四川省近60年降水时空演变规律

刘福平, 杨晨, 刘颖

(华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

在全球气候变化背景下,我国各个区域的气候均发生了巨大变化[1]。在所有气象要素中,降水是描述区域气候演变过程最重要的指标之一,同时也是随机性较强的水文要素之一[2]。

降水研究是深入认识水循环的有效方法[3-4]。在不同的空间尺度上,郭小璇等[5]基于涡动关系法分析了若尔盖高原生态系统的水汽循环机制,结果表明,在季节尺度上蒸散变化受制于降水分布及全年降水量;陈燕等[6]选取江苏省70个国家级气象站点的日降水量资料评估了气候变化对城市年径流总量控制分区的影响发现,降水变化趋势是影响年径流控制分区的关键因素;任正果等[7]通过探讨我国南方地区极端降水事件的变化情况得到,各极端降水指数的变化趋势存在空间差异这一结论;陈璇等[8]采用ArcGIS对近二十年来中国酸雨进行研究,结果表明我国酸雨城市比例以及酸雨频率和面积均有所下降;战云健[9]利用两组不同的数据集对近百年来亚洲地区降水特性展开研究,结果显示近百年来亚洲地区年降水量呈上升态势。

四川省地处我国西南内陆,水文气象要素具有较明显的空间差异[10]。赵旋[11]基于近46年逐日降水资料对四川夏季降水量进行了研究发现,四川夏季降水量呈下降趋势。马顺谦等[12]运用极端降水和灾情资料对四川省历史降水进行了分析,结果表明在四川盆地西北部和南部以及川西高原北部年降水有明显减小态势。韩林君等[13]对近年来西南涡在四川盆地形成降水的特征进行了研究发现,区域降水与环流圈位置相对应。周长艳等[14]通过对四川历史暴雨的研究发现,四川省年平均暴雨天数从西至东呈“增—减—增”的基本变化趋势。白莹莹等[15]利用国家环境预测中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料对四川盆地历史降水进行了研究,结果表明盆地内降水在空间分布上表现为东西向振荡规律。毛文书等[16]采用自然正交分解法(Empirical Orthogonal Function,EOF)和旋转经验正交函数法(Rotated Empirical Orthogonal Function,REOF)对川渝地区夏季降水进行了分析指出,四川夏季降水量的时空分布不均,且不同地区的夏季降水量具有多时间尺度的周期性变化特征。王晨鑫等[17]应用谱分析方法研究发现,四川夏季降水中心位于盆地西南的雅安一带。谭友邦等[18]对四川盆地夏季降水的主要特征进行研究,结果表明四川盆地的汛期降水变化为由东向西振荡,且与太平洋热带环流变化和太平洋副热带高压关系密切。张炎等[19]对四川盆地夏季降水差异和季风间的关系进行了探究,结果表明盆地西部和东部的夏季降水格局的分布特征与我国夏季降水I型和II型的降水格局相似。

综上可知,以往学者的研究多以夏季降水或暴雨等极端降水为主,研究区域也多聚焦于四川盆地和东南地区,较少研究全省尺度下的年际降水和年内降水的空间变化特征。鉴于此,本文应用Mann-Kendall(M-K)非参数检验法、Sen′s坡度估算法、Morlet小波分析法、相对重要性分析法,对四川省降水特征展开探究和分析:一方面,以年降水量为基础,探究年际降水的变化趋势、变化周期与空间分布特征,并采用相对重要性分析进一步探究年际降水的决定性因素;另一方面,从季节与月度尺度分析降水的年内分配特点。以期为四川省的水能资源保护和综合管理、水环境保护与治理、防灾减灾以及城市建设提供相应的参考。

1.1 研究区域概况

四川省(26°03′～34°19′N,97°21′～108°12′E)位于中国西南地区内陆,地处长江上游。全省地貌由山地、丘陵、平原、盆地和高原构成,西部为高原、山地,东部为盆地、丘陵,东西差异大;地形复杂多样,属于中国大陆地势三大阶梯中的第一级青藏高原和第三级长江中下游平原的过渡地带,地势呈西高东低的特点,西部海拔多在3 000 m以上,东部海拔多在500～2 000 m。全省可分为四川盆地、川西高山高原区、川西北丘状高原山地区、川西南山地区、米仓山大巴山中山区五大区域。

