江苏降水长期趋势及年代际变化空间差异分析

邓自旺, 周晓兰, 陈海山

邓自旺, 周晓兰, 陈海山. 江苏降水长期趋势及年代际变化空间差异分析[J]. 应用气象学报 , 2004, 15(6): 696-705.
引用本文: 邓自旺, 周晓兰, 陈海山. 江苏降水长期趋势及年代际变化空间差异分析[J]. 应用气象学报 , 2004, 15(6): 696-705.
Deng Ziwang, Zhou Xiaolan, Chen Haishan. Spatial variation of precipitation trend and interdecadal change in Jiangsu. J Appl Meteor Sci, 2004, 15(6): 696-705. .
Citation: Deng Ziwang, Zhou Xiaolan, Chen Haishan. Spatial variation of precipitation trend and interdecadal change in Jiangsu. J Appl Meteor Sci, 2004, 15(6): 696-705. .

江苏降水长期趋势及年代际变化空间差异分析

资助项目: 

江苏省教委自然科学研究项目 (01KJB170001) 和 (01KJB17006)

SPATIAL VARIATION OF PRECIPITATION TREND AND INTERDECADAL CHANGE IN JIANGSU

  • 摘要: 根据江苏省60个气象站1961~2001年的逐月降水量资料,计算了逐月、季和年降水量距平百分率(RAP),以此研究了江苏降水的长期趋势和年代际变化特征及其空间差异。结果表明:全省平均降水量1、3、6月有显著的增多趋势,而4、9两月有显著的减少趋势;年降水量,南部增多,而北部减少;春季降水量大部分地区减少,夏季降水量主要是南部增多,北部减少,秋季大部分地区降水量减少,冬季全省降水量增多。4个年代年RAP符号变化,在江苏南部呈“--++”型,北部为“++--”型,中部则呈“+--+”、“+-+-”等过渡型。春季则在北方呈“-+-+”型,中部呈“+--+”型,南部呈“+---”型,徐州和盐城地区主要为“++-+”型。夏季RAP符号,主要分布型由北到南依次为“++--”、“+-+-”、“+--+”、“-+-+”和“--++”。秋季RAP符号全省绝大多数台站为“+-+-”型。冬季RAP符号在东部和南部大片地区为“-+-+”型,而西部则主要为“-+++”、“--++”、“-+-+”和“---+”型混杂。
    Abstract: By analyzing the monthly rainfall (R) series of the 60 weather stations for the 1961—2001 period, monthly, seasonal and annual precipitation abnormity percentages (RAP) were calculated. Based on these the spatial patterns of seasonal and annual precipitation trends and interdecadal changes in Jiangsu Province were investigated. Results show that: (1) there are significant positive (negative) trends in January, March and June (April and September); (2) annual rainfall increased in the south, decreased in the north and weakly varied in the middle; (3) seasonal mean precipitation decreased in most parts in spring, increased in southern regions and decreased in northern districts in summer, decreased in most areas in autumn and increased all over the Province in winter; (4) the abnormity percentage sign variation types of the four decadal average are "--+ +" in the south, " + +--" in the north and "+--+" or " +-+-" etc transition types in the middle regions of the Province respectively for annual precipitation. For spring precipitation, they are "-+-+" in north, " +--+" in the middle, " +---" in south and " + +-+" in Xuzhou and yanchen districts. For summer rainfall, they are "+ +--", "+-+-", "+--+", "-+-+" and "--+ +" form north to south. For autumn rainfall, the type "+ +--" appears at almost all stations in the Province. And for winter precipitation the type "--+ +" appears in large area in the south and the east of the Province, the other comparative frequent types such as "-+ + +", "--+ +", "-+-+" and "---+" etc appear mainly in the west.
  • 全球变化的区域响应是气候变化研究的一个热点问题。任国玉等[1]指出,1951年以来,我国长江中下游地区年和夏季降水呈现明显增加趋势。李峰等[2]认为20世纪70年代中期前后长江中下游地区降水量存在明显变化。孙林海等[3]的研究表明我国多雨带也存在明显的年代变化。江苏作为长江下游的我国经济大省,近年来经济快速发展,乡镇企业如雨后春笋般地迅速发展起来,省内经济发展也很不平衡,与我国其它地区相比,该省土地利用方式变化很明显,很多农业用地转化为工业用地,这势必改变当地的气候变化特征,也会使当地气候变化与长江中下游其它地区气候变化有所不同。在全球变暖的背景下,其气候的变化特征特别是其长期趋势和年代际变化特征如何,对此问题的深入研究有助于我们了解工业化对气候变化的影响。降水量 (简记为R) 作为反映气候特征的最重要指标之一,对其进行长期趋势和年代际变化特征的研究是有重要意义的。关于江苏降水的变化,施宁[4]研究了宁苏扬地区1470~1995年间旱涝变化的趋势,指出,宁苏扬地区近500多年可划分为差异显著的6个旱涝气候阶段,其中近100多年来干旱频率高,洪涝年份略少,总体旱涝年份增多,正常年份减少。田心如和于莲君[5]指出,近百年来汛期江苏省较易发生的旱灾,1920~1930年代为旱灾频发期,淮北地区近年有向旱年发展的趋势,江淮之间及苏南地区进入1990年代以来向旱年发展的趋势则愈来愈明显。马骅[6]则指出,雨涝是江苏省主要天气气候灾害之一,几乎每年都有不同程度地发生。在雨季里,由于长期连续阴雨或大雨、暴雨而形成大面积的地表径流造成内涝,如果出现大范围连续暴雨会引起山洪爆发。本文则分析全省最新观测资料,揭示其中反映的近40年来江苏省不同季节降水的气候变化趋势和年代际变化的新特征。

