1981~2010年四川省的降水时空分布变化特征研究
Study on the Characteristics of Temporal and Spatial Distribution of Precipitation in Si-chuan Province from 1981 to 2010

作者: 孙云华 :中国交通通信信息中心,北京;中国矿业大学(北京),北京; 崔希民 :中国矿业大学(北京),北京; 杨 星 :四川省地震局,四川 成都;

关键词: 降水量时空变化特征降水距平Precipitation Temporal Variation Characteristic Precipitation Anomalies

摘要:
本文以1981~2010年四川省气象站逐日降水数据资料为基础,并依据四川省地形特点,将四川分为两个研究区域,一是川西高原地区,二是除川西高原以外的其他地区,并采用加权平均方法得到四川省降水量标准化距平序列和平均降水天数距平的变化序列。结果表明:四川多年来夏季降水的天数累计达到2600天,而冬季的降水天数仅有1767天;降水区域明显集中在四川东部和四川西部靠近云南和西藏的地区,同时,秋季是所有季节中降水量最少的季节,四川南部的冬季降水较多;多年以来,春季的川东和川西地区降水分别以0.017/10a和1.3/10a的速率增长,其余季节的降水均为降低,且川东地区秋季降水下降最快。

Abstract: Based on the daily precipitation data of Sichuan Province Meteorological Station from 1981 to 2010, and the topographical features of Sichuan Province, we divided Sichuan into two research areas, one is in the plateau region of western Sichuan, and the other is areas other than the western Sichuan Plateau. The weighted average method was used to obtain the sequence of precipitation anomaly and mean precipitation days anomalies in Sichuan Province. The results show that the number of summer precipitation days has reached 2600 days in many years, while the precipitation days in winter are only 1767 days. The precipitation areas are obviously concentrated in the east of Sichuan and the western part of Sichuan near Yunnan and Tibet. Autumn is the season with the lowest precipitation of all seasons, and southern Sichuan has more precipitation in winter. Over the years, the precipitation of eastern Sichuan and western Sichuan regions has increased at a rate of 0.017/10a and 1.3/10a respectively, and the precipitation in the remaining seasons has decreased, and the precipitation in autumn in the east has declined most quickly.

1. 引言

降水量是气象要素中最为重要的因子之一,其时空分布是气象、气候、水文、生态以及经济、农业和其他相关学科研究的基础和必要支撑 [1] 。降水变化趋势对水资源研究至关重要 [2] [3] [4] ,特别是在全球变暖的大趋势下,降水的变化在某种程度上反映了全球气候变化与迁移的情况 [5] ,而通过对四川省多年来降水变化的研究能够得知四川省在过去数十年中降水区域的变化特点,以及各个季节降水的特点。长久以来,关于我国的降水研究众多 [6] [7] ,针对四川省长时间的降水研究还不够全面 [8] [9] [10] 。因此,本文选取1981~2010年四川省气象站日降水数据作为标准,并依据四川省地形特点,先计算降水信息与地理因子的相关性,然后再将四川分为两个研究区域,一是川西高原地区,二是除川西高原以外的其他地区,采用加权平均方法得到四川省降水量标准化距平序列和平均降水天数距平的变化序列。

2. 研究区域及数据来源

2.1. 研究区域

四川省位于我国的西南部,得名于“四条沟壑和四条河流的土地”,素有“天府之国”的美誉,其经纬度范围为97˚21'E~108˚31'E和26˚3'N~34˚9'N,面积485,000 km2,省会位于成都,同时成都也是中国西南地区的经济中心。四川省的地形比较复杂(见图1),境内海拔在−270米至7700米之间(图1中高程是绝对高度,非海拔高度),差异巨大,川东和东北部以丘陵为主,土地肥沃,西部以高原为主,高山众多,夹杂着冰川、草原等地形地貌,复杂的地形地貌造就了四川省丘陵和高原两种不同的地理环境;在气候方面,季风对四川的气候影响较大,造成四川省的降水主要集中在夏季。按照气候分类方法,四川的东

Figure 1. Administrative division and elevation map in Sichuan province

图1. 四川省行政区划及高程图

部地区(包含成都平原在内)属于湿润的亚热带气候,夏季较长并且湿润燥热,冬季较短,但是干燥、多云、寒冷;西部地区则寒冷,冬季较长,基本没有夏天,日照充足,降水集中,干雨季分明。