四川省分属三大气候,分别为四川盆地中亚热带湿润气候、川西南山地亚热带半湿润气候、川西北高山高原高寒气候。其中,四川盆地中亚热带湿润气候又兼有海洋性气候特征;川西南山地亚热带半湿润气候区气温年差较小,四季不明显,但干湿季分明;川西北高山高原高寒气候区海拔高差大、气候立体变化明显。

四川省河流众多,以长江水系为主,较大的支流有雅砻江、岷江、大渡河、沱江、涪江、嘉陵江等,主要的湖泊有邛海、泸沽湖和马湖[20]。

1.2 数据来源

本研究采用的降水数据来自中国科学院的气象要素站点观测逐日数据集[21],降水序列的历时为1958—2017年。各气象站点的分布情况如图1所示。站点在四川省内分布均匀,其中少量站点的部分年份因历史原因或其他原因存在缺测、漏测现象,利用附近站点的资料以插补延长的方法补齐,并对数据进行可靠性、代表性和一致性检验后再用于研究分析。

图1 四川省测站分布

2.1 趋势分析

2.1.1 滑动平均法

设四川省年降水量序列X=(X1,X2,…,Xn),采用五点滑动平均法[22]计算降水序列5年滑动平均值,得到新的平滑序列Y=(Y1,Y2,…,Yi):

(1)

式中:n为序列长度;i=1、2、…、n-4。利用式(1)可消除偶然降水对数据的影响,更直观地反映出降水序列的变化趋势。

2.1.2 M-K检验法

M-K检验法是一种不需要样本满足特殊分布,且结果不受异常数影响的非参数检验方法[23]。利用M-K检验法对降水量序列X=(X1,X2,…,Xn)进行趋势和显著性检验,检验统计变量Z的计算公式为:

(2)

其中,

(3)

(4)

式中:n为序列长度;Var(S)为方差;Xi、Xj分别为序列中第i个和第j个降水序列值(i>j)。本研究给定置信度为95%,当Z>0时,序列呈上升趋势;反之则呈下降趋势。当|Z|>Z1-α/2时,序列变化趋势显著;反之变化趋势不显著。

2.1.3 Sen′s坡度估测法

(5)

式中:k为βk序列的长度;Xi、Xj分别为序列中第i个和第j个降水序列值(i>j)。当βmed>0时,降水序列呈上升趋势,反之则呈下降趋势;βmax与βmin分别为βk的最大值和最小值,也是置信区间的上下限,若βmax和βmin正负相同,则所检验序列的变化趋势明显。

2.2 周期分析

降水序列具有周期性质,而小波分析在时域和频域中具备良好的局部特性,可清晰发现蕴藏于时间序列中的周期信息[24]。本文采用Morlet小波分析方法研究四川省年降水量的周期变化规律。时间序列上小波变换函数为:

(6)

式中:Wf(a,b)为小波系数;a为尺度因子,决定小波宽度;b为平移因子,反映小波位置移动;ψ*(·)为复共轭函数。连续小波变换的方差为:

(7)

由小波变换系数的实部等值线图可分析降水在不同时间尺度下的周期性变化规律,通过小波方差图可分辨出降水序列存在的主周期[25]。

2.3 相对重要性分析

3.1 年际变化分析

3.1.1 趋势分析

由图1可知,四川省内气象站点分布较为均匀,故采用算术平均法计算四川省面降水量。采用前述公式(1)计算四川省1958—2017年年降水量的5年滑动平均值和累积距平值,结果如图2所示。

图2 四川省1958—2017年年降水量变化趋势

由图2(a)知:①四川省多年平均降水量为903.2 mm,年降水序列及其滑动平均分布曲线的波动幅度较大。②年降水量最大值为1 035.1 mm,出现在1998年;最小值为767.5 mm,出现在2006年;极差为267.6 mm。③拟合斜率为-0.25,表明年降水序列呈下降趋势。经M-K趋势检验,Z为-0.86且|Z|<1.96,表明年降水序列虽为下降趋势,但不显著。利用Matlab计算Sen′s坡度得βmed为-0.198,表明年均降水序列以每年0.198 mm的速率减少,βmax与βmin分别为0.63、-2.62,正负相异,同样验证了年降水量变化不明显这一结论。

