符 靜,曠 微,鄧運(yùn)員,田亞平,趙 莎
1. 衡陽(yáng)師范學(xué)院 傳統(tǒng)村鎮(zhèn)文化數(shù)字化保護(hù)與創(chuàng)意利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽(yáng)421002; 2. 衡陽(yáng)師范學(xué)院 古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 衡陽(yáng) 421002
降水是氣候和水文氣象最重要的變量之一,是地表淡水資源的主要來(lái)源,與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān).降水模式的變化可能引發(fā)洪水、干旱、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害,致使生物多樣性喪失和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降等[1-2],從而較其他氣候變量會(huì)產(chǎn)生更直接的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響[3].因此,研究降水時(shí)空變化規(guī)律對(duì)于氣候分析和水資源規(guī)劃決策至關(guān)重要.
鑒于全球氣候變化對(duì)水文過(guò)程的影響,降水趨勢(shì)分析已成為氣候研究的重要組成部分[4-5].近年來(lái),中國(guó)區(qū)域大尺度上降雨量研究[6-10]顯示整體上年均降水變化趨勢(shì)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但分區(qū)域卻存在明顯的時(shí)空差異性,然而不同學(xué)者對(duì)相關(guān)區(qū)域分析所得結(jié)論或許有不同之處,這可能與其所選研究時(shí)段、方法以及數(shù)據(jù)資料等不同有關(guān); 也有不少學(xué)者從流域尺度[11-15]、區(qū)域尺度[16-18]、地方尺度[19-20]等對(duì)降水變化趨勢(shì)進(jìn)行分析與探討,在一定程度上豐富了全球氣候變化研究.湖南省地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),降水變率大,近期氣候具有暖濕化趨勢(shì)[21],且該區(qū)域持續(xù)性干旱主要是由高溫和降水偏少造成,因此,從地理空間信息視角,對(duì)湖南省多站點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間序列降水變化進(jìn)行綜合分析對(duì)于評(píng)估氣候引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)策非常重要.本文從年、季尺度上分析了湖南省1960-2015年降水的時(shí)空特征,提高了數(shù)據(jù)的時(shí)效性,試圖揭示區(qū)域降水變化的某些規(guī)律,以期為水資源的調(diào)控、防汛抗旱提供決策參考,從而緩解旱澇災(zāi)害影響.
湖南省位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的中國(guó)中部地區(qū)(108°47′-114°15′E,24°38′-30°08′N(xiāo)),東西方向延伸約667 km,南北方向延伸約774 km,土地總面積21.18×104km2.該區(qū)域海拔介于23~2 115 m之間,地勢(shì)東、西、南三面相對(duì)較高,永州北部、衡陽(yáng)盆地、長(zhǎng)株潭地區(qū)、洞庭湖平原一帶地勢(shì)較低; 地形地貌復(fù)雜,山地、丘陵分布廣泛,二者面積約占區(qū)域總面積的2/3(圖1).此外,湖南省水系發(fā)達(dá),河網(wǎng)密布,境內(nèi)洞庭湖水系由湘江、資江、沅江、澧水及其支流匯聚而成,最長(zhǎng)的河流是湘江,最大的湖泊是洞庭湖.
基于審圖號(hào): GS(2019)3333號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖制作.圖1 研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布
選取湖南省87個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2015年逐月氣候資料,數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省氣象局,并通過(guò)初步質(zhì)量控制.選定的站點(diǎn)數(shù)據(jù)序列整體上較為完整,針對(duì)部分站點(diǎn)少量缺測(cè)或無(wú)效數(shù)據(jù),基于站點(diǎn)觀測(cè)資料進(jìn)行線性插補(bǔ).標(biāo)準(zhǔn)氣候平均值采用1981-2010年的平均值.利用站點(diǎn)經(jīng)緯度信息,在ArcGIS 10.2軟件中將站點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Shapefile點(diǎn)矢量數(shù)據(jù),大致均勻地覆蓋整個(gè)研究區(qū)域(圖1),以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)掛接,進(jìn)行空間插值.
1.3.1 氣候趨勢(shì)與特征分析
統(tǒng)計(jì)每一氣象站點(diǎn)年、季尺度降雨量,基于泰森多邊形、面積加權(quán)法獲得研究區(qū)同尺度降雨量.運(yùn)用線性回歸方程模擬得到氣候傾向率[22],用以表示降水變化趨勢(shì),并對(duì)線性趨勢(shì)做t檢驗(yàn).采用非參數(shù)Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)[21]評(píng)估降水時(shí)間序列的突變特征.依據(jù)“氣象干旱等級(jí)”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20481-2017),選取降水距平百分率(Pa)指標(biāo)揭示氣候異常特征,年尺度閾值設(shè)定為|Pa|=15%,30%,40%,45%,季尺度設(shè)定為|Pa|=25%,50%,70%,80%,將氣象等級(jí)劃分為正常與輕、中、重、特旱(或澇).
