沈姣姣,徐 虹,李建科,樊曉玲

(1.陜西省氣象服務(wù)中心,西安 710014;2.漢中市氣象局,陜西漢中 723000)

寶成鐵路陜西段降雨特征及未來趨勢分析

沈姣姣1,徐 虹1,李建科1,樊曉玲2

(1.陜西省氣象服務(wù)中心,西安 710014;2.漢中市氣象局,陜西漢中 723000)

以寶成鐵路陜西段沿途5個(gè)代表站汛期逐日降雨資料為研究對象,采用趨勢分析法和突變分析法對1961—2010年降雨特點(diǎn)進(jìn)行分析,并采用小波分析法對其未來演變趨勢進(jìn)行預(yù)測,為寶成鐵路水害研究提供理論依據(jù)。結(jié)果表明:不同等級降雨日和降雨量及區(qū)域平均降雨日和降雨量均隨年代減少,20世紀(jì)90年代出現(xiàn)減少的突變;各級降雨日和降雨量及區(qū)域平均降雨日和降雨量自北向南逐漸增多,除鳳縣和略陽外,降雨日和降雨量年際間均表現(xiàn)出一致的減少趨勢,廣元站減少趨勢較顯著;小雨和中雨以年際震蕩為主,大雨及以上降雨以年代際震蕩為主;區(qū)域平均降雨量震蕩周期與大雨及以上降雨量較一致,區(qū)域平均降雨日震蕩周期與中雨較一致;未來小雨、大雨及以上和區(qū)域平均降雨日及降雨量將持續(xù)偏多,中雨降雨日及降雨量將先偏少后偏多。

寶成鐵路;降雨特征;降雨周期;小波分析;突變分析

交通運(yùn)輸業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,氣候異常對交通運(yùn)輸?shù)挠绊懺絹碓矫黠@。在影響我國交通運(yùn)輸?shù)母鞣N氣候?yàn)?zāi)害中,強(qiáng)降水天氣誘發(fā)的洪澇、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害影響最為嚴(yán)重,范圍也最廣,造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大[1]。近年來,一些學(xué)者利用多種方法對不同地區(qū)的降雨特點(diǎn)進(jìn)行分析,得到了諸多研究成果。陳波等采用分位值法對長江中下游和華中地區(qū)不同級別強(qiáng)降水事件的時(shí)空變化趨勢進(jìn)行分析[2]。鄧芳蓮等采用氣候統(tǒng)計(jì)的方法對西安等地區(qū)的降雨特征和變化趨勢進(jìn)行分析[3-4]。李明等研究發(fā)現(xiàn),陜北黃土高原地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在降水量集中的7—9月,與發(fā)生前10d的累積降水量有明顯相關(guān)性,不同等級降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)段不同[5]。王勇等完成了不同降水類型和量級影響下蘭州鐵路水害的時(shí)空分布特征并建立了預(yù)警等級模型[6]。本文在分析寶成鐵路陜西段降雨特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合小波分析對未來降水演變趨勢進(jìn)行預(yù)測,以期為寶成鐵路水害研究提供理論依據(jù)。

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

選取寶成鐵路陜西段沿途經(jīng)過的寶雞、鳳縣、略陽、寧強(qiáng)和廣元 (廣元隸屬西安市鐵路局管轄范圍內(nèi))為代表站的1961—2010年汛期(5月1日—10月31日)逐日降雨資料,資料由陜西省和四川省氣象局檔案館提供。

1.2 研究方法

采用直線擬合方法計(jì)算降雨日和降雨量的傾向率,并用時(shí)間序列與變量間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。選用Mann-Kendall方法檢驗(yàn)(簡稱M-K檢驗(yàn))寶成鐵路陜西段降雨日和降雨量的變化趨勢,分別計(jì)算降雨日和降雨量序列中正、反向樣本序列的統(tǒng)計(jì)量UF和UB,依據(jù)兩者的變化特點(diǎn)與顯著置信水平的分布情況分析樣本序列的變化趨勢和突變點(diǎn)[7-8]。利用Morlet小波分析降雨日和降雨量的周期特點(diǎn)[9]。

2 降雨量和降雨日的時(shí)間變化特征

2.1 區(qū)域平均降雨

寶成鐵路陜西段區(qū)域平均降雨日表現(xiàn)出減少趨勢(圖1a),傾向率為-3.4d/10a(通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))。M-K檢驗(yàn)顯示(圖1 b),UF曲線在大多數(shù)年間小于0,說明區(qū)域平均降雨日持續(xù)表現(xiàn)出減少趨勢;UF曲線在1972年、1998年和2001年與0.05顯著置信曲線(U0.05=±1.96)相交,說明區(qū)域平均降雨日在20世紀(jì)70年代初、90年代末和21世紀(jì)10年代初出現(xiàn)顯著性減少;UF曲線在2006年與0.01顯著置信曲線(U0.01=±2.56)相交,說明區(qū)域平均降雨日在2006年達(dá)到極顯著性減少。UF和UB曲線在1991—1993年相交,說明區(qū)域平均降雨日在20世紀(jì)90年代初發(fā)生減少的突變。

