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研究全球變暖背景下的極端天氣氣候事件的發(fā)生規(guī)律已成為人們關(guān)注的重要問題[1],大量的研究已經(jīng)表明,極端氣候事件對社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活等各個層面的影響尤為嚴(yán)重[2-3],所造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的[2-4]。隨著全球變暖,高緯度地區(qū)降水量趨于增多。國外許多專家用各種模式模擬了在溫室氣體濃度加倍情況下未來氣候可能發(fā)生的變化,發(fā)現(xiàn)極端降水事件雖有較強(qiáng)的區(qū)域差異,但各地區(qū)的氣候狀態(tài)均有向極端化方向發(fā)展的趨勢[5-8]。在我國,對于極端降水事件的變化,不少工作者分別針對全國[9-14]、長江流域[15-18]、東北地區(qū)[19-21]、西北地區(qū)[22-27]、北疆地區(qū)[28]等范圍討論了年內(nèi)或季內(nèi)極端強(qiáng)降水事件的變化,其中楊金虎[12,23,25]等指出:中國年極端降水事件與年降水量之間存在較好的相關(guān)性,尤其夏季極端降水事件與年降水量的相關(guān)性最好;西北汛期極端降水事件發(fā)生頻次同降水量的空間分布有很大的差異;甘肅省夏季極端強(qiáng)降水量的異常空間分布可分5個關(guān)鍵區(qū),并且對各區(qū)極端強(qiáng)降水量的表現(xiàn)趨勢和周期做了分析。但對于極端降水事件的頻數(shù)、強(qiáng)度的時空分布的變化研究還不多。

甘肅黃土高原區(qū)(圖1)是一個傳統(tǒng)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)比較脆弱,由于夏季干旱頻繁發(fā)生,小量級的降水對于緩解農(nóng)業(yè)旱情、改善土壤墑情起不到有效作用[27],夏季極端降水的概率雖然不大但會直接威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn),給人們生活帶來嚴(yán)重的影響。并且隨著全球變暖的持續(xù)發(fā)展,這種極端氣候事件的出現(xiàn)頻率將會大大增加[29],要注重極端天氣現(xiàn)象的氣候變化研究,特別是不能忽視發(fā)生概率較小,但對人類社會生態(tài)環(huán)境,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大的現(xiàn)象及其規(guī)律。因此,本研究從極端降水的頻數(shù)和強(qiáng)度入手,進(jìn)一步分析甘肅省黃土高原區(qū)夏季(6、7、8月)極端降水事件在時間和空間上的演變規(guī)律,更詳盡的了解該區(qū)夏季發(fā)生極端降水事件的變化特征,從而把握主要雨帶隨時間的位置變化,對做好該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣象減災(zāi)防災(zāi)方面具有重要意義。

1研究資料與方法

1.1研究區(qū)資料選取

甘肅省黃土高原地區(qū)(圖1)指甘肅省東部和中南部被連綿黃土覆蓋的廣大地域,為保留行政區(qū)劃的完整性,研究區(qū)域包括甘肅省轄區(qū)內(nèi)的慶陽、平?jīng)觥⑻焖⒍ㄎ鳌⑻m州、白銀6個市。本研究數(shù)據(jù)是甘肅省氣象局提供的1961—2009年逐日降水資料,在使用前對各個站點(diǎn)進(jìn)行了比較嚴(yán)格的質(zhì)量控制,刪除資料序列長度過短或缺測等站點(diǎn),最終選取了該區(qū)32個站點(diǎn)。

1.2研究方法

1.2.1極端降水定義

文中采用目前國際最為流行的百分位法定義了不同臺站極端降水事件的閾值。使用百分位定義極端降水事件,避免了用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(如50mm)的定義方法在干旱、半干旱地區(qū)檢測不到極端降水的不足。其具體方法是:把各站1971—2000年6—8月各日的降水資料分別從小到大排序,各月均取第95個百分位所對應(yīng)日的值,把該對應(yīng)日30a平均值定義為該月極端降水閾值。研究各月極端降水特征時,分別使用其對應(yīng)月的極端降水閾值來檢測極端降水事件。某站某日降水量大于等于其對應(yīng)月極端降水閾值時,則稱為發(fā)生一次極端降水事件,某時間段(1個月)發(fā)生極端降水事件的次數(shù)稱為極端降水頻數(shù),發(fā)生極端降水日的降水量之和稱為極端降水量。某時間段極端降水量除以極端降水頻數(shù),稱為極端降水強(qiáng)度。

