山西省汛期降水集中度及其与地形的关系.pdf

第 卷第期 年月太 原 师 范 学 院 学 报(自然科学版)J OUR NA LO FT A I YUANNO RMA LUN I V E R S I T Y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l N o M a r 收稿日期:作者简介:孙晋(),男,山西临汾人,在读硕士研究生,主要从事气象自然灾害评估通信作者:钞锦龙,副教授,E m a i l:c h a o j l n e t c o m山西省汛期降水集中度及其与地形的关系孙晋,崔晓琪,钞锦龙(辽宁师范大学地理科学学院,辽宁 大连 ;太原师范学院地理科学学院,山西 晋中 )摘要降水集中度的时空格局是水文分析的关键因素首先基于山西省 年 个气象站点的汛期(月日 月 日)逐日降水量,分析汛期总降水量和汛期极端降水量的时空特征其次,利用降水集中度(P C D)和降水集中期(P C P)来描述汛期降水的集中程度最后,计算P C P、P C P与地形因子之间的相关系数来识别两者之间的关系结果表明:山西省汛期年均总降水量和年均极端降水量在 年呈现不显著的上升趋势,空间上表现出明显的纬度地带性和地形特征 年均P C D在 之间,说明汛期内降水集中程度较低空间上呈现由南向北逐渐递增的纬向分布规律年均P C P处于/,表明最大日降水量主要出现在月中后旬,空间上表现出明显的地形特征 在占研究时段 的年份,P C P与P C D呈现反相关关系,即降水集中度越大的地区,降水集中期越早 在 的年份中,海拔越高,降水集中度越高,最大日降水出现时间越提前 m以下,坡向朝南的P C D和P C P均小于坡向朝北的;而在 m以上则相反 关键词汛期降水;P C D;P C P;地形 文章编号 ()中图分类号P 文献标识码A 引言降雨是最重要的气候变量,具有提高农产品产量的能力,同时也是造成严重灾害性水旱灾害的原因之一一方面,降水过多使土壤易受侵蚀影响植物的生长条件和农业实践,改变土地利用管理策略另一方面,降雨减少会导致干旱以及环境和生态破坏因此,了解各区域年、月、日等不同时间尺度以内的时空变化是水资源规划和管理的关键因素山西省地处中纬度地带的内陆,是半湿润区温带季风气候和半干旱区温带大陆性气候的过渡区,气候环境多变全省降水主要集中在夏季,且受地形影响较大,降水的变化将直接影响水资源量的多少,并间接影响该区域水环境问题近年来,我国学者在从不同尺度上对山西省降水的时空变化方面做出了许多研究例如,李芬等人从不同季节分析了山西省降水的时空分布,结果发现降水量整体下降幅度为 mm/a,且显著高于全国水平袁瑞强等人依据 年的降水变化特点对山西省进行了降水区划钞锦龙等人从年和季节研究了山西省北部地区 年的降水时空分布格局苗青、苗爱梅等人则对山西某次极端暴雨事件进行了不同尺度的特征分析目前有关山西降水的研究主要集中在从年、季节不同尺度进行降水的时空特征分析,而有关降水集中度方面的研究较少,作者只发现一篇涉及山西省降水集中度的研究根据以往的研究成果,我们发现近年来山西省降水量减少而极端降水事件却增加,说明降水的发生更加集中,即降水集中度增大,使泥石流、洪灾等自然灾害更容易发生,因此,研究山西省降水,特别是汛期降水的集中度十分重要降水集中度可以有效识别降水在一定时间内的分布情况降水集中度越高,发生极端降水的可能性越大,对社会经济损失的影响越大;降水集中度越低则可能导致水资源管理困难从研究方法上来看,有关降水集中度的研究大多数都采取了M a r t i n V i d e 于 年提出降水集中指数(C I)或者Z h a n g 等定义的降水集中度(P C D)和集中期(P C P)指数其中,C I指数基于日降水量的分辨率,评估日降水量的变化权重和降水的累计百分比与发生降水的累计天数百分比的关系;P C P和P C P基于矢量的分解 与合成原理,提供了一种分析年内降水分布特征的方法;两种方法都能够描述年内降水的不均匀性特征,从研究内容上看,目前有关降水集中的研究主要在时空格局、变化特征和意义,但对时空分布成因的研究还不够对于山西来说,特殊的地形使降水表现出强烈的区域差异例如,某些地形会给当地的大气环流提供升力,更容易造成降雨,而对于降水集中度是否受地形的影响还未可知因此,本文选取山西省 个气象站点 年的汛期(月日 月 日)日降水资料,利用P C D和P C P来描述降水在汛期内的均匀性,并选择地形因子(海拔、坡向)来研究两者之间的相关性,为水资源开发利用,水资源调蓄规划提供理论依据 数据与方法 研究区山西省地处黄河流域中部,介于北纬 ,东经 ,总面积 万k m,辖设 个区市整体地势呈东北斜向西南的平行四边形,是典型的为黄土覆盖的山地高原,地势东北高西南低高原内部起伏不平,河谷纵横,地貌有山地、丘陵、台地、平原,山区面积占总面积的 