近50年浙江沿海地區(qū)降水變化特征分析

黃丹丹, 王天陽, 李鳳全, 楊曜莉

(浙江師范大學 地理與環(huán)境科學學院,浙江 金華 321004)

0 引 言

20世紀以來,全球及區(qū)域降水的變化對人類的生產生活影響深遠,降水研究已成為諸多學者關注的焦點[1-3],而沿海地區(qū)作為海陸交替的邊緣,更易受到極端氣候的影響.

浙江沿海地區(qū)位于中國東南沿海長江三角洲南翼,是經濟、科技和文化發(fā)達地區(qū),同時又在長江流域雨帶和華南雨帶之間,常受熱帶氣旋影響,加之地勢較低,是我國主要的氣象災害風險區(qū)和環(huán)境脆弱區(qū).沿海地區(qū)降水事件的變化規(guī)律引起眾多學者的廣泛關注.如Zhai等[4]、周娟等[5]均指出,我國東南沿海地區(qū)降水呈現(xiàn)增多趨勢;王葉紅等[6]指出,長江中下游在20世紀50年代、20世紀80—90年代為多雨期,20世紀60—70年代為少雨期;王可欣等[7]指出,近50年浙江省年平均降水量整體呈現(xiàn)波動上升趨勢,氣候傾向率為37.07 mm·(10 a)-1,多雨年和少雨年交替出現(xiàn),且降水主要集中在春季和夏季.

以往對于浙江降水規(guī)律研究以全省的降水量變化共性分析為主,涉及沿海地區(qū)降水變化特征的詳細研究較少.本文基于浙江省7個沿海城市的38個氣象站點的日值數(shù)據(jù),采用線性分析、距平分析、滑動平均、M-K(Mann-Kendall的簡稱)檢驗等方法,開展降水的年際變化特征分析,以期為浙江沿海地區(qū)防災減災、海岸資源管理等提供科學參考.

1 研究區(qū)概況

浙江沿海和島嶼位于浙江省東部地區(qū),東經118°01′～123°10′,北緯27°02′～31°11′,北鄰上海市,南接福建省,海岸帶和海島涉及的主要行政區(qū)有：杭州市、嘉興市、舟山市、寧波市、紹興市、臺州市、溫州市7個地級市.該地區(qū)為亞熱帶季風氣候,四季分明,年氣溫適中,降水充沛,年降水量為1 600 mm左右,雨熱季節(jié)變化同步,氣象災害繁多.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用中國氣象局整編的1971—2020年浙江沿海地區(qū)38個站點的逐日降水數(shù)據(jù)資料(前一日20：00至當日20：00的累積降水).本次研究的季節(jié)劃分為：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(當年12月—翌年2月).由于浙江沿海地區(qū)氣象站點眾多,基于數(shù)據(jù)的完整性和站點分布盡可能均勻及本文研究工作的針對性考慮,選取其中38個站點(見圖1(a))的逐日降水資料進行研究.

注：基于自然資源部標準地圖服務網審圖號為GS(2019)1822號標準地圖制作,底圖邊界無修改

2.2 研究方法

GIS分組分析[8](grouping analysis)是根據(jù)要素屬性和可選的空間/時態(tài)約束對要素進行分組,是聚類分析的一種常用工具,通常用于地理空間的類型劃分.該方法兼顧了研究對象的屬性因素和空間特征進行綜合聚類分析,通過給定創(chuàng)建的組數(shù),并設定分析屬性字段和空間約束條件,使得每個組內要素保持最大相似性,同時組間要素保持最大差異性,其中,分組有效性用偽F統(tǒng)計量測算.因此,本文利用ArcGIS軟件的分組分析工具對浙江沿海地區(qū)38個氣象監(jiān)測站點的多年平均降水量進行分組聚類分析,依據(jù)聚類結果將研究區(qū)域劃分三大片區(qū),分別為北部沿海地區(qū)、中部沿海地區(qū)及南部沿海地區(qū)(見圖1(b)).與此同時,本文分別運用線性傾向估計法、滑動平均法分析浙江沿海地區(qū)降水的年代際及季節(jié)的變化趨勢,運用M-K法分析降水的突變特征[9].