2.2. 数据来源

本章的站点数据来自中国地面气候资料日值数据集(V3.0) (http://data.cma.cn/site/index.html),该数据集的代码是:SURF_CLI_CHN_MUL_DAY,数据集版本是V3.0,数据集建立时间:20120804,数据集中1951~2010年数据基于地面基础气象资料建设项目归档的“1951~2010年中国国家级地面站数据更正后的月报数据文件(A0/A1/A)基础资料集”研制。数据集中的PRE-13011表示降水。降水量的特征值包括四个,分别是32,700,表示降水“微量”;32XXX,XXX为纯雾露霜;31XXX,XXX为雨和雪的总量;30XXX,XXX为雪量(仅包括雨夹雪,雪暴)。数据经过质量控制后,1951~2010年各要素数据的质量及完整性相对于以往发布的地面同类数据产品明显提高,各要素项数据的实有率普遍在99%以上,数据的正确率均接近100%。

从该数据集中提取出四川省的基本、基准气象站为41个,时间是1981~2010年。按照季节的划分规则,将12月到2月设置为冬季,其它按每三个月一季的时间间隔依次划分。具体的站点分布可见图1

3. 研究方法

3.1. 多年降水距平的计算方法

介于多年的站点数据量较少,在计算区域降水的时候采用加权平均法,将四川省划分为1˚ × 1˚的网格,计算每个网格中所包含站点的平均值,得到每个网格的降水平均值,再利用Jones提出的公式(1)计算网格的加权平均值,从而获得四川省川西及川东地区的平均序列。

x j ¯ = i = 1 n cos γ i x i j / i = 1 n cos γ i (1)

其中 x j 为第 j 年降水的川西或川东平均值, n 代表全省范围内1˚ × 1˚的网格个数, x i j 是第 i 个网格中的第 j 年降水的平均值, γ i 为第 i 个网格的中心经纬度。

3.2. 变化速率与变化趋势分析方法

在分析降水变化速率时,采用最小二乘法计算气象要素值与时间的线性回归系数,即得到变化速率。

趋势系数是指降水时间序列与自然数列之间的相关系数,目的是反映降水气候特征的长期趋势变化。由于消去了气象要素的均方差和单位对线性回归系数数值大小的影响,从而可在不同地理位置、不同气候要素之间比较趋势变化的大小,同时对计算的趋势系数还可以进行相关系数的统计检验。趋势系数为正(负)时,表示气候要素在所统计的时间内呈线性增加(减少)的趋势。

4. 四川省多年降水数据的时空分布变化特征

4.1. 降水天数的特征

图2是1981~2010年的降水天数累积量,四张图依次是春季、夏季、秋季和冬季的降水天数。从图中可知,四川在中部地区存在一个从上而下的降水天数较少区域,同时,四川的南部地区降水的天数明

Figure 2. The distribution of precipitation days in Sichuan province during 1981-2010

图2. 四川省1981~2010年累积降水天数分布

显小于其他地区。四个季节中,夏季的降水天数最多,降水最多的地区累计降水天数有2600天,冬季降水最少,累计降水天数最多的地区仅有1767天,明显低于其他季节的降水总天数。四川西部地区是高原,由于高原的特殊地形影响,其降水天数相比较其它地区少很多。但是这种情况在夏季不明显,甚至夏季的累计降水天数比四川东部地区还多,这样的原因可能有两个,一是站点数据少,无法准确统计非高原地区的降水情况;二是夏季高原比较湿润,雨滴不易在空中被蒸发,能够被准确记录。冬季由于冰雪覆盖的影响,高原地区所记录的降水累计天数明显下降。

4.2. 每日平均降水量空间分布变化特征

图3是四川省三十年间的每日平均降水的分布情况,依次是春季到冬季,由于日降水较少,做了扩大一万倍的处理。夏季的平均降水量明显高于其他季节,这是季节特征所决定的,而且降水区域主要集中在西部和东部地区,并且在西部降水量较高的地区呈带状分布,这一特点也同样体现在其他四个季节。在四川的中部地区从上到下有一个降水量较低的区域,并在春季最为明显,只有在冬季这个区域的降水量才有所增加,考虑到该区域不处于有任何地形变迁的位置上,造成这种现象的原因只能是因为这个区域的地面站数据少,从而影响了对这一区域量降水的记录,从图3中所反映的情况来看,该区域只有

