印江縣汛期降水年代際特征及與氣溫的關(guān)系

方啟云，代瑞華，杜 柯，黎凌云，頡春艷

(貴州省印江土家族苗族自治縣氣象局，貴州 銅仁 555200)

0 引言

近年來，隨著氣候變暖，汛期極端降水事件越來越頻繁[1]。汛期降水的偏少或偏多是影響旱澇災(zāi)害的直接原因，旱澇災(zāi)害給人民的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。因此汛期降水的研究得到了很多專家學(xué)者的關(guān)注。徐大紅[2]等人研究黔東北汛期降水存在明顯的準(zhǔn)2～4 a 周期的強(qiáng)信號(hào)，還存在準(zhǔn)6～16 a 的弱周期信號(hào)。陳軍[3]等人在貴州省旱澇變化特點(diǎn)及其與西太平洋副熱帶高壓和海溫的關(guān)系研究中也得出夏季旱澇的振蕩周期以2 a、3 a及5 a左右為主的結(jié)論。在影響因子研究方面：趙振國、沙萬英[4-5]等研究指出我國汛期降水與西太平洋副高關(guān)系密切；王芬等人認(rèn)為貴州夏季大部分區(qū)域的降水與副熱帶高壓的強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)正相關(guān)，與脊線位置、西伸脊點(diǎn)為負(fù)相關(guān)[6]；還有研究認(rèn)為汛期降水也受夏季風(fēng)、極渦、青藏高壓等氣候系統(tǒng)的影響[7-10]?？v觀這些研究，間接地反映了氣溫變化對(duì)降水的影響，楊越峰[11]等對(duì)近52 a來湛江降水量和氣溫變化之間關(guān)系的研究得出了汛期降水與溫度關(guān)系密切。

印江縣位于梵凈山西麓，地勢(shì)起伏大，地形也比較復(fù)雜，汛期降水時(shí)空分布極為不均勻。本文試圖借鑒上述專家學(xué)者的思路及研究方法，開展本地化研究，分析印江縣汛期(5—9月)降水年代際特征，探討其變化規(guī)律；并從統(tǒng)計(jì)學(xué)上找到印江縣汛期降水與氣溫的關(guān)系。這樣，可以為旱澇災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，對(duì)農(nóng)民安排生產(chǎn)，政府合理規(guī)劃水資源以及防災(zāi)減災(zāi)都有重要的意義。

1 資料和方法

1.1 資料

本文采用的資料為日降水和氣溫資料：印江縣氣象觀測(cè)站1970—2018年汛期(5—9月)逐日降水量，日平均、最高和最低氣溫。

1.2 方法

①在分析汛期降水變化趨勢(shì)時(shí)采用線性傾向估計(jì)和滑動(dòng)平均法，并用Mann-Kendall趨勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證； Morlet小波分析周期特征；研究汛期總降水量與氣溫關(guān)系時(shí)采用相關(guān)分析、t檢驗(yàn)[12]等方法。

②在分析不同量級(jí)降水與氣溫關(guān)系時(shí)，采用以1 ℃為間隔，把降水日的日平均最高氣溫和日平均氣溫進(jìn)行分組，來討論不同氣溫區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的各量級(jí)降水。其中不同量級(jí)降水(分為小雨、中雨、大雨和暴雨及以上)判定采用中國氣象局發(fā)布的通用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 汛期降水量年代際特征

2.1 汛期總降水量年代際特征

2.1.1 趨勢(shì)變化特征 圖1是印江縣近49 a汛期總降水量變化趨勢(shì)圖。印江縣近49 a汛期年平均降水量為732.6 mm，最小值發(fā)生在2013年，為383.4 mm，最大值發(fā)生在2014年，為1126.7 mm，兩者相差約743.3 mm，最大值為最小值的2.9倍，說明印江縣汛期總降水量波動(dòng)幅度非常大。從5 a滑動(dòng)平均線得到汛期總降水量呈現(xiàn)偏少—偏多循環(huán)起伏的變化特征。趨勢(shì)呈增加—減少的交替年代變化：20世紀(jì)70—80年代中期呈逐漸增加趨勢(shì)，80年代中期至末期逐漸減少，90年代逐漸增加，本世紀(jì)2000—2013年逐漸減少， 2014年至今呈逐漸增加趨勢(shì)。

