近50年浙江省降雨變化特征分析

近50年浙江省降雨變化特征分析

降水是水文循環(huán)的主要組成部分，氣候變化對降水模式和強(qiáng)度的影響將導(dǎo)致水文循環(huán)的變化。隨著大氣中CO2濃度不斷增加,氣候變暖趨勢進(jìn)一步增強(qiáng),使得降雨在空間分布和年內(nèi)分配上發(fā)生了變化,這給以水文循環(huán)為基礎(chǔ)的水資源利用和管理帶來了新的挑戰(zhàn)。浙江省位于中國東南沿海,地處長江三角洲南(圖1),屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候變化較為明顯,降雨是該省水資源的主要來源,同時(shí)該區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)十分發(fā)達(dá),因此,分析其降雨特性將有助于深入了解氣候變化對水文水資源的影響,為區(qū)域內(nèi)水資源的合理開發(fā)利用從而保障其社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等方面均具有十分重要的理論與實(shí)際意義。1數(shù)據(jù)和方法1.1極端強(qiáng)降雨的年際變化特征分析選取浙江省內(nèi)具有近50年系列的17個(gè)氣象站逐日降雨資料,其站點(diǎn)分布如圖1所示,各站基本情況見表1中的“雨量測站信息”欄。本文所用的主要統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有:汛期降雨量、枯季降雨量、降雨頻率、降雨強(qiáng)度。根據(jù)浙江省水資源特點(diǎn),汛期為5~9月,枯季為10~次年的4月;降雨頻率定義為有降雨的天數(shù)占總天數(shù)的百分比;降雨強(qiáng)度為有降雨的天數(shù)日降水量的平均值,由于降雨強(qiáng)度能較好地反映其他極端降雨指標(biāo)的變化特征,因此可用來分析汛期極端強(qiáng)降雨的變化特征。在對浙江西、北部,浙江南部和浙江東部降雨特性進(jìn)行分析時(shí),將各站實(shí)測資料系列插補(bǔ)延長至1951—2004年,并采用泰森多邊形法求得各區(qū)內(nèi)的面雨量。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1累計(jì)數(shù)sk的計(jì)算和序列的求解對于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x,構(gòu)造一秩序列:sk=k∑i=1ri(k=2,3,?,n)(1)其中,ri={+1當(dāng)xi>xj0否則(j=1,2,?,i)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下,定義統(tǒng)計(jì)量:UFk=[sk-E(sk)]√Var(sk)(k=1,2,?,n)(2)其中UF1=0,而E(sk)、Var(sk)是累計(jì)數(shù)sk的均值和方差。在x1,x2,…,xn相互獨(dú)立且有相同連續(xù)分布時(shí),有{E(sk)=n(n-1)4Var(sk)=n(n-1)(2n+5)72(3)給定顯著水平α,查正態(tài)分布表Uα/2,若|UFi|>Uα/2,則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時(shí)間序列的逆序,重復(fù)上述過程,使得UBk=-UFn+1-k,k=n,n-1,…,1,UB1=0。在統(tǒng)計(jì)量曲線圖中,若UFk或者UBk的值大于0,則表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢,而當(dāng)曲線UF超過信度曲線時(shí),如果UF、UB兩條曲線相交的點(diǎn)位于信度曲線之間,這點(diǎn)便是突變點(diǎn)的開始。1.2.2無趨勢的序列及構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)(亦為τ檢驗(yàn))是建立在連續(xù)實(shí)測值的比例數(shù)基礎(chǔ)上,是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法。對序列x1,x2,…,xn,先確定所有對偶值(xi,xj)(j>i)中xi<xj的出現(xiàn)個(gè)數(shù)p。