鄧麗萍,陳紅菊,張燕珊,張紅梅,陳洋麟

① 漳平市氣象局,福建 龍巖 364400;② 龍巖市永定區(qū)氣象局,福建 龍巖 364100;③ 龍巖市氣象局,福建 龍巖 364000

龍巖市降水時空分布及趨勢研究

鄧麗萍①*,陳紅菊①,張燕珊②,張紅梅③,陳洋麟①

① 漳平市氣象局,福建 龍巖 364400;② 龍巖市永定區(qū)氣象局,福建 龍巖 364100;③ 龍巖市氣象局,福建 龍巖 364000

2013-08-18收稿，2013-12-23接受

國家自然科學(xué)基金資助項目(41375137);高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室開放課題(PAEKL-2014-C4);江蘇省氣象科學(xué)研究所北極閣基金(BJG201304);氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué))開放課題(KLME1205);2014年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410300001Z)

摘要利用龍巖市1960—2013年7個國家級氣象站的逐日降水資料,采用 Mann-Kendall 趨勢和突變檢驗法及Morlet 小波功率譜分析方法,分析龍巖市降水的時空分布規(guī)律。結(jié)果表明,龍巖市年降水量呈微弱增加趨勢,年際波動振幅較大。年降水量多年平均值為1 641 mm,最小值出現(xiàn)在1991年(1 139.9 mm),最大值則出現(xiàn)在1975年(2 286.9 mm),年降水時間序列存在顯著的2～8 a的周期。降水主要集中在春季,春季降水量占全年降水量的38.2%左右,其次是夏季和秋季,冬季降水量最少,僅占全年降水量的11.5%。1—6月月平降水量呈現(xiàn)增長趨勢,8—12月呈現(xiàn)遞減趨勢。北部和南部年降水量整體變化趨勢基本一致,南部地區(qū)總體小于北部地區(qū),只有極個別年份南部地區(qū)降水量大于北部地區(qū)。

關(guān)鍵詞

降水量

時空分布

M-K檢驗

大量研究表明,全球氣候系統(tǒng)正在變暖,其中降水的時空分布也發(fā)生變化,降水量在高緯度大部分地區(qū)增加,中緯度大部分地區(qū)減少(施能等,2003)。降水變化的研究主要集中于降水的時空變化特征。國外學(xué)者相繼研究日降水量、降水日數(shù)、日極端降水等的變化趨勢(Moberg and Jones,2005)及不同時間尺度下降水的空間變化分布規(guī)律(Baigorria et al.,2007)。De Jongh et al.(2006)利用比利時Uccle站點105 a(1898—2002年)的降水資料,采用小波分析方法,分別對該地區(qū)年、月和季節(jié)降水變化進(jìn)行了研究。Narisma et al.(2007)應(yīng)用小波分析方法分析了全球20世紀(jì)降水的區(qū)域突變。潘敖大等(2011)分析了長江三角洲1961—2006年降水的時空變化趨勢,發(fā)現(xiàn)46 a間年降水量沒有明顯的變化趨勢,但降水的季節(jié)分配有所變化,冬、夏季降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢,秋季降水量明顯下降,春季沒有明顯變化。李明剛等(2012)分析了近50 a來華東地區(qū)各類極端降水事件的強度和發(fā)生頻次的年代際變化。結(jié)果表明:華東地區(qū)極端降水事件年代際變化特征明顯。近20 a來,不論是極端降水事件的平均強度還是發(fā)生次數(shù)都要明顯高于前30 a。陳海山等(2009)利用中國419個測站1958—2007年逐日降水資料集,分析了近50 a中國不同區(qū)域年和季節(jié)極端降水事件的基本變化特征。

龍巖市位于福建省西南部(115°51′～117°45′E,24°23′～26°02′N),總面積19 052 km2,其中山地1 496 km2,丘陵3 101 km2,平原985 km2。境內(nèi)武夷山脈南段、玳瑁山、博平嶺等山脈沿東北—西南走向,大體呈平行分布,地勢東高西低、北高南低。研究龍巖市降水時空分布規(guī)律,對防災(zāi)減災(zāi),提高抵抗自然的能力具有積極的意義。