圖1中的趨勢(shì)線顯示：汛期總降水量總體有增加趨勢(shì)，但沒有通過90%的顯著性檢驗(yàn)(p=0.68)。用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)得到Z=0.57(Z1-0.1/2>Z>0),也說明該地區(qū)汛期年降水量呈不顯著的增加趨勢(shì)。

綜體來看，隨著氣候的變化，汛期年降水量的增加、減少趨勢(shì)呈現(xiàn)出在震蕩中不顯著增加趨勢(shì)，為0.689 mm/a。

圖1 印江縣近49 a汛期降水量變化趨勢(shì)圖Fig.1 Change trend of precipitation in recent 49 a flood season in Yinjiang County

2.1.2 小波分析的周期特征 印江縣近49 a汛期降水量的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(圖2)中，小波系數(shù)實(shí)部值為正時(shí)，代表降水量豐水期；為負(fù)時(shí)， 表示降水量枯水期。圖中可以清晰看到印江縣近49 a汛期降水量的演變過程中存在20～35 a,10～19 a，7～9 a以及2～4 a的4類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在20～35 a時(shí)間尺度上正進(jìn)行第2次豐—枯振蕩，在10～19 a時(shí)間尺度上正進(jìn)行第3次豐—枯振蕩，這兩種尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段都相對(duì)穩(wěn)定，具有全域性；7～9 a時(shí)間尺度在20世紀(jì)80年代中期以前和2000年以后表現(xiàn)得比較明顯。

圖2 印江縣近49 a汛期降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線圖Fig.2 Real contour map of wavelet coefficient of precipitation in flood season in recent 49 a in Yinjiang County

為了更精確找到其周期特征，繪制了印江縣近49 a汛期降水量小波方差圖(圖3)。圖中顯示：存在5個(gè)較為明顯的峰值，它們依次對(duì)應(yīng)著2 a、9 a、27 a、38 a和43 a左右的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著 27 a的時(shí)間尺度，說明27 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為印江縣汛期年降水量變化的第1主周期；9 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第2峰值，為汛期年降水量變化的第2主周期，第3、第4和第5峰值分別對(duì)應(yīng)著43 a、38 a和2 a的時(shí)間尺度，它們依次為印江縣汛期降水量的第3、第4和第5主周期。這說明上述 5個(gè)周期的波動(dòng)控制著印江縣汛期年降水量在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

圖3 印江縣近49 a汛期降水量小波方差圖Fig.3 Wavelet variance of precipitation in flood season in recent 49 a in Yinjiang County

2.2 汛期逐月降水的年代際變化特征

圖4統(tǒng)計(jì)給出了5—9月降水序列與汛期年降水序列的年變化以及相關(guān)系數(shù)r。r值顯示， 7月相關(guān)性系數(shù)最大，6月和8月較大，都通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，而5月和9月的相關(guān)系數(shù)非常小，沒有通過顯著性檢驗(yàn)，即6月、7月和8月的降水對(duì)汛期總降水貢獻(xiàn)最大。

6月、7月和8月降水量與汛期總降水量變化趨勢(shì)一致，總體都呈增加趨勢(shì)(其中8月降水量曲線與汛期平均降水量曲線幾乎重合，增加趨勢(shì)不顯著)。且這3個(gè)月的5 a滑動(dòng)趨勢(shì)線顯示：與汛期總降水量一樣，這3個(gè)月都呈現(xiàn)增加—減少交替變化的年代際特征。

