柘荣县极端降水事件气候特征分析

柘荣县极端降水事件气候特征分析詹青霞(宁德市柘荣县气象局,福建宁德355300)摘要:为给政府部门的防灾减灾救灾工作提供科学依据,减少灾害损失,基于1961—2017年柘荣县的降水资料,采用回归分析、相关分析、线性倾向估计和F 检验等方法,分析近57a 柘荣极端降水事件的年际变化趋势和气候突变现象.结果表明:年极端降水频次、年极端降水总量、年极端降水强度和年最大日降水量均呈线性增长趋势,其中,年极端降水总量和年最大日降水量呈显著增长趋势;年极端降水频次和年极端降水强度呈不显著增长趋势.累积距平法和信噪比突变检验表明,年极端降水频次的突变转折年份出现在1994年,表现为1994年之前为下降趋势,1994年之后为上升趋势;而年极端降水总量、年极端降水强度和年最大日降水量的突变转折年份均出现在2003年,表现为2003年之前为下降趋势,2003年之后为上升趋势;但各极端降水指数均未达到气候突变的标准,突变不显著.对比分析柘荣极端降水指数与全省平均极端降水指数,表明柘荣“暴雨中心”的主要特征是降水总量大、频次少、降水的极端性特别突出.关键词:极端降水;气候特征;倾向率;突变检验;福建柘荣中图分类号:P467文献标识码:A 文章编号:2095-2481(2019)02-0211-06收稿日期:2018-09-05作者简介:詹青霞(1981-),女,讲师.E-mail:67065293@项目基金:福建省自然基金项目(2017J01775);福建省中青年教师教育科研项目(JAT160533).第31卷第2期2019年6月Vol.31No.2Jun.2019宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University (Natural Science)近年来,随着气候变化研究的深入,很多学者着重研究了我国各地区极端降水事件的变化特征[1-6],得出了许多有意义的可供参考的结论.就华东区域而言,李明刚等[7]分析了近50a 来华东地区各类极端降水事件的强度和发生频次的年代际变化,结果表明,华东地区极端降水事件年代际变化特征明显,近20a 来,无论是极端降水事件的平均强度还是发生次数都明显高于前30a.苏志重等[8]分析了1960—2010年福建省极端降水事件的空间分布和时间变化趋势,结果表明,福建极端降水事件在空间上存在明显的地域差异,其中南部沿海多年平均极端降水阈值大、年总降水量大,而中北部地区年极端降水频次较多;全省区域平均及各站年极端降水频次、年极端降水总量、极端降水强度和年最大日降水量均呈线性增长趋势,且变化趋势明显.这些研究结果表明了不同区域极端降水变化总体一致,但不同的地域,不同的海拔高度,极端降水事件的空间差异也很明显.柘荣县(27°05′~27°19′N ,119°43′~120°04′E)地处福建省东北部,境内群峰叠嶂,山峦起伏,县城海拔约660m ,位于太姥山的半山腰.太姥山(鹫峰山脉的组成部分)主峰东狮山顶海拔1479m ,位于县城东侧,整体地形呈东高西低,是靠海的山区.县城的东、西、北三面环山,处于一个“口袋式”的地形环境中.“口袋式”和东高西低的地形十分有利于抬升运动和降水增强,故该县素有福建省“暴雨中心”之称.因此,该县极端降水强度大、区域集中,易引发农田淹没、城市内涝,有时还会引发山洪、泥石流等地质灾害,造成巨大的经济损失和人员伤亡.但目前尚未见专门针对该县极端降水事件气候特征以及其与全省平均状态异同点等方面的研究.为此,本文利用该县1961—2017年逐日降水量资料,分析研究该县近57a 极端降水事件的气候规律特征,以期为柘荣暴雨预报提供理论基础,为政府部门开展防灾减灾救灾工作提供科学依据.1资料来源与研究方法本研究使用的1961—2017年柘荣县气象站逐日降水资料,来源于柘荣县气象局气象资料数据库,其他降水资料来源于福建省气象历史资料检索系统.本研究采用目前国际上较通用的百分位法定义极端降水事件的阈值[9-10].具体方法是:将1961—2017年逐年日降水量大于等于0.1mm 降水量序列的第95个百分位值的57a 平均值定义为极端降水事件的阈值,当某日降水量超过这一阈值时,称之为一次极端降水事件.第95个百分位的计算方法是:将n 个日降水量按升序排列为X 1,X 2,…,X m ,…,X n ,那么,某个值小于或等于X m 的概率p =(m -0.31)/(n +0.38).其中,m 为X m 的序号,n 为降水序列长度,第95个百分位值指p =95%所对应X m 的值.为了研究极端降水事件的频次、总量、强度等气候特征,通过统计极端降水事件,定义如表1所示的4种极端降水指数.表14种极端降水指数的定义此外,采用回归分析、相关分析、线性倾向估计等方法[11-12],对极端降水事件指数进行趋势分析,线性方程系数的显著性水平采用F 检验[13].极端降水指数的气候突变或转折分析,采用累积距平曲线的方法确定气候突变年份,并通过计算其信噪比进行突变检验[14].具体使用如式(1)所示的指标:C (t )=ti =1∑(x i -x ).