Figure 3. Daily average precipitation distribution from 1981 to 2010

图3. 1981~2010年每日平均降水量分布

一个站点,从而导致这种现象发生。四川的西北部石渠县降水量少,其中春季降水是四个季节中最少的,四川中部的大片区域,包括川西高原和非平原地区的日平均降水量都不多,而四川的东部地区日降水量很客观,除秋季有所偏低,其余时节都有一定量的降水,而川南地区在春季和冬季降水较多,夏季和冬季降水较少。

5. 降水距平的变化特征

由于高原地区特殊的地形,高原降水一直是降水研究中的难点:首先,高原地区气象站建立和维护不便,所以对降水的实施监测能力不足,无法准确反映真实的降水情况;其次,高原地区由地形差异引起的降水不多,而且在冬季以降雪为主,从积雪转换成雪水当量的过程中又会出现误差,因而更不容易探测降水的情况;第三,高原地区干燥蒸发量大,雨滴从空中落下,可能在未到达地面之前就已蒸发,从而没有被地面站探测到。基于以上原因,在研究过程中,将四川省分为川西高原和非川西高原两片区域分别研究,以便规避高原地形带来的影响。高原的定义是海拔在1000米以上、面积相对广大、地势相对高差不大而海拔高度很高的地区,高原占据了地球总面积的45%。针对四川省,根据前一节降水量与高程的相关系数,将平均海拔高度在2000米以上的区域划分为川西高原,这样划分是考虑到四川高原本身的海拔高度相对较高,从非高原地形转换到高原地形的过渡区域少,第二是海拔在2000米以上的地区,其降水变化情况和低海拔地区存在显著差异。

5.1. 四川东部降水距平变化特点

图4是川东地区三十年间的每年春夏秋冬四个季节的降水距平情况。从图中可以看出,春季的降水在正向和负向分别有15年,正向代表了该年的降水比多年平均降水多,负向代表了该年降水比多年平均降水少,这一点在夏季表现地也非常明显。在春季时,1998年之前降水距平正负变化各有交替,而98之后正距平年份比负距平年份多,说明降水量比以往有所增多。1998年夏季暴雨对中国的影响至今仍让人记忆犹新,而1998年夏季的降水距平也反映了这一现象,而且从1998年到2002年,降水量均高于多年的平均水平,2002年之后的降水量明显少于之前的二十年降水。秋季的降水量同夏季类似,在2002年之后的降水量基本上均低于多年平均值,2002年之前的降水在多数年份高于平均值,说明春夏两季降水量是在下降的。冬季降水量本身要小于其他三个季节,从前面的结果也可以知道这一点,特别是在1996年之后,降水量一直维持在三十年的平均水平,在2007和2009年,降水量更明显地低于平均值。

5.2. 四川西部降水距平变化特点

图5可以看出,四川西部地区春季的降水量在近些年有增多的趋势,这一点在1998年后表现的非常明显,而1998之前的7年,降水量全部低于多年平均值,在1981到1990年的降水量年际波动特别大,说明西部地区在这段时间内降水量逐年相异。夏季的降水在2000年之后是呈现下降趋势的,在2006年的降水量远远低于其他时候的降水,而这也和2006年西南地区干旱的事实相吻合,从1981到1999年的降水,先是连续性的低于平均水平,而后是连续性的高于平均水平,后面就有着间歇性的变化,如果某个地区连续多年降水量都高于平均水平或者低于平均水平,则说明该地区处于某种“小气候”的环境之中。

秋季降水情况在某些连续的年份如1981~1985年均低于平均降水量,而从1986~1993年的降水量则高于多年平均降水量,而后到2001年止,降水距平有着高低变化的特点,2002~2006年,平均降水量低于年均降水,从2002年开始降水量呈下降趋势。冬季的降水则明显是常年低于平均水平,降水量一直在下降,特别是1993年之后,降水量持续走低。

Figure 4. Precipitation anomalies in eastern Sichuan

图4. 四川东部地区降水距平

从上面的事实可以看出,降水量在近些年,特别是2000年之后,在各个季节均是下降的,这种情况和全球气候变化是有关系的,可能的原因之一是全球变暖导致了地区性的水汽分布的变化,从而造成了一定区域内降水的增加或减少。

