黃婕,王躍峰,高路,2,3?,陳興偉,2,3

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州;2.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測評估工程技術(shù)研究中心,350007,福州;3.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地,350007,福州)

降水不僅是引發(fā)水土流失的直接動力之一,也是滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵致災(zāi)因子[1-2],不僅短歷時的高強度降水具有危險性,長歷時的低強度降水也會增加水土流失的可能;因此,分析不同等級降水的時空變化特征對評估土壤侵蝕、水土流失及地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險尤為重要。已有研究[3]表明,近年來東亞地區(qū)降水時空分配不均愈發(fā)明顯,大雨和極端降水事件增加。眾多區(qū)域研究表明,不同等級降水在區(qū)域上的時空變化特征差異明顯,總體上小雨時間減少最為顯著,南方地區(qū)的暴雨雨量和頻次有所增加[4-11],山區(qū)水土流失和滑坡泥石流等風(fēng)險增大。目前針對福建省降水的研究僅限于全年及四季降水量的時空特征[12-13],基于逐日降水資料,研究福建省年、季不同等級降水量及降水時間的時空變化特征的案例尚未見報道。鑒于此,筆者采用福建省代表性氣象站點的逐日降水?dāng)?shù)據(jù),系統(tǒng)分析1960—2011年不同等級降水的四季時空特征及變化趨勢,以期為福建省生態(tài)環(huán)境建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工程提供參考。

1 研究區(qū)概況

福建省位于曾被稱為“紅色沙漠”的南方紅壤區(qū),地形破碎復(fù)雜,地勢西北高東南低。閩西、閩中2條大山帶縱貫全省,山多坡陡,耕地面積少,山地開發(fā)強度較大,水土流失嚴(yán)重[14-15]。1960—2011年全省年均降水量約為1 600 mm,降水量由西北向東南遞減,多雨區(qū)集中在武夷山和鷲峰山區(qū)[16]。全省降水時間約為150 d,內(nèi)陸多、沿海少,山區(qū)多、平原少。特殊的自然地理特征以及人為因素導(dǎo)致福建省的水土流失、氣象和地質(zhì)災(zāi)害問題突出。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了福建省均勻分布的17個氣象站點1960—2011年的逐日降水資料,數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心(中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http:∥ede.ema.gov.cn)。采用國家氣象局標(biāo)準(zhǔn)[17]將降水日定義為日降水量≥0.1 mm時間的總和,各降水等級劃分如下:日降水量0.1～9.9 mm為小雨,日降水量10～24.9 mm為中雨,日降水量25～50 mm為大雨,日降水量≥50 mm為暴雨。根據(jù)福建省的氣候特征,劃分自然天氣季節(jié)為:春季3—6月,夏季7—9月,秋季10—11月,冬季12月—翌年2月[16]。

2.2 研究方法

運用線性趨勢方法分析1960—2011年年均降水量與降水時間的時間變化,并采用Mann-Kendall(M-K)方法分析不同等級降水變化趨勢并檢驗其趨勢顯著性。M-K方法是一種已廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。假定x1,x2,…,xn為時間序列變量,n為時間變量的長度,M-K法定義了統(tǒng)計量

式中 xj、xk分別為第 j、k 年的相應(yīng)測量值,且 k ＞ j。

式中:Z為一個正態(tài)分布的統(tǒng)計量;Var(S)為S方差,在給定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-α/2則拒絕原假設(shè),即在α置信水平上,時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢[18]。

通過R/S方法進(jìn)一步判斷未來降水的變化趨勢,即根據(jù)Hurst值的不同判斷序列的未來趨勢。Hurst指數(shù)能很好地揭示出時間序列中的趨勢性成分,并且能由Hurst指數(shù)值的大小來判斷趨勢性成分的持續(xù)性或者反持續(xù)性強度的大小[19]:1)當(dāng)H=0.5時,表示各要素時間序列相互獨立,即任意時刻的數(shù)值與過去情況無關(guān);2)當(dāng)0＜H＜0.5時,表示要素時間序列具有反持續(xù)性,即過去增加趨勢指示未來將表現(xiàn)為減少趨勢,而過去減少趨勢指示將來為增加趨勢,H值越接近0,其反持續(xù)性越強;3)當(dāng)0.5＜H＜1時,表示要素時間序列的持續(xù)性,即過去增加趨勢指示未來具有增加趨勢,過去減少趨勢預(yù)示將來的減少趨勢,H值越向1靠近,持續(xù)性越顯著。

本文運用反距離加權(quán)(IDW)插值方法分析各級降水量與降水時間的空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 時間變化特征

