1960—2011年福建省不同等级降水时空变化特征

黄婕,王跃峰,高路,2,3†,陈兴伟,2,3

(1.福建师范大学地理科学学院,350007,福州;2.福建省陆地灾害监测评估工程技术研究中心,350007,福州;3.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,350007,福州)

降水不仅是引发水土流失的直接动力之一,也是滑坡泥石流等地质灾害的关键致灾因子[1-2],不仅短历时的高强度降水具有危险性,长历时的低强度降水也会增加水土流失的可能;因此,分析不同等级降水的时空变化特征对评估土壤侵蚀、水土流失及地质灾害风险尤为重要。已有研究[3]表明,近年来东亚地区降水时空分配不均愈发明显,大雨和极端降水事件增加。众多区域研究表明,不同等级降水在区域上的时空变化特征差异明显,总体上小雨时间减少最为显著,南方地区的暴雨雨量和频次有所增加[4-11],山区水土流失和滑坡泥石流等风险增大。目前针对福建省降水的研究仅限于全年及四季降水量的时空特征[12-13],基于逐日降水资料,研究福建省年、季不同等级降水量及降水时间的时空变化特征的案例尚未见报道。鉴于此,笔者采用福建省代表性气象站点的逐日降水数据,系统分析1960—2011年不同等级降水的四季时空特征及变化趋势,以期为福建省生态环境建设和防灾减灾工程提供参考。

1 研究区概况

福建省位于曾被称为“红色沙漠”的南方红壤区,地形破碎复杂,地势西北高东南低。闽西、闽中2条大山带纵贯全省,山多坡陡,耕地面积少,山地开发强度较大,水土流失严重[14-15]。1960—2011年全省年均降水量约为1 600 mm,降水量由西北向东南递减,多雨区集中在武夷山和鹫峰山区[16]。全省降水时间约为150 d,内陆多、沿海少,山区多、平原少。特殊的自然地理特征以及人为因素导致福建省的水土流失、气象和地质灾害问题突出。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究收集了福建省均匀分布的17个气象站点1960—2011年的逐日降水资料,数据来源于中国气象局国家气象信息中心(中国气象科学数据共享服务网http:∥ede.ema.gov.cn)。采用国家气象局标准[17]将降水日定义为日降水量≥0.1 mm时间的总和,各降水等级划分如下:日降水量0.1～9.9 mm为小雨,日降水量10～24.9 mm为中雨,日降水量25～50 mm为大雨,日降水量≥50 mm为暴雨。根据福建省的气候特征,划分自然天气季节为: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

运用线性趋势方法分析1960—2011年年均降水量与降水时间的时间变化,并采用Mann-Kendall(M-K)方法分析不同等级降水变化趋势并检验其趋势显著性。M-K方法是一种已广泛应用的非参数统计检验方法。假定x1,x2,…,xn为时间序列变量,n为时间变量的长度,M-K法定义了统计量

式中 xj、xk分别为第 j、k 年的相应测量值,且 k ＞ j。

式中:Z为一个正态分布的统计量;Var(S)为S方差,在给定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-α/2则拒绝原假设,即在α置信水平上,时间序列数据存在明显的上升或下降趋势[18]。

通过R/S方法进一步判断未来降水的变化趋势,即根据Hurst值的不同判断序列的未来趋势。Hurst指数能很好地揭示出时间序列中的趋势性成分,并且能由Hurst指数值的大小来判断趋势性成分的持续性或者反持续性强度的大小[19]:1)当H=0.5时,表示各要素时间序列相互独立,即任意时刻的数值与过去情况无关;2)当0＜H＜0.5时,表示要素时间序列具有反持续性,即过去增加趋势指示未来将表现为减少趋势,而过去减少趋势指示将来为增加趋势,H值越接近0,其反持续性越强;3)当0.5＜H＜1时,表示要素时间序列的持续性,即过去增加趋势指示未来具有增加趋势,过去减少趋势预示将来的减少趋势,H值越向1靠近,持续性越显著。