3 浙江沿海地區(qū)降水特征

3.1 降水量年代際變化特征

根據(jù)浙江沿海地區(qū)1971—2020年38個氣象站點的逐日降水數(shù)據(jù)資料,分別計算得到浙江北部、中部和南部沿海地區(qū)各年代的降水量距平,具體見表1～表3.

3.1.1 浙江北部沿海地區(qū)降水量年代際變化特征

50年來,浙江北部沿海地區(qū)降水的年代際變化明顯,總體表現(xiàn)出少→多→少→多的變化過程(見表1).20世紀70年代、20世紀80年代和21世紀00年代為負距平,屬于少雨期; 20世紀90年代和2010—2020年為正距平,屬于豐沛期.其中20世紀70年代負距平最大,2010—2020年正距平最大.

各季節(jié)的降水量年代際變化趨勢有所不同.春季降水量的年代際變化呈現(xiàn)少→多→少→多的趨勢.20世紀70年代為負距平,20世紀80年代、20世紀90年代為正距平,21世紀00年代的負距平值最大,2010年以后接近平均值,降水較前一年代有所增加.夏季降水量的年代際變化總體也呈現(xiàn)出少→多→少→多的趨勢.20世紀70年代、20世紀80年代均為負距平;20世紀90年代轉為正距平,21世紀00年代又轉為負距平,2010年后出現(xiàn)降水量最大正距平(112.53 mm).秋季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)多→少→多的趨勢.20世紀70年代、20世紀80年代為正距平,20世紀90年代出現(xiàn)降水量的最大負距平,且持續(xù)到21世紀00年代,均屬少雨期;2010—2020年降水量增加明顯,且出現(xiàn)最大正距平.冬季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出少→多的趨勢.20世紀70—90年代均為負距平,屬少雨期;進入21世紀降水量開始增加,均為正距平,為豐沛期;最低值出現(xiàn)在20世紀80年代,最高值出現(xiàn)在21世紀00年代.

表1 浙江北部沿海地區(qū)年及季節(jié)降水量距平的年代際變化 單位：mm

3.1.2 浙江中部沿海地區(qū)降水量年代際變化特征

50年來,浙江中部沿海地區(qū)降水年代際變化明顯,總體表現(xiàn)出少→多→少→多的變化過程(見表2).20世紀70—80年代和21世紀00年代均為負距平,屬于少雨期;20世紀90年代和2010—2020年均為正距平,屬豐沛期;其中,21世紀00年代負距平值最大,2010—2020年正距平最大.

各季節(jié)的降水量年代際的變化趨勢也有所不同.春季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出多→少→多的趨勢.20世紀70—90年代的降水量為正距平,21世紀00年代的負距平值最大,2010年以后為正距平.夏季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出少→多→少→多的趨勢.20世紀70—80年代為負距平,20世紀90年代為正距平,21世紀00年代降水量為負距平,2010—2020年的正距平值最大.秋季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)多→少→多的趨勢.20世紀70—80年代為正距平,20世紀90年代—21世紀00年代為負距平,2010—2020年為正距平.冬季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出少→多的趨勢.20世紀70—90年代均為負距平,進入21世紀后降水量開始增加,均為正距平.

表2 浙江中部沿海地區(qū)年及季節(jié)降水量距平的年代際變化 單位：mm

表3 浙江南部沿海地區(qū)年及季節(jié)降水量距平的年代際變化 單位：mm

3.1.3 浙江南部沿海地區(qū)降水量年代際變化特征

50年來,浙江南部沿海地區(qū)降水的年代際變化明顯,總體表現(xiàn)出少→多的變化過程(見表3).20世紀70—80年代為負距平,屬少雨期;20世紀90年代—2020年為正距平,屬豐沛期.其中,20世紀70年代的負距平最大,2010—2020年的正距平最大.