1960—2011年福建省多年平均降水量為1 537 mm,最多和最少降水量都出現(xiàn)在最近10年。1960年以來,年降水量整體呈輕微的增加趨勢,變化率為1.61 mm/a。20世紀(jì)90年代以來年降水量的波動幅度增大,且正距平年份多于負(fù)距平年份。與降水量的變化趨勢相反,1960—2011年福建省年均降水時間呈現(xiàn)明顯減少的趨勢,減少速率為0.334 d/a,2000年以后降水時間明顯減少,福建省整體降水強度增大。

表1為1960—2011年福建省4季不同等級降水的平均降水量和降水時間,可以看出,春季降水最為集中,且大雨量等級居多,降水量占年均降水總量的58%,降水時間占全年降水時間的44%,大雨和暴雨量占春季降水量的55%,其中,暴雨量占到了全年暴雨總量的81%。夏季降水量占全年降水量的22%,中雨和大雨的降水量最多,占夏季降水量的71%。秋季為期較短,降水量最少,僅占全年的7.5%,且各等級降水量分配相對平均。冬季降水量占全年的12.5%,以小雨和中雨為主,暴雨極少。

表1 1960—2011福建省4季不同等級降水的平均降水量和降水時間Tab.1 Statistics of seasonal rainfall amounts and rainfall days for different rainfall levels from 1960 to 2011 in Fujian Province

采用M-K方法對4季不同等級降水量和降水時間進(jìn)行統(tǒng)計分析(表2)發(fā)現(xiàn),四季降水量除春季外都呈現(xiàn)增加趨勢,增加較明顯的是夏冬2季,可以說年均降水量的增加主要源于夏冬2季降水量的增加。從不同等級降水量的季節(jié)變化特征來看,春季各等級降水量都表現(xiàn)出減少趨勢;夏季小雨、中雨降水量均有減少,大雨、暴雨降水量均有增加;秋季僅有暴雨降水量增加;冬季暴雨降水量減少,其余都為增加。不同等級降水時間與不同等級降水量的變化趨勢一致,總體上看,小雨量等級降水量趨向減少,大雨量等級降水量趨向增加,說明年均降水量的增加跟大雨、暴雨降水量和降水時間的增加密切相關(guān),年均降水時間因小雨時間的減少而減少。春季小雨、中雨及秋季小雨降水量的減少趨勢和夏季暴雨降水量的增加趨勢都達(dá)到了0.1的顯著水平,4季小雨降水時間均顯著減少,春秋小雨降水時間減少最明顯(通過99%顯著性檢驗),夏冬小雨降水時間減少達(dá)到了0.1顯著水平。春秋降水總時間的減少也非常明顯,而且,春秋2季降水總時間的減少與小雨降水時間的減少有明顯的相關(guān)性。夏季小雨、中雨降水量和降水時間趨向減少,暴雨降水量和降水時間的增加顯著,導(dǎo)致了夏季總降水量增加、總降水時間減少?？傮w上冬季所有等級降水量都呈現(xiàn)增加趨勢,降水時間僅有小雨表現(xiàn)出減少趨勢,且達(dá)到0.05顯著水平。

表2 4季不同等級降水M-K檢驗統(tǒng)計Tab.2 Statistics of M-K values for seasonal rainfall amounts and rainfall days with different rainfall levels

3.2 空間分布特征

圖1示出,福建省春季和夏季的小雨降水量空間分布相似,高值區(qū)均位于閩中大山帶的屏南—九仙山,西北部和東南部小雨較少,秋季小雨的高值區(qū)開始向北部的浦城轉(zhuǎn)移,冬季小雨高值區(qū)的分布范圍擴(kuò)大,主要集中在福建北部。中雨在各季節(jié)的分布不盡相同,春季在西北部有大范圍的高值區(qū),夏季在中部屏南—九仙山一帶為高值區(qū),兩邊為低值區(qū),秋冬季最北端的浦城中雨最多,東南部沿海為低值。大雨與中雨降水量分布相似,春秋冬3季的分布較為一致,夏季的分布正好相反,呈現(xiàn)北低南高的分布特征,這與夏季臺風(fēng)活動有關(guān)。暴雨的降水量空間分布最為特殊,除春季外,年均降水較少的東南部均在各季節(jié)有高值區(qū)域存在,如東山站,全年都位于暴雨的高值區(qū)內(nèi)。夏秋2季沿西北—東南方向增加,而春季在這個方向上逐步減小,冬季的暴雨呈現(xiàn)中部低而南北兩端高的特征。

