2. 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,乌鲁木齐 830002;
3. 浙江省气象科学研究所,杭州 310008
2. Institute of Desert Meteorology, China Meteorology Administration, Urumqi 830002;
3. Zhejiang Institute of Meteorological Sciences, Hangzhou 310008
政府间气候变化专门委员会(IPCC)第3次评估报告指出,极端天气事件是指某一地点或地区从统计分布的观点看不常或极少发生的天气事件,如用累积分布函数表示,一般认为其发生概率是等于或小于第10(或大于第90)百分位数[1],其中极端降水事件是高风险小概率事件。近年来随着城市化迅猛发展及全球气候持续变暖,城市极端降水事件发生频繁、影响严重。如2007年7月18日济南特大暴雨,市区1 h、2 h、3 h最大降水量分别达151 mm、167.5 mm、180 mm,均创历史纪录,造成30多人死亡,170多人受伤,约33万群众受灾;2012年北京“7.21”特大暴雨,是北京及其周边地区61 a来遭遇的最强暴雨,造成160.2万人受灾,经济损失116.4亿元;2016年7月初武汉大暴雨,创武汉有气象记录以来周持续性降水量最大值,造成严重城市内涝,全市交通瘫痪。事实表明,城市化发展程度越高,极端降水直接灾害造成城市的次生灾害就越严重,极端降水已经严重威胁着城市的安全运行。因此,加强对极端降水的研究和认知越来越迫切。研究表明,近50 a来我国多数地区极端降水量在总降水量中的比重有所增加,极端降水强度增强[2];极端降水的区域性和局地性明显[3];部分城市极端降水强度的空间分布特征与极端降水的阈值相似[4];城市化一般有使局地降水增加的效应,特别是城市下风区,被称为“雨岛效应” [5];我国北方尤其是在华北南部,大城市极端降水强度和频数增加的趋势比周围大[6]。以上研究成果丰富和提高了人们对极端降水的变化特征及其与城市化关系的认识,为进一步开展相关研究提供了较好基础。湖北是我国目前城市化发展较快的地区之一,而以往针对湖北极端降水的研究,多是侧重于天气个例的机理分析[7-8]、新型探测数据的应用[9]和灾害评估[10]等方面,而利用长时间序列的站点逐日降水资料,使用合理的极端降水阈值和城市化指标,来探讨湖北极端降水的变化特征及其与城市化关系的研究尚未见报道。本文利用湖北1961—2014年站点逐日降水资料及人口和人口城乡构成数据,利用国际上在气候极值变化研究中常见的百分位方法定义站点极端降水阈值,分析近54 a来湖北极端降水的变化特征,并对比城市化发展不同阶段、城市化发展较快和较慢的城市代表站之间极端降水的特征和差异,探讨城市化对极端降水变化的可能影响,以期为应对城市极端降水事件及其所产生的灾害提供一定科学借鉴。
1 资料与方法 1.1 资料说明使用的资料包括湖北1961—2014年70个站点(由湖北84个站点资料经质量控制得到)逐日20—20时(北京时,下同)降水资料,来源于国家气象信息中心;湖北1961—2014年总人口和人口城乡构成数据(部分年份数据缺少,则使用最临近的两个年份数据线性插值得到),来源于湖北省统计局。
