劉向培,佟曉輝,賈慶宇,辛卓航,楊劍刃

(1. 解放軍31440部隊,遼寧沈陽 110027；2. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,遼寧沈陽 110166；3. 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧大連 116023)

在全球變暖背景下,區(qū)域乃至全球范圍水汽循環(huán)出現(xiàn)變異,降水發(fā)生顯著變化[1],但這種變化并不像極端氣溫那樣具有較強(qiáng)的全球一致性,地區(qū)差異明顯[2]。中國地處東亞季風(fēng)區(qū),降水對氣候變化十分敏感,在總量發(fā)生改變的同時,降水的頻率、持續(xù)性和極端降水事件等都表現(xiàn)出明顯變化,且變化存在較強(qiáng)的區(qū)域性和季節(jié)性[3];其中,不同強(qiáng)度降水變化程度時空分布不均勻?qū)е轮袊邓Y(jié)構(gòu)改變,對洪澇、干旱等極端水文氣象事件的發(fā)生具有直接影響[1],是降水變化的一個重要方面[4-5]。

降水集中程度是描述降水結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[6],與對降水量、不同強(qiáng)度降水的變化和降水變化空間分布等的研究相比,目前對降水集中程度的研究還相對較少[7-9]。Oliver[10]和Michiels等[11]基于月降水資料定義了降水集中指數(shù)(Precipitation Concentration Index,PCI),該指數(shù)在國際上得到較廣泛的應(yīng)用,但它難以描述降水集中度的月際特征[12]。Zhang和Qian[13]基于年內(nèi)降水時間分布的矢量表達(dá)方式定義了降水集中度(Precipitation Concentration Degree,PCD),該方法可以有效描述降水量在研究時段內(nèi)分配的非均勻性,在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,但它不能有效反應(yīng)不同強(qiáng)度降水過程非均勻分配特征及其累積效應(yīng)[12]。Martin-Vide[14]受到經(jīng)濟(jì)學(xué)中基尼系數(shù)思想的啟發(fā),基于日降水資料定義了降水集中指數(shù)(Concentration Index,CI),該方法應(yīng)用于中國[15]及世界其他區(qū)域[9]。受到信息熵思想的啟發(fā),王睆等[7]和Li等[8]定義了降水集中程度(Q),這種方法適用于任何時間尺度的觀測資料,可以在不同時間尺度上分析降水集中特征,具有較強(qiáng)的適用性[6]；該方法在中國初步應(yīng)用[6-8],但僅針對部分季節(jié)或區(qū)域,目前尚無全面分析中國降水集中程度時空特征、研究降水集中程度與其他氣候因子間關(guān)系的相關(guān)工作。

本文選取1960—2017年日降水資料,利用降水集中程度,研究中國降水集中程度及其變化趨勢的空間分布特征,探討降水集中程度與降水量、海洋狀態(tài)之間的關(guān)系,分析其對水旱災(zāi)害的影響,力求更全面地了解中國降水特點,為防汛抗旱等工作的開展提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)及來源

本文選用國家氣象信息中心整理、發(fā)布的日降水資料計算降水集中程度。為確保數(shù)據(jù)連續(xù)、完整,選取了1960—2017年數(shù)據(jù)完整率達(dá)到95%的773個站點的降水資料,并對其中部分缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ),站點空間分布情況如圖1所示。中國降水特征的地域差異明顯,為便于分析不同地區(qū)Q的分布和變化規(guī)律,本文將中國劃分為東北、華北、西北、華東、華中、西南、青藏和華南等8個子地區(qū)[4,16],圖1中給出了各子地區(qū)的劃分方法,各子地區(qū)站點數(shù)如表1所示。文中采用的ENSO(El Nio-Southern Oscilation)指標(biāo)(NINO3.4)和太平洋年代際濤動(PDO,Pacific Decadal Oscillation)分析海洋狀態(tài)對中國降水集中程度的影響,該數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣局物理科學(xué)實驗室(https:∥psl.noaa.gov)。

