吴 泽, 范广洲, 周定文, 江 益, 朱丽华

(成都信息工程学院大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室,四川成都610225)

雅安地区特殊的“天漏”气候特征,水汽不如沿海充沛,却是中国大陆降水量最多地区之一,也是中国洪涝重灾区。但近几年此地区的降水却有减少的情况发生,论文对雅安降水特征的变化做出了研究。雅安市位于103.00°E、29.59°N,地处四川盆地的西缘,青藏高原东南麓的背风坡,在整个雅安地区相对高差达4000余米。由于特定的地理、地形特征和季风气候的影响,雅安地市降水非常频繁,无论是降水量,还是雨日数,都是青藏高原东部的最大值区,是中国有名的“雨城”和“天漏市”。降水量的变化影响人们的衣、食、住、行,旱、涝的频繁出现,更严重影响着该区域的农业生产,所以对“天漏”变化特征的研究具有极其重要的意义。

目前,对雅安天漏形成的天气背景及形成机制,已有一系列学者对其做出了研究：彭贵康等[1]从气候角度研究过雅安降水与地形的关系得出：在雅安地区北部,名山、雅安、天全一带的青衣江河谷,地形兼有“迎风坡”、“喇叭口”的特点。在地区南部,大渡河贯穿东西,整个流域为高差很大的峡谷,特殊的地理、地形特征造就了特有的“天漏”现象。彭贵康等[2]从天气分析的角度得出地形对雅安降雨的主要影响,以及“天漏”的物理量和降水特征。宇如聪、曾庆存等[3-4]又从动力学分析和数值模拟出发,通过对暴雨个例进行数值模拟试验,对“雅安天漏”的特征、物理量结构极其形成机制作了进一步研究工作,得出形成雅安降水的可能机制。彭贵康等[5]基于“雅安天漏”研究等方面的结果,给出了考虑了系统性降水、热力降水和地形雨的降雨量计算公式,并利用该公式做了“精细化”降水预报方面的尝试。龙从彬等[6]利用1951～2006年月平均降水和年平均降水资料,采用墨西哥帽小波函数,对雅安56年来降水的季节变化和年际变化时间序列进行了小波分析,研究了不同时间尺度下降水序列变化的周期和突变点。蔡芗宁和周庆亮等[7]对3个“雅安天漏”个例,采用非静力中尺度数值模式MM5V3进行模拟,着重研究了MRF边界层参数化方案对雨量中心强度和雨区分布的影响。但这一系列研究大多是从天气学和动力学基础为出发点,着重研究“天漏”的形成机制和物理量结构。文章从气候变化角度研究“雅安天漏”近60年气候变化特征。

降水是导致干旱、洪涝、泥石流、山体滑坡等自然灾害发生的重要影响因素,也是严重影响农业生产的一个重要因素。特别是全球变暖加剧了全球水循环过程,降水极端事件更加频繁,因此在这样的背景下研究雅安降水量变化特征是一个重要的课题。以雅安市1951～2010年60年的降水资料为基础,主要从降水量和雨日数两个方面出发,探讨了雅安降水的气候演变规律,为当地气候预测、农业生产以及合理利用气候资源提供理论依据。

1 雅安市降水量的变化趋势

1.1 年降水量变化趋势

所用资料为：雅安市1951～2010年60年降水资料。

雅安市雨量比较充沛,60年的年平均降水量为1719mm,从降水量的四季变化来看,从大到小依次为夏季、秋季、春季和冬季,降水主要集中于7、8月。

降水量的年变化趋势比较明显,利用9年滑动平均和一元线性回归提取出降水量的变化曲线和趋势线,得出年降水量的时间序列,结果如图1所示。

滑动平均是趋势拟合的一种方法,相当于低通滤波,与确定时间序列的平滑值,显示变化趋势,经滑动平均后,序列中短于滑动长度的周期大大削弱,显示出变化趋势。对样本 n的序列项,其滑动平均序列表示为：其中k为滑动长度。取k值为9,即9年滑动平均。

