南京市年內(nèi)二十四節(jié)氣降水量分配規(guī)律研究

舒持愷

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司， 江蘇 南京 211106；2.南京南瑞水利水電科技有限公司， 江蘇 南京 211106)

1 概 述

近年來隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，加大了對(duì)地球資源的消耗，導(dǎo)致全球環(huán)境發(fā)生了變化，產(chǎn)生的全球變暖等氣候問題，是世界人民面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。氣候變化是顯而易見的，嚴(yán)寒、酷熱、暴雨、暴雪等極端天氣越來越頻繁地出現(xiàn)，對(duì)人類社會(huì)安全產(chǎn)生了巨大威脅。氣候變化已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注與高度重視，各國(guó)政府和專家學(xué)者對(duì)此展開了深入研究。降水是氣候的重要特征之一，對(duì)降水的研究有助于我們理解氣候的變化趨勢(shì)。二十四節(jié)氣是中國(guó)古代訂立的一種用來指導(dǎo)農(nóng)事的補(bǔ)充歷法，是我國(guó)古代先人們勞動(dòng)智慧的結(jié)晶。南京位于長(zhǎng)江下游，降水豐富。通過研究南京市降水量在年內(nèi)二十四節(jié)氣的分布情況，可揭示降水量的年內(nèi)分布變化規(guī)律，以便更好地為廣大人民群眾提供生產(chǎn)與生活上的服務(wù)，有利于提高氣象服務(wù)質(zhì)量和水平，同時(shí)也為防汛抗旱等工作提供依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

南京市是江蘇省省會(huì)城市，地處中國(guó)東部地區(qū)、長(zhǎng)江下游，全市下轄11個(gè)區(qū)，總面積6 597km2，是長(zhǎng)三角地區(qū)及華東地區(qū)的特大城市，中國(guó)四大古都之一，也是“一帶一路”戰(zhàn)略與長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略交匯的節(jié)點(diǎn)城市。南京地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主。南京屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨水充沛。常年平均降雨時(shí)間為117d，平均年降水量1 106.5mm，相對(duì)濕度76%，無霜期237d。每年6月下旬到7月上旬為梅雨季節(jié)，年平均溫度15.4 ℃，年極端氣溫最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃。南京春秋季短、冬夏季長(zhǎng)，冬夏溫差顯著，夏天十分炎熱，近年來大面積的綠化建設(shè)及大氣環(huán)流的變化，使得南京夏天的炎熱程度有所緩和。

2.2 研究方法

隨著全球性的氣候變化，區(qū)域性的降水也發(fā)生了較明顯的變化，導(dǎo)致年內(nèi)的降水分布隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的不均勻性。研究降水年內(nèi)分布的指標(biāo)方法有很多，比較常用的有各月降水量占年降水量的百分比、Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法、小波分析法等，本文通過對(duì)年內(nèi)二十四節(jié)氣降水量的集中度和集中期[6-9]、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)及變化幅度[10]等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算研究，來分析南京市降水量變化年內(nèi)分布規(guī)律。

2.2.1 二十四節(jié)氣

二十四節(jié)氣是我國(guó)古代人民長(zhǎng)期勞動(dòng)實(shí)踐總結(jié)出的氣候變化規(guī)律，是我們祖先杰出的發(fā)明。它包括12個(gè)節(jié)氣和12個(gè)中氣，俗稱二十四節(jié)氣。它是根據(jù)太陽在黃道(即地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道)上的位置變化，結(jié)合地面上氣候、物候的演變特征加以命名，就形成了家喻戶曉的二十四節(jié)氣。每個(gè)節(jié)氣約為15d，按內(nèi)容可分為四類：一是表示寒來暑往變化的有：立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至；二是象征氣溫變化的有：小暑、大暑、處暑、小寒、大寒；三是反映降水量的有：雨水、谷雨、白露、寒露、霜降、小雪、大雪；四是反映物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動(dòng)的有：驚蟄、清明、小滿、芒種。二十四節(jié)氣時(shí)間分布情況如表1，它同農(nóng)歷閏月的安排有著密切的關(guān)系，在農(nóng)歷中，以立春為二十四節(jié)氣的頭一個(gè)節(jié)氣。

表1 二十四節(jié)氣時(shí)間分布

注：節(jié)氣的日期會(huì)因具體的年份而有1～2d的變化，閏年雨水為16d。

在以往的研究中，大多采用年或月為統(tǒng)計(jì)時(shí)段進(jìn)行降水變化趨勢(shì)的研究。考慮到二十四節(jié)氣對(duì)我國(guó)民眾農(nóng)事活動(dòng)、社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用，本文按二十四節(jié)氣時(shí)段對(duì)南京市降水的氣候變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2 集中度與集中期

