气候变暖下山东省月尺度极端降水的时空变化特征.pdf

山 东 科 学 第 卷 第 期 年 月出版.:./.【环境与生态】收稿日期:基金项目:环渤海科技创新项目()山东省气象局科研项目()作者简介:邹瑾()女硕士高级工程师研究方向为气候与气候变化:.通信作者高理女高级工程师研究方向为气候与气候变化:.气候变暖下山东省月尺度极端降水的时空变化特征邹瑾李君高理(.山东省气象防灾减灾重点试验室山东 济南.山东省气候中心山东 济南.淄博市气象局山东 淄博)摘要:为揭示气候变暖背景下极端降水多尺度的变化规律基于山东省国家气象站 年逐日降水量资料利用百分位数相对阈值法分析月尺度极端降水事件的时空变化特征 结果表明:山东省极端降水事件主要出现在夏季、月年频率均在 以上各地年频次大致自东南向西北递减 大部分地区极端降水年频次和极端降水量增加除秋季外各季均增加冬季增加明显 世纪 年代中期之后各地极端降水普遍增多增强年际变化明显增大夏季和冬季极端降水强度明显增强其中鲁中、鲁西南、半岛等地夏季每 增加 冬季各月增加 可见在气候变暖背景下山东降水不稳定性普遍增加更需加强暴雨洪涝、暴雪等灾害风险预警与防控服务关键词:山东省极端降水月尺度时空分布变化特征中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标志码():(.).第 期邹瑾等:气候变暖下山东省月尺度极端降水的时空变化特征 .与气候平均态相比极端气候事件对气候变化更为敏感气候变暖导致全球大部分地区极端强降水事件增多由此引发的洪涝及灾害风险已倍受各界广泛关注 研究表明不同区域极端降水事件对气候变暖呈现不同的响应 中国大部分地区极端降水事件增多冬季增加更为明显 极端降水存在显著的地域性和季节性差异不同时空尺度变化特征不同中国夏季极端降水量增加最大的月份为 月极端降水频次增加较多的月份为 月 全国平均极端降水事件的开始时间和结束时间分别呈现出明显的提前和推迟趋势山东省位于中国东部沿海黄河下游地区中部山地突起西部及北部为黄河冲积平原中南部为山地丘陵东部半岛以起伏和缓的山地丘陵为主 地处于副热带与西风带的过渡地带属典型的温带季风气候 年内降水时空分布差异明显旱涝灾害频繁 研究发现山东极端降水呈现自东南向西北递减的态势新中国成立以来山东省年降水量及汛期降水量呈减少趋势极端天气气候事件出现的频率、强度都呈增大的趋势极端降水变化空间差异显著西北部及中部山区极端降水量和降水强度增加洪涝灾害加剧 年以来降水日数总体呈显著减少趋势大雨日数减少和暴雨强度增强的趋势较明显 年之后极端降水指数的变幅更大且变化显著的站点更多 大部分地区夏季极端降水频次和强度都存在增加趋势尤其在鲁中及其以南地区呈明显增加趋势 这些研究都是年、季尺度的而月尺度的研究少见 近年来在实际业务工作中发现月尺度极端降水事件时常发生尤其在非夏季时段如 年 月 日鲁中、鲁南和半岛地区出现了历史同期少见的大范围强降水天气有 县市出现暴雨 县市日降水量突破本地同月有记录以来的历史极值但在年尺度上均未达到极端降水事件的标准 可见年、季尺度标准会漏掉大量的非夏季时段的极端降水事件不利于全面认识其分布变化规律 为了提高对极端降水事件的监测服务能力研究极端降水事件不同尺度的变化规律是必要的 为此本文试图从月尺度上分析山东省极端降水事件在气候变暖背景下的时空变化特征以期为强降水等灾害性天气的风险预警和防控服务提供一定的参考依据 资料和方法资料来源于山东省气象信息中心提供的 个国家气象站 年逐日观测数据经过数据质量控制剔除缺测的站点最后选取了资料较为完整的 站作为代表站 采用百分位数法确定各站月尺度极端降水阈值具体做法:将代表站历年同月大于等于.