本文运用反距离加权(IDW)插值方法分析各级降水量与降水时间的空间分布特征。

3 结果与分析

3.1 时间变化特征

1960—2011年福建省多年平均降水量为1 537 mm,最多和最少降水量都出现在最近10年。1960年以来,年降水量整体呈轻微的增加趋势,变化率为1.61 mm/a。20世纪90年代以来年降水量的波动幅度增大,且正距平年份多于负距平年份。与降水量的变化趋势相反,1960—2011年福建省年均降水时间呈现明显减少的趋势,减少速率为0.334 d/a,2000年以后降水时间明显减少,福建省整体降水强度增大。

表1为1960—2011年福建省4季不同等级降水的平均降水量和降水时间,可以看出,春季降水最为集中,且大雨量等级居多,降水量占年均降水总量的58%,降水时间占全年降水时间的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总量的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%。秋季为期较短,降水量最少,仅占全年的7.5%,且各等级降水量分配相对平均。冬季降水量占全年的12.5%,以小雨和中雨为主,暴雨极少。

表1 1960—2011福建省4季不同等级降水的平均降水量和降水时间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方法对4季不同等级降水量和降水时间进行统计分析(表2)发现,四季降水量除春季外都呈现增加趋势,增加较明显的是夏冬2季,可以说年均降水量的增加主要源于夏冬2季降水量的增加。从不同等级降水量的季节变化特征来看,春季各等级降水量都表现出减少趋势;夏季小雨、中雨降水量均有减少,大雨、暴雨降水量均有增加;秋季仅有暴雨降水量增加;冬季暴雨降水量减少,其余都为增加。不同等级降水时间与不同等级降水量的变化趋势一致,总体上看,小雨量等级降水量趋向减少,大雨量等级降水量趋向增加,说明年均降水量的增加跟大雨、暴雨降水量和降水时间的增加密切相关,年均降水时间因小雨时间的减少而减少。春季小雨、中雨及秋季小雨降水量的减少趋势和夏季暴雨降水量的增加趋势都达到了0.1的显著水平,4季小雨降水时间均显著减少,春秋小雨降水时间减少最明显(通过99%显著性检验),夏冬小雨降水时间减少达到了0.1显著水平。春秋降水总时间的减少也非常明显,而且,春秋2季降水总时间的减少与小雨降水时间的减少有明显的相关性。夏季小雨、中雨降水量和降水时间趋向减少,暴雨降水量和降水时间的增加显著,导致了夏季总降水量增加、总降水时间减少。总体上冬季所有等级降水量都呈现增加趋势,降水时间仅有小雨表现出减少趋势,且达到0.05显著水平。

表2 4季不同等级降水M-K检验统计Tab.2 Statistics of M-K values for seasonal rainfall amounts and rainfall days with different rainfall levels

3.2 空间分布特征

图1示出,福建省春季和夏季的小雨降水量空间分布相似,高值区均位于闽中大山带的屏南—九仙山,西北部和东南部小雨较少,秋季小雨的高值区开始向北部的浦城转移,冬季小雨高值区的分布范围扩大,主要集中在福建北部。中雨在各季节的分布不尽相同,春季在西北部有大范围的高值区,夏季在中部屏南—九仙山一带为高值区,两边为低值区,秋冬季最北端的浦城中雨最多,东南部沿海为低值。大雨与中雨降水量分布相似,春秋冬3季的分布较为一致,夏季的分布正好相反,呈现北低南高的分布特征,这与夏季台风活动有关。暴雨的降水量空间分布最为特殊,除春季外,年均降水较少的东南部均在各季节有高值区域存在,如东山站,全年都位于暴雨的高值区内。夏秋2季沿西北—东南方向增加,而春季在这个方向上逐步减小,冬季的暴雨呈现中部低而南北两端高的特征。

