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        上杭縣1961—2019年降水變化及重現(xiàn)期分析

        2020-09-14 03:03:14李國景鄧麗萍
        海峽科學 2020年7期
        關(guān)鍵詞:變率上杭縣旱澇

        李國景 鄧麗萍

        (福建省龍巖市氣象局,福建 龍巖 364000)

        全球氣候變化問題是各國政府和社會公眾普遍關(guān)注的熱點問題之一,國內(nèi)外對氣候變化及其對各行各業(yè)影響的研究正在不斷深入。目前,我國對各地降水的變化特征已進行了大量的研究。研究表明[1-6],在全球氣候系統(tǒng)復雜變化背景下,我國氣候變化趨勢明顯,降水格局進行了重大調(diào)整,我國不少地區(qū)的年降水日數(shù)在明顯減少,總降水量變化趨勢不明顯,但極端降水強度在增強。鄭禮新等[7]分析指出,福建省年降水變化有增加趨勢,尤其以中南部沿海地區(qū)增加趨勢明顯,而年雨日大范圍表現(xiàn)為減少趨勢,而且小雨日減少明顯,暴雨及以上量級降水日數(shù)卻明顯增加。

        上杭縣地處閩西的中心地帶,屬于中亞熱帶季風氣候。研究和分析上杭縣的降水變化特征,對于上杭縣防災減災,揭示上杭縣的氣候變化規(guī)律以及應對氣候變化的影響有重要意義。為科學有效地利用水資源,本文采用耿貝爾分布理論方法[8-10]對上杭縣1961—2019年最大日降水量及年降水量的重現(xiàn)期進行分析,以保障地方經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

        1 資料與方法

        1.1 資料來源

        選用上杭縣1961—2019年地面觀測的逐月平均降水量、逐月不同量級(≥0.1mm、≥10.0 mm、≥25.0 mm、≥50.0 mm、≥100.0 mm)的降水日數(shù)、日最大降水量等資料進行統(tǒng)計分析。

        1.2 分析方法

        利用常規(guī)氣候統(tǒng)計方法,統(tǒng)計上杭縣1961—2019年降水特征并分析其演變趨勢。季節(jié)劃分:春季(3~6月)、夏季(7~9月)、秋季(10~11月)、冬季(12月~次年2月)。汛期:4~9月。降水等級劃分標準(r為24h降水量,單位:mm):0.1≤r<10.0,小雨;10.0≤r<25.0,中雨;25.0≤r<50.0,大雨;50.0≤r<100.0,暴雨;100.0≤r<250.0,大暴雨。

        應用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論計算不同重現(xiàn)期的理論降水量。通過耿貝爾極值Ⅰ型分布推導出來的計算公式為:

        式中,μ—分布的位置參數(shù),α—分布的尺度函數(shù)。此二者為待定系數(shù)。

        利用已有的數(shù)據(jù)序列x1,x2,...,xn計算參數(shù)μ、α值后,設定一個重現(xiàn)期R年,依以上公式可求出該站R年一遇的最大日降水量及年降水量。

        2 降水量的變化特征

        2.1 降水量的年變化

        上杭縣1961—2019年的年平均降水量為1632.5mm,最高值在2016年,達2352.0mm,1975年出現(xiàn)次高值2176.6mm,最低值在1991年,僅為1053.9mm,1963年出現(xiàn)次低值(1208.5mm),最高值與最低值相差1298.1mm。上杭縣近59年的年平均降水量歷年變化情況如圖1所示,20世紀60年代的降水量處于偏少時期,此后波動相對平穩(wěn),70年代~本世紀00年代的降水量比較均勻,本世紀10年代降水量增加較多,其中2015年和2016年的降水量均超過2000.0mm。

        圖1 降水量歷年變化

        上杭縣近59年各年代降水量及氣候傾向率的統(tǒng)計情況見表1,上杭縣年平均降水量的氣候傾向率為35.358mm/10a,呈現(xiàn)增多態(tài)勢。

        表1 上杭縣1961—2019年各年代降水量(mm)及氣候傾向率(mm/10a)

        2.2 降水量的汛期變化

        上杭縣近59年汛期的年平均降水量為1194.7mm,占全年降水量73.18%,其中前汛期(4~6月)降水量為716.6mm,占全年降水量的43.90%,后汛期(7~9月)降水量為478.1mm,占全年降水量的29.28%。汛期降水量最高時達到全年降水量的89.74%(1973年),最低時僅占全年降水量的51.98%(1998年)。汛期降水量的氣候傾向率為22.203mm/10a,呈現(xiàn)增多趨勢。

        2.3 降水量的季節(jié)變化和月變化

        1961—2019年上杭縣四季降水量占全年降水量的比率分別是:春季53.72%,夏季29.28%,秋季5.75%,冬季11.28%。四季降水量的氣候傾向率均是正值,夏季降水量增加的速率最大,秋季最小。

        上杭縣月平均降水量的變化呈雙峰型分布,變化情況如圖2所示,最高峰值在6月,另一個較小波峰值在8月。6月降水量283.5mm,為全年最大值,次高值在5月,降水量為244.5mm;最低值在12月,降水量為40.2mm,次低值在11月,降水量為45.0mm。降水量最多的6月與降水量最少的12月相差243.3mm。

