黃先超,王曉峰,康麗瑋,王 莎

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710119)

陜西秦嶺地區(qū)暴雨時(shí)空分布特征研究

黃先超,王曉峰,康麗瑋,王 莎

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710119)

采用線性趨勢(shì)法、降水距平百分率法、Morlet小波分析法,基于1967～2014年的逐日降水資料,對(duì)秦嶺地區(qū)暴雨的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:秦嶺暴雨季節(jié)性變化顯著,主要集中在6～9月份,且20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初是暴雨多發(fā)期；該區(qū)暴雨呈現(xiàn)南高北低、東高西低的特點(diǎn),具有7年和20年左右的準(zhǔn)周期；近年來(lái)該區(qū)暴雨呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

陜西；秦嶺地區(qū);暴雨;時(shí)空分布; Morlet小波分析

在全球變暖趨勢(shì)下,各種極端天氣引發(fā)的災(zāi)害急劇增加,給社會(huì)和人民造成了嚴(yán)重?fù)p失。IPCC指出,21世紀(jì)氣候變暖幅度將繼續(xù)增大,如不采取有效措施減緩氣候變暖帶來(lái)的不利影響,則人類可持續(xù)發(fā)展將受到影響[1]。暴雨是我國(guó)主要的氣象災(zāi)害之一,其覆蓋范圍廣,災(zāi)害程度大,易誘發(fā)其他自然災(zāi)害,使之成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。秦嶺位于我國(guó)氣候過(guò)渡區(qū),秦嶺以南為暖溫帶氣候,以北為亞熱帶氣候,是我國(guó)中東部地區(qū)海拔最高的東西向山脈。秦嶺地區(qū)水熱條件差異顯著,南部因東南方向暖濕氣流遭遇高山阻擋在此形成降雨,降水量明顯高于北部。國(guó)外對(duì)暴雨災(zāi)害的研究較為成熟,涉及暴雨特征分析、暴雨影響因素分析、暴雨對(duì)流域及區(qū)域影響分析及暴雨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面[2-4]。從上世紀(jì)50年代開始我國(guó)對(duì)暴雨的研究進(jìn)入初級(jí)階段,但研究主要集中在大尺度環(huán)流和降水系統(tǒng)上[5-7]。近年來(lái)對(duì)暴雨的研究進(jìn)入快速發(fā)展階段[8-9]。目前學(xué)者們對(duì)陜西秦嶺地區(qū)暴雨災(zāi)害的研究主要集中于天氣過(guò)程分析及單次暴雨數(shù)值模擬等方面[10-14],對(duì)暴雨時(shí)空分布的研究較少。筆者研究分析了陜西秦嶺地區(qū)暴雨的時(shí)空分布特征,旨在為該區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

秦嶺橫亙于我國(guó)中部地區(qū),西起甘肅省臨潭縣,貫穿陜西南部到湖北、河南西部,位于東半球的中緯度地帶(31°42′～35°02′N,105°29′～111°15′E),東西跨經(jīng)度約6°,南北跨緯度約3°。南與湖北、重慶、四川相鄰,東西與河南和甘肅相接,北到關(guān)中平原北部。該區(qū)總面積為83920 km2,占陜西省總面積的40.82%,其中,東西長(zhǎng)400～500 km,南北寬280～340 km。秦嶺是我國(guó)氣候的重要分界線,南北氣候差異顯著,南北熱量分布不均衡[15]。陜西秦嶺地區(qū)多年(1960～2014年)平均降水量為988 mm,降水量年際變化大且主要集中于夏季,降水偏多年份的降水量是偏少年份的2倍多；降水空間部分不均衡,呈南多北少的特點(diǎn)。該區(qū)暴雨主要發(fā)生在6～9月份,多年平均日暴雨量為67.7 mm,其空間分布與降水分布大體相似。

2 研究方法及數(shù)據(jù)