如果按順序前進(jìn)的值全部大于前一個(gè)值,這是一種上升趨勢,p為(n-1)+(n-2)+…+1,則其總和為n(n-1)/2。如果全部倒過來,則p=0,即為下降趨勢。由此可知,對無趨勢的序列的數(shù)學(xué)期望E(p)=n(n-1)/4。構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量U=τ[Var(τ)]1/2?τ=4pn(n-1)-1?Var(τ)=2(2n+5)9n(n-1)(4)當(dāng)n增加,U很快趨于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。假設(shè)原序列無趨勢。給定顯著水平α后,查算Uα/2。當(dāng)|U|<Uα/2時(shí),接受原假設(shè),即趨勢不顯著;反之,趨勢顯著。1.2.3非線性科學(xué)領(lǐng)域小波分析理論是由法國地球物理學(xué)家J.Morlet首次提出并應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)分析,已在圖像處理、模式識別、語音識別、流體力學(xué)、電磁場、大氣科學(xué)、水文學(xué)、分形、數(shù)值計(jì)算等非線性科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于水文氣候資料序列中包含有多種時(shí)間尺度的周期變化,而復(fù)數(shù)形式的Morlet小波因其實(shí)部和虛部的位相差位π/2,所以當(dāng)用復(fù)值小波變化系數(shù)的模作為判別序列中包含的各個(gè)尺度周期性的大小以及這些周期在時(shí)域中的分布時(shí),就能消除用實(shí)型小波變化系數(shù)作為判據(jù)產(chǎn)生的虛假振蕩,從而使得結(jié)果更準(zhǔn)確,因此本文采用連續(xù)的Morlet小波作為基函數(shù)進(jìn)行小波變換。(1)非零實(shí)體依托力小波是函數(shù)空間L2(R)中滿足下述條件的一個(gè)函數(shù)或者信號ψ(t)Cψ=∫R*|ψ(t)|ωdω<+∞(5)式中,R*=R-{0},表示非零實(shí)數(shù)全體。ψ(t)稱為小波函數(shù),此條件稱為“容許性條件”。對于任意的實(shí)數(shù)對(a,b),其中,參數(shù)a必須為非零實(shí)數(shù),稱如下形式的函數(shù)ψa,b(t)=1√|a|ψ(t-ba)(6)為小波函數(shù)ψ(t)生成的且依賴于參數(shù)(a,b)的連續(xù)小波函數(shù),簡稱小波,其中a稱為伸縮尺度參數(shù),反映了小波的周期長度;b稱為平移尺度參數(shù),反映了在時(shí)間上的平移,其中Morlet小波函數(shù)ψ(x)=eicxe-(t2/2)。(2)時(shí)間序列離散若ψa,b是式(6)中的子小波,對于時(shí)間序列f(x)∈L2(R),那么它的連續(xù)小波變換為Wf(a,b)=|a|-12∫+∞-∞f(t)ˉψ[t-ba]dt(7)ˉψ為ψ的復(fù)共軛函數(shù),Wf(a,b)為小波變換系數(shù),而在實(shí)際應(yīng)用中時(shí)間序列都是離散如f(kΔt)(k=1,2,…,N;Δt為取樣時(shí)間間隔),而式(7)的離散形式為Wf(a,b)=|a|-12Δt∑k=1Νf(kΔt)ψˉ[kΔt-ba](8)從(7)或(8)式中知,小波變換同時(shí)反映了f(t)的時(shí)域和頻域特性。當(dāng)a較小時(shí),對頻域的分辨率較低,對時(shí)域的分辨率較高,a增大時(shí),對頻率分辨率增大,對時(shí)域分辨率減小,因此小波變換可以實(shí)現(xiàn)窗口大小固定、形狀可變的時(shí)域局部化,被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。2降雨、降雨頻率與降雨強(qiáng)度年際間的變化規(guī)律汛期降雨量是浙江省全年水資源的主要來源,同時(shí)對防洪安全產(chǎn)生影響,因此有必要對全省各分區(qū)的汛期降雨量、降雨頻率與降雨強(qiáng)度在年際間的變化規(guī)律進(jìn)行分析。2.1分析過程中浙江南部的暴雨特征取顯著水平α=0.05,則相應(yīng)的檢驗(yàn)臨界值Uα/2=1.96,用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)趨勢分析法對各降雨測站的汛期降雨量進(jìn)行分析,其結(jié)果如表1所示。