近60年“雅安天漏”變化特征分析

吳 澤, 范廣洲, 周定文, 江 益, 朱麗華

(成都信息工程學院大氣科學學院高原大氣與環境四川省重點實驗室,四川成都610225)

雅安地區特殊的“天漏”氣候特征,水汽不如沿海充沛,卻是中國大陸降水量最多地區之一,也是中國洪澇重災區。但近幾年此地區的降水卻有減少的情況發生,論文對雅安降水特征的變化做出了研究。雅安市位于103.00°E、29.59°N,地處四川盆地的西緣,青藏高原東南麓的背風坡,在整個雅安地區相對高差達4000余米。由于特定的地理、地形特征和季風氣候的影響,雅安地市降水非常頻繁,無論是降水量,還是雨日數,都是青藏高原東部的最大值區,是中國有名的“雨城”和“天漏市”。降水量的變化影響人們的衣、食、住、行,旱、澇的頻繁出現,更嚴重影響著該區域的農業生產,所以對“天漏”變化特征的研究具有極其重要的意義。

目前,對雅安天漏形成的天氣背景及形成機制,已有一系列學者對其做出了研究：彭貴康等[1]從氣候角度研究過雅安降水與地形的關系得出：在雅安地區北部,名山、雅安、天全一帶的青衣江河谷,地形兼有“迎風坡”、“喇叭口”的特點。在地區南部,大渡河貫穿東西,整個流域為高差很大的峽谷,特殊的地理、地形特征造就了特有的“天漏”現象。彭貴康等[2]從天氣分析的角度得出地形對雅安降雨的主要影響,以及“天漏”的物理量和降水特征。宇如聰、曾慶存等[3-4]又從動力學分析和數值模擬出發,通過對暴雨個例進行數值模擬試驗,對“雅安天漏”的特征、物理量結構極其形成機制作了進一步研究工作,得出形成雅安降水的可能機制。彭貴康等[5]基于“雅安天漏”研究等方面的結果,給出了考慮了系統性降水、熱力降水和地形雨的降雨量計算公式,并利用該公式做了“精細化”降水預報方面的嘗試。龍從彬等[6]利用1951～2006年月平均降水和年平均降水資料,采用墨西哥帽小波函數,對雅安56年來降水的季節變化和年際變化時間序列進行了小波分析,研究了不同時間尺度下降水序列變化的周期和突變點。蔡薌寧和周慶亮等[7]對3個“雅安天漏”個例,采用非靜力中尺度數值模式MM5V3進行模擬,著重研究了MRF邊界層參數化方案對雨量中心強度和雨區分布的影響。但這一系列研究大多是從天氣學和動力學基礎為出發點,著重研究“天漏”的形成機制和物理量結構。文章從氣候變化角度研究“雅安天漏”近60年氣候變化特征。

降水是導致干旱、洪澇、泥石流、山體滑坡等自然災害發生的重要影響因素,也是嚴重影響農業生產的一個重要因素。特別是全球變暖加劇了全球水循環過程,降水極端事件更加頻繁,因此在這樣的背景下研究雅安降水量變化特征是一個重要的課題。以雅安市1951～2010年60年的降水資料為基礎,主要從降水量和雨日數兩個方面出發,探討了雅安降水的氣候演變規律,為當地氣候預測、農業生產以及合理利用氣候資源提供理論依據。

1 雅安市降水量的變化趨勢

1.1 年降水量變化趨勢

所用資料為：雅安市1951～2010年60年降水資料。

雅安市雨量比較充沛,60年的年平均降水量為1719mm,從降水量的四季變化來看,從大到小依次為夏季、秋季、春季和冬季,降水主要集中于7、8月。

降水量的年變化趨勢比較明顯,利用9年滑動平均和一元線性回歸提取出降水量的變化曲線和趨勢線,得出年降水量的時間序列,結果如圖1所示。

滑動平均是趨勢擬合的一種方法,相當于低通濾波,與確定時間序列的平滑值,顯示變化趨勢,經滑動平均后,序列中短于滑動長度的周期大大削弱,顯示出變化趨勢。對樣本 n的序列項,其滑動平均序列表示為：其中k為滑動長度。取k值為9,即9年滑動平均。