1.2 研究方法 1.2.1 极端降水阈值和极端降水指数的定义湖北地区地形复杂,山地、丘陵、岗地和平原兼备,气候的地域差异明显,仅用绝对阈值定义日极端降水事件,在各个市(县)之间缺乏可比性。因此,本文采用将某个百分位值作为极端值的阈值检验方法[11],定义了基于日降水量的站点极端降水指数,包括极端降水日(记为Dep)、极端降水量(记为Pep)和极端降水强度(记为Iep)。具体方法为,对于每个站点,利用1961—2014年日降水量大于0.1 mm的按升序排列的第95个百分位的降水量值作为该站极端降水阈值,某日降水量若超过该阈值,则认为该日出现了极端降水事件。年Dep则为一年中日降水量超过极端降水阈值的日数,年Pep为一年中日降水量超过极端降水阈值的降水量累加,年Iep为年Pep与年Dep的比值。另外,采用Frith等[12]提出的一种基于过程降水的极端降水指数来描述年内极端降水事件的强度,即最大连续5 d降水(记为R5 d),定义为一年中连续5 d降水量之和的最大值。雨量比定义为极端降水量占总降水量的比例。极端降水频数定义为发生极端降水事件的站日数。所有极端降水指数记为R。
极端降水阈值具体算法[13]为,若某个气象要素有n个值,将这n个值按升序排列,某个值小于x1,x2,… xm,… xn或等于xm的概率为:
$ P = \left( {m - 0.31} \right)/n + 0.38 $ | (1) |
式(1)中,m为xm的序号,第95个百分位值是指P = 95%所对应的xm值。本文中,若求得m不是整数,则xm为m前后两个要素值的线性插值。
1.2.2 城市化发展不同阶段的划分和代表站选取城市化是指人口不断向城市聚集,城市数量和规模不断膨胀的现象[14]。人口的快速增长与城市化的快速发展相伴,故城市化最直接的测度是人口和人口城市化率(城镇人口占总人口的比例)。本文使用人口城市化率作为反映城市化发展速度的指标,来划分湖北城市化发展的不同阶段。另外,在湖北5个分区中分别选取总人口较多的武汉、黄冈、襄樊、宜昌、麻城5个大城市站点作为城市化发展较快的代表站,选取与上述大城市站点匹配的总人口较少的蔡甸、嘉鱼、保康、兴山、安陆5个小城市站点作为城市化发展较慢的代表站,用以探讨在相同气候背景下,城市化发展速度不同的城市极端降水的差异。
1.2.3 分析方法降水资料中至少包含两种尺度的气候变化,即大尺度的年际变化(或年代际振荡)和中小尺度的局地变化[15]。本文采用平均值方法[15-16]来分离大尺度气候背景和局地变化,即用湖北70个站点1961—2014年54 a的极端降水指数资料(记为Rij),对站点数作平均,得到湖北区域平均极端降水指数序列(记为Rj),用以代表湖北地区大尺度极端降水变化;将极端降水指数资料Rij,对年数求平均,得到站点局地多年平均极端降水指数(记为Ri),用以分析不同时段极端降水的空间特征。Rj的多年平均记为Rm,则局地极端降水指数的距平百分比[15]可定义为:
$ D{R_{ij}} =({R_{ij}} - {R_j})/{R_m} $ | (2) |
式(2)中,i为站点数,j为年数。
使用最小二乘法[17]求气象要素趋势变化的一元线性方程,同时为研究气象要素的线性倾向趋势和变化幅度,计算了气象要素与时间之间的相关系数r(称为趋势系数) [17]和气候倾向率[17-18]。另外,采用M-K检验方法[16]和累积距平法[19],判断城市化发展和极端降水指数序列的突变情况。
2 湖北城市化发展概况图 1a为1961—2014年湖北总人口、城镇人口和人口城市化率的年变化,从中可见,三者整体呈增长趋势,近54 a来总人口从3 283.48百万增至5 816.00百万、城镇人口从448.38百万增至3 237.80百万,人口城市化率从13.66%增至55.67%,城市化速度较快。对人口城市化率进行M-K检验(图 1b,取0.01显著性水平)可知,UF线和BF线在1994年、1995年、1996年有交点,但均在临界值之外,参照文献[20]可知,当UF线超过临界值,而UF线和BF线的交点位于临界区间之外时,既不能冒然地认定它是突变点也不能立即说它不是,应配合其它方法进行检验。结合累计距平法(图 1b)检验可知,人口城市化率的累计距平在1991—1994年达到最低值,开始出现转折,故可以判断湖北城市化发展的突变或转折点出现在1991—1996年期间。另外,由1961—1990年和1997—2014年人口城市化率的线性趋势(图 1a)可知,后一个时期的变化趋势(趋势系数为1.2)约为前一时期(趋势系数为0.5)的2.4倍。基于此,本文将湖北城市化发展划分为1961—1990年和1997—2014年两个阶段,并分别称之为城市化发展的缓慢期和快速期,以此来讨论城市化发展不同阶段极端降水的变化特征。
