夏季降水时空特征统计分析范文

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研究全球变暖背景下的极端天气气候事件的发生规律已成为人们关注的重要问题[1],大量的研究已经表明,极端气候事件对社会稳定、经济发展和人民生活等各个层面的影响尤为严重[2-3],所造成的经济损失是非常巨大的[2-4]。随着全球变暖,高纬度地区降水量趋于增多。国外许多专家用各种模式模拟了在温室气体浓度加倍情况下未来气候可能发生的变化,发现极端降水事件虽有较强的区域差异,但各地区的气候状态均有向极端化方向发展的趋势[5-8]。在我国,对于极端降水事件的变化,不少工作者分别针对全国[9-14]、长江流域[15-18]、东北地区[19-21]、西北地区[22-27]、北疆地区[28]等范围讨论了年内或季内极端强降水事件的变化,其中杨金虎[12,23,25]等指出:中国年极端降水事件与年降水量之间存在较好的相关性,尤其夏季极端降水事件与年降水量的相关性最好;西北汛期极端降水事件发生频次同降水量的空间分布有很大的差异;甘肃省夏季极端强降水量的异常空间分布可分5个关键区,并且对各区极端强降水量的表现趋势和周期做了分析。但对于极端降水事件的频数、强度的时空分布的变化研究还不多。

甘肃黄土高原区(图1)是一个传统的雨养农业区,生态环境系统比较脆弱,由于夏季干旱频繁发生,小量级的降水对于缓解农业旱情、改善土壤墒情起不到有效作用[27],夏季极端降水的概率虽然不大但会直接威胁到农业生产,给人们生活带来严重的影响。并且随着全球变暖的持续发展,这种极端气候事件的出现频率将会大大增加[29],要注重极端天气现象的气候变化研究,特别是不能忽视发生概率较小,但对人类社会生态环境,农业生产影响巨大的现象及其规律。因此,本研究从极端降水的频数和强度入手,进一步分析甘肃省黄土高原区夏季(6、7、8月)极端降水事件在时间和空间上的演变规律,更详尽的了解该区夏季发生极端降水事件的变化特征,从而把握主要雨带随时间的位置变化,对做好该区农业生产及气象减灾防灾方面具有重要意义。

1研究资料与方法

1.1研究区资料选取

甘肃省黄土高原地区(图1)指甘肃省东部和中南部被连绵黄土覆盖的广大地域,为保留行政区划的完整性,研究区域包括甘肃省辖区内的庆阳、平凉、天水、定西、兰州、白银6个市。本研究数据是甘肃省气象局提供的1961—2009年逐日降水资料,在使用前对各个站点进行了比较严格的质量控制,删除资料序列长度过短或缺测等站点,最终选取了该区32个站点。

1.2研究方法

1.2.1极端降水定义

文中采用目前国际最为流行的百分位法定义了不同台站极端降水事件的阈值。使用百分位定义极端降水事件,避免了用统一标准(如50mm)的定义方法在干旱、半干旱地区检测不到极端降水的不足。其具体方法是:把各站1971—2000年6—8月各日的降水资料分别从小到大排序,各月均取第95个百分位所对应日的值,把该对应日30a平均值定义为该月极端降水阈值。研究各月极端降水特征时,分别使用其对应月的极端降水阈值来检测极端降水事件。某站某日降水量大于等于其对应月极端降水阈值时,则称为发生一次极端降水事件,某时间段(1个月)发生极端降水事件的次数称为极端降水频数,发生极端降水日的降水量之和称为极端降水量。某时间段极端降水量除以极端降水频数,称为极端降水强度。

1.2.2复值Morlet小波分析及小波方差

小波分析是近10a来被引入气象领域的一种新方法,它不仅可以给出气候序列变化的尺度,还可以显示出变化的时间位置。复值Morlet小波用于时间序列的分析时,小波系数实部的变化趋势与信号的起伏是基本一致的,等值线中心为高低值中心(正小波系数为高值,负小波系数为低值),中心值的大小可以反映出波动的振荡强度[30]。

小波方差反映了波动的能量随尺度的分布,可以用来确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度,对应峰值处的尺度即为该序列的主要时间尺度,即主要周期[31]。因此,小波方差提供了一种确定一个时间序列中存在主要周期的客观而有效的分析方法。