由图可知,从1951～2010年,年降水量成波动变化趋势。按通用标准,定义降水距平百分率ΔR/R≥50%为大涝,50%～25%为涝,+25%～-25%为正常,小于-50%为大旱,-50%～-25%为旱。对雅安而言,其中1966、1973、1977、1985年4年的降水距平百分率均大于25%,为降水较多年份,1965、1972、1974、1982年4年的降水距平百分率均小于-25%,为降水较小年份。由9年的滑动平均曲线看,20世纪50年代到80年代中期呈缓慢的下降趋势,80年代中期至90年代年降水量有显著的增加趋势,90年代中期之后减小趋势比较明显,从2007年开始,年降水量又有所增加。

1.2 四季降水量变化趋势

雅安市春、夏、秋、冬四季的季平均降水量分别为 ：281.8mm 、1002.5mm 、363.3mm 、71.4mm,夏季降水量最多,冬季最少。60年来,各季节的降水量都在波动变化,其具体变化趋势,如图2所示。

图2(a)是春季降水量时间序列,从图可知,在50年代,春季降水量波动最大,出现了春季降水最大年份：1952年(550.2mm),以及春季降水量最小年份：1955年(114.3mm),20世纪 50年代以后,波动相对平缓。从趋势线看,春季降水量以6.7mm/10a的趋势减少。由9年滑动平均曲线看,春季的降水量在50年代较多,远远超出60年来的平均水平,60年代到80年代降水量出现减少趋势,80年代后有所增加,到21世纪降水量又呈现减小趋势。

夏季是降水量最多的季节,其平均降水量占年平均降水量的58.3%,在四季中最能反应降水量的变化,其降水量时间序列如图2(b)所示。从图中可知夏季降水量变化波动较大,其降水最多年份为1966年(1636.6mm),其次为1973年(1564.9mm);降水最少年份为1982年(563mm)。由趋势线可知,变化趋势和年降水量一致,60年来,雅安的夏季降水量呈现明显的减少趋势,降水倾向率为-15.2mm/10a,从9年年滑动平均曲线,20世纪60年代中期之前夏季降水量比较充沛,60年代中期到80年代中期变化比较平缓,80年代中期到90年代中期降水量显著增加,90年代中期出现明显下降趋势,到了2006年降水量开始增加。总的来说,夏季降水量曲线及其变化趋势和年降水量比较吻合。

图2(c)给出的是是秋季降水量时间序列,由图中可知,秋季降水量最大出现在1967年,降水量为784.3mm,最少出现在2003年,降水量仅为181.7mm,说明秋季降水的年际变化比较大。从趋势线可以看出,秋季降水量以-18.6mm/a的倾向率呈明显下降趋势。从9年滑动平均曲线可以看到,20世纪60年代中期之前秋季降水量偏少,从60年代中期到80年代,降水量显著增加,80年代以后呈现稳定减少趋势。

与春、夏、秋季降水量变化趋势不同的是,冬季降水量呈现缓慢的增加趋势,降水倾向率0.73mm/10a,20世纪50年代增加趋势显著,50年代之后,变化趋势很平缓,如图2(d)。

总的来说,雅安市春、夏、秋三季降水量呈现明显减少趋势,与年降水量变化趋势相吻合,冬季降水量出现缓慢的增加趋势。

图1 雅安市年降水量时间序列(单位：mm/a)(实线代表降水量,虚线代表一元线性回归线,点线代表9年滑动平均曲线)

图2 四季降水量时间序列(单位：mm/a)(实线代表降水量,虚线代表一元线性回归线,点线代表9年滑动平均曲线)

1.3 逐月降水比重变化趋势

逐月降水比重即各月降水量占年降水总量的比重,雅安市60年来逐月降水比重如图3所示,由图可知,冬半年降水比重较小,夏半年降水比重大,降水比重极大值均出现在夏半年。

其降水比重极大值主要出现在7、8、9三个月,在20世纪50年代初期极值主要出现的比较晚,1955年在6月开始出现极值,50年代中期到80年代中期,降水比重极值主要集中在8月,1987年出现异常,6月份开始出现极值,1990年到2010年极大值均出现在8月,2003年及2008年降水比重在8月出现异常偏大。