1資料和方法

1.1資料選取與區(qū)域劃分

選取龍巖市7個觀測站1960—2013年均一性較好的逐日降水觀測資料,個別缺測時段運用回歸分析方法進(jìn)行訂正。根據(jù)研究需要,將龍巖市分為兩個部分,分別為:龍巖北部、龍巖南部。龍巖北部地區(qū)由長汀、上杭、連城和武平四個站作為代表站,龍巖南部由新羅、永定和漳平三個站作為代表站。分別從龍巖北部、龍巖南部兩個不同區(qū)域分析降水的空間分布規(guī)律。

1.2研究方法

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(陳亞寧等,2009;劉亞龍等,2010;于文金等,2012)分析方法,包括突變檢驗和長期趨勢檢驗,用于降水量在時間序列上突變檢測和長期趨勢分析。依據(jù)小波變換和小波功率譜的理論(崔錦泰,1997;Torrence and Compo,1998)對龍巖市54 a來的年降水量、各個季節(jié)降水量以及龍巖北部、南部地區(qū)年降水變化在時間序列上進(jìn)行多尺度特征分析。為減小誤差,獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果,建立相應(yīng)的影響錐去除邊界效應(yīng)對于降水周期特征的影響,并對得到的降水周期特性進(jìn)行了0.05信度的高斯白噪聲檢驗(江靜和錢永甫,2000;孫衛(wèi)國等,2005)。

2結(jié)果分析

2.1時間分布及變化

2.1.1年際降水量變化

由圖1可見,1960—2013年龍巖市降水量呈微弱增加趨勢,年際波動振幅比較大。年降水量多年平均值為1 641 mm,最小值出現(xiàn)在1991年(1 139.9 mm),最大值則出現(xiàn)在1975年(2 286.9 mm),其他年份年降水都在1 600 mm上下浮動。從年降水量的5 a滑動平均來看,龍巖市年降水量從20世紀(jì)60年代初到70年代初呈減少趨勢,70年代初期到中期呈現(xiàn)增長趨勢,70年代中期到80年代初期呈現(xiàn)下降趨勢,其他時段的變化趨勢比較平緩。年降水趨勢線系數(shù)為1.7,表明龍巖市年降水總體變化趨勢為平均每10 a增加17 mm左右,增長趨勢不是很明顯,沒有通過0.05顯著水平的M-K趨勢檢驗。

圖1　1960—2013龍巖市年降水量變化(單位:mm)Fig.1　Annual precipitation(mm) in Longyan,1960—2013

圖2　1960—2010 年龍巖市年降水量小波功率譜分析(粗實線區(qū)域通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.2　Morlet wavelet analysis of annual precipitation in Longyan,1960—2013 (regions with a phase difference exceeding the 0.05 significance level are encircled by bold lines)

由1960—2010 年龍巖市降水量小波功率譜分析(圖2)可見,龍巖市年降水時間序列存在顯著的2～8 a的周期,其次是顯著的準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4～6 a的周期,并通過0.05信度的顯著性檢驗。準(zhǔn)3 a周期的譜值在70年末期到90年代初期及1995較強,而準(zhǔn)4～6 a周期的譜值在2000—2010年較強,其他年份較弱。

2.1.2季節(jié)降水量變化

本文以每年3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月至次年2月為冬季來劃分四季。從降水的季節(jié)變化來看(表1),降水主要集中在春季,春季降水量最大,占全年降水量的38.2%左右,其次是夏季和秋季,冬季降水量最少,僅占全年降水量的11.5%。由四季平均降水量年代際變化(圖3)可以看出,1960—2013年龍巖市秋季降水呈下降趨勢,但是從Mann-Kendall長期趨勢檢驗看,春季和秋季降水都是呈現(xiàn)下降趨勢,但都沒有通過0.05信度的顯著性檢驗;夏季和冬季降水量呈增長趨勢,也都沒有通過0.05信度的顯著性檢驗,表明變化趨勢不并明顯。