的日降水量从小到大排序计算第 分位数值分别得到各代表站各月的极端降水阈值 若某站某日降水量大于或等于该站该日所在月份的极端降水阈值则记该站该日为一次月尺度极端降水事件 由此统计得到各代表站历年各月的极端降水事件发生频次和极端降水总量 月极端降水出现频率为月发生频次与该月总天数的比值年频率为该月发生极端降水的年数与总年数的比值极端降水强度为月尺度极端降水总量与总频次的比值 采用气候倾向率和趋势系数分析极端降水的线性变化趋势及其显著性采用 检验和 检验分析极端降水平均态和年际变化的显著性利用变异系数分析极端降水对气候变化的敏感性山 东 科 学 年 极端降水基本特征.月际分布山东省月尺度极端降水事件每年均有发生 年平均年频次为.次夏季最多占 春、秋次之均占.冬季最少占 平均年极端降水量占年总降水量的.夏季最多占全年极端降水量的.秋季次之冬季最少 极端降水强度年平均为./次夏季最强平均达./次秋季次之冬季最小 由此可见月尺度极端降水与总降水量的季节分布是一致的图 为山东省各月极端降水出现频率(出现频率频次/总天数)和年发生频率(年频率发生年数/总年数)可以看出 月出现频率最高占全年的.年频率为.月次之占全年的.年频率为 其他各月均不足全年的 年频率均在 以下其中、月年频率为 以上、月为 月、月出现频率较低年频率在 以下 各季月尺度极端降水事件夏季主要发生在 月春季 月最多秋季 月最多冬季各月分布较为均匀 各月极端降水量占比平均为 月在以上其中 月最高(均为)月极端降水强度在/次以上其中 月最强平均达./次 月次之图 山东各月极端降水事件出现频率和发生年频率分布.地域分布 年山东省月尺度极端降水事件出现频次大致呈现自东南向西北递减的分布特征四季略有不同 由表 可知鲁西北和鲁西南的大部分地区年平均为 次其他大部分地区为 次文登达 次以上泰山为.次较周边多 春季鲁东南和山东半岛出现总频次大多为 次平均每年约 次其他大部分地区为 次以下鲁西北和鲁西南为 次以下泰山为 次明显较周边多山东半岛南部较北部多 夏季各地均明显增多大部分地区总频次达 次鲁东南地区最频繁诸城、莒县达次平均每年约 次这主要是由于东亚夏季风在山东不同地形作用影响的结果 秋季中西部大体为南多北少枣庄、临沂、日照等地总频次为 次其他大部分地区为 次以下山东半岛地区则是北部多南部少与春季正好相反这主要与沿海地区受东亚冬季风和夏季风转换影响有关 冬季大部分地区总频次多为 次鲁西北少山东半岛多其中山东半岛北部沿海地区最多总频次为 次左右平均每年发生 次左右这主要是受东亚冬季风和海洋的共同影响所致 可见月尺度极端降水与降水事件的地域分布基本是一致的第 期邹瑾等:气候变暖下山东省月尺度极端降水的时空变化特征表 年山东省月尺度极端降水出现频次 地名站点年平均频次/次总频次/次春季夏季秋季冬季鲁西北德州.滨州.东营.鲁西南聊城.菏泽.济宁.鲁中济南.泰安.新泰.泰山.淄博.潍坊.鲁东南诸城.枣庄.临沂.沂水.日照.莒县.山东半岛青岛.烟台.牟平.文登.乳山.极端降水时空变化特征.年际和年代际变化山东省月尺度极端降水事件年际变化明显(图)年年频次最高为.次(年)最少为.次(年)有 年达 次以上其中 年在 年之后 为少发期平均为.次多数年份少于 次其他年代平均频次相差不大 极端降水量年际变化大最多为.(年)最少为.(年)有 年达 以上其中 年在 年之后年极端降水量占比最大为.(年)最小.(年)有 年达 以上其中 年在 年之后 中期至 后期极端降水量及其占比均显著增加 和 平均占比均在 以上(图)极端降水强度各年代平均值波动小但年际变化大最强为./次(年)有 年平均达 /次以上其中 年出现在 年之后 后期至 后期显著增强 由此可见山东省月尺度极端降水在 世纪 年代中后期发生了较为明显的变化山 东 科 学 年图 年山东月尺度极端降水年频次和极端降水量占比演变.