搜索
第30卷第11期2011年11月地理科学进展PROGRESSINGEOGRAPHYVol.30,No.11Nov.,2011收稿日期：2011-03；修订日期：2011-06.基金项目：湖南省科技计划重大专项(2008FJ1006)；中国气象局气候变化专项(200920)；湖南省气象局重点科研项目(200801)；中国气象局气候变化专项(CCSF-10-04)。作者简介：张剑明，男，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事天气与气候研究。E-mail:zhaolanxiai@sina.com1395-1402页1960-2009年湖南省暴雨极端事件的气候特征张剑明1,2，廖玉芳1，段丽洁1，曾向红1(1.湖南省气候中心，长沙410007;2.株洲市气象局，株洲412000)摘要：本文采用湖南省88个地面气象站点1960-2009年的逐日降水资料，运用一元线性回归、M-K突变分析及小波分析等方法分析了湖南省50年来区域暴雨极端事件的时空分布特征及变化趋势。研究表明：过去50年暴雨极端事件增多、强度增大。暴雨极端事件有波动上升的趋势，20世纪60年代和80年代偏少，70年代和90年代偏多；在80年代末到90年代初暴雨极端事件由小变大是一突变现象，且存在2年、5年、7年和21年左右的周期振荡。降水量明显高于平均值的月份集中在4-8月，而暴雨降水量和暴雨总次数明显高于平均值的月份集中在5-8月。降水量湘西地区可能更加少雨，湘北洞庭湖区和湘中部分地区有可能向多雨转变的趋势；湘东和湘南有可能向干旱转变。暴雨降水量、最大日降水量、暴雨次数、暴雨强度和降水集中率在湘中、湘西南和湘西北个别地区可能比原来更少，其余地区均可能增多。关键词：湖南省；暴雨极端事件；空间分布；区域差异1引言极端降水事件是中国主要气象灾害之一，中国夏季南方暴雨频发往往造成严重的洪涝灾害，危及人民的生命财产安全，并造成严重的国民经济损失。近年来国内外许多气象工作者对极端降水状况，尤其是在降水方面作了不少研究，提出了不少可行的数学方法，发现了不少事实及规律[1-8]。丁一汇[9]给出了天气气候极端事件定义。翟盘茂等[10]、Zhai等[11]分析了中国降水极值的变化趋势指出，中国东部降水日数趋于减少，降水强度极值出现的范围趋于扩大。刘小宁[12]研究中国暴雨极值事件发现，20世纪80年代后期中国东部除华北外，平均趋势为降水日数增多，降水强度增大，尤其是华南、江南地区。江南区、华北、东北区暴雨异常年份增多，强度增大。大暴雨的频数存在10年左右周期。任国玉等[13]指出，中国长江中下游地区年和夏季降水量呈明显的增加趋势。鲍名等[14-15]研究了中国暴雨的年代际变化特征，并指出持续性暴雨主要发生在华南和江南地区。朱宵峰等[16]研究长江中下游汛期暴雨气候特征发现，暴雨降水量呈现增加趋势，且存在6~9a的周期振荡。暴雨降水强度都不同程度存在着3a的周期振荡。汛期暴雨降水量的在80年代末-90年代初有一增多的过程。湖南省属多雨省份之一，全省年平均降水量在1200~1700mm之间，但时间分配不均，明显地集中于4-8月，因此研究湖南省极端降水的时空分布特征、突变以及周期变化和空间变化趋势，揭示该地区极端降水事件的一些规律，为极端降水事件诊断和预测提供依据，对湖南省的防灾减灾和经济建设具有重要意义。2资料与方法降水资料来源于湖南省气候中心提供的湖南省97个测站1960-2009年的逐日降水资料。剔除资料长度不够的站点，剩余89站(图1)。考虑到南岳站海拔1268.5m，该站多年平均降水(2051.3mm)与周围站点(衡山1400.5mm)的降水相差悬殊，该站降水的偏差主要是由迎风坡爬坡造成的，故在本文中不考虑南岳站降水场和趋势场的绘制。气象上规定，24小时降水量为50mm或以上的强降水称为“暴雨”；暴雨降水量为所有暴雨日降水量的总和；暴雨强度为暴雨降水量与暴雨次数之比；降水集中率为统计时段内暴雨降水量与总降水量之比。