2.1 研究方法

2.1.1 降水距平百分率 降水距平反映的是某時(shí)期降水量相較于同期均值的波動(dòng)程度,其計(jì)算公式如下:

(1)

2.1.2Morlet小波分析法 小波分析法是20世紀(jì)70～80年代出現(xiàn)的一種新時(shí)頻分析方法,能夠解決復(fù)雜的、多分辨率的地理問題,被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”[16-18],其形式如下:

(2)

式(2)中, a、b為尺度參數(shù),且a為非零。

2.2 數(shù)據(jù)資料及其來(lái)源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括陜西秦嶺地區(qū)16個(gè)站點(diǎn)1967～2014年的逐日降水資料,這16個(gè)站點(diǎn)包括安康市、寶雞、佛坪、漢中、華陰、略陽(yáng)、商洛、石泉、武功、西安、鎮(zhèn)安、眉縣、戶縣、商南、洋縣、嵐皋；降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)及陜西省氣象檔案館。采用線性趨勢(shì)法、降水距平百分率分析降水量及暴雨的時(shí)間分布特征,用Morlet小波分析降水及暴雨的波動(dòng)周期,并基于GIS分析暴雨的空間分布特征。

3 暴雨的時(shí)空分布特征

3.1 暴雨統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

暴雨一般指強(qiáng)度較大的降水,屬于極端氣候事件的一種,常伴隨一系列自然災(zāi)害的發(fā)生,如洪災(zāi)、澇漬災(zāi)、泥石流、滑坡等,是一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣。暴雨為24h雨量達(dá)到50mm的降水。根據(jù)降水的強(qiáng)度不同,把暴雨分為暴雨、大暴雨和特大暴雨3種,其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 暴雨的時(shí)間分布特征

3.2.1 暴雨年際及年內(nèi)變化 基于陜西秦嶺地區(qū)1967～2014年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)年暴雨日數(shù)和年平均暴雨量、日最大暴雨量隨時(shí)間的變化特點(diǎn),研究陜西秦嶺地區(qū)暴雨的年際變化趨勢(shì),結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 陜西秦嶺暴雨日數(shù)、年平均暴雨量的年際變化趨勢(shì)

近40多年來(lái),暴雨日數(shù)和平均暴雨量的波動(dòng)趨勢(shì)相似(圖1),暴雨日數(shù)多的年份平均暴雨量也相對(duì)較大。平均日暴雨量的波動(dòng)幅度不大,多年平均日暴雨量為67.7 mm。從暴雨日數(shù)來(lái)看,20世紀(jì)70年代暴雨日數(shù)變化較平穩(wěn),80年代為暴雨多發(fā)期,90年代暴雨日數(shù)降到最低,21世紀(jì)又開始逐漸升高。2011年和1983年是暴雨多發(fā)年,1993年和1994年為暴雨發(fā)生最少的兩年。近年來(lái)暴雨日數(shù)總體有所上升,仍處于暴雨多發(fā)期。

陜西秦嶺地區(qū)年均暴雨量與暴雨日數(shù)距平百分率的變化趨勢(shì)基本一致(圖2),暴雨日數(shù)可以表示當(dāng)?shù)乇┯臧l(fā)生的頻繁程度。年均暴雨日數(shù)約為14.87 d,年際間暴雨日數(shù)的波動(dòng)較大。暴雨日數(shù)接近氣候平均值即暴雨日數(shù)距平在-20%～20%(11.90～17.84 d)的有15年,占總年份的32.6%;暴雨日數(shù)距平>20%的年份有15年,占32.6%;暴雨日數(shù)距平<-20%的有16年,占34.8%。20世紀(jì)80年代的暴雨日數(shù)距平大部分為正值,暴雨發(fā)生頻繁,是暴雨高發(fā)期；90年代暴雨日數(shù)距平以負(fù)值為主,是暴雨低發(fā)時(shí)段；21世紀(jì)初暴雨日數(shù)變化較平緩,正負(fù)距平交替出現(xiàn),2010年距平百分率最大,達(dá)到142.1%。暴雨偏少年份數(shù)與暴雨偏多年份數(shù)大致相同,但偏多年的距平平均值為52.88%,偏少年的距平平均值為-44.52%,因此總體來(lái)說(shuō)暴雨明顯增多。