在气候类型上属于温带大陆性季风气候,雨热同期,南北气候差异显著,冬夏气温悬殊、昼夜温差大全省年降水量介于 mm之间,季节分布不均,夏季月降水相对集中,约占全年降水量的,且省内降水分布受地形影响较大(www s h a n x i g o v c n)图山西省地形及行政分区关于山西省内的区域划分没有一个明确的标准,但降水存在低于差异性 ,因此本文依据行政单元和省界形状,将山西省划分为晋北(包括大同市、朔州市、忻州市)、晋中(包括吕梁市、太原市、晋中市、阳泉市)和晋南(包括临汾市、运城市、长治市、晋城市)三大区域 数据 年太原市气象站的逐日降水量来源于中国气象科学数 据共享服务 网(h t t p s:d a t a c m a c n)为更准确的研究太原市极端降水的变化特征,仅选取汛期(月日 月 日)的逐日降水量并利用M a t l a b逐一对所选数据进行筛选控制,保留合理数据,对特殊值进行处理研究 年后降水的 原因:中国气候在 世纪 年代末经历了显著的年代际变化,这与 年代末北太平洋冬季大尺度环流型的突变有关,从地 理 空 间 数 据 云 平 台(www g s c l o u d c n/s e a r c h)获 得 的 山 西 省 米 分 辨 率 数 字 高 程 模 型(D EM),使用A r c g i s计算地形因子,包括高程、坡度和坡向在计算坡向时,从北顺时针方向测量方位角具体地说,结合中国季风方向,将坡向分为两类:北部()和南部()方法利用Z h a n g 等定义的降水集中度(P C D)和降水集中期(P C P)来定量描述降水的集中程度和集中时段,作为表达气象站降水量在一定时间内分配的参数,计算公式为:P C DRx iRy i/Ri()P C Pa r c t a nRx i/Ry i()()Rx injri js i nj()太 原 师 范 学 院 学 报(自然科学版)第 卷Ry injri jc o sj()Ri为站点研究时段内(第i年)的总降水量;i ,j,(从月日 月 日的总天数),ri j为研究期间内的某日降水量,j为研究期间内各日对应的方位角(整个研究时段的方位角为-)降水集中度(P C D)反映降水量在研究时段内的集中程度,范围为,越接近降水量越集中,越接近降水量越均匀降水集中期(P C P)反映最大日降水量的出现时期 结果 山西省汛期总降水和极端降水的时空变化图和图为山西省汛期年均总降水量和极端降水量的时空变化特征由图可知,山西省汛期年均总降水量介于 mm,占全年降水的 以上,整体表现出自南向北逐渐递减的趋势,同时在汾河流域也表现出自河谷向四周递增的趋势此外,在晋北地区东南也出现降水极值,可能是位于迎风坡,有利于凝云致雨的原因汛期年均极端降水量在 mm之间,占汛期总降水量的 ,空间上表现出明显的地带差异:整体上自南向北递减,但在中下游表现出自东向西递减的规律,可能是东侧太岳山的地形抬升作用UBU!K!FUCU!0K!FK!FNNK!FNN图 年汛期年均总降水量(a)和极端降水量(b)的空间变化K!F N NUBUK!UCU0K!ZY3ZY3ZY3,ZY3ZY3ZY3ZY3,ZY3K!F N N图汛期总降水(a)和极端降水(b)的年变化由图可知,在 年,全省汛期总降水量最大值 mm出现在 年,最小值 mm出现在 年,整体呈不显著的波动上升趋势(mm/a)分区来看,汛期总降水量除在晋南(mm/a)表现出下降趋势外,在晋中(mm/a)和晋北(mm/a)均呈现上升趋势,但都没有通过显著性检验整体来看,晋北、中、南和全省的汛期降水量的波动相一致,但晋南地区的汛期降水量的波动范围较大,且在 、年,晋南与其余三区(晋中、北和全省)的汛期降水量变化表现出相反的趋第期孙晋,等:山西省汛期降水集中度及其与地形的关系势,这可能是由于纬度和地形的原因此外,在 世纪初之前,汛期总降水量的波动较大,之后趋于平缓对于汛期极端降水量,在 年,全省与晋北、中、南均呈现上升趋势,仅晋北通过了 的显著性检验其中晋中的上升趋势最大(mm/a),然后依次为晋北(mm/a)、全省(mm/a)、晋南(mm/a)与汛期年降水量的变化相同,晋北、中、南与全省整体波动一致,但部分年份,部分地区与其他区域变化趋势相反综上,晋北、中、南降水和极端降水表现出不同的时空特征,进一步表明本文将山西省分为三个区域进而研究降水集中度与集中期,以及与地形的关系的必要性和合理性 山西省汛期P C D和P C P的时空变化图为山西省多年平均P C D和P C P的空间分布特征可以看出,山西省汛期年均P C D介于 之间,空间上呈现由南向北逐渐递增的纬向分布规律,说明越向北,汛期内降水发生相对越集中,但由于年均P C D整体,因此全省的汛期内降水集中程度较低,这可能是由于中国雨带“北进南退”的移动速率导致年均P C P处于/,表明最大日降水量主要出现在月中后旬空间上表现出明显的地形效应,即年均P C