从 世纪 年代中期前后各月极端降水事件的出现频次、极端降水量及其占比和强度的变化率来看(图)年与 年相比、月平均频次和极端降水量减少 月极端降水量占比减少 以上其他大部分月份增加其中 月平均频次、极端降水量及其占比增加 倍以上 月平均频次、极端降水量和 月极端降水量占比增加 以上冬季各月(、月)极端降水强度增加其中 月最多接近 经过 检验得知 年前后 月极端降水平均频次、极端降水量及其占比和强度差异显著 月平均频次差异显著 月平均极端降水强度差异显著通过 检验 值得注意的是在极端降水量减少的、月中 月极端降水量占比增加其他 个月极端降水量占比的减少率相对极端降水量的减少率小 由此可知除、月外其他多数月份极端降水出现频次、极端降水量及其占比和强度在 世纪 年代中期之后是增加的冬季各月增加明显其中 月增加最显著图 年前后山东省各月极端降水出现频次、极端降水量及其占比和强度的变化率.利用 检验分析月尺度极端降水在 世纪 年代中期前后年际变化差异的显著性 统计量大于 表示方差增大说明年际变化增大 统计量小于 表示方差减小说明年际变化减小 统计量等于 表示方差无变化年际变化不变 从表 可以看出 年山东省月尺度极端降水事件全年出现的频次、极端降水量及其占比和强度的方差均较 年增大年际变化增加其中年极端降水量占比的年际变化增加显著通过了.显著性水平的 检验 各季月尺度极端降水事件的年际变化存在差异春季变化不大但 月出现频次和极端降水量的年际变化显著增加 月极端降水强度年际变化显著增加说明春季强降水不稳定性增加暴雨灾害风险增加 夏季及各月(月)极端降水强度的年际变化显著增加其中 月出现频次、极端降水量及其占比的年际变化均显著增加说明夏季月尺度强降水发生几率增加洪第 期邹瑾等:气候变暖下山东省月尺度极端降水的时空变化特征涝灾害风险增大 秋季极端降水强度年际变化显著增加其中 月出现频次和极端降水量的年际变化均显著增大说明秋季强降水不稳定性也增加暴雨出现几率增加 冬季极端降水强度年际变化显著减少但出现频次、极端降水量及其占比的年际变化增加其中 月显著增加说明冬季暴雪等极端降水事件发生几率增加 由此可见 世纪 年代中期之后山东省极端降水事件更加不稳定洪涝、雪灾等风险增加表 年与 年山东月尺度极端降水的 统计量 项目 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月春季夏季秋季冬季全年出现频次.极端降水量.极端降水量占比.极端降水强度.注:表中表示通过.显著性水平具体从各月历年变化来看 至 极端降水出现频率集中在、月之后有所减少 后期开始各月的高频率增多(图()如 月在、年出现频率达(.次)年左右之后极端降水量在出现频次最高的 月明显增多(图()各月极端降水量占比的高值也明显增多其中 年 月和 年 月分别高达.和.年 月均在 以上 年之后极端降水强度在 月的高值也明显增多(图()具体来看 月全省平均极端降水强度达 /次的年份共 年有 年出现在 年之后其中、年分别达./次和./次 月全省平均极端降水强度达 /的年份共 年有 年出现 年之后其中、年均达/以上 由此可见近 年山东各月极端降水均发生了变化 月明显增多增强图 年山东省各月极端降水事件变化热图.从全省平均月尺度极端降水事件特征的线性趋势系数来看出现频次和极端降水量全年略呈增多趋势秋季呈减少趋势其他各季均呈增多趋势冬季增多最明显但均未达到显著性水平、月减少趋势明显、月增多趋势明显其中 月频次减少显著 月频次增多显著 极端降水量占比全年增加趋势明显秋季略减少其他各季增加夏季和冬季每 增加.和.分别达到.、.