4季不同等级降水时间的空间分布特征(图2)与降水量基本一致。具体表现为:各级降水在夏季的降水时间空间变化与春秋冬3季相反。各级降水量与降水时间的空间变化与大气环流状况以及地形密切相关。同时可以发现,年均降水量的空间分布特征不能细致反映不同等级降水在季节尺度上的空间分布特征,不同等级降水量在空间上也存在分配不均的现象。如中部屏南—九仙山沿线的降水量较大主要是因为小雨和中雨的降水量和降水时间较多,东南部的漳州、厦门、东山虽为年均降水的低值区,暴雨降水量和降水时间却表现为全省最多,吴滨等[20]的研究也表明福建东南沿海地区近些年暴雨增加趋势最为显著,洪涝灾害风险加大,再加上该地区为福建省人类活动最为强烈的地区,水土流失问题不容忽视。

3.3 不同等级降水的未来变化预测

福建省年平均降水量的Hurst值为0.538,有一定的持续性,结合M-K检验值,可以判断未来的降水量可能会有所增加。年平均降水时间的Hurst值为0.791,持续性强,即福建未来降水时间与过去52年的总体趋势一致,会继续减少,降水强度可能会进一步增加。

从表3可以看出,除秋季降水量表现为微弱反持续性外,其余都表现为持续性,其中,春季小雨、中雨降水量及夏季暴雨降水量的持续性很强。据R/S分析预测,春季降水量会有所减少,秋季降水量变化不明显,冬夏季降水量增加。春季各等级降水量将继续保持减少趋势,阶段性干旱出现频率可能有所增加;夏季大雨和暴雨降水量会继续增加,洪涝灾害风险加大;秋季降水量的未来变化趋势不明显;冬季除暴雨降水量可能会有所减少外,其余都可能会增加。4季各等级降水时间的变化情况也基本表现为持续性,且持续性表现强的雨量等级比降水量更多,持续性更强,除前文提到的以外,还有春季总降水时间、大雨降水时间、夏季小雨降水时间及秋季小雨降水时间,都将与过去基本保持一致。春季各等级降水时间均会减少,夏季大雨、暴雨降水时间会继续增加。秋季小雨、中雨、大雨降水时间都将继续减少,暴雨降水时间变化不大。冬季除中雨降水时间增多外,其余降水时间均会减少。总体而言,未来极端降水和阶段性干旱的发生概率可能会增加,同时水土流失与气象灾害发生的强度可能增加。

图1 1960—2011年福建省4季不同等级降水量空间分布Fig.1 Spatial distribution of seasonal rainfall amounts from 1960 to 2011 in Fujian Province

4 结论

1)1960—2011年福建省年均降水量呈现增加趋势,而降水时间减少较为明显。从四季不同等级降水的变化趋势来看,春季各等级降水量都为减少趋势,夏季暴雨降水量增加明显,秋季仅有暴雨降水量增加,冬季除暴雨外,其他等级降水量增加。各等级降水时间的变化趋势与降水量变化趋势基本一致,主要表现为4季小雨降水时间的减少,春秋2季小雨时间的减少趋势尤为显著。综上可以发现,极端强降水向夏秋2季聚集的趋势越发明显。

图2 1960—2011年福建省4季不同等级降水时间空间分布Fig.2 Spatial distribution of seasonal rainfall days from 1960 to 2011 in Fujian Province

2)4季不同等级降水量和降水时间的空间分布一致性较好,位于福建中部的屏南—九仙山一带在4季均为小雨的多发区域,春、冬2季较大等级降水量和降水时间的高值区主要位于西北部和北部山区,造成该地区发生洪涝灾害、水土流失以及其他次生灾害的风险加大。社会经济活动较为集中的东南部沿海区域在夏、秋、冬3季均为暴雨降水量和降水时间的高值区,极端降水发生的可能性最大。

3)影响降水的因素众多,降水量和降水时间的变化具有波动性和阶段性特征;但从长期趋势来看,年均降水量在未来可能会缓慢增加,降水时间将持续减少,降水强度将进一步增大。总体上大雨、暴雨的降水量和降水时间将继续增多,极端降水事件发生的概率增大,水土流失和地质灾害的风险增加。小雨、中雨的降水量和降水时间将继续减少,阶段性干旱的可能性增大。

表3 福建省不同等级降水量和降水时间的Hurst指数Tab.3 Statistics of Hurst index for seasonal rainfall amounts and rainfall days for different rainfall levels in Fujian Province