1.2.2復(fù)值Morlet小波分析及小波方差

小波分析是近10a來被引入氣象領(lǐng)域的一種新方法,它不僅可以給出氣候序列變化的尺度,還可以顯示出變化的時間位置。復(fù)值Morlet小波用于時間序列的分析時,小波系數(shù)實(shí)部的變化趨勢與信號的起伏是基本一致的,等值線中心為高低值中心(正小波系數(shù)為高值,負(fù)小波系數(shù)為低值),中心值的大小可以反映出波動的振蕩強(qiáng)度[30]。

小波方差反映了波動的能量隨尺度的分布,可以用來確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強(qiáng)度,對應(yīng)峰值處的尺度即為該序列的主要時間尺度,即主要周期[31]。因此,小波方差提供了一種確定一個時間序列中存在主要周期的客觀而有效的分析方法。

2極端降水閾值的空間分布

圖2A給出了甘肅黃土高原區(qū)夏季平均極端降水閾值的空間分布,從圖中可以明顯看出,東南大西北小的特點(diǎn),閾值最大的站在正寧,為15·45mm,最小的站在景泰,為5·96mm。最大值達(dá)到最小值的2·6倍,說明甘肅黃土高原區(qū)夏季極端降水閾值的空間差異大。這種空間分布與圖2B夏季降水總量的分布極為相似,即降水量大的區(qū)域極端降水閾值大,說明了極端降水與總降水的關(guān)系非常密切。

3極端降水的時空變化特征

3.1時間變化特征

3.1.1極端降水頻數(shù)的時間變化分析

從圖3極端降水頻數(shù)序列的復(fù)值Morlet小波變換圖和小波方差圖(圖3)對應(yīng)可以看出,6月極端降水頻數(shù)序列在11a左右的振蕩最為顯著,而且沿著時間序列振蕩越來越強(qiáng)烈,其次是4a周期,出現(xiàn)在近些年但振蕩表現(xiàn)的很微弱;7月極端降水頻數(shù)序列在15a左右的振蕩為第一主周期,該周期貫穿于整個時間序列,其次是11a和4a左右的周期;8月極端降水頻數(shù)序列在4a時間尺度上的振蕩最顯著,尤其在20世紀(jì)70年代和自90年代以來這兩段時間里振蕩較強(qiáng)烈,其次是12a和18a左右的周期。

3.1.2極端降水強(qiáng)度的時間變化分析

由圖4中對應(yīng)可以看出,6月極端降水強(qiáng)度序列在11a左右的周期振蕩最為明顯,并且貫穿于整個時間序列,其次是4a,主要是自20世紀(jì)80年代以來振蕩較明顯;7月極端降水強(qiáng)度序列在12a左右的周期振蕩最顯著,尤其自90年代以來周期振蕩表現(xiàn)的更強(qiáng)烈,其次是8a、4a周期,振蕩分別主要出現(xiàn)在1985年之前、90年代;8月極端降水強(qiáng)度序列在5a時間尺度上的振蕩最明顯,其次是8a、18a左右的周期。

將頻數(shù)和強(qiáng)度結(jié)合起來看,6、7月極端降水周期較長,8月周期較短:即6、7月極端降水事件發(fā)生的主周期是11~12a,8月是4~5a。極端降水頻數(shù)和降水強(qiáng)度的11a左右的年代際周期主要受太陽黑子11a準(zhǔn)周期的影響,同時也和東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化的11a主要周期一致[32]。4a左右的年際周期主要受東亞季風(fēng)3~4a和6·5a左右的年際周期變化影響[33]。同時,25a左右的周期表現(xiàn)也很明顯,有待更長時間序列觀測數(shù)據(jù)的驗證。