4季不同等級降水時間的空間分布特征(圖2)與降水量基本一致。具體表現(xiàn)為:各級降水在夏季的降水時間空間變化與春秋冬3季相反。各級降水量與降水時間的空間變化與大氣環(huán)流狀況以及地形密切相關(guān)。同時可以發(fā)現(xiàn),年均降水量的空間分布特征不能細(xì)致反映不同等級降水在季節(jié)尺度上的空間分布特征,不同等級降水量在空間上也存在分配不均的現(xiàn)象。如中部屏南—九仙山沿線的降水量較大主要是因為小雨和中雨的降水量和降水時間較多,東南部的漳州、廈門、東山雖為年均降水的低值區(qū),暴雨降水量和降水時間卻表現(xiàn)為全省最多,吳濱等[20]的研究也表明福建東南沿海地區(qū)近些年暴雨增加趨勢最為顯著,洪澇災(zāi)害風(fēng)險加大,再加上該地區(qū)為福建省人類活動最為強烈的地區(qū),水土流失問題不容忽視。

3.3 不同等級降水的未來變化預(yù)測

福建省年平均降水量的Hurst值為0.538,有一定的持續(xù)性,結(jié)合M-K檢驗值,可以判斷未來的降水量可能會有所增加。年平均降水時間的Hurst值為0.791,持續(xù)性強,即福建未來降水時間與過去52年的總體趨勢一致,會繼續(xù)減少,降水強度可能會進(jìn)一步增加。

從表3可以看出,除秋季降水量表現(xiàn)為微弱反持續(xù)性外,其余都表現(xiàn)為持續(xù)性,其中,春季小雨、中雨降水量及夏季暴雨降水量的持續(xù)性很強。據(jù)R/S分析預(yù)測,春季降水量會有所減少,秋季降水量變化不明顯,冬夏季降水量增加。春季各等級降水量將繼續(xù)保持減少趨勢,階段性干旱出現(xiàn)頻率可能有所增加;夏季大雨和暴雨降水量會繼續(xù)增加,洪澇災(zāi)害風(fēng)險加大;秋季降水量的未來變化趨勢不明顯;冬季除暴雨降水量可能會有所減少外,其余都可能會增加。4季各等級降水時間的變化情況也基本表現(xiàn)為持續(xù)性,且持續(xù)性表現(xiàn)強的雨量等級比降水量更多,持續(xù)性更強,除前文提到的以外,還有春季總降水時間、大雨降水時間、夏季小雨降水時間及秋季小雨降水時間,都將與過去基本保持一致。春季各等級降水時間均會減少,夏季大雨、暴雨降水時間會繼續(xù)增加。秋季小雨、中雨、大雨降水時間都將繼續(xù)減少,暴雨降水時間變化不大。冬季除中雨降水時間增多外,其余降水時間均會減少?？傮w而言,未來極端降水和階段性干旱的發(fā)生概率可能會增加,同時水土流失與氣象災(zāi)害發(fā)生的強度可能增加。

圖1 1960—2011年福建省4季不同等級降水量空間分布Fig.1 Spatial distribution of seasonal rainfall amounts from 1960 to 2011 in Fujian Province

4 結(jié)論

1)1960—2011年福建省年均降水量呈現(xiàn)增加趨勢,而降水時間減少較為明顯。從四季不同等級降水的變化趨勢來看,春季各等級降水量都為減少趨勢,夏季暴雨降水量增加明顯,秋季僅有暴雨降水量增加,冬季除暴雨外,其他等級降水量增加。各等級降水時間的變化趨勢與降水量變化趨勢基本一致,主要表現(xiàn)為4季小雨降水時間的減少,春秋2季小雨時間的減少趨勢尤為顯著。綜上可以發(fā)現(xiàn),極端強降水向夏秋2季聚集的趨勢越發(fā)明顯。

圖2 1960—2011年福建省4季不同等級降水時間空間分布Fig.2 Spatial distribution of seasonal rainfall days from 1960 to 2011 in Fujian Province

2)4季不同等級降水量和降水時間的空間分布一致性較好,位于福建中部的屏南—九仙山一帶在4季均為小雨的多發(fā)區(qū)域,春、冬2季較大等級降水量和降水時間的高值區(qū)主要位于西北部和北部山區(qū),造成該地區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害、水土流失以及其他次生災(zāi)害的風(fēng)險加大。社會經(jīng)濟(jì)活動較為集中的東南部沿海區(qū)域在夏、秋、冬3季均為暴雨降水量和降水時間的高值區(qū),極端降水發(fā)生的可能性最大。

3)影響降水的因素眾多,降水量和降水時間的變化具有波動性和階段性特征;但從長期趨勢來看,年均降水量在未來可能會緩慢增加,降水時間將持續(xù)減少,降水強度將進(jìn)一步增大?？傮w上大雨、暴雨的降水量和降水時間將繼續(xù)增多,極端降水事件發(fā)生的概率增大,水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險增加。小雨、中雨的降水量和降水時間將繼續(xù)減少,階段性干旱的可能性增大。

表3 福建省不同等級降水量和降水時間的Hurst指數(shù)Tab.3 Statistics of Hurst index for seasonal rainfall amounts and rainfall days for different rainfall levels in Fujian Province