寶成鐵路陜西段降雨特征及未來趨勢分析

沈姣姣,徐 虹,李建科,樊曉玲

(1.陜西省氣象服務中心,西安 710014;2.漢中市氣象局,陜西漢中 723000)

寶成鐵路陜西段降雨特征及未來趨勢分析

沈姣姣1,徐 虹1,李建科1,樊曉玲2

(1.陜西省氣象服務中心,西安 710014;2.漢中市氣象局,陜西漢中 723000)

以寶成鐵路陜西段沿途5個代表站汛期逐日降雨資料為研究對象,采用趨勢分析法和突變分析法對1961—2010年降雨特點進行分析,并采用小波分析法對其未來演變趨勢進行預測,為寶成鐵路水害研究提供理論依據。結果表明:不同等級降雨日和降雨量及區域平均降雨日和降雨量均隨年代減少,20世紀90年代出現減少的突變;各級降雨日和降雨量及區域平均降雨日和降雨量自北向南逐漸增多,除鳳縣和略陽外,降雨日和降雨量年際間均表現出一致的減少趨勢,廣元站減少趨勢較顯著;小雨和中雨以年際震蕩為主,大雨及以上降雨以年代際震蕩為主;區域平均降雨量震蕩周期與大雨及以上降雨量較一致,區域平均降雨日震蕩周期與中雨較一致;未來小雨、大雨及以上和區域平均降雨日及降雨量將持續偏多,中雨降雨日及降雨量將先偏少后偏多。

寶成鐵路;降雨特征;降雨周期;小波分析;突變分析

交通運輸業是國民經濟的重要組成部分,氣候異常對交通運輸的影響越來越明顯。在影響我國交通運輸的各種氣候災害中,強降水天氣誘發的洪澇、滑坡、泥石流等次生災害影響最為嚴重,范圍也最廣,造成的經濟損失越來越大[1]。近年來,一些學者利用多種方法對不同地區的降雨特點進行分析,得到了諸多研究成果。陳波等采用分位值法對長江中下游和華中地區不同級別強降水事件的時空變化趨勢進行分析[2]。鄧芳蓮等采用氣候統計的方法對西安等地區的降雨特征和變化趨勢進行分析[3-4]。李明等研究發現,陜北黃土高原地區地質災害主要發生在降水量集中的7—9月,與發生前10d的累積降水量有明顯相關性,不同等級降水誘發地質災害發生的時段不同[5]。王勇等完成了不同降水類型和量級影響下蘭州鐵路水害的時空分布特征并建立了預警等級模型[6]。本文在分析寶成鐵路陜西段降雨特征的基礎上,結合小波分析對未來降水演變趨勢進行預測,以期為寶成鐵路水害研究提供理論依據。

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

選取寶成鐵路陜西段沿途經過的寶雞、鳳縣、略陽、寧強和廣元 (廣元隸屬西安市鐵路局管轄范圍內)為代表站的1961—2010年汛期(5月1日—10月31日)逐日降雨資料,資料由陜西省和四川省氣象局檔案館提供。

1.2 研究方法

采用直線擬合方法計算降雨日和降雨量的傾向率,并用時間序列與變量間的相關系數進行顯著性檢驗。選用Mann-Kendall方法檢驗(簡稱M-K檢驗)寶成鐵路陜西段降雨日和降雨量的變化趨勢,分別計算降雨日和降雨量序列中正、反向樣本序列的統計量UF和UB,依據兩者的變化特點與顯著置信水平的分布情況分析樣本序列的變化趨勢和突變點[7-8]。利用Morlet小波分析降雨日和降雨量的周期特點[9]。

2 降雨量和降雨日的時間變化特征

2.1 區域平均降雨

寶成鐵路陜西段區域平均降雨日表現出減少趨勢(圖1a),傾向率為-3.4d/10a(通過0.05顯著性水平檢驗)。M-K檢驗顯示(圖1 b),UF曲線在大多數年間小于0,說明區域平均降雨日持續表現出減少趨勢;UF曲線在1972年、1998年和2001年與0.05顯著置信曲線(U0.05=±1.96)相交,說明區域平均降雨日在20世紀70年代初、90年代末和21世紀10年代初出現顯著性減少;UF曲線在2006年與0.01顯著置信曲線(U0.01=±2.56)相交,說明區域平均降雨日在2006年達到極顯著性減少。UF和UB曲線在1991—1993年相交,說明區域平均降雨日在20世紀90年代初發生減少的突變。