圖1 寶成鐵路陜西段區(qū)域平均降雨日變化趨勢(a)和M-K檢驗(yàn)(b)

由圖2a可以看出,寶成鐵路陜西段區(qū)域平均降雨量整體表現(xiàn)出減少趨勢,傾向率為-32.2mm/10a(未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))。M-K檢驗(yàn)(圖2b)顯示,除1988—1990年和1992—1993年UF曲線大于0外,UF曲線在大多數(shù)年間小于0,說明區(qū)域平均降雨量表現(xiàn)出減少趨勢,其中1965—1974年UF曲線超過了0.05顯著置信曲線(U0.05=±1.96),表明區(qū)域平均降雨量在20世紀(jì)60年代中后期至70年代前中期減少幅度達(dá)到顯著性水平。UF曲線在1978—1980年和1991年分別與UB曲線相交,說明區(qū)域平均降雨量在20世紀(jì)70年代末至80年代初和90年代初分別出現(xiàn)增加和減少的突變。

圖2 寶成鐵路陜西段區(qū)域平均降雨量變化趨勢(a)和M-K檢驗(yàn)(b)

2.2 小雨

小雨降雨日和降雨量變化趨勢為持續(xù)下降,傾向率為-2.7d/10a和-5.8mm/10a(均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)),均在20世紀(jì)90年代初突然減少,降雨量在2002—2010年減少程度達(dá)到0.05顯著性水平。小雨降雨日和降雨量在所有降雨日和降雨量中所占比例為64.8%～80.1%和11.2%～26.2%,未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

2.3 中雨

除個(gè)別年份外,中雨降雨日和降雨量持續(xù)減少,傾向率為-0.4d/10a和-3.7mm/10a,均在1993年突然減少。中雨降雨日和降雨量所占比例在年際間表現(xiàn)出微弱增加趨勢。中雨強(qiáng)度隨年代略有增強(qiáng),1990—2008年(除2003和2007年外)增強(qiáng)幅度通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

2.4 大雨及以上降雨

大雨及以上降雨日和降雨量傾向率為-0.4 d/10a和-22.4mm/10a,除在1988—1993年出現(xiàn)短暫上升外,其余時(shí)段持續(xù)下降,1969—1974年減少幅度通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。大雨及以上降雨日和降雨量所占比例出現(xiàn) “兩谷一峰”的波動(dòng),峰值在20世紀(jì)80年代初,兩個(gè)谷值分別位于70年代初和90年代后期。從整個(gè)年際變化趨勢來看,兩者均在1979年和1990年前后出現(xiàn)突增和突降。

3 降雨量和降雨日空間變化特征

將寶雞、鳳縣和略陽劃為北部臺(tái)站,寧強(qiáng)和廣元?dú)w為南部臺(tái)站。由表1和表2可見,寶成鐵路陜西段各級降雨日和降雨量自北至南逐漸增加,但廣元站表現(xiàn)不明顯,可能是由于秦嶺地形作用阻擋北方冷空氣南下與暖濕氣流交匯,降雨概率減少,雨量不大。

表1 寶成鐵路陜西段各站不同等級降雨日平均值和傾向率

表2 寶成鐵路陜西段各站不同等級降雨量平均值和傾向率

各站小雨降雨日和降雨量在年際間均表現(xiàn)出一致減少趨勢,廣元站傾向率為-8.4d/10a和-17.1mm/10a(均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn));中雨、大雨及以上降雨日和降雨量表現(xiàn)出微弱增加或減少趨勢,南部廣元站中雨降雨日和降雨量傾向率為-1.4d/10a和-21.0mm/10a (均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)),大雨及以上降雨日傾向率為-0.8d/10a(均通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))。

除鳳縣外,各站總降雨日和降雨量均表現(xiàn)出不同程度的減少趨勢,南部臺(tái)站減少趨勢較顯著,廣元站傾向率為-10.4d/10a和-90.1 mm/10a(均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn))。

4 降雨量和降雨日周期特征及未來趨勢分析

4.1 區(qū)域平均降雨

由圖3可以看出,區(qū)域平均降雨量小波方差有3個(gè)極大值,分別對應(yīng)26～27a,8～9a和2～3a的時(shí)間尺度。在26～27a時(shí)間尺度上,降雨量周期震蕩經(jīng)歷了多—少—多—少—多的循環(huán),而且2010年時(shí)等值線未閉合,說明未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)(至少10a內(nèi))降雨將偏多。8～9a和2～3a時(shí)間尺度上,同樣顯示出2010年之后短期內(nèi)降雨將偏多。因此推斷,未來區(qū)域降雨量將在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)增多,其中包含小尺度偏少的周期震蕩。

