自然科学  >> Vol. 9 No. 4 (July 2021)

四川省降雨变化特征分析
Analysis of Rainfall Variation Characteristics in Sichuan Province

DOI: 10.12677/OJNS.2021.94051, PDF, HTML, XML, 下载: 67  浏览: 116 

作者: 孙 磊:成都市气象局,四川 成都;鲁 燕:温江区气象局,四川 成都;张一珂:成都市生态环境数智治理中心,四川 成都

关键词: 降雨量线性插值气候特征气候倾向率Precipitation Linear Interpolation Climatic Characteristics Climate Tendency

摘要: 为了了解四川省降雨变化特征,本文利用1982~2011年四川省37个观测站点的降雨资料对年季气候变化特征进行了分析,结果表明:四川省年平均降雨量在453~1578 mm之间,各季平均降雨量依次为夏季最多,秋季次之,冬季最少;年平均降雨量呈线性减少趋势,减小幅度为2.0 mm/a;除春季呈线性增多外,其余各季均呈线性减少,且减少幅度不尽相同,夏季最大,秋季次之;年季降雨量空间分布特征具有相似性,整体呈西北部偏少,东部–南部一线偏多的分布特征,强中心位于盆地西南部一带;各地年季降雨量除东南部呈线性减少外,其余各地随季节不同而不同。通过分析明确了四川省降雨变化特征,可为气候论证和气候资源利用提供参考依据。
Abstract: Using the precipitation data of 37 observation stations in Sichuan province from 1982 to 2011, this paper analyzes the characteristics of annual climate change. The results show that the annual average precipitation in Sichuan province is between 453 mm and 1578 mm, and the seasonal average precipitation is the most in summer and the next in autumn, least in winter. The annual aver-age precipitation decreased linearly by 2.0 mm/a, and decreased linearly in all seasons except spring, with the largest decrease in summer and the second in autumn. The spatial distribution characteristics of annual precipitation are similar, showing less in the northwest and more in the east-south, with a strong center in the southwest of the basin. The annual precipitation in all areas is different with the seasons, except that in the southeast, and it decreases linearly. By analyzing the characteristics of precipitation change in Sichuan Province, it can provide reference for climate demonstration and utilization of climate resources.

文章引用: 孙磊, 鲁燕, 张一珂. 四川省降雨变化特征分析[J]. 自然科学, 2021, 9(4): 454-463. https://doi.org/10.12677/OJNS.2021.94051

1. 引言

二十世纪以来,全球气温总体呈上升趋势,特别1981~1990年全球平均气温比100年前上升近0.5℃。随着全球气温不断升高,大范围异常气候事件在世界各地频发,给全球带来了重大的经济损失和人员伤亡。气候变暖对环境、水资源等各方面的影响也愈发突显,而降雨量作为研究气候变化的重要组成部分也备受广大学者关注。

四川省位于青藏高原东部,地形地貌复杂,受高原低值系统东移影响,具有极其独特的天气气候特征。随着气候变化研究的不断展开,对于四川省降雨的气候特征方面的研究取得了一系列重要成果。徐裕华 [1]、陈淑全 [2] 根据1951~1980年基本气候资料整编出四川盆地的一些降雨特征。邵远坤等 [3]、孙云华等 [4] 研究指出:四川盆地降雨分布不均,且呈线性递减趋势。马振锋等 [5] 和刘晓冉等 [6] 研究指出:川西高原年降雨量呈显著增多趋势,而盆地降雨量呈线性减少趋势。周长艳等 [7] 利用1961~2008年四川逐日降雨资料研究指出:四川盆地中西部降雨明显减少。熊光洁等 [8] 研究指出:川东和川西高原夏季降雨明显增加,而四川盆地则明显减少。赵旋等 [9] 利用EOF、REOF、趋势分析、M-K突变检验和Morlet小波分析方法分析四川夏季降雨,结果表明:四川夏季降雨呈减小趋势,各区域降雨周期与变化趋势各不相同。蒋兴文等 [10] 和陈偌怡 [11] 研究西南地区冬季气候特征发现:1980s以前四川地区降雨偏少,1980s前期偏多、后期偏少,1990s以来明显偏多。胡豪然等 [12] 利用四川盆地1961~2006年逐日降雨资料分析表明:四川盆地汛期极端降水自西向东呈阶梯状递减,川西高原与四川盆地之间、盆地东部和西部之间呈反位相变化。任小玢等 [13] 利用1960~2010年四川盆地逐日降雨资料进行定量分析表明:四川盆地降雨发生日数总体呈减少趋势;盆地年均降雨日数总体呈现西部、南部偏多,东部、北部偏少,且盆地西部和北部降雨日数减少趋势较快。赵衍斌等 [14] 利用1966~2013年逐日降雨资料统计表明:四川盆地较其他地区强降雨事件次数偏多,强度偏强;且与夏季降雨相关性最好,与冬季降雨的相关性最差。毛冬艳等 [15] 利用近30年逐时降雨资料分析指出:西南地区短时强降雨呈频次增多、强度增强的趋势;降雨主要集中在4~10月,并具有明显的夜发性。陶威等 [16] 利用1960~2014年的西南地区93个站的逐月降水资料,统计分析了西南地区全年和春、夏、秋、冬季降水的时空分布特征。