圖1 寶成鐵路陜西段區域平均降雨日變化趨勢(a)和M-K檢驗(b)

由圖2a可以看出,寶成鐵路陜西段區域平均降雨量整體表現出減少趨勢,傾向率為-32.2mm/10a(未通過0.05顯著性水平檢驗)。M-K檢驗(圖2b)顯示,除1988—1990年和1992—1993年UF曲線大于0外,UF曲線在大多數年間小于0,說明區域平均降雨量表現出減少趨勢,其中1965—1974年UF曲線超過了0.05顯著置信曲線(U0.05=±1.96),表明區域平均降雨量在20世紀60年代中后期至70年代前中期減少幅度達到顯著性水平。UF曲線在1978—1980年和1991年分別與UB曲線相交,說明區域平均降雨量在20世紀70年代末至80年代初和90年代初分別出現增加和減少的突變。

圖2 寶成鐵路陜西段區域平均降雨量變化趨勢(a)和M-K檢驗(b)

2.2 小雨

小雨降雨日和降雨量變化趨勢為持續下降,傾向率為-2.7d/10a和-5.8mm/10a(均通過0.01顯著性水平檢驗),均在20世紀90年代初突然減少,降雨量在2002—2010年減少程度達到0.05顯著性水平。小雨降雨日和降雨量在所有降雨日和降雨量中所占比例為64.8%～80.1%和11.2%～26.2%,未出現明顯波動。

2.3 中雨

除個別年份外,中雨降雨日和降雨量持續減少,傾向率為-0.4d/10a和-3.7mm/10a,均在1993年突然減少。中雨降雨日和降雨量所占比例在年際間表現出微弱增加趨勢。中雨強度隨年代略有增強,1990—2008年(除2003和2007年外)增強幅度通過0.05顯著性水平檢驗。

2.4 大雨及以上降雨

大雨及以上降雨日和降雨量傾向率為-0.4 d/10a和-22.4mm/10a,除在1988—1993年出現短暫上升外,其余時段持續下降,1969—1974年減少幅度通過0.05顯著性水平檢驗。大雨及以上降雨日和降雨量所占比例出現 “兩谷一峰”的波動,峰值在20世紀80年代初,兩個谷值分別位于70年代初和90年代后期。從整個年際變化趨勢來看,兩者均在1979年和1990年前后出現突增和突降。

3 降雨量和降雨日空間變化特征

將寶雞、鳳縣和略陽劃為北部臺站,寧強和廣元歸為南部臺站。由表1和表2可見,寶成鐵路陜西段各級降雨日和降雨量自北至南逐漸增加,但廣元站表現不明顯,可能是由于秦嶺地形作用阻擋北方冷空氣南下與暖濕氣流交匯,降雨概率減少,雨量不大。

表1 寶成鐵路陜西段各站不同等級降雨日平均值和傾向率

表2 寶成鐵路陜西段各站不同等級降雨量平均值和傾向率

各站小雨降雨日和降雨量在年際間均表現出一致減少趨勢,廣元站傾向率為-8.4d/10a和-17.1mm/10a(均通過0.01顯著性水平檢驗);中雨、大雨及以上降雨日和降雨量表現出微弱增加或減少趨勢,南部廣元站中雨降雨日和降雨量傾向率為-1.4d/10a和-21.0mm/10a (均通過0.01顯著性水平檢驗),大雨及以上降雨日傾向率為-0.8d/10a(均通過0.05顯著性水平檢驗)。

除鳳縣外,各站總降雨日和降雨量均表現出不同程度的減少趨勢,南部臺站減少趨勢較顯著,廣元站傾向率為-10.4d/10a和-90.1 mm/10a(均通過0.01顯著性水平檢驗)。

