未来气候变化情景下贵州省降水集中度变化特征研究

韩会庆 李建鸿 安徐朋 陈思盈 侯佳威

（1.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部广西岩溶动力学重点实验室, 广西 桂林 541004；2.贵州理工学院 建筑与城市规划学院, 贵阳 550003）

IPCC报告指出,随着全球气温升高,极端气候事件发生频率和强度增加[1].在气温升高背景下降水的再分配和调整使得降水的非均匀性突出,这深刻影响全球及地区水资源利用、旱涝灾害发生等[2-3].因此,降水的集中状况日益成为全球气候变化研究的重要内容.

作为分析降水时空集中状况的指标,降水集中度可以分析降水非均匀状况,它成为很多学者研究的重点[4].目前,针对降水集中状况的研究主要集中于不同空间尺度降水集中状况研究,其中国家[5]、地区[6]、城市[7]、流域等[8]尺度的降水集中状况研究受到学者们普遍关注.研究内容上主要包括降水集中度和降水集中期两方面[9-10].

此外,降水集中状况对径流、旱涝的影响受到关注,如张士锋等[11]分析了降水不均匀性(即集中状况)对黄河天然径流量的影响.蒋丽娟等[12]分析了桂林市汛期降水集中状况与旱涝的关系.同时,学者们对降水集中状况的驱动机制进行了深入探讨,其中涉及区域增暖、大气环流的响应,如袁瑞强等[13]分析了厄尔尼诺、东亚夏季季风指数、北大西洋涛动、太平洋年代际振荡等大气环流特点对降水集中状况的影响.然而,这些研究多针对过去时点的降水集中状况分析,鲜有未来时间尺度的相关研究.

贵州省是我国典型的喀斯特生态脆弱区,水土流失严重[14].同时,受落后的经济发展和不完善灌溉设施影响,其农业生产对降水稳定性的依赖度较高[15],该区降水的集中程度及时间长度对生态环境质量及农业生产至关重要.因此,以贵州省为例,从未来气候变化视角,分析2020-2099年贵州省降水集中度时空变化,以期为防洪抗洪、水资源利用提供科学依据.

1 数据与方法

1.1 数据来源

未来气候数据来源于国家气候中心预估的2020-2099年逐日降水数据(包括贵州省站点为84个),该数据是国际上通过的8个气候模式预估数据的平均值,包括RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三种不同排放情景.RCPs是指对辐射活性气体和颗粒物排放量、浓度随时间变化的一致性预测,作为一个集合、它涵盖广泛的人为气候强迫.RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5分别代表低、中、高CO2排放情景,分别表示低端、中间和高端路径[16].由于单一气候模式预估数据存在较大偏差,故而选取8个气候预估数据的均值.

另外,经有关学者验证,该数据预估精度较高,可以满足研究需要[17].依据相关文献将汛期界定为4至9月,非汛期界定为10月至次年3月[18].四季时间界定为春季(3月至5月)、夏季(6月至8月)、秋季(9月至11月)和冬季(12月至次年2月).

1.2 研究方法

1.2.1 降水集中度计算

利用Zhang等[19]提出的基于向量分析原理的降水集中度判别研究区降水集中状况,其计算公式为：

式中：Pcd为降水集中度；Rxi和Ryi分别为某日降水量在坐标系x和y轴上投影之和；rij为某日降水量；θj表示j个日对应的方位角(全年分为360°,某一日序对应相应方位角),i为年份,j为日序.

1.2.2 其他方法

利用Kriging插值法分析降水集中度的空间格局,采用一元线性回归方程和小波变换分析法分析降水集中度的变化趋势和周期性[20].

2 结果与分析

2.1 未来不同情景下降水集中度年际变化

未来80年间,不同情景下贵州省降水集中度年际变化趋势有所差异,RCP8.5情景下呈缓慢上升趋势(p＜0.05),RCP2.6和RCP4.5情景下呈缓慢下降趋势(p＜0.05),其下降幅度比较为RCP2.6＞RCP4.5(如图1所示).

图1 不同情景下贵州省降水集中度年际变化

未来80年间,不同情景下贵州省降水集中度的空间变化格局为：RCP2.6情景下,仅有东北部呈上升趋势,其余地区呈下降趋势,且下降幅度由西南部向东北部递减；RCP4.5情景下,仅有东部地区呈上升趋势,其余地区呈下降趋势,且下降幅度由西部向东部递减；RCP8.5情景下,全省范围内均呈上升趋势,且上升幅度由南部向北部递增(如图2所示).

图2 不同情景下贵州省降水集中度变化空间格局

2.2 未来不同情景下降水集中度四季变化

未来80年间,不同情景下贵州省春季降水集中度皆呈下降趋势(p＜0.05),且下降幅度比较为RCP4.5＞RCP2.6＞RCP8.5；夏季仅有RCP8.5情景下呈下降趋势(p＜0.05),RCP4.5的上升幅度较RCP2.6大；秋季仅有RCP8.5情景下呈上升趋势(p＜0.05),且上升幅度不大,RCP2.6的下降幅度较RCP4.5大；冬季仅有RCP4.5情景下呈上升趋势(p＜0.05),RCP2.6的下降幅度较RCP8.5大(如图3所示).