集中度(DPCD)就是將二十四節(jié)氣的降水量看成24個(gè)矢量，并以一定的角度方向進(jìn)行矢量合成，得到的合成量與年降水量之比[4-5]。從立春到大寒每個(gè)節(jié)氣的方位角θi分別為0，15，30，…,345，360(表2)，將每個(gè)節(jié)氣的降水量分解為x與y兩個(gè)方向，則x、y方向上的合成分量分別為：

(1)

式中：Px、Py分別為x、y方向上的合成量；Pi為第i個(gè)節(jié)氣的降水量；θi為第i個(gè)節(jié)氣的方位角。

那么合成的降水量為：

(2)

于是得到集中度的表達(dá)式為：

(3)

集中期(PPCP)用x、y方向上合成分量比值的正切角度表示：

(4)

可以看出集中期PCP表示年內(nèi)最大降水量出現(xiàn)的節(jié)氣，而集中度PCD則表示集中期降水量占年降水量的比例，集中度計(jì)算中二十四節(jié)氣的方位角見表2，其值越大，表示降水越集中，降水分布越不均勻。

表2 集中度計(jì)算中二十四節(jié)氣的方位角

(續(xù)表2)

2.2.3 年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)采用變差系數(shù)Cv表示，它是反映降水量年內(nèi)分配不均勻性的一個(gè)重要指標(biāo)，Cv值越大，則降水量年內(nèi)各個(gè)節(jié)氣分布越不均勻。Cv值計(jì)算如下：

(5)

2.2.4 年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)

降水量年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr定義為：大于等于年平均降水量的各個(gè)節(jié)氣降水量減去年平均降水量之后的和與年降水量之比。其計(jì)算公式為

(6)

與年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv一樣，Cr值越大，降水量年內(nèi)分配越不均勻。

2.2.5 變化幅度

降水變化幅度是降水分布不均勻性的重要體現(xiàn)，變化幅度的大小對(duì)水利調(diào)節(jié)與水資源環(huán)境有重要影響。降水量年內(nèi)變化幅度過大，可能會(huì)引發(fā)局部旱澇災(zāi)害，威脅到區(qū)域社會(huì)環(huán)境安全，增加水資源的開發(fā)利用與決策難度。變化幅度采用4個(gè)指標(biāo)來描述，其計(jì)算式如下：

Im1=Pmax/Pmin

(7)

(8)

(9)

ΔP=Pmax-Pmin

(10)

式中：Pmax、Pmin分別為最大、最小的節(jié)氣降水量；Im1、Im2及Im3為相對(duì)變化幅度；ΔP為絕對(duì)變化幅度。

2.3 研究資料

降水量資料來自南京市六合、江浦、安基山水庫(kù)、金牛山水庫(kù)、曉橋等12個(gè)雨量站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)(1951—2015年)(圖1)，取12個(gè)站的日降水量平均值為南京市日降水量，并按照年內(nèi)二十四節(jié)氣時(shí)段(表1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各個(gè)節(jié)氣的降水量。

圖1 雨量站位置示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配不均勻性

由于季節(jié)氣候的變化，降水量隨時(shí)間發(fā)生明顯的變化。根據(jù)式(5)計(jì)算得出南京市各年二十四節(jié)氣降水量的不均勻系數(shù)Cv(圖2)。從圖2可以看出，年內(nèi)不均勻系數(shù)Cv值最大為1.74，出現(xiàn)在1969年，表明南京市該年二十四節(jié)氣降水量的分布很不均勻；最小為0.59，出現(xiàn)在1990年，表明南京市該年二十四節(jié)氣降水量的分布較均勻。隨著時(shí)間的推移，Cv值有變大的趨勢(shì)，線性趨勢(shì)線的斜率為每10a0.0106。按式(6)計(jì)算得到南京市各年二十四節(jié)氣降水量的完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr(圖3)，從圖3可以看出，年內(nèi)完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr值最大為0.51，出現(xiàn)在2011年，同樣表明該年降水量分配很不均勻；最小為0.26，出現(xiàn)在1990年，表明該年降水量分配較均勻。Cr變化趨勢(shì)與Cv值相同，趨于增長(zhǎng)，線性趨勢(shì)線的斜率為每10a0.0011。

