1961-2020年中國降水等級的變化特征

許肖璐,張方敏,鄧汗青,何彬方,田紅,方硯秋

(1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/江蘇省農業氣象重點實驗室,南京 210044;2.安徽省氣候中心,合肥 230031;3.氣象科學研究所/大氣科學與衛星遙感安徽省重點實驗室,合肥 230031;4.壽縣國家氣候觀象臺/中國氣象局淮河流域典型農田生態氣象野外科學試驗基地,安徽淮南 232000)

根據IPCC第6次評估報告,氣候變化給自然界和人類帶來了廣泛而深重的危害[1-2]。在全球氣候變化的背景下,我國降水事件發生的強度、范圍和頻次正在逐漸改變,可能會導致洪澇、干旱等災害事件的增多。根據預測,極端降水事件在未來還有進一步增加的趨勢[3]。這些災害的發生已經對社會經濟、生態環境以及人身安全等各個方面造成了巨大危害和損失,嚴重威脅了人類的生產生活和社會發展,因此降水事件的發展規律及影響因素已經越來越被人們所關注,成為新的研究熱點[4-5]。

中國地域廣闊,降水呈現出顯著的地域性,目前有關降水的研究大多只針對某一區域展開,全國范圍的研究大多針對月、季節平均條件的特征展開。不同等級降水是影響氣候環境的重要因素,小雨的減少會加劇干旱化趨勢,大雨的增加會加重洪澇災害和土壤侵蝕等[6],近年來,眾多學者對分級降水事件進行了深入研究,在太湖流域[7]、贛江流域[8]、長白山區[9]、西南地區等[10]不同尺度的研究表明我國各區域的分級降水情況并不一致。在已有研究中,以九大流域的劃分為背景進行不同等級降水變化特征的研究較為少見。方國華等[11]建立了基于GEV 的極端降水統計模型,研究得到全國極端月降水量由東南向西北遞減,未來九大流域極端月降水呈現差異性增長;陳峪等[12]研究了1956—2008年中國主要河流流域的極端降水情況,結果表明,我國年平均暴雨日數增加不明顯,南方流域多有升高,北方流域有下降趨勢;內陸河流域有明顯變濕的趨勢,東北部流域整體降水有減少趨勢,東部大部分流域小雨降水量減少,西部與東南大部分流域大雨以上等級降水量增加[13-15]。但以往研究多集中于單一流域,關于全國九大流域整體降水情況的研究較為有限,研究選取的時間跨度也不盡相同,這也就意味著不同流域無法進行對比分析。

因此本文通過對全國1961—2020 年降水情況進行統計分析,辨識近60 a來全國范圍內不同等級降水的變化趨勢,并在此基礎上進行深入研究,探究不同等級降水在九大流域內的時空以及季節變化特征,以期獲得新的研究進展為提升流域減災防災能力做出貢獻。

1 資料與方法

1.1 研究資料及研究區域

本文采用來自中國氣象數據網的681個氣象站的1961—2020 年的日降水數據(http:∥data.cma.cn/),數據經過國家氣象信息中心標準化訂正處理,以及嚴格的質量控制和檢查比如氣候界限值檢查、臺站極值檢查和一致性檢查,檢查后的數據實有率在99%以上,數據的正確性接近100%。九大流域邊界數據(圖1)來源中國科學院資源環境科學數據中心(https:∥www.resdc.cn/),將中國劃分為松遼河流域片、海河流域片、淮河流域片、黃河流域片、長江流域片、珠江流域片、東南諸河片、西南諸河片、內陸河片,各流域分別有104,40,48,88,198,71,31,33,68氣象站點。

圖1 研究區域及氣象站點分布Fig.1 Study area and meteorological station distribution

1.2 研究方法

采用國家降水等級劃分標準[16],進行如下定義:24 h內降雨量在0.1～9.9 mm 為小雨,24 h內降雨量在10～24.9 mm 為中雨,24 h 內降雨量在25～49.9 mm 為大雨,24 h內降雨量大于50 mm 為暴雨。按照以上等級劃分,計算每個臺站每月的降水日數和降水量,然后累加計算各季節和各年的值進行統計分析。某一時期內所有站點的總降水量與總降水日數之比為平均降水強度,各等級降水量與降水日數之比為各等級降水強度。此外,文中四季劃分標準為:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季。

