陕西秦岭地区暴雨时空分布特征研究

黄先超,王晓峰,康丽玮,王 莎

(陕西师范大学 旅游与环境学院,陕西 西安 710119)

陕西秦岭地区暴雨时空分布特征研究

黄先超,王晓峰,康丽玮,王 莎

(陕西师范大学 旅游与环境学院,陕西 西安 710119)

采用线性趋势法、降水距平百分率法、Morlet小波分析法,基于1967～2014年的逐日降水资料,对秦岭地区暴雨的时空分布特征进行了分析。结果表明:秦岭暴雨季节性变化显著,主要集中在6～9月份,且20世纪80年代和21世纪初是暴雨多发期；该区暴雨呈现南高北低、东高西低的特点,具有7年和20年左右的准周期；近年来该区暴雨呈增长趋势。

陕西；秦岭地区;暴雨;时空分布; Morlet小波分析

在全球变暖趋势下,各种极端天气引发的灾害急剧增加,给社会和人民造成了严重损失。IPCC指出,21世纪气候变暖幅度将继续增大,如不采取有效措施减缓气候变暖带来的不利影响,则人类可持续发展将受到影响[1]。暴雨是我国主要的气象灾害之一,其覆盖范围广,灾害程度大,易诱发其他自然灾害,使之成为学者们研究的热点。秦岭位于我国气候过渡区,秦岭以南为暖温带气候,以北为亚热带气候,是我国中东部地区海拔最高的东西向山脉。秦岭地区水热条件差异显著,南部因东南方向暖湿气流遭遇高山阻挡在此形成降雨,降水量明显高于北部。国外对暴雨灾害的研究较为成熟,涉及暴雨特征分析、暴雨影响因素分析、暴雨对流域及区域影响分析及暴雨风险评价等方面[2-4]。从上世纪50年代开始我国对暴雨的研究进入初级阶段,但研究主要集中在大尺度环流和降水系统上[5-7]。近年来对暴雨的研究进入快速发展阶段[8-9]。目前学者们对陕西秦岭地区暴雨灾害的研究主要集中于天气过程分析及单次暴雨数值模拟等方面[10-14],对暴雨时空分布的研究较少。笔者研究分析了陕西秦岭地区暴雨的时空分布特征,旨在为该区域防灾减灾工程建设提供理论依据。

1 研究区概况

秦岭横亘于我国中部地区,西起甘肃省临潭县,贯穿陕西南部到湖北、河南西部,位于东半球的中纬度地带(31°42′～35°02′N,105°29′～111°15′E),东西跨经度约6°,南北跨纬度约3°。南与湖北、重庆、四川相邻,东西与河南和甘肃相接,北到关中平原北部。该区总面积为83920 km2,占陕西省总面积的40.82%,其中,东西长400～500 km,南北宽280～340 km。秦岭是我国气候的重要分界线,南北气候差异显著,南北热量分布不均衡[15]。陕西秦岭地区多年(1960～2014年)平均降水量为988 mm,降水量年际变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；降水空间部分不均衡,呈南多北少的特点。该区暴雨主要发生在6～9月份,多年平均日暴雨量为67.7 mm,其空间分布与降水分布大体相似。

2 研究方法及数据

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时期降水量相较于同期均值的波动程度,其计算公式如下:

(1)

2.1.2Morlet小波分析法 小波分析法是20世纪70～80年代出现的一种新时频分析方法,能够解决复杂的、多分辨率的地理问题,被誉为“数学显微镜”[16-18],其形式如下:

(2)

式(2)中, a、b为尺度参数,且a为非零。

2.2 数据资料及其来源

本研究采用的数据包括陕西秦岭地区16个站点1967～2014年的逐日降水资料,这16个站点包括安康市、宝鸡、佛坪、汉中、华阴、略阳、商洛、石泉、武功、西安、镇安、眉县、户县、商南、洋县、岚皋；降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网及陕西省气象档案馆。采用线性趋势法、降水距平百分率分析降水量及暴雨的时间分布特征,用Morlet小波分析降水及暴雨的波动周期,并基于GIS分析暴雨的空间分布特征。

3 暴雨的时空分布特征

3.1 暴雨统计标准

暴雨一般指强度较大的降水,属于极端气候事件的一种,常伴随一系列自然灾害的发生,如洪灾、涝渍灾、泥石流、滑坡等,是一种严重的灾害性天气。暴雨为24h雨量达到50mm的降水。根据降水的强度不同,把暴雨分为暴雨、大暴雨和特大暴雨3种,其分级标准详见表1。

表1 降水量等级标准

3.2 暴雨的时间分布特征

3.2.1 暴雨年际及年内变化 基于陕西秦岭地区1967～2014年的逐日降水数据,统计年暴雨日数和年平均暴雨量、日最大暴雨量随时间的变化特点,研究陕西秦岭地区暴雨的年际变化趋势,结果如图1、图2所示。