P在晋中和晋南的汾河流域河谷地区出现最大值,并向四周递减,表明河谷地区最大日降水出现较周边地区晚一定程度上说明河谷的最大雨季相较于其他地区较晚,这可能是由于地形对降水的阻挡作用UBU1$%UCU1$11$11$%图汛期年均P C D和P C P的空间变化图和表为不同地区P C D和P C P的时间变化特征及其统计值在 年,晋北(图 a)P C D介于 ,多年平均值为 峰值出现在 、年,期间发生暴雨、强降水的可能性较大 年,P C D呈现不显著的下降趋势(/a);大致在 年前,P C D整体大于平均值,年之后则相反晋北P C P在/,多年平均值为/,除去 、年等少数峰、谷值年,大多数年P C P在月中后旬在研究期间,晋北P C P呈显著的上升趋势(d/a),说明晋北日降水量最大发生时间在逐渐由月中旬向月后旬推迟晋北P C D和P C P整体呈现显著的反相关性,相关系数为 ;其中,在 、年,晋北P C D与P C P成正相关关系,占研究年份的,其余年份均呈现反相关关系晋中(图 b)P C D介于 ,多年平均值为 在研究期间整体呈现不显著的波动上升趋势(/a)P C P在/之间,多年平均值为/,在 年呈显著的上升趋势(d/a);其中在 年之前,P C P波动比 年之后剧烈 P C D和P C P整体呈现不显著的正相关性,相关系数为 其中,在 、年成正相关关系,占所有年份的,其余年份呈现反相关关系晋南(图 c)P C D介于 ,多年平均值为 ,在 年间呈现不显著的上升趋势(/a),在 年之前和 年之后相对于其余时段波动更加剧烈 P C P在/之间,多年平均值为/,呈现不显著的上升趋势(d/a),观察趋势线发现反映出高()、低()、高()、低()、高()的阶段变化特征 P C D和P C P整体呈现不显著的负相关性,相关系数为 在 、年,P C D和P C P成正相关太 原 师 范 学 院 学 报(自然科学版)第 卷关系,占所有年份的,其余年份呈现反相关关系全省(图 d)P C D介于 ,多年平均值为 ,研究期间围绕平均值上下波动,没有明显的趋势 P C P介于/,年平均值为/,整体表现出显著的上升趋势(d/a)P C D和P C P在 、年呈正相关关系,占所有年份的 1$%1$%1$%1$%1$11$11$11$1UBUUCUUEU,UDU1$%Z&Y3&1$1ZY31$%ZY31$1ZY31$%ZY31$1ZY31$%ZY31$1ZY3图不同地区平均P C D和P C P的年变化表P C D和P C P的统计值P C DP C P最大最小平均最大最小平均P C D与P C P的相关系数晋北 /晋中 /晋南 /全省 /意味着相关系数通过了 的显著性检验在 年,晋北和全省P C D的极差在 左右,而晋中、南的P C D的极差相对较大,在 左右;极差越大,说明变化越剧烈;P C P与P C D反映出来的状况相同不同区域的年P C D平均值在 之间,表明汛期内降水量分布比较均匀;年平均P C P均在月中旬前后,由早到晚依次为晋北、晋中、全省、晋南,说明山西省最大雨季出现在此时期的可能性最大,且由北向南逐渐推迟,与图 b反映的结果相同从P C D和P C P之间的相关关系可以看出,在 年,两者有 以上的概率存在负相关关系,晋北甚至达到,即降水集中度越大的地区,降水集中期越早,图进一步印证了这一结论 山西省汛期P C D、P C P与地形的关系图显示了山西省年均P C D、P C P与海拔之间的关系,可以看出,两者与海拔之间的相关系数具有很大的年变化率,相关系数范围为:P C D在 ,P C P在 这些变化主要与不同地区不同年份的汛期降水特征有关有 的年份P C D整体与海拔呈正相关关系;有 的年份P C P与海拔呈现负相关即在大部分年份,海拔越高,降水集中度越高,最大日降水出现时间越提前第期孙晋,等:山西省汛期降水集中度及其与地形的关系,2331$%ZUY31$1ZUY3图山西省 年P C D、P C P与海拔的相关系数的年变化表不同地形条件下站点的P C D和P C P的平均统计值海拔/mP C DP C P坡向P C DP C P /南 /北 /南 /北 /南 /北 /南 /北 /南 /北 /表显示了分类高程组以及不同坡向的站点P C D和P C P的平均值单考虑海拔来看,P C D最大值()出现在 m与 m;最小值()出现在 m;P C P最大值(/)出现在 m,最小值(/)出现在 m;这表明,随着海拔的升高,降水集中度不断增加,日最大降水出现时期不断提前一般来说,海拔较高有助于增加降水量,因为地形可以改变大气水汽的传播方向,增加降雨量并减少降水蒸发同时考虑海拔和坡向可以看出,m以下,坡向朝南的P C D和P C P均小于坡向朝北的;而在 m以上则相反说明在 m以下,坡向朝南的降水集中度(日最大降水量出现时期)小于(早于)坡向朝北;m以上,坡向朝南的降水集中度(日最大降水量出现时期)大于(晚于)坡向朝北表不同高程组山西省站点 年P C D和P C