本文采用線性傾向估計法分析降水日數與降水強度的長期變化規律,并采用p值對氣候傾向率進行顯著性檢驗,p＞0.05不顯著、p＜0.05顯著、p＜0.01極顯著。此外,為了分析降水日數和降水強度的空間變化特征,利用ArcGIS軟件中的反距離權重插值法[17]進行空間插值,該方法以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均,它可以靈活地調整權重函數和搜索半徑,以適應不同的空間分布特征和插值精度要求。

2 結果與分析

2.1 全國不同等級降水的時間變化特征

2.1.1 各等級降水年平均變化 1961—2020 年、1991—2020年和2011—2020 年全國不同等級平均降水日數、降水強度的統計結果見表1。從表中可以看出,全國小雨日數呈減少趨勢,其中1961—2020年以-1.03 d/10 a的速率達到極顯著水平(p＜0.01);而中雨、大雨和暴雨降水日數呈緩慢增長的趨勢,1961—2020年大雨和暴雨降水日數分別以0.1,0.08 d/10 a的速率達到極顯著水平(p＜0.01),近10 a各等級降水日數變化幅度均遠超過去30 a,60 a。暴雨強度變化幅度較大,小雨、中雨、大雨強度較為穩定,無明顯變化,近30 a和近60 a小雨強度均通過0.01的顯著性檢驗。

表1 全國不同等級降水日數、降水強度統計Table 1 Statistics of precipitation days and precipitation intensity of different grades in China

2.1.2 各等級降水季節變化 從1961—2020 年不同等級降水日數、降水強度的四季氣候傾向率變化可知(圖2),不同季節小雨日數均呈減少趨勢,其中秋季小雨日數減少幅度最大(-0.3 d/10 a),且下降趨勢顯著(p＜0.05)。大雨、暴雨降水日數在各季節都呈上升趨勢,兩者均在夏季增長最快,在秋季最緩,且夏冬兩季均通過0.05的顯著性檢驗。中雨降水日數在夏季、冬季以較快速度上升,在春季、秋季則緩慢下降。

圖2 1961-2020年不同等級降水日數、降水強度的四季氣候傾向率Fig.2 Seasonal climatic tendency rates of precipitation days and precipitation intensity in different grades from 1961 to 2020

在不同等級降水強度方面,除春季暴雨和秋季中雨、大雨、暴雨外,其余降水強度均呈增強趨勢。各季節小雨強度均小幅增強,且都通過0.05的顯著性檢驗。暴雨強度在各季節變化幅度較大,其中夏冬兩季暴雨強度均達到0.4 mm/10 a以上,呈顯著增強趨勢(p＜0.05)。

2.2 全國不同等級降水的空間變化特征

2.2.1 不同等級降水變化趨勢的空間分布 圖3A—D為全國九大流域不同等級降水日數和氣候傾向率的空間分布及變化趨勢圖。中雨、大雨、暴雨降水日數均呈現東南多西北少的分布格局,這3類降水日數的高值區大都集中分布在珠江流域、東南諸河流域和長江流域;小雨降水日數的高值區位于西南諸河流域和長江流域,其降水日數可高達124 d以上,并以此為中心向四周逐漸遞減,在松遼河流域片北部、東部以及內陸河流域北部地區降水日數均異常高于周圍地區,甚至高值區降水日數可達到100 d以上,各等級降水日數均以內陸河流域最少。圖中85.7%站點的小雨日數均呈現顯著下降趨勢,東南諸河流域、珠江流域和西南諸河流域的東南部降水日數減少最為顯著,氣候傾向率可達-8.5 d/10 a,62.1%站點的中雨以及85%以上站點的大雨、暴雨日數呈顯著上升趨勢?？傮w而言,東南諸河流域、珠江流域和西南諸河流域是小雨降水日數減少的顯著區域,但這些地區中雨、大雨、暴雨的降水日數增加也最為顯著。