1.3.2 Hurst指數(shù)
采用Hurst指數(shù)(H)評(píng)價(jià)區(qū)域降水時(shí)間序列的持續(xù)狀態(tài),計(jì)算H的基本步驟如下:
1) 時(shí)間序列必須分成長(zhǎng)度為n的d個(gè)連續(xù)子序列,且d×n=N,N即時(shí)間序列的總長(zhǎng)度.任一子序列表示為Ia,其中,a=1,2,…,d.Ia中每一個(gè)元素記為Nk,a,其中,k=1,2,…,n.
2)Ia的均值定義為:
(1)
式中:Ea對(duì)應(yīng)每一子序列Ia的均值,為均值序列.
3)Ia對(duì)于均值的累積離差定義為:
(2)
式中:Xk,a表示每一子序列Ia的累積離差.
4) 極差定義為:
RIa=max(Xk,a)-min(Xk,a)
(3)
式中:RIa表示極差; max(Xk,a)表示累積離差的最大值,min(Xk,a)表示最小值.
5) 子序列Ia的樣本標(biāo)準(zhǔn)差表示為:
(4)
式中:SIa表示每一子序列Ia的標(biāo)準(zhǔn)差.
6) 對(duì)于任意RIa,均由對(duì)應(yīng)的SIa進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,則R/S值定義為:
(5)
7) 增加n的值,重復(fù)上述步驟①-⑥,直到n=N/2,可得到一系列(R/S)n.
8) 分別以Log(n),Log(n),Log(R/S)n為橫軸和縱軸Log(R/S)進(jìn)行回歸分析,所得方程的斜率即H的估計(jì)值.H介于0~1之間: 當(dāng)H=0.5,表明時(shí)間序列為隨機(jī)序列; 當(dāng)H>0.5,表明時(shí)間序列未來(lái)趨勢(shì)對(duì)歷史趨勢(shì)具有持續(xù)性(持續(xù)增加或持續(xù)減少),且H越接近1,持續(xù)性越強(qiáng); 當(dāng)H<0.5,表明時(shí)間序列未來(lái)趨勢(shì)對(duì)歷史趨勢(shì)具有反持續(xù)性(增加轉(zhuǎn)減少或減少轉(zhuǎn)增加),越接近0,反持續(xù)性越強(qiáng).
2.1.1 年際變化
由圖2a可知,1960-2015年,湖南省年均降水增幅為0.833 4 mm/a(未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)),表明多年降水呈不顯著的上升趨勢(shì).區(qū)域降水多年均值為1 412.3 mm,2002年降雨量最大(1 924.5 mm),2011年降雨量最少(998.4 mm),其余大部分年份圍繞平均值上下波動(dòng).1960-1985年間降水波動(dòng)變化較為平穩(wěn),之后有明顯的“增—減”趨勢(shì).M-K檢驗(yàn)表明,所有正時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)量構(gòu)成的UF曲線和時(shí)間序列的逆轉(zhuǎn)樣本得到的逆序列統(tǒng)計(jì)量構(gòu)成的UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)雖有多個(gè)交點(diǎn),但統(tǒng)計(jì)量未超出臨界值(p<0.05),表明區(qū)域多年降水量無(wú)突變特征,且UF曲線在1987-2002年幾乎呈單調(diào)遞增趨勢(shì),與此期間降水變化趨勢(shì)基本一致(圖2b).
圖2 1960-2015年湖南省降水量年際變化(a)及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(b)
圖3a顯示,降水量在1984-1999年間呈現(xiàn)明顯的連續(xù)偏枯和連續(xù)偏豐現(xiàn)象.據(jù)統(tǒng)計(jì),1963年、1971年、1978年、1985年表現(xiàn)為輕旱,2011年為中旱; 1970年、1973年、1994年、2012年表現(xiàn)為輕澇,2002年為中澇.
