北部湾经济区降水年内非均匀性特征分析

刘占明,胡宝清,闫 妍,魏兴琥,江学顶,梁钊雄

(1.佛山科学技术学院广东省西北江流域生态文明建设与可持续发展研究中心,广东佛山528000；2.广西师范学院北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西南宁530001；3.广西师范学院广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西南宁530001)

北部湾经济区降水年内非均匀性特征分析

刘占明1,胡宝清2,3,闫 妍2,3,魏兴琥1,江学顶1,梁钊雄1

(1.佛山科学技术学院广东省西北江流域生态文明建设与可持续发展研究中心,广东佛山528000；2.广西师范学院北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西南宁530001；3.广西师范学院广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西南宁530001)

基于广西北部湾经济区分布较均匀的12个雨量站1961年～2011年日降水资料,统计出各站各年降水集中度(pcd)和集中期(pcp)指标,再基于该指标分析区域降水集中度和集中期多年均值、变化趋势、与年降水量相关性、多水年少水年合成分析的空间分布情况,以期研究区域降水年内非均匀分布的时空变化特征。结果表明,pcd、pcp均值区域差异明显；pcd呈上升趋势,pcp为下降趋势；多水年与少水年的pcd空间分布比较相似,但多水年与少水年的pcp空间分布差异较大。

降水；时空分布；集中度；集中期；广西北部湾经济区

0 引 言

广西北部湾经济区(以下简称“北部湾经济区”)地处我国沿海西南端,由南宁、北海、钦州、防城港4个地级市所辖行政区域构成,同时纳入近海沿边的玉林、崇左两市统筹规划建设,陆地国土总面积约7.28万km2。北部湾经济区地处我国华南、西南和东盟经济圈结合部,与东盟国家既有海上通道、又有陆地接壤,战略地位突出；近年来,随着中国-东盟自由贸易区建设的加快推进,国家高度重视广西沿海地区发展,明确将该区作为面向东盟开放合作的重点区域[1]。该区南部濒临海洋,是我国年降水量最丰富的地区之一,但由于降水年内分布很不均匀,旱涝灾害频繁,每年因旱涝灾害造成严重的经济损失和人员伤亡[2]；同时,降水不均匀分布也是导致山体滑坡、泥石流等自然灾害发生的重要影响因素。因此,研究北部湾经济区降水非均匀性分布特征具有重要的理论和现实意义。而集中度和集中期作为衡量降水年内非均匀分配的指标之一,可以很好地反映出降水的年内分布情况[3]。近年来,已有很多学者对降水集中度和降水集中期进行了研究,并得出了有意义的结论[4- 6]。目前,关于北部湾经济区降水的研究已做了一些工作,但主要集中于年降水量变化趋势分析[7]、降水结构变化特征分析[2]及遥联分析[8]等方面；对年内非均匀性分布特征的研究较少。本研究基于北部湾经济区分布较均匀的雨量站点日降水资料,运用集中度和集中期指标探讨区域降水年内非均匀分布的时空变化特征,以期揭示区域降水相关变化规律。

1 研究方法

1.1 集中度与集中期的相关定义

本文选取广西北部湾经济区分布较均匀且没有发生位置变更的12个测站1961年～2011年逐日降水数据资料(数据来源于中国气象局气象信息中心)。具体方法如下。

把一年中各月的降水均作为向量,一年内12个月组成一个圆周(360°),将某月份降水量作为该月降水矢量的模,该月月序(从0算起)与30°的乘积作为该月降水矢量的方向,从而引进了表示降水年内时间分配特征的两个参数：集中度(pcd)和集中期(pcp),即

(1)

pcpi=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

Rxi=∑rij·sinθj；Ryi=∑rij·cosθj；

i=1，2，…，51；j=1，2，…，12

式中,Ri表示某测站第i年的总降水量；rij表示第i年第j月的总降水量；θj表示第j月对应的方位角。

pcd反映年降水在研究时段内各月份的集中程度,若年降水全部集中于某一个月,则合成向量的模与总降水量的比值为1(pcd极大值)；相反,若各月降水量相等,则各分量累加后结果为0(pcd极小值)。pcp即合成向量的方位角,指示各月降水量合成后的总体情况,表1为集中期pcp与月份的具体对应关系,根据pcp还可推算具体旬序,如pcp介于165°～175°、175°～185°、185°～195°之间,分别对应7月上、中、下旬。该方法详见文献[3]。

表1 降水集中期(pcp)与月份的对应关系

1.2 反距离权重插值法

本文在研究北部湾经济区降水相关指标的pcd和pcp空间分布时,均采用反距离权重插值法IDW(Inverse Distance Weighted)进行空间插值,该插值方法详见文献[9]。

2 降水 pcd和 pcp的时空变化特征

2.1 pcd和pcp多年平均值空间分析

全区12个站pcd多年平均值介于0.44～0.58之间。从空间分布来看,区域差异明显。南部沿海地区(北海、东兴、钦州)为高值区,pcd都在0.53以上；东北部的玉林、容县、横县所在区域为低值区,pcd都在0.48以下；其余地区,尤其是西北部广大地区pcd介于0.48～0.53之间。

