漢江上游漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)的氣候變化特征分析

胡江波,黎 穎

(漢中市氣象局，陜西 漢中 723000)

1 引言

降水不僅是一個重要的氣候要素，也是一個關(guān)鍵的水文要素，其對區(qū)域水資源時空分布、生態(tài)環(huán)境形成演變以及對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著決定性的影響[1]。近年來，在全球氣候變暖的背景下，旱澇災(zāi)害不斷加劇，洪澇災(zāi)害的發(fā)生不僅與降水量有一定關(guān)系，而且與降水日數(shù)的多少也有密切的關(guān)系[2～10]。研究表明，受氣候變化影響，中國幅員遼闊，降水具有區(qū)域性和季節(jié)性差異，不同區(qū)域的不同等級降水也存在明顯的空間差異，對旱澇的貢獻(xiàn)也不盡相同[11]，也對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[12]。

漢江上游是南水北調(diào)的中線工程的水源地，負(fù)責(zé)供給南水北調(diào)中線工程70%以上的水，保證了“一江清水送北京”。其旱澇變化與京津供水密不可分，旱澇事件不僅對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會活動造成災(zāi)害，也將影響到南水北調(diào)中線工程調(diào)水的穩(wěn)定性。漢江上游漢中區(qū)域處于中國南北氣候過渡帶，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤，降水較充沛，但年內(nèi)分配不均，年際變化較大，旱澇災(zāi)害頻繁，對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)增長和社會發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。在全球氣候變化和局地城市化進(jìn)程的共同影響下，漢江上游漢中區(qū)域降水特征也在發(fā)生變化，降水的變化將會直接影響京、津地區(qū)的供水安全，因而受到各方面的關(guān)注。

本文利用1981～2020年近40 a漢江上游漢中區(qū)域11個氣象觀測站逐日降水資料，分析了漢江上游漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)氣候變化特征，研究了各等級降水日數(shù)與總降水量關(guān)系。以期為漢江上游漢中區(qū)域水資源調(diào)控及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

采用1981～2020年近40 a漢江上游漢中區(qū)域11個氣象觀測站逐日降水資料，數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量檢驗，無缺測資料，資料序列完整，具有代表性。參照中國氣象局降水等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將日降水量劃分為小雨、中雨、大雨及暴雨4個等級，各等級分別對應(yīng)一個小雨日、中雨日、大雨日及暴雨日。本文所用的分析方法主要有：相關(guān)系數(shù)、線性趨勢及Mann-Kendall檢驗等[13～16]，并對上述統(tǒng)計方法進(jìn)行了顯著性檢驗。

3 不同等級降水日數(shù)的空間分布特征

3.1 空間分布

由1981～2020年漢中區(qū)域11個氣象觀測站各等級年平均降水日數(shù)的空間分布可見(圖1)，總雨日數(shù)的高值區(qū)位于巴山區(qū)的寧強(qiáng)、鎮(zhèn)巴一帶，次高值區(qū)位于秦嶺南麓的佛坪、留壩一帶，其中寧強(qiáng)年降水日數(shù)最多，達(dá)145.3 d，其次為鎮(zhèn)巴，為137.9 d，漢中平川縣區(qū)是總降水日數(shù)的低值區(qū)，其中洋縣最少，為116.4 d(圖1a)。小雨日數(shù)分布(圖1b)與總雨日數(shù)相似，均為巴山區(qū)寧強(qiáng)年小雨日數(shù)最多，為114.9 d，平川縣區(qū)漢臺最少，為92.2 d。中雨日數(shù)的分布也與總雨日數(shù)相似(圖1c)，巴山區(qū)鎮(zhèn)巴最多，達(dá)20.3 d，平川縣城固最少，為15.3 d。大雨日數(shù)在5.7～8.5 d，高值區(qū)位于巴山區(qū)鎮(zhèn)巴(8.5d)，低值區(qū)位于漢中中西部地區(qū)，呈現(xiàn)出從北向南遞增的空間分布趨勢(圖1d)。暴雨日數(shù)也呈現(xiàn)從北向南遞增的空間分布趨勢(圖1e)，其中鎮(zhèn)巴暴雨日數(shù)達(dá)到5.2 d，為區(qū)域內(nèi)暴雨日數(shù)最多的地區(qū)，暴雨日數(shù)最少區(qū)域為城固，僅為1.5 d。

比較不同等級降水日數(shù)的空間分布特征可知，總雨日數(shù)與小雨日數(shù)、中雨日數(shù)的分布特征相似，均呈現(xiàn)出從中部平川縣區(qū)向南、北部山區(qū)遞增的空間分布特征，高值區(qū)位于巴山區(qū)；大雨日數(shù)及暴雨數(shù)日基本呈現(xiàn)從北向南遞增的空間分布規(guī)律；漢中區(qū)域多年平均小雨日數(shù)為99.4 d，中雨日數(shù)為17.3 d，大雨日數(shù)為6.9 d，暴雨日數(shù)最少，僅為2.3 d。