各季節(jié)降水量的年代際變化趨勢也有所不同.春季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出多→少的趨勢.20世紀70—90年代均為正距平,進入21世紀以后均為負距平.夏季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出少→多→少的趨勢.20世紀70—80年代為負距平,20世紀90年代—21世紀00年代均為正距平,2010—2020年為負距平.秋季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出少→多→少→多的趨勢.20世紀70年代、20世紀90年代和21世紀00年代為負距平,20世紀80年代和2010—2020年為正距平.冬季降水量的年代際變化總體呈現(xiàn)出少→多的趨勢.21世紀以前均為負距平,進入21世紀后降水量開始增加,均為正距平.

3.2 降水量長期變化特征

基于1971—2020年浙江沿海地區(qū)的日值降水數(shù)據(jù),計算并繪制1971—2020年浙江沿海地區(qū)年降水量變化曲線及11 a滑動平均曲線(見圖2).

浙江北部沿海地區(qū)50 a平均降水量為1 232.28 mm,最大降水量為1 653.52 mm(2018年),最小降水量為747.27 mm(2003年),其比值為2.21,年際變化較大.由圖2(a)可以看出,研究時段北部沿海地區(qū)降水量年際變化的上升趨勢顯著(r=0.409,P<0.05),年際變化傾向率為64.86 mm·(10 a)-1.11 a滑動平均結果表現(xiàn)為降水量先波動上升,在2003年前后下降,后又一直呈現(xiàn)上升趨勢.

浙江中部沿海地區(qū)50 a平均降水量為1 469.92 mm,最大降水量為1 916.69 mm(2012年),最小降水量為1 004.46 mm(2003年),其比值為1.91,年際差異較大.由圖2(b)可以看出,研究時段中部沿海地區(qū)降水量年際變化的上升趨勢顯著(r=0.286,P<0.05),年際變化傾向率為40.54 mm·(10 a)-1.11 a滑動平均結果表現(xiàn)為降水量先波動上升,在2003年前后有所下降,后又一直呈現(xiàn)上升趨勢.

浙江南部沿海地區(qū)50 a平均降水量為1 727.64 mm,最大降水量為2 311.93 mm(1990年),最小降水量為1 159.36 mm(1971年),其比值為1.99,該地區(qū)氣候濕潤.由圖2(c)可以看出,研究時段南部沿海地區(qū)降水量年際變化的上升趨勢不顯著(r=0.060,P>0.05),年際變化傾向率為11.4 mm·(10 a)-1.11 a滑動平均結果表現(xiàn)為降水量波動上升的趨勢.

圖2 1971—2020年浙江沿海地區(qū)年降水量變化及趨勢

3.3 降水量突變分析

圖3是浙江沿海地區(qū)降水量的M-K統(tǒng)計量曲線.通過M-K突變檢驗法結合圖3可知,浙江北部、中部和南部地區(qū)年降水的曲線UF和曲線UB在±1.96臨界值之間(通過了P=0.05的顯著性水平檢驗)均有顯著的交點(此交點對應的時刻為突變開始的時間).

由圖3(a)可知,浙江北部沿海地區(qū)年降水量除了在1978年左右為下降趨勢外,其余年份均呈現(xiàn)上升趨勢.另外,UF和UB曲線在2013年前后相交,表明2013年為年降水量的突變開始年份,且2013年以后,降水量明顯增加.

圖3 1971—2020年浙江沿海地區(qū)年降水量M-K統(tǒng)計量圖

浙江中部沿海地區(qū)M-K統(tǒng)計量曲線(見圖3(b))顯示,20世紀70年代、20世紀90年代—21世紀初、2010年之后UF值大于0,說明這些時間降水量呈上升趨勢,其余研究時間段UF值小于0.說明這些時段降水量均呈現(xiàn)下降趨勢,且在1973年和2012年左右均存在交點,表明此時段是突變點,降水量顯著增加.

浙江南部沿海地區(qū)M-K統(tǒng)計量曲線(見圖3(c))顯示,除了1976—1987年期間UF小于0外(說明降水呈現(xiàn)下降趨勢),其他大部分年份均是呈現(xiàn)上升趨勢.且在1972年前后、1985年左右均存在多個突變點,表明此時段降水量年際震蕩顯著.