图3 1951～2010年雅安市逐月降水比重变化趋势

图4 雅安年雨日数时间序列(单位：d/a)(实线代表雨日数,虚线代表一元线性回归线,点线代表9年滑动平均曲线)

2 雅安年、季雨日的变化趋势

2.1 年雨日数的变化

雨日数的变化与降水量的变化有联系,但也有区别,雨日数的变化同样反应了一个地区气候变化特征。在雅安市,年雨日数平均为214.4d,占全年总天数的58.7%,全年大部分时间都笼罩在雨中。

图4是雅安60年来年雨日的时间序列,由图可知,雨日数较多的年份依次为1964年(256d)、1968年(252d)、1983年(238d),雨日数较少的年份依次为2007年(185d)、2002年(189d)、1999年(191d),最多的年份主要集中在20世纪60年代,最少的年份均在90年代中期之后。从趋势线可以看出,年雨日数总体呈减少趋势,气候倾向率为-3.7d/10a,即每10年减少3.7个雨日,由9年滑动平均曲线看,1964年以前雨日数偏少,从1964年开始雨日数陡增,直到90年代中期雨日数均较多,90年代中期后雨日数迅速减少。

2.2 季雨日的变化趋势

对比雅安四季降水量的情况,季雨日有所不同,如表1,从表中可以看到,四季中平均降水量从大到小依次为：夏季、秋季、春季、冬季,其最大平均降水量达到1002.5mm,最小平均降水量仅为71.4mm,差距很大。而平均雨日数从大到小为：秋季、夏季、春季、冬季,最大雨日数58.8d,最小为41.9d,差距较大。

表1 雅安1951～2010年季平均雨日数与季平均降水量的比较

从1951到2010年,各个季节的雨日数都在发生变化,其具体变化趋势如图5所示。

图5(a)给出的是春季雨日数时间序列,雨日数最多出现在1998年,达到68d,最少出现在2001、2006、2007年,均为41d,雨日数相差竟将近一个月,波动较大,从趋势线可以看出,春季雨日数呈减少趋势,气候倾向率为-1.0d/10a,20世纪90年代之前变化比较缓慢,从90年代开始有明显的减少趋势。

从图5(b)中可以看到,夏季雨日数总体呈现减少趋势,但减少速度比较缓慢,气候倾向率为-0.8d/10a。

图5(c)为秋季雨日数时间序列,由图可知,秋季为雨日数最多的季节,波动变化较大,最大雨日数为71d(1952、1968、1975年),最小雨日数为42d(1997年),相差达29天,由趋势线,雨日数以-1.5d/10a的速度减少。从9年滑动平均曲线来看,20世纪90年代之前呈较均匀的减少趋势,90年代开始减小趋势很显著,到21世纪,雨日数又有所增加。

图5(d)为冬季雨日数时间序列,从图中可以看到,冬季雨日数变化较为平缓,波动不太大,雨日数略呈下降趋势,变化不显著。

图5 四季雨日数时间序列(单位：d)(实线代表雨日数,虚线代表一元线性回归线,点线代表9年滑动平均曲线)

综上所述,60年来雅安的年雨日数,以及春、夏、秋、冬四季的雨日数均处在一个减少趋势中,这与王颖等[8]得出的长期以来,中国的雨日数明显减少,各季的雨日都是负趋势,而雨日减少最多的地区是东北、华北、西南地区的结论相吻合。

3 各量级降水量及雨日的变化特征

3.1 降水量及其比重的年变化

一般降水量分为7级,为了适应研究,将微量和小雨都归为小雨,暴雨、大暴雨和特大暴雨统一归为暴雨,将整个降水分为4级,即小雨(日降水量小于10mm)、中雨(日降水量达到和超过10mm且小于25mm)、大雨(日降水量达到和超过25mm且小于50mm)、暴雨(日降水量达到和超过50mm),讨论不同量级降水的长期变化趋势,因为不同量级的降水量变化情况最能反映出一个地区降水的本质变化特征。

