宝成铁路陕西段降雨特征及未来趋势分析

沈姣姣,徐 虹,李建科,樊晓玲

(1.陕西省气象服务中心,西安 710014;2.汉中市气象局,陕西汉中 723000)

宝成铁路陕西段降雨特征及未来趋势分析

沈姣姣1,徐 虹1,李建科1,樊晓玲2

(1.陕西省气象服务中心,西安 710014;2.汉中市气象局,陕西汉中 723000)

以宝成铁路陕西段沿途5个代表站汛期逐日降雨资料为研究对象,采用趋势分析法和突变分析法对1961—2010年降雨特点进行分析,并采用小波分析法对其未来演变趋势进行预测,为宝成铁路水害研究提供理论依据。结果表明:不同等级降雨日和降雨量及区域平均降雨日和降雨量均随年代减少,20世纪90年代出现减少的突变;各级降雨日和降雨量及区域平均降雨日和降雨量自北向南逐渐增多,除凤县和略阳外,降雨日和降雨量年际间均表现出一致的减少趋势,广元站减少趋势较显著;小雨和中雨以年际震荡为主,大雨及以上降雨以年代际震荡为主;区域平均降雨量震荡周期与大雨及以上降雨量较一致,区域平均降雨日震荡周期与中雨较一致;未来小雨、大雨及以上和区域平均降雨日及降雨量将持续偏多,中雨降雨日及降雨量将先偏少后偏多。

宝成铁路;降雨特征;降雨周期;小波分析;突变分析

交通运输业是国民经济的重要组成部分,气候异常对交通运输的影响越来越明显。在影响我国交通运输的各种气候灾害中,强降水天气诱发的洪涝、滑坡、泥石流等次生灾害影响最为严重,范围也最广,造成的经济损失越来越大[1]。近年来,一些学者利用多种方法对不同地区的降雨特点进行分析,得到了诸多研究成果。陈波等采用分位值法对长江中下游和华中地区不同级别强降水事件的时空变化趋势进行分析[2]。邓芳莲等采用气候统计的方法对西安等地区的降雨特征和变化趋势进行分析[3-4]。李明等研究发现,陕北黄土高原地区地质灾害主要发生在降水量集中的7—9月,与发生前10d的累积降水量有明显相关性,不同等级降水诱发地质灾害发生的时段不同[5]。王勇等完成了不同降水类型和量级影响下兰州铁路水害的时空分布特征并建立了预警等级模型[6]。本文在分析宝成铁路陕西段降雨特征的基础上,结合小波分析对未来降水演变趋势进行预测,以期为宝成铁路水害研究提供理论依据。

1 资料来源及研究方法

1.1 资料来源

选取宝成铁路陕西段沿途经过的宝鸡、凤县、略阳、宁强和广元 (广元隶属西安市铁路局管辖范围内)为代表站的1961—2010年汛期(5月1日—10月31日)逐日降雨资料,资料由陕西省和四川省气象局档案馆提供。

1.2 研究方法

采用直线拟合方法计算降雨日和降雨量的倾向率,并用时间序列与变量间的相关系数进行显著性检验。选用Mann-Kendall方法检验(简称M-K检验)宝成铁路陕西段降雨日和降雨量的变化趋势,分别计算降雨日和降雨量序列中正、反向样本序列的统计量UF和UB,依据两者的变化特点与显著置信水平的分布情况分析样本序列的变化趋势和突变点[7-8]。利用Morlet小波分析降雨日和降雨量的周期特点[9]。

2 降雨量和降雨日的时间变化特征

2.1 区域平均降雨

宝成铁路陕西段区域平均降雨日表现出减少趋势(图1a),倾向率为-3.4d/10a(通过0.05显著性水平检验)。M-K检验显示(图1 b),UF曲线在大多数年间小于0,说明区域平均降雨日持续表现出减少趋势;UF曲线在1972年、1998年和2001年与0.05显著置信曲线(U0.05=±1.96)相交,说明区域平均降雨日在20世纪70年代初、90年代末和21世纪10年代初出现显著性减少;UF曲线在2006年与0.01显著置信曲线(U0.01=±2.56)相交,说明区域平均降雨日在2006年达到极显著性减少。UF和UB曲线在1991—1993年相交,说明区域平均降雨日在20世纪90年代初发生减少的突变。