图 2为1961—2014年湖北极端降水阈值的空间分布,从中可见,各站点由于所处的下垫面环境不同,极端降水阈值的差异明显。对于第95百分位的极端降水事件,湖北极端降水阈值范围为43.5~85.1 mm,最高阈值出现在武汉站(红五角星),最低阈值出现在竹山站和房县站(蓝五角星),除鄂西北的竹溪、郧西、竹山、房县、老河口、保康6站外,其他站的阈值均在暴雨雨量范围。高阈值区位于江汉平原和鄂东,低阈值区位于鄂西北。另外,极端降水阈值的分布和地形有一定关系,鄂西高海拔站点(除鹤峰、恩施、咸丰站外)的阈值普遍低于平原地区,这与郑祚芳等[16]得出的北京极端降水阈值的空间分布与地形的关系一致,其中原因有待进一步研究。
从1961—2014年湖北多年平均R的空间分布(图略)可知,湖北大部分站点多年平均Dep、Pep、Iep、R5 d和雨量比分别在1.9 d、150 mm、60 mm·d-1、140 mm、14%以上,且五者的空间分布与极端降水阈值不完全对应。多年平均Dep、Pep的空间分布较为相似,均存在三个大值区和一个小值区,且极值中心的位置相近,三个大值区分别位于鄂西南南部以及鄂东南东部和南部,小值区位于鄂西北北部;多年平均Iep、R5 d的地域差异不如Dep、Pep明显,二者位于鄂西南南部和鄂东南南部的大值区与Dep、Pep对应较好,而另外一个大值区位于鄂东北东部,位于鄂西北北部的小值区偏西南;雨量比的大值区位于鄂西北和鄂东北的交界处,小值区位于鄂西北。多年平均Dep、Pep、Iep、R5 d和雨量比的最大值分别位于宣恩(3.0 d)、建始(266.9 mm)、鹤锋(98.5 mm·d-1)、鹤锋(213.2 mm)、枣阳(22.1%);最小值分别位于郧县(0.86 d)、郧县(79.5 mm)、竹山(43.7 mm· d-1)、竹山(96.3 mm)、通山(9.7%)。
综上可知,近54 a来湖北多年平均R存在明显的区域特征,Iep、R5 d的地域差异不如Dep、Pep明显。鄂西南南部以及鄂东南东部和南部是极端降水事件的高发区,且Pep相对较大,鄂西南南部、鄂东南南部和鄂东北东部Iep、R5 d相对较大;鄂西北北部是极端降水事件的低发区,Pep、Iep、R5 d相对较小。
3.2 极端降水的大尺度时间变化图 3为1961—2014年湖北区域平均极端降水指数R的年变化和线性趋势,从中可见,R存在明显的年际差异,而长期变化趋势不显著。Pep、Iep和雨量比呈弱增加趋势,趋势系数分别为0.030 5、0.005 6、0.021 7;R5 d和极端降水频数呈弱减少趋势,趋势系数分别为-0.175 6、-0.000 4,这与湖北年降水量的减少趋势较一致(图略),表明湖北极端降水的大尺度变化在一定程度上受区域气候背景的影响。Pep、Iep、R5 d和雨量比的最大值均出现在1969年,值分别为345.2 mm、97.3 mm·d-1、231.0 mm、24.6%;最小值均出现在2014年,值分别为23.1 mm、20.9 mm·d-1、86.7 mm、4.2%。极端降水频数最大值出现在1983年(3.6站·日),最小值出现在2014年(0.3站·日)。经查对可知,一些典型的水涝年份如1991、1998等,R偏大或偏强;而一些典型的干旱年份如1978年,R偏小或偏弱,说明R基本能反映极端降水的强弱,具有一定的学术研究和实际应用价值。