由圖可知,從1951～2010年,年降水量成波動變化趨勢。按通用標準,定義降水距平百分率ΔR/R≥50%為大澇,50%～25%為澇,+25%～-25%為正常,小于-50%為大旱,-50%～-25%為旱。對雅安而言,其中1966、1973、1977、1985年4年的降水距平百分率均大于25%,為降水較多年份,1965、1972、1974、1982年4年的降水距平百分率均小于-25%,為降水較小年份。由9年的滑動平均曲線看,20世紀50年代到80年代中期呈緩慢的下降趨勢,80年代中期至90年代年降水量有顯著的增加趨勢,90年代中期之后減小趨勢比較明顯,從2007年開始,年降水量又有所增加。

1.2 四季降水量變化趨勢

雅安市春、夏、秋、冬四季的季平均降水量分別為 ：281.8mm 、1002.5mm 、363.3mm 、71.4mm,夏季降水量最多,冬季最少。60年來,各季節的降水量都在波動變化,其具體變化趨勢,如圖2所示。

圖2(a)是春季降水量時間序列,從圖可知,在50年代,春季降水量波動最大,出現了春季降水最大年份：1952年(550.2mm),以及春季降水量最小年份：1955年(114.3mm),20世紀 50年代以后,波動相對平緩。從趨勢線看,春季降水量以6.7mm/10a的趨勢減少。由9年滑動平均曲線看,春季的降水量在50年代較多,遠遠超出60年來的平均水平,60年代到80年代降水量出現減少趨勢,80年代后有所增加,到21世紀降水量又呈現減小趨勢。

夏季是降水量最多的季節,其平均降水量占年平均降水量的58.3%,在四季中最能反應降水量的變化,其降水量時間序列如圖2(b)所示。從圖中可知夏季降水量變化波動較大,其降水最多年份為1966年(1636.6mm),其次為1973年(1564.9mm);降水最少年份為1982年(563mm)。由趨勢線可知,變化趨勢和年降水量一致,60年來,雅安的夏季降水量呈現明顯的減少趨勢,降水傾向率為-15.2mm/10a,從9年年滑動平均曲線,20世紀60年代中期之前夏季降水量比較充沛,60年代中期到80年代中期變化比較平緩,80年代中期到90年代中期降水量顯著增加,90年代中期出現明顯下降趨勢,到了2006年降水量開始增加。總的來說,夏季降水量曲線及其變化趨勢和年降水量比較吻合。

圖2(c)給出的是是秋季降水量時間序列,由圖中可知,秋季降水量最大出現在1967年,降水量為784.3mm,最少出現在2003年,降水量僅為181.7mm,說明秋季降水的年際變化比較大。從趨勢線可以看出,秋季降水量以-18.6mm/a的傾向率呈明顯下降趨勢。從9年滑動平均曲線可以看到,20世紀60年代中期之前秋季降水量偏少,從60年代中期到80年代,降水量顯著增加,80年代以后呈現穩定減少趨勢。

與春、夏、秋季降水量變化趨勢不同的是,冬季降水量呈現緩慢的增加趨勢,降水傾向率0.73mm/10a,20世紀50年代增加趨勢顯著,50年代之后,變化趨勢很平緩,如圖2(d)。

總的來說,雅安市春、夏、秋三季降水量呈現明顯減少趨勢,與年降水量變化趨勢相吻合,冬季降水量出現緩慢的增加趨勢。

圖1 雅安市年降水量時間序列(單位：mm/a)(實線代表降水量,虛線代表一元線性回歸線,點線代表9年滑動平均曲線)

圖2 四季降水量時間序列(單位：mm/a)(實線代表降水量,虛線代表一元線性回歸線,點線代表9年滑動平均曲線)

1.3 逐月降水比重變化趨勢

逐月降水比重即各月降水量占年降水總量的比重,雅安市60年來逐月降水比重如圖3所示,由圖可知,冬半年降水比重較小,夏半年降水比重大,降水比重極大值均出現在夏半年。

其降水比重極大值主要出現在7、8、9三個月,在20世紀50年代初期極值主要出現的比較晚,1955年在6月開始出現極值,50年代中期到80年代中期,降水比重極值主要集中在8月,1987年出現異常,6月份開始出現極值,1990年到2010年極大值均出現在8月,2003年及2008年降水比重在8月出現異常偏大。