表1龍巖市季節(jié)降水及變化趨勢

Table 1Seasonal precipitation in Longyan

季節(jié)平均降水量/mm占全年百分比/%春627.938.2夏610.337.2秋215.113.1冬188.511.5

圖3　1960—2013年龍巖市四季平均降水量年代際變化曲線(單位:mm)Fig.3　Seasonal precipitation(mm) and its interdecadal variation in Longyan

圖4　1960—2013年龍巖市春(a)夏(b)秋(c)冬(d)季節(jié)降水量小波功率譜分析(粗實線區(qū)域通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.4　Morlet wavelet analysis of seasonal precipitation in Longyan,1960—2013(regions with a phase difference exceeding the 0.05 significance level are encircled by bold lines)　　a.spring;b.summer;c.autumn;d.winter

由各季節(jié)降水量小波分析(圖4)可見,春季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～5 a和準(zhǔn)4 a尺度周期,準(zhǔn)2～5 a周期在20世紀(jì)60年代和80年代中期以及1995—2000年較強,其他年份較弱;準(zhǔn)4 a周期在60年代中期和70年代中期至80年代中期較強,其他年份較弱。夏季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～5 a、準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4～8 a尺度周期,且這些周期的強度隨著時間變化,準(zhǔn)2～5 a周期在1965年至1975年較強,其他年份較弱;準(zhǔn)3 a譜在1990年代初至2010年代初期都很強;準(zhǔn)4～8 a譜在1990年代中期及2010年代初期比較強,其他年份較弱。與此同時小波功率譜分析還檢測出降水量在年際尺度上存在準(zhǔn)8 a周期和準(zhǔn)16 a以上的年際尺度周期,但是沒有通過0.05顯著水平檢驗。從秋季降水量小波功率譜可以看出,秋季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4 a尺度周期,準(zhǔn)3 a周期在1980—2010年較強,其他年份較弱;準(zhǔn)4 a譜在70年代較強。與此同時小波功率譜分析還檢測出降水量在年際尺度上存在準(zhǔn)16 a以上的年際尺度周期,但是沒有通過0.05顯著水平檢驗。從冬季降水量小波功率譜可以看出,冬季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～4 a、準(zhǔn)5 a尺度周期,準(zhǔn)2～4 a譜在1960—1965年、1975—2000年和2010年左右較強,其他年份較弱;準(zhǔn)5 a譜在1960—1970年較強。

圖5　龍巖市各月平均降水量分布(單位:mm)Fig.5　Distribution of monthly mean precipitation(mm) in Longyan

2.1.3月降水量變化

從月平降水量分布來看(圖5),1—6月降水呈現(xiàn)增長趨勢,8—12月呈現(xiàn)遞減趨勢。龍巖市降水主要集中在3—6月,即春季及夏季前期。降水量最多的是6月,降水量達(dá)284.6 mm,占全年總降水量的17.3%。降水量較少的在10、11、12月,分別占全年總降水量的3.2%、2.7%、2.4%。12月是月降水量最少的。

圖6　龍巖市北部(a)和南部(b)地區(qū)年降水量(單位:mm)變化Fig.6　Annual precipitation(mm) in the (a)northern and (b)southern parts of Longyan