Ⅰ:東北 Ⅱ:華北 Ⅲ:西北 Ⅳ:華東 Ⅴ:華中 Ⅵ:西南 Ⅶ:青藏 Ⅷ:華南圖1 站點分布和地區(qū)劃分Fig.1Distribution of rain gauge stations and subzones

表1 各區(qū)域站點數(shù)量表

1.2 研究方法

降水集中程度是受“信息熵”[17]思想的啟發(fā)而提出的,信息熵用于描述離散隨機(jī)事件的出現(xiàn)概率,當(dāng)隨機(jī)事件的不確定性增大時,信息熵的數(shù)值也隨之增大,反之亦然[6-8]。氣候時間序列一般具有數(shù)據(jù)的取值隨時間變化、每一時刻取值具有隨機(jī)性、前后時刻數(shù)據(jù)之間存在相關(guān)性和持續(xù)性、序列整體上有上升或下降趨勢和持續(xù)性以及在某一時刻的數(shù)據(jù)取值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折或突變等特征[18]。從統(tǒng)計意義上,氣候變量可視為隨機(jī)變量[19],其中降水量服從Gamma分布[20]。王睆等[7]和Li等[8]以降水量為隨機(jī)事件,將Q定義為

(1)

2 中國降水集中程度特征分析

2.1 年降水集中程度的空間分布和變化趨勢

圖2(a)為1960—2017年間中國年平均Q的空間分布情況。年平均Q介于0.21～0.83之間,平均為0.38,分布形勢總體呈現(xiàn)出南北低中間高的特點,在40°N附近,Q相對較高,而在35°N以南和45°N以北,Q相對較低。在華北、西北地區(qū)和青藏地區(qū)西部,降水集中程度較高,尤其是西北地區(qū)西部,Q超過0.70,是中國年降水集中程度最高的區(qū)域；華東、華中、西南、華南地區(qū)和東北地區(qū)東北部、青藏地區(qū)東部的降水集中程度較低,其中華東和華中地區(qū)南部、西南地區(qū)西部、青藏地區(qū)東部、華南地區(qū)東部和西部,Q低于0.30,是中國年降水集中程度最低的地區(qū)。該空間分布形勢與段亞雯等[12]基于PCI指數(shù)得到的中國年降水集中程度空間分布總體一致。

圖2(b)為1960—2017年間中國年平均降水量的空間分布情況。由圖可見,中國年降水量總體上由東南向西北遞減,對比年降水集中程度與年降水量的空間分布,可以發(fā)現(xiàn)年平均Q超過0.70的區(qū)域主要集中于年降水量低于100 mm的區(qū)域,而在中國東南區(qū)域,年平均降水量超過1 000 mm,該區(qū)域年尺度Q低于0.30。這主要是因為在年降水量較少區(qū)域,降水日數(shù)也很少,較少的降水量主要集中在有限的降水日內(nèi),導(dǎo)致降水集中程度較高,而在降水量較大區(qū)域,降水日數(shù)較多,降水量在降水日內(nèi)分配較均勻,從而導(dǎo)致降水集中程度較低[5]。在青藏地區(qū)東部和西南地區(qū)部分區(qū)域,年平均降水量800～1 200 mm;該地區(qū)小雨日數(shù)較多,占總降水日數(shù)的75%[21-22],其次為中雨日數(shù),日降水強(qiáng)度的這種特征導(dǎo)致了該區(qū)域年尺度Q同樣低于0.3。

圖2 年平均Q值、年平均降水量和年尺度Q值變化趨勢空間分布Fig.2Spatial pattern of yearly mean Q,yearly mean precipitation and yearly Q trend