圖2 南京市二十四節(jié)氣降水量Cv值

圖3 南京市二十四節(jié)氣降水量Cr值

將南京市二十四節(jié)氣降水量的年內(nèi)不均勻系數(shù)Cv值與年內(nèi)完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr值進(jìn)行對(duì)比(圖4)，可以看出Cv與Cr整體變化趨勢(shì)基本一致，但Cv值總體比Cr值大，這是因?yàn)樵贑v與Cr的計(jì)算式(5)、 式(6)中，Cv代表不均勻性時(shí)考慮到了平均值上下數(shù)據(jù)的影響，而Cr只考慮了平均值水平以上的數(shù)據(jù)作用，因此Cr值會(huì)偏小。從圖4可以看出，Cv與Cr呈波動(dòng)趨勢(shì)，特別是在1965—1970年、1980—1985年及1990—1995年波動(dòng)強(qiáng)烈，表現(xiàn)為較強(qiáng)的不均勻性。1990年以后，Cv值與Cr值均呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)緩慢上升趨勢(shì)，表明降水量年內(nèi)分配不均性逐漸增強(qiáng)，降水不穩(wěn)定。

圖4 Cv與Cr變化趨勢(shì)對(duì)比圖

3.2 南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配集中程度

利用上面計(jì)算方法，得到南京市二十四節(jié)氣降水量的集中度與集中期(表3、圖5)。從表3、圖5可以看出南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配存在一定的不均勻性，從降水量年內(nèi)分配的集中性來看，20世紀(jì)50年代、90年代及2000年以后的集中度較小，而60年代、70年代與80年代的集中度較大。從時(shí)間序列(1951—2014年)集中度的變化來看，年際差異較大，最大值為0.64(2011年)，最小值為0.08(1997年)，相差近8倍。隨著時(shí)間的推移，集中度有逐漸增大的趨勢(shì)，但非常緩慢，線性趨勢(shì)線的斜率只有每10a0.0002，這與不均勻系數(shù)Cv及完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr變化趨勢(shì)基本一致(圖6)，由圖6可以看出Cv、Cr與DPCD曲線的升降趨勢(shì)、波動(dòng)區(qū)間基本相同，且兩兩之間存在顯著正相關(guān)(Sig<0.05)。Cv與Cr的相關(guān)系數(shù)為0.783，Cv與DPCD的相關(guān)系數(shù)為0.690，Cr與DPCD的相關(guān)系數(shù)為0.676，這說明了Cv、Cr與DPCD三者在描述降水量年內(nèi)分配不均勻性的一致性、合理性與代表性。

表3 南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配集中度與集中期

圖5 南京市二十四節(jié)氣降水量DPCD值

圖6 Cv、Cr與DPCD變化趨勢(shì)對(duì)比圖

圖7 南京市二十四節(jié)氣多年平均降水量

就南京市二十四節(jié)氣降水量集中期而言，除了20世紀(jì)80年代降水量集中期為小暑，20世紀(jì)90年代集中期為芒種外，其他年代均為夏至，多年平均的集中期也是夏至(表3)，這與南京市二十四節(jié)氣多年平均降水量分配(圖7)的結(jié)果相一致。從圖7可以看出，多年平均的南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配主要集中在芒種、夏至及小暑(6月6日至7月22日)這3個(gè)節(jié)氣，與PPCP的計(jì)算結(jié)果相吻合，3個(gè)節(jié)氣的降水量占全年降水量的28.6%。多年平均的年降水量與芒種降水量的相關(guān)系數(shù)為0.344，與夏至降水量的相關(guān)系數(shù)為0.584，與小暑降水量的相關(guān)系數(shù)為0.355，且都通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明年降水量與芒種、夏至和小暑3個(gè)節(jié)氣的降水量顯著正相關(guān)，3個(gè)節(jié)氣降水量的多少直接影響著年降水量。多年平均的南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配結(jié)果顯示從立春(2月4日)開始，年內(nèi)降水量大體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，到夏至(7月6日)達(dá)到最大值，后逐漸減小直到大寒(次年2月3日)。多年平均的二十四節(jié)氣年內(nèi)降水量分配最大值出現(xiàn)在夏至，為125.5mm，最小值出現(xiàn)在大雪(12月7日)，為14.5mm。從時(shí)間序列來看降水量集中期(圖8)，PCP最早出現(xiàn)在立夏(1959年)，最晚出現(xiàn)在立秋(1961年)，并且集中期有緩慢推遲的趨勢(shì)。在2005年以后PCP波動(dòng)趨于平緩，降水集中期相對(duì)穩(wěn)定，降水變化趨于緩和。