全区12站pcp多年平均值介于155°～185°之间。南部沿海地区(北海、东兴、钦州)pcp在175°～185°之间,对应时间为7月中旬；东北部(玉林、容县、博白)及北部(马山)地区pcp在155°～165°之间,对应6月下旬；中西部广大地区pcp在165°～175°之间,对应7月上旬。

2.2 pcd和pcp变异系数空间分析

由于变异系数能够反映数据序列长期变化的稳定程度及相对变化特征,研究中利用区域12个站的降水集中度和集中期的变异系数值进行空间插值。由图1a可知,12个站pcd变异系数介于0.16～0.25之间。根据变异系数的大小,空间上大体可分为西南部和东北部两部分。西南地区(天等、崇左、东兴、钦州)变异系数较小,介于0.16～0.20之间；东北部广大地区变异系数较大,介于0.20～0.25之间。这说明近50年来降水年内集中程度西南部区域较为稳定,东北部区域变化幅度相对较大。

从图1b可知,12站pcp变异系数普遍较小,介于0.05～0.15之间,说明全区集中期年际差异普遍较小；但从空间分布看又存在着较明显的区域差异,东北部(玉林、容县、横县)变异系数在0.10～0.15之间,为全区高值区域,说明这一地区相对区内其他地区而言,降水集中期年际差异稍大。

图1 北部湾地区pcd、pcp变异系数空间分布

2.3 pcd和pcp与年降水量的相关性分析

从12站pcd与年降水量相关系数空间分布来看(图2a),相关系数由西南向东北逐渐减小；东部地区(容县-0.23～-0.11、玉林-0.11～0、博白-0.11～0),pcd与年降水量呈负相关关系,其余大部分地区pcd与年降水量呈正相关关系,但都不够显著(0.05置信水平,下同)。从12站pcp与年降水量相关系数空间分布来看,中南部(北海、钦州、东兴、横县)和西部(天等)地区为-0.17～-0.10,pcd与年降水量呈负相关关系；东部(容县、玉林为0.10～0.20、博白为0～0.10)和西北部的龙州、崇左、南宁、马山等为0～0.10,pcd与年降水量呈正相关关系,但都不显著。

2.4 pcd和pcp的变化趋势分析

由图2a可知,pcd有8站不显著上升,3站显著上升,1站不显著下降。从空间分布看,不显著下降的站(天等)位于西北部边缘,显著上升的站主要分布在北部(马山)和南部沿海(东兴、钦州),其余站点为不显著上升。因此,总体来看,全区大部分地区pcd表现为不显著上升,小部分区域(北部和南部沿海)表现为显著上升。

由图2b可知,全区12站pcp均表现为下降,其中8站为不显著下降,4站为显著下降。从空间分布看,显著下降的站并不集中分布,而是零散分布在东南西北各地。因此,总体来看,流域pcp表现为以不显著下降为主,即降水集中期呈现出提前的趋势,部分区域表现显著。

图2 北部湾经济区pcd、pcp M-K趋势检验空间分布

2.5 pcd和pcp的合成分析

研究中采用合成分析法分别对北部湾经济区1961年～2011年降水量最多(依次为2001年、1994年、2008年、1973年、1970年)和最少(依次为1989年、1963年、1962年、2000年、2007年)的前5年进行合成,然后利用合成后的区域12站多水年和少水年的pcd、pcp均值进行空间插值(见图3)。

多水年pcd(图3a)与少水年pcd(图3b)在空间分布上具有一定相似性。如,总体变化趋势均主要表现为从南向北逐渐减小,南部沿海地区(北海、东兴、钦州)为高值区,东北地区(横县、玉林、容县)为低值区。多水年pcd与少水年pcd的区别在于集中度值差别较大,对比发现多水年全区12站pcd全部大于少水年pcd；从12站pcd平均值来看,多水年为0.535,少水年为0.487,说明降水多的年份降水集中度更高。

图3 北部湾经济区多水年、少水年期间pcd、pcp合成值空间分布

如图3c所示,多水年pcp合成值由西南向东北递减,西南部的大片区域pcp合成值在175°～185°之间,对应时间为7月中旬；东北部的玉林、容县等地pcp合成值在156°～165°之间,对应6月下旬。如图3d所示,少水年pcp合成值由中南部向东北、西北两个方向递减,中南部的横县、钦州、北海等地pcp合成值在175°～185°之间,对应7月中旬；东北部的玉林、容县和西北部马山等地pcp合成值在156°～165°之间,对应6月下旬。总体来看,无论是多水年还是少水年,大部分地区pcp均在165°～185°之间,即降水集中期为7月中上旬。

3 结 论

(1)广西北部湾经济区降水集中度区域差异明显,南部沿海地区偏高,东北部偏低；变异系数分析表明,西南部集中度较为稳定,东北部变化幅度相对较大。就降水集中期而言,南部沿海地区、广大中西部和东北部分别对应7月中旬、7月上旬和6月下旬；变异系数分析表明,全区集中期年际差异普遍较小,就区内对比而言,东北部稍微偏大。