图3 不同情景下贵州省降水集中度四季年际变化

未来80年间,不同情景下贵州省四季的降水集中度空间变化格局为：春季不同情景下仅有西南部地区呈上升趋势,其余地区呈下降趋势.RCP2.6情景下下降幅度由西部向东部递增,RCP4.5情景下由南部向北部递增,RCP8.5情景下由西部向中部和北部递增；夏季仅有RCP8.5情景下全省范围内呈下降趋势,且下降幅度由西部向东部递增,RCP2.6和RCP4.5情景下全省范围内呈上升趋势,且上升幅度由西北部向东南部递增；秋季仅有RCP8.5情景下全省范围内呈上升趋势,且上升幅度表现为由东南部向西部和北部递减,RCP2.6情景下下降幅度由西北部向东南部递增,RCP4.5情景下由东北部向西南部递增；冬季仅有RCP4.5情景下全省范围内呈上升趋势,且上升幅度由南北部向中部和东部递增,RCP2.6情景下下降幅度由东北部向东部和南部递减,RCP 8.5情景下由北部向南部递增(如图4所示).

图4 不同情景下贵州省降水集中度四季变化空间格局

2.3 未来不同情景下降水集中度汛期与非汛期变化

图5 不同情景下贵州省降水集中度汛期与非汛期年际变化

未来80年间,不同情景下贵州省汛期与非汛期降水集中度呈上升趋势(p＜0.05).不同情景下汛期上升幅度比较为RCP4.5＞RCP2.6＞RCP8.5,非汛期上升幅度比较为RCP4.5＞RCP8.5＞RCP2.6(如图5所示).未来80年间,不同情景下贵州省汛期与非汛期降水集中度变化的空间格局为：汛期仅有RCP8.5情景下南部地区呈下降趋势,其余地区呈上升趋势,上升幅度由南部向北部递增；RCP2.6和RCP4.5情景下上升幅度均由西南部向东北部递增；不同情景下非汛期全省大部分地区降水集中度呈上升趋势,RCP2.6情景下上升幅度由西北部向东南部递增；RCP4.5情景下由西南部和北部向中部和东部递增,RCP8.5情景下由西部向东部递增(如图6所示).

图6 不同情景下贵州省降水集中度汛期与非汛期变化空间格局

2.4 未来不同情景下降水集中度变化周期特征

小波分析能够表征降水集中度随时间变化的周期特征,其中波峰代表变化周期震荡状况,峰值对应时间代表变化主周期.RCP2.6情景下贵州省降水集中度变化存在3个尺度的周期震荡,分别为6 a、36 a和56 a,其中56 a为主周期,经历一个强-弱-强-弱-强的周期过程；RCP4.5和RCP8.5情景下均存在2个周期的尺度震荡,分别为6 a和56 a,其中56 a为主周期,经历一个强-弱-强-弱-强的周期过程(如图7所示).

图7 不同情景下贵州省降水集中度变化的周期特征

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究发现,贵州省RCP8.5情景下降水集中度变化趋势,与张波等[21]、黄晓亚等[22]对贵州省的研究结果一致,但RCP2.6和RCP4.5情景下降水集中度变化趋势却与其研究结果相反,这反映了不同情景下降水集中度变化规律以及过去与未来之间降水集中度变化存在差异.其次,RCP2.6和RCP8.5情景下贵州省降水集中度下降地区与郑炎辉等对珠江流域(涉及贵州南部)的研究结果[4]较为一致.而RCP4.5情景下的下降区域却与其存在差异,这说明不同情景下降水集中度变化趋势的空间格局存在差异.另外,从较大尺度看,全国大部分地区降水集中度呈增加趋势[8,23-24],这与本研究RCP8.5情景下研究结果相似,但与RCP2.6和RCP4.5情景相反,这反映了降水集中度变化的地域差异.尽管已有学者研究发现降水量与降水集中度之间存在一定的相关性[3,25],但本研究未来3种情景下降水集中度变化与降水量变化相关性不大,即3种情景下降水量均呈增加趋势[26],但RCP2.6和RCP4.5情景下降水集中度呈下降趋势,RCP8.5情景呈增加趋势.为更好地应对未来降水集中度变化对生产生活的影响,贵州省东部应积极做好防涝抗涝工作,积极调整农业生产结构.重点防范夏季的强降雨和暴雨等极端天气,并根据不同季节降水集中度变化规律地域差异,各区域制定针对性应对策略.城市地区夏季和汛期重点防范内涝,加强城市排水基础设施建设和规划.

3.2 结论

RCP2.6和RCP4.5情景下贵州省降水集中度呈下降趋势,RCP8.5情景呈增加趋势.东部地区降水集中度呈增加趋势,西部呈下降趋势.除夏季外,RCP2.6情景下其他季节的降水集中度均呈下降趋势；RCP4.5情景下春季和秋季降水集中度呈下降趋势,而夏季和冬季的降水集中度呈增加趋势；除秋季外,RCP8.5情景下其他季节的降水集中度均呈下降趋势.不同情景的四季降水集中度变化趋势空间格局有所不同.不同情景下汛期与非汛期降水集中度均呈上升趋势,东部地区是3种情景降水集中度增加幅度较大区域.RCP2.6情景下降水集中度存在3个周期的尺度震荡,而RCP4.5和RCP8.5情景存在2个周期的尺度震荡,56 a是3种情景下降水集中度变化的主周期.