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湖北谷城近49a降水变化特征分析(论文)


湖北谷城近 49a 降水变化特征分析
杨诗定
(谷城县气象局,谷城 441700) 利用谷城县 1959~2007 年降水观测资料,采用线性倾向估计、累积距平、移动平滑等方法对近 49a 摘 要: 降水变化特征及变化趋势进行分析,得出近 49a 谷城年降水量呈缓慢增多趋势(4.3mm/10a),且有 23a、21a 的周期变化。夏季降水量增多明显(30.6mm

/10a),秋季降水量却呈减少趋势(-21.8mm/10a)。年降水量的增 长主要源于夏季降水增长的贡献。同时,年降水增多、雨日减少、暴雨日增多,表明谷城地区强降水的危 害有增多的趋势。 关键词:谷城; 气候变化;降水

引 言
气候变化是国际社会关注的焦点, 也是气象科学研究的热点问题。 相对于全球性的持续 变暖趋势, 降水量变化特征有更大的不确定性和区域特征, 因此研究不同区域降水量的变化 特征是当前全球气候变化研究的重要内容之一。 IPPC 第三次评估报告指出 20 世纪半球亚热 [1] 带陆地地区每 10 年减少约 0.3%,而大部分中高纬地区降水量每 10 年增加 0.5~1.0% 。很 [2] 多学者对我国和湖北省降水变化特征进行了深入研究,取得大量研究成果。如王英等 基于 1951~2002 年中国约 730 个气象台站观测数据对我国降水近 50 年变化进行研究表明, 全国 平均年降水量从 60 年代到 90 年代呈明显下降趋势, 但在 90 年代后期出现回升,其中夏季和 [3-4] 冬季降水量已达到 50 年代和 60 年代的水平。 陈隆勋和翟盘茂等 对近 40~50 年我国降水 研究指出:全国平均年降水量呈减少趋势,但西部降水量增长趋势明显,其中以西北地区为 [5] 最,而西南一些地区有减少趋势。郑祚芳等 对湖北省近 50 年气候变化的研究结论是, 降 [6] 水量的变化趋势差异明显,年降水量有弱的增多趋势。 冯明 对全省 72 个台站来的降水资料 进行分析后发现, 全省降水差异较大, 分布不均, 1980 年以来东部地区降水偏多, 西部地 [7] 区则相反。覃军 王海军 对湖北省 1961 年以来降水变化趋势分析,指出年降水量有增加趋 势,其分布格局是东增西减,南增北减。 谷城县位于湖北省西北部山区,1959~2007 年年平均降水量 932 毫米,降水变化对当 地经济社会和人们生活影响巨大,降水的不均匀性(干旱、暴雨)造成的损失巨大。因此对 降水变化的研究,揭示其变化特征,对于服务当地经济社会发展,增强防灾减灾主动性具有 重大意义。本文将对该地区 49 年来降水变化进行分析,揭示其基本气候特征和变化趋势。

1 资料及分析方法
1.1 资料 本文选取谷城站(站址未迁移过)1959~2007 年人工观测降水资料,按年(1~12 月) 、汛 期(5~9 月) 、春季(3~5 月)、夏季(6~8 月)、秋季(9~11 月)、冬季(12~次年 2 月)组成 序列。 1.2 方法 1.21 气候倾向率 降水的气候率采用一次线性方程表示,即: i=1,2,…,n。 (1) Ri=a0+bti, 式中 Ri 为降水量,ti 为时间,b×10 为气候倾向率,表示降水量每 10 年的趋势变化率。

1.22 累积距平 累积距平是一种由曲线直观判断要素变化的方法,可表示为: Ct= (X i ? X )
t


i =1

?

i=1,2,…,n。

(2)

式中 Xi 历年降水量, X 是平均值。 1.23 滑动平均 滑动平均是趋势拟合技术的基础方法,相当于低通滤波器。用时间序列的平滑值来显 示变化趋势,对于样本容量为 n 的时间序列 x,其滑动平均序列为:
?

?

X j=

1 k

k

∑x
i =1

i+j-1

j=1,2,…,n-k+1

(3)

式中 K 为平滑长度。

2 统计结果与分析
2.1 降水量变化趋势 2.11 年降水量的变化 谷城县 1959 ~ 2007 年的年降水量序列的特征值计算结果见表 1。 从表 1 中可以看出, 谷城年降水量的最大值为 1369mm, 出现在 1959 年; 最小值为 533 mm, 出现在 1965 年; 多 年平均降水量 932mm;降水量的年际变化较大, 变差系数达到 0.20。
表1 谷城县 1959~2007 年降水量序列特征值

统计值 降水量

均值/mm 932

标准差/mm 190

最大值/mm 1369

最小值/mm 533

变差系数 0.20

统计谷城县 1960 年代(1961~1970)、1970 年代(1971~1980)、1980 年代(1981~ 1990)、1990 年代(1991~2000)及 2001~2007 年的年及春、夏、秋、冬平均降雨量,其 结果见表 2
表2 年代 年平均 谷城县 1959~2007 年各年代的年、季平均降水量(mm) 春季 夏季 秋季 冬季