3.4 極端降水變化特征

采用百分位閾值法計算浙江沿海地區(qū)極端降水閾值,將1971—2020年共計38個站點的逐日有效降水量(24 h降水量大于5 mm),按北部、中部和南部沿海地區(qū)進行歸類,并分別按升序排序,第95百分位值對應的降水量(北部沿海地區(qū)42.47 mm,中部沿海地區(qū)35.12 mm,南部沿海地區(qū)42.47 mm)即為極端降水事件的閾值.根據(jù)極端降水閾值繪制1971—2020年浙江沿海地區(qū)極端降水強度的變化及極端降水天數(shù)變化趨勢如圖4所示.

圖4(a)為1971—2020年浙江北部沿海地區(qū)極端降水變化趨勢,結果表明,北部沿海地區(qū)平均極端降水強度為219.93 mm,總體呈現(xiàn)上升趨勢,氣候傾向率為46.94 mm·(10 a)-1.從11 a滑動平均變化趨勢可以看出,北部沿海地區(qū)在20世紀前期極端降水強度一直波動上升,21世紀初開始有下降趨勢,21世紀10年代后又快速上升.圖4(b)為1971—2020年浙江北部沿海地區(qū)極端降水天數(shù)變化趨勢,結果表明,多年平均極端降水天數(shù)為3.6 d,總體呈現(xiàn)上升趨勢,氣候傾向率為0.63 mm·(10 a)-1.從11 a滑動平均變化趨勢可得,北部沿海地區(qū)在20世紀 90年代初期和2015年后極端降水天數(shù)大于平均值,而在20世紀70年代、20世紀80年代和21世紀初極端降水天數(shù)較少.綜上,50年來浙江北部沿海地區(qū)極端降水強度總體呈現(xiàn)增加趨勢,20世紀70年代、20世紀80年代極端降水事件較少,20世紀90年代極端降水事件增加,進入21世紀后極端降水事件呈現(xiàn)下降趨勢,在2015年前后呈現(xiàn)極端降水事件的頻率和強度開始呈上升趨勢.

圖4 1971—2020年浙江沿海地區(qū)極端降水強度和極端降水天數(shù)變化及趨勢

圖4(c)為1971—2020年浙江中部沿海地區(qū)極端降水變化趨勢,由圖4(c)可以看出,中部沿海地區(qū)平均極端降水強度為211.37 mm,總體呈現(xiàn)上升趨勢,氣候傾向率為45.63 mm·(10 a)-1.從11 a滑動平均曲線可以看出,中部沿海地區(qū)在20世紀90年代中期之前極端降水強度一直呈現(xiàn)波動上升趨勢,20世紀90年代中期以后呈現(xiàn)下降趨勢,進入21世紀初期后極端降水強度又開始呈現(xiàn)波動上升趨勢.圖4(d)為1971—2020年浙江中部沿海地區(qū)極端降水天數(shù)變化趨勢,結果表明,多年平均極端降水天數(shù)為4.3 d,總體呈現(xiàn)上升趨勢,氣候傾向率為0.79 mm·(10 a)-1.從11 a滑動平均曲線的變化趨勢中可以看出,中部沿海地區(qū)在20世紀80年代、20世紀90年代中后期和2005年以后極端降水天數(shù)大于平均值,而在20世紀70年代和21世紀00年代初期極端降水天數(shù)較少.綜上,50年來浙江中部沿海地區(qū)極端降水強度總體呈現(xiàn)增加趨勢,20世紀70年代極端降水事件較少,20世紀80—90年代極端降水事件增加,進入21世紀初期極端降水事件呈現(xiàn)下降趨勢,在2005年前后又呈現(xiàn)出極端降水事件的頻率和強度開始上升趨勢.