下面选用Dep、Pep、Iep、R5 d 4个极端降水指数,讨论在城市化发展不同阶段极端降水的空间分布特征和差异。
4.1.1 极端降水指数的空间分布特征图 4为1961—2014年湖北城市化缓慢期和快速期多年平均的Dep、Pep、Iep、R5 d的空间分布,从中可见,四者在城市化缓慢期(图 4a-d)和快速期(图 4e-h)的空间分布差异较大。缓慢期Dep(图 4a)的三个大值区分别位于鄂西南以及鄂东南东部和南部,两个小值区分别位于鄂西北北部和江汉平原,最大值位于宣恩(3.5 d),最小值位于京山(1.0 d);快速期Dep(图 4e)的两个大值区分别位于鄂东南东部以及鄂西北和鄂东北的交界处,两个小值区分别位于鄂西北北部和鄂东北东部,最大值位于黄梅(3.1 d),最小值位于郧县(0.9 d)。两个阶段Pep(图 4b、f)整体上均表现有三个大值区和一个小值区,但极值区的位置、范围和中心值差异较大。缓慢期Pep(图 4b)的最强大值区位于鄂西南,最大值位于宣恩(287.9 mm);快速期Pep(图 4f)的最强大值区位于鄂东南东部,最大值位于黄梅(267.3 mm),且位于江汉平原和鄂东交界处的大值区范围较缓慢期大很多。另外,两个阶段Pep的小值区均位于鄂西北,最小值均位于郧县(分别为87.6 mm、70.1 mm),但快速期Pep(图 4f)的小值区范围更广、中心值更小。两个阶段Iep(图 4c、g)整体上均表现为两个大值区分别位于鄂西南以及江汉平原和鄂东,小值区位于鄂西北,但快速期Iep(图 4g)位于江汉平原和鄂东的大值区范围更大,中心值更大。两个阶段Iep(图 4c、g)最大值分别位于鹤峰(110.9 mm·d-1)、武汉(102.0 mm·d-1),最小值均位于竹山(分别为47.5 mm·d-1、38.2 mm·d-1)。快速期R5 d(图 4h)位于鄂西南的大值区较缓慢期(图 4d)范围更小,而位于江汉平原和鄂东的大值区范围更大,但中心值均变小。两个阶段R5 d(图 4d、h)最大值分别位于鹤峰(220.2 mm)、江夏(212.4 mm),最小值分别位于竹山(98.2 mm)、郧县(92.9 mm)。
综上可知,城市化发展速度会改变极端降水指数的空间分布,随着城市化发展速度的加快,湖北Dep、Pep、R5 d、Iep从南北差异明显变为东西差异明显,城市化快速期位于江汉平原和鄂东的Dep、Pep、R5 d、Iep大值区范围更大,位于鄂东南东部的Dep、Pep和位于江汉平原的Iep中心值更大,而位于鄂西南的Dep、Pep、Iep、R5d大值区范围和中心值均更小。
4.1.2 极端降水指数的局地变化特征图 5为1961—2014年湖北城市化缓慢期和快速期多年平均的Dep、Pep、Iep、R5 d的距平百分比(DRij),从中可见,四者距平百分比的空间分布特征,与相应阶段的Dep、Pep、Iep、R5 d的空间分布特征(图 4)相似,极值站点也一样。缓慢期(图 5a-d) Dep、Pep、Iep、R5 d的最强正距平区均位于鄂西南;快速期Dep、Pep(图 5e-f)的最强正距平区位于鄂东,Iep、R5 d(图 5g-h)的最强正距平区位于江汉平原和鄂东,且四者的最强正距平中心均减弱。两个阶段四者的最强负距平区均位于鄂西北(除快速期Dep外),而快速期(图 5e-h)最强负距平中心均增强。与缓慢期相比,快速期(图 5e-h)位于江汉平原和鄂东的Dep、Pep、Iep、R5 d正距平范围更大,位于鄂东南东部的Dep、Pep和位于江汉平原的Iep正距平中心值更大,而位于鄂西南的Dep、Pep、Iep、R5 d正距平范围和中心值均更小。另外,两个阶段Dep、Pep、Iep、R5 d的正、负距平站点数差别不大,基本各占一半。
