吳志純,陳焯堅,吳貴義,廖鎮(zhèn)強(qiáng),譚日明
(1.佛岡縣氣象局,廣東佛岡 511600;2.清遠(yuǎn)市氣象局,廣東清遠(yuǎn) 511510;3.廣州市氣象局,廣東廣州 511430)
IPCC第五次評估報告(AR5)[1]在 2013年指出,在全球持續(xù)變暖的趨勢下,到21世紀(jì)末,中緯度大部分陸地區(qū)域與熱帶區(qū)域的濕區(qū),極端降水事件將很可能更加劇烈、頻繁[2-5]。近年來,對強(qiáng)降水和極端降水事件的研究也越來越多[6-9]。翟盤茂等[6]指出我國的極端強(qiáng)降水平均強(qiáng)度和極端強(qiáng)降水值都有增加的趨勢,極端降水量占總降水量的比例有所增加;李麗平等[7]研究發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以來華南前汛期總降水量增加與極端強(qiáng)降水量、頻率以及暴雨日數(shù)顯著增加有密切相關(guān),且極端降水、強(qiáng)降水量異常程度明顯增大;羅律等[8]指出清遠(yuǎn)市南部極端強(qiáng)降水閾值、總量、頻數(shù)和強(qiáng)度都呈減少趨勢,極端降水在5—6月最為集中。
佛岡縣位于廣東中北部,是粵北山區(qū)到珠三角的過渡帶,處于喇叭口地形,是廣東省3大暴雨中心之一。降水主要集中在汛期,其中前汛期降水量占年降水總量的1/2。極端降水極易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害的發(fā)生,對人民生命和財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。本研究根據(jù)1960—2018年佛岡縣國家觀測站的逐日降水量資料,對近59年來佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)的變化特征進(jìn)行分析,探討其變化規(guī)律,為該地區(qū)應(yīng)對極端降水和做好預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供參考。
本研究使用1960—2018年近59年佛岡縣國家基本站4—6月逐日降水資料,資料可靠準(zhǔn)確。采用百分位法確定極端降水閾值[4-6],將1981—2010年逐年4—6月的日降水量按從小到大順序排列,取95%分位值的30年平均值作為前汛期極端降水的閾值,當(dāng)某日降水量大于該閾值,則認(rèn)為該降水量是該年的一次極端降水。
本研究分析方法主要有線性趨勢系數(shù)、多項式曲線擬合、Mann-Kendall突變分析、Morlet小波分析。
從圖1a可看出,近59年佛岡縣前汛期極端降水量氣候傾向率為-2.217 mm/年,趨勢系數(shù)未通過ɑ=0.05顯著性水平檢驗,總體呈弱下降趨勢。前汛期極端降水量平均值為432.5 mm;最大值發(fā)生在1983年,為1 063.7 mm,其它年份極端降水量均無超過1 000 mm;最小值發(fā)生在1991年,無發(fā)生極端降水事件。從多項式擬合曲線看出,前汛期極端降水量在1960年代中后期至1990年代前期為偏多期,1960年代前期和1990年代中后期之后為偏少期。
由于1991年無發(fā)生極端降水事件,因此1991年的極端降水強(qiáng)度按缺省處理。從圖1b可以看出,前汛期極端降水強(qiáng)度氣候傾向率為-0.195 mm/(d·年),趨勢系數(shù)未通過ɑ=0.05顯著性水平檢驗,呈弱下降趨勢。前汛期極端降水平均強(qiáng)度為96.1 mm/d,遠(yuǎn)超過暴雨量級及佛岡前汛期極端降水閾值58.9 mm/d;最大值為158.5 mm/d,出現(xiàn)在 2000年;最小值為 67.3 mm/d,出現(xiàn)在1976年。從多項式擬合曲線可看出,前汛期極端降水強(qiáng)度在1960、1980至1990年代前中期為偏強(qiáng)期,1970和1990年代后期之后為偏弱期。
