夏季降水時空特征統計分析范文
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研究全球變暖背景下的極端天氣氣候事件的發生規律已成為人們關注的重要問題[1],大量的研究已經表明,極端氣候事件對社會穩定、經濟發展和人民生活等各個層面的影響尤為嚴重[2-3],所造成的經濟損失是非常巨大的[2-4]。隨著全球變暖,高緯度地區降水量趨于增多。國外許多專家用各種模式模擬了在溫室氣體濃度加倍情況下未來氣候可能發生的變化,發現極端降水事件雖有較強的區域差異,但各地區的氣候狀態均有向極端化方向發展的趨勢[5-8]。在我國,對于極端降水事件的變化,不少工作者分別針對全國[9-14]、長江流域[15-18]、東北地區[19-21]、西北地區[22-27]、北疆地區[28]等范圍討論了年內或季內極端強降水事件的變化,其中楊金虎[12,23,25]等指出:中國年極端降水事件與年降水量之間存在較好的相關性,尤其夏季極端降水事件與年降水量的相關性最好;西北汛期極端降水事件發生頻次同降水量的空間分布有很大的差異;甘肅省夏季極端強降水量的異常空間分布可分5個關鍵區,并且對各區極端強降水量的表現趨勢和周期做了分析。但對于極端降水事件的頻數、強度的時空分布的變化研究還不多。
甘肅黃土高原區(圖1)是一個傳統的雨養農業區,生態環境系統比較脆弱,由于夏季干旱頻繁發生,小量級的降水對于緩解農業旱情、改善土壤墑情起不到有效作用[27],夏季極端降水的概率雖然不大但會直接威脅到農業生產,給人們生活帶來嚴重的影響。并且隨著全球變暖的持續發展,這種極端氣候事件的出現頻率將會大大增加[29],要注重極端天氣現象的氣候變化研究,特別是不能忽視發生概率較小,但對人類社會生態環境,農業生產影響巨大的現象及其規律。因此,本研究從極端降水的頻數和強度入手,進一步分析甘肅省黃土高原區夏季(6、7、8月)極端降水事件在時間和空間上的演變規律,更詳盡的了解該區夏季發生極端降水事件的變化特征,從而把握主要雨帶隨時間的位置變化,對做好該區農業生產及氣象減災防災方面具有重要意義。
1研究資料與方法
1.1研究區資料選取
甘肅省黃土高原地區(圖1)指甘肅省東部和中南部被連綿黃土覆蓋的廣大地域,為保留行政區劃的完整性,研究區域包括甘肅省轄區內的慶陽、平涼、天水、定西、蘭州、白銀6個市。本研究數據是甘肅省氣象局提供的1961—2009年逐日降水資料,在使用前對各個站點進行了比較嚴格的質量控制,刪除資料序列長度過短或缺測等站點,最終選取了該區32個站點。
1.2研究方法
1.2.1極端降水定義
文中采用目前國際最為流行的百分位法定義了不同臺站極端降水事件的閾值。使用百分位定義極端降水事件,避免了用統一標準(如50mm)的定義方法在干旱、半干旱地區檢測不到極端降水的不足。其具體方法是:把各站1971—2000年6—8月各日的降水資料分別從小到大排序,各月均取第95個百分位所對應日的值,把該對應日30a平均值定義為該月極端降水閾值。研究各月極端降水特征時,分別使用其對應月的極端降水閾值來檢測極端降水事件。某站某日降水量大于等于其對應月極端降水閾值時,則稱為發生一次極端降水事件,某時間段(1個月)發生極端降水事件的次數稱為極端降水頻數,發生極端降水日的降水量之和稱為極端降水量。某時間段極端降水量除以極端降水頻數,稱為極端降水強度。
1.2.2復值Morlet小波分析及小波方差
小波分析是近10a來被引入氣象領域的一種新方法,它不僅可以給出氣候序列變化的尺度,還可以顯示出變化的時間位置。復值Morlet小波用于時間序列的分析時,小波系數實部的變化趨勢與信號的起伏是基本一致的,等值線中心為高低值中心(正小波系數為高值,負小波系數為低值),中心值的大小可以反映出波動的振蕩強度[30]。