區(qū)域平均降雨日4a周期震蕩較明顯,其次為9～10a和28a(表3)。4a周期震蕩顯示, 2010年后近幾年降雨日將增加。9～10a周期尺度在20世紀(jì)90年代中后期有所減弱,仍可判斷目前正處于降雨日偏多的轉(zhuǎn)折期。28a周期震蕩顯示,2008—2010年降雨日處于偏多和偏少的疊置期。因此推斷,未來10a內(nèi)降雨日將偏多。

圖3 寶成鐵路陜西段區(qū)域平均降雨量小波系數(shù)實(shí)部等值線圖 (a)和小波方差圖 (b)

表3 寶成鐵路陜西段不同等級降雨日和降雨量周期分析

4.2 小雨

小雨降雨日和降雨量周期震蕩最明顯的是9～10a,其次為2～3a和26～27a(表3)。自20世紀(jì)80年代中后期開始,小雨降雨日和降雨量中間尺度(9～10a)周期震蕩減弱,大尺度(26～27a)和小尺度(2～3a)周期震蕩加強(qiáng)。1995—2010年處于小雨降雨日和降雨量偏少的大周期內(nèi),2010年時(shí)等值線已基本閉合,預(yù)計(jì)未來15～20a內(nèi)小雨降雨日和降雨量將偏多。

4.3 中雨

中雨降雨日和降雨量周期震蕩最明顯的是2～4a,其次為27～30a和10a(表3)。27～30a的周期震蕩中,中雨降雨日和降雨量經(jīng)歷了少—多—少的循環(huán),目前正處于偏多期;10a尺度上,可以判斷出21世紀(jì)20年代中雨降雨日和降雨量正處于偏少期。依據(jù)不同時(shí)間尺度周期演變趨勢,推斷21世紀(jì)20年代前中期中雨降雨日和降雨量將先偏少后偏多。

4.4 大雨及以上降雨

大雨及以上降雨日和降雨量周期震蕩最明顯的是25a,其次為8～9a和2～3a(表3)。25a的周期震蕩中,大雨及以上降雨日和降雨量經(jīng)歷了多—少—多—少—多的循環(huán);8～9a周期震蕩顯示,2000年和2005年分別對應(yīng)偏多和偏少周期中心,預(yù)計(jì)2015年前后將出現(xiàn)大值中心;2～3a周期震蕩均顯示目前正處于偏多期。因此推斷,2015年前后研究區(qū)域大雨及以上降雨日和降雨量將偏多。

5 結(jié)論

5.1 不同等級降雨日和降雨量及區(qū)域平均降雨日和降雨量均減少,區(qū)域平均降雨日 (量)和各等級降雨日(量)均在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)減少的突變;區(qū)域平均降雨量和大雨以上降雨量在20世紀(jì)70年代末突然增加。小雨和中雨降雨日和降雨量的比例基本平穩(wěn)或略有增加,大雨及以上降雨日和降雨量的比例在年際間波動(dòng)較大。

5.2 各等級降雨日和降雨量及區(qū)域平均值自北向南逐漸增加,除鳳縣和略陽外,降雨日和降雨量年際間均表現(xiàn)出一致的減少趨勢,南部臺(tái)站減少趨勢較顯著。

5.3 不同等級降雨日和降雨量周期震蕩各異,同等級降雨量和降雨日周期震蕩較一致。小雨和中雨以年際震蕩為主,大雨及以上降雨以年代際震蕩為主。區(qū)域平均降雨量震蕩周期與大雨及以上降雨量較一致,區(qū)域平均降雨日震蕩周期與中雨較一致。

5.4 未來小雨、大雨及以上和區(qū)域平均降雨日和降雨量持續(xù)偏多,中雨降雨日及降雨量先偏少后偏多。

[1] 張清,黃朝迎.氣候異常對交通影響的診斷分析[J].災(zāi)害學(xué),1998,13(1):92-96.

[2] 陳波,史瑞琴,陳正洪.近45年華中地區(qū)不同級別強(qiáng)降水事件變化趨勢 [J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2010,21(1):47-54.

[3] 鄧芳蓮.西安近57年降水量變化分析[J].陜西氣象,2008(4):21-23.

[4] 于竹娟,肖鵬.達(dá)州市近50降雨量變化特征及趨勢分析[J].陜西氣象,2012(6):20-24.

[5] 李明,杜繼穩(wěn),高維英.陜北黃土高原區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與降水關(guān)系[J].干旱區(qū)研究,2009,2(4): 599-606.

[6] 王勇,李曉霞,李曉蘋.蘭州鐵路防洪指揮氣象預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)[J].干旱氣象,2009,27(4): 415-418.

[7] 沈姣姣,徐虹,李建科,等.近60年西安市24節(jié)氣氣溫變化特征及突變分析[J].資源科學(xué), 2013,35(3):646-654.

[8] 楊艷超,高紅燕,寇小蘭,等.華山近56年氣溫變化特征分析[J].陜西氣象,2011(3):18-22.

[9] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京:氣象出版社,1999:62-69.

P468.024

:A

1006-4354(2013)06-0001-05

2013-04-06

沈姣姣(1986—),女,漢,山西運(yùn)城人,碩士,助工,從事公共氣象服務(wù)。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013M-34)