    本文所用资料为江苏省60个气象站1961~2001年逐月总降水量资料。季节的划分按气象部门习惯的分法,即春季为3~5月,夏季为6~8月,秋季为9~11月,冬季为12~2月。各季降水量为3个月降水量之和,年降水量为12个月降水量的总和,在分析中采用降水距平百分率 (简记为RAP)。

    Ri(i=1,2,...40) 为某站 (或全省平均) 某月 (某季或年)1961~2000年的降水序列,则第i年RAP为:

    (1)

    式中M为该序列的平均值。为了分析各月和季节RAP的变化趋势,采用线性回归方程:ri′=a +bi +ε来拟合该序列随时间变化的线性趋势,其中ab为回归系数,ε为残差,则回归系数b即可表示趋势的大小。根据文献[7]给出的回归效果检验法,当回归方程的复相关系数大于临界相关系数,则趋势显著,否则不显著。本文取信度为0.05,则相应的临界相关系数为0.305。

    为了解RAP的空间分布,采用三次样条函数插值法[8],将计算所得60站线性趋势插值到整个江苏省,空间分辨率为0.02°(纬度)×0.02°(经度),得到变化趋势的空间分布图。

    60站4个年代 (20世纪60、70、80和90年代) 各季节的10年RAP的计算方法如下:

    (2)

    其中l=1,2,...60,表示60个站点; k=1,2,3,4,表示4个年代; i=1,2,...40表示40年,Mll站40年平均值。考虑到采用最新资料,本文4个年代分别为1961~1970、1971~1980、1981~1990和1991~2000年,与传统的年代划分有1年之差,但对整个分析影响不大。

    为分析全省和各代表站RAP不同时段的趋势和年代际变化特征,采用高斯滤波的方法[9],对RAP序列进行平滑处理,窗宽选择为5。具体采用如下公式:

    (3)

    其中高斯函数形式为Ri′即为平滑后第i年RAP的值。

    根据原始资料计算了全省60个站平均各月及年RAP的趋势,表 1给出了全省平均及各地区代表站逐月RAP趋势,可见其中1、3、4、6和9月全省60站平均降水量的距平百分率有显著的线性趋势。1、4和9月大部分站点的线性趋势是显著的,3月 (6个) 和6月 (5个) 有近一半代表站线性趋势显著,其它月份的线性趋势达不到显著性水平。4、7、9、12月份江苏省降水有减少趋势,特别明显的为9月 (-76 %/40 a) 和4月份 (-58 %/40 a)。其余月份则有增加趋势,其中最显著的为1(87 %/40 a)、3(59 %/40 a) 和6月份 (55 %/40 a)。从江苏省13个地市代表站的降水百分率趋势看,1、3、4、6、9和10月趋势符号各站基本上是一致的,但2、5、7、8、11和12月有的站有正趋势,而另一些站则有负趋势。

    表  1  逐月降水距平百分率趋势
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    从全省平均降水的距平百分率看,春、夏季与年RAP变化趋势基本一致,但秋、冬季与年RAP变化则有一定的差异。为了了解这一差异,采用公式 (3) 对原始序列进行滤波,得到全省平均RAP变化的平滑曲线 (图 1)。可见,年RAP基本上在0线附近振动,最大幅度在10 %左右。尽管如文献[2]所指出,20世纪90年代前期降水减少,但90年代后期降水却是增加的。秋季降水在60年代前期急剧下降,幅度达60 %左右,60年代后期到70年代稳定少变,80年代前期又有所升高,80年代后期到90年代前期又有明显减少,幅度在45 %左右,达到40年最低值,90年代后期降水又开始增多,但仍未达到平均值。冬季降水变化与秋季近于反向,但位相有一定的差异。60年代初开始,到70年代前期持续增多,增幅也达60 %左右,然后减少,到80年代初又开始增多,80年代末和90年代初达40年最大值,以后又减少,但仍维持正距平值。