從圖1c可看出,前汛期降水日數(shù)氣候傾向率為-0.014 d/年,趨勢系數(shù)未通過ɑ=0.05顯著性水平檢驗,呈弱下降趨勢,前汛期極端降水平均發(fā)生日數(shù)為4.5 d;最大值出現(xiàn)在1983年,共11 d;最小值出現(xiàn)在1991年,為0 d。從多項式擬合曲線可看出,前汛期極端降水日數(shù)在1960年代中后期至1990年代前期為偏多期,1960年代前期和1990年代中后期之后為偏少期。
圖1 佛岡縣1960—2018年前汛期極端降水量(a)、強(qiáng)度(b)、日數(shù)(c)變化曲線
本研究利用 Mann-Kendall方法對 1960—2018年佛岡縣前汛期極端降水進(jìn)行突變檢驗。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,序列隨機(jī)獨立,UF線為順序統(tǒng)計量曲線,UB線為逆序統(tǒng)計量曲線。當(dāng)UF線與UB線在ɑ=0.05的檢驗水平臨界值U±1.96之間有交點且交點之后,其中的一條線超過顯著性水平檢驗臨界值時,說明該點即為突變點。當(dāng)UF值大于零時說明序列為上升趨勢,小于零時則說明為下降趨勢[10-11]。
從圖2a可看出,近59年佛岡縣前汛期極端降水量UF線在1960年代中后期至1970年代中期、1980年代末和1990年代中期有上升趨勢,但UF和UB兩條曲線均未超過ɑ=0.05的顯著性水平檢驗臨界值,所以佛岡縣前汛期極端降水量在近59年來未發(fā)生突變。
圖2b中前汛期極端降水強(qiáng)度UF線在1960至1970年代前期除1964和1967年外,均呈上升趨勢,1970年代中后期之后呈下降趨勢,在2004—2005和2011—2013年超過了ɑ=0.05的顯著性水平檢驗臨界值,說明這個時間段極端降水強(qiáng)度有顯著的下降趨勢。UF和UB兩條曲線在1988年有交點,且之后UF線有超過ɑ=0.05的顯著性水平檢驗臨界值,說明前汛期極端降水強(qiáng)度在1988年開始發(fā)生突變。
從圖2c可以看出,前汛期極端降水日數(shù)UF線在1960年代中后期呈上升趨勢,其余時間段均呈下降趨勢,在2000年代中后期以后呈顯著的下降趨勢。UF和UB兩條曲線在1969年有交點,且之后UF線有超過ɑ=0.05的顯著性水平檢驗臨界值,說明前汛期極端降水日數(shù)在1969年后發(fā)生突變。
圖2 佛岡縣1960—2018年前汛期極端降水量(a)、強(qiáng)度(b)及日數(shù)(c)突變分析
氣候系統(tǒng)是多時間尺度系統(tǒng),Morlet小波具有多時間尺度分析的特征,不同時間尺度下的小波系數(shù)可以反映出系統(tǒng)在該時間尺度下的變化特征,是一種時域-頻域的分析,能更清楚地看到各周期隨時間的變化情況[11-12]。
本研究通過Morlet小波系數(shù)實部,分析近59年來佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度、日數(shù)的周期變化,當(dāng)小波系數(shù)實部大于零時對應(yīng)偏多期,小于零時對應(yīng)偏少期,小波系數(shù)絕對值越大,表示該時間尺度變化越顯著。
從圖3a可看出,前汛期極端降水量存在5~8、10~12、準(zhǔn)18和30年的周期振蕩,其中5~8年的周期振蕩存在于1980至2000年代前中期;10~12年的周期振蕩在整個時間序列基本存在;準(zhǔn)18年的周期振蕩主要在1980年代之后比較顯著,呈偏少到偏多再到偏少3個交替過程;準(zhǔn)30年的年代際周期振蕩在1990年代之前都較為明顯。從圖3b可看出,前汛期極端降水強(qiáng)度的周期振蕩有5~8、準(zhǔn)15、28~30年,都貫穿在整個時間序列,尤其是28~30年的周期振蕩比較顯著,呈偏強(qiáng)到偏弱再到偏強(qiáng)3個交替過程。
從圖3c可看出,前汛期極端降水日數(shù)在2000年代前存在5~8、準(zhǔn)15、28~30年的周期振蕩,其中28~30年的周期振蕩比較顯著,2000年代之后,周期變化不明顯。
圖3 佛岡縣1960—2018年前汛期極端降水量(a)、強(qiáng)度(b)及日數(shù)(c)Morlet小波系數(shù)實部