圖2(c)為1960—2017年間年尺度Q值的變化趨勢。在研究時段內(nèi),中國降水集中程度變化趨勢較小,各站點平均值略有增加,主要原因為:總體上中國小、中雨等級降水量有所減少,大雨以上等級降水強(qiáng)度增大,頻率上升[23]；短歷時降雨中的強(qiáng)降雨頻率增加,長歷時降雨頻率減少[24]。中國降水集中程度變化趨勢在空間分布上總體呈現(xiàn)東南升高西北降低的趨勢,升高區(qū)域主要集中在華北、華東、華中、西南、華南地區(qū)、東北地區(qū)部分區(qū)域和西北地區(qū)東南部部分區(qū)域,降低區(qū)域主要集中在西北和青藏地區(qū)。在西北、青藏地區(qū)和西南地區(qū)部分區(qū)域及其周邊地區(qū)的變化趨勢通過95%水平顯著性檢驗。前人的研究表明,中國東部季風(fēng)區(qū)暴雨、短歷時強(qiáng)降水事件頻數(shù)和強(qiáng)度上升,小雨和痕量降水頻數(shù)下降[25];西南地區(qū)小雨和中雨日數(shù)顯著減少,暴雨、大雨日數(shù)增加[21];西北地區(qū)小雨、大雨、暴雨日數(shù)均減少,中雨日數(shù)增加[4]。不同強(qiáng)度降水變化的區(qū)域性差異導(dǎo)致降水集中程度變化趨勢的上述空間分布形勢。

2.2 季降水集中程度的空間分布和變化趨勢

圖3為中國季平均降水集中程度的空間分布情況。冬季(12—2月)和秋季(9—11月)的降水集中程度相對較高,季平均Q分別為0.53和0.51,夏季(6—8月)和春季(3—5月)相對較低,均值分別為0.39和0.48。在空間分布方面,夏季降水集中程度的分布最均勻,Q的標(biāo)準(zhǔn)差為0.11；春季不同測站間的差異最大,標(biāo)準(zhǔn)差為0.16；秋季和冬季較接近,標(biāo)準(zhǔn)差均為0.13。

在春、夏、秋三季,Q最高區(qū)域均位于西北地區(qū)西部,但在冬季,Q最高區(qū)域主要分布于華北地區(qū)東部、東北地區(qū)南部、西北地區(qū)東部和青藏地區(qū)東部區(qū)域。這主要是因為西北地區(qū)西部冬季降水量少,在部分年份甚至整個冬季無有效降水,從而導(dǎo)致其降水集中程度特征與其他季節(jié)有所不同。季平均Q最低區(qū)域主要分布于35°N以南:春季位于華東地區(qū)南部、華中地區(qū)南部和華南地區(qū)東北部；夏季位于青藏地區(qū)東部；秋季位于青藏地區(qū)東部、西南地區(qū)西部和華南地區(qū)西部的部分區(qū)域；冬季主要集中在西南地區(qū)南部和華中地區(qū)南部。在春季和冬季,降水集中程度最低區(qū)域的位置偏東,而在夏季和秋季,該位置偏西。由春季至冬季,該位置經(jīng)歷先西撤后東進(jìn)的變化過程。

圖3 四季平均Q值空間分布Fig.3Spatial pattern of seasonal mean Q

圖4反映了四季降水集中程度變化趨勢的空間分布情況?？傮w上春季和秋季的分布形勢較一致,降水集中程度升高區(qū)域主要集中在東北地區(qū)部分區(qū)域和100°E以東、40°N以南的華東、華中地區(qū)大部和西北、華北、西南、華南地區(qū)的部分區(qū)域,降低區(qū)域主要集中在100°E以西的西北、青藏地區(qū)和45°N左右的東北和華北地區(qū)部分區(qū)域。近年來,西北地區(qū)春、秋季小雨和中雨增加,大雨和暴雨變化較小[26],不同強(qiáng)度降水的這種變化導(dǎo)致了春、秋兩季西北地區(qū)降水集中程度的減小。在夏季,降水集中程度升高區(qū)域集中在東北地區(qū)至華南地區(qū)西部連線左右區(qū)域,主要包括東北、華北、西南地區(qū)和西北地區(qū)東部、華南地區(qū)西部、青藏地區(qū)東部等區(qū)域,降低區(qū)域集中在升高區(qū)域東北、西南兩側(cè),主要包括華東、華中地區(qū)和華南地區(qū)東部、西北地區(qū)中部和西部、青藏地區(qū)西部等區(qū)域。總體上春、秋季降水集中程度升高區(qū)域偏東偏南、夏季降水集中程度升高區(qū)域偏西偏北。冬季與其他季節(jié)的差異最明顯,降水集中程度升高和降低區(qū)域的分布較分散,其中升高區(qū)域主要集中在華南、西南地區(qū)和西北、青藏地區(qū)的部分區(qū)域、東北地區(qū)北部區(qū)域；降低區(qū)域主要集中在華北、華東、華中地區(qū),東北地區(qū)中部和南部區(qū)域,西北和青藏地區(qū)部分區(qū)域。