(1)式(1)中,x i 为第i 年的气象要素值,x 为要素样本的多年平均值.当C (t )绝对值达最大值时,则其所对应的t 即可确定为突变年份.为了检验转折是否达到气候突变的标准,计算转折年份信噪比.信噪比的定义[14]是:S/N =x a -x b S a +S b .(2)式(2)中,x a 、x b 和S a 、S b 分别为转折年份前后两阶段要素的平均值和标准差,规定S /N >1时,可认为该要素在这个年份存在气候突变,否则突变不显著.2结果与分析2.1年极端降水频次变化特征计算1961—2017年柘荣逐年降水资料序列,得到近57a 柘荣极端降水事件阈值为53.0mm.从年极端降水频次变化曲线(图1(a ))可见,近57a 柘荣平均年极端降水频次为5.8d ·a -1;年极端降水频次的年际差异较大,最大值为15d ·a -1,出现在2005年,最小值0d ·a -1,出现在1993年;年极端降水频次在1999年前后变化更明显,1999年之前,其平均值基本小于多年平均值,而此后其平均值基本大于多年平均值.年极端降水频次的气候倾向率为每10a 0.386d ,但未通过琢=0.05的显著性水平检验,表明年极端降水频次呈不显著增长趋势.从年极端降水频次累积距平变化曲线(图1(b ))可见,年极端降水频次距平在1994年之前以负值为主,1994年之后则以正值为主.年极端降水频次累积距平的绝对值最大值出现在1994年,即1994年是年极端降水频次的突变转折年份.运用公式(2)对转折年份进行突变检验,得信噪比S/N =0.375,表明1994年的突变转折未达到气候突变的标准,突变不显著.指数名称定义年极端降水频次/d ·a -1某年发生极端降水事件的日数年极端降水总量/mm ·a -1某年极端降水量之和极端降水强度/mm ·d -1年极端降水总量与年极端降水频次之比年最大日降水量/mm 某年极端降水事件中日最大降水量宁德师范学院学报(自然科学版)2019年6月212--2.2年极端降水总量变化特征从年极端降水总量变化曲线(图2(a ))可见,近57a 柘荣平均年极端降水总量为580.8mm ·a -1;年极端降水总量的年际差异大,最大值1800mm ·a -1,出现在2005年,最小值117.5mm ·a -1,出现在1991年(1993年未发生极端降水事件,不予考虑);年极端降水总量在2003年前后变化较大,2003年之前,其平均值基本小于多年平均值,而此后其平均值基本大于多年平均值.年极端降水总量的气候倾向率为每10a50.656mm ,且通过了α=0.05的显著性水平检验,表明年极端降水总量呈显著增长趋势.从年极端降水总量累积距平变化曲线(图2(b ))可见,年极端降水总量在2003年之前基本为负距平,2003年之后基本为正距平.年极端降水总量累积距平的绝对值最大值出现在2003年,即2003年是年极端降水总量的突变转折年份.运用公式(2)对转折年份进行突变检验,得信噪比S/N =0.537,表明2003年的突变转折未达到气候突变的标准,突变不显著.图1近57a 柘荣年极端降水频次变化曲线及累积距平变化曲线16840-10-20-30(a )变化曲线(b )累积距平变化曲线图2近57a 柘荣年极端降水总量变化曲线及累积距平变化曲线(b )累积距平变化曲线12(a )变化曲线年份21110年份年份11-2-3-419711991200120112.3年极端降水强度变化特征从年极端降水强度变化曲线(图3(a ))可见,近57a 柘荣平均年极端降水强度为97.3mm/d ;年极端降水强度的年际差异较大,最大值190.3mm/d,出现在1971年,最小值55.7mm/d,出现在1964年(1993年未发生极端降水事件,不予考虑);极端降水强度在1961—1975年和2006—2017年的2个时段,其平均值大于多年平均值,1976—2005年的平均值小于多年平均值.年极端降水强度的气候倾向率为每10a 降水量0.848mm ·d -1,且未通过α=0.05的显著性水平检验,表明极端降水强度呈微弱增长趋势.从年极端降水强度的累积距平变化曲线(图3(b ))可见,年极端降水强度在1961—1971年和2004—2017年的2个时段为正距平时段,1972—2003年为负距平时段.年极端降水强度累积距平的绝对值最大值出现在2003年,即2003年是年极端降水强度的突变转折年份.运用公式(2)对年转折年份进行突变检验,得信噪比S /N =0.351,表明2003年的突变转折未达到气候突变的标准,突变不显著.年份第2期詹青霞:柘荣县极端降水事件气候特征分析213--(b )累计距平变化曲线2.4年最大日降水量变化特征从年最大日降水量变化曲线(图4(a ))可见,近57a 柘荣年最大日降水量平均值为180.1mm ;年最大日降水量的年际差异大,最大值472.5mm ,出现在2005年,最小值57.5mm ,出现在1964年(1993年未发生极端降水事件,不予考虑),两者相差415mm ;年最大日降水量在2003年之前,其平均值基本小于多年平均值,而此后其平均值基本大于多年平均值,这一变化特征与年极端降水总量变化特征相似.