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近50年中国降水量的变化特征、区域差异与变化区划

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 气象学报 2016-05-03近50年中国降水量的变化特征、区域差异与变化区划论文作者:梁圆 千怀遂 张灵,原文发表在《气象学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 降水量变化 区划 概率分布 周期 突变
摘要: 基于中国537个气象站点1961-2010年的年降水量数据,运用滑动概率分布模型、小波分析和Mann-Kendall检验法,结合中国地形特点,从降水量均值的变化、变率的变化、频率分布形式的变化、突变特征以及周期变化5个方面来分析中国降水量的变化特征和区域差异,构建具体的指标体系,对中国降水量变化进行区划。结果表明,中国降水量变化存在明显的区域差异,根据这些差异可以将中国划分为3个变率变化带、10个平均降水量变化区、35个周期变化亚区。

梁圆1,2, 千怀遂1 , 张灵1
1. 广州大学地理科学学院, 广州, 510006;
2. 广州地理研究所, 广州, 510070
2015-03-05收稿; 2015-09-27改回
资助课题: 国家自然科学基金项目(51210013)。
作者简介: 梁圆,主要从事气候变化、资源开发与利用研究。
通讯作者: 千怀遂,主要从事应用气候学、全球气候变化和遥感技术应用等方面的研究。

1 引言

全球变暖背景下,中国气候变化十分显著(Metz et al,2007),降水量变化的区域性也很明显。中国幅员辽阔,地形复杂,各地降水量分布不均,变化不一,寻求不同区域的降水量变化规律,对于各区域应对不同的降水量变化类型,以确定具体的应对措施,适应降水量变化的需要意义重大。在气候变化的历史长河中,某一定时期内的气候总是围绕着某一平衡态而振荡的,气候从一个平衡态转入另一平衡态的过程,正是气候状态发生变化的过程。从统计角度来说,这种变化必然反映在其相应的概率分布变化上(丁裕国等,2009)。概率分布理论可以用来描述气候要素和变量观测值的概率特征和随机特性。在降水量方面,目前概率分布理论研究的重点是,用已经观测到的有限样本去拟合某种概率分布模型并估计其参数,以及计算降水量出现在不同范围内的概率(Katz,1977;曹杰等,2002;Hanson et al,2008;姜彤等,2008;胡利平等,2009;郭军等,2010;杨小波等,2011;司波等,2012;曹经福等,2013)。对于中国降水量变化的研究也有不少成果,多集中在平均降水量的趋势变化(Rodrigo et al,2007;刘通易等,2013)、季节、年际和年代际变化(马音等,2012;胡德强等,2014)、周期变化(王澄海等,2012)以及突变特征(丁一汇等,2008)等方面。在降水区划或分区方面,已有的研究(徐国昌等,1989;朱乾根等,1992;王文春等,1994;江志红等,1994;陈兴芳等,2000;秦爱民等,2006)大多是基于某一特定时段降水量和降水变化特征对中国降水进行区域划分,基本都属于现状区划,分区的指标选取比较单一,没有反映降水量变化特征的具体的指标体系。史培军等(2014)首次以气温和降水两个要素为基础,根据其变化趋势以及波动特征,结合中国地形特点,以县级行政单元区划为基本单元,完成了中国气候变化区划(1961—2010年),迈出了气候变化分类或区划的第一步。

降水量的变化主要体现在降水量均值的变化、变率的变化、频率分布形式的变化、不同尺度的周期变化以及突变等方面,它们在不同区域可能会出现不同程度的差异,目前还没有对中国的降水量变化做过系统的分区工作。因此本研究凸出降水量变化的主要特征,按照一定的区划原则和边界界定方法,选取能够反映降水量变化特征的基本指标构建具体的区划指标体系,对中国降水量变化进行系统的分区,为各区域制定适应降水量变化的对策提供依据,同时也为各区域中长期的气候分析、研究和预测提供科学依据,为各区域的工农业生产提供基础性的气候变化资料。