2.3 汛期的各級(jí)降水年代際變化特征

圖5顯示：近49 a汛期小雨、中雨和大雨的年降水呈減少趨勢(shì)，暴雨及以上則呈增加趨勢(shì)。圖5中各量級(jí)降水的總降水量5 a滑動(dòng)趨勢(shì)線顯示：中雨、大雨和暴雨及以上呈先增大再減小，小雨則先減小再增大的循環(huán)交替變化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)近49 a汛期小雨、中雨、大雨和暴雨及以上降水量占總降雨量的百分比，結(jié)果為：17.2%、27.2%、28.8%和26.8%。各級(jí)降水量占總降水量的百分比的趨勢(shì)線顯示：小雨、中雨和大雨呈下降趨勢(shì)，暴雨及以上呈上升趨勢(shì)。這說明近49 a汛期，占百分比最多的大雨的比例有微弱的下降趨勢(shì)，暴雨及以上的比例有上升的趨勢(shì)。

圖4 印江縣近49 a 5—9月月降水量隨時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Time varying curve of precipitation in May, June, July, August and September in Yinjiang County in recent 49 years

圖5 印江縣近49 a汛期的各級(jí)降水量隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 Time varying curve of precipitation at all levels in recent 49 a flood season in Yinjiang County

3 汛期降水與氣溫關(guān)系

3.1 汛期總降水與氣溫關(guān)系

3.1.1 相關(guān)性分析 表1計(jì)算統(tǒng)計(jì)了印江縣汛期總降水量與汛期各月溫度統(tǒng)計(jì)量的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.3以上的有9個(gè)統(tǒng)計(jì)值,從大到小依次為:汛期平均最高氣溫、8月平均最高氣溫、6—8月共3個(gè)月的平均最高氣溫、汛期平均氣溫、8月平均氣溫、6—8月共3個(gè)月的平均氣溫、7月平均最高氣溫、7月平均氣溫和6月平均最高氣溫，且這些值都通過了95%及以上的顯著性檢驗(yàn)。由此可見，印江縣近49 a汛期總降水量與最高溫度、平均溫度呈負(fù)相關(guān)，月份上與8月最密切， 7月次之，與6月的溫度相關(guān)性不大。也就是7月和8月的氣溫增高時(shí)，印江縣汛期降水總量將會(huì)有減少的趨勢(shì)；反之，降水量增多。這與王芬[6]等人研究結(jié)論一致：6—8月副高的位置偏西或接近平均年份，即印江受副高控制，最高溫度和平均溫度將比常年偏高，那么降水偏少；副高位置偏東或接近平均年份，印江縣受副高影響較小，降水偏多。

表1 印江縣近49 a汛期總降水量與5—9月的各種溫度指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between total precipitation in flood season in recent 49 years and various temperature indexes from May to September in Yinjiang County

3.1.2 時(shí)間變化分析 前面分析得到印江縣汛期總降水量與汛期平均最高氣溫關(guān)系成顯著的負(fù)相關(guān)。圖6是印江縣汛期總降水量與平均最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)序列及6階多項(xiàng)式擬合曲線。顯示:汛期平均最高氣溫隨時(shí)間有顯著增加趨勢(shì)(P=0.03)；與汛期總降水量變化呈現(xiàn)明顯的相反變化趨勢(shì)，6階擬合曲線顯示：20世紀(jì)70年代中期以前，平均最高氣溫下降，降水量增加；70年代中期至80年代中期，平均最高氣溫升高，而汛期總降水量減少；80年代中期至90年代初，平均最高氣溫下降，而汛期總降水量增加；90年代初到2009年，平均最高氣溫升高，汛期總降水量減少；2010—2015年，平均最高氣溫下降，汛期總降水量增加；2016年至今，平均最高氣溫升高，汛期總降水量減少。說明，汛期平均最高氣溫和汛期總降水量在年代際尺度上也呈現(xiàn)顯著反向變化趨勢(shì)。

圖6 印江縣汛期總降水量與平均最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)序列及6階多項(xiàng)式擬合曲線Fig.6 Time coefficient series and 6-order polynomial fitting curve of total precipitation and average maximum temperature in flood season in Yinjiang County