小波方差反映了波動的能量隨尺度的分布,可以用來確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度,對應峰值處的尺度即為該序列的主要時間尺度,即主要周期[31]。因此,小波方差提供了一種確定一個時間序列中存在主要周期的客觀而有效的分析方法。
2極端降水閾值的空間分布
圖2A給出了甘肅黃土高原區夏季平均極端降水閾值的空間分布,從圖中可以明顯看出,東南大西北小的特點,閾值最大的站在正寧,為15·45mm,最小的站在景泰,為5·96mm。最大值達到最小值的2·6倍,說明甘肅黃土高原區夏季極端降水閾值的空間差異大。這種空間分布與圖2B夏季降水總量的分布極為相似,即降水量大的區域極端降水閾值大,說明了極端降水與總降水的關系非常密切。
3極端降水的時空變化特征
3.1時間變化特征
3.1.1極端降水頻數的時間變化分析
從圖3極端降水頻數序列的復值Morlet小波變換圖和小波方差圖(圖3)對應可以看出,6月極端降水頻數序列在11a左右的振蕩最為顯著,而且沿著時間序列振蕩越來越強烈,其次是4a周期,出現在近些年但振蕩表現的很微弱;7月極端降水頻數序列在15a左右的振蕩為第一主周期,該周期貫穿于整個時間序列,其次是11a和4a左右的周期;8月極端降水頻數序列在4a時間尺度上的振蕩最顯著,尤其在20世紀70年代和自90年代以來這兩段時間里振蕩較強烈,其次是12a和18a左右的周期。
3.1.2極端降水強度的時間變化分析
由圖4中對應可以看出,6月極端降水強度序列在11a左右的周期振蕩最為明顯,并且貫穿于整個時間序列,其次是4a,主要是自20世紀80年代以來振蕩較明顯;7月極端降水強度序列在12a左右的周期振蕩最顯著,尤其自90年代以來周期振蕩表現的更強烈,其次是8a、4a周期,振蕩分別主要出現在1985年之前、90年代;8月極端降水強度序列在5a時間尺度上的振蕩最明顯,其次是8a、18a左右的周期。
將頻數和強度結合起來看,6、7月極端降水周期較長,8月周期較短:即6、7月極端降水事件發生的主周期是11~12a,8月是4~5a。極端降水頻數和降水強度的11a左右的年代際周期主要受太陽黑子11a準周期的影響,同時也和東亞季風強度變化的11a主要周期一致[32]。4a左右的年際周期主要受東亞季風3~4a和6·5a左右的年際周期變化影響[33]。同時,25a左右的周期表現也很明顯,有待更長時間序列觀測數據的驗證。
3.2空間變化特征
3.2.1總量空間變化特征分析
極端降水量與降水總量的百分比,反映極端降水事件降水量對總降水量的貢獻,也從一定意義上反映極端降水事件對洪澇的貢獻率[34]。圖5為1961—2009年夏季極端降水累積總量空間分布圖,其中夏季極端降水累積總量占夏季降水累積總量(圖2B)的62%。從圖中可以看到它們的總體趨勢具有一致性,即由西北向東南呈逐漸增加的趨勢;同時也存在明顯的空間差異性,極端降水總量較大值主要分布在在隴東東南部地區,分布面積比夏季降水總量較大值分布面積大且集中;同時在岷縣、渭源、臨洮一帶,夏季降水總量較多,但發生極端降水的降水總量卻相對較少。
3.2.2極端降水頻數的空間變化分析
圖6為1961—2009年夏季(6—8月)極端降水事件49a累積頻數的空間分布,很顯然,8月發生頻數最多,7月次之,6月最少。隨著時間的推移(6—8月)頻數在空間分布范圍上不斷擴大。就各月來看,6月發生頻數相對較少,僅僅在個別海拔相對高的山區頻數較多,說明對頻數反映最敏感的是海拔高度。7、8月,隨著季風的加強,頻數開始在天水、秦安、莊浪以及隴東地區表現明顯,且逐漸加強。
3.2.3極端降水強度的空間變化分析
強度是衡量極端降水的另一要素,強度越大越可能造成災害。圖7為夏季(6—8月)極端降水事件49a累積強度的空間分布,很明顯:6月強度最弱,8月較強,7月最強且自西向東空間差異性最大;就各個月來說,6月極端降水強度最小值發生在烏鞘嶺以東的景泰、永登一帶,相對較大值主要發生在天水、清水附近地區,另外還有正寧、渭源強度也較大;7、8月的極端最大降水強度分布具有空間一致性,主要在莊浪、秦安、天水一線以東地區,尤其是隴東地區的東南部。
