1960-2011年陕西省汛期降水变化特征分析

1960-2011年陕西省汛期降水变化特征分析

1降水日变化及降水特征全球变化导致全球降水结构发生了显著变化，其频率和强度的发展特征值得关注，尤其是在研究极端强降水变化时。受资料的限制,研究主要侧重于利用长时间序列的日、月、年尺度上的降水资料研究其时空分布特征及变化趋势。但是,许多水文过程、土壤侵蚀和城市排水等都需要更短时间尺度上的降水资料来刻画。根据Clausius-Clapeyron方程,全球气候模式中气温每增加1℃,极端日降水量增加7%,而Lenderinketal分析表明,在荷兰当日平均气温>12℃时,气温每增加1℃,极端小时降水量增加14%。由此可知,由逐时降水资料提取的短时强降水的增加速率可能大于由日降水资料提取的极端降水增加速率。近年,随着逐时降水资料的获得,国内外有关降水日变化及成因、短时降水的变化趋势等研究也日趋深入。Yuetal基于1961-2004年中国台站自动观测降水资料分析了中国大陆地区的夏季降水日变化特征,发现降水日变化存在显著的区域特征;区域尺度上,白爱娟等研究发现青藏高原中部降水量最大值多集中在傍晚前后,李建等指出北京市夏季降水日变化在降水量和降水频次上均以午后至次日清晨为高值区,而在中午前后达到最低值,且降水发生了结构性调整;Shouraseni研究指出,印度极端小时降水事件大多数出现在高海拔地区,同时,冬季极端降水事件的变化呈减少趋势,夏季则呈增多趋势。张焕等利用1961-2000年西南地区112个站点逐时降水资料,分析指出夏季西南大部分地区总降水时数呈减少趋势,而大部分地区极端强降水时数和强度都呈增加趋势。姚莉等利用1991-2005年我国485个站逐时降水资料分析得出,4mm·h-1以上雨强出现频数最多的地区在南部沿海,雨强出现频数的日变化在各地区是不相同的。陕西地处中国西北内陆,与沿海地区相比降水明显偏少。但近年来,该地区因历时短、降水强导致山洪、泥石流、城市内涝等严重灾害事件时有发生。2007年8月8日陕西中部出现区域性短时强降水过程,引发山体滑坡和城市内涝。2010年7月18日陕西岚皋短时强降水发生泥石流和8月8日甘肃舟曲因突发性短时强降水发生特大山洪灾害。虽然对西北地区短时强降水的研究已经取得了不少成果,但这些研究大多是针对某次暴雨个例分析其成因,寻找预报着眼点。而对该地区短历时强降水的时空分布及变化方面的研究目前还不多。陕西南北狭长,秦岭山脉横贯其中南部,北部为黄土高原,中部为关中盆地,南部为秦巴山区。境内南北间气候差异明显。长城沿线以北为温带干旱半干旱气候、陕北南部和关中平原为暖温带半干旱半湿润气候;陕南盆地为北亚热带湿润气候、山地大部为暖温带湿润气候,是典型的生态脆弱区和气候敏感区。研究该地区短历时降水的变化特征对于山洪地质灾害的防御和水土保持具有重要意义。因此,本文利用1961-2011年汛期(5-9月)逐时降水资料,对各降水指标的日变化特征及其长期趋势进行分析,以期为陕西降水变化机理的深入研究及地质灾害的风险管理提供参考。2极值方法及计算所选资料包括:中国气象局国家气象信息中心提供的逐时降水资料,并经过了初步的质量控制。为了确保资料不受异常值的影响,这里进一步利用人工观测的日降水量对逐时降水量进行了校对。选取的陕西23个测站包括4个地面观测基准站、12个基本站和7个一般站。考虑到基准站和基本站具有较好的空间代表性以及资料年代长,缺测少等优点,同时补充了7个资料较为完整的一般站,使站点分布更加均匀合理,站点分布见图1。资料时段为1961-2011年。汛期是指5-9月,汛期降水指标值是以小时降水为基础统计而得。当1h降水量≥0.1mm时认为有降水发生。本文所用的主要降水指标有:降水频次、降水强度、第98个百分位降水量、极端强降水频次、降水量等。降水频次为时段内有降水的小时数;降水强度为时段内的小时降水量之和除以降水时数。目前,国内外,短历时极端强降水没有统一的标准,本文采用国际上经常选用的百分位阈值定义极值方法来确定陕西省各个测站小时极端强降水阈值。具体做法是以某测站51年(1961-2011年)汛期逐时降水量序列(由小到大)第98百分位对应的降水量作为该测站1h极端强降水量的阈值,1h降水量超过阈值时,认为该时次出现了极端强降水事件;超过阈值的总降水量与极端降水频次的比值,表征极端降水强度。用标准化降水发生频率来刻画降水日变化特征。将一天分为24个时段,某时段的降水发生频率定义为这一时段内发生降水的小时数(≥0.1mm·h-1)除以总观测小时数(式(1)和(2))。