图1 陕西秦岭暴雨日数、年平均暴雨量的年际变化趋势

近40多年来,暴雨日数和平均暴雨量的波动趋势相似(图1),暴雨日数多的年份平均暴雨量也相对较大。平均日暴雨量的波动幅度不大,多年平均日暴雨量为67.7 mm。从暴雨日数来看,20世纪70年代暴雨日数变化较平稳,80年代为暴雨多发期,90年代暴雨日数降到最低,21世纪又开始逐渐升高。2011年和1983年是暴雨多发年,1993年和1994年为暴雨发生最少的两年。近年来暴雨日数总体有所上升,仍处于暴雨多发期。

陕西秦岭地区年均暴雨量与暴雨日数距平百分率的变化趋势基本一致(图2),暴雨日数可以表示当地暴雨发生的频繁程度。年均暴雨日数约为14.87 d,年际间暴雨日数的波动较大。暴雨日数接近气候平均值即暴雨日数距平在-20%～20%(11.90～17.84 d)的有15年,占总年份的32.6%;暴雨日数距平>20%的年份有15年,占32.6%;暴雨日数距平<-20%的有16年,占34.8%。20世纪80年代的暴雨日数距平大部分为正值,暴雨发生频繁,是暴雨高发期；90年代暴雨日数距平以负值为主,是暴雨低发时段；21世纪初暴雨日数变化较平缓,正负距平交替出现,2010年距平百分率最大,达到142.1%。暴雨偏少年份数与暴雨偏多年份数大致相同,但偏多年的距平平均值为52.88%,偏少年的距平平均值为-44.52%,因此总体来说暴雨明显增多。

图2 陕西秦岭暴雨日数、年平均暴雨量距平百分率的变化趋势

多年来日最大暴雨量呈波动式变化,总体略有增加(图3)。平均日最大暴雨量为112.45 mm，1967～2014年中有25年的日最大暴雨量处于平均值以下,正负距平年份数相差不大。日最大暴雨量的最大值发生在2002年，为203.3 mm；最小值在1985年，为58.8 mm；最大值是最小值的3.46倍。进入21世纪以来日最大降水强度较大,对于暴雨引发的自然灾害有加剧作用。

图3 陕西秦岭地区日最大暴雨量的年际变化趋势

陕西秦岭地区降雨主要受东南季风影响,因此暴雨的发生随季节变化明显。暴雨出现在4～11月,4月和11月分别出现暴雨6 d和2 d,7月的暴雨出现日数最多,其次是8月、9月和6月,6～9月的暴雨总日数占总数的90.8%,7月的暴雨日数占暴雨总日数的38.1%。

3.2.2 暴雨周期分析 对陕西秦岭地区1967～2014年48年暴雨日数和日最大暴雨量进行Morlet小波分析,以观察不同时段上的变化特征。从图4可以看出：在1967～2014年间,陕西秦岭地区年暴雨日数主要存在3、7、9和21～24年4个特征时间尺度；在1996年之前暴雨日数以7和21～24年周期为主；在1996年之后以9和21～24年周期为主；21～24年周期贯穿整个分析时期,且周期明显,目前处于该周期的暴雨多发期；在1967～1996年间存在7年周期震荡,经历了1967～1971、1996～1980、1984～1988、1992～1996年少发期,1971～1976、1980～1984、1988～1992年多发期7个时间段；在1996～2008年间存在9年的周期震荡,经历了1996～2002年多发期、2002～2008年少发期2个时间段,现处于9年周期的暴雨多发期；3年周期震荡信号不是十分显著,主要体现在20世纪80年代初期和21世纪初期。从图4右图中可以看出,21～24年周期的小波方差最大,其次为7年周期和9年周期,3年周期的方差最小。综合小波变换图可知,陕西秦岭地区暴雨日数有明显的准21～24年周期变化,3年的周期震荡不明显。

对陕西秦岭地区日最大暴雨量进行小波分析,结果(图5)表明,在整个时间序列上存在着4、7和20年左右3个周期。其中,7年周期的小波方差最大,基本贯穿整个分析时期,在整个研究时段内最为显著；4年周期主要在1981～1993年和2001～2012年2个时间段内；20年左右长周期的小波方差值最小,震荡信号不显著。

对陕西秦岭地区暴雨日数和日最大降水量进行小波分析,发现分别存在3、7、9、21～24年和4、7、20年左右几个明显的周期。其中暴雨日数的7和21～24年准周期最为显著,日最大降水量以4和7年准周期最为突出,暴雨日数和日最大降水量同时存在7和20年左右准周期。