2极端降水阈值的空间分布

图2A给出了甘肃黄土高原区夏季平均极端降水阈值的空间分布,从图中可以明显看出,东南大西北小的特点,阈值最大的站在正宁,为15·45mm,最小的站在景泰,为5·96mm。最大值达到最小值的2·6倍,说明甘肃黄土高原区夏季极端降水阈值的空间差异大。这种空间分布与图2B夏季降水总量的分布极为相似,即降水量大的区域极端降水阈值大,说明了极端降水与总降水的关系非常密切。

3极端降水的时空变化特征

3.1时间变化特征

3.1.1极端降水频数的时间变化分析

从图3极端降水频数序列的复值Morlet小波变换图和小波方差图(图3)对应可以看出,6月极端降水频数序列在11a左右的振荡最为显著,而且沿着时间序列振荡越来越强烈,其次是4a周期,出现在近些年但振荡表现的很微弱;7月极端降水频数序列在15a左右的振荡为第一主周期,该周期贯穿于整个时间序列,其次是11a和4a左右的周期;8月极端降水频数序列在4a时间尺度上的振荡最显著,尤其在20世纪70年代和自90年代以来这两段时间里振荡较强烈,其次是12a和18a左右的周期。

3.1.2极端降水强度的时间变化分析

由图4中对应可以看出,6月极端降水强度序列在11a左右的周期振荡最为明显,并且贯穿于整个时间序列,其次是4a,主要是自20世纪80年代以来振荡较明显;7月极端降水强度序列在12a左右的周期振荡最显著,尤其自90年代以来周期振荡表现的更强烈,其次是8a、4a周期,振荡分别主要出现在1985年之前、90年代;8月极端降水强度序列在5a时间尺度上的振荡最明显,其次是8a、18a左右的周期。

将频数和强度结合起来看,6、7月极端降水周期较长,8月周期较短:即6、7月极端降水事件发生的主周期是11~12a,8月是4~5a。极端降水频数和降水强度的11a左右的年代际周期主要受太阳黑子11a准周期的影响,同时也和东亚季风强度变化的11a主要周期一致[32]。4a左右的年际周期主要受东亚季风3~4a和6·5a左右的年际周期变化影响[33]。同时,25a左右的周期表现也很明显,有待更长时间序列观测数据的验证。

3.2空间变化特征

3.2.1总量空间变化特征分析

极端降水量与降水总量的百分比,反映极端降水事件降水量对总降水量的贡献,也从一定意义上反映极端降水事件对洪涝的贡献率[34]。图5为1961—2009年夏季极端降水累积总量空间分布图,其中夏季极端降水累积总量占夏季降水累积总量(图2B)的62%。从图中可以看到它们的总体趋势具有一致性,即由西北向东南呈逐渐增加的趋势;同时也存在明显的空间差异性,极端降水总量较大值主要分布在在陇东东南部地区,分布面积比夏季降水总量较大值分布面积大且集中;同时在岷县、渭源、临洮一带,夏季降水总量较多,但发生极端降水的降水总量却相对较少。

3.2.2极端降水频数的空间变化分析

图6为1961—2009年夏季(6—8月)极端降水事件49a累积频数的空间分布,很显然,8月发生频数最多,7月次之,6月最少。随着时间的推移(6—8月)频数在空间分布范围上不断扩大。就各月来看,6月发生频数相对较少,仅仅在个别海拔相对高的山区频数较多,说明对频数反映最敏感的是海拔高度。7、8月,随着季风的加强,频数开始在天水、秦安、庄浪以及陇东地区表现明显,且逐渐加强。

3.2.3极端降水强度的空间变化分析

强度是衡量极端降水的另一要素,强度越大越可能造成灾害。图7为夏季(6—8月)极端降水事件49a累积强度的空间分布,很明显:6月强度最弱,8月较强,7月最强且自西向东空间差异性最大;就各个月来说,6月极端降水强度最小值发生在乌鞘岭以东的景泰、永登一带,相对较大值主要发生在天水、清水附近地区,另外还有正宁、渭源强度也较大;7、8月的极端最大降水强度分布具有空间一致性,主要在庄浪、秦安、天水一线以东地区,尤其是陇东地区的东南部。