圖4(e)為1971—2020年浙江南部沿海地區(qū)極端降水變化趨勢,結果表明,南部沿海地區(qū)平均極端降水強度為312.38 mm,總體呈現(xiàn)上升趨勢,氣候傾向率為9.27 mm·(10 a)-1.從11 a滑動平均曲線的變化趨勢中可知,南部沿海地區(qū)極端降水強度在20世紀70年代呈現(xiàn)下降趨勢,此后一直呈現(xiàn)波動上升趨勢.圖4(f)為1971—2020年浙江南部沿海地區(qū)極端降水天數(shù)變化趨勢,結果表明,多年平均極端降水天數(shù)為4.5 d,總體呈現(xiàn)上升趨勢,氣候傾向率為0.19 mm·(10 a)-1.從11 a滑動平均曲線的變化趨勢中可知,南部沿海地區(qū)在1988年至2007年前后極端降水天數(shù)大于平均值,而在20世紀70—80年代初期、2010年后極端降水天數(shù)較少.綜上,50年來浙江南部沿海地區(qū)極端降水強度總體呈現(xiàn)增加趨勢,20世紀70年代至21世紀前期極端降水事件較少,在2003年前后至2013年出現(xiàn)極端降水事件的頻率和強度開始呈上升趨勢,2013年后極端降水事件又呈現(xiàn)下降趨勢.

4 熱帶氣旋對浙江沿海地區(qū)降水變化的影響分析

氣旋性降水是沿海地區(qū)最為頻繁的自然災害,其帶來的短時極端降水危害嚴重.根據(jù)對中國氣象局熱帶氣旋資料中心(http：//tcdata.typhoon.org.cn)提供的數(shù)據(jù)資料分析發(fā)現(xiàn),1949—2022年登陸我國浙江的熱帶氣旋為79個,年平均值為1.06個[10-11].本文討論的熱帶氣旋指中心最大風速大于10.8 m/s(熱帶低壓及以上)的熱帶氣旋,表4給出了1971—2020年登陸浙江沿海地區(qū)的熱帶氣旋的頻數(shù)統(tǒng)計,平均每年1.12個,年代際變化明顯.這與前文中浙江沿海地區(qū)的極端降水強度和天數(shù)均呈上升趨勢的結果有一定的對應關系.結合歷年浙江省臺風登陸路徑資料可以看出,登陸地點集中于中南部沿海城市,尤其是臺州和溫州[12-13],這很好地解釋了前文中有關浙江南部沿海地區(qū)20世紀70—80年代降水突變后顯著增加的現(xiàn)象.20世紀00年代中期,第0509號強臺風“麥莎”和第0608號超強臺風“桑美”從浙江溫州正面登陸,帶來了特大暴雨,因此,南部地區(qū)極端降水強度和極端降水天數(shù)的數(shù)值居高位.21世紀,在浙江沿海登陸的臺風共計31個,其中出現(xiàn)強臺風及超強臺風的頻次大幅增多.這也和前文中分析得到的進入21世紀后3區(qū)的極端降水事件的頻率增多相符.

表4 1971—2020年登陸浙江地區(qū)熱帶氣旋次數(shù)統(tǒng)計表 單位：個

5 結論與討論

利用浙江沿海地區(qū)38個氣象站點1971—2020年的逐日降水資料,采用線性回歸、滑動平均、M-K突變分析等方法,分別對浙江北部、中部和南部沿海地區(qū)的降水變化特征進行分析,得到以下主要結論：

1)1971—2020年,浙江沿海地區(qū)的降水量、極端降水強度及極端降水天數(shù)總體均呈現(xiàn)上升趨勢,特別是進入21世紀后3區(qū)出現(xiàn)極端降水事件的頻率增多.

2)從降水量的年代際變化來看,浙江北部和中部地區(qū)降水量總體均呈現(xiàn)少→多→少→多的變化過程,而南部沿海地區(qū)總體表現(xiàn)出少→多的變化過程;從季節(jié)來看,3區(qū)除冬季均呈現(xiàn)出少→多的趨勢外,其他3個季節(jié)降水變化差異顯著.

3)浙江北部沿海地區(qū)在2013年降水量開始突變后增加;中部沿海地區(qū)在1973年、2012年降水量開始突變后增加;南部沿海地區(qū)在多個年份存在突變點,并且降水量在20世紀70年代中期、20世紀80年代中期多次突變后顯著增加.

4)浙江沿海地區(qū)的極端降水分布規(guī)律受臺風影響尤為突出,特別是中南部沿海地區(qū);在進入21世紀后,3區(qū)的極端降水頻率增多.