图1 宝成铁路陕西段区域平均降雨日变化趋势(a)和M-K检验(b)

由图2a可以看出,宝成铁路陕西段区域平均降雨量整体表现出减少趋势,倾向率为-32.2mm/10a(未通过0.05显著性水平检验)。M-K检验(图2b)显示,除1988—1990年和1992—1993年UF曲线大于0外,UF曲线在大多数年间小于0,说明区域平均降雨量表现出减少趋势,其中1965—1974年UF曲线超过了0.05显著置信曲线(U0.05=±1.96),表明区域平均降雨量在20世纪60年代中后期至70年代前中期减少幅度达到显著性水平。UF曲线在1978—1980年和1991年分别与UB曲线相交,说明区域平均降雨量在20世纪70年代末至80年代初和90年代初分别出现增加和减少的突变。

图2 宝成铁路陕西段区域平均降雨量变化趋势(a)和M-K检验(b)

2.2 小雨

小雨降雨日和降雨量变化趋势为持续下降,倾向率为-2.7d/10a和-5.8mm/10a(均通过0.01显著性水平检验),均在20世纪90年代初突然减少,降雨量在2002—2010年减少程度达到0.05显著性水平。小雨降雨日和降雨量在所有降雨日和降雨量中所占比例为64.8%～80.1%和11.2%～26.2%,未出现明显波动。

2.3 中雨

除个别年份外,中雨降雨日和降雨量持续减少,倾向率为-0.4d/10a和-3.7mm/10a,均在1993年突然减少。中雨降雨日和降雨量所占比例在年际间表现出微弱增加趋势。中雨强度随年代略有增强,1990—2008年(除2003和2007年外)增强幅度通过0.05显著性水平检验。

2.4 大雨及以上降雨

大雨及以上降雨日和降雨量倾向率为-0.4 d/10a和-22.4mm/10a,除在1988—1993年出现短暂上升外,其余时段持续下降,1969—1974年减少幅度通过0.05显著性水平检验。大雨及以上降雨日和降雨量所占比例出现 “两谷一峰”的波动,峰值在20世纪80年代初,两个谷值分别位于70年代初和90年代后期。从整个年际变化趋势来看,两者均在1979年和1990年前后出现突增和突降。

3 降雨量和降雨日空间变化特征

将宝鸡、凤县和略阳划为北部台站,宁强和广元归为南部台站。由表1和表2可见,宝成铁路陕西段各级降雨日和降雨量自北至南逐渐增加,但广元站表现不明显,可能是由于秦岭地形作用阻挡北方冷空气南下与暖湿气流交汇,降雨概率减少,雨量不大。

表1 宝成铁路陕西段各站不同等级降雨日平均值和倾向率

表2 宝成铁路陕西段各站不同等级降雨量平均值和倾向率

各站小雨降雨日和降雨量在年际间均表现出一致减少趋势,广元站倾向率为-8.4d/10a和-17.1mm/10a(均通过0.01显著性水平检验);中雨、大雨及以上降雨日和降雨量表现出微弱增加或减少趋势,南部广元站中雨降雨日和降雨量倾向率为-1.4d/10a和-21.0mm/10a (均通过0.01显著性水平检验),大雨及以上降雨日倾向率为-0.8d/10a(均通过0.05显著性水平检验)。

除凤县外,各站总降雨日和降雨量均表现出不同程度的减少趋势,南部台站减少趋势较显著,广元站倾向率为-10.4d/10a和-90.1 mm/10a(均通过0.01显著性水平检验)。