綜上所述,極端降水頻數與強度在空間上基本具有一致性,東、中部多西部少。東亞夏季風對我國降水的影響主要位于100°E以東的地區[35],而該區正好處于東亞季風影響區內,每年的降水分布,降水帶移動及其帶來的洪澇災害就是受夏季風控制;同時全年水汽輸送主要來自與其南面相鄰的青藏高原上空的西南暖濕氣流和川陜東南部的東南暖濕氣流,此外,作為東亞夏季風系統主要成員之一的西太平洋副熱帶高壓,其西南側的東南風水汽輸送在強夏季風年也可以到達。隨著夏季風的進退,受地形影響,該區極端降水帶移動在頻數和強度上由西向東表現為:大致以莊浪、秦安、天水一線為界,6月頻數和強度大值區在這一線以西,海拔相對高的山區,7—8月在以東地區,尤其是隴東地區的東南部。為了避免災害的發生可以再相應的時間和地區做好防范準備。
4極端降水的頻數和強度的趨勢變化
圖8為1961—2009年夏季(6—8月)極端降水事件49a累積頻數和累積強度圖,可以看出,6月極端降水頻數和強度都明顯呈上升趨勢;7月極端降水頻數和強度都呈下降趨勢;8月極端降水頻數呈下降趨勢,強度呈微弱上升趨勢。這與全國持續1d極端事件的相對頻數具有上升趨勢而平均強度具有下降趨勢[9]有些差異。另外,運用Mann-Kendall突變檢驗法對極端降水的頻數和強度進行檢測,結果沒有通過檢驗,突變不顯著。
5結論與討論
本研究借助ArcGIS(9.X)和Matlab7·0數據軟件平臺,采用復值Morlet小波分析及小波方差分析了甘肅黃土高原區1961—2009年夏季極端降水的頻數和強度時空變化特征,初步可以得出以下結論:
1)從時間尺度來看,該區夏季極端降水頻數6—8月第一主周期分別為11a、15a、4a;其次在不同的時段內還存在12a、18a的周期振蕩;極端降水強度在6—8月分別以11a、12a、5a的周期振蕩表現的比較顯著,其次為4a、8a、18a的周期振蕩。將頻數和強度結合起來看,6、7月極端降水周期較長,8月周期較短:即6、7月極端降水事件發生的主周期是11~12a,8月是4~5a。這可能分別受太陽黑子和ENSO周期的影響,其中ENSO是通過影響東亞季風年際周期來影響降水的。
2)從空間尺度來看,該區夏季極端降水帶移動由西向東表現為:大致以莊浪、秦安、天水一線為界,6月頻數和強度大值區在這一線以西,海拔相對高的山區,而7、8月在以東地區,尤其是隴東地區的東南部。
3)近50a來,夏季極端降水頻數和強度的總體走勢為:6月極端降水頻數和強度都明顯呈上升趨勢;7月極端降水頻數和強度都呈下降趨勢;8月極端降水頻數呈下降趨勢,強度呈微弱上升趨勢;同時,極端降水的頻數和強度,在20世紀80年代沒有發生明顯突變。探討全球變暖背景下中國西部地區氣候變化的研究考慮在以下兩個方面:一是加強未來氣候變化預測研究,在全球進一步變暖的情況下,研究我國西部未來最可能的區域氣候變化趨勢。二是注重區域異常或極端天氣現象的氣候變化研究,特別是不能忽視那些發生幾率較小,但對人類社會、生態、經濟影響巨大的現象及其規律[36]。本研究對甘肅黃土高原區夏季極端降水來對氣候變化進行研究,得到了該區夏季極端降水事件的一些時空特征。其中對甘肅黃土高原區夏季極端降水頻數和強度研究得到的周期與前人研究甘肅地區乃至西北地區降水量的周期很相近,說明了極端降水對降水量的貢獻不僅僅表現在總降水量上,還表現在頻數和強度上。極端降水事件的發生隨機性大,突發性強,損害性大對于農業氣候有很大的沖擊,會直接影響農作物生育,造成其產量不穩定,希望本研究中主要雨帶隨時間的位置變化,能對該區農業生產及氣象減災防災方面具有一定的參考價值。另外,從夏季極端降水頻數和強度的總體走勢來看,該區夏季極端降水頻數在時間上會不會有提前的趨勢?這還需要進一步的研究驗證。