总的说来,已有大量学者对四川地区的降雨进行了研究,但对降雨的空间分布,特别是季节性的分布特征研究相对较少。因此,本文在前人的研究基础上应用1982~2011年的降水资料,分析年和四季平均降雨量的时空分布特征,进一步加强对四川地区降雨气候特征的认识。

2. 资料与方法

2.1. 资料简介

本文使用的资料来源于四川省气象信息共享平台。资料选择范围为97˚~109˚E,26˚~35˚N范围内四川省的基本站或基准站。为了保证资料客观真实,对所用资料按以下条件进行筛选:1) 鉴于四川省各基本站或基准站建站时间不一,且建站初期缺值较多,资料起始时间选为1982年;2) 删除有明显错误的记录值,如连续多年总降雨为0。最终我们选取1982~2011年四川省37个观测站(图1)资料来研究四川省近30年来降雨变化的气候特征。季节按气象学方法进行划分:春节为3~5月,夏季为6~8月,秋季为9~11月,冬季为12月~次年2月。

Figure 1. Distribution map: Rainfall observation stations in Sichuan Province

图1. 四川省降雨量观测站点分布图(黑点表示站点所在位置)

2.2. 计算方法与原理

本文采用双线性插值法和气候倾向率法 [17] 对四川省年平均降水和各季节降雨的变化特征进行分析。

2.2.1. 双线性插值法

双线性插值法在内陆气象要素插值中,有较好的适应性,能够得到较高的准确度 [18],因此本文采用双线性插值法对降雨量进行插值。

在数学上,双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展,其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。线性插值的结果与插值的顺序无关。首先进行y方向的插值,然后进行x方向的插值,所得到的结果是一样的。

Figure 2. Linear interpolation algorithm diagram

图2. 线性插值算法图示

假设已知函数f在 Q 11 = ( x 1 , y 1 ) Q 12 = ( x 1 , y 2 ) Q 21 = ( x 2 , y 1 ) 以及 Q 22 = ( x 2 , y 2 ) 四个点的值,想得到函数f在点 P = ( x , y ) 的值。首先在x方向进行线性插值,得到 R 1 R 2 ,然后在y方向进行线性插值,得到P。这样我们就得到所想得到的结果 f ( x , y ) 。其中, Q 11 Q 12 Q 21 Q 22 为已知的4个像素点。第一步:x方向的线性插值,在 Q 12 Q 22 中插入 R 2 Q 11 Q 21 中插入 R 1 ;第二步:y方向的线性插值,通过第一步计算出的 R 1 R 2 在y方向上插值计算出P点(图2)。

2.2.2. 气候倾向率

本文采用一元线性回归进行趋势线分析,通过线性回归方式计算各网格的降雨量变异倾向特征,从而反映降雨量空间变异倾向特征,趋势斜率计算公式为:

Slope = n i = 1 n i R i ¯ i = 1 n i i = 1 n R i ¯ n i = 1 n i 2 ( i = 1 n i ) 2

式中,n为总年数,i为第i年; R i ¯ 为第i年平均降雨量;slope为趋势线斜率。其中,slope < 0时,说明降雨量在n年间呈现增加趋势;slope = 0时,说明降雨量没有变化;slope < 0时,降雨量呈现减少趋势。

3. 四川省降雨变化特征分析

3.1. 四川省年平均降雨量变化特征

基于四川省年平均降雨量统计基础上(表1),在1982~2011年期间,四川省年平均降水量851 mm,最多出现在1998年,为978 mm,最少出现在2006年,为723 mm,年平均降水量最多年和最少年相差达255 mm。年平均降雨量总体上呈线性减少趋势(图3(a)),减小幅度为2.0 mm/a。其中,1982~1991年期间和1992~2001年期间,四川省降雨量分别以2.8 mm/a和9.1 mm/a的幅度呈线性增多的趋势,而2001~2011年期间,降雨量以−3.4 mm/d的幅度呈线性减少的趋势。造成这种差异的原因可能与四川特殊地形和气候背景有关。