对降水发生频率除以24h平均值进行标准化处理(式(3))。其中:n为当地标准时间;D为观测天数;fn为降水发生频率;cdn为计数器,有雨的小时记为1,无雨的小时记为0;pdn为1h降水量;NF为标准化的降水发生频率。采用线性倾向估计方法分析陕西省降水指标的长期变化趋势。3结果分析3.1降水频次与降水强度的年际、年代际变化特征5-9月陕西降水总时数自北向南增多,且南北差异较大,陕北降水总时数一般在200~300h,关中300~400h,陕南在400~520h。平均雨强各地差异较小,一般在1.0~1.8mm·h-1之间,其中,陕北黄土高原和陕南秦巴山区的平均雨强要大于关中平原地区。1961-2011年,陕西汛期各站小时降水频次的长期变化趋势不尽一致。陕北和陕南西部表现为减少趋势(图2a),减少幅度超过-5h·(10a)-1的站有吴起、延安、绥德、志丹和佛坪,其中吴起、延安的减少趋势通过了0.05显著性水平检验。关中大部和陕南东部表现为增多趋势,但增多幅度较小,均未通过0.1显著性水平检验。小时平均降水强度的长期变化趋势大多数站点表现为增强趋势(图2b),其中洛川、西安、石泉和安康通过了0.05显著性水平检验。23个代表站中仅延安、宜川、铜川、略阳和汉中5个站点表现为减弱趋势,但均未通过了0.1显著性水平检验。由于陕西南北不同气候区降水频次的长期趋势不同,因此选取了延安、西安和安康站分别代表陕北高原暖温带半干旱气候区、关中平原暖温带半湿润气候区和汉水河谷北亚热带湿润气候区,详细分析不同区域降水频次和降水强度的年际、年代际变化特征。从小时降水频次的逐年变化(图3)中可以看到,3个代表站降水频次的变化总体上是一致的,但变化的幅度不同,西安站在波峰和波谷处时表现得更为突出,即振幅更大一些,这可能与西安城市热岛效应有关。延安站降水频次的变化幅度在20世纪80年代中期以后明显减小,特别是2000年以后,关中和陕南降水频次显著增加时,而陕北黄土高原的小时降水频次增加缓慢,这可能导致了陕北高原区降水频次整体上的减少趋势。3个代表站降水强度长期变化均呈增强趋势,其中西安和安康站变化趋势更明显。为了进一步了解近51年陕西省整体降水变化,将23个气象站降水要素的平均作为区域平均值。统计显示,1961-2011年陕西省平均小时降水频次的长期变化趋势不明显,仅表现出“多—少”相间的阶段性变化特征(图4)。具体为20世纪60年代初期较多,60年代中期-70年代末较少,80年代初期显著增多,80年代后期-90年代末显著偏少,2000年以后又开始增多。区域平均降水量的变化呈微弱的增加趋势,增加幅度为1%·(10a)-1。降水量与降水频次的年代际变化基本上是一致的,两者的相关系数达0.92。但降水量与降水频次的长期趋势略有不同,这可能是2000年以后降水量的增加幅度大于降水频次的增加幅度所致。陕西省平均降水强度呈显著的增强趋势(图4),增强幅度为1.6%·(10a)-1。比较图4中的三条曲线发现,20世纪60年代前期和80年代降水频次和降水量偏多时期,降水强度却并不强;90年代降水频次和降水量偏少,但降水强度偏强。近51年1h雨强在波动中缓慢增强。以上分析可见,汛期陕西省降水时数和降水量长期变化在空间上不一致,陕北为减少趋势,关中和陕南大部为增加趋势,但降水强度的变化在空间上呈现较为一致的增强趋势。区域平均降水时数和降水量的长期趋势变化不明显,但具阶段性特征,而降水强度呈明显的增强趋势。3.2极端降水强度的年际变化陕西小时极端强降水阈值在6~12mm·h-1,关中平原地区较小(<7mm·h-1),陕北高原和陕南山区较大(>8mm·h-1)。极端强降水时数的长期变化趋势大部分地区表现为增多趋势(图5a),幅度超过0.5h·(10a)-1的站点有西安、石泉、镇巴和安康,其中石泉、镇巴和安康的增多趋势能通过0.1显著性水平检验。陕北中部地区表现为减少趋势,减少的幅度较小,均未通过检验。极端强降水量的长期变化趋势(图略)与极端降水时数的趋势变化在空间上基本一致,仅在陕北中部为减少趋势,减少的幅度也较小,均未通过检验。而关中和陕南为增加趋势,增加幅度超过10mm·(10a)-1的有石泉、镇巴和安康,其中西安、石泉、镇巴和安康的增加趋势通过0.1显著性水平检验。极端降水强度的长期变化趋势绝大部分站点表现为增强趋势(图5b),增强幅度超过0.5mm·h-1·(10a)-1的站点是韩城和宁陕,且通过了0.1显著性水平检验。极端降水强度在陕南西部的略阳和陕北南部的宜川、洛川、铜川4个站为减弱趋势,仅宜川的减弱趋势通过了0.1显著性水平检验。