1961-2010年浙江省極端降水特征分析

丁 楠，沙曉軍，高穎會(huì)，王 婷，游志康，徐向陽(yáng)

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.江陰市水資源管理辦公室，江蘇 江陰 214400)

近百年來(lái)，受全球氣候變暖和人類(lèi)生活方式改變的影響，全球范圍內(nèi)的極端氣候事件頻發(fā)，并引發(fā)了人們的廣大關(guān)注。極端降水事件作為極端氣候事件的表現(xiàn)之一，極易引發(fā)小流域山洪、泥石流等次生災(zāi)害，給世界許多國(guó)家和地區(qū)造成了巨大的損失。因此，研究極端降水事件對(duì)于防汛指揮工作，降低洪澇災(zāi)害等具有重要意義。陳海山等分析了中國(guó)近50 a來(lái)不同區(qū)域的極端降水事件的基本變化特征，發(fā)現(xiàn)了極端降水事件具有顯著的年際和年代際變化特征；楊速英等研究了東北地區(qū)汛期極端降水量的非均勻性分布特征，發(fā)現(xiàn)了極端降水集中度呈現(xiàn)階段性變化特征；何書(shū)樵等分析了近50 a來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降水特征，發(fā)現(xiàn)了各降水指數(shù)在年代際尺度上均存在著周期震蕩。但目前對(duì)浙江省極端降水事件的時(shí)空演變規(guī)律及原因分析的研究還比較有限。為此，本文選取了年極端降水量、極端降水發(fā)生頻次、極端降水強(qiáng)度和年最大日降水量4個(gè)極端降水指數(shù)，分析了近50 a來(lái)浙江省極端降水事件的空間分布特征，并分別采用了Mann-Kendall法和有序聚類(lèi)法對(duì)年極端降水量進(jìn)行了趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)。研究結(jié)果不僅能提高對(duì)浙江省降水演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)浙江省的防洪規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

浙江省地處中國(guó)東南沿海長(zhǎng)江三角洲南端，土地面積10.18 萬(wàn)km2，在所有省份中面積較小。全境70.4%的陸域面積為山地和丘陵，平原和盆地占23.2%，地形自西南向東北呈階梯狀傾斜，大致可分為浙北平原、浙西丘陵，浙東丘陵，中部金衢盆地、浙南山地、東南沿海平原及濱海島嶼等6個(gè)地形區(qū)。受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，浙江省內(nèi)雨量豐沛，雨熱季節(jié)變化同步，氣象災(zāi)害頻發(fā)。降雨年內(nèi)年際變化比較大，集中期為5、6月，年均降水量為1 600 mm，是中國(guó)降水較為豐富的地區(qū)之一，也是極端氣候事件多發(fā)的地區(qū)。因此，本文利用浙江省1961-2010年的逐日降水資料，對(duì)極端降水事件的特征進(jìn)行分析。

2 研究資料與方法

研究選用了1961-2010年浙江省21個(gè)代表雨量站的逐日降水資料，為了保證各雨量站資料系列的同步性，缺測(cè)數(shù)據(jù)均采用鄰近站點(diǎn)進(jìn)行多元回歸插值補(bǔ)齊。1961-2010年的浙江省21個(gè)雨量站降雨系列具有較長(zhǎng)的平均豐、平、枯水時(shí)段, 豐枯出現(xiàn)的頻次也相當(dāng)，且隨著系列的延長(zhǎng)，逐日降水的均值趨于穩(wěn)定,由此認(rèn)為, 本文選用的雨量站逐日降水系列具有較好的代表性。

采用國(guó)際上常用的百分位法定義各測(cè)站極端降水闕值，把1961-2010年逐年日降水量達(dá)到0.1mm的子樣本按升序進(jìn)行排列，將第95個(gè)百分位值定義為該雨量站50 a來(lái)的極端降水事件閾值。若某站某日日降水量超過(guò)該站閾值，則該站該日發(fā)生了極端降水事件。對(duì)于各個(gè)測(cè)站，將某年發(fā)生極端降水事件的次數(shù)定義為該年極端降水事件發(fā)生頻次；某站某年所有超過(guò)該站闕值的極端降水量的總和定義為該站該年的年極端降水量；某站某年的年極端降水量除以對(duì)應(yīng)極端降水事件的發(fā)生頻次，稱(chēng)為這一年的極端降水強(qiáng)度；某站一年中極端降水事件的最大值稱(chēng)為該年的最大日降水量。