2.2空間分布及變化

為了更好地研究龍巖市降水空間分布規(guī)律,將龍巖市分為北部、南部兩個地區(qū),從兩個地區(qū)年平均降水量分布(圖6)來看,龍巖北部降水量波動比較大,平均降水量1 667.86 mm,降水量最大值出現(xiàn)在1975年(2 355.9 mm),最小值出現(xiàn)在1967年(1 163.1 mm)。由5 a滑動平均線可知,20世紀(jì)60年代到70年代初期、90年代中期到21世紀(jì)初期年降水量呈比較明顯下降趨勢,20世紀(jì)70年代初期到中期呈現(xiàn)上升趨勢。根據(jù)M-K趨勢檢驗,北部地區(qū)年降水量呈上升趨勢,但沒有通過95%的置信水平檢驗,說明趨勢并不明顯。南部地區(qū)在1961、1968、1975、1983、1991、2006年突變較大外,其他年份波動相對比較平緩。南部地區(qū)在1968年出現(xiàn)最小值(868.1 mm),1983年出現(xiàn)最大值(2 302.8 mm),兩者都相差1 434.7 mm。從南部年降水的5 a滑動平均可以看出20世紀(jì)60年代、70年代中后期及20世紀(jì)90年代中后期至21世紀(jì)初期呈下降趨勢,上升趨勢比較明顯的主要是1970—1975年、1985—1995年及2004—2008年。龍巖北部和南部整體變化趨勢基本一致,南部地區(qū)年降水量總體小于北部地區(qū),只有極個別年份南部地區(qū)降水量大于北部地區(qū)。

從龍巖北部和南部年降水量的小波功率譜(圖7)可見,北部年降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～5 a、準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4～6 a周期,且這些周期的強度隨著時間而變化,準(zhǔn)2～5 a譜在1960—1975年、1990—2000年較強,其他年份較弱;準(zhǔn)3 a在1965—1970年、1995年左右和2010年左右較強,其他年份較弱;準(zhǔn)4～6 a在1995—2010年較強,其他年份較弱。與此同時小波功率譜分析還檢測出降水量在年際尺度上存在準(zhǔn)8 a周期和準(zhǔn)16 a以上的年際尺度周期,但是沒有通過0.05信度的顯著性檢驗。南部年降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～4 a和準(zhǔn)4～6 a周期,且這些周期的強度隨著時間而變化,準(zhǔn)2～4 a譜在1960—2000年較強,其他年份較弱;準(zhǔn)4～6 a在2000—2010年較強,其他年份較弱。

由圖8可見,春季北部降水量多于南部;夏季北部和南部降水量相當(dāng),沒有明顯地域差異;秋季北部和南部降水量都呈現(xiàn)下降趨勢,但是北部降水量下降更明顯;冬季北部降水量略大于南部。

通過對龍巖北部和南部的逐月降水量(圖9)對比可見,1—6月和10—12月北部地區(qū)月降水量都多于南部地區(qū),7、8、9月北部月降水量少于南部。北部和南部月降水最大值均發(fā)生在6月,分別為294.2 mm、271.8 mm;最小值均發(fā)生在12月,分別為42.9 mm、38.2 mm。

3結(jié)論

圖7　龍巖北部(a)和南部(b)地區(qū)年降水量小波功率譜分析(粗實線區(qū)域通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.7　Morlet wavelet analysis of annual precipitation in the (a)northern and (b)southern parts of Longyan (regions with a phase difference exceeding the 0.05 significance level are encircled by bold lines)

圖8　龍巖北部、南部和全市各季節(jié)平均降水量(單位:mm)Fig.8　Seasonal average precipitation(mm) in northern and southern Longyan,and that of the whole city

受地理位置和季風(fēng)氣候不同的影響,龍巖市降水分布存在時空差異。根據(jù)龍巖市1960—2013年7個國家級氣象站的逐日降水資料,在統(tǒng)計處理分

圖9　龍巖北部、南部及全市各月降水量分布(單位:mm)Fig.9　Monthly precipitation(mm) in northern and southern Longyan,and that of the whole city

析的基礎(chǔ)上,運用Mann-Kendall趨勢和突變檢驗法及Morlet小波功率譜分析方法,分析全市及北部和南部時空分布規(guī)律及變化趨勢,得到以下結(jié)論:

1)1960—2013年龍巖市年降水量呈微弱增加趨勢,年際波動振幅比較大。年降水量多年平均值為1 641 mm,最小值出現(xiàn)在1991年(1 139.9 mm),最大值則出現(xiàn)在1975年(2 286.9 mm)。龍巖市年降水時間序列存在顯著的2～8 a的周期,其次是顯著的準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4～6 a的周期,并通過0.05信度的顯著性水平檢驗。