P趋势的变化海拔/m站点数趋势P C D平均斜率P C P平均斜率 上升 下降 上升 下降 上升 下降 上升 下降 上升 下降 表总结了 年山西省站点P C D、P C P年变化趋势与海拔的统计关系从P C D来看,在所有高程组中,有 个站点整体呈上升趋势,个站点呈下降趋势,但平均斜率均无明显变化()从太 原 师 范 学 院 学 报(自然科学版)第 卷P C P来看,在所有的高程组中,呈上升趋势的站点均占大多数,且平均趋势大致都在 左右综上,P C D和P C P的年变化主要受当地的降水特征影响,受海拔的影响很小;但对于年内变化来说,海拔越高,降水集中度越高,最大日降水出现时间越提前;以 m为分界线,坡向朝南的P C P和P C P表现出不同的变化趋势 结论与讨论 结论本研究利用 年山西省 个气象站汛期(月日 月 日)逐日降水量,利用P C P和P C D描述降水集中度,并分析了与地形因子的关系,得出以下结论:)山西省汛期总降水量和极端降水量分别占全年降水的 和,在研究期间均呈现不显著的上升趋势,但不同地区呈现出不同的变化特征,且在空间上表现出纬度地带性和明显的地形特征)山西省汛期年均P C D在 之间,说明汛期内降水集中程度较低空间上呈现由南向北逐渐递增的纬向分布规律,说明越向北,汛期内降水发生相对越集中年均P C P处于/,表明最大日降水量主要出现在月中后旬,空间上表现出明显的地形特征)在 年,山西省年均P C D没有明显的变化趋势,年均P C P呈现显著的上升趋势(d/a)在占比 的年份,P C P与P C D呈现反相关关系,即降水集中度越大的地区,降水集中期越早)两者与海拔之间的相关系数具有很大的年变化率,相关系数范围为:P C D在 ,平均值为 ;P C P在 ,平均值为 在占比 左右的年份中,海拔越高,降水集中度越高,最大日降水出现时间越提前)m以下,坡向朝南的P C D和P C P均小于坡向朝北的;而在 m以上则相反说明在 m以下,坡向朝南的降水集中度(日最大降水量出现时期)小于(早于)坡向朝北;m以上,坡向朝南的降水集中度(日最大降水量出现时期)大于(晚于)坡向朝北 讨论山西省汛期总降水量和极端降水量整体与中国降水分布规律一致,但同时也受地形因素的影响自 世纪 年代后,两者均呈现不显著的上升趋势,但由于特殊的地域形状,晋南、中、北表现出不同的变化趋势另一方面,山西省汛期降水分布较为均匀,最大雨季主要集中在月 日之后,且河谷的最大雨季相较于其他地区较晚,这可能是由于地形对降水的阻挡作用由此可见,地形对降水变化的影响是复杂的因此,今后需要进一步开展工作,解决地形与降水变化趋势之间的相互关系的更详细评估参考文献:S CHO L ZG,QU I N T ONJN,S T R AU S SP S o i l e r o s i o n f r o ms u g a rb e e t i nC e n t r a lE u r o p e i nr e s p o n s e t oc l i m a t e c h a n g e i n d u c e ds e a s o n a l p r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o n sJ C a t e n a,():A B O L V E R D I J,F E R D O S I F A RG,KHA L I L ID,e ta l S p a t i a la n dt e m p o r a lc h a n g e so fp r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o ni nF a r sP r o v i n c e,s o u t h w e s t e r nI r a nJ M e t e o r o l o g ya n dA t m o s p h e r i cP h y s i c s,():李芬,张建新,张荣 年山西降水时空分布J中国沙漠,():袁瑞强,龙西亭,王鹏,等山西省降水量时空变化及预测J自然资源学报,():钞锦龙,胡 磊,雷添杰,等 年山西北部地区降水时空变化与旱涝趋势预测J河南大学学报(自然科学版),():袁瑞强,王亚楠,王鹏,等降水集中度的变化特征及影响因素分析 以山西为例J气候变化研究进展,():李兆奇,赵桂香,赵彩萍山西近 年极端降水特征分析J海洋气象学报,():Z HAN GY,X I AJ,S HEDX S p a t i o t e m p o r a lv a r i a t i o na n ds t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fe x t r e m ep r e c i p i t a t i o ni nt h em i d d l er e a c h e so