2 数据和方法

2.1 数据来源和处理

选取无缺测年份的537个气象站点1961—2010年的年降水量数据,数据来源于中国气象科学服务网。运用滑动方法,把1961—2010年的50年时间序列分为5个30年的时段序列,分别为1961—1990年(时段①)、1966—1995年(时段②)、1971—2000年(时段③)、1976—2005年(时段④)、1981—2010年(时段⑤)。

2.2 研究方法

主要选取平均值、变异系数(么枕生,1963)以及偏度系数、峰度系数和正态性检验方法(黄嘉佑,2004),分别计算每个气象站每个30年时段的多年平均降水量以及年降水量变率、偏态系数、峰度系数,通过对比不同时段的计算结果,分析降水量均值的变化、变率的变化、频率分布形式的变化以及它们的区域分异特征。突变特征采用Mann-Kendall检验法,该方法不需要样本遵循一定的分布,也不受少数异常值的干扰,目前已广泛用于气象领域的研究(Su et al,2005;刘洪兰等,2013)。周期变化特征采用Morlet小波分析,根据已有的研究(郝志新等,2007;张顺谦等,2011,2014),对于降水量的周期变换,一般采用常数ω0≈6.2。

3 结果与分析

3.1 降水量均值变化的区域差异

通过分析不同时段平均降水量差值百分率的分布(图略)可以看出,全中国近50年来年降水量的均值变化具有东部减少、西部增多的基本分布态势,即其区域分异遵从经度地带性分布规律。由时段②-①的平均降水量差值百分率分布可见,降水量均值的减少地区主要集中在由东北区东部经华北地区向西南地区延伸的东北—西南向地带中,增多区主要集中于西北区中西部;在时段③-②的平均降水量差值百分率分布图上,华北沿海的减少区西移至华北西部和西北东部,西南区的减少区东移至华南西部,西北西部的增多区南伸至青藏高原;在时段④-③的平均降水量差值百分率分布图上,东部的减少和西部的增多均不太显著,区域差异也不太明显;在时段⑤-④的平均降水量差值百分率分布图上,从东北西部经华北西部和西北东部到西南区有一条显著的东北—西南走向的降水量减少带。总之,降水量减少或增多的分布区比较集中,而且呈现南北向延伸东西向递变的带状分异特征,说明年平均降水量对气候变化的响应存在较为明显的区域性,经度地带性规律明显。

在时段⑤-①的平均降水量差值百分率分布(图 1)上,降水量均值变化的经度地带性区域分异规律表现得很明显,平均降水量差值百分率变化在-18.83%—50.09%,为了进一步说明不同地区间的差别,以平均降水量差值百分率-5%、0、11%为界,将中国分为4种类型:强减型、弱减型、弱增型、强增型。根据不同类型站点的空间分布特点,形成6大区域(表 1)。


图 1 时段⑤-①的中国平均降水量差值百分率分布(a)及分区(b)Fig. 1 Mean annual precipitation variation (a) of China and the partition diagram (b) for the periods ⑤-①
图选项
表 1 时段⑤-①的中国平均降水量变化分区情况Table 1 The partition of the mean precipitation variation of China for the periods ⑤-①
分区 负值站
点(个) 正值站
点(个) 主导站
点类型 主导站点百
分比(%) 主导站点变化
幅度(%) 平均变化
幅度(%) 分布位置
Ⅰ 18 110 弱增型 85.94 0.11—14.73 3.30 中国南方地区的淮河流域、
长江中下游和华南地区
Ⅱ 144 33 弱减型 81.36 -11.89—-0.18 -
2.46 西南地区东部、华南西部、
江汉地区北部、黄淮地区中部、
内蒙古地区的中部和东部、
华北北部地区
Ⅲ 57 0 强减型 100.00 -18.83—-0.89 -8.29 西北地区东部、华北大部分
地区和黄淮地区北部
Ⅳ 19 71 弱增型 78.89 0.60—25.44 3.39 西藏地区、西北地区中部、
内蒙古西部和西南地区北部
Ⅴ 1 43 强增型 97.73 2.25—50.09 18.50 新疆大部分地区和
西藏西北部地区
Ⅵ 9 32 弱增型 78.05 0.10—8.12 2.06 黑龙江、吉林东部
和内蒙古东北部小部分地区
合计 248 289
表选项3.2 降水变率变化及其区域差异