3.2空間變化特征

3.2.1總量空間變化特征分析

極端降水量與降水總量的百分比,反映極端降水事件降水量對總降水量的貢獻(xiàn),也從一定意義上反映極端降水事件對洪澇的貢獻(xiàn)率[34]。圖5為1961—2009年夏季極端降水累積總量空間分布圖,其中夏季極端降水累積總量占夏季降水累積總量(圖2B)的62%。從圖中可以看到它們的總體趨勢具有一致性,即由西北向東南呈逐漸增加的趨勢;同時也存在明顯的空間差異性,極端降水總量較大值主要分布在在隴東東南部地區(qū),分布面積比夏季降水總量較大值分布面積大且集中;同時在岷縣、渭源、臨洮一帶,夏季降水總量較多,但發(fā)生極端降水的降水總量卻相對較少。

3.2.2極端降水頻數(shù)的空間變化分析

圖6為1961—2009年夏季(6—8月)極端降水事件49a累積頻數(shù)的空間分布,很顯然,8月發(fā)生頻數(shù)最多,7月次之,6月最少。隨著時間的推移(6—8月)頻數(shù)在空間分布范圍上不斷擴(kuò)大。就各月來看,6月發(fā)生頻數(shù)相對較少,僅僅在個別海拔相對高的山區(qū)頻數(shù)較多,說明對頻數(shù)反映最敏感的是海拔高度。7、8月,隨著季風(fēng)的加強(qiáng),頻數(shù)開始在天水、秦安、莊浪以及隴東地區(qū)表現(xiàn)明顯,且逐漸加強(qiáng)。

3.2.3極端降水強(qiáng)度的空間變化分析

強(qiáng)度是衡量極端降水的另一要素,強(qiáng)度越大越可能造成災(zāi)害。圖7為夏季(6—8月)極端降水事件49a累積強(qiáng)度的空間分布,很明顯:6月強(qiáng)度最弱,8月較強(qiáng),7月最強(qiáng)且自西向東空間差異性最大;就各個月來說,6月極端降水強(qiáng)度最小值發(fā)生在烏鞘嶺以東的景泰、永登一帶,相對較大值主要發(fā)生在天水、清水附近地區(qū),另外還有正寧、渭源強(qiáng)度也較大;7、8月的極端最大降水強(qiáng)度分布具有空間一致性,主要在莊浪、秦安、天水一線以東地區(qū),尤其是隴東地區(qū)的東南部。

綜上所述,極端降水頻數(shù)與強(qiáng)度在空間上基本具有一致性,東、中部多西部少。東亞夏季風(fēng)對我國降水的影響主要位于100°E以東的地區(qū)[35],而該區(qū)正好處于東亞季風(fēng)影響區(qū)內(nèi),每年的降水分布,降水帶移動及其帶來的洪澇災(zāi)害就是受夏季風(fēng)控制;同時全年水汽輸送主要來自與其南面相鄰的青藏高原上空的西南暖濕氣流和川陜東南部的東南暖濕氣流,此外,作為東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)主要成員之一的西太平洋副熱帶高壓,其西南側(cè)的東南風(fēng)水汽輸送在強(qiáng)夏季風(fēng)年也可以到達(dá)。隨著夏季風(fēng)的進(jìn)退,受地形影響,該區(qū)極端降水帶移動在頻數(shù)和強(qiáng)度上由西向東表現(xiàn)為:大致以莊浪、秦安、天水一線為界,6月頻數(shù)和強(qiáng)度大值區(qū)在這一線以西,海拔相對高的山區(qū),7—8月在以東地區(qū),尤其是隴東地區(qū)的東南部。為了避免災(zāi)害的發(fā)生可以再相應(yīng)的時間和地區(qū)做好防范準(zhǔn)備。