3.2 汛期各級(jí)降水與氣溫關(guān)系

從近49 a汛期不同量級(jí)降水量占總降水量的百分比隨日平均氣溫的變化趨勢(shì)(圖7)可見：不同量級(jí)的降水量百分比都是隨日平均氣溫升高先上升后下降：當(dāng)日平均氣溫處于25～26 ℃時(shí)，小雨和中雨降水量所占百分比達(dá)到峰值，低于此氣溫時(shí)，降水量百分比基本隨氣溫的升高而上升，高于此氣溫時(shí)，降水量百分比隨氣溫的升高而下降。當(dāng)日平均氣溫處于23～25 ℃時(shí)，大雨和暴雨及以上量級(jí)的降水所占百分比達(dá)到峰值，低于此氣溫時(shí)，降水量百分比基本隨氣溫的升高而上升，高于此氣溫時(shí)，降水量百分比隨氣溫的升高而下降。

圖8顯示，不同量級(jí)的降水量百分比基本隨日最高氣溫升高先升高后下降：小雨、中雨、大雨和暴雨以上量級(jí)降水量所占百分比達(dá)到峰值時(shí)，最高溫度區(qū)間分別為：24～31 ℃、27～30 ℃、24～27 ℃和28～31 ℃，低于上述最高氣溫區(qū)間最低溫度時(shí)，各級(jí)降水量基本隨氣溫的升高而上升，高于上述最高氣溫區(qū)間最高溫度時(shí)，各級(jí)降水量隨氣溫的升高而下降；其中在最高溫度≤17 ℃和最高溫度≥36 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，近49 a汛期暴雨及以上量級(jí)降水事件沒有分布。

圖7 印江縣近49 a汛期不同量級(jí)降水量占汛期總降水量的百分比隨日平均氣溫變化趨勢(shì)圖Fig.7 Variation Trend of the percentage of precipitation of different magnitude in total precipitation of flood season with daily average temperature in recent 49 a in Yinjiang County

圖8 印江縣近49 a汛期不同量級(jí)降水量占汛期總降水量的百分比隨日最高氣溫變化趨勢(shì)圖Fig.8 Variation trend of the percentage of precipitation of different magnitude in the total precipitation of flood season with the highest daily temperature in recent 49 a in Yinjiang County

4 結(jié)論

本研究利用常規(guī)氣候統(tǒng)計(jì)方法對(duì)印江縣1970—2018年汛期降水年代際特征進(jìn)行分析，并簡要統(tǒng)計(jì)與氣溫的關(guān)系，得到以下結(jié)論:

①印江縣近49 a汛期總降水量總體有不顯著的增加趨勢(shì)(變率為0.689)，呈現(xiàn)增加—減少的交替年代變化特征，其中貢獻(xiàn)大的是6月、7月和8月，且這3個(gè)月與汛期總降水交替變化特征保持一致。年代尺度演變上，20～35 a,10～19 a，7～9 a以及2～4 a的4類周期變化尺度共同起作用，其中27 a為第1主周期，9 a為第2主周期。

②印江縣近49 a汛期各量級(jí)年總降水量特征：小雨、中雨和大雨呈減少趨勢(shì)，中雨減少微弱，暴雨及以上有增加趨勢(shì)。各量級(jí)降水所占百分比上小雨最少，其他量級(jí)相差不大，其中小雨和中雨呈下降趨勢(shì)，占百分比最多的大雨也呈下降趨勢(shì)，但比較微弱，暴雨及以上有上升的趨勢(shì)。

③印江縣近49 a汛期總降水量與汛期最高溫度、平均溫度呈負(fù)相關(guān)，月份上與8月最密切， 7月次之，與其他月的溫度相關(guān)性不大。即在8月和7月氣溫升高時(shí)，汛期總降水量偏少；氣溫降低時(shí)，降水偏多。不同量級(jí)降水量占總降水量的百分比，隨日平均、最高氣溫的升高都呈先上升后下降的趨勢(shì)。各量級(jí)降水的百分比的峰值都有各自的溫度區(qū)間。