圖8 南京市二十四節(jié)氣降水量PPCP

3.3 南京市二十四節(jié)氣降水量變化幅度

南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)變化幅度見表4。從表4可以看出，降水量年內(nèi)絕對(duì)變化幅度ΔP隨時(shí)間先減小后增加再減小，20世紀(jì)60年代的ΔP最小，其相對(duì)變化幅度Im1、 Im2也較小，Im3較大，說明20世紀(jì)60年代的南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)變化幅度比較??；20世紀(jì)90年代的ΔP最大，其Im1、 Im2也較大，Im3較小，說明20世紀(jì)90年代的南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)變化幅度比較大。從時(shí)間序列來看(圖9)，南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)絕對(duì)變化幅度最大值為405.464mm(1969年)，其年內(nèi)最大降水量為405.464mm，出現(xiàn)在小暑(7月7日至7月22日)，最小降水量為0mm，出現(xiàn)在小寒(次年1月6日至1月20日)，表明1969年各個(gè)節(jié)氣降水量分配很不均勻。從圖2、圖3及圖5中可以看出，1969年的降水量年內(nèi)分配Cv、Cr及PCD值都比較大，這也驗(yàn)證了該年內(nèi)二十四節(jié)氣降水分配很不均勻。南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)絕對(duì)變化幅度最小值為66.75mm(1978年)，其年內(nèi)最大降水量為67.80mm，出現(xiàn)在小暑，最小降水量為1.050mm，出現(xiàn)在寒露(10月9日至10月23日)。同樣，對(duì)應(yīng)圖2、圖3及圖5中1978年的Cv、Cr及PCD值也都比較小，說明了該年內(nèi)各個(gè)節(jié)氣降水量分配比較均勻。絕對(duì)變化幅度ΔP與集中度PCD相關(guān)系數(shù)為0.628(Sig<0.05)，表明年內(nèi)降水越集中，其變化幅度也就越大。隨著時(shí)間的推移，南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)絕對(duì)變化幅度ΔP呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，線性趨勢(shì)線的斜率為每10a5.39，2005年以后，ΔP的波動(dòng)趨勢(shì)變緩，趨于平穩(wěn)，說明近年來南京市降水變化較緩和。

表4 南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)變化幅度

圖9 南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)絕對(duì)變化幅度ΔP

4 結(jié) 論

以南京市12個(gè)雨量站近60年來的實(shí)測(cè)逐日降水量資料為基礎(chǔ)，以年內(nèi)二十四節(jié)氣為研究時(shí)段，通過計(jì)算降水量年內(nèi)分配集中度與集中期、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)和變化幅度等指標(biāo)，具體分析了南京市二十四節(jié)氣年內(nèi)降水量分配規(guī)律。在1965—1970年、1980—1985年及1990—1995年，降水量年內(nèi)分配不均勻性波動(dòng)較強(qiáng)，尤其在1969年，其二十四節(jié)氣年內(nèi)降水量絕對(duì)變化幅度高達(dá)405.464mm。自1951年以來，南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配的不均勻性系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度和變化幅度均有緩慢增長(zhǎng)的跡象，集中期也有緩慢推遲的趨勢(shì)，表明降水量年內(nèi)分配的不均勻性有增強(qiáng)趨勢(shì)，但進(jìn)入2005年以后趨于平緩，降水變化緩和。根據(jù)南京市多年平均年內(nèi)二十四節(jié)氣的降水量，得到南京市年內(nèi)降水量主要集中在芒種、夏至和小暑(6月6日至7月22日)，3個(gè)節(jié)氣的降水量都與年降水量呈顯著正相關(guān)，這個(gè)時(shí)段恰好是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅雨時(shí)節(jié)，時(shí)段降水非常豐富。南京市年內(nèi)降水量在夏至(6月22日至7月6日)達(dá)到峰值，而向兩端逐漸減小，大體上呈錐形結(jié)構(gòu)。

本文只是用有限的指標(biāo)來研究南京市二十四節(jié)氣降水量年內(nèi)分配的規(guī)律，從一定程度上反映南京市降水量在年內(nèi)二十四節(jié)氣的分配規(guī)律，為南京市二十四節(jié)氣的農(nóng)事活動(dòng)、社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的參考依據(jù)。但對(duì)各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性未進(jìn)行深入分析，指標(biāo)的代表性可能存在不足，還需進(jìn)一步地深入研究。