圖2 陜西秦嶺暴雨日數(shù)、年平均暴雨量距平百分率的變化趨勢(shì)

多年來(lái)日最大暴雨量呈波動(dòng)式變化,總體略有增加(圖3)。平均日最大暴雨量為112.45 mm，1967～2014年中有25年的日最大暴雨量處于平均值以下,正負(fù)距平年份數(shù)相差不大。日最大暴雨量的最大值發(fā)生在2002年，為203.3 mm；最小值在1985年，為58.8 mm；最大值是最小值的3.46倍。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)日最大降水強(qiáng)度較大,對(duì)于暴雨引發(fā)的自然災(zāi)害有加劇作用。

圖3 陜西秦嶺地區(qū)日最大暴雨量的年際變化趨勢(shì)

陜西秦嶺地區(qū)降雨主要受東南季風(fēng)影響,因此暴雨的發(fā)生隨季節(jié)變化明顯。暴雨出現(xiàn)在4～11月,4月和11月分別出現(xiàn)暴雨6 d和2 d,7月的暴雨出現(xiàn)日數(shù)最多,其次是8月、9月和6月,6～9月的暴雨總?cè)諗?shù)占總數(shù)的90.8%,7月的暴雨日數(shù)占暴雨總?cè)諗?shù)的38.1%。

3.2.2 暴雨周期分析 對(duì)陜西秦嶺地區(qū)1967～2014年48年暴雨日數(shù)和日最大暴雨量進(jìn)行Morlet小波分析,以觀察不同時(shí)段上的變化特征。從圖4可以看出：在1967～2014年間,陜西秦嶺地區(qū)年暴雨日數(shù)主要存在3、7、9和21～24年4個(gè)特征時(shí)間尺度；在1996年之前暴雨日數(shù)以7和21～24年周期為主；在1996年之后以9和21～24年周期為主；21～24年周期貫穿整個(gè)分析時(shí)期,且周期明顯,目前處于該周期的暴雨多發(fā)期；在1967～1996年間存在7年周期震蕩,經(jīng)歷了1967～1971、1996～1980、1984～1988、1992～1996年少發(fā)期,1971～1976、1980～1984、1988～1992年多發(fā)期7個(gè)時(shí)間段；在1996～2008年間存在9年的周期震蕩,經(jīng)歷了1996～2002年多發(fā)期、2002～2008年少發(fā)期2個(gè)時(shí)間段,現(xiàn)處于9年周期的暴雨多發(fā)期；3年周期震蕩信號(hào)不是十分顯著,主要體現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初期和21世紀(jì)初期。從圖4右圖中可以看出,21～24年周期的小波方差最大,其次為7年周期和9年周期,3年周期的方差最小。綜合小波變換圖可知,陜西秦嶺地區(qū)暴雨日數(shù)有明顯的準(zhǔn)21～24年周期變化,3年的周期震蕩不明顯。

對(duì)陜西秦嶺地區(qū)日最大暴雨量進(jìn)行小波分析,結(jié)果(圖5)表明,在整個(gè)時(shí)間序列上存在著4、7和20年左右3個(gè)周期。其中,7年周期的小波方差最大,基本貫穿整個(gè)分析時(shí)期,在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)最為顯著；4年周期主要在1981～1993年和2001～2012年2個(gè)時(shí)間段內(nèi)；20年左右長(zhǎng)周期的小波方差值最小,震蕩信號(hào)不顯著。