圖4 四季Q值變化趨勢空間分布Fig.4Spatial pattern of the trend of seasonal Q

2.3 年、季降水集中程度與降水量之間的關(guān)系

降水量與降水集中程度關(guān)系密切,不同強(qiáng)度降水的變化在導(dǎo)致降水量改變的同時,也對降水集中程度的改變具有直接影響。圖5為1960—2017年間各站點年、季平均降水量與平均Q的散點分布情況。在年和季尺度,二者均表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,降水集中程度隨著降水量的增加而減小。在年尺度,相關(guān)系數(shù)為-0.71(通過95%水平顯著性檢驗)。已有研究表明,冬季降水百分率顯著上升,春、夏兩季高降水百分率地區(qū)降水減少,低降水百分率地區(qū)降水增加[3]使得中國降水的時間分布改變；緯度較低區(qū)域小雨日數(shù)遞減,大雨、暴雨日數(shù)增加,偏北地區(qū)小雨、大雨、暴雨日數(shù)減少,無雨、中雨日數(shù)增加[26]導(dǎo)致降水的空間分布發(fā)生變化。在上述降水時間和空間變化的共同作用下,年降水量和降水集中程度之間形成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

四季相關(guān)系數(shù)平均為-0.72,其中秋季的相關(guān)性最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)為-0.89,春季的相關(guān)性最弱,相關(guān)系數(shù)為-0.70,各相關(guān)系數(shù)均通過95%水平顯著性檢驗。夏季趨勢線斜率絕對值最大,為-1 678.32,冬季最小,為-457.44,春季和秋季較接近,分別為-908.97和-892.69。在中國,夏季降水百分率最大,占全年降水的56.5%,冬季最少,占5.3%,春季和秋季分別為19.3%和18.9%[3]。季降水量的差異是導(dǎo)致不同季節(jié)趨勢線斜率差異的一個重要原因。

圖5 年、季降水量和Q值散點分布Fig.5Scatter of precipitation and Q on yearly and seasonal scale

當(dāng)同時考慮降水集中程度與降水量時,可能出現(xiàn):① 降水量和Q均較大；② 降水量大而Q??；③ 降水量較小但Q較大；④ 降水量小的同時Q也較小[6]。當(dāng)情況①發(fā)生時,降水量大且集中,容易發(fā)生洪澇災(zāi)害；當(dāng)情況②發(fā)生時,雖然降水量較大,但分布較均勻,發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性較情況①大大降低；當(dāng)情況③發(fā)生時,降水量少且集中在較少天數(shù),容易發(fā)生干旱；當(dāng)情況④發(fā)生時,降水量雖然少,但分布較均衡,干旱程度較情況③輕。在1991年和1994年,各站點年平均降水量存在較大差異,分別為841.2 mm和909.8 mm,但在這兩年降水集中程度較接近,Q均為0.38,使得這兩年對應(yīng)的旱澇災(zāi)害受災(zāi)總面積較接近,分別為4 951.0萬hm2和4 775.1萬hm2[27]。1993年中國各站點年平均降水量為903.5 mm,與1994年較接近,但其降水時間分布較1994年更分散,Q為0.36,降水分布的這種特征導(dǎo)致該年中國水旱災(zāi)害受災(zāi)總面積僅3 748.7萬hm2[27],較1994年少21.5%。