        圖2 降水量的月變化

        2.4 降水相對變率分析

        降水相對變率反映一個地區(qū)降水量的可靠性或穩(wěn)定程度,降水變率越大,表明降水越不穩(wěn)定,引發(fā)旱澇災害頻率較高。計算降水相對變率的公式為:

        表2 上杭縣1961—2019年降水相對變率

        1961—2019年上杭縣年降水量的降水相對變率較小,僅為13.79%,表明上杭縣年降水量相對穩(wěn)定。四季中降水相對變率最小的是春季,為18.03%,3~4月是福建春雨季節(jié),5~6月是福建梅雨季節(jié),此兩個時期的降水十分豐富,降水相對變率由此最小。夏季降水量也較多,多雷陣雨或臺風雨,降水相對變率為27.42%。冬季降水量少于夏季,降水相對變率為43.49%。秋季降水量最少,降水很不穩(wěn)定,降水相對變率達到59.22%。

        2.5 異常旱澇與嚴重旱澇年份

        依照旱澇的規(guī)定標準,序列距平達到1.3倍標準差(1.3σ)的事件稱為異常事件, 距平達到2倍標準差(2σ)的事件稱為嚴重事件。1961—2019年上杭縣年降水量序列距平的標準差為272.3mm。在此59年期間,上杭縣存在異常旱澇或嚴重旱澇的年份共有11年,其中異常旱年有:1963年(4.4σ)、1967年(4.6σ)、2004年(4.7σ);嚴重旱年有:1991年(3.9σ);異常澇年有:1973年(7.6σ)、1975年(8.0σ)、1983年(7.8σ)、1997年(7.9σ)、2013年(7.3σ)、2015年(7.4σ);嚴重澇年有:2016年(8.6σ)。

        3 降水日數(shù)的變化特征

        3.1 日降水量≥0.1mm降水日數(shù)的變化

        上杭縣1961—2019年日降水量≥0.1mm的年平均降水日數(shù)為152.9d,最高值在1975年,達到199d,最低值在2003年,僅為114d,兩者相差85d,其歷年變化情況如圖3。上杭縣近59年的年平均降水日數(shù)及其氣候傾向率情況如表3,年平均降水日數(shù)的氣候傾向率為-2.136d/10a,呈減少的趨勢,日降水量≥10.0mm以上降水日數(shù)的氣候傾向率均為正值。小雨日數(shù)的年氣候傾向率為-3.057d/10a,中雨日數(shù)至大暴雨日數(shù)的年氣候傾向率同樣均呈正值。由此可知,近59年來,上杭縣年平均降水日數(shù)減少的主要原因是小雨日數(shù)在顯著減少,日降水量≥10.0mm以上的降水日數(shù)在增加,其中中雨日數(shù)增加最多,其次是暴雨日數(shù)。上杭縣近59年四季降水日數(shù)的變化均呈下降趨勢,具體數(shù)值見表4,冬季降水日數(shù)減少的速率最大,秋季最小。

        圖3 日降水量≥0.1mm降水日數(shù)的歷年變化

        表3 上杭縣1961—2019年降水日數(shù)(d)及氣候傾向率(d/10a)

        表4 上杭縣1961—2019年日降水量≥0.1mm 降水日數(shù)的平均值及氣候傾向率

        3.2 日降水量≥50.0mm暴雨日數(shù)的變化

        上杭縣1961—2019年日降水量≥50.0mm的年平均暴雨日數(shù)為5.02d,其歷年變化情況如圖4。年降水量與暴雨日數(shù)之間有較好的相關(guān)性,年暴雨日數(shù)多,年降水量基本相應較多,兩者相關(guān)系數(shù)為0.626,呈正相關(guān)。暴雨日數(shù)基本集中在春季和夏季,汛期暴雨日數(shù)為4.2d,占全年暴雨日數(shù)的84.46%。上杭縣異常和嚴重澇年的年平均暴雨日數(shù)為6.1d,異常和嚴重旱年的年平均暴雨日數(shù)為2.5d,兩者相差3.6d。

        圖4 日降水量≥50.0mm暴雨日數(shù)的歷年變化

        上杭縣月平均暴雨日數(shù)的變化同樣呈雙峰型分布,如圖5所示,其變化情況與月平均降水量的變化相似。6月平均暴雨日數(shù)1.3d,是全年暴雨日數(shù)最多的月份,其次是5月,暴雨日數(shù)0.9d。1月和2月的暴雨日極少。

        圖5 日降水量≥50.0暴雨日數(shù)的月變化

        1961—2019年上杭縣日降水量≥100.0mm的年平均大暴雨日數(shù)為0.44d。在此59年,出現(xiàn)過年平均2d的大暴雨日共有6年,其中5次發(fā)生在2003—2013年之間,出現(xiàn)年平均1d的大暴雨日共有14年,有39年未出現(xiàn)大暴雨日。從月份變化看,大暴雨日只出現(xiàn)在3~9月,其它月份均未出現(xiàn)。8月平均大暴雨日數(shù)0.12d,為全年最高值,之后為6月、5月,4月和9月再次之,3月和7月的大暴雨日極少,近59年內(nèi)均只出現(xiàn)1d。