對(duì)陜西秦嶺地區(qū)暴雨日數(shù)和日最大降水量進(jìn)行小波分析,發(fā)現(xiàn)分別存在3、7、9、21～24年和4、7、20年左右?guī)讉€(gè)明顯的周期。其中暴雨日數(shù)的7和21～24年準(zhǔn)周期最為顯著,日最大降水量以4和7年準(zhǔn)周期最為突出,暴雨日數(shù)和日最大降水量同時(shí)存在7和20年左右準(zhǔn)周期。

左圖:小波變換; 右圖:小波方差。

左圖:小波變換;右圖:小波方差。

3.2.3 暴雨頻率分析 暴雨頻率是衡量暴雨發(fā)生頻繁程度的指標(biāo),指暴雨出現(xiàn)次數(shù)與觀測(cè)資料總數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)。頻率越小表示暴雨出現(xiàn)的幾率越小,反之則幾率越高。暴雨的重現(xiàn)期是指發(fā)生一次暴雨的時(shí)間間隔,與頻數(shù)互為倒數(shù)。重現(xiàn)期能夠更為直觀地表述某一量級(jí)暴雨出現(xiàn)的概率,如某地250 mm以上的暴雨重現(xiàn)期為200年,則說(shuō)明此地250 mm以上的暴雨是200年一遇的。

把暴雨分為50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、>100 mm共6個(gè)等級(jí),分別統(tǒng)計(jì)48年來(lái)各等級(jí)暴雨發(fā)生的日數(shù)和頻率,結(jié)果如表2所示。

由表2可知：陜西秦嶺地區(qū)50～60 mm量級(jí)暴雨發(fā)生次數(shù)最多,高達(dá)446次,發(fā)生頻率為9.29次/年；其次是60～70 mm量級(jí)暴雨,發(fā)生196次,頻率為4.08次/年；90～100 mm量級(jí)的暴雨出現(xiàn)次數(shù)最少,發(fā)生40次,頻率為0.83次/年。石泉的暴雨發(fā)生概率最大,西安市的暴雨發(fā)生概率最低。50～60 mm量級(jí)的暴雨在安康發(fā)生最頻繁,60～70 mm量級(jí)的暴雨在漢中發(fā)生最多,70～80 mm量級(jí)的暴雨在石泉出現(xiàn)次數(shù)最多,80～90 mm量級(jí)的暴雨主要集中在漢中,90～100 mm量級(jí)的暴雨多發(fā)生在石泉,100 mm以上的大暴雨主要發(fā)生在略陽(yáng)、佛坪和嵐皋。

表2 陜西秦嶺地區(qū)各等級(jí)暴雨發(fā)生日數(shù)及頻率

3.3 暴雨的空間分布特征

統(tǒng)計(jì)各站暴雨日數(shù),分析暴雨日數(shù)的空間分布，結(jié)果見圖6。研究區(qū)內(nèi)暴雨日數(shù)南高北低,高值區(qū)主要集中于陜南中部地區(qū)。40多年來(lái)，石泉、漢中、佛坪、安康、嵐皋、商南暴雨總?cè)諗?shù)在80 d以上,其中石泉年均暴雨日數(shù)為2.15 d。秦嶺北部暴雨事件明顯少于秦嶺南部,其中,石泉的暴雨日數(shù)是西安的4.125倍。各地平均暴雨量波動(dòng)不大,最大平均暴雨量發(fā)生在石泉,為72.70 mm；最小值發(fā)生在西安,為60.54 mm。在降水較大的嶺南中西部地區(qū)暴雨發(fā)生次數(shù)也較多,秦嶺北部在暴雨日數(shù)和平均暴雨量方面明顯低于秦嶺南部。