显著性水平冬季较夏季增加趋势明显(图)月减少趋势明显、月增加趋势明显其中、月增加显著 极端降水强度年平均无明显趋势变化秋季略减弱其他各季增强 月减弱趋势明显、月增强趋势明显但均未通过显著性水平 总的来看山东月尺度极端降水出现年频次和降水量山 东 科 学 年增加极端降水量占比增加趋势最明显 四季变化不一致春季增加主要发生在 月夏季增加主要发生在 月秋季减少主要发生在、月冬季增加最明显主要发生在、月再次说明冬季暴雪越来越多这与孙建奇等的研究结论是一致的图 年山东省夏季和冬季月尺度极端降水量占比演变.空间变化特征由以上分析可知山东省月尺度极端降水事件在 世纪 年代中期前后发生了明显变化故以 年为界分析山东月尺度极端降水变化的空间分布特征 从年频次变化倾向率分布来看 年鲁西北、山东半岛中部和东南部沿海及日照等地减少鲁中及以南大部分地区、山东半岛的西部和北部沿海地区增加 年大部分地区减少鲁西北、鲁东南和山东半岛东南部减少趋势明显 年之后年频次普遍增加 个代表站中 站倾向率为正(占.)除鲁西南外其他大部分地区增加其中鲁东南、山东半岛北部和德州等地 站增加趋势明显 年间极端降水量变化与年频次变化空间分布大致相同鲁中及以南的大部分地区增加其中鲁中和鲁南的部分地区每 增加 以上大部分地区极端降水量占比也普遍增加全省有 站(占)倾向率为正主要分布在中南部地区 年除鲁西南和山东半岛北部少部分地区外其他大部分地区极端降水量减少其中鲁西北和鲁东南的部分地区每 减少 年之后大部分地区增加全省达 站(占.)倾向率为正其中鲁东南、鲁西北和山东半岛东北部沿海地区每 增加 以上 极端降水强度变化与频次变化分布也基本相似鲁中大部分地区增强其中潍坊的部分地区每 增加 /次 年大部分地区减小 年之后除山东半岛外其他大部分地区增加全省有 站(占)倾向率为正其中鲁西南、鲁西北及潍坊等地显著增加潍坊、济宁、菏泽等地的个别县市每 增加 /次以上从月尺度极端降水事件四季的趋势系数分布来看春季除鲁南外其他大部分地区出现频次和极端降水量增多极端降水强度除鲁西北、鲁中东南部及山东半岛的部分地区外其他大部分地区增强其中鲁中西部、鲁西南及东南沿海地区增强明显济南、淄博、聊城及日照沿海等地每 增加 年之后极端降水强度增加的站点增多 站中 站为正趋势其中 站趋势显著鲁西南及东南沿海地区每 增加 夏季鲁北、鲁中山区及以南地区频次和极端降水量增多鲁西北、山东半岛及东南沿海地区减少极端降水强度除鲁西北、鲁西南外中东部大部分地区增强其中潍坊和烟台、威海等地每 增加 年之后大部分地区频次、极端降水量和强度均普遍增加增强 站中 站频次趋势为正 站极端降水量趋势为正 站强度趋势为正其中潍坊、烟台、威海、济宁等地强度每 增加 秋季鲁西北、山东半岛和鲁东南地区频次和极端降水量减少鲁中、鲁西南及山东半岛的大部分地区强度减小济南和威海的个别县市每 减少 年之后大部分地区频次增加鲁西北地区极端降水量增加其他大部分地区仍然减少故大部分地区强度减小 站中 站频次趋势为正 站极端降水量趋势为负 站强度趋势为负其中潍坊的部分县市每 减少 冬季山东大部地区频次和极端降水量增加其中鲁东南至山东半岛的大部分地区频次增加明显鲁西北、鲁东南及青岛等地极端降水量增加明第 期邹瑾等:气候变暖下山东省月尺度极端降水的时空变化特征显鲁西北和山东半岛南部沿海强度增加明显 年之后频次和极端降水量增加的站点有所减少但大部分地区强度明显增强 站中 站强度趋势为正其中 站趋势显著总的来看近 年来鲁中及以南大部分地区、山东半岛的西部和北部沿海地区月尺度极端降水年频次、极端降水量及占比增加鲁中大部分地区强度增强 除秋季外其他各季大部分地区增多增强 世纪 年代中期之后各地极端降水频次和降水量普遍增加除半岛地区外其他大部分地区强度增强 大部分地区四季频次增多除秋季外其他各季极端降水量增加强度增强其中夏季鲁中、鲁西南、半岛地区明显增强冬季大部分地区显著增强 与已有研究相比月尺度极端降水变化与苏敏等和范苏丹等的研究成果基本是一致的 