3.2 氣候變化趨勢

分析漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)空間氣候變化趨勢可知(圖2)，漢中區(qū)域總雨日數(shù)都呈下降趨勢，中東部區(qū)域是總雨日數(shù)下降最快的地區(qū)，6個縣區(qū)通過了0.05水平的F檢驗，佛坪總雨日數(shù)下降趨勢最明顯，達(dá)到5.1 d/10 a(圖2a)。小雨降水日數(shù)在區(qū)域內(nèi)也表現(xiàn)出下降趨勢，城固、西鄉(xiāng)通過了0.05水平的F檢驗，佛坪通過0.01水平的F檢驗(圖2b)。中雨降水日數(shù)在略陽、寧強(qiáng)、留壩、鎮(zhèn)巴呈現(xiàn)上升趨勢，留壩通過了0.05水平的F檢驗，其余縣區(qū)則表現(xiàn)為下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗(圖2c)。大雨日數(shù)的氣候變化趨勢中，留壩、佛坪中雨日數(shù)的回歸系數(shù)為正值，其余8個縣區(qū)中雨日數(shù)的回歸系數(shù)為負(fù)值，均未通過顯著性檢驗(圖2d)。暴雨日數(shù)均為減少趨勢，且均未通過顯著性檢驗(圖2e)。綜合分析表明，近40a來漢中區(qū)域總雨日數(shù)、小雨日數(shù)和暴雨日數(shù)均表現(xiàn)為減少趨勢，而中雨日數(shù)及大雨日數(shù)局部呈上升趨勢，但是大部分地區(qū)表現(xiàn)為下降趨勢。

圖1 1981～2020年研究區(qū)不同等級降水日數(shù)空間分布(單位：d)

4 不同等級降水日數(shù)的時間變化

4.1 年際變化

圖3給出了1981～2020年漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)年際變化情況。各等級降水日數(shù)總體上表現(xiàn)為減少趨勢，其中，總雨日數(shù)及小雨日數(shù)線性變率通過了0.05水平的顯著性檢驗，中雨日數(shù)、大雨日數(shù)及暴雨日數(shù)雖然也呈現(xiàn)出減少趨勢，但是未能通過顯著性檢驗。

漢中區(qū)域多年平均總雨日數(shù)為125.9 d，年總雨日數(shù)最多的年份為1989年(148.5 d)，較常年偏多22.6 d，年總雨日數(shù)最少年份為2013年(105.3 d)，較常年偏少20.6 d。6次多項式擬合曲線表明，年總雨日數(shù)20世紀(jì)80年代初到1991年為偏多時段，90年代初到2017年為偏少時段，2017年之后又年總雨日數(shù)又逐漸增加(圖3a)。多年平均小雨日數(shù)為99.4 d，年小雨日數(shù)最多年份為1984年(120.5 d)，較常年偏多21.1 d，年小雨日數(shù)最少年份為2013年(21.9 d)，小雨日數(shù)的變化趨勢與總雨日數(shù)相似，也表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代初到1991年為偏多時段，90年代初到2017年為偏少時段，之后逐漸增加(圖3b)。中雨日數(shù)80年代為偏多時段，90年代初到2009年為偏少時段，2010年以后又緩慢上升(圖3c)。大雨日數(shù)的變化趨勢與中雨日數(shù)大體相似，80年代為偏多時段，90年代初到2004年基本為偏少，2005年之后有呈現(xiàn)出偏多(圖3d)。暴雨日數(shù)與其他等級降水日數(shù)分布明顯不同，呈現(xiàn)波動性變化，20世紀(jì)80年代初期到中期為暴雨日數(shù)偏多時段，20世紀(jì)中后期到2004年轉(zhuǎn)為偏少時段，從2005年開始2014年又轉(zhuǎn)為相對偏多階段，2015年之后暴雨日數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢(圖3e)。

圖中陰影區(qū)表示回歸系數(shù)通過0.05顯著性水平的F檢驗

4.2 不同等級降水日數(shù)的突變檢驗

氣候突變指從一種穩(wěn)定態(tài)(或持續(xù)穩(wěn)定的變化趨勢)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或持續(xù)穩(wěn)定的變化趨勢)的現(xiàn)象[17,18]。Mann-Kendall檢驗(以下簡稱M-K檢驗)能夠分析序列的趨勢變化，而且還能夠明確突變開始的時間、突變區(qū)域，是一種常用的突變檢測方法[1]。分析1981～2020年漢中區(qū)域總雨日數(shù)的M-K檢驗(圖4a)，在20世紀(jì)90年代以前，UB和UF曲線在置信區(qū)范圍內(nèi)相交2次，最后一次相交為1989年，UF曲線后續(xù)呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢，因此確定總雨日的突變年份為1989年。對于小雨日數(shù)，從20世紀(jì)80年代初開始，UF曲線呈現(xiàn)波動性減少趨勢，UF和UB曲線相交于1992年，且位于置信區(qū)間內(nèi)，在2007年達(dá)到了顯著性水平并持續(xù)至今(圖4b)，因此，小雨日數(shù)的突變年份為1992年。