f t h eY e l l o wR i v e rB a s i nd u r i n g J T h e o r e t i c a l a n dA p p l i e dC l i m a t o l o g y,():Z HE N G Y H,HEY H,C HE N X H S p a t i o t e m p o r a lp a t t e r no fp r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o na n di t sp o s s i b l ec a u s e s i nt h eP e a r lR i v e rB a s i n,C h i n aJ J o u r n a l o fC l e a n e rP r o d u c t i o n,:MA R T I NV I D EJ S p a t i a ld i s t r i b u t i o no fad a i l yp r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o ni n d e xi np e n i n s u l a rS p a i nJ I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fC l i m a t o l o g y,():Z HAN GLJ,Q I ANYF A n n u a l d i s t r i b u t i o n f e a t u r e s o f p r e c i p i t a t i o n i nc h i n a a n d t h e i r i n t e r a n n u a l v a r i a t i o n sJ J o u r n a l o f第期孙晋,等:山西省汛期降水集中度及其与地形的关系M e t e o r o l o g i c a lR e s e a r c h,():杨玮,何金海,王盘兴,等近 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,():刘宪锋,任志远,张 翀,等 年黄土高原地区年内降水集中度和集中期时空变化特征J地理科学进展,():杜顺义,王志伟,郭慕萍,等气候变暖对山西农业生产及粮食安全的影响J中国农业气象,(S):D AN GSZ,YA OMF,L I UXY,e t a l V a r i a t i o n s a n ds t a t i s t i c a l p r o b a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s o f e x t r e m ep r e c i p i t a t i o n i nt h e H e k o u z h e n L o n g m e nr e g i o no f t h eY e l l o wR i v e r,C h i n aJ A s i a P a c i 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de x t r e m ep r e c i p i t a t i o nd u r i n g t h e f l o o ds e a s o nb a s e do n t h ed a i l yp r e c i p i t a t i o nd u r i n gt h e f l o o ds e a s o n(M a y O c t o b e r )a t m e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n s i nS h a n x i P r o v i n c e f r o m t o S e c o n d l y,p r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o nd e g r e e(P C D)a n dp r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o np e r i o d(P C P)w e r eu s e dt od e s c r i b et h ec o n c e n t r a t i o no fp r e c i p i t a t i o nd u r i n gt h ef l o o ds e a s o n F i n a l l y,t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e nP C P,P C Pa