4 降雨量和降雨日周期特征及未来趋势分析

4.1 区域平均降雨

由图3可以看出,区域平均降雨量小波方差有3个极大值,分别对应26～27a,8～9a和2～3a的时间尺度。在26～27a时间尺度上,降雨量周期震荡经历了多—少—多—少—多的循环,而且2010年时等值线未闭合,说明未来相当长一段时间内(至少10a内)降雨将偏多。8～9a和2～3a时间尺度上,同样显示出2010年之后短期内降雨将偏多。因此推断,未来区域降雨量将在相当长时期内增多,其中包含小尺度偏少的周期震荡。

区域平均降雨日4a周期震荡较明显,其次为9～10a和28a(表3)。4a周期震荡显示, 2010年后近几年降雨日将增加。9～10a周期尺度在20世纪90年代中后期有所减弱,仍可判断目前正处于降雨日偏多的转折期。28a周期震荡显示,2008—2010年降雨日处于偏多和偏少的叠置期。因此推断,未来10a内降雨日将偏多。

图3 宝成铁路陕西段区域平均降雨量小波系数实部等值线图 (a)和小波方差图 (b)

表3 宝成铁路陕西段不同等级降雨日和降雨量周期分析

4.2 小雨

小雨降雨日和降雨量周期震荡最明显的是9～10a,其次为2～3a和26～27a(表3)。自20世纪80年代中后期开始,小雨降雨日和降雨量中间尺度(9～10a)周期震荡减弱,大尺度(26～27a)和小尺度(2～3a)周期震荡加强。1995—2010年处于小雨降雨日和降雨量偏少的大周期内,2010年时等值线已基本闭合,预计未来15～20a内小雨降雨日和降雨量将偏多。

4.3 中雨

中雨降雨日和降雨量周期震荡最明显的是2～4a,其次为27～30a和10a(表3)。27～30a的周期震荡中,中雨降雨日和降雨量经历了少—多—少的循环,目前正处于偏多期;10a尺度上,可以判断出21世纪20年代中雨降雨日和降雨量正处于偏少期。依据不同时间尺度周期演变趋势,推断21世纪20年代前中期中雨降雨日和降雨量将先偏少后偏多。

4.4 大雨及以上降雨

大雨及以上降雨日和降雨量周期震荡最明显的是25a,其次为8～9a和2～3a(表3)。25a的周期震荡中,大雨及以上降雨日和降雨量经历了多—少—多—少—多的循环;8～9a周期震荡显示,2000年和2005年分别对应偏多和偏少周期中心,预计2015年前后将出现大值中心;2～3a周期震荡均显示目前正处于偏多期。因此推断,2015年前后研究区域大雨及以上降雨日和降雨量将偏多。

5 结论

5.1 不同等级降雨日和降雨量及区域平均降雨日和降雨量均减少,区域平均降雨日 (量)和各等级降雨日(量)均在20世纪90年代出现减少的突变;区域平均降雨量和大雨以上降雨量在20世纪70年代末突然增加。小雨和中雨降雨日和降雨量的比例基本平稳或略有增加,大雨及以上降雨日和降雨量的比例在年际间波动较大。

5.2 各等级降雨日和降雨量及区域平均值自北向南逐渐增加,除凤县和略阳外,降雨日和降雨量年际间均表现出一致的减少趋势,南部台站减少趋势较显著。

5.3 不同等级降雨日和降雨量周期震荡各异,同等级降雨量和降雨日周期震荡较一致。小雨和中雨以年际震荡为主,大雨及以上降雨以年代际震荡为主。区域平均降雨量震荡周期与大雨及以上降雨量较一致,区域平均降雨日震荡周期与中雨较一致。

5.4 未来小雨、大雨及以上和区域平均降雨日和降雨量持续偏多,中雨降雨日及降雨量先偏少后偏多。

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P468.024

:A

1006-4354(2013)06-0001-05

2013-04-06

沈姣姣(1986—),女,汉,山西运城人,硕士,助工,从事公共气象服务。

陕西省气象局科技创新基金项目(2013M-34)