通过分析不同时段降水量变率差值的分布(图略)可以看出,变率减小的站点呈减少趋势,变率增大的站点呈增多趋势,说明逐年降水量变得越来越不稳定的区域范围在扩大,越来越大范围的地区旱涝灾害发生的频率在增大,这对于人们的生产和生活将产生重大的影响;变率减小或增大的分布区相对较集中,一般来说,在华北和西北地区往往存在一条东西向的变率减小带,两侧往往为变率增加带,即变率变化区有东西向延伸、南北向更替的态势,其地域分异有纬度地带性特征,但在某一变率增大带或减小带中,变率的变化也很不均匀,东西向差异也较明显,即也有经度地带性特征。

从时段⑤和①的变率差分布(图 2a)可以看出,降水量变率在中国西北和华北等地区减小比较明显,在中国东北地区以及内蒙古东北部增大比较明显,而在中国南方地区变率变化相对较小,且在东西方向上呈现出变率增大和减小交替出现的基本分布形式。1961—2010年降水变率变化为-18.5048%—16.6432%,为了进一步说明变率变化的区域差异性,分别以-3%、0、3%值为界,将中国分为4种类型:强减型、弱减型、弱增型、强增型。根据不同类型站点的空间分布特点,形成3个类型区(图 2b和表 2)。


图 2 时段⑤-①的中国降水变率差分布(a)与分区(b)Fig. 2 Variation of the precipitation variability of China (a) and the partition diagram (b) for the periods ⑤-①
图选项
表 2 时段⑤-①的降水变率差分区情况Table 2 The partition of the variation of precipitation variability for the periods ⑤-①分区 负值站
点(个) 正值站
点(个) 主导站
点类型 主导站点百
分比(%) 主导站点变化
幅度(%) 平均变化
幅度(%) 分布位置
Ⅰ 108 157 弱增型 59.25 0.01—12.29 0.64 中国南方和青藏地区
Ⅱ 144 28 强减型 83.72 -18.50—-0.01 -
3.37 西北大部分地区、华北大部分地区
和内蒙古西部地区
Ⅲ 14 86 强增型 86.00 0.08—16.64 3.20 内蒙古东部和东北地区
合计 266 271
表选项3.3 降水量频率分布形式变化及其区域差异

(1)偏度和峰度变化及其区域差异

通过对比分析不同时段降水量偏度差值和峰度差值的分布(图略)可以看出,偏度值减小的站点呈减少趋势,偏度值增大的站点呈增多趋势,说明有越来越多的站点小于平均值的降水量出现的频率在增大,而且越来越多的地区高于平均值的极端降水量也在增加;峰度值减小的站点呈减少趋势,峰度值增大的站点呈增多趋势,表明越来越多的站点,其降水量在众数周围的集中程度在提高;偏度和峰度在全国的分布形势基本相似,在华北至西北有一条东西向的减小带,其两侧减小趋势逐渐变得不明显,甚至转变为增加趋势,即二者的分布具有纬度地带性的特征,在减小带的南侧,减小区与增加区在东西向交替出现,即有经度地带性的特征,但该区的东中部二者的分布有明显的差别(图 3)。此外,偏度和峰度系数变化的分布与降水量变率变化也类似,偏度和峰度都增大的东北地区基本对应着降水量变率强增型区域;偏度和峰度都减小的西北和华北对应着降水量变率强减型区域,西藏对应着降水量变率弱减型区域;偏度和峰度变化不一致的东南部,降水量变率变化是增大和减少相交替的格局(图 2、3)。由此可见,偏度系数和峰度系数的变化与变率的变化有明显的相关性。