Table 1. System resulting data of standard experiment

表1. 标准试验系统结果数据

*注:距平降雨量表示各时间段年平均降雨量与30年总年平均降雨量之差。

(a) 1982~2011 (b) 1982~1991 (c) 1992~2001 (d) 2002~2011

Figure 3. Interannual variation of Sichuan Province (mm)

图3. 各年段四川省年际变化图(mm)

3.2. 四川省平均降雨量四季变化特征

表2可知,四川省各季平均降雨量排序依次为夏季、秋季、春季、冬季,其中,夏季降雨量占全年一半以上,高达56.8%,而冬季最少,仅占全年平均降雨量的2.4%。

Table 2. Statistics of four seasons rainfall in Sichuan Province

表2. 四川省四季降雨量统计表

图4可知,1982~2011年期间,四川省除春季平均降雨量呈线性增多趋势外,其余各季平均降雨量呈线性减少趋势,且减少幅度不尽相同。其中,夏季年降雨量减少幅度最大,达1.8 mm/a,秋季次之。

(a) 春季Spring (b) 夏季Summer (c) 秋季Autumn (d) 冬季Winter

Figure 4. Four seasons average rainfall in Sichuan Province from 1982 to 2011

图4. 1982~2011年四川省四季平均降雨量变化图

3.3. 四川省年季平均降雨量空间分布特征

1982~2011年期间,四川省各站年平均降雨量在453~1578 mm之间,年最大降雨量出现在1990年的峨眉山为2324 mm,最小出现在1994年的巴塘,仅255 mm,年最大值和最小值相差高达2069 mm,说明四川省各地降雨量分布极其不均。从四川省各站年平均降雨量分布图(图5)可知,西南部明显偏多,东部和川西高原明显偏少,强中心位于盆地西南部一带。

Figure 5. Annual average rainfall in Sichuan Province

图5. 四川省年平均降雨量分布图

图6为四川省37个观测站四季年平均降雨量分布图。从图中可知:四川省春季年平均降雨量在47~302 mm之间,其中,年最大降雨量出现在2008年的达川为517 mm,最小出现在1982年的稻城,仅10 mm,各地降雨分布不均,降雨量强中心位于盆地西南部一带(图6(a))。夏季年平均降雨量在325~627 mm之间,年最大降雨量出现在1984年的峨眉山为1488 mm,最小出现在2006年的巴塘为111 mm,呈西北部偏少,东部——南部一线偏多,强中心位于盆地西南部一带(图6(b))。秋季年平均降雨量在100~323 mm之间,年最大降雨量出现在2011年的万源为715 mm,最小出现在1994年的巴塘为255 mm,强降雨量中心位于盆地西南部一带(图6(c))。冬季年平均降雨量在1~87 mm之间,川西高原西北部降雨量明显偏少,四川盆地和攀西地区降雨量偏多,年最大降雨量出现在2006年叙永为119 mm (图6(d))。

(a) 春季Spring (b) 夏季Summer (c) 秋季Autumn (d) 冬季Winter

Figure 6. Average rainfall in four seasons in Sichuan Province

图6. 四川省四季平均降雨量分布图

3.4. 四川省年季降雨量趋势系数变化特征

计算四川省各个观测站的降雨量趋势系数,统计结果显示,在四川省37个观测站中有10个观测站是正值,27个观测站是负值,这说明近30年四川省大部分地区年降雨量的变化趋势是减少的。从四川省1982~2011年各观测站年降雨量趋势系数分布图(图7)上可知,西北部和东北部降雨量呈线性增多趋势,中心位于稻城和阆中,中心强度分别为2.8 mm/a和2.2 mm/a;其余各地均呈线性减少的趋势,强度位于东南部的峨眉山,减少幅度为−11.6 mm/a。这与马振锋等 [6] 和刘晓冉等 [7] 研究结果一致。

Figure 7. Annual rainfall trend coefficient of each observation station in Sichuan Province

图7. 四川省各观测站年降雨量趋势系数分布图

从四季各站降雨量趋势系数分布图上看,春季在东北部个别地方和东南部降雨量呈线性减少趋势外,其余大部地方呈线性增多趋势(图8(a))。夏季在西北部降雨量呈线性增多趋势,其余大部地方均呈线性递减趋势(图8(b))。秋季降雨量在东北部呈线性增多趋势,其余大部地方均呈线性递减趋势(图8(c))。冬季降雨量较其余三季相对较弱,除攀西地区到东北部为线性减弱趋势外,西北部和北部呈较弱的线性增多趋势,增多幅度接近0.1 mm/a (图8(d))。