4 降雨量和降雨日周期特征及未來趨勢分析

4.1 區域平均降雨

由圖3可以看出,區域平均降雨量小波方差有3個極大值,分別對應26～27a,8～9a和2～3a的時間尺度。在26～27a時間尺度上,降雨量周期震蕩經歷了多—少—多—少—多的循環,而且2010年時等值線未閉合,說明未來相當長一段時間內(至少10a內)降雨將偏多。8～9a和2～3a時間尺度上,同樣顯示出2010年之后短期內降雨將偏多。因此推斷,未來區域降雨量將在相當長時期內增多,其中包含小尺度偏少的周期震蕩。

區域平均降雨日4a周期震蕩較明顯,其次為9～10a和28a(表3)。4a周期震蕩顯示, 2010年后近幾年降雨日將增加。9～10a周期尺度在20世紀90年代中后期有所減弱,仍可判斷目前正處于降雨日偏多的轉折期。28a周期震蕩顯示,2008—2010年降雨日處于偏多和偏少的疊置期。因此推斷,未來10a內降雨日將偏多。

圖3 寶成鐵路陜西段區域平均降雨量小波系數實部等值線圖 (a)和小波方差圖 (b)

表3 寶成鐵路陜西段不同等級降雨日和降雨量周期分析

4.2 小雨

小雨降雨日和降雨量周期震蕩最明顯的是9～10a,其次為2～3a和26～27a(表3)。自20世紀80年代中后期開始,小雨降雨日和降雨量中間尺度(9～10a)周期震蕩減弱,大尺度(26～27a)和小尺度(2～3a)周期震蕩加強。1995—2010年處于小雨降雨日和降雨量偏少的大周期內,2010年時等值線已基本閉合,預計未來15～20a內小雨降雨日和降雨量將偏多。

4.3 中雨

中雨降雨日和降雨量周期震蕩最明顯的是2～4a,其次為27～30a和10a(表3)。27～30a的周期震蕩中,中雨降雨日和降雨量經歷了少—多—少的循環,目前正處于偏多期;10a尺度上,可以判斷出21世紀20年代中雨降雨日和降雨量正處于偏少期。依據不同時間尺度周期演變趨勢,推斷21世紀20年代前中期中雨降雨日和降雨量將先偏少后偏多。

4.4 大雨及以上降雨

大雨及以上降雨日和降雨量周期震蕩最明顯的是25a,其次為8～9a和2～3a(表3)。25a的周期震蕩中,大雨及以上降雨日和降雨量經歷了多—少—多—少—多的循環;8～9a周期震蕩顯示,2000年和2005年分別對應偏多和偏少周期中心,預計2015年前后將出現大值中心;2～3a周期震蕩均顯示目前正處于偏多期。因此推斷,2015年前后研究區域大雨及以上降雨日和降雨量將偏多。

5 結論

5.1 不同等級降雨日和降雨量及區域平均降雨日和降雨量均減少,區域平均降雨日 (量)和各等級降雨日(量)均在20世紀90年代出現減少的突變;區域平均降雨量和大雨以上降雨量在20世紀70年代末突然增加。小雨和中雨降雨日和降雨量的比例基本平穩或略有增加,大雨及以上降雨日和降雨量的比例在年際間波動較大。

5.2 各等級降雨日和降雨量及區域平均值自北向南逐漸增加,除鳳縣和略陽外,降雨日和降雨量年際間均表現出一致的減少趨勢,南部臺站減少趨勢較顯著。

5.3 不同等級降雨日和降雨量周期震蕩各異,同等級降雨量和降雨日周期震蕩較一致。小雨和中雨以年際震蕩為主,大雨及以上降雨以年代際震蕩為主。區域平均降雨量震蕩周期與大雨及以上降雨量較一致,區域平均降雨日震蕩周期與中雨較一致。

5.4 未來小雨、大雨及以上和區域平均降雨日和降雨量持續偏多,中雨降雨日及降雨量先偏少后偏多。

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P468.024

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1006-4354(2013)06-0001-05

2013-04-06

沈姣姣(1986—),女,漢,山西運城人,碩士,助工,從事公共氣象服務。

陜西省氣象局科技創新基金項目(2013M-34)