圖3 1960-2015年湖南省年度及四季降水距平百分率(Pa)
圖3b-e所示,春季Pa正負(fù)值交替出現(xiàn),沒(méi)有明顯的規(guī)律性,降水連豐年和連枯年較少; 夏季降水有明顯的連續(xù)偏豐、偏枯現(xiàn)象,主要集中在1963-1970年和1983-1999年2個(gè)時(shí)段; 秋季Pa變化規(guī)律與春季類(lèi)似,但波動(dòng)幅度較大; 冬季降水整體上偏枯現(xiàn)象較為嚴(yán)重,且較其他季節(jié)更易出現(xiàn)降水連豐和連枯現(xiàn)象,例如在1989-1995年和2002-2007年2個(gè)時(shí)期有連豐現(xiàn)象,1960-1969年和1975-1979年2時(shí)期有連枯現(xiàn)象.據(jù)統(tǒng)計(jì),從雨澇來(lái)看,春季輕澇6 a,夏季輕澇6 a、中澇1 a,秋季輕澇13 a、中澇2 a、重澇1 a、特澇1 a,冬季輕澇7 a,從旱情來(lái)看,春季輕旱2 a,夏季輕旱7 a、中旱1 a,秋季輕旱9 a、中旱2 a,冬季輕旱14 a、中旱1 a.由此可知,研究區(qū)近56 a發(fā)生旱澇的年份秋季最多(28 a),冬季次之(22 a),春季最少(8 a),其中,秋季雨澇年份最多,冬季干旱年份最多,且除了春季,其余季節(jié)均有中度及以上雨澇或旱情.
2.1.2 年內(nèi)變化
1960-2015年,湖南省年內(nèi)降水集中,春、夏兩季降水較多,秋、冬兩季相對(duì)較少,絕大部分年份冬季降水最少.四季降水多年均值分別為500.2,494.2,238.2,179.6 mm,春、夏兩季降水量對(duì)全年貢獻(xiàn)較大,合計(jì)占全年降雨量的70.4%; 氣候傾向率分別為-0.971,1.393 7,-0.199 1,0.633 6 mm/a,均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),表明春、秋兩季降水呈減少趨勢(shì),夏、冬兩季降水有增加趨勢(shì)(圖4a-d).
M-K檢驗(yàn)表明,春、秋兩季多年降水無(wú)突變點(diǎn),夏、冬兩季有突變特征(圖4e-h).具體地,春季絕大部分年份M-K統(tǒng)計(jì)量為負(fù)值,顯示出降水整體呈下降趨勢(shì)(圖4e).夏季UF曲線表明1984-1992年間降水呈下降趨勢(shì),1992年之后降水明顯增加,1999年超出置信區(qū)間(p<0.05),降水有顯著增加趨勢(shì)(圖4f).秋季自1963年開(kāi)始,降水呈下降趨勢(shì)(圖4).冬季1969年為突變點(diǎn)(p<0.05),1988年之前降水呈波動(dòng)上升趨勢(shì),之后單調(diào)增加,1993年超出置信區(qū)間,降水呈顯著上升趨勢(shì)(圖4h).
圖4 1960-2015年湖南省季節(jié)性降水量(a-d)及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(e-h)
2.1.3 空間格局
由圖5a可知,近56 a湖南省降水增速高值區(qū)主要分布于洞庭湖平原、羅霄山一帶和湘中丘陵區(qū),合計(jì)有62個(gè)氣象站點(diǎn)降水呈上升趨勢(shì),其中,增速較高的站點(diǎn)主要有資興(5.03 mm/a)、臨湘(3.61 mm/a)、岳陽(yáng)(3.56 mm/a)、醴陵(3.5 mm/a)、江永(3.47 mm/a)、安仁(3.32 mm/a)、華容(3.23 mm/a)等,其中,僅資興(5.03 mm/a)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(p<0.05),呈顯著上升趨勢(shì).研究區(qū)降水降速較大的區(qū)域主要分布在澧水、酉水上游和資水下游,合計(jì)25個(gè)站點(diǎn)降水呈下降趨勢(shì),其中,降速較大的站點(diǎn)主要有古丈(-2.65 mm/a)、龍山(-2.48 mm/a)、武岡(-2.32 mm/a)、花垣(-1.97 mm/a)、新寧(-1.42 mm/a)等,均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn).