图 3 时段⑤-①的中国降水量偏度系数(a)和峰度系数(b)差值分布Fig. 3 Difference distribution of skewness (a) and kurtosis (b) coefficient variations of precipitation of China for the periods ⑤-①
图选项
(2)频率分布形式变化及区域差异

根据5个时段偏度和峰度是否服从正态分布,可以确定所有站点的正态分布适合度变化。在α=0.05的情况下,当降水量的偏度系数绝对值(│g1│)>1.96Sg1=0.7943,降水量不服从正态分布;降水量的峰度系数绝对值(│g2│)>1.96Sg2=1.3726,降水量不服从正态分布。

由检验结果可以看出(图略),绝大多数站点5个时段都服从正态分布(称为稳定正态分布站),少数站点服从非正态分布(称为稳定非正态分布站),另有一部分站点只在某些时段服从正态分布(称为不稳定正态分布站)。5个时段中不服从正态分布的基本表现为高峰度,即降水量样本频率分布的坡度相对于正态分布概率密度曲线坡度偏陡,降水量在众数周围的集中程度较高。

综合偏度和峰度检验结果,稳定正态分布站数为353个,稳定非正态分布站数为18个,剩余166个站点为不稳定正态分布站。3种气象站的数量悬殊,分布分散,对气候变化区划来说,无分区标识意义(图略)。

3.4 降水量变化的突变特征及其区域差异

运用Mann-Kendall检验法,检测所有站点降水量在显著性α=0.05的突变时间,检测结果表明,发生明显突变的站点有228个,没有突变或突变不明显的站点309个。从发生突变的时间来看,107个站点的突变时间集中在20世纪60年代,43个站点的突变时间集中在70年代,42个站点的突变时间集中在80年代,36个站点的突变时间集中在1990—2008年。突变后降水量呈减少趋势的主要分布在西南和华北大部分地区以及东北局部地区,呈增多趋势的主要分布在西北和东部沿海地区。根据是否发生突变把站点分为2种类型:没有突变和发生突变,将两类站点划入相应的区域内,形成了8个区域(图 4)。


图 4 1961—2010年中国降水量突变点分布Fig. 4 Distribution of the abrupt change points of precipitation of China during 1961-2010
图选项
3.5 降水量的周期变化特征及其区域差异

应用小波分析法,检测各个气象站降水量的变化周期。由第1主周期的分布可以看出,周期变化有明显的区域性差异,地势较高的山区和高原多以中低频变化为主,地势低平地区以高频波动为主。青藏高原地区,东南部以周期为9—13 a的中高频变化为主,西部和北部边缘山区以周期大于20年的低频变化为主;在西北地区,西部以周期短于10年的高频变化为主,中部以低频波动为主;东部季风区,除南岭、秦岭、内蒙古高原东部、小兴安岭和长白山的山区以中低频变化为主外,其他大部分地区以高频波动为主。根据气象站点的降水量变化第1主周期,将中国划分为21个区域,分别用数字代号1—21表示(图 5)。


图 5 1961—2010年中国降水量的主周期分布 (单位:a) Fig. 5 Distribution of the main cycle of precipitation of China during 1961-2010 (unit:a)
图选项
3.6 中国近50年降水量变化的区划方案

(1)区划原则

根据区划的对象、目的和尺度的不同,其区划原则也有所不同(刘国华等,1998),由于本区划只需对降水量的变化做分区,因此主要考虑主导因素原则、地域连片原则、自下而上和自上而下相结合原则及综合性原则。