综上可知,随着城市化发展速度的加快,湖北DRij的空间分布与R一样,从南北差异明显变为东西差异明显,城市“雨岛效应”格局发生了变化。究其原因,可能是由于江汉平原和鄂东的城市化进程相对其他区域尤其是鄂西南较快,当城市发展到一定规模后,不同城市化进程的城市之间下垫面和其他物理属性的差异增大,城市的热岛效应、阻碍效应和凝结核效应[21-22],使极端降水的分布发生变化。
4.1.3 极端降水指数的变化趋势图 6为1961—2014年湖北城市化缓慢期和快速期Dep、Pep、Iep、R5 d的趋势系数空间分布,从中可见,两个阶段四者的趋势系数空间分布差异较大,快速期(图 6e-h)趋势系数通过显著性水平检验的站点数较缓慢期(图 6a-d)更多,即变化趋势更明显,但缓慢期大部分站点为正趋势,快速期大部分站点为负趋势。缓慢期Dep(图 6a),70个站点中有54个站点为正趋势,其中保康(0.52)、(谷城0.42)和竹山(0.38)的趋势系数超过0.36(30 a样本0.05信度的相关系数为0.36),通过0.05的显著性水平检验,最强正趋势区位于鄂西北;其他16个站点为负趋势,均未通过0.05的显著性水平检验,最强负趋势区位于鄂东北和江汉平原,中心位于广水(-0.25)。快速期Dep(图 6e)有9个站点为正趋势,但均未通过0.05的显著性水平检验(18 a样本0.05信度的相关系数为0.47),最强正趋势区位于鄂东北,中心位于麻城(0.13);其他61个站点为负趋势,其中有16个站通过0.05的显著性水平检验,最强负趋势区位于江汉平原,中心位于荆州(-0.69)。缓慢期Pep(图 6b)有47个站点为正趋势,其中保康(0.44)和谷城(0.38)正趋势系数通过0.05的显著性水平检验,最强正趋势区位于在鄂西北;其他23个站点为负趋势,均未通过0.05的显著性水平检验,最强负趋势区位于鄂东北和江汉平原,中心位于随州(-0.27)。快速期Pep(图 6f)有9个站点为正趋势,但均未通过0.05的显著性水平检验,最强正趋势区位于鄂西北,中心位于保康(0.14);其他61个站点为负趋势,其中有15个站点通过0.05的显著性水平检验,最强负趋势区位于江汉平原,中心位于荆州(-0.62)。缓慢期Iep(图 6c)有50个站点为正趋势,20个站点为负趋势,仅红安站趋势系数(0.48)通过0.05的显著性水平检验,最强正、负趋势区均位于鄂东北,负趋势中心位于随州(-0.37)。快速期Iep(图 6g)有9个站点为正趋势,但均未通过0.05的显著性水平检验,最强正趋势区位于鄂西北和鄂西南的交界处,中心位于保康(0.21);其他61个站点为负趋势,其中有7个站点通过0.05的显著性水平检验,最强负趋势区位于鄂东北,中心位于安陆(-0.65)。缓慢期R5 d(图 6d)有25个站点为正趋势,45个站点为负趋势,均未通过0.05的显著性水平检验,最强正、负趋势区分别位于在鄂东北、鄂西南,中心分别位于新洲(0.21)、恩施(-0.38)。快速期R5 d(图 6h)有15个站点为正趋势,但均未通过0.05的显著性水平检验,最强正趋势区位于鄂东北,中心位于黄陂(0.21);其他55个站点为负趋势,其中有4个站点通过0.05的显著性水平检验,最强负趋势区位于鄂西南,中心位于来凤(-0.61)。
从湖北城市化缓慢期和快速期Dep、Pep、Iep、R5 d的气候倾向率空间分布(图略)分析可知,快速期四者的气候倾向率绝对值普遍较缓慢期大,但缓慢期大部分站点为正值,快速期大部分站点为负值,且快速期最强正中心变弱(除R5 d外),最强负中心变强。究其原因,可能是由于极端降水受到区域气候背景的影响而在快速期呈减少趋势。