1961~1970 1971~1980 1981~1990 1991~2000 2001~2007

925.5 944.4 940.2 881.7 976.6

284 232 248 231 236

279 389 355 378 436

294 244 249 206 213

76 79 88 71 78

从表 2 可以看出,1961~1990 年降水量变化不大,1991~2000 年是相对少雨时期,进 入 21 世纪后年降水量呈递增趋势,夏季尤为明显。2001~2007 年平均降水量分别比 1960 年代、1970 年代、1980 年、1990 年代偏多 51.1 mm、32.2 mm、36.4 mm、94.9 mm。春季、 冬季降水年代间变化不明显;夏季变化最突出,2001~2007 年平均最多,1960 年代最少; 秋季 1960 年代最多,1990 年代最少。 从近 49a 谷城县年降水量的变化情况看(图 1),总体呈缓慢上升趋势,其倾向率为 4.3mm/(10a),且具有阶段性增加、减少变化。1960 年代年降水量变化平缓,虽有波动,但 变化不大;1960 年代末至 1970 年代中期,呈减少趋势;1970 年代 中期到 1980 年代前期, 呈增加趋势;1980 年代前期至 1990 年代前期降水变化平缓;1990 后代明显减少,处于历史

少雨(或干旱)时期;进入 21 世纪,呈明显增加趋势,进入多雨时期。
1400 1300 1200 1100 降 量 水 /mm 1000 900 800 700 600 500 400 1959年 1965 1971 1977 1983 年份 1989 1995 2001 2007年

R=919.5280+0.4303*T

降雨量

7次平滑

线性 (降雨量)

图 1 谷城 1959~2007 年降水量变化曲线

采用方差分析方法对谷城年降水量进行周期分析。 首先对年降水量序列进行周期分 析结果我们发现,存在 23a 的显著周期。然后对余差序列进行第二周期分析,结果存在 21a 的次显著周期。第一显著周期与第二周期进行叠加表明周期分析方法对保城年降水 量拟合效果较好(见图 2)。

1400 1300 1200 降 量 水 /mm 1100 1000 900 800 700 600 500 1959年 1965 1971 1977 1983 年份 1989 1995 2001 2007年

降雨量

周期叠加值

图 2 谷城 1959~2007 年降水量周期变化 2.12 四季降水量的变化
450 400 350 降水量/mm 300 250 200 150 100 1959年 1965 1971 1977 1983 年份 1989 1995 2001 2007年

R=267.6046-0.8046*T

春季降水量

七次平滑

线性 (春季降水量)

(a)春季

900 800 700 降水 量/mm 600 500 400 300 200 100 1959年 1965 1971 1977 1983 年份 1989

R=283.8827+3.0643*T

1995

2001

2007年

夏季降水量

七次平滑

线性 (夏季降水量)

(b)夏季
600 500 降水量/mm 400 300 200 100 0 1959年 1967 1975 1983 年份 1991 1999 2007年

R=299.6505-2.1811*T

秋季降水量

七次平滑

线性 (秋季降水量)

(c)秋季
250

R=73.2704+0.1729*T
200 降水量/mm 150 100 50 0 1959年

1965

1971

1977

1983 年份

1989

1995

2001

2007年

冬季降水量

七次平滑

线性 (冬季降水量)

(d)冬季 图 3 谷城 1959~2007 年四季降水量变化曲线

分析近 49a 谷城县四季降水量的变化情况可以看出(图 1): 春季降水量呈减少趋势,其气候倾向率为-8.1mm/(10a)。1960 年代中期至 1980 年代初 期,降水持续减少,1980 年代中后期出现一个降水增多期,1990 年代至今降水呈减少趋势。 1960 年代为春季多雨期;1970 年代至 1980 年代末、1990 年代至今为春季少雨期。 夏季降水量呈明显增加趋势,其气候倾向率为 30.6mm/(10a)。1960 年代初期至 1980 年代初期,谷城夏季降水经历了长时间的持续增长期。其后降水的变化波动特征明显,1980

年代前期和 1990 年代后期是两个短暂下降期,1980 年代中后期到 1990 年代前期和 2000 年 以后是谷城夏季降水的增长期。 进入 21 世纪后年降水量的增加主要是夏季降水增加的贡献。 2001 年后进入夏季多雨期,1960 年代是夏季的少雨期。 秋季降水量呈明显减少趋势,其气候倾向率为-21.8mm/(10a)。1960 年代初期到 1970 年代末期、 1980 年代初期到 1990 年代初期是谷城秋季降水的的减少期。 1970 年代末到 1980 年代初期、1990 年代中期以后是谷城秋季降水的增长期。秋季多雨期在 1960 年代,少雨期 在 1990 年代。 冬季降水量随时间的变化较小,呈微弱增长趋势,其气候倾向率为 1.7mm/(10a)。除 1980 年代 中期至 1990 年代中期经历了一个增多到减少的明显变化外,其它时段变化平缓。谷城冬季 降水量年代际变化不明显。 2.13 汛期降水量的变化