由此可见,陕西极端降水频次、降水量的长期变化趋势在中南部地区均表现为增多趋势,仅在陕北中部地区为减少趋势,极端降水强度陕西大部地区表现为增强趋势。近51年来陕西区域平均极端强降水频次为增多趋势(图6),增多幅度为3%·(10a)-1。极端强降水频次的年际变化较大,阶段性特征明显。20世纪60-70年代中期,极端强降水事件较少,70年代后期-80年代后期极端强降水事件较多,90年代极端强降水事件又相对较少,21世纪00年代较多,与20世纪80年代相当。极端强降水频次前5多的年份依次为1988,2010,1978,2007和1981年。区域平均极端强降水量的变化也呈现明显的增多趋势,增多幅度为4%·(10a)-1,通过了0.05显著性水平检验。区域平均极端强降水量的年际变化和阶段性变化与极端降水频次的变化一致,两者的相关系数达0.94。极端降水量前5多的年份依次为2010,1988,1978,2007和1987年。区域平均极端降水强度的长期变化趋势也表现出增强趋势,增强幅度为1%·(10a)-1。与极端降水频次和降水量相比,极端降水强度的年际变化相对较小,近51年来在波动中缓慢增强。比较图4和图6可以看到,20世纪90年代降水频次和降水量明显偏少,而极端降水频次和降水量却偏多。近51年陕西省汛期平均气温总体呈增高趋势,阶段性变化特征明显(图略)。特别是20世纪90年代中期以后气温明显偏高。分析汛期平均气温与小时降水频次、降水强度之间的关系发现,汛期平均气温与小时降水频次呈显著的负相关关系,相关系数为-0.60,与小时雨强呈明显正相关关系,相关系数为0.43。与极端降水频次的相关较低,与极端降水强度呈明显的正相关,相关系数为0.4。由此推断,气候变暖可能导致陕西降水频次减少,而降水强度增强。3.3日降水量变化特征3.3.1日降水量和日变化从陕西23个代表站标准化降水日变率(图7)中可以看到,陕西降水频次日变化(图7a)陕北和渭北塬区双峰明显,15:00(北京时,下同)-18:00出现主峰,05:00-08:00出现次峰;关中平原和陕南东部地区也呈双峰型,在06:00-10:00出现主峰,14:00-17:00出现次峰;陕南西部地区降水频次为单峰型,峰值出现在06:00-10:00。降水量的日变化(图7b)与降水频次的变化基本一致。陕北午后主峰更加突出,而陕南西部早峰更加明显,关中和陕南东部日变化相对较小,但西安站降水量主峰在17:00-20:00,表现出降水频次低但降水量大的特点,这可能与城市热岛效应有关。极端强降水频次日变化南北差异较大(图7c)。陕北呈明显的单峰型,极端强降水事件多数发生在15:00-20:00;关中强降水出现时间较为分散,峰值时段不明显;陕南大部在08:00-10:00易出现强降水事件。极端降水量的日变化与频次的日变化基本一致(图7d),陕北15:00-20:00极端降水量大,关中极端降水量在17:00-20:00,陕南大部极端降水量集中在01:00-09:00。3.3.2极端强降水频次图8为1961-2011年陕西省逐时降水变化趋势。从图8中可以看出,06:00-11:00和21:00降水频次呈增加趋势,其余时次的降水频次基本呈减少趋势(图8a)。其中14:00-20:00减少幅度较大,为3~7h·(10a)-1,但所有时次降水频次的趋势变化均未通过显著性检验。降水量的变化在下午基本上为减少趋势,其他时次均呈增加趋势(图8b),其中除04:00-08:00降水量增加较明显外,其它时次的变化趋势均不显著。从1961-2011年陕西省逐时极端强降水频次变化趋势(图8c)看,12:00-18:00,极端强降水频次呈减少趋势,但减少幅度小,未通过0.1显著性水平检验。03:00-11:00和23:00,极端强降水频次呈增加趋势,其中03:00-10:00及23:00趋势系数在0.5h·(10a)-1以上,均通过0.1显著性水平检验。不同时次极端强降水量变化趋势(图8d)与极端降水频次的变化趋势基本一致,也是午后至傍晚为减少趋势,其他时次为增加趋势,其中清晨极端降水量的增加趋势更明显。由此可见,后半夜至上午极端强降水无论是频次还是降水量都呈显著增多(强)趋势,午后至傍晚极端强降水呈减少(弱)趋势。4第一阶段:极端强降水频次和降水量(1)1961-2011年,陕西汛期降水时数长期变化趋势南北有别,陕北为减少趋势,关中和陕南大部为增加趋势,但降水强度的变化趋势全省呈现较为一致的增强趋势。全省区域平均而言,降