(2)从降水集中度与年降水量的相关性来看,除东部小部分区域为负相关外,其余大部分地区均为正相关。从降水集中期与年降水量的相关性来看,正负相关区域交错分布,但都不显著。

(3)M-K趋势检验表明,降水集中度呈上升趋势,其中,南部沿海地区和北部边缘区域上升显著。降水集中期表现为下降趋势,即降水集中期呈现出提前的趋势,且部分区域表现显著。

(4)多水年与少水年的集中度在空间分布上具有相似性,均表现为从南向北逐渐减小,其区别在于集中度值不同,降水多的年份集中度更高。多水年与少水年的集中期空间分布差别较大,多水年份集中期表现为由西南向东北递减,少水年份则表现为由中南部向东北、西北两个方向递减；从集中期对应时间来看,无论是多水年还是少水年,大部分地区均为7月中上旬。

[1]黄国胜, 王武科, 李青阳. 多重视角下的北部湾经济区开放开发探讨[J]. 资源科学, 2009, 31(1)： 164- 170.

[2]覃卫坚, 李栋梁. 近50 a来广西各级降水气候变化特征分析[J]. 自然资源学报, 2014, 29(4)： 666- 676.

[3]ZHANG L J, QIAN Y F. Annual distribution features of the yearly precipitation in China and their interannual variations[J]. Acta Meteor Sinica, 2003, 17(2)： 146- 163．

[4]杨金虎, 王鹏祥, 白虎志,等. 中国西北降水年内非均匀性特征分析[J]. 气候变化研究进展, 2007, 3(5)： 276- 281．

[5]杨玮, 何金海, 王盘兴, 等. 近42年来青藏高原年内降水时空不均匀性特征分析[J]. 地理学报, 2011, 66(3)： 376- 384.

[6]陆小明, 陆宝宏, 邓山. 近63年杭州市降水特征分析及趋势预测[J]. 水力发电, 2015, 41(11)： 17- 20．

[7]李政, 苏永秀. 1961—2004年广西降水的变化特征分析[J]. 中国农学通报, 2009, 25(15)： 268- 272.

[8]覃卫坚, 李耀先, 廖雪萍. MJO活动对广西6月阶段性降水的影响研究[J]. 气象研究与应用, 2015, 36(1)： 25- 30.

[9]姚永慧, 潘志强, 孙英君, 等. ArcGIS地统计分析实用指南[M]. 北京：Arc Info中国技术咨询与培训中心, 2002. 135- 139.

[10]MANN H B. Non-parametric test of randomness against trend[J]. Econometrica, 1945, 13: 2- 5．

(责任编辑陈 萍)

Intra-annualInhomogeneityCharacteristicsofPrecipitationinGuangxiBeibuGulfEconomicZone

LIU Zhanming1, HU Baoqing2,3, YAN Yan2,3, WEI Xinghu1, JIANG Xueding1, LIANG Zhaoxiong1
(1. Research Center for Ecological Civilization Construction and Sustainable Development in Xijiang & Beijiang River Basin of Guangdong Province, Foshan University, Foshan 528000, Guangdong, China; 2. Key Laboratory of Beibu Gulf Environment Change and Resources Use, Ministry of Education, Nanning 530001, Guangxi, China; 3. Guangxi Key Laboratory of Earth Surface Processes and Intelligent Simulation, Nanning 530001, Guangxi, China)

Based on the daily precipitation data between 1961 and 2011 from 12 rainfall stations in Guangxi Beibu Gulf Economic Zone, the Precipitation Concentration Degree (PCD) and Precipitation Concentration Period (PCP) are calculated for each rainfall station in each year, and then based on these index, the inhomogeneous distribution characteristics of inter-annual precipitation are analyzed by introducing the spatial distribution of annual mean values, variable coefficients, correlation coefficients between annual precipitation, change trends and composite analysis. The results show that: (a) the annual mean values of PCD and PCP in different regions are obvious; (b) PCDs are mainly upward trend, while PCPs are downward trend; and (c) more-precipitation year composite analysis of PCD is similar to less-precipitation years in spatial distribution, but there is an obvious difference of PCPs between more-precipitation and less-precipitation years．

precipitation; temporal and spatial distribution; concentration degree; concentration period; Guangxi Beibu Gulf Economic Zone

2016- 04- 11

国家自然科学基金项目(41361022,41371498,4157-1091)；广西自然科学基金重点项目(2014GXNSFDA-118031)；北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室、广西地表过程与智能模拟重点实验室联合开放或系统基金项目(2015BGERLKF03)；佛山市科技发展专项基金资助项目(2009031)

刘占明(1979—),男,河南信阳人,讲师,博士,主要从事水文学研究；胡宝清(通讯作者)．

P461

：A

：0559- 9342(2017)06- 0023- 05