由表1可見,1960—2018年佛岡縣前汛期極端降水量在1960和1980年代均大于平均量,1980年代極端降水量值最大,為551.7 mm,最小值出現(xiàn)在2000年代,為351.7 mm。1970年代極端降水量趨勢系數(shù)為負(fù)值,通過ɑ=0.01顯著性水平檢驗,呈顯著的下降趨勢,1960年代呈明顯的上升趨勢,趨勢系數(shù)亦通過ɑ=0.01顯著性水平檢驗,其它年代雖然呈上升趨勢,但上升幅度不大。
表1 1960—2018年前汛期極端降水量、強(qiáng)度、日數(shù)的年代際平均值及趨勢系數(shù)
前汛期極端降水強(qiáng)度在1960和1980年代強(qiáng)度均大于平均強(qiáng)度,1960年代極端降水強(qiáng)度最大,為105 mm/d,最小值出現(xiàn)在1990年代,為91.7 mm/d。1990和2000年代極端降水強(qiáng)度呈下降趨勢,其中1990年代趨勢系數(shù)通過ɑ=0.01顯著性水平檢驗,其它年代呈上升趨勢,但上升趨勢幅度基本小于下降趨勢,其中2010年代趨勢系數(shù)通過ɑ=0.05顯著性水平檢驗,上升趨勢較為明顯。
前汛期極端降水日數(shù)在1960、1970和1980年代日數(shù)均超過平均日數(shù),1980年代極端降水日數(shù)最多,為5.7 d,最小值出現(xiàn)在2000年代,為3.9 d;1970年代和1980年代極端降水日數(shù)呈下降趨勢,其中1970年代呈顯著的下降趨勢,趨勢系數(shù)通過ɑ=0.01顯著性水平檢驗,1980年代下降趨勢不明顯,其他年代均呈上升趨勢,其中1960年代呈顯著的上升趨勢,趨勢系數(shù)通過ɑ=0.01顯著性水平檢驗。
極端降水致災(zāi)風(fēng)險程度不僅取決于降水量的大小還要關(guān)注是否會出現(xiàn)連續(xù)性極端降水,因此統(tǒng)計近59年佛岡縣前汛期出現(xiàn)連續(xù)性的極端降水對評估致災(zāi)風(fēng)險有很好的參考意義。
統(tǒng)計可知,1960—2018年佛岡縣前汛期出現(xiàn)連續(xù)性極端降水最長持續(xù)天數(shù)為3 d,其中連續(xù)性極端降水日數(shù)占極端降水總?cè)諗?shù)的24.3%。近59年佛岡縣前汛期共有22個年份30次出現(xiàn)連續(xù)性極端降水,其中連續(xù)2 d出現(xiàn)極端降水共有25次,連續(xù)3 d出現(xiàn)極端降水共有5次。連續(xù)2 d出現(xiàn)極端降水每個年代均有出現(xiàn),次數(shù)最多是在1960年代,共出現(xiàn)7次,其中1964年共出現(xiàn)2次,次數(shù)最少是在1980年代,共出現(xiàn)2次;連續(xù)3 d出現(xiàn)極端降水只在1970、1990和2000年代,次數(shù)最多是在1970年代,共出現(xiàn)3次,其中1975年出現(xiàn)過2次。
1)近59年佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)總體均呈弱下降趨勢,但下降趨勢不明顯。前汛期極端降水量和日數(shù)的偏多期和偏少期一致,極端降水強(qiáng)度則略有差異。
2)佛岡縣前汛期極端降水量無發(fā)生突變,極端降水強(qiáng)度和日數(shù)分別在1988和1969年發(fā)生減少突變。
3)佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)均存在5~8年的年際周期變化,但年代際周期變化時間不同,極端降水強(qiáng)度和日數(shù)普遍存在準(zhǔn)15、28~30年的周期振蕩,極端降水日數(shù)在2000年代之后沒有明顯的周期變化,極端降水量存在10~12、準(zhǔn)18和30年的周期振蕩。
4)從年代際變化來看,佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)在1960和1980年代均大于平均值,之后年代均小于平均值,這使得近59年來佛岡縣前汛期極端降水均呈下降趨勢。
5)近59年佛岡縣共出現(xiàn)30次連續(xù)性極端降水,最長持續(xù)時間為3 d。1970年代雖然前汛期極端降水量是顯著性減少的,但發(fā)生連續(xù)性極端降水日數(shù)比其他年代多,說明極端降水致災(zāi)風(fēng)險程度不僅取決于降水量的大小還要關(guān)注是否會出現(xiàn)連續(xù)性極端降水。