气候敏感性分析以上分析可知在气候变暖背景下山东省月尺度极端降水事件变化存在明显的季节性和地区性差异且在 世纪 年代中后期发生了明显的变化为进一步了解这种变化特征利用变异系数分析其气候敏感性 从月尺度极端降水事件的变异系数来看(图)极端降水量的变异系数最大强度最小说明极端降水量的气候敏感性最大强度的敏感性相对较弱 出现频次、极端降水量及其占比和强度的变异系数均在冬季最大夏季最小各月的变化基本一致 春季均表现为 月最大 月最小夏季 月最大 月最小秋季 月最大 月最小冬季均在 最小出现频次和极端降水量均在 月最大极端降水量占比和强度均在 月最大 说明月尺度极端降水事件的出现频次、极端降水量及其占比、强度对季节变化的敏感性基本一致均存在明显的季节性差异在降水量较多的夏季和月份敏感性小而在降水量较少的冬季和月份敏感性较大图 山东省月尺度极端降水事件的变异系数.以极端降水量为例分析山东省各地全年和四季的月尺度极端降水事件的气候敏感性可知中西部全年月尺度极端降水量的气候敏感性呈现南部小北部大半岛地区则相反呈现北部小南部大鲁西北、半岛南部以及潍坊、泰安等地的气候敏感性大 春季各地敏感性呈现东南向西北递增鲁西北最大夏季各地敏感性差异变小鲁西南、渤海湾和山东半岛南部沿海地区大秋季各地敏感性增大但差异减小鲁西南地区最大冬季各地差异小鲁西北和鲁西南等地敏感性最大 由此可见山东各地月尺度极端降水的气候敏感性不同春季差异最大鲁西北地区最敏感 结论与讨论通过以上分析得出如下结论:()山东省月尺度极端降水事件夏季出现最多占 春、秋季均占.冬季占 夏季主要发生在 月春季 月最多秋季 月最多 各月极端降水量占比平均为 月最高 极端降水强度 月最强 月次之 各地出现年频次大致呈现自东南向西北递减的分布特征山东半岛地区春季与山 东 科 学 年秋季的分布相反这主要是受东亚季风的转换影响所致()年来山东省月尺度极端降水年频次和极端降水量均呈增加趋势除秋季外各季均增加、月明显增加 世纪 年代中后期明显增多增强年际变化明显增大 除、月外其他多数月份出现频次、极端降水量及其占比和强度增加其中冬季各月极端降水强度增加 月增加增强最明显说明冬季暴雪几率增多()各地月尺度极端降水事件变化不一致鲁中及以南大部、山东半岛的西部和北部沿海地区年频次和极端降水量及占比增加鲁中大部分地区极端降水强度增强除秋季外各季大部分地区增多增强 世纪 年代中期之后各地普遍增加增强大部分地区四季出现频次增多除秋季外各季极端降水量增加强度增强其中夏季普遍增多增强鲁中、鲁西南和半岛等地降水强度每 增加 冬季大部分地区明显增强 可见在变暖背景下山东降水不稳定性增加暴雨洪涝、雪灾等风险增大()山东省月尺度极端降水事件对季节变化的敏感性基本一致季节性差异明显在降水量较多的夏季和月份敏感性小而在降水量较少的冬季和月份敏感性较大 各地极端降水量的气候敏感性差异大鲁西北地区春季最敏感鲁西南地区秋季最敏感 具体原因可能与降水的季节分布有关有待进一步研究总的来看本文从月尺度角度揭示出的山东省极端降水事件的时空变化特征与年尺度极端降水事件变化特征基本上是一致的 在气候变暖背景下山东省月尺度极端降水事件变化存在明显的季节性和地区性差异 世纪 年代中期之后普遍增加冬季增加最明显这种特征除了与冬季显著增暖有关外城市化发展的影响导致的地域性差异不容忽视还有待深入研究参考文献:.:.():.:./.():.:./.陈姣 张耀存.气候变化背景下陆地极端降水和温度变化区域差异.高原气象 ():.:./.翟盘茂 王萃萃 李威.极端降水事件变化的观测研究.气候变化研究进展 ():.:./.:():.:./.():.:./.吴佳 周波涛 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