地理科学进展30卷11期0100km站名河流湖泊市州界省界5050~200200~500500~10001000~15001500图例本文采用线性回归[17]方法分析1960-2009年湖南省极端降水的长期变化趋势及其区域特征；运用Mann-Kendal(M-K)非参数检验[17-18]方法对湖南极端降水做突变分析；运用Morlet小波分析[19-21]方法分析湖南极端降水年际变化的周期性。3极端降水的时间变化特征3.1极端降水的时间变化趋势为了分析湖南省极端降水的变化趋势，利用线性回归方法计算出极端降水的倾向率，并通过线性回归方程表示极端降水序列的线性变化趋势。在过去50年，湖南省降水量呈微弱上升趋势，降水量倾向率9.2mm/10a(图2a)。7年滑动平均曲线表明，降水量变化总趋势是在波动中上升，20世纪60年代中期以前降水偏少，60年代中期到70年代中期略高于平均值，但干湿变化明显。70年代中期前后降水量由大变小，80年代降水最少，处于干旱时期，80年代末降水量开始由大变小，90年代以后降水明显增加，处于湿润时期，进入21世纪后降水量又呈减少的趋势。湖南暴雨降水变化趋势和降水量变化趋势相似(图2b)，表现为增加趋势，暴雨降水倾向率为14.1mm/10a(达到0.1的信度水平)。湖南省最大日降水量逐年变化曲线(图2c)表明，最大日降水呈明显增加趋势，倾向率达12.0mm/10a(达到0.05的信度水平)。7年滑动平均曲线可以看出，20世纪60年代中期以前和90年代以后最大日降水量偏大，其余时段偏小。湖南省暴雨日数逐年变化曲线(图2d)显示，暴雨日数呈增加趋势，日数倾向率达0.14次/10a。7年滑动平均曲线表明，20世纪60年代中期到70年代初期和90年代初到21世纪初暴雨次数偏多，其余时段偏小。湖南省暴雨强度呈增加趋势(图2e)，强度倾向率达1.4mm/10a(达到0.01的信度水平)。7年滑动平均曲线表明，20世纪90年代中期以前暴雨强度偏小，之后偏大。湖南省降水集中率呈明显增加趋势(图2f)，倾向率达0.008%/10a(达到0.05的信度水平)。7年滑动平均曲线可以看出，20世纪90年代中期以前降水集中率偏小，之后偏大。对湖南省极端降水的逐年变化曲线分析说明过去50年极端降水事件增多、强度增大。3.2极端降水的突变分析对湖南省极端降水进行曼肯德尔突变分析，绘制出M-K曲线图(图3)，UF曲线表明20世纪80年代中期到90年代初极端降水有增大的趋势。根据UF和UB曲线交点的位置，确定极端降水80年代中期到90年代初的增大是一突变现象，具体开始年份分别为1986年(降水量)、1992年(暴雨降水量)、1993年(最大日降水)、1990年(暴雨日数)、1993年(暴雨强度)和1989年(降水集中率)。图1湖南省气象站点的空间分布Fig.1ThespatialdistributionofmeteorologicalstationsinHunanProvince139630卷11期张剑明等:1960-2009年湖南省暴雨极端事件的气候特征3.3极端降水的周期分析对湖南省极端降水小波分析做Morlet小波变换得到的小波系数实部等值线图(图4)。图中横坐标值为年代，纵坐标值为周期，实线表示处于降水偏多期，虚线表示处于降水偏少期。湖南省降水量(图4a)存在4个特征时间尺度，分别是2年、5年、9年和21年左右的准周期。2年时间尺度上，在50年中始终存在，且周期振荡稳定；5年时间尺度上，在20世纪90年代中期以前比较明显，之后较弱；9年时间尺度上，干湿期之间转换频繁；21年左右的时间尺度的周期振荡贯穿整个研究时段且表现稳定。1960-2009年近50年大致经历了4次干湿交替，60年代中期以前为降水偏少期，60年代中期到80年代初为降水偏多期，80年代初到90年代初为降水偏少期，90年代初到21世纪初为降水偏多期，之后为降水偏少期。