本文采用Mann-Kendall法對(duì)1961-2010年浙江省21個(gè)雨量站的年極端降水量序列進(jìn)行趨勢(shì)分析。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)適用于非參數(shù)檢驗(yàn)，能夠有效區(qū)分某一自然過(guò)程處于自然波動(dòng)還是存在確定的變化趨勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要服從一定的分布，且受異常值的干擾較少，因而該檢驗(yàn)方法在水文統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛。選取統(tǒng)計(jì)值Z判斷趨勢(shì)變化，若Z>0，則表明序列呈上升的趨勢(shì)；反之，Z<0，則表明序列呈下降的趨勢(shì)。顯著性水平α定為0.05，當(dāng)|Z|≥Zα?xí)r，拒絕原假設(shè)，即趨勢(shì)顯著；當(dāng)|Z|

為了研究極端降水量在時(shí)空上的急劇變化，選用有序聚類(lèi)法對(duì)年極端降水量進(jìn)行突變分析。有序聚類(lèi)法實(shí)際上就是找尋最優(yōu)分割點(diǎn)，使同類(lèi)間的離差平方較小。對(duì)序列X1，X2，…,Xn，設(shè)可能的突變點(diǎn)為m，突變前后離差平方和分別表示為：

(2)

Sn(m)=Vm+Vn-m

(3)

式中：Sn(m)為突變點(diǎn)m前后的總離差平方和，當(dāng)Sn(m)取最小值時(shí)，m點(diǎn)即為尋找的最優(yōu)分割點(diǎn)。

3 年極端降水量的特征分析

3.1 年極端降水量的空間分布特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到各測(cè)站1961-2010年的年極端降水量，計(jì)算各測(cè)站的平均年極端降水量，從而得到近50 a極端降水量的空間分布圖，見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，浙江省年極端最大降水量為380～680 mm。受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，年極端降水量的最大值出現(xiàn)在東南沿海地區(qū)的臨海市西部，達(dá)到了680 mm。最小值位于紹興市嵊縣，年極端降水量略小于380 mm。浙西丘陵地區(qū)的年極端降水量略大于中部金衢盆地，浙西丘陵地區(qū)的年極端降水量主要為460～480 mm，中部金衢盆地主要為420～440 mm，其原因可能是浙西丘陵地區(qū)海拔高，空氣在移動(dòng)過(guò)程中遇到地形阻擋而容易形成地形雨。浙江多山地和丘陵，年極端降水量越大越會(huì)造成大的滑坡、泥石流等災(zāi)害，因此浙西丘陵和浙東丘陵地區(qū)應(yīng)成為重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象。

圖1 年極端降水量空間分布(單位：mm)Fig.1 Spatial distribution of annual extreme precipitation

3.2 趨勢(shì)分析

檢驗(yàn)結(jié)果表明，1961-2010年的浙江省年極端降水量整體上呈不顯著的上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)站點(diǎn)數(shù)占到總測(cè)站數(shù)的81%，僅有浙西丘陵地區(qū)中部為下降趨勢(shì)。空間方面，顯著性水平具有自東向西遞減的特點(diǎn)。21個(gè)測(cè)站中僅有4個(gè)站通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，且均分布在浙江省東部沿海地區(qū)，年極端降水量增加趨勢(shì)顯著。因此，浙江東部沿海地區(qū)未來(lái)的防汛工作需予以重視，尤其是臺(tái)州和溫州2市。

3.3 突變檢驗(yàn)

采用有序聚類(lèi)法對(duì)各測(cè)站1961-2010年的年極端降水量序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)可以準(zhǔn)確地識(shí)別序列發(fā)生顯著變化的突異點(diǎn)。結(jié)果分析可知，各測(cè)站的突變時(shí)間不統(tǒng)一，但多集中在20世紀(jì)80年代初至20世紀(jì)90年代末。主要原因可能是這段時(shí)間內(nèi)全球性的厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象的交替出現(xiàn)，改變了海洋與大氣之間的能量交換以及大氣環(huán)流，從而導(dǎo)致東海沿岸的浙江省年極端降水量波動(dòng)較大。