圖6 秦嶺暴雨日數(shù)的空間分布

大暴雨是降水量達(dá)到100.0～249.5 mm的降雨過(guò)程。由圖7可見：在16個(gè)站點(diǎn)中，大暴雨總共發(fā)生85次,略陽(yáng)、佛坪、石泉、嵐皋、漢中發(fā)生次數(shù)較多,占總次數(shù)的54.12%；最大暴雨發(fā)生在2002年的佛坪,降水量達(dá)203.3 mm；商州只發(fā)生過(guò)1次大暴雨；略陽(yáng)共發(fā)生11次。在大暴雨日數(shù)多的地區(qū)日最大暴雨量也相對(duì)較大,日最大暴雨量不能代表某地區(qū)的平均水平,但也是描述地區(qū)暴雨的重要指標(biāo),可以反映該地區(qū)暴雨可能達(dá)到的最大強(qiáng)度。

圖7 秦嶺南北各站大暴雨日數(shù)分布

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

暴雨的發(fā)生有明顯的季節(jié)變化,全年暴雨日數(shù)呈單峰型。暴雨發(fā)生從4月持續(xù)到11月,主要集中在6～9月,占全年的90%以上。多年來(lái)平均日暴雨量為67.7 mm,年際間變化不明顯,但暴雨日數(shù)變化較顯著,暴雨主要集中在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初,90年代初較少。2011年和1983年是暴雨發(fā)生最多的年份,1993年和1994年為暴雨發(fā)生最少的兩年；進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),暴雨明顯增加,日最大降水量達(dá)到多年來(lái)之最。

秦嶺暴雨呈現(xiàn)從高緯向低緯遞增、隨經(jīng)度增加而增加的趨勢(shì),其中石泉、漢中、佛坪、安康、嵐皋、商南暴雨總?cè)諗?shù)均在80 d以上,石泉的暴雨日數(shù)是西安的4倍左右。研究區(qū)內(nèi)大暴雨主要發(fā)生于略陽(yáng)、佛坪、石泉、嵐皋、漢中,占總次數(shù)的50%以上。暴雨日數(shù)在時(shí)間上存在21～24和7年的準(zhǔn)周期,日最大暴雨量以4和7年準(zhǔn)周期最為突出,暴雨日數(shù)和日最大暴雨量同時(shí)存在7和20年左右的準(zhǔn)周期。

4.2 討論

陜西秦嶺地區(qū)暴雨災(zāi)害呈現(xiàn)從南至北遞減的趨勢(shì),且自2009年以來(lái)降水量逐年上升。因此,應(yīng)特別注意該地區(qū)的暴雨防災(zāi)減災(zāi)工作,秦嶺南部更應(yīng)成為防御重心。對(duì)區(qū)域的暴雨特征進(jìn)行分析,所得結(jié)論可以幫助政府部門從宏觀上把握暴雨災(zāi)害的特點(diǎn),從而更好地制定出針對(duì)本區(qū)域暴雨的防災(zāi)減災(zāi)政策,以降低暴雨災(zāi)害的危害程度。

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Temporal and Spatial Distribution Characters of Torrential Rain in Qinling Area of Shaanxi Province

HUANG Xian-chao, WANG Xiao-feng, KANG Li-wei, WANG Sha

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

The temporal and spatial distribution characters of torrential rain were analyzed by using the method of linear trend, precipitation anomaly percentage, Morlet wavelet analysis and Kriging interpolation, based on the daily precipitation data from 1967 to 2014. The results showed that the torrential rain of Qinling area seasonal changed significantly, and it’s principally appeared in June to September especially in early 1980s and the 21st century. The south and the east parts were more easily suffered than the north and the west parts, the torrential rain existed 7 years and 20 years quasi-periodic. Which showed a growing trend in recent years.

Shaanxi province; Area of Qinling mountain; Torrential rain; Temporal and spatial distribution; Morlet wavelet analysis

2015-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371497)。

黃先超(1990─),男,江西贛州人,碩士,主要從事資源開發(fā)與GIS方面的研究。

S161.62

A

1001-8581(2016)03-0103-06

黃榮華)