處于錢塘江流域中上游的衢州、金華、杭州站以及處于干流下游附近的慈溪站,汛期降雨量呈現(xiàn)出減少趨勢,但|U|<1.96,可以認(rèn)為減少趨勢不顯著;而在處于錢塘江支流上的天目山、嵊縣、平湖和鄞縣四站的汛期降雨量則有不顯著的增加趨勢。浙江南部的麗水、龍泉和溫州的汛期降雨量均呈現(xiàn)出不明顯的減少趨勢。位于浙江東部的石浦、洪家和大陳島有不顯著的減少趨勢,其余三站為增加趨勢,特別是定海站呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢。而總體上來看,汛期降雨量呈現(xiàn)增加趨勢主要集中在浙江省東北部(包括嵊泗、平湖、鄞縣、定海、嵊縣等5個(gè)站點(diǎn),而全省呈現(xiàn)增加趨勢的站點(diǎn)總數(shù)為7個(gè)),而西南部(包括杭州、衢州、金華、龍泉、麗水、溫州、洪家、大陳島等8個(gè)站點(diǎn),而全省呈現(xiàn)減少趨勢的站點(diǎn)總數(shù)為10個(gè))主要呈現(xiàn)為減少趨勢。利用Mann-Kendall突變檢測法對浙江省各個(gè)分區(qū)汛期面雨量進(jìn)行分析。由于圖2(a)中統(tǒng)計(jì)量曲線UF、UB均位于臨界線內(nèi),說明近50年來浙江西、北部地區(qū)的面降雨量變化趨勢不明顯,除在1982—1992年間有不顯著的減少趨勢外,其余時(shí)間段呈現(xiàn)出不顯著的增加趨勢;圖2(b)說明浙江南部的汛期降雨量整體上呈現(xiàn)顯著的減少趨勢,并在2001年左右發(fā)生突變;從圖2(c)可以看出,浙江東部在1985年前主要為增加趨勢,而在1985年以后呈現(xiàn)出以減少趨勢為主的現(xiàn)象,并在1955和2000年左右發(fā)生了突變。而從全省來看,浙江省各區(qū)從20世紀(jì)80年代初期至2004年,汛期降雨量呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。2.2浙江省各地面降雨特征從表1中對汛期降雨頻率的分析結(jié)果可以看出,17個(gè)站點(diǎn)的降雨頻率除慈溪(0.02)、嵊泗(0.29)和定海(0.04)為不顯著的增加趨勢外,其余各站均表現(xiàn)出不顯著的減少趨勢。對浙江省各區(qū)面雨量進(jìn)行分析可知,在浙江西、北部地區(qū)[圖3(a)],汛期降雨頻率在1966—1975年間為不顯著的減少趨勢,而在其他時(shí)間段為增加趨勢,并在1964、1969年發(fā)生突變;在浙江南部[圖3(b)]的汛期降雨頻率主要為減少趨勢;浙江東部[圖3(c)]也主要為減少趨勢,并在1963、1970和1989年發(fā)生了突變。這與表1中利用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法得到的結(jié)果也一致。2.3分析結(jié)果及分析由表1中汛期降雨強(qiáng)度和汛期降雨量的Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量可以看出,前者和后者在變化趨勢上除杭州站、嵊縣站、大陳島站外其他均相同。在Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線圖4(a)中,根據(jù)曲線UF超過信度曲線且UF、UB兩條曲線相交的點(diǎn)位于信度曲線之間的特點(diǎn)可知,浙江西、北部汛期降雨強(qiáng)度在1982—1994年間為減少趨勢,且在1954、1989、2003年存在突變;從圖4(b)可知浙江南部的汛期降雨強(qiáng)度在1987—2000年間為減少趨勢,其余時(shí)間段為增加趨勢,其中并在1957年發(fā)生了突變;浙江東部的汛期降雨強(qiáng)度在1986年前為增加趨勢,1987—2004年主要為減少趨勢,并在1954、2000年左右發(fā)生了突變[圖4(c)]。3水資源供給側(cè)影響因素分析枯季降雨特性不僅影響著水資源的需求,而且也影響著水資源的供給,因此分析其變化特性,對調(diào)配水資源、減少水資源供需矛盾、實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展等方面起著十分重要的作用。3.1枯季降雨分析由表1中枯季降雨量的Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量大小可知,選用的17個(gè)雨量站枯季降雨量均為增加趨勢,且大部分站點(diǎn)增加趨勢較為顯著,對各分區(qū)的枯季降雨量進(jìn)行Mann-kendall分析也說明了這一特性(圖5),此外,枯季降雨量在浙江西、北部于1982年、浙江南部于1980年、浙江東部于1993年發(fā)生了突變。