1400 1200 1000 降水量/mm 800 600 400 200 0 1959年

R=522.5970+2.2618*T

1965

1971

1977

1983 年份

1989

1995

2001

2007年

汛期降水量

线性 (汛期降水量)

图 4 谷城 1959~2007 年汛期(5~9 月)降水量变化曲线

谷城近 49a 汛期降水量总体呈明显增多趋势(图 4),其气候倾向率为 22.6mm/(10a),且有 明显的阶段性变化(图 5)。谷城 1959~2007 年汛期(5~9 月)降水量累积距平曲线显示, 汛期降水随时间的变化具有明显的波动特点, 1950 年代末至 1970 年代中后期汛期降水量 从 持续减少,1970 年代末到 1980 年代中期处于明显增多期,1980 年代中期至 1990 年代末缓 慢减少,2001 年后迅速增多,且趋势维持。
200 0 汛 降 量 积 平 期 水 累 距 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200 1959年

1965

1971

1977

1983 年份

1989

1995

2001

2007年

图 5 谷城 1959~2007 年汛期(5~9 月)降水量累积距平曲线

2.2 年雨日的变化 谷城近 49a 年降雨日数总体整形呈减少趋势(图 6),其气候倾向率为-2.5 天/(10a), 有一个增多期和一个减少期(图 7 )。 1950 年代末期至 1970 年代中后年雨日总体呈增多趋势, 1970 年代末期至 1990 年代末年雨日总体呈减少趋势,2000 年以后年雨日增多。
180 170 160 150 年 日 雨 /天 140 130 120 110 100 90 80 1959年

D=123.9133-0.2455*T

1965年

1971年

1977年

1983年 年份

1989年

1995年

2001年

2007年

雨日

线性 (雨日)

图 6 谷城 1959~2007 年年雨日变化曲线
120 100 年雨日累积距平 80 60 40 20 0 -20
1959年 1967 1975 1983 1991 1999 2007年

年份

图 7 谷城 1959~2007 年年雨日累积距平曲线

2.3 年暴雨发生日数变化趋势
7 6 年 暴雨日 数/天 5 4 3 2 1 0 1959年

D=1.5536+0.0219*T

1967

1975 暴雨日数

1983 年份

1991

1999

2007年

线性 (暴雨日数)

图 8 谷城 1959~2007 年暴雨日数变化

以日降雨量大于等于 50mm 为标准统计。 49 年来谷城县暴雨日数总体呈增多趋势 近 (图

8) ,其气候倾向率为 0.2 天/10a。 从暴雨日数累积距平变化曲线 (图表) 可以看出, 谷城暴雨日数从 1950 年代末期到 1970 年代后期呈减少趋势,而 1970 年代末至今处于暴雨日数期。
4 2 年暴雨日数累积距平 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 1959年 1965 1971 1977 1983 年份 1989 1995 2001 2007年

图 9 谷城 1959~2007 年暴雨日数累积距平

3 结论
(1)谷城县近 49a 来年降水量呈缓慢增多趋势,其增长速率为每 10 年 4.4 毫米。1990 年代是相对少雨时期,进入 21 世纪后年降水量呈递增趋势。同时,年降雨量存在着 23a 的 显著周期和 21a 的次显著周期。 (2)四季降水变化差异明显,春、秋季降水呈减少趋势,夏、冬季呈增多趋势。其中 夏季增多最明显(增长率为 30.6/10a),秋季减少最明显(增长率为-21.8/10a)。 (3) 汛期降水增长趋势明显 (增长率为 22.6mm/10a), 且进入 21 世纪后增多趋势维持。 (4)年雨日呈减少趋势(增长率为-2.5 天/10a),年暴雨日数则呈增多趋势(增长率 为 0.2 天/10a) (5)谷城年降水的增长主要源于夏季降水增长的贡献,同时,雨日减少和暴雨日的增 多,都表明强降水的危害有增多的趋势。

参考文献
[1] IPCC.Climate Change 2001: Impacts,Adaptation & Vulnerability. Cambridge: Cambridge University Press,2001.1~18. [2] 王英,曹明奎,陶波,李克让.全球气候变化背景下中国降水量空间格局的变化特征[J] .地理研究,2006,25(6) :1031-1040 [3] 陈隆勋,邵永宁,张清芬,等.近四十年来中国气候变化的初步分析[J].应用气象学报,1991.2(2):164-173. [4] 翟盘茂.中国降水极值变化趋势检测[J].气象学报,1999.57(2):208-216. [5] 郑祚芳,陈家华,祁文.湖北省近 50 年气候变化特征分析[J].气象科学,2002,22(3):279- 286. [6] 冯明.湖北省降水变化分析[J].长江流域资源与环境,1998,7(3):226-231. [7] 覃军,王海军. 湖北省 1961 年以来气温和降水变化趋势及分布[J] 华中农业大学学报,1997,42(1181):405-410. [8] 魏凤英.现代气候统计诊断与预报技术[M].北京:气象出版社,2007:36-55


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