    图  1  秋季、冬季和年RAP平滑序列的变化

    为了比较江苏省北部、中部和南部降水变化空间的差异,选择徐州、泰州、苏州分别作为北部、中部和南部的代表站,绘制出其春、夏、秋、冬季和年RAP变化平滑曲线,结果如图 2所示。由图可以看出,3个代表站之间是有一定的差异的。从春季看,徐州变化幅度最大,特别是20世纪80年代中期以前,变化较有规律,幅度较大频率较小,而80年代后期以后,变化幅度较小而振动频率较高。苏州在60年代先增多后减少,70年代到90年代前期有增多趋势,泰州降水量在80年代初以前有减少趋势,80年代初到90年代初增多,然后又减少。夏季降水量变化的差异也很明显,徐州降水在80年代及以前有下降趋势,而90年代又有上升趋势,苏州降水从60年代后期开始持续呈上升趋势,而泰州降水在40年里没有明显的长期趋势。从秋季和冬季RAP变化图可以看出,大趋势并无显著差异,其差异主要在幅度和位相上。从年总降水量看,3站之间也存在差异,在80年代以前其变化位相比较一致,而80年代中期以后差异明显,苏州降水量明显增多,而泰州和徐州则近于反相变化。

    图  2  徐州、泰州和苏州RAP变化滑序列 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年

    根据原始的春、夏、秋、冬和年降水序列,计算了全省60站四季和年RAP线性趋势,并绘出了其空间分布图,如图 3所示。可见,春季尽管大部分区域降水有减少趋势,但也有一部分区域降水有增多趋势。其中增幅最大的为泰州北部和盐城南部地区,幅度可达20 %/40a以上,另外连云港、宿迁、镇江南部和常州西北部也有一定的增多趋势。降水减少幅度最大的几个中心分别为徐州地区、盐城北部、南通和苏州地区,最大减幅也可达到20 %/40a以上。

    图  3  RAP变化趋势 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年
    (单位:%/40m)

    夏季降水长期趋势则呈现出南部降水增多,而北部降水减少的空间分布,并且这种空间差异非常明显。南通、泰州、扬州、宿迁及这些地区以南的6个地区降水都有增多趋势,其中苏州地区和南京地区有些县市降水量增多幅度可达70 %/40 a, 而北部的盐城中部和北部、连云港及徐州降水都有减少趋势,其中徐州北部个别县降水量减少幅度也可达到40 %/40a。秋季降水全省各地区都有减少趋势,其中沿江的南通、苏锡常、南京及扬州地区减少幅度可达40 %/40a以上,另外盐城北部、连云港、宿迁北部和徐州东部减少趋势也较明显。冬季全省各地区降水均有增多趋势,其中增多幅度最大的区域为宿迁南部、扬州西部和南京北部,幅度可达40 %/40a以上。年RAP的变化趋势空间分布的主要特征是,南部降水有增多趋势,而北方降水则显著减少。其中苏州、无锡、常州、南京西部、南通南部降水增多较明显,幅度可达 (20 %~30 %)/40 a, 而徐州、连云港和盐城部分地区降水则明显减少,幅度可达-20 %/40a左右。

    采用显著性F检验,结果发现尽管各季各地都有一定的线性趋势,但由于RAP的时间变率较大,与总体变率相比,只有夏季线性趋势能够通过显著性检验的区域较大,即苏州、无锡和南通的中部和南部地区RAP线性趋势能通过信度为0.05的显著性检验,而秋季冬季能通过显著性检验的只有镇江和南京北部、泰州和扬州的南部地区,年RAP线性趋势只有苏州南部和南通南部能够达到显著性检验标准,而春季全省都达不到显著性标准。

    为了了解年代际变化的空间差异,根据公式 (2) 计算了60站四季及全年4个年代RAP,结果表明:春季RAP年代际变化空间差异主要表现在北部年代际变率大,而南部则较小,尽管1960~1970年代省内不同地区降水百分率距平符号相差明显,但1980~1990年代绝大多数站点的距平符号是一致的,即1980年代降水明显偏少,而1990年代降水则显著偏多。其中北部的徐州、连云港、宿迁和盐城北部大多数县市1980年代降水比40年平均降水偏少20 %左右,而南部各地区则偏少10 %或以下。夏季RAP年代际变化与春季不同,北方变率小而南方变率大,江苏中部的几个地区则界于两者之间。变率最大的为南京、南通和苏州地区,其中有些县市60年代降水偏少达25 %以上,90年代偏多也达25 %以上,1970~1980年代距平则在10 %以内。因此江苏南部地区夏季降水增多趋势明显,而北部有减少趋势,中部趋势则相对较小。秋季RAP的年代际变率很大,为4个季节中变率最大者,4个年代RAP大多数县市都在10 %~30 %。冬季距平较大的为60年代和90年代,距平可达10 %~15 %,而1970~1980年代距平则较小,小于10 %。年RAP的年代际变率相对较小,其中南通北部、泰州、镇江、扬州地区降水百分率的年代际变化与其它地方相比则更不明显,距平绝对值都很小。