左图:小波变换; 右图:小波方差。

左图:小波变换;右图:小波方差。

3.2.3 暴雨频率分析 暴雨频率是衡量暴雨发生频繁程度的指标,指暴雨出现次数与观测资料总数之比的百分数。频率越小表示暴雨出现的几率越小,反之则几率越高。暴雨的重现期是指发生一次暴雨的时间间隔,与频数互为倒数。重现期能够更为直观地表述某一量级暴雨出现的概率,如某地250 mm以上的暴雨重现期为200年,则说明此地250 mm以上的暴雨是200年一遇的。

把暴雨分为50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、>100 mm共6个等级,分别统计48年来各等级暴雨发生的日数和频率,结果如表2所示。

由表2可知：陕西秦岭地区50～60 mm量级暴雨发生次数最多,高达446次,发生频率为9.29次/年；其次是60～70 mm量级暴雨,发生196次,频率为4.08次/年；90～100 mm量级的暴雨出现次数最少,发生40次,频率为0.83次/年。石泉的暴雨发生概率最大,西安市的暴雨发生概率最低。50～60 mm量级的暴雨在安康发生最频繁,60～70 mm量级的暴雨在汉中发生最多,70～80 mm量级的暴雨在石泉出现次数最多,80～90 mm量级的暴雨主要集中在汉中,90～100 mm量级的暴雨多发生在石泉,100 mm以上的大暴雨主要发生在略阳、佛坪和岚皋。

表2 陕西秦岭地区各等级暴雨发生日数及频率

3.3 暴雨的空间分布特征

统计各站暴雨日数,分析暴雨日数的空间分布，结果见图6。研究区内暴雨日数南高北低,高值区主要集中于陕南中部地区。40多年来，石泉、汉中、佛坪、安康、岚皋、商南暴雨总日数在80 d以上,其中石泉年均暴雨日数为2.15 d。秦岭北部暴雨事件明显少于秦岭南部,其中,石泉的暴雨日数是西安的4.125倍。各地平均暴雨量波动不大,最大平均暴雨量发生在石泉,为72.70 mm；最小值发生在西安,为60.54 mm。在降水较大的岭南中西部地区暴雨发生次数也较多,秦岭北部在暴雨日数和平均暴雨量方面明显低于秦岭南部。

图6 秦岭暴雨日数的空间分布

大暴雨是降水量达到100.0～249.5 mm的降雨过程。由图7可见：在16个站点中，大暴雨总共发生85次,略阳、佛坪、石泉、岚皋、汉中发生次数较多,占总次数的54.12%；最大暴雨发生在2002年的佛坪,降水量达203.3 mm；商州只发生过1次大暴雨；略阳共发生11次。在大暴雨日数多的地区日最大暴雨量也相对较大,日最大暴雨量不能代表某地区的平均水平,但也是描述地区暴雨的重要指标,可以反映该地区暴雨可能达到的最大强度。

图7 秦岭南北各站大暴雨日数分布

4 结论和讨论

4.1 结论

暴雨的发生有明显的季节变化,全年暴雨日数呈单峰型。暴雨发生从4月持续到11月,主要集中在6～9月,占全年的90%以上。多年来平均日暴雨量为67.7 mm,年际间变化不明显,但暴雨日数变化较显著,暴雨主要集中在20世纪80年代和21世纪初,90年代初较少。2011年和1983年是暴雨发生最多的年份,1993年和1994年为暴雨发生最少的两年；进入21世纪以来,暴雨明显增加,日最大降水量达到多年来之最。

秦岭暴雨呈现从高纬向低纬递增、随经度增加而增加的趋势,其中石泉、汉中、佛坪、安康、岚皋、商南暴雨总日数均在80 d以上,石泉的暴雨日数是西安的4倍左右。研究区内大暴雨主要发生于略阳、佛坪、石泉、岚皋、汉中,占总次数的50%以上。暴雨日数在时间上存在21～24和7年的准周期,日最大暴雨量以4和7年准周期最为突出,暴雨日数和日最大暴雨量同时存在7和20年左右的准周期。

4.2 讨论

陕西秦岭地区暴雨灾害呈现从南至北递减的趋势,且自2009年以来降水量逐年上升。因此,应特别注意该地区的暴雨防灾减灾工作,秦岭南部更应成为防御重心。对区域的暴雨特征进行分析,所得结论可以帮助政府部门从宏观上把握暴雨灾害的特点,从而更好地制定出针对本区域暴雨的防灾减灾政策,以降低暴雨灾害的危害程度。

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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

国家自然科学基金项目(41371497)。

黄先超(1990─),男,江西赣州人,硕士,主要从事资源开发与GIS方面的研究。

S161.62

A

1001-8581(2016)03-0103-06

黄荣华)