1960-2015年,春季降水整體上減少趨勢(shì)明顯,合計(jì)87.4%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì),其中,保靖、武岡、吉首等7個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了顯著性水平(p<0.05),且洪江呈極顯著下降趨勢(shì)(2.46 mm/a)(p<0.01),這些具有顯著性變化的站點(diǎn)主要分布在大湘西地區(qū); 資興、江永、攸縣等11個(gè)站點(diǎn)呈增加趨勢(shì),主要分布在湖南南嶺地區(qū)、湘東南和洞庭湖區(qū)北部(圖5b).夏季降水整體增加趨勢(shì)明顯,90%以上的站點(diǎn)呈上升趨勢(shì),其中,辰溪、漣源、株洲等8個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了顯著性水平(p<0.05),新化呈極顯著上升趨勢(shì)(3.15 mm/a)(p<0.01),這些具有顯著性變化的站點(diǎn)主要分布在株洲北部、湘中和湘西地區(qū); 古丈、嘉禾、龍山等地呈下降趨勢(shì)(圖5c).秋季降水合計(jì)59個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì),其余28個(gè)站點(diǎn)趨于上升,湘西南和湘南地區(qū)減少趨勢(shì)明顯,湘東北及其向東延伸至常德、張家界地區(qū)增加趨勢(shì)明顯(圖5d).冬季降水整體上增加趨勢(shì)最為明顯,基本表現(xiàn)為南部增速快,北部相對(duì)較慢,僅南岳和沅陵2個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì),其余85個(gè)站點(diǎn)趨于上升,有4個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了顯著性水平(p<0.05),資興呈極顯著上升趨勢(shì)(2.45 mm/a)(p<0.01)(圖5e).
圖5 1960-2015年湖南省年度(a)及四季(b-e)降水變化趨勢(shì)空間分布
由圖6a可知,湖南省年均降水量大致呈自東南向西北遞減趨勢(shì),受地形因素影響,有明顯的“牛眼”現(xiàn)象.降水高值區(qū)始于雪峰山北端,延伸至連云山、羅霄山、八面山和南嶺,呈“人”字形與降水匱乏區(qū)隔開(kāi),年均降雨量最大值出現(xiàn)在南岳(2 023.4 mm),其次是桂東(1 707.2 mm)和安化(1 704.1 mm).降水相對(duì)偏少區(qū)域主要分布在洞庭湖平原、衡邵盆地和湘西南地區(qū),其中新晃最少為1164.3 mm,其次是衡陽(yáng)縣(1 241.3 mm)和安鄉(xiāng)(1 246.1 mm).
春季降水空間分布特征大致與年度降水相似,雪峰山、羅霄山和南嶺一帶為降水豐富區(qū),澧水流域、酉水流域等降水相對(duì)較少(圖6b).夏季降水大致呈自東南、西北向中部遞減趨勢(shì),除衡邵盆地、洞庭湖區(qū)和湘西沅水流域降水量較少以外,其他地區(qū)降水量均較多(圖6c).秋季降水空間格局較為復(fù)雜,與春季形成強(qiáng)烈對(duì)比,一定程度上呈自東南向西北遞增趨勢(shì),且降水量較春、夏兩季普遍減少(圖6d).冬季降雨量相對(duì)偏少,高值區(qū)域沒(méi)有其他季節(jié)明顯,且降水空間格局呈明顯的自東南向西北遞減趨勢(shì)(圖6e).
此外,結(jié)合圖1和圖6可知,山區(qū)降水明顯多于平原和盆地區(qū)域.Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)年度及夏、秋、冬三季降水與海拔呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.48,0.589,0.575,0.571,春季降水與海拔呈顯著正相關(guān)(p<0.05),相關(guān)系數(shù)為0.173,表明降水受地形影響較大.例如,南岳、安化、桂東等地海拔較高,從年、季尺度上看皆是區(qū)域降水極值區(qū)(圖6).
圖6 1960-2015年湖南省年度(a)及四季(b-e)降水空間分布
湖南省Hurst指數(shù)(H)介于0.008 6~0.740 7之間,高值區(qū)位于資興、宜章、平江、江華和通道等地,低值區(qū)位于張家界、慈利、沅陵、瀘溪和石門(mén)等地(圖7a).安化、安仁、安鄉(xiāng)等45個(gè)站點(diǎn)的H值在0~0.5之間,其中張家界(0.008 6)和慈利(0.039 8)最為接近0,說(shuō)明這2個(gè)站點(diǎn)的反持續(xù)性最強(qiáng).郴州、辰溪、道縣等42個(gè)站點(diǎn)的H值在0.5~1之間,其中資興(0.740 7)最為接近1,表明該站點(diǎn)的持續(xù)性最強(qiáng).永州Hurst指數(shù)值最接近0.5,表明其降水時(shí)序?yàn)殡S機(jī)序列.