圖3 1961-2020年全國各等級降水日數、降水強度及氣候傾向率空間分布Fig.3 The spatial distribution of precipitation days,precipitation intensity and climatic tendency rate in China during 1961-2020

圖3E—H 為全國九大流域不同等級降水強度和氣候傾向率的空間分布及變化趨勢圖。各等級降水強度空間分布大致相似,均呈現由東南向西北遞減的趨勢,即各等級降水強度的高值區大致均集中分布在珠江流域、東南諸河流域和長江流域。小雨和中雨強度低值區主要分布在內陸河流域,大雨和暴雨降水強度低值區主要集中在西南諸河流域。從變化趨勢上來看,80%以上站點的小雨、大雨、暴雨降水強度均以顯著上升趨勢為主,小雨降水強度增幅以內陸河流域最大,氣候傾向率可達1.5 mm/10 a,大雨降水強度增幅以長江流域最大,氣候傾向率可達83.7 mm/10 a,暴雨降水強度增幅以淮河流域最大,氣候傾向率可達163.5 mm/10 a;中雨降水強度呈顯著上升和下降站點數量大致相似。

2.2.2 四季各等級降水空間分布 1961—2020年九大流域不同等級降水日數季節變化如圖4A—D 所示,大部分流域降水日數以春夏季為主,秋季次之,冬季最少。從不同季節來看,春季降水日數較多地區主要集中在東南諸河流域和珠江流域,小雨占主導地位,夏季降水日數較多地區主要集中在西南諸河流域、東南諸河流域以及珠江流域,秋季降水以小雨和中雨為主,主要分布在長江流域、東南諸河流域和珠江流域,冬季降水日數最少,小雨等級居多,主要分布在東南諸河流域、長江流域以及珠江流域。

圖4 1961-2020年九大流域不同等級降水日數、降水強度季節變化Fig.4 The number of precipitation days of different grades and precipitation intensity in the nine major river basins during 1961-2020

1961—2020年九大流域不同等級降水強度季節變化如圖4E—H 所示,春季各等級降水強度較大的地區主要分布在東南諸河流域、長江流域以及珠江流域,夏季各等級降水強度在不同流域相差不大,秋季東南諸河流域和珠江流域的暴雨降水強度較大,均超過75 mm/d,冬季降水以小雨為主,降水強度較大的地區主要分布在東南諸河流域和淮河流域。各流域小雨、中雨、大雨強度在不同季節變化不大,春、夏、秋季降水強度較為接近,冬季降水強度最小,暴雨強度在夏季最大,秋季、春季次之,冬季最小。

九大流域不同等級降水日數、降水強度四季氣候傾向率變化趨勢如圖5 所示,小雨日數在內陸河流域、西南諸河流域和松遼河流域有上升趨勢,其余流域均呈現下降趨勢,其中冬季東南諸河流域以及珠江流域小雨日數均以大于1.2 d/10 a的速度顯著下降(p＜0.05),可知東南諸河流域和珠江流域對小雨日數減少的貢獻最大。中雨以上等級降水日數大致以增加趨勢為主,西南諸河流域春季中雨日數增加最快,上升趨勢顯著(p＜0.05);東南諸河流域夏季的大雨、暴雨日數均以大于0.2 d/10 a的速度顯著上升(p＜0.05)。

圖5 九大流域不同等級降水日數、降水強度)四季氣候傾向率及顯著性變化Fig.5 The number of precipitation days of different grades and precipitation intensity in the nine major river basins and their climatic tendency rates and significant changes

從不同等級降水強度來看,大部分流域的小雨強度均達到顯著上升趨勢(p＜0.05);中雨強度在各季節無明顯變化,僅內陸河流域冬季中雨強度增幅遠高于其余流域,且達到顯著趨勢(p＜0.05);大雨強度在內陸河流域和東南諸河流域有較明顯的季節變化;暴雨強度變化幅度較大,東南諸河流域冬季暴雨強度(7.4 mm/10 a)增強最快,且增加趨勢顯著(p＜0.05)。