1951～2010年降水量变化趋势如图6所示,图6(a)为各量级降水的降水量时间序列,图6(b)为降水量比重的时间序列,降水量比重即为各量级降水所产生的降水量与全年总降水量的比值。由图6可知,长期以来,雅安市暴雨降水量占全年总降水量的比重最大,约为30%,小雨、中雨、大雨约各占23%左右,而暴雨又是造成灾害性极端降水事件的重要原因。

在60年的变化中,小雨、中雨、大雨的降水量都分别以-7.1mm/10a、-20.7mm/10a、-15.1mm/10a的倾向率减小,而暴雨却在以3.1mm/10a的倾向率增加。小雨降水量在80年代前都比较平稳,80年代之后出现下降趋势;中雨的降水量变化趋势最明显,平均以20.7mm/10a的速度下降,2000年以前下降趋势尤为明显,2000年以后中雨的降水量又有所回升;大雨降水量的下降趋势也很明显,60年来一直以较平稳的趋势下降;而暴雨降水量在小雨、中雨、大雨降水量减小的同时有所增加。

虽然小雨、中雨、大雨的降水量减小趋势和暴雨降水量增加趋势都比较明显,可各种量级降水量所占比重在60年来都相对比较稳定,变化很小,小雨和暴雨的降水量比重略增加,中雨和大雨强度的降水量比重略减小。

由上可知,1951～2010年小雨降水量减小,小雨降水量比重反而在增加;中雨和大雨的降水量及其降水量比重均在减小;暴雨降水量及其降水量比重均在增加。

图6 雅安降水量(单位：m/a)

3.2 降水日数及其比重的年变化

60年来,雅安市各量级年平均雨日数从大到小依次为：小雨、中雨、大雨、暴雨。其中小雨年平均雨日数为173.4d,占年平均雨日数的80.9%;中雨日数为24.4d,占11.4%;大雨日数9.8d,占4.6%;暴雨日数6.7d,占年平均雨日数的3.1%。

图7给出的是各个量级降水量的雨日数时间序列及其所占全年雨日数比重的时间序列,图7(a)为各量级雨日数的时间序列,图7(b)为雨日数比重的时间序列。雨日数的比重即为各量级的降水日数与全年降水日数的比值。从图中可以看出,雅安各个量级雨日数都在波动减小,这和60年来雅安降水量年变化并不一致。

小雨日数以-2.1d/10a的倾向率减少,即每十年就会减少约两天,趋势很明显,同样,中雨日数减少趋势也很明显,气候倾向率为-1.2d/10a,大雨和暴雨日数分别以-0.4d/10a和-0.1d/10a的速度缓慢减少。从年代际变化来看,小雨日数在20世纪80年代之前变化比较平稳,甚至有过极其缓慢的增加趋势,在80年代中期之后迅速减少;中雨日数和中雨降水量的变化曲线比较相似,从50年代到20世纪末都一直曲线减少,到了21世纪有所增加;大雨日数60年来都处在一个很平缓的减小趋势中;暴雨日数在90年代之前变化趋势很缓慢,雨日数有所增加,从90年代开始,雨日数迅速减少。

从图中雨日数比重的时间序列可以看出,虽然各种量级的雨日数变化比较明显,但60年以来各量级雨日数所占比重变化却不太明显,小雨日数比重略增加,中雨和大雨日数比重略减少,暴雨日数比重几乎没发生变化。

图7 雅安降水雨日数(单位：d/a)

对比图6和图7可知,各量级降水量时间序列分别和其对应的雨日数的时间序列变化趋势在一定程度上比较相似。从1951～2010年,小雨降水量、雨日数均在减小,其降水量和雨日数比重均在增加;中雨和大雨降水量、雨日数和降水量和雨日数的比重都在减小;值得注意的是,长期以来暴雨降水量以很明显的趋势增加,暴雨雨日数却在减少,这表明了,暴雨级别的降水强度在进一步增加,而造成洪涝、泥石流等自然灾害,又主要决定于暴雨的强度大小和次数的多少。