圖3 1951～2010年雅安市逐月降水比重變化趨勢

圖4 雅安年雨日數時間序列(單位：d/a)(實線代表雨日數,虛線代表一元線性回歸線,點線代表9年滑動平均曲線)

2 雅安年、季雨日的變化趨勢

2.1 年雨日數的變化

雨日數的變化與降水量的變化有聯系,但也有區別,雨日數的變化同樣反應了一個地區氣候變化特征。在雅安市,年雨日數平均為214.4d,占全年總天數的58.7%,全年大部分時間都籠罩在雨中。

圖4是雅安60年來年雨日的時間序列,由圖可知,雨日數較多的年份依次為1964年(256d)、1968年(252d)、1983年(238d),雨日數較少的年份依次為2007年(185d)、2002年(189d)、1999年(191d),最多的年份主要集中在20世紀60年代,最少的年份均在90年代中期之后。從趨勢線可以看出,年雨日數總體呈減少趨勢,氣候傾向率為-3.7d/10a,即每10年減少3.7個雨日,由9年滑動平均曲線看,1964年以前雨日數偏少,從1964年開始雨日數陡增,直到90年代中期雨日數均較多,90年代中期后雨日數迅速減少。

2.2 季雨日的變化趨勢

對比雅安四季降水量的情況,季雨日有所不同,如表1,從表中可以看到,四季中平均降水量從大到小依次為：夏季、秋季、春季、冬季,其最大平均降水量達到1002.5mm,最小平均降水量僅為71.4mm,差距很大。而平均雨日數從大到小為：秋季、夏季、春季、冬季,最大雨日數58.8d,最小為41.9d,差距較大。

表1 雅安1951～2010年季平均雨日數與季平均降水量的比較

從1951到2010年,各個季節的雨日數都在發生變化,其具體變化趨勢如圖5所示。

圖5(a)給出的是春季雨日數時間序列,雨日數最多出現在1998年,達到68d,最少出現在2001、2006、2007年,均為41d,雨日數相差竟將近一個月,波動較大,從趨勢線可以看出,春季雨日數呈減少趨勢,氣候傾向率為-1.0d/10a,20世紀90年代之前變化比較緩慢,從90年代開始有明顯的減少趨勢。

從圖5(b)中可以看到,夏季雨日數總體呈現減少趨勢,但減少速度比較緩慢,氣候傾向率為-0.8d/10a。

圖5(c)為秋季雨日數時間序列,由圖可知,秋季為雨日數最多的季節,波動變化較大,最大雨日數為71d(1952、1968、1975年),最小雨日數為42d(1997年),相差達29天,由趨勢線,雨日數以-1.5d/10a的速度減少。從9年滑動平均曲線來看,20世紀90年代之前呈較均勻的減少趨勢,90年代開始減小趨勢很顯著,到21世紀,雨日數又有所增加。

圖5(d)為冬季雨日數時間序列,從圖中可以看到,冬季雨日數變化較為平緩,波動不太大,雨日數略呈下降趨勢,變化不顯著。

圖5 四季雨日數時間序列(單位：d)(實線代表雨日數,虛線代表一元線性回歸線,點線代表9年滑動平均曲線)

綜上所述,60年來雅安的年雨日數,以及春、夏、秋、冬四季的雨日數均處在一個減少趨勢中,這與王穎等[8]得出的長期以來,中國的雨日數明顯減少,各季的雨日都是負趨勢,而雨日減少最多的地區是東北、華北、西南地區的結論相吻合。

3 各量級降水量及雨日的變化特征

3.1 降水量及其比重的年變化

一般降水量分為7級,為了適應研究,將微量和小雨都歸為小雨,暴雨、大暴雨和特大暴雨統一歸為暴雨,將整個降水分為4級,即小雨(日降水量小于10mm)、中雨(日降水量達到和超過10mm且小于25mm)、大雨(日降水量達到和超過25mm且小于50mm)、暴雨(日降水量達到和超過50mm),討論不同量級降水的長期變化趨勢,因為不同量級的降水量變化情況最能反映出一個地區降水的本質變化特征。