3.2優(yōu)化不同站位的枯季降雨強(qiáng)度與枯季降雨量均為增加趨勢相比,枯季降雨頻率在鄞縣、龍泉、石浦、洪家、大陳島、玉環(huán)為減少趨勢,說明在這些站點(diǎn)的枯季降雨強(qiáng)度增加了;但浙江西、北部和浙江南部大部分站點(diǎn)的枯季降雨頻率也為增加趨勢,從圖6中也可以看出,浙江東部地區(qū)主要呈現(xiàn)出減少趨勢,而在浙江西、北部和浙江南部主要為顯著的增加趨勢,并分別在1980、1964年發(fā)生了突變。4年降水量變化的趨勢和周期分析4.1浙江南部階段浙江西、北部各站年降雨量均為增加趨勢,而枯季降雨量也為增加趨勢,說明有汛期降雨量減少趨勢的雨量站即杭州、慈溪、金華和衢州站枯季降雨量增加量大于其汛期減少量;而由圖7(a)可知浙江西、北部在1988年左右發(fā)生了突變;對于處于浙江南部的麗水和龍泉站來說,由于汛期減少的降雨量大于枯季增加的降雨量,因此年降雨量仍表現(xiàn)出減少趨勢,而溫州站在汛期減少的雨量站小于枯季增加的降雨量,表現(xiàn)出增加趨勢,而以三站資料為基礎(chǔ)插值得到的浙江南部區(qū)面降雨量變化特征在1980年后開始呈現(xiàn)減少趨勢,且發(fā)生突變的年份為1990年左右[圖7(b)];浙江東部區(qū)中嵊泗、定海、玉環(huán)站由于汛期和枯季的降雨量均為增加趨勢,因此年降雨量增加趨勢顯著,石浦站由于枯季增加的降雨量高于汛期減少的降雨量,故年降雨量亦為增加趨勢,但洪家、大陳島站枯季增加的降雨量小于汛期減少的降雨量,故年降雨量呈現(xiàn)減少趨勢,從圖7(c)可以看出,浙江東部區(qū)年降雨量在1986年前主要表現(xiàn)為增加趨勢,而之后表現(xiàn)為減少趨勢,且在1998年左右發(fā)生了突變。4.2降水多尺度分析根據(jù)2.2中對Morlet小波原理及小波變化方法,繪制出浙江省西、北部,南部,東部年降雨量的小波變換系數(shù)的模、實(shí)部(圖8)。從圖8(a)中的小波系數(shù)模圖可以分析得知,浙江西、北部年降雨量存在明顯的11、21年兩種不同時(shí)間尺度的周期變化,從11年變化周期尺度上可分析出,從1951到2004年的54年間已有過年降雨量多、少交替的4次振蕩;而在21年變化周期尺度上,已有過2次振蕩,且根據(jù)小波系數(shù)實(shí)部可知目前處于第5次振蕩的減少變化范圍內(nèi),這與4.1中分析的變化趨勢是有所差別的(因?yàn)?.1中時(shí)間變化尺度是1年),因此可知,從不同的時(shí)間變化尺度分析可得到不同的變化趨勢,也說明了年降雨量的變化在時(shí)間上存在多尺度效應(yīng)。同理可知,在浙江南部存在20、8年的明顯變化周期[圖8(b)],1951—2004年間在20年變化尺度上已有過2次振蕩,8年時(shí)間尺度上已有了6次振蕩,在這兩個(gè)變化尺度上2004年以后均處在減少趨勢的變化范圍內(nèi);浙江東部年降雨量存在明顯的11、8、21年變化周期,從1951—2004年間在它們各自時(shí)間尺度上分別已經(jīng)完成4、6、2次振蕩。5降雨、降雨特征在不同時(shí)間尺度和降水本文通過對浙江省內(nèi)汛期、枯季和全年降雨量、降雨頻率、降雨強(qiáng)度等要素的分析可知,浙江省近50年主要的降雨變化特性如下:(1)通過對浙江省汛期降雨量、汛期降雨頻率與降雨強(qiáng)度分析可以得知,浙江省汛期降雨量呈現(xiàn)增加趨勢的主要集中在浙江省東北部,西南部主要為減少趨勢,汛期降雨頻率除慈溪和定海站為不顯著的增加趨勢外,其余各站均表現(xiàn)出不顯著的減少趨勢,而汛期降雨強(qiáng)度和汛期降雨量在變化趨勢上除杭州站、嵊縣站、大陳島站外其他均相同;另外,雖然汛期降雨頻率(有14個(gè)測站)和汛期降雨量(10個(gè)測站)大部分呈現(xiàn)減少趨勢,但汛期降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)出增加趨勢的有8個(gè)測站,汛期降雨量與降雨強(qiáng)度同時(shí)呈現(xiàn)增加趨勢的有杭州、平湖、鄞縣、嵊泗、定海、玉環(huán)等6個(gè)測站,而這種變化趨勢對這些測站所控地區(qū)的防洪安全可能造成不利的影響;(2)枯季降雨量無論是各個(gè)分區(qū)還是各雨量站均為增強(qiáng)趨勢,且大部分站點(diǎn)增加趨勢較為顯著,這將有利于減輕枯季時(shí)水資源短缺;枯季降雨頻率在鄞