(2)区划指标体系的构建

由上述分析可知,绝大部分站点的年降水量在绝大部分时段都符合正态分布,尽管其偏态系数和峰度系数随时间有一定的变化,但并不显著,不能改变其基本分布型式,而且相关分析表明,偏态系数、峰度系数与变率有显著的相关关系,说明三者并不相互独立,前二者的部分信息包含在变率之中,因此,区划指标体系的构建不考虑偏态系数、峰度系数及其与之相关的频率分布型式的变化。在正态分布函数中,数学期望和标准差是两个重要的参数,统计学常用样本的平均值和标准差(或变率)表示之,前者反映了气候的平衡状态,其变化表明了降水量的集中趋势的变化,降水量的增多或减少对一个地区水资源环境和农业发展等具有很大的影响,而且相关分析表明,降水量均值变化与突变有一定的相关,即均值变化涵盖了突变的部分信息,有一定的综合性;降水量变率反映了降水量分布的离散程度,离散程度不仅反映了分布中心的指标对各个变量值代表性的高低,还反映了随机变量次数分布密度曲线的瘦俏或矮胖程度,其变化与偏度和峰度变化具有一定的对应关系,涵盖了部分概率分布型式的信息,综合性较强,而且是引起极端事件的主要因子,由此引发的旱涝灾害是人类社会非常关注的问题,因此降水量均值和变率是降水量变化区划的重要依据。在近50年的降水量变化中,不同尺度的气候波动是主要变化成分,其中方差最大的主周期也是波动最显著且最为稳定的变化,而且正负小波系数转折时零点即对应着突变点,包含了降水量的突变信息,有一定的综合性,因此周期变化也是降水量变化区划的重要依据。对降水量进行突变检测发现,发生突变站点的突变年份比较分散,其空间分布也相对分散,分区标识性较差,而且其部分信息已经涵盖在降水量均值变化的周期变化之中,因此本次区划不考虑突变的作用。

由上述降水量变化区域分异的分析可见,降水量变率变化的区域分异主要反映了气候纬度地带性特征,降水量均值变化主要反映气候经度地带性特征,降水量波动的主周期主要与地形等非地带因子有关,本区划坚持自上而下和先分带后分区的思路,分别用时段⑤-①相对变率差、时段⑤-①平均降水量差值百分率和主周期作为三级区划指标。具体指标体系及划分标准见表 3。

表 3 划分中国降水量变化的指标体系及标准Table 3 The index system with the standard for dividing precipitation variation of China级 别 指 标 分区类型(代码) 指标范围
一级区划 时段⑤-①相对变率差 弱增减(Ⅰ) -3%—3%
强减(Ⅱ) ≤-3%
强增(Ⅲ) >3%
二级区划 时段⑤-①平均降水量差值百分率 强减(A) ≤-5%
弱减(B) -5%—0
弱增(C) 0—11%
强增(D) >11%
三级区划 主周期 高频(Pa) 2—8 a
中高频(Pb) 9—13 a
中频(Pc) 14—18 a
中低频(Pd) 19—25 a
低频(Pe) >25 a
表选项(3)分区方法

区划单元边界界定方法包括主导标志法、叠置法、地理相关分析法、景观制图法、聚类分析方法、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)分析方法等(赵松乔等,1979;刘燕华等,2005;郑度等,2005)。本研究综合采用主导标志法、叠置法和地理信息系统,结合数字高程模型(DEM)数据,参考中国地形,先单独对各个指标变化的边界进行确定,最后综合时用叠置法将这些指标进行叠加确定区域界线。根据有限的站点数据,对于连续数据的指标采用GIS空间插值方法确定区域界线,对于离散数据的指标叠加DEM数据,参考中国地形和同类型数据的集中程度,有明显地形变化的,以地形界线作为参考界线,没有明显地形变化的以不同类型站点的中间距离来划定界线。进行综合区划时,首先以一级指标界线为基础,叠加二级指标界线,再到三级指标界线,界线不重叠的,以上一级指标界线为准。

(4)区划结果

依据上述气候变化区划的原则、指标体系、分区界线确定方法和分区等级系统,本研究根据降水量变率变化区域差异将中国降水量变化划分为3个带,根据平均降水量变化划分10个区,根据周期变化特征划分35个亚区。具体区划结果见表 4和图 6。