)中和陜南大部為增加趨勢,但降水強(qiáng)度的變化在空間上呈現(xiàn)較為一致的增強(qiáng)趨勢。區(qū)域平均降水時數(shù)和降水量的長期趨勢變化不明顯,但具階段性特征,而降水強(qiáng)度呈明顯的增強(qiáng)趨勢。3.2極端降水強(qiáng)度的年際變化陜西小時極端強(qiáng)降水閾值在6~12mm·h-1,關(guān)中平原地區(qū)較小(<7mm·h-1),陜北高原和陜南山區(qū)較大(>8mm·h-1)。極端強(qiáng)降水時數(shù)的長期變化趨勢大部分地區(qū)表現(xiàn)為增多趨勢(圖5a),幅度超過0.5h·(10a)-1的站點(diǎn)有西安、石泉、鎮(zhèn)巴和安康,其中石泉、鎮(zhèn)巴和安康的增多趨勢能通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)。陜北中部地區(qū)表現(xiàn)為減少趨勢,減少的幅度較小,均未通過檢驗(yàn)。極端強(qiáng)降水量的長期變化趨勢(圖略)與極端降水時數(shù)的趨勢變化在空間上基本一致,僅在陜北中部為減少趨勢,減少的幅度也較小,均未通過檢驗(yàn)。而關(guān)中和陜南為增加趨勢,增加幅度超過10mm·(10a)-1的有石泉、鎮(zhèn)巴和安康,其中西安、石泉、鎮(zhèn)巴和安康的增加趨勢通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)。極端降水強(qiáng)度的長期變化趨勢絕大部分站點(diǎn)表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢(圖5b),增強(qiáng)幅度超過0.5mm·h-1·(10a)-1的站點(diǎn)是韓城和寧陜,且通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)。極端降水強(qiáng)度在陜南西部的略陽和陜北南部的宜川、洛川、銅川4個站為減弱趨勢,僅宜川的減弱趨勢通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)。由此可見,陜西極端降水頻次、降水量的長期變化趨勢在中南部地區(qū)均表現(xiàn)為增多趨勢,僅在陜北中部地區(qū)為減少趨勢,極端降水強(qiáng)度陜西大部地區(qū)表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢。近51年來陜西區(qū)域平均極端強(qiáng)降水頻次為增多趨勢(圖6),增多幅度為3%·(10a)-1。極端強(qiáng)降水頻次的年際變化較大,階段性特征明顯。20世紀(jì)60-70年代中期,極端強(qiáng)降水事件較少,70年代后期-80年代后期極端強(qiáng)降水事件較多,90年代極端強(qiáng)降水事件又相對較少,21世紀(jì)00年代較多,與20世紀(jì)80年代相當(dāng)。極端強(qiáng)降水頻次前5多的年份依次為1988,2010,1978,2007和1981年。區(qū)域平均極端強(qiáng)降水量的變化也呈現(xiàn)明顯的增多趨勢,增多幅度為4%·(10a)-1,通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。區(qū)域平均極端強(qiáng)降水量的年際變化和階段性變化與極端降水頻次的變化一致,兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94。極端降水量前5多的年份依次為2010,1988,1978,2007和1987年。區(qū)域平均極端降水強(qiáng)度的長期變化趨勢也表現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢,增強(qiáng)幅度為1%·(10a)-1。與極端降水頻次和降水量相比,極端降水強(qiáng)度的年際變化相對較小,近51年來在波動中緩慢增強(qiáng)。比較圖4和圖6可以看到,20世紀(jì)90年代降水頻次和降水量明顯偏少,而極端降水頻次和降水量卻偏多。近51年陜西省汛期平均氣溫總體呈增高趨勢,階段性變化特征明顯(圖略)。特別是20世紀(jì)90年代中期以后氣溫明顯偏高。分析汛期平均氣溫與小時降水頻次、降水強(qiáng)度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn),汛期平均氣溫與小時降水頻次呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.60,與小時雨強(qiáng)呈明顯正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.43。與極端降水頻次的相關(guān)較低,與極端降水強(qiáng)度呈明顯的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.4。由此推斷,氣候變暖可能導(dǎo)致陜西降水頻次減少,而降水強(qiáng)度增強(qiáng)。3.3日降水量變化特征3.3.1日降水量和日變化從陜西23個代表站標(biāo)準(zhǔn)化降水日變率(圖7)中可以看到,陜西降水頻次日變化(圖7a)陜北和渭北塬區(qū)雙峰明顯,15:00(北京時,下同)-18:00出現(xiàn)主峰,05:00-08:00出現(xiàn)次峰;關(guān)中平原和陜南東部地區(qū)也呈雙峰型,在06:00-10:00出現(xiàn)主峰,14:00-17:00出現(xiàn)次峰;陜南西部地區(qū)降水頻次為單峰型,峰值出現(xiàn)在06:00-10:00。降水量的日變化(圖7b)與降水頻次的變化基本一致。陜北午后主峰更加突出,而陜南西部早峰更加明顯,關(guān)中和陜南東部日變化相對較小,但西安站降水量主峰在17:00-20:00,表現(xiàn)出降水頻次低但降水量大的特點(diǎn),這可能與城市熱島效應(yīng)有關(guān)。極端強(qiáng)降水頻次日變化南北差異較大(圖7c)。陜北呈明顯的單峰型,極端強(qiáng)降水事件多數(shù)發(fā)生在15:00-20:00;關(guān)中強(qiáng)降水出現(xiàn)時間較為分散,峰值時段不明顯;陜南大部在08:00-10:00易出現(xiàn)強(qiáng)降水事件。極端降水量的日變化與頻次的日變化基本一致(圖7d),陜北15:00-20:00極端降水量大,關(guān)中極端降水量在17:00-20:00,陜南大部極端降水量集中在01:00-09:00。3.3.2極端強(qiáng)降水頻次圖8為1961-2011年陜西省逐時降水變化趨勢。從圖8中可以看出,06:00-11:00和21:00降水頻次呈增加趨勢,其余時次的降水頻次基本呈減少趨勢(圖8a)。其中14:00-20:00減少幅度較大,為3~7h·(10a)-1,但所有時次降水頻次的趨勢變化均未通過顯著性檢驗(yàn)。降水量的變化在下午基本上為減少趨勢,其他時次均呈增加趨勢(圖8b),其中除04:00-08:00降水量增加較明顯外,其它時次的變化趨勢均不顯著。從1961-2011年陜西省逐時極端強(qiáng)降水頻次變化趨勢(圖8c)看,12:00-18:00,極端強(qiáng)降水頻次呈減少趨勢,但減少幅度小,未通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)。03:00-11:00和23:00,極端強(qiáng)降水頻次呈增加趨勢,其中03:00-10:00及23:00趨勢系數(shù)在0.5h·(10a)-1以上,均通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)。不同時次極端強(qiáng)降水量變化趨勢(圖8d)與極端降水頻次的變化趨勢基本一致,也是午后至傍晚為減少趨勢,其他時次為增加趨勢,其中清晨極端降水量的增加趨勢更明顯。由此可見,后半夜至上午極端強(qiáng)降水無論是頻次還是降水量都呈顯著增多(強(qiáng))趨勢,午后至傍晚極端強(qiáng)降水呈減少(弱)趨勢。4第一階段:極端強(qiáng)降水頻次和降水量(1)1961-2011年,陜西汛期降水時數(shù)長期變化趨勢南北有別,陜北為減少趨勢,關(guān)中和陜南大部為增加趨勢,但降水強(qiáng)度的變化趨勢全省呈現(xiàn)較為一致的增強(qiáng)趨勢。全省區(qū)域平均而言,降