未來氣候變化情景下貴州省降水集中度變化特征研究

韓會慶 李建鴻 安徐朋 陳思盈 侯佳威

（1.中國地質科學院巖溶地質研究所/自然資源部廣西巖溶動力學重點實驗室, 廣西 桂林 541004；2.貴州理工學院 建筑與城市規劃學院, 貴陽 550003）

IPCC報告指出,隨著全球氣溫升高,極端氣候事件發生頻率和強度增加[1].在氣溫升高背景下降水的再分配和調整使得降水的非均勻性突出,這深刻影響全球及地區水資源利用、旱澇災害發生等[2-3].因此,降水的集中狀況日益成為全球氣候變化研究的重要內容.

作為分析降水時空集中狀況的指標,降水集中度可以分析降水非均勻狀況,它成為很多學者研究的重點[4].目前,針對降水集中狀況的研究主要集中于不同空間尺度降水集中狀況研究,其中國家[5]、地區[6]、城市[7]、流域等[8]尺度的降水集中狀況研究受到學者們普遍關注.研究內容上主要包括降水集中度和降水集中期兩方面[9-10].

此外,降水集中狀況對徑流、旱澇的影響受到關注,如張士鋒等[11]分析了降水不均勻性(即集中狀況)對黃河天然徑流量的影響.蔣麗娟等[12]分析了桂林市汛期降水集中狀況與旱澇的關系.同時,學者們對降水集中狀況的驅動機制進行了深入探討,其中涉及區域增暖、大氣環流的響應,如袁瑞強等[13]分析了厄爾尼諾、東亞夏季季風指數、北大西洋濤動、太平洋年代際振蕩等大氣環流特點對降水集中狀況的影響.然而,這些研究多針對過去時點的降水集中狀況分析,鮮有未來時間尺度的相關研究.

貴州省是我國典型的喀斯特生態脆弱區,水土流失嚴重[14].同時,受落后的經濟發展和不完善灌溉設施影響,其農業生產對降水穩定性的依賴度較高[15],該區降水的集中程度及時間長度對生態環境質量及農業生產至關重要.因此,以貴州省為例,從未來氣候變化視角,分析2020-2099年貴州省降水集中度時空變化,以期為防洪抗洪、水資源利用提供科學依據.

1 數據與方法

1.1 數據來源

未來氣候數據來源于國家氣候中心預估的2020-2099年逐日降水數據(包括貴州省站點為84個),該數據是國際上通過的8個氣候模式預估數據的平均值,包括RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三種不同排放情景.RCPs是指對輻射活性氣體和顆粒物排放量、濃度隨時間變化的一致性預測,作為一個集合、它涵蓋廣泛的人為氣候強迫.RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5分別代表低、中、高CO2排放情景,分別表示低端、中間和高端路徑[16].由于單一氣候模式預估數據存在較大偏差,故而選取8個氣候預估數據的均值.

另外,經有關學者驗證,該數據預估精度較高,可以滿足研究需要[17].依據相關文獻將汛期界定為4至9月,非汛期界定為10月至次年3月[18].四季時間界定為春季(3月至5月)、夏季(6月至8月)、秋季(9月至11月)和冬季(12月至次年2月).

1.2 研究方法

1.2.1 降水集中度計算

利用Zhang等[19]提出的基于向量分析原理的降水集中度判別研究區降水集中狀況,其計算公式為：

式中：Pcd為降水集中度；Rxi和Ryi分別為某日降水量在坐標系x和y軸上投影之和；rij為某日降水量；θj表示j個日對應的方位角(全年分為360°,某一日序對應相應方位角),i為年份,j為日序.

1.2.2 其他方法

利用Kriging插值法分析降水集中度的空間格局,采用一元線性回歸方程和小波變換分析法分析降水集中度的變化趨勢和周期性[20].

2 結果與分析

2.1 未來不同情景下降水集中度年際變化

未來80年間,不同情景下貴州省降水集中度年際變化趨勢有所差異,RCP8.5情景下呈緩慢上升趨勢(p＜0.05),RCP2.6和RCP4.5情景下呈緩慢下降趨勢(p＜0.05),其下降幅度比較為RCP2.6＞RCP4.5(如圖1所示).

圖1 不同情景下貴州省降水集中度年際變化

未來80年間,不同情景下貴州省降水集中度的空間變化格局為：RCP2.6情景下,僅有東北部呈上升趨勢,其余地區呈下降趨勢,且下降幅度由西南部向東北部遞減；RCP4.5情景下,僅有東部地區呈上升趨勢,其余地區呈下降趨勢,且下降幅度由西部向東部遞減；RCP8.5情景下,全省范圍內均呈上升趨勢,且上升幅度由南部向北部遞增(如圖2所示).

圖2 不同情景下貴州省降水集中度變化空間格局

2.2 未來不同情景下降水集中度四季變化

未來80年間,不同情景下貴州省春季降水集中度皆呈下降趨勢(p＜0.05),且下降幅度比較為RCP4.5＞RCP2.6＞RCP8.5；夏季僅有RCP8.5情景下呈下降趨勢(p＜0.05),RCP4.5的上升幅度較RCP2.6大；秋季僅有RCP8.5情景下呈上升趨勢(p＜0.05),且上升幅度不大,RCP2.6的下降幅度較RCP4.5大；冬季僅有RCP4.5情景下呈上升趨勢(p＜0.05),RCP2.6的下降幅度較RCP8.5大(如圖3所示).