湖南省暴雨降水量(图4b)周期性变化可分为2个时段，20世纪80年代中期以前暴雨降水量存在4个特征时间尺度，分别为2年、5年和10年和22年4个准周期；80年代中期以后暴雨降水量存在3个特征时间尺度，分别为2年、5年和20年3个准周期。湖南省最大日降水量(图4c)周期性变化存在3个特征时间尺度，分别为3年、7年和12年左右的准周期。湖南省暴雨日数(图4d)和降水集中率(图4f)的周期性变化与湖南省降水量的周期性变化相似，存在4个特征时间尺度，分别是2年、5年、9年和21年左右的准周期。湖南省暴雨强度(图4e)周期性变化可分为2个时段，90年代中期以前暴雨强度存在3个特征时间尺度，分别为3年、11年和24年3个准周期；90年代中期以后暴雨强度存在4个特征时间图21960-2009年湖南省极端降水的时间变化趋势Fig.2VariationsofextremerainstormeventsinHunanProvinceduring1960-2009年份暴雨降水量降水量平均年滑动平均线性降水量年份暴雨降水量暴雨降水量平均年滑动平均线性暴雨降水量年份最大日降水最大日降水平均年滑动平均线性最大日降水年份暴雨日数天暴雨日数平均年滑动平均线性暴雨日数年份暴雨强度暴雨强度平均年滑动平均线性暴雨强度年份降水集中率降水集中率平均年滑动平均线性降水集中率a.降水量b.暴雨降水量c.最大日降水量d.暴雨次数e.暴雨强度f.降水集中率1397地理科学进展30卷11期图41960-2009湖南省极端降水的Morlet小波系数实部等值线图Fig.4ThecontoursoftherealpartofMorletwaveletcoefficientsofextremerainstormeventsinHunanProvinceduring1960-2009图31960-2009年湖南省极端降水的M-K突变分析Fig.3TheMann-KendallabrupttestofextremerainstormeventsinHunanProvinceduring1960-2009年份降水量统计量曲线曲线年份暴雨降水量统计量曲线曲线年份最大日降水统计量曲线曲线年份暴雨日数统计量曲线曲线年份暴雨强度统计量曲线曲线年份暴雨集中率统计量曲线曲线abcdef196019651970197519801985199019952000200519601965197019751980198519901995200020051960196519701975198019851990199520002005196019651970197519801985199019952000200519601965197019751980198519901995200020051960196519701975198019851990199520002005252015105252015105252015105252015105252015105252015105年份年份年份年份年份年份周期/a周期/a周期/a周期/a周期/a周期/a偏多偏少偏多偏少偏多偏少偏多偏少偏多偏少偏多偏少abcdef139830卷11期张剑明等:1960-2009年湖南省暴雨极端事件的气候特征尺度，分别为2年、5年、7年和18年4个准周期。3.4极端降水的年内变化图5a给出了湖南省1960-2009年50年平均逐月降水量和暴雨降水量的年内变化。湖南省降水明显高于平均值(116.2mm)的月份集中在4-8月，其中4月为175.5mm，5月为202.4mm，6月为206.1mm，7月为144.3mm和8月为134.5mm；而暴雨降水量明显高于平均值(22.6mm)的月份集中在5-8月，其中5月为46.3mm，6月为73.6mm，7月为50.4mm和8月为39.4mm。湖南省1960-2009年50年多年逐月暴雨总次数的年内变化(图5b)，表明暴雨总次数明显高于平均值(1364.9次)的月份集中在4-8月，其中4月为1631次，5月为2899次，6月为4