結(jié)合圖5a和圖7a進(jìn)行疊加分析,得到增加轉(zhuǎn)減少、減少轉(zhuǎn)增加、持續(xù)增加和持續(xù)減少4種降水未來(lái)趨勢(shì)(圖7b).由圖7b可知,芷江、綏寧、邵陽(yáng)市、衡陽(yáng)縣、嘉禾、汝城等地降水呈持續(xù)減少趨勢(shì),其中江華下降趨勢(shì)最明顯; 資興、臨湘、岳陽(yáng)、醴陵、江永等地降水呈持續(xù)增加趨勢(shì),其中資興上升趨勢(shì)最明顯; 張家界、龍山、花垣、永順、保靖等地降水趨勢(shì)由減少轉(zhuǎn)增加,慈利、漢壽、安化等地降水趨勢(shì)由增加轉(zhuǎn)減少.據(jù)統(tǒng)計(jì),湖南省降水未來(lái)呈增加趨勢(shì)的區(qū)域比重(60.63%)大于呈減少趨勢(shì)的區(qū)域比重(39.37%),且未來(lái)趨勢(shì)反持續(xù)性的區(qū)域比重(51.2%)略高于持續(xù)性的區(qū)域比重(48.8%).
圖7 湖南省降水Hurst指數(shù)(a)及未來(lái)趨勢(shì)(b)
利用湖南省87個(gè)站點(diǎn)1960-2015年逐月氣候資料,實(shí)現(xiàn)了該區(qū)域多站點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間序列的降水時(shí)空特征研究,主要結(jié)論如下:
1) 時(shí)間上,湖南省年均降水增幅為0.833 4 mm/a,無(wú)突變特征.春、夏兩季降水量較多,秋、冬兩季相對(duì)較少,四季降水多年均值分別為500.2,494.2,238.2,179.6 mm,氣候傾向率分別為-0.971,1.393 7,-0.199 1,0.633 6 mm/a.春、秋兩季多年降水無(wú)突變點(diǎn),夏、冬兩季有突變特征.各站點(diǎn)降水變化有增有減,年度降水合計(jì)62個(gè)氣象站點(diǎn)呈上升趨勢(shì),春、秋兩季分別有76個(gè)和59個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì),夏、冬兩季分別有80個(gè)和85個(gè)站點(diǎn)趨于上升.
2) 空間上,湖南省年均降水大致呈自東南向西北遞減趨勢(shì),有明顯的“牛眼”現(xiàn)象.春季和年度降水空間分布特征相似; 夏季降水大致呈自東南、西北向中部遞減趨勢(shì); 秋季降水空間格局較為復(fù)雜,一定程度上呈自東南向西北遞增趨勢(shì),且降水量較春、夏兩季普遍減少; 冬季降雨量相對(duì)偏少,空間格局呈明顯的自東南向西北遞減趨勢(shì).
3) 年尺度Pa顯示,降水量在1984-1999年間呈現(xiàn)明顯的連續(xù)偏枯和連續(xù)偏豐現(xiàn)象,2011年為中旱; 2002年為中澇.季尺度Pa顯示,春季正負(fù)值交替出現(xiàn),表明降水連豐年和連枯年較少; 夏季降水集中在1963-1970年和1983-1999年這2個(gè)時(shí)段有明顯的連續(xù)偏豐、偏枯現(xiàn)象; 秋季降水變化規(guī)律與春季類(lèi)似,但波動(dòng)幅度較大; 冬季降水整體上偏枯現(xiàn)象較為嚴(yán)重.且研究區(qū)發(fā)生旱澇的年份秋季最多(28 a),冬季次之(22 a),春季最少(8 a).
4)Hurst指數(shù)介于0.008 6~0.740 7之間,高值區(qū)位于資興、宜章、平江、江華和通道等地,低值區(qū)位于張家界、慈利、沅陵、瀘溪和石門(mén)等地.降水未來(lái)趨勢(shì)反持續(xù)性的區(qū)域比重略高于持續(xù)性的區(qū)域比重,其中,芷江、綏寧、邵陽(yáng)市、衡陽(yáng)縣、嘉禾、汝城等地降水呈持續(xù)減少趨勢(shì),資興、臨湘、岳陽(yáng)、醴陵、江永等呈持續(xù)增加趨勢(shì); 張家界、龍山、花垣、永順、保靖等呈反向增加趨勢(shì),慈利、漢壽、安化等呈反向減少趨勢(shì).
湖南省位于南方濕潤(rùn)區(qū),受地形、西太平洋副高、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素共同影響,形成了典型亞熱帶季風(fēng)氣候,降水變率大,導(dǎo)致年、季尺度降水的時(shí)空差異性,旱澇災(zāi)害多發(fā),本文僅討論了地形對(duì)降水變化的影響,后續(xù)研究可通過(guò)實(shí)驗(yàn)或相關(guān)性算法挖掘更多因素.此外,空間插值是由點(diǎn)及面的模擬算法,進(jìn)一步研究可比較不同插值方法誤差,選取適合研究區(qū)的最優(yōu)插值方法,以提高空間插值精度.