2)龍巖市降水主要集中在春季,春季降水量最大,占全年降水量的38.2%左右,其次是夏季和秋季,冬季降水量最少,僅占全年降水量的11.5%。春季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～5 a和準(zhǔn)4 a尺度周期,夏季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～5 a,準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4～8 a尺度周期,秋季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)4 a尺度周期,冬季降水量時間序列存在顯著的準(zhǔn)2～4 a、準(zhǔn)5 a尺度周期。

3)龍巖市1—6月月平降水量呈現(xiàn)增長趨勢,8—12月呈現(xiàn)遞減趨勢。

4)龍巖北部和南部年降水量整體變化趨勢基本一致,南部地區(qū)總體小于北部地區(qū),只有極個別年份南部地區(qū)降水量大于北部地區(qū)。1—6月和10—12月北部地區(qū)月降水量都多于南部地區(qū),7、8、9月北部月降水量少于南部。

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Rainstorms are a major category of meteorological disaster,and thus research on their spatiotemporal distributions and trends is important in reducing or even preventing their adverse impacts.In this study,precipitation data gathered from meteorological observation stations over seven counties in Longyan during a 54-year period from 1960 to 2013 were used to study the spatial distribution characteristics of rainstorms.Further analysis was made by dividing the seven counties of Longyan into southern and northern counties.The main analytical methods used were the Mann-Kendall (M-K) method and Morlet wavelet power spectrum analysis [for the change or long-term trends of precipitation,and multi-scale analysis of the temporal (annual,seasonal,monthly) distribution of precipitation,respectively].

The results showed that the annual precipitation duration at seven meteorological observation stations had an increasing tendency during the 54-year time period,but this tendency was not statistically significant.An obvious change-point occurred around 1975,after which the annual precipitation increased by 101.2 mm.Moreover,based on the Morlet wavelet power spectrum analysis,the southern and northern counties had different significant time-scale cycles,as well as variation in the strength of cycle over time.The precipitation amount at the seven observation stations was greatest in spring,accounting for around 38.2% of the annual precipitation,followed by summer and autumn.However,each of the four seasons demonstrated distinct changes,and change ranges,in different years.For example,spring precipitation changed significantly around 1999,according to analysis using the M-K test,decreasing by 7.1% after that year.

Combined with the spatial distribution of rainfall duration,the precipitation over the northern counties was greater than that in the southern counties in spring and winter,less than that over southern counties in autumn,and nearly the same in summer.At the same time,however,neither the northern counties or southern counties showed a significant change in seasonal precipitation under the 95% confidence level.

Through further data analysis,it was found that the monthly precipitation over the seven meteorological observation stations had an increasing trend in the time period from January to June,and a decreasing trend in the time period from August to December.Monthly precipitation was concentrated from March to June (being greatest in June),amounting to 17.3% of the total precipitation in a year.Comparing the monthly precipitation between the northern and southern counties,it was clear that—except for the period from July to September—monthly precipitation in the northern counties was greater than that in the southern counties.

precipitation;spatiotemporal distribution;M-K test

(責(zé)任編輯：劉菲)

Study on the development of the spatiotemporal distributions and trends of rainstorms

DENG liping1,CHEN Hongju1,ZHANG Yanshan2,ZHANG Hongmei3,CHEN Yanglin1

1ZhangpingMeteorologicalBureau,Zhangping364400,China;2YongdingMeteorologicalBureauofLongyan,Longyan364100,China;3LongyanMeteorologicalBureau,Longyan364000,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130818002

引用格式:鄧麗萍,陳紅菊,張燕珊,等.2016.龍巖市降水時空分布及趨勢研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報,39(3):426-432.

DengLP,ChenHJ,ZhangYS,etal.2016.Studyonthedevelopmentofthespatiotemporaldistributionsandtrendsofrain-storms[J].TransAtmosSci,39(3):426-432.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130818002.(inChinese).

*聯(lián)系人，E-mail:470514055@qq.com