1951～2010年降水量變化趨勢如圖6所示,圖6(a)為各量級降水的降水量時間序列,圖6(b)為降水量比重的時間序列,降水量比重即為各量級降水所產生的降水量與全年總降水量的比值。由圖6可知,長期以來,雅安市暴雨降水量占全年總降水量的比重最大,約為30%,小雨、中雨、大雨約各占23%左右,而暴雨又是造成災害性極端降水事件的重要原因。

在60年的變化中,小雨、中雨、大雨的降水量都分別以-7.1mm/10a、-20.7mm/10a、-15.1mm/10a的傾向率減小,而暴雨卻在以3.1mm/10a的傾向率增加。小雨降水量在80年代前都比較平穩,80年代之后出現下降趨勢;中雨的降水量變化趨勢最明顯,平均以20.7mm/10a的速度下降,2000年以前下降趨勢尤為明顯,2000年以后中雨的降水量又有所回升;大雨降水量的下降趨勢也很明顯,60年來一直以較平穩的趨勢下降;而暴雨降水量在小雨、中雨、大雨降水量減小的同時有所增加。

雖然小雨、中雨、大雨的降水量減小趨勢和暴雨降水量增加趨勢都比較明顯,可各種量級降水量所占比重在60年來都相對比較穩定,變化很小,小雨和暴雨的降水量比重略增加,中雨和大雨強度的降水量比重略減小。

由上可知,1951～2010年小雨降水量減小,小雨降水量比重反而在增加;中雨和大雨的降水量及其降水量比重均在減小;暴雨降水量及其降水量比重均在增加。

圖6 雅安降水量(單位：m/a)

3.2 降水日數及其比重的年變化

60年來,雅安市各量級年平均雨日數從大到小依次為：小雨、中雨、大雨、暴雨。其中小雨年平均雨日數為173.4d,占年平均雨日數的80.9%;中雨日數為24.4d,占11.4%;大雨日數9.8d,占4.6%;暴雨日數6.7d,占年平均雨日數的3.1%。

圖7給出的是各個量級降水量的雨日數時間序列及其所占全年雨日數比重的時間序列,圖7(a)為各量級雨日數的時間序列,圖7(b)為雨日數比重的時間序列。雨日數的比重即為各量級的降水日數與全年降水日數的比值。從圖中可以看出,雅安各個量級雨日數都在波動減小,這和60年來雅安降水量年變化并不一致。

小雨日數以-2.1d/10a的傾向率減少,即每十年就會減少約兩天,趨勢很明顯,同樣,中雨日數減少趨勢也很明顯,氣候傾向率為-1.2d/10a,大雨和暴雨日數分別以-0.4d/10a和-0.1d/10a的速度緩慢減少。從年代際變化來看,小雨日數在20世紀80年代之前變化比較平穩,甚至有過極其緩慢的增加趨勢,在80年代中期之后迅速減少;中雨日數和中雨降水量的變化曲線比較相似,從50年代到20世紀末都一直曲線減少,到了21世紀有所增加;大雨日數60年來都處在一個很平緩的減小趨勢中;暴雨日數在90年代之前變化趨勢很緩慢,雨日數有所增加,從90年代開始,雨日數迅速減少。

從圖中雨日數比重的時間序列可以看出,雖然各種量級的雨日數變化比較明顯,但60年以來各量級雨日數所占比重變化卻不太明顯,小雨日數比重略增加,中雨和大雨日數比重略減少,暴雨日數比重幾乎沒發生變化。

圖7 雅安降水雨日數(單位：d/a)

對比圖6和圖7可知,各量級降水量時間序列分別和其對應的雨日數的時間序列變化趨勢在一定程度上比較相似。從1951～2010年,小雨降水量、雨日數均在減小,其降水量和雨日數比重均在增加;中雨和大雨降水量、雨日數和降水量和雨日數的比重都在減小;值得注意的是,長期以來暴雨降水量以很明顯的趨勢增加,暴雨雨日數卻在減少,這表明了,暴雨級別的降水強度在進一步增加,而造成洪澇、泥石流等自然災害,又主要決定于暴雨的強度大小和次數的多少。