    根据4个年代RAP距平符号 (RAP<0记为“-”,表示降水偏少,否则记为“ +”,表示降水偏多或正常),以及排列组合原理,可将4个年代变化分为16个型,但由于“----”和“ ++++”型是不可能出现的,实际上最多只可能有14个型,将四季和年RAP不同符号型出现的站数进行统计,结果如表 2所示,其空间分布如图 4所示。

    表  2  四季和年4个年代RAP符号型的站数统计表
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    图  4  四个年代 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年RAP的符号性的空间分布

    可见4个年代春季RAP距平符号型主要为10型、9型、1型和11型,其中前两型占总站数的2/3。从空间分布看,北方的宿迁、连云港、淮阴地区、徐州东南部、盐城北部及南京地区为10型 (即RAP经历了“少-多-少-多”的变化过程)。扬州、泰州、镇江、常州、无锡和南通北部为9型 (多-少-少-多)。而东南部的苏州和南通南部为1型 (多-少-少-少)。徐州西北和盐城北部为11型 (多-多-少-多)。夏季RAP距平符号型除4、6、7型外,其它各型都有站点出现,可见夏季RAP年代际变化空间差异明显,但站数最多的主要为12、10、3、9、8、5型。南部的苏锡常、南京及镇江地区为12型 (少-少-多-多)。北部的徐州、连云港及宿迁北部为3型 (多-多-少-少)。10型 (少-多-少-多) 主要出现在扬州、南京北部、泰州中部和南通北部,8型在12与10型的中间地带,而宿迁、淮阴、盐城和泰州北部则为5型、9型及其它型混杂。秋季60个站中有50个站为5型 (多-少-多-少),其余的4个型总共才10个站,并且在空间上零散分布,表明秋季RAP年代际变化在空间上基本上是一致的。冬季有38个站为10型 (少-多-少-多),约占全省站点的2/3,东部及南部地区都属于此型。而西部的徐州、宿迁和南京则为8、12和14型混杂,但基本上所有站点90年代降水量都偏多。年总降水量,年代际变化型主要为12、9、3和5型,其中站点数最多的12型 (少-少-多-多) 分布在苏州、无锡、常州、南京、南通南部、镇江地区; 其二为3型 (多-多-少-少),分布在徐州、连云港和宿迁地区的北部; 其三为5型 (多-少-多-少),主要为盐城北部地区。其它地区为多型混杂。江苏中部和南部年降水量90年代都偏多 (型号为8~14)。

    (1) 就全省平均而言,1、3和6月RAP有显著的增多趋势,而4、9两月减少趋势显著,其它月份的变化则达不到显著性水平。

    (2) 从变化趋势的空间分布看,年和不同季节RAP变化趋势存在明显的空间差异。年RAP变化趋势为南部明显增大,北部明显减小,中部变化不明显。春季大部分地区RAP减小,夏季主要是南部增多,北部减少,秋季则全省RAP减小,冬季全省RAP增大。尽管如此,只有夏季线性趋势能够通过显著性检验的区域较大,即苏州、无锡和南通的中部和南部地区RAP线性趋势能通过信度为0.05的显著性检验,而秋季冬季能通过显著性检验的只有镇江和南京北部、泰州和扬州的南部地区,年RAP线性趋势只有苏州南部和南通南部能够达到显著性检验标准,而春季全省都达不到显著性标准。

    (3) 4个年代的年RAP符号,在江苏南部呈“--++”型,北部为“ ++--”型,中部则呈“ +--+”、“ +-+-”等过渡型。春季RAP符号在北方呈“-+-+”型,中部呈“ +--+”型,南部则呈“ +---”型,徐州和盐城地区主要为“ ++-+”型。夏季RAP符号,主要分布型由北到南依次为“ ++--”、“ +-+-”、“ +--+”、“-+-+”和“--++”。秋季RAP符号型全省绝大多数台站为“ +-+-”,冬季RAP符号在东部和南部大片地区为“-+-+”型,而西部则主要为“-+++”、“--++”、“-+-+”和“---+”型混杂。

  • 图  1   秋季、冬季和年RAP平滑序列的变化

    图  2   徐州、泰州和苏州RAP变化滑序列 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年

    图  3   RAP变化趋势 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年

    (单位:%/40m)

    图  4   四个年代 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年RAP的符号性的空间分布

    表  1   逐月降水距平百分率趋势

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    表  2   四季和年4个年代RAP符号型的站数统计表

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图(4)  /  表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2003-07-14
  • 修回日期:  2003-11-05
  • 纸刊出版:  2004-12-30

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