2.4 降水集中程度與ENSO指數(shù)、PDO指數(shù)的關(guān)系

中國氣候變化與海洋狀態(tài)密切相關(guān)[28],當(dāng)ENSO事件處于發(fā)展階段時,江淮流域降水偏多,黃河流域、華北地區(qū)和江南地區(qū)降水偏少；當(dāng)ENSO事件處于衰減階段時,降水分布形勢相反[29]。朱益民和楊修群[30]指出,PDO暖位相期,冬季中國東北、華北、江淮以及長江流域降水偏少,夏季華北地區(qū)降水偏少,長江中下游、華南南部、東北和西北地區(qū)降水偏多。圖6為NINO3.4指數(shù)和PDO指數(shù)與降水集中程度相關(guān)系數(shù)隨滯后時間改變的發(fā)展變化。Q與NINO3.4指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)大于其與PDO指數(shù)間的相關(guān)系數(shù),其中NINO3.4指數(shù)與Q的相關(guān)系數(shù)隨著滯后時間的延長,先增大后減小,當(dāng)滯后時間為2個月時,相關(guān)系數(shù)最大,為0.13。PDO指數(shù)與Q的相關(guān)系數(shù)隨著滯后時間的延長,先減小,后增大,再減小,當(dāng)滯后時間為4個月時,相關(guān)系數(shù)最大,為0.12。

圖6 Q與PDO指數(shù)和NINO3.4指數(shù)間相關(guān)系數(shù)絕對值隨滯后時間的變化Fig.6 Absolute value of correlation coefficients between Q and PDO(NINO3.4) index with different lag time

圖7為各站點NINO3.4指數(shù)與Q滯后2個月,與PDO指數(shù)滯后4個月的相關(guān)系數(shù)空間分布情況,由圖可見,兩指數(shù)與Q均表現(xiàn)出較明顯的相關(guān)性,但通過95%水平顯著性檢驗的區(qū)域(虛線內(nèi)區(qū)域)較少。NINO3.4指數(shù)與Q的相關(guān)性由北向南分布總體上為“-+-”,正相關(guān)區(qū)域主要集中在青藏、西南區(qū)域大部,西北區(qū)域東南部,華北區(qū)域南部,華中區(qū)域北部和華南區(qū)域西部,負(fù)相關(guān)區(qū)域主要集中在東北區(qū)域、西北區(qū)域、華東區(qū)域大部,華北區(qū)域北部,華中區(qū)域南部,華南區(qū)域東部。PDO指數(shù)與Q的相關(guān)性以負(fù)相關(guān)為主,僅東北區(qū)域南部、華北區(qū)域南部、華南區(qū)域西部和青藏區(qū)域等表現(xiàn)為正相關(guān)。

圖7 Q與NINO3.4指數(shù)和PDO指數(shù)間相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.7Spatial pattern correlation coefficients between Q and NINO3.4/PDO index

3 結(jié) 論

(1) 中國年平均降水集中程度在40°N附近相對較高,在35°N以南和45°N度以北相對較低,呈現(xiàn)出南北低中間高的空間分布特點。冬季和秋季的降水集中程度相對較高,夏季和春季相對較低。降水集中程度最高區(qū)域在春、夏、秋三季均位于西北地區(qū)西部,最低區(qū)域主要分布于35°N以南。年降水集中程度變化趨勢較小,總體略有上升,呈東南升高西北降低的形勢。降水集中程度升高區(qū)域春、秋季偏東偏南,夏季偏西偏北。冬季升高和降低區(qū)域較分散。

(2) 在年和季尺度,降水集中程度和降水量間均表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,降水集中程度隨著降水量的增加而減小。秋季的相關(guān)性最強(qiáng),春季的相關(guān)性最弱。夏季描述降水集中程度與降水量關(guān)系的線性趨勢線斜率絕對值最大,冬季最小。

(3) 海洋狀態(tài)對降水集中程度具有重要影響。降水集中程度與NINO3.4指數(shù)間的相關(guān)性隨著滯后時間的延長,先增大后減小,當(dāng)滯后時間為2個月時,相關(guān)系數(shù)最大,其空間分布由北向南總體呈“-+-”形勢；與PDO指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)隨著滯后時間的延長,先減小,后增大,再減小,當(dāng)滯后時間為4個月時,相關(guān)系數(shù)最大,且相關(guān)性以負(fù)相關(guān)為主。