综上所述,极端降水频数与强度在空间上基本具有一致性,东、中部多西部少。东亚夏季风对我国降水的影响主要位于100°E以东的地区[35],而该区正好处于东亚季风影响区内,每年的降水分布,降水带移动及其带来的洪涝灾害就是受夏季风控制;同时全年水汽输送主要来自与其南面相邻的青藏高原上空的西南暖湿气流和川陕东南部的东南暖湿气流,此外,作为东亚夏季风系统主要成员之一的西太平洋副热带高压,其西南侧的东南风水汽输送在强夏季风年也可以到达。随着夏季风的进退,受地形影响,该区极端降水带移动在频数和强度上由西向东表现为:大致以庄浪、秦安、天水一线为界,6月频数和强度大值区在这一线以西,海拔相对高的山区,7—8月在以东地区,尤其是陇东地区的东南部。为了避免灾害的发生可以再相应的时间和地区做好防范准备。

4极端降水的频数和强度的趋势变化

图8为1961—2009年夏季(6—8月)极端降水事件49a累积频数和累积强度图,可以看出,6月极端降水频数和强度都明显呈上升趋势;7月极端降水频数和强度都呈下降趋势;8月极端降水频数呈下降趋势,强度呈微弱上升趋势。这与全国持续1d极端事件的相对频数具有上升趋势而平均强度具有下降趋势[9]有些差异。另外,运用Mann-Kendall突变检验法对极端降水的频数和强度进行检测,结果没有通过检验,突变不显著。

5结论与讨论

本研究借助ArcGIS(9.X)和Matlab7·0数据软件平台,采用复值Morlet小波分析及小波方差分析了甘肃黄土高原区1961—2009年夏季极端降水的频数和强度时空变化特征,初步可以得出以下结论:

1)从时间尺度来看,该区夏季极端降水频数6—8月第一主周期分别为11a、15a、4a;其次在不同的时段内还存在12a、18a的周期振荡;极端降水强度在6—8月分别以11a、12a、5a的周期振荡表现的比较显著,其次为4a、8a、18a的周期振荡。将频数和强度结合起来看,6、7月极端降水周期较长,8月周期较短:即6、7月极端降水事件发生的主周期是11~12a,8月是4~5a。这可能分别受太阳黑子和ENSO周期的影响,其中ENSO是通过影响东亚季风年际周期来影响降水的。

2)从空间尺度来看,该区夏季极端降水带移动由西向东表现为:大致以庄浪、秦安、天水一线为界,6月频数和强度大值区在这一线以西,海拔相对高的山区,而7、8月在以东地区,尤其是陇东地区的东南部。

3)近50a来,夏季极端降水频数和强度的总体走势为:6月极端降水频数和强度都明显呈上升趋势;7月极端降水频数和强度都呈下降趋势;8月极端降水频数呈下降趋势,强度呈微弱上升趋势;同时,极端降水的频数和强度,在20世纪80年代没有发生明显突变。探讨全球变暖背景下中国西部地区气候变化的研究考虑在以下两个方面:一是加强未来气候变化预测研究,在全球进一步变暖的情况下,研究我国西部未来最可能的区域气候变化趋势。二是注重区域异常或极端天气现象的气候变化研究,特别是不能忽视那些发生几率较小,但对人类社会、生态、经济影响巨大的现象及其规律[36]。本研究对甘肃黄土高原区夏季极端降水来对气候变化进行研究,得到了该区夏季极端降水事件的一些时空特征。其中对甘肃黄土高原区夏季极端降水频数和强度研究得到的周期与前人研究甘肃地区乃至西北地区降水量的周期很相近,说明了极端降水对降水量的贡献不仅仅表现在总降水量上,还表现在频数和强度上。极端降水事件的发生随机性大,突发性强,损害性大对于农业气候有很大的冲击,会直接影响农作物生育,造成其产量不稳定,希望本研究中主要雨带随时间的位置变化,能对该区农业生产及气象减灾防灾方面具有一定的参考价值。另外,从夏季极端降水频数和强度的总体走势来看,该区夏季极端降水频数在时间上会不会有提前的趋势?这还需要进一步的研究验证。