4 極端降水發(fā)生頻次的特征分析

本文計(jì)算了各測(cè)站極端降水發(fā)生頻次近50 a來(lái)的均值，并得到了相對(duì)應(yīng)的空間分布圖，見(jiàn)圖2，可見(jiàn)極端降水發(fā)生頻次的空間差異不大。浙江省東南沿海地區(qū)的極端降水發(fā)生頻次為8.0～9.2 d/a，高值中心出現(xiàn)在臨海市的括蒼山地區(qū)，達(dá)到了9.2 d/a。浙江省西北地區(qū)的天目山站極端降水發(fā)生頻次也較高，達(dá)到8.7 d/a。浙江省其余地區(qū)的極端降水發(fā)生頻次主要為7.3～8.0 d/a。浙江省丘陵地區(qū)的極端降水發(fā)生頻次較高于東北沖擊平原地區(qū)和中部盆地，因此山地丘陵地區(qū)的防汛工作應(yīng)予以重視。

圖2 極端降水發(fā)生頻次空間分布(單位：d/a)Fig.2 Spatial distribution of extreme precipitation frequency

5 極端降水強(qiáng)度的特征分析

極端降水強(qiáng)度的空間分布與年極端降水量、極端降水發(fā)生頻次基本一致，浙江省極端降水強(qiáng)度呈南部大、北部小的格局，極端降水強(qiáng)度主要為49～73 mm/d，見(jiàn)圖3。東南沿海地區(qū)的極端降水強(qiáng)度最高，均超過(guò)了60 mm/d，最大值出現(xiàn)在臨海市的括蒼山地區(qū)，達(dá)到了73 mm/d。東北沖擊平原地區(qū)極端降水強(qiáng)度明顯小于西部和東南丘陵地區(qū)，為50～56 mm/d。多發(fā)的高強(qiáng)度極端降水事件往往在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成巨大的危害，應(yīng)該得到更多的關(guān)注。

圖3 極端降水強(qiáng)度空間分布(單位：mm/a)Fig.3 Spatial distribution of extreme precipitation intensity

6 最大日降水量的特征分析

圖4為浙江省21個(gè)雨量站的最大日降水量(50 a均值)的空間分布，主要為80～160 mm，呈東南向西北遞減的特點(diǎn)。東南沿海地區(qū)的最大日降水量明顯高于其他地區(qū)，其中括蒼山、溫州、洪家3個(gè)測(cè)站均超過(guò)了120 mm。最小值出現(xiàn)在金華市，最大日降水量也達(dá)到了80 mm。最大日降水量越高，則代表該地區(qū)該日面臨的防汛工作越嚴(yán)峻，短歷時(shí)的極端降水更容易引發(fā)突發(fā)的次生災(zāi)害。

圖4 最大日降水量空間分布(單位：mm)Fig.4 Spatial distribution of annual daily maximum amount

7 原因分析

浙江省21個(gè)測(cè)站的年極端降水量、極端降水發(fā)生頻次、極端降水強(qiáng)度和年最大日降水量的空間分布基本一致，呈南多北少，東南沿海地區(qū)最多的格局。主要原因有以下兩個(gè)方面：①浙江西部和東南地區(qū)多丘陵山地，濕潤(rùn)氣流遇到山脈等高地阻擋時(shí)被迫抬升而氣溫降低容易形成地形雨，所以這部分區(qū)域相對(duì)中部盆地和東北沖擊平原更容易發(fā)生高強(qiáng)度、長(zhǎng)歷時(shí)的極端降雨事件。②浙江省作為中國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)大省，其城市化水平一直居于前列，城市化的進(jìn)程改變了下墊面的天然形態(tài)，工業(yè)發(fā)展和人們生活方式的轉(zhuǎn)變，全球環(huán)流突變，全球變暖，這些都從不同程度上影響浙江省的極端降水特征。

8 結(jié) 論

(1)浙江省年極端降水量、極端降水發(fā)生頻次、極端降水強(qiáng)度、年最大日降水量在空間上呈現(xiàn)由南向北逐漸減少的分布特征，各指標(biāo)最大值均出現(xiàn)在東南沿海地區(qū)。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注東南沿海地區(qū)的防汛指揮工作。

(2)浙江省年極端降水量普遍呈上升趨勢(shì)，東南沿海地區(qū)年極端降水量增大趨勢(shì)明顯。

(3)本文未對(duì)極端降水做周期分析，未來(lái)尚需進(jìn)一步分析。

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