4極端降水的頻數(shù)和強(qiáng)度的趨勢變化

圖8為1961—2009年夏季(6—8月)極端降水事件49a累積頻數(shù)和累積強(qiáng)度圖,可以看出,6月極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度都明顯呈上升趨勢;7月極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度都呈下降趨勢;8月極端降水頻數(shù)呈下降趨勢,強(qiáng)度呈微弱上升趨勢。這與全國持續(xù)1d極端事件的相對頻數(shù)具有上升趨勢而平均強(qiáng)度具有下降趨勢[9]有些差異。另外,運(yùn)用Mann-Kendall突變檢驗法對極端降水的頻數(shù)和強(qiáng)度進(jìn)行檢測,結(jié)果沒有通過檢驗,突變不顯著。

5結(jié)論與討論

本研究借助ArcGIS(9.X)和Matlab7·0數(shù)據(jù)軟件平臺,采用復(fù)值Morlet小波分析及小波方差分析了甘肅黃土高原區(qū)1961—2009年夏季極端降水的頻數(shù)和強(qiáng)度時空變化特征,初步可以得出以下結(jié)論:

1)從時間尺度來看,該區(qū)夏季極端降水頻數(shù)6—8月第一主周期分別為11a、15a、4a;其次在不同的時段內(nèi)還存在12a、18a的周期振蕩;極端降水強(qiáng)度在6—8月分別以11a、12a、5a的周期振蕩表現(xiàn)的比較顯著,其次為4a、8a、18a的周期振蕩。將頻數(shù)和強(qiáng)度結(jié)合起來看,6、7月極端降水周期較長,8月周期較短:即6、7月極端降水事件發(fā)生的主周期是11~12a,8月是4~5a。這可能分別受太陽黑子和ENSO周期的影響,其中ENSO是通過影響東亞季風(fēng)年際周期來影響降水的。

2)從空間尺度來看,該區(qū)夏季極端降水帶移動由西向東表現(xiàn)為:大致以莊浪、秦安、天水一線為界,6月頻數(shù)和強(qiáng)度大值區(qū)在這一線以西,海拔相對高的山區(qū),而7、8月在以東地區(qū),尤其是隴東地區(qū)的東南部。

3)近50a來,夏季極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度的總體走勢為:6月極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度都明顯呈上升趨勢;7月極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度都呈下降趨勢;8月極端降水頻數(shù)呈下降趨勢,強(qiáng)度呈微弱上升趨勢;同時,極端降水的頻數(shù)和強(qiáng)度,在20世紀(jì)80年代沒有發(fā)生明顯突變。探討全球變暖背景下中國西部地區(qū)氣候變化的研究考慮在以下兩個方面:一是加強(qiáng)未來氣候變化預(yù)測研究,在全球進(jìn)一步變暖的情況下,研究我國西部未來最可能的區(qū)域氣候變化趨勢。二是注重區(qū)域異常或極端天氣現(xiàn)象的氣候變化研究,特別是不能忽視那些發(fā)生幾率較小,但對人類社會、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)影響巨大的現(xiàn)象及其規(guī)律[36]。本研究對甘肅黃土高原區(qū)夏季極端降水來對氣候變化進(jìn)行研究,得到了該區(qū)夏季極端降水事件的一些時空特征。其中對甘肅黃土高原區(qū)夏季極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度研究得到的周期與前人研究甘肅地區(qū)乃至西北地區(qū)降水量的周期很相近,說明了極端降水對降水量的貢獻(xiàn)不僅僅表現(xiàn)在總降水量上,還表現(xiàn)在頻數(shù)和強(qiáng)度上。極端降水事件的發(fā)生隨機(jī)性大,突發(fā)性強(qiáng),損害性大對于農(nóng)業(yè)氣候有很大的沖擊,會直接影響農(nóng)作物生育,造成其產(chǎn)量不穩(wěn)定,希望本研究中主要雨帶隨時間的位置變化,能對該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣象減災(zāi)防災(zāi)方面具有一定的參考價值。另外,從夏季極端降水頻數(shù)和強(qiáng)度的總體走勢來看,該區(qū)夏季極端降水頻數(shù)在時間上會不會有提前的趨勢?這還需要進(jìn)一步的研究驗證。