(a) 春季Spring (b) 夏季Summer (c) 秋季Autumn (d) 冬季Winter

Figure 8. Annual rainfall trend coefficient of each observation station in Sichuan Province (Unit: mm/a)

图8. 四川省各观测站四季降雨量趋势系数分布图(单位:mm/a)

4. 结论

本文利用1982~2011年四川省37个观测站点的年、季降雨量资料,对四川省降雨的气候变化特征进行了分析,突出了前人研究较少四季降雨空间分布和年际变化,得出如下结论:

1) 在1982~2011年期间,四川省年平均降雨量呈线性减少趋势,减小幅度为2.0 mm/a。各季平均降雨量依次为夏季最多,秋季次之,冬季最少;除春季降雨量呈线性增加趋势外,其余各季降雨量呈线性减少,且减少幅度不尽相同,夏季最大,秋季次之。

2) 四川省降雨的四季空间分布具有相似性,总体都呈西北部偏少,东部–南部一线偏多的分布特征,强中心位于盆地西南部一带。

3) 1982~2011年期间,各地年季降雨量除东南部呈线性减少趋势外,其余各地随季节不同而不同。四川省年降雨量在北部和东北部呈线性增多趋势,其余各地均呈线性减少的趋势。春季降雨量在东北部个别地方和东南部呈线性减少趋势外,其余大部地方呈线性增多趋势。夏季降雨量在西北部呈线性增多趋势外,其余大部地方均呈线性递减趋势;秋季降雨量在东北部呈线性增多趋势外,其余大部地方均呈线性递减趋势。冬季降雨量较其余三季相对较弱,除攀西地区到东北部为线性减弱趋势外,西北部和北部呈较弱的线性增多趋势。

参考文献

[1] 徐裕华. 西南气候[M]. 北京: 气象出版社, 1991.
[2] 陈淑全. 四川气候[M]. 北京: 气象出版社, 1985.
[3] 邵远坤, 沈桐立, 游泳. 四川盆地近40年来的降水特征分析[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2005, 27(6): 749-752.
[4] 孙云华, 崔希民, 杨星. 1981~2010年四川省的降水时空分布变化特征研究[J]. 气候变化研究快报, 2018, 7(3): 163-173.
[5] 马振锋, 彭骏, 高文良. 近40年西南地区的气候变化事实[J]. 高原气象, 2006, 25(4): 633-642.
[6] 刘晓冉, 李国平, 范广洲. 我国西南地区1960-2000年降水资源变化的时空特征[J]. 自然资源学报, 2007, 22(5): 783-792.
[7] 周长艳, 岑思弦, 李跃清. 四川省近50年降水的变化特征及影响[J]. 地理学报, 2011, 66(5): 619-630.
[8] 熊光洁, 王式功, 尚可政. 中国西南地区近50年夏季降水的气候特征[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2012, 48(4): 45-52.
[9] 赵旋, 李耀辉, 齐冬梅. 1961-2007年四川夏季降水的时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2013, 35(4): 181-189.
[10] 蒋兴文, 李跃清. 西南地区冬季气候异常的时空变化特征及其影响因子[J]. 地理学报, 2010, 65(11): 1325-1335.
[11] 陈偌怡. 我国西南地区降水季节变化特征分析[J]. 自然科学, 2020, 8(5): 450-457.
[12] 胡豪然, 毛晓亮, 梁玲. 近50年四川盆地汛期极端降水事件的时空演变[J]. 地理学报, 2009, 64(3): 278-288.
[13] 任小玢, 董治宝, 周正朝. 近50年来四川盆地降水日数的时空变化特征[J]. 水土保持通报, 2012, 32(4): 65-70.
[14] 赵衍斌, 肖天贵. 四川地区强降水的时空分布特征[J]. 成都信息工程学院学报, 2016, 31(1): 94-101.
[15] 毛冬艳, 曹艳察, 朱文剑. 西南地区短时强降水的气候特征分析[J]. 气象, 2018, 44(8): 1042-1050.
[16] 陶威. 近50年西南地区降水的时空分布特征[J]. 气候变化研究快报, 2018, 7(4): 308-319.
[17] 魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 北京: 气象出版社, 2007.
[18] 饶莉娟, 王健林, 张星. 不同插值方法对精细化预报产品在青岛地区的检验比较[J]. 中国农学通报, 2020(32): 100-108.