5.3. 降水年变化率和趋势系数

表1是东部和西部地区的降水年变化率和趋势系数,从中所反映出来的数据表明,除了在春季,川东地区和川西高原有着0.017/10a和1.3/10a的增长速度外,其余三个季节降水量一直在减少,并且四川东部地区秋季降水量下降的速率最快。在统计学中,一般将趋势系数超过0.05就称之为明显变化,从趋势系数的统计上来看,四川东部地区在秋季和冬季的降水减少非常明显,而四川西部地区则是在春季降水量增加明显,在冬季减少明显。

5.4. 多年降水的空间分布变化趋势

图6是川东地区多年降水变化趋势图,值小于零代表降水在三十年间是减少的区域,大于零代表了

Figure 5. Precipitation anomalies in western Sichuan

图5. 四川西部地区降水距平

降水增多的区域。可以发现在川东的中部地区从1981到2010年间降水量在减少,川东的东部地区降水在各个季节均为增多。川东的南部地区在春季降水基本不变,夏季和秋季降水增多,冬季降水明显减少。

图7是四川西部多年降水的日变化情况,可以发现图中左上角的石渠县多年降水是减少的,降水增加的区域主要位于西部地区,分别是白玉县和德格县。在春季和冬季,川西东部地区降水量明显减少,夏季和秋季在这一区域的减小趋势并不明显,特别是在川西南部,夏秋冬的多年平均降水是增多的。高原地区春季和冬季降水之所以较少的主要原因是这两个季节以降雪为主,雨量计能记录到的降水并不多,而夏季降水则相对较多。

6. 结论和讨论

本文利用1981~2010年四川省41个气象站所记录的日降水信息,在分析了多年降水数据的时空分布变化特征后,计算了降水信息与地理因子的相关性。为了规避高程的影响,我们将四川省分为川西高原和川东平原两个部分进行多年降水变化的研究,分别分析了川西和川东的降水距平和多年降水变化率情况,获知了四川省降水的整体情况和过去三十年降水变化的情况,主要结论可总结如下:

Figure 6. Precipitation trend for many years in eastern Sichuan

图6. 川东多年降水变化趋势

1) 多年降水天数变化情况:将时间细分为四季,研究所涉及到的年份当中,夏季降水的天数累计达到2600天,而冬季的降水天数仅有1767天。四川西部地区受地形的影响,降水天数明显少于非高原地区。

2) 降水量情况:夏季的平均降水量明显高于其他季节,这是季节因素决定的,从图3中可知,四川的降水区域明显集中在四川东部和四川西部靠近云南和西藏的地区,同时,秋季是所有季节中降水量最少的季节,四川南部的冬季降水较多。

3) 降水距平的变化:在四川东部,春季的降水在正向和负向各有15年,正向代表该年降水比多年平均降水量多,反之则少。细分到季节,1998年前,春季降水距平正负变化各有交替,1998之后正距平年份多于负距平年份;夏季,从1998年~2002年,距平皆为正,而2002年之后的降水量少于之前的降水量;秋季情况与夏季类似;冬季降水量一直维持在三十年平均水平,在2007和2009年,降水量明显低于平均量。西部的春季降水近些年在增加,特别是1998年以后,而从1991~1997年,降水量全部低于多年平均值,且从1981~1990年的降水量年际波动特别明显;川西夏季降水从2000年开始下降,而之前的变化特点是连续多年低于平均水平,又连续多年高于平均水平。

4) 多年降水变化情况:多年以来,春季川东和川西地区的降水量分别以0.017/10a和1.3/10a的速率增长,其余季节的降水均为降低,且川东地区秋季降水下降最快。若趋势系数超过0.05则可称为明显变化,

Figure 7. Precipitation trend for many years in western Sichuan

图7. 川西多年降水变化趋势

Table 1. Precipitation change rates and trend factors in eastern and western Sichuan

表1. 四川东部地区和西部地区降水变化率及趋势系数

那么川东地区秋季和冬季的降水减少就非常明显。同时,多年来,降水在四川的不同地区呈现不同的变化特征。

基金项目

受到国家重点研发计划(2017YFC0803900)及中国交通通信信息中心储备项目(2017CB05)的资助。

参考文献

文章引用: 孙云华 , 崔希民 , 杨 星 (2018) 1981~2010年四川省的降水时空分布变化特征研究。 气候变化研究快报, 7, 163-173. doi: 10.12677/CCRL.2018.73019

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