4 雅安市降雨量及雨日数的小波分析

采用了Morlet小波分析,确定雅安市1951～2010年年降水量以及雨日数的变化尺度及突变点,其结果如图8和图9所示。图8、图9中横坐标为年代,纵坐标表示变化的周期,图中数值为小波系数,其数值的大小表示振荡的强弱,小波系数为正,表示处于降水丰沛期,反之处于降水偏少期。

图8 雅安市年降水量的小波变换系数图和小波方差图

图9 雅安市年雨日数的小波变换系数和小波方差图

图8显示了60年来雅安年降水量在不同时间尺度上的周期振荡,由图可见,雅安市的年降水量存在2个明显的特征时间尺度,分别是1～2年和8～9年。在15～30年较长时间尺度上,雅安的降水经历由多—少—多—少的干湿循环交替,1951～1961年、1978～1995年为降水丰沛期,1962～1977、1996～2010为降水偏少期。60年来,始终存在8～9年的时间尺度。90年代中期之前,1～2年的特征尺度比较明显。对于9年以下的小尺度而言,出现更多的降水丰沛期和偏少期的循环交替。小波变换系数在不同区域内的方差贡献极大值可用来确定此区域内信号变化的显著尺度,从图8(b)小波方差图中可知,降水丰沛期与偏少期出现的周期振动随时间变化,年降水量对应的小波方差有两个极大值,对应2年、8年的时间尺度,是雅安市年降水量变化的显著时间尺度。

图9给出的是雅安市年雨日数在不同时间尺度上的周期振荡,雅安的年雨日数存在两个较明显的特征时间尺度：2年和10年。其中,2年左右的周期振荡最为明显,在整个研究时段都表现的非常稳定。在较大尺度的25～30年间,雨日数经历了由多—少—多—少的循环交替,和年降水量的变化比较类似。

5 结论

利用雅安市降水资料,对降水变化特征做出了研究,通过分析,可以得到以下结论：

(1)对年降水量的研究表明,雅安的年降水量总体呈明显的减小趋势,在20世纪90年代中期之后减小趋势尤为明显。在四季降水量变化中,春、夏、秋三季降水量呈现明显减少趋势,冬季降水量出现缓慢的增加趋势。对逐月降水比重的分析可以看出,冬半年降水比重较小,夏半年降水比重大,其极大值主要出现在7、8、9月。

(2)对年雨日数的研究指出,在雅安市年雨日数平均为214.4d,占全年总天数的58.7%。季雨日数从大到小为：秋季、夏季、春季、冬季。近60年来,雅安的年雨日数,以及春、夏、秋、冬四季的雨日数均表现出一个减少趋势。

(3)近60年来,暴雨的降水量在各量级降水中比重最大,约占总降水量的30%,小雨、中雨、大雨的降水量都分别以-7.1mm/10a、-20.7mm/10a、-15.1mm/10a的倾向率减小,而暴雨却在以3.1mm/10a的倾向率增加。但各种量级降水量所占比重在60年来都相对比较稳定,变化很小。

(4)对比各量级降水量的情况,平均雨日数从大到小依次为：小雨、中雨、大雨、暴雨,其中小雨的年平均雨日数为173.4d,占年平均雨日数的80.9%。60年来,雅安各个量级的雨日数都在波动减小,但各量级降水的雨日数所占全年总雨日数的比重变化却不太明显。值得注意的是,长期以来,暴雨的降水量以很明显的趋势增加,而暴雨雨日数却在减少,这表明暴雨级别的降水强度在进一步增加,而暴雨强度的增加,又给水资料的利用、防洪、防灾、减灾等工作增加了难度。

(5)60年来雅安市年降水量年际变化明显,年降水量在不同时间尺度上存在2年、8年的周期振荡。年雨日数存在两个较明显的特征时间尺度：2年和10年,且在整个研究时段都表现得非常稳定。

(6)雅安暴雨主要是发生在副高边缘西风扰动中,造成这种降水年际变化的原因与副高的年际变化密切相关。同时,雅安地处青藏高原背风坡的斜坡地带,青藏高原的下垫面因素的年际变化(如：青藏高原积雪覆盖率等)也影响着雅安降水的年际变化。针对雅安降水特征变化的形成机制,将主要从以上两个方面进行深入探讨。

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