4 雅安市降雨量及雨日數的小波分析

采用了Morlet小波分析,確定雅安市1951～2010年年降水量以及雨日數的變化尺度及突變點,其結果如圖8和圖9所示。圖8、圖9中橫坐標為年代,縱坐標表示變化的周期,圖中數值為小波系數,其數值的大小表示振蕩的強弱,小波系數為正,表示處于降水豐沛期,反之處于降水偏少期。

圖8 雅安市年降水量的小波變換系數圖和小波方差圖

圖9 雅安市年雨日數的小波變換系數和小波方差圖

圖8顯示了60年來雅安年降水量在不同時間尺度上的周期振蕩,由圖可見,雅安市的年降水量存在2個明顯的特征時間尺度,分別是1～2年和8～9年。在15～30年較長時間尺度上,雅安的降水經歷由多—少—多—少的干濕循環交替,1951～1961年、1978～1995年為降水豐沛期,1962～1977、1996～2010為降水偏少期。60年來,始終存在8～9年的時間尺度。90年代中期之前,1～2年的特征尺度比較明顯。對于9年以下的小尺度而言,出現更多的降水豐沛期和偏少期的循環交替。小波變換系數在不同區域內的方差貢獻極大值可用來確定此區域內信號變化的顯著尺度,從圖8(b)小波方差圖中可知,降水豐沛期與偏少期出現的周期振動隨時間變化,年降水量對應的小波方差有兩個極大值,對應2年、8年的時間尺度,是雅安市年降水量變化的顯著時間尺度。

圖9給出的是雅安市年雨日數在不同時間尺度上的周期振蕩,雅安的年雨日數存在兩個較明顯的特征時間尺度：2年和10年。其中,2年左右的周期振蕩最為明顯,在整個研究時段都表現的非常穩定。在較大尺度的25～30年間,雨日數經歷了由多—少—多—少的循環交替,和年降水量的變化比較類似。

5 結論

利用雅安市降水資料,對降水變化特征做出了研究,通過分析,可以得到以下結論：

(1)對年降水量的研究表明,雅安的年降水量總體呈明顯的減小趨勢,在20世紀90年代中期之后減小趨勢尤為明顯。在四季降水量變化中,春、夏、秋三季降水量呈現明顯減少趨勢,冬季降水量出現緩慢的增加趨勢。對逐月降水比重的分析可以看出,冬半年降水比重較小,夏半年降水比重大,其極大值主要出現在7、8、9月。

(2)對年雨日數的研究指出,在雅安市年雨日數平均為214.4d,占全年總天數的58.7%。季雨日數從大到小為：秋季、夏季、春季、冬季。近60年來,雅安的年雨日數,以及春、夏、秋、冬四季的雨日數均表現出一個減少趨勢。

(3)近60年來,暴雨的降水量在各量級降水中比重最大,約占總降水量的30%,小雨、中雨、大雨的降水量都分別以-7.1mm/10a、-20.7mm/10a、-15.1mm/10a的傾向率減小,而暴雨卻在以3.1mm/10a的傾向率增加。但各種量級降水量所占比重在60年來都相對比較穩定,變化很小。

(4)對比各量級降水量的情況,平均雨日數從大到小依次為：小雨、中雨、大雨、暴雨,其中小雨的年平均雨日數為173.4d,占年平均雨日數的80.9%。60年來,雅安各個量級的雨日數都在波動減小,但各量級降水的雨日數所占全年總雨日數的比重變化卻不太明顯。值得注意的是,長期以來,暴雨的降水量以很明顯的趨勢增加,而暴雨雨日數卻在減少,這表明暴雨級別的降水強度在進一步增加,而暴雨強度的增加,又給水資料的利用、防洪、防災、減災等工作增加了難度。

(5)60年來雅安市年降水量年際變化明顯,年降水量在不同時間尺度上存在2年、8年的周期振蕩。年雨日數存在兩個較明顯的特征時間尺度：2年和10年,且在整個研究時段都表現得非常穩定。

(6)雅安暴雨主要是發生在副高邊緣西風擾動中,造成這種降水年際變化的原因與副高的年際變化密切相關。同時,雅安地處青藏高原背風坡的斜坡地帶,青藏高原的下墊面因素的年際變化(如：青藏高原積雪覆蓋率等)也影響著雅安降水的年際變化。針對雅安降水特征變化的形成機制,將主要從以上兩個方面進行深入探討。

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