3 討論

不同等級降水空間分布有一定差異性,小雨日數的高值區主要分布在西南諸河流域,中雨、大雨、暴雨日數多集中分布在東南諸河流域和珠江流域。形成原因主要是受西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓以及副熱帶西風急流等天氣系統的影響[18-19],東南沿海地區降水豐富,且夏季臺風天氣多發[20],中雨以上量級降水較多;印度洋孟加拉灣南支槽前西南暖濕氣流的水汽輸送[21-22],在西南諸河流域等地區形成降水,多以小雨為主[23],當西南季風發展強盛時,也可深入到長江流域。

本文研究得出,全國小雨日數呈減少趨勢,中雨、大雨和暴雨日數呈緩慢增長趨勢,除暴雨強度變化幅度較大外,小雨、中雨和大雨強度均無明顯變化,這與前人的研究結果一致[12,24]。本研究進一步發現:春、冬季的東南諸河流域以及秋、冬季的珠江流域小雨日數銳減,其余流域小雨日數減幅小或呈增加趨勢,由此可見東南諸河流域和珠江流域小雨日數的減少可能是導致全國小雨日數減少的主要原因,張麗亞等[25]認為小雨減少應歸結為氣候變暖和氣溶膠增多,指出在相同的空氣濕度下溫暖環境中更難凝結成降水,因此在增暖更明顯的東南部流域小雨減少更為顯著。大量的氣溶膠會降低地表吸收的太陽輻射,使得空氣穩定性變得更好,并降低了地表空氣的上升速度;高濃度氣溶膠還能影響云團的形成,使得云團的物理特性發生變化,從而影響降水[26]。在氣溶膠顆粒顯著增加的中國東南部地區,降水明顯減少,這就歸結于氣溶膠粒子的間接效應使得降水更難發生[27]。結合本文研究結果發現,容易引發洪澇災害的大雨、暴雨表現出降水日數增加、降水強度大幅變化或基本不變的趨勢,維持地區基本濕潤的小雨表現出降水日數減少、降水強度基本不變的趨勢,在這種降水格局下,干旱和洪澇等極端降水事件在未來發生概率有增強可能性[8,24],不同流域降水特征具有區域性差異,其所面對的氣候災害風險也會有所不同,需因地制宜采取措施防范。

研究表明,自然系統自身變化和外強迫協同作用的共同影響導致了降水的變化,除了太陽活動、火山氣溶膠等自然外強迫,還有溫室氣體、土地利用、氣溶膠等人為所致的外強迫[28-29],本文分析了全國不同等級降水日數、降水強度的時空分布特征和季節變化規律,但各流域的主要環流系統及水循環等對不同等級降水的影響還需深入探討,因此,在今后的研究中可以加以考慮,進一步明確影響各流域降水情況的因素。

4 結論

(1)1961—2020年全國小雨日數呈減少趨勢,中雨、大雨和暴雨日數呈緩慢增長趨勢,除暴雨強度變化幅度較大外,小雨、中雨和大雨強度均無明顯變化。秋季小雨日數減幅最大,大雨、暴雨日數在夏季增長最快,秋季最緩,暴雨強度在各季節波動幅度均較大。

(2)1961—2020年中雨、大雨、暴雨日數均呈現東南多西北少的分布格局,小雨日數的高值區位于西南諸河流域和長江流域,并以此為中心向四周遞減,不同等級降水強度均呈現由東南向西北遞減的趨勢,內陸河流域降水日數、降水強度均為最小。從空間變化趨勢來看,在通過0.05顯著性檢驗的站點中,小雨日數在大部分站點均呈現顯著下降趨勢,中雨、大雨、暴雨日數大致呈顯著上升趨勢,小雨、大雨、暴雨強度在大部分站點以顯著上升趨勢為主,中雨強度呈顯著上升和下降站點數量大致相似。

(3)春、秋、冬三季降水主要集中在東南諸河流域和珠江流域,小雨占主導地位,夏季降水主要集中在西南諸河流域、東南諸河流域以及珠江流域。

(4)小雨日數的減少在春季和冬季較為明顯,東南諸河流域和珠江流域對小雨日數減少起到了很大貢獻,中雨以上等級降水日數在各季節大致以上升趨勢為主;大雨強度在春季增強、秋季減弱,各流域暴雨強度在春季呈增強趨勢。