分析1981～2020年漢中區(qū)域其它等級雨日數(shù)(中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù))M-K檢驗可知，UB和UF曲線交點(diǎn)位于端點(diǎn)末尾處，在此后也未能突破α=0.05的臨界線，因此，中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)在研究時段內(nèi)沒有發(fā)生突變。

圖3 1981～2020年研究區(qū)不同等級降水日數(shù)年際變化

圖4 1981～2020年研究區(qū)總雨日數(shù)及小雨日數(shù)時間變化的M-K檢驗

5 不同等級降水日數(shù)和總降水量關(guān)系

對各等級的降水日數(shù)和總降水量時間變化(1981～2020年漢中區(qū)域11個氣象觀測站平均的時間序列)的相關(guān)性進(jìn)行分析可知(表1)。

小雨日數(shù)、中雨日數(shù)與總雨日數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過了0.01水平的顯著性檢驗，達(dá)到極顯著水平，大雨日數(shù)與總雨日數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過了0.05水平的顯著性檢驗，達(dá)到顯著水平。暴雨日數(shù)和總雨日數(shù)的相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗。說明小雨日數(shù)、中雨日數(shù)和大雨日數(shù)對總雨日數(shù)均有明顯影響，其中小雨日數(shù)對總雨日數(shù)影響最大。中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)與總降水量的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平，對總降水量有著十分明顯的影響，其中，大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)與總降水量的相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到0.84以上，表明總降水量貢獻(xiàn)率最主要來源于大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)。

表1 1981～2020年漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)和總降水量相關(guān)系數(shù)

6 結(jié)論與討論

(1)近40 a漢中區(qū)域總雨日數(shù)與小雨日數(shù)、中雨日數(shù)的均呈現(xiàn)出從中部平川縣區(qū)向南、北部山區(qū)遞增的空間分布特征；大雨日數(shù)及暴雨數(shù)日基本呈現(xiàn)從北向南遞增的空間分布規(guī)律；從漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)空間氣候變化趨勢來看，近40 a來總雨日數(shù)、小雨日數(shù)和暴雨日數(shù)均表現(xiàn)為減少趨勢，而中雨日數(shù)及大雨日數(shù)局部呈上升趨勢，但是大部分地區(qū)表現(xiàn)為下降趨勢。

(2)近40 a漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)總體上表現(xiàn)為減少趨勢，其中，總雨日數(shù)及小雨日數(shù)線性變率通過了0.05水平的顯著性檢驗，中雨日數(shù)、大雨日數(shù)及暴雨日數(shù)雖然也呈現(xiàn)出減少趨勢，但是未能通過顯著性檢驗。

(3)漢中區(qū)域小雨日數(shù)與總雨日數(shù)的變化趨勢相似，均表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代初到1991年為偏多時段，90年代初到2017年為偏少時段，之后逐漸增加。中雨日數(shù)80年代為偏多時段，90年代初到2009年為偏少時段，2010年以后又緩慢上升。大雨日數(shù)的變化趨勢與中雨日數(shù)大體相似，80年代為偏多時段，90年代初到2004年基本為偏少，2005年之后有呈現(xiàn)出偏多。暴雨日數(shù)與其他等級降水日數(shù)分布明顯不同，呈現(xiàn)波動性變化，20世紀(jì)80年代初期到中期為暴雨日數(shù)偏多時段，20世紀(jì)中后期到2004年轉(zhuǎn)為偏少時段，從2005～2014年又轉(zhuǎn)為相對偏多階段，2015年之后暴雨日數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢?？傆耆諗?shù)的突變年份為1989年，小雨日數(shù)的突變年份為1992年，中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)在研究時段內(nèi)沒有發(fā)生突變。

(4)漢中區(qū)域小雨日數(shù)、中雨日數(shù)和大雨日數(shù)對總雨日數(shù)均有明顯影響，其中小雨日數(shù)對總雨日數(shù)影響最大。中雨日數(shù)、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)與總降水量的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平，其中，大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)與總降水量的相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到0.84以上，表明總降水量貢獻(xiàn)率最主要來源于大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)。

(5)研究結(jié)論有助于加深對漢江上游漢中區(qū)域不同等級降水事件的理解和認(rèn)識，事實上漢中區(qū)域的降水不僅受到秦嶺及巴山特殊地形的影響，還與環(huán)流背景、水汽輸送等因素的有關(guān)，后續(xù)還要做進(jìn)一步研究。