圖3 不同情景下貴州省降水集中度四季年際變化

未來80年間,不同情景下貴州省四季的降水集中度空間變化格局為：春季不同情景下僅有西南部地區呈上升趨勢,其余地區呈下降趨勢.RCP2.6情景下下降幅度由西部向東部遞增,RCP4.5情景下由南部向北部遞增,RCP8.5情景下由西部向中部和北部遞增；夏季僅有RCP8.5情景下全省范圍內呈下降趨勢,且下降幅度由西部向東部遞增,RCP2.6和RCP4.5情景下全省范圍內呈上升趨勢,且上升幅度由西北部向東南部遞增；秋季僅有RCP8.5情景下全省范圍內呈上升趨勢,且上升幅度表現為由東南部向西部和北部遞減,RCP2.6情景下下降幅度由西北部向東南部遞增,RCP4.5情景下由東北部向西南部遞增；冬季僅有RCP4.5情景下全省范圍內呈上升趨勢,且上升幅度由南北部向中部和東部遞增,RCP2.6情景下下降幅度由東北部向東部和南部遞減,RCP 8.5情景下由北部向南部遞增(如圖4所示).

圖4 不同情景下貴州省降水集中度四季變化空間格局

2.3 未來不同情景下降水集中度汛期與非汛期變化

圖5 不同情景下貴州省降水集中度汛期與非汛期年際變化

未來80年間,不同情景下貴州省汛期與非汛期降水集中度呈上升趨勢(p＜0.05).不同情景下汛期上升幅度比較為RCP4.5＞RCP2.6＞RCP8.5,非汛期上升幅度比較為RCP4.5＞RCP8.5＞RCP2.6(如圖5所示).未來80年間,不同情景下貴州省汛期與非汛期降水集中度變化的空間格局為：汛期僅有RCP8.5情景下南部地區呈下降趨勢,其余地區呈上升趨勢,上升幅度由南部向北部遞增；RCP2.6和RCP4.5情景下上升幅度均由西南部向東北部遞增；不同情景下非汛期全省大部分地區降水集中度呈上升趨勢,RCP2.6情景下上升幅度由西北部向東南部遞增；RCP4.5情景下由西南部和北部向中部和東部遞增,RCP8.5情景下由西部向東部遞增(如圖6所示).

圖6 不同情景下貴州省降水集中度汛期與非汛期變化空間格局

2.4 未來不同情景下降水集中度變化周期特征

小波分析能夠表征降水集中度隨時間變化的周期特征,其中波峰代表變化周期震蕩狀況,峰值對應時間代表變化主周期.RCP2.6情景下貴州省降水集中度變化存在3個尺度的周期震蕩,分別為6 a、36 a和56 a,其中56 a為主周期,經歷一個強-弱-強-弱-強的周期過程；RCP4.5和RCP8.5情景下均存在2個周期的尺度震蕩,分別為6 a和56 a,其中56 a為主周期,經歷一個強-弱-強-弱-強的周期過程(如圖7所示).

圖7 不同情景下貴州省降水集中度變化的周期特征

3 討論與結論

3.1 討論

本研究發現,貴州省RCP8.5情景下降水集中度變化趨勢,與張波等[21]、黃曉亞等[22]對貴州省的研究結果一致,但RCP2.6和RCP4.5情景下降水集中度變化趨勢卻與其研究結果相反,這反映了不同情景下降水集中度變化規律以及過去與未來之間降水集中度變化存在差異.其次,RCP2.6和RCP8.5情景下貴州省降水集中度下降地區與鄭炎輝等對珠江流域(涉及貴州南部)的研究結果[4]較為一致.而RCP4.5情景下的下降區域卻與其存在差異,這說明不同情景下降水集中度變化趨勢的空間格局存在差異.另外,從較大尺度看,全國大部分地區降水集中度呈增加趨勢[8,23-24],這與本研究RCP8.5情景下研究結果相似,但與RCP2.6和RCP4.5情景相反,這反映了降水集中度變化的地域差異.盡管已有學者研究發現降水量與降水集中度之間存在一定的相關性[3,25],但本研究未來3種情景下降水集中度變化與降水量變化相關性不大,即3種情景下降水量均呈增加趨勢[26],但RCP2.6和RCP4.5情景下降水集中度呈下降趨勢,RCP8.5情景呈增加趨勢.為更好地應對未來降水集中度變化對生產生活的影響,貴州省東部應積極做好防澇抗澇工作,積極調整農業生產結構.重點防范夏季的強降雨和暴雨等極端天氣,并根據不同季節降水集中度變化規律地域差異,各區域制定針對性應對策略.城市地區夏季和汛期重點防范內澇,加強城市排水基礎設施建設和規劃.

3.2 結論

RCP2.6和RCP4.5情景下貴州省降水集中度呈下降趨勢,RCP8.5情景呈增加趨勢.東部地區降水集中度呈增加趨勢,西部呈下降趨勢.除夏季外,RCP2.6情景下其他季節的降水集中度均呈下降趨勢；RCP4.5情景下春季和秋季降水集中度呈下降趨勢,而夏季和冬季的降水集中度呈增加趨勢；除秋季外,RCP8.5情景下其他季節的降水集中度均呈下降趨勢.不同情景的四季降水集中度變化趨勢空間格局有所不同.不同情景下汛期與非汛期降水集中度均呈上升趨勢,東部地區是3種情景降水集中度增加幅度較大區域.RCP2.6情景下降水集中度存在3個周期的尺度震蕩,而RCP4.5和RCP8.5情景存在2個周期的尺度震蕩,56 a是3種情景下降水集中度變化的主周期.