降水量低于多年平均降水量的年份为较枯年份,降水量高于多年平均降水量的年份为较丰年份。由图2(b)知:①较枯年份为23年,较丰年份为37年,较丰年份和较枯年份的数量比约1.6,均匀分布于零线上下。②1958—1968年、1980—1990年、2011—2017年降水量呈增加趋势,是降水量较丰的时段;1969—1979年、1992—2002年降水量呈下降趋势,是降水量较枯时段。③1958—2017年的降水量大体呈“丰—枯—丰”交替,变化周期为10年左右。

3.1.2 周期分析

使用Morlet小波对四川省年降水量进行分析,以了解未来数年四川降水的变化趋势。经计算得到年降水量小波变换系数实部等值线图如图3所示,其中正值分布区域对应降水量较丰年份,负值分布区域对应降水量较枯年份,零值代表降水量处于多年平均水平。由图3可知,年降水量存在4～9年、11～15年、21～31年3种较为明显的变化周期,其中4～9年、21～31年两个周期尺度的降水丰枯变化规律显著且具有全域性,相应的尺度中心分别为8年和28年。此外,11～15年周期尺度的降水丰枯变化规律也较为明显,但交替变化相对杂乱。

图3 四川省年降水小波变换系数实部等值线图

小波方差是各周期尺度下能量函数的积分,反映了水文要素在各时间尺度下的扰动强度。四川省年降水量的小波方差图如图4所示。由图4可知,变化过程中小波方差极大值对应的时间尺度有28年和13年,8年也有体现但不明显。分析表明,降水序列同时具有28年和13年的主周期,最大峰值对应28年,为第1主周期;次峰值对应13年,为第2主周期。

图4 四川省年降水变化过程小波方差图

进一步绘制13年和28年时间尺度下年降水量的小波变换系数实部变化过程线,如图5所示。图5中小波系数为正时对应较丰年份,为负时对应较枯年份,为零时表示处于突变点。由图5可知:不同时间尺度下,降水序列按各自周期呈丰枯变化。在13年时间尺度下,年降水量经过15次丰枯交替,之后处于较丰时期;在28年时间尺度下,年降水量经过7次丰枯交替,表现出的年降水变化趋势及未来变化情况与13年时间尺度的一致。

图5 四川省年降水小波系数实部变化过程

总体而言,四川省年降水量具有多时间尺度的变化特点,时间尺度存在差异,降水所处丰枯时期也不完全一致,与之对应的突变点亦不相同。大时间尺度下的丰水期或者枯水期包括小时间尺度下的丰水期与枯水期,而大时间尺度下的少数普通降水点在小时间尺度上常常表现为突变点。这一现象在1985年之前表现得尤为明显。因此,四川省年际降水的丰枯变化规律和时间尺度的选取有着相当密切的联系。

3.1.3 空间分布分析

采用克里金插值法制作四川省多年平均降水量等值线图,如图6所示。由图6可知:从降水量等值线数值的角度看,年降水量空间分布差异较大,呈现出东多西少、南多北少,由东南向西北依次递减的趋势;位于四川盆地边缘地区的乐山市为降水量最高值的主体区域,位于四川省东北地区的达州市东北部为降水量次高值的主体区域,而位于四川省西北地区的甘孜藏族自治州西北部是四川省降水量最少区域。从降水等值线分布角度看,年均降水的降水中心位于乐山市西部,其形成可能与水汽抬升时遭遇峨眉山阻挡有关;由降水等值线的疏密程度可知,这一地形原因所造成的空间降水分布差异在盆地与山地高原的交界处表现得尤为明显。

图6 四川省多年平均降水量等值线空间分布

3.1.4 相对重要性分析

为探究降水频率和降水强度在四川省年降水量变化过程中的相对重要性,选取日均降水量P0=2.5 mm为判定阈值,根据2.3节中方法计算四川省各站点St-Sp散点图,如图7所示,图7中各编号对应站点名称见表1。由图7可以看出,有16个站点坐标在直线St=Sp下方,14个站点坐标在直线St=Sp上方。

图7 四川省各站点St-Sp散点图

表1 站点与图7中标注符号对应表

为进一步探究各站点降水量受降水频率和降水强度影响的相对重要性,绘制四川省年降水量受降水频率和强度决定的站点分布图,如图8所示。

结合图7和图8可知:四川省年降水量由降水频率与降水强度共同决定。其中,以降水频率影响为主的站点主要分布于四川省西部的甘孜藏族自治州、凉山彝族自治州与阿坝藏族羌族自治州,而以降水强度影响为主的站点主要集中于四川省东部的盆地地区。