n dt o p o g r a p h i cf a c t o r sa r ec a l c u l a t e dt oi d e n t i f yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e m T h e c o n c l u s i o n s a r e a s f o l l o w s:T h e a n n u a l a v e r a g e t o t a l p r e c i p i t a t i o na n da n n u a l a v e r a g e e x t r e m ep r e c i p i t a t i o n i nS h a n x i P r o v i n c ed u r i n g t h e f l o o ds e a s o ns h o wan o n s i g n i f i c a n tu p w a r d t r e n d f r o m t o ,s p a t i a l l ys h o w i n go b v i o u s l a t i t u d i n a l z o n a l i t ya n dt o p o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c s T h ea n n u a l a v e r a g eP C Di sb e t w e e n ,i n d i c a t i n ga l o wc o n c e n t r a t i o no fp r e c i p i t a t i o nd u r i n gt h ef l o o ds e a s o n S p a t i a l l y,i ts h o w st h el a t i t u d i n a ld i s t r i b u t i o np a t t e r no f g r a d u a l l y i n c r e a s i n g f r o ms o u t h t on o r t h T h e a n n u a l a v e r a g eP C P i s i n/,i n d i c a t i n gt h a t t h em a x i m u md a i l yp r e c i p i t a t i o nm a i n l yo c c u r si nt h em i d d l ea n dl a t eJ u l y,s p a t i a l l ys h o w i n go b v i o u s t o p o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c s I nt h ey e a r s a c c o u n t i n g f o r o f t h e s t u d yp e r i o d,P C Pa n dP C Ds h o wa n i n v e r s e c o r r e l a t i o n,i e,t h eg r e a t e r t h ep r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o n,t h ee a r l i e r t h ep r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o np e r i o d I n o f t h ey e a r s,t h eh i g h e r t h ee l e v a t i o n,t h eh i g h e r t h ep r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o n,a n dt h ee a r l i e rt h em a x i m u md a i l yp r e c i p i t a t i o n B e l o w m,b o t hP C Da n dP C Po f s o u t h f a c i n gs l o p e sa r es m a l l e r t h a nt h o s eo fn o r t h f a c i n gs l o p e s,w h i l e t h eo p p o s i t e i s t r u ea b o v e mK e yw o r d s f l o o dp r e c i p i t a t i o n;P C D;P C P;t o p o g r a p h y太 原 师 范 学 院 学 报(自然科学版)第 卷