        3.3 2d或2d以上的連續(xù)性暴雨

        上杭縣在1961—2019年共出現(xiàn)22次2d或2d以上的連續(xù)性暴雨,其中3d的連續(xù)性暴雨出現(xiàn)2次,分別在1993年8月28—30日和2013年5月19—21日,4d的連續(xù)性暴雨只有1次,出現(xiàn)在1964年6月13—16日,此4d的總降水量為323.1mm。2d或2d以上的連續(xù)性暴雨最早開始的月份是2018年1月7—8日,最遲結(jié)束的月份是1974年10月18—19日。11—12月、2月未出現(xiàn)2d或以上的連續(xù)性暴雨,1—5月、7月、9—10月均只出現(xiàn)1次,5月出現(xiàn)5次,6月出現(xiàn)4次,8月出現(xiàn)7次,此結(jié)果與上杭縣歷年降水量在5—6月、8月最多的情況基本相一致,尤其是后汛期的8月,2d或2d以上的連續(xù)性暴雨次數(shù)多,對該月降水量的貢獻比較明顯。

        4 降水量的周期分析

        小波分析方法能夠詳細而準確地揭示時間序列中瞬時頻率結(jié)構(gòu)隨時間的變化,從中得出降水變化過程中的多層次演變規(guī)律[11]。如圖6所示,上杭縣近59年降水量序列主要存在時間尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6個振蕩周期,其中13年左右的振蕩周期在59年內(nèi)基本存在,周期振蕩比較均勻穩(wěn)定,此周期在小波方差圖(如圖7)表現(xiàn)顯著。5年左右的高頻振蕩周期,出現(xiàn)在20世紀60年代后期~80年代中期及本世紀10年代。7年左右的高頻振蕩周期主要存在于20世紀60年代、90年代初期~21世紀10年代初期。18年左右的振蕩周期出現(xiàn)在20世紀60年代初期~90年代后期。26年左右的振蕩周期,存在于20世紀90年代中期~本世紀10年代初期。32年的低頻振蕩周期存在于20世紀60年代初期~80年代中期。

        圖6 上杭縣1961—2019年降水量小波分析圖

        圖7 上杭縣1961—2019年降水量小波方差圖

        5 降水量的重現(xiàn)期分析

        利用上杭縣近59年的最大日降水量及年降水量數(shù)據(jù),應用耿貝爾分布理論公式,計算得出最大日降水量μ、α值分別為86.007、0.034,年降水量μ、α值分別為1504.474、0.004。設定重現(xiàn)期R=5、10、15、20、30、50、100、150和200年,計算上杭縣最大日降水量及年降水量的理論氣候值,其結(jié)果見表5。

        表5 上杭縣不同重現(xiàn)期的最大日降水量及年降水量理論值

        根據(jù)耿貝爾分布理論公式計算上杭縣1961—2019年極值降水量的重現(xiàn)期,得出的結(jié)果如表6所示,最大日降水量242.0mm(出現(xiàn)于1983年6月16日)及年降水量2352.0mm(出現(xiàn)于2016年)的重現(xiàn)期分別為209.7年、39.07年。上杭縣不同量級降水量估算的重現(xiàn)期與實際重現(xiàn)期的比較情況如表7所示,除了≥150.0mm降水量估算的重現(xiàn)期和實際重現(xiàn)期的數(shù)值相差2.34年之外,其它3類降水量估算的重現(xiàn)期和實際重現(xiàn)期都相差在1年以內(nèi),兩者數(shù)值上基本相近,誤差較小,因此,利用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論進行上杭縣1961—2019年降水量的重現(xiàn)期分析具有可行性,能夠得到相對理想的計算結(jié)果。

        表6 上杭縣1961—2019年最大日降水量及年降水量的重現(xiàn)期

        表7 上杭縣1961—2019年降水量估算重現(xiàn)期與實際重現(xiàn)期比較

        6 結(jié)論

        近59年來,上杭縣年平均降水量呈現(xiàn)增加態(tài)勢,日降水量≥0.1mm的年平均降水日數(shù)在減少,其主要原因是小雨日數(shù)的顯著減少,日降水量≥10.0mm以上的降水日數(shù)在增加,中雨日數(shù)增加最多,其次是暴雨日數(shù)。

        1961—2019年上杭縣共出現(xiàn)22次2d或2d以上的連續(xù)性暴雨,存在異常旱澇或嚴重旱澇的年份共有11年,降水序列存在時間尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6個振蕩周期,時間尺度13年左右的周期振蕩比較均勻穩(wěn)定。

        利用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論對上杭縣近59年降水量的重現(xiàn)期進行分析,可知其估算的重現(xiàn)期和實際重現(xiàn)期數(shù)值相差較小。通過計算不同重現(xiàn)期的理論降水量,得出上杭縣50年一遇的最大日降水量及年降水量分別是199.9mm和2409.9mm,100年一遇的分別是220.3mm和2572.0mm。

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