3.2 年内变化趋势分析

3.2.1 季节尺度下的降水分析

对1958—2017年四川省各季节降水量进行分析,为便于计算,设定春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月—次年2月。四川省各季节降水量的统计指标值见表2,各季节降水的箱线图如图9所示。

图9 四川省各季节降水量箱线图

表2 四川省季节降水量统计指标

由表2可知:①各季节降水量由大到小的顺序依次是夏季、秋季、春季、冬季。②夏季降水量最多,为496.4 mm,占全年降水量的54.2%;冬季降水量最少,为28.5 mm,占全年降水量的3.1%;春秋两季降水量则较接近,分别占全年降水量的18.8%与23.9%。③春夏两季降水呈增加趋势,秋冬两季降水呈降低态势,在95%置信水平下,各季节的|Z|值均小于Z1-α/2,经计算各季节降水量的坡度值所得变化趋势与M-K检验的一致,且βmax和βmin均正负相异。故四川省年内降水集中于春夏两季,表现为增长趋势,秋冬两季表现为降低趋势,但变化均不显著。

由图9可知,各季节降水量的多年均值和对应中位数大致相等,表明各季节降水按日期呈对称分布,未产生明显左偏或右偏现象。相对春秋冬三季,夏季降水量极差相对平均数的增长幅度最高。

3.2.2 月尺度下的降水分析

绘制四川省月度降水量箱线图如图10所示。由图10可知:①四川省降水量的年内分布极不均衡,各月平均降水量中7月降水量最高,为182.0 mm,占全年降水量的19.9%;8月与6月的次之,分别占全年降水量的17.9%与16.4%;12月—次年2月为降水量最少的3个月,这3个月的降水总量占全年降水量的3.1%。②月尺度下的降水量均值与对应中位数大致相等,表明月尺度下的日降水量呈对称分布,其中8月降水量极差相对均值的增幅最大。③月降水表现出较明显的季节归因特征,相同季节各月降水量整体波动性不大,不同季节对应月降水量的差异明显。

图10 四川省月度降水量箱线图

四川省降水量的年内分布不均衡,是由于四川东南部属亚热带季风气候区,其夏季受海陆温差影响,冬季受西伯利亚冷风干扰,气候呈季节性交替,使降水受季风带和地形影响明显,天气非周期性变化规律和降水季节、月度变化特征突出。位于西北部的甘孜藏族自治州和阿坝藏族羌族自治州属高山高原气候区,受纬度和地形影响,气候寒冷、风力大、水汽少,进一步加剧了降水的不均匀性。

本文根据四川省30个气象站点1958—2017年的逐日降水量数据,分析了四川省年际降水与年内降水的分布特征,并对年际降水影响因素的相对重要性进行了探究,得出如下结论:

1)四川省多年平均降水量为902.3 mm,最大值为1 035.1 mm,出现在1998年,最小值为767.5 mm,出现在2006年;年降水序列波动较大,并以每年0.198 mm的速率不断减少;降水较丰年份与较枯年份的比例接近且呈现出丰枯交替的变化规律,变化周期为10年左右;年际间降水量变化的主周期为28年和13年,同时存在8年的次周期;年降水量的空间分布差异极大,表现出东多西少、南多北少,由东南向西北逐渐减少的变化特征,降水中心位于乐山市西部。

2)四川省降水量的年内分配不均衡。一方面,从季节尺度看,各季节降水量递减排序为夏季、秋季、春季、冬季,其中夏季降水量占全年降水量的比例高达54.2%,而冬季降水量仅占年降水量的3.1%;季节尺度下各月度降水量呈对称分布。另一方面,从月度尺度看,7月降水量最大,8月与6月的次之,且同一季节内月降水量变化不大,不同季节对应月降水量差异极为明显,月度尺度上的日降水量呈对称分布。

3)四川省降水量的年际变化受降水强度和降水频率共同影响,以降水频率影响为主的区域分布在四川省西部的高山高原地区,而以降水强度影响为主的区域则集中于四川省东部的盆地地区。

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