年最大日降水量的气候倾向率为每10a 降水量16.756mm ,且通过了琢=0.05的显著性水平检验,表明年最大日降水量呈显著增长趋势.从年最大日降水量累积距平变化曲线(图4(b ))可见,年最大日降水量在2003年之前基本为负距平,2003年之后基本为正距平.年最大日降水量累积距平的绝对值最大值出现在2003年,即2003年是年最大日降水量的突变转折年份,通过公式(2)对转折年份进行突变检验,得信噪比S /N =0.514,表明2003年的突变转折未达到气候突变的标准,突变不显著.图3近57a 柘荣年极端降水强度变化曲线及累计距平变化曲线(a )变化曲线(b )累计距平变化曲线图4近57a 柘荣年最大日降水量变化曲线及累积距平变化曲线(a )变化曲线2.5柘荣极端降水指数与福建省平均极端降水指数的比较分析本研究定义的4项极端降水指数,极端降水频次和极端降水总量是自变量,极端降水强度是因变量,即强度是总量与频次的比值,强度与总量成正比,与频次成反比.年最大日降水量本质上也是降水强度的另一种表现形式,它表征的是日降水强度的年极值,而极端降水强度表征的是年平均状态.洪涝灾害发生的频率决定于极端降水频次,而洪涝灾害的严重程度则决定于极端降水的强度.线性倾向估计法是气候统计学上常见的气候序列变化趋势诊断法,线性倾向率表征的是变化方向(增长或减少)和幅度的大小;显著性水平表征的是因子序列与时间序列的相关性置信水平,当置信水平≥95%时,则认为是显著增长(或减少);否则不显著.本研究中,年极端降水总量和年最大日降水量2100502002001000-100-200-300年份150年份年份年份2000-200-400-600-8001000-1200宁德师范学院学报(自然科学版)2019年6月214--项指数的线性趋势呈显著增长趋势,表明该2项指数的变化趋势可信度高,预示着未来这种变化趋势还将延续.而年极端降水频次和年极端降水强度2项指数的线性趋势呈不显著增长趋势,表明该2项指数的变化趋势可信度不高,预示着未来这种变化趋势的延续存在不确定性.这一结论与苏志重等[8]分析福建省的极端降水特征得出的结论不一致,福建省4项指数的平均线性趋势均呈显著增长趋势.气候突变检验是诊断因子序列发生突变转折时间点,并判断是否到达气候突变标准的方法,本研究结果表明,年极端降水频次在1994年之后由减少期转为了增长期,而另3项指数则在2003年之后由减少期转为了增长期,但这种转变均未达到气候突变的标准,表明柘荣4项极端降水指数均未发生气候突变.这一结论也与苏志重等[8]分析福建省的极端降水特征得出的结论不一致,福建省平均4项指数均发生了气候突变.对比柘荣极端降水指数与福建省平均值(表2)可见,柘荣极端降水总量、极端降水强度和日最大降水量3项指数分别高出全省平均值16%、43%和61%,而极端降水频次却低于全省平均值19%.就全省的日最大降水量历史极值进行比较,柘荣县为472.5mm ,居全省之首,比次大者福鼎的379.6mm 高24.5%,比最小者古田的141.9mm 高233%.可见,柘荣的“暴雨中心”主要表现为其极端降水的量级大,而非频次多.表2极端降水指数平均值对照表区域极端降水频次/次·a -1极端降水总量/mm 极端降水强度/mm ·d -1日最大降水量/次/mm 柘荣县5.8580.897.3180.1福建省7.2500.068.0112.0高强度的极端降水所造成的洪涝灾害是极其严重的,如2005年7月19日,受5号台风“海棠”的影响,柘荣县全境普降特大暴雨,当日雨量达472.5mm ,致使县城溪坪街被淹数小时,新荣溪河道超警戒水位0.5m ,全县受灾人口8.5万人,紧急疏散和安全转移9360多人,农林水、交通、民政等直接经济损失2.89亿元.需要指出的是,极端降水事件和洪涝灾害不是同一个概念,例如发生在干旱区(或干旱时期)的极端降水可能对当地的工农业生产还是有利的,而发生在秋、冬季的极端降水大多也不一定会引发洪涝灾害.因此,需要辩证看待极端降水事件.3结论基于1961—2017年柘荣降水数据资料,研究近57a 极端降水变化趋势的主要特征,主要得出以下结论:1)柘荣极端降水总体上呈增长趋势.其中,年极端降水总量和年最大日降水量的气候倾向率分别为每10a 降水量50.656mm 、每10a 降水量16.756mm ,且均通过了α=0.05的显著性水平检验,呈显著增长趋势;年极端降水频次和年极端降水强度的气候倾向率分别为每10a 降水量0.386d 和每10a 降水量0.848mm ·d -1,且均未通过α=0.05的显著性水平检验,呈不显著增长趋势.2)柘荣年极端降水频次的突变转折年份出现在1994年,表现为1994年之前为下降趋势,1994年之后为上升趋势;年极端降水总量、年极端降水强度和年最大日降水量的突变转折年份均出现在2003年,均表现为2003年之前为下降趋势,2003年之后为上升趋势.但4项极端降水指数均未达到气候突变的标准,突变不显著.3)柘荣极端降水总量大,频次少,日最大降水量居全省之首,突出了其为“暴雨中心”的主要特征.