4.2 城市化发展速度不同的代表站极端降水的变化特征表 1给出1961—2014年湖北城市化发展速度不同的配对代表站极端降水的阈值、多年平均R及其趋势系数,从中可见,在相同气候背景下,城市化发展速度较快的大城市代表站的极端降水阈值大于配对的小城市代表站。大城市代表站(除宜昌外)的Dep、Pep小于配对的小城市代表站,而Iep(除武汉、麻城外)、R5 d(除黄冈外)大于配对的小城市代表站,即大城市代表站极端降水的强度普遍较大。大城市代表站(除宜昌外)的Dep、Pep、Iep趋势系数绝对值大于或等于配对的小城市代表站,而R5 d(除宜昌外)的趋势系数绝对值小于或等于配对的小城市代表站,即大城市代表站的Dep、Pep、Iep的变化趋势较明显。
图 7为1961—2014年湖北大、小城市代表站平均的Dep、Pep、Iep、R5 d的年变化和线性趋势,从中可见,两种代表站Dep、Pep、Iep、R5 d的年际变化较一致,但大城市代表站的线性趋势均大于小城市代表站,且均为正值,线性趋势分别为0.003 1、0.375 3、0.456 4、0.208 2,其中Iep的线性趋势最大,表明大城市代表站极端降水的变化趋势更明显。大城市代表站平均Dep在大多数年份小于小城市代表站,而Pep、Iep、R5 d在大多数年份大于小城市代表站。综上可知,湖北极端降水具有明显的城市效应。
利用湖北1961—2014年站点逐日降水资料及人口和人口城乡构成数据,分析了近54 a湖北极端降水的变化特征及其与城市化的关系,得出以下结论:
(1) 对于第95百分位的极端降水事件,湖北极端降水阈值范围为43.5~85.1 mm,大部分站点的极端降水阈值在暴雨雨量范围;高阈值区位于江汉平原和鄂东,低阈值区位于鄂西北,最高阈值出现在武汉站,最低阈值出现在竹山站和房县站;且阈值的分布和地形有一定关系,鄂西高海拔站点的阈值普遍低于平原地区。
(2) 近54 a来湖北多年平均Dep、Pep、Iep、R5 d和雨量比均存在明显的区域特征,Iep、R5 d的地域差异不如Dep、Pep明显。鄂西南南部以及鄂东南东部和南部是极端降水事件的高发区,鄂西北北部是极端降水事件的低发区。
(3) 湖北极端降水指数R基本能反映极端降水的强弱,其大尺度存在明显的年际差异,而长期变化趋势不显著,Pep、Iep和雨量比呈弱增加趋势,R5 d和极端降水频数呈弱减少趋势。
(4) 城市化的发展速度会改变R及其局地距平百分比DRij、趋势系数和气候倾向率的空间分布。随着城市化发展速度的加快,城市“雨岛效应”格局发生了变化,Dep、Pep、Iep、R5 d及其DRij从南北差异明显变为东西差异明显,城市化快速期江汉平原和鄂东的Dep、Pep、Iep、R5 d增加,鄂西南的减少,且四者趋势系数通过显著性水平检验的站点数更多,气候倾向率绝对值也普遍增大,但大部分站点的变化趋势为负值。
(5) 湖北极端降水具有明显的城市效应,城市化发展速度较快的大城市代表站的极端降水阈值大于配对的小城市代表站,两种代表站Dep、Pep、Iep、R5 d的年际变化较一致,但大城市代表站的Iep、R5 d普遍较大,极端降水的变化趋势更明显。
本文分析了近54 a湖北极端降水的变化特征,并对比城市化发展不同阶段、城市化发展较快和较慢的城市代表站之间极端降水的特征和差异,所得结论或与其他区域的研究结论有所不同,其主要原因是由于所选取的研究时段、区域和阈值范围等不同。另外,因为城市化对极端降水变化的影响极其复杂,对于城市化发展不同阶段极端降水变化的原因,以及城市化影响极端降水的方式等科学问题,有待进一步分析天气气候背景、地形作用和城市热岛效应、阻碍效应和凝结核效应等得到一些合理解释。
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