本研究仅对极端降水事件的频次、强度、总量及日最大降水量的年际变化和突变转折进行了分析,其季节变化特征和周期规律以及未来的变化趋势,还有待今后做进一步研究.第2期詹青霞:柘荣县极端降水事件气候特征分析215--参考文献院[1]陈海山,范苏丹,张新华.中国近50a 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“rainstorm center ”in Fujian Province.It is affected by different degrees of rainstorm disasters every year.In order to provide scientific basis for disaster prevention,mitigation and relief work of government departments in Zherong county and reduce disaster losses,based on precipitation data from 1961to 2017,this paper uses regression analysis,correlation analysis,linear tendency estimation and F-test methods to analyze the interannual variation trend and abrupt climate change of extreme precipitation events in Zherong County in recent 57years.The results show that the annual extreme precipitation frequency,the annual extreme precipitation total,the annual extreme precipitation intensity and the annual maximum daily precipita ⁃tion all show a linear growth trend,in which the annual extreme precipitation total and the annual maximum dai ⁃ly precipitation show a significant growth trend.The annual extreme precipitation frequency and annual extreme precipitation intensity show no significant growth trend.The cumulative anomaly method and signal -to-noise ratio mutation test show that the abrupt transition year of annual extreme precipitation frequency occurred in 1994,showing a downward trend before 1994and an upward trend after 1994.However,the abrupt transition years of the total annual extreme precipitation,annual extreme precipitation intensity and annual maximum dai ⁃ly precipitation all occurred in 2003,showing a downward trend before 2003and an upward trend after 2003.However,each extreme precipitation index does not meet the criteria of climate mutation,and the mutation is not significant.A comparative analysis of Zherong extreme precipitation index and the province ′s average extreme precipitation index shows that Zherong ′s “rainstorm center ”is characterized by large total precipitation,less fre ⁃quency and especially prominent extreme precipitation.Key words:extreme precipitation events;climatic tendency rate;mutation test;Zherong County[责任编辑杨玉玲]宁德师范学院学报(自然科学版)2019年6月216--。