近60 a广汉降水变化特征及其经济影响初步分析.pdf
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1、文章编号:1674 2184(2023)02 0143 08近 60 a 广汉降水变化特征及其经济影响初步分析廖丞蕊1,2,陈永仁3,肖天贵1,坚参扎西4*(1.成都信息工程大学/云南自然灾害防御技术研发中心,成都610225;2.四川省广汉市气象局,广汉618300;3.四川省气象灾害防御技术中心,成都610072;4.西藏自治区气象台,拉萨850000)摘要:选取近 60 a 广汉地区逐日降水资料,结合当地经济数据,应用一元线性回归、累积距平、Mann-Kendall 突变检验、Mor-let 小波分析等方法,分析了该区域年、季降水趋势及多时间尺度下降水时间序列的周期变化。并引入经济模型研
2、究县域经济产出对天气变化的反应。结果表明:近 60 a 广汉地区年降水量近似呈正态分布且总体表现为减少趋势,气候倾向率为22.5 mm/10a,四季降水量总体均呈减少趋势。在较大时间尺度下,广汉地区呈现“多雨少雨多雨”的交替变化,并且近两年降雨呈集中分布,夏涝和冬旱发生频率增多。另外,年降水量突变不显著,存在 3 个明显的主周期,分别为 6 a、12 a 和 28 a。在这种降水气候背景下,降水量变化会显著影响广汉地区经济总产出,相关程度排序为:第三产业第一产业第二产业。日降水量介于 020 mm 的低强度降水天气的减少会导致当年地区经济出现下滑,而日降水量50 mm 的极端降水天气并不会对当
3、年地区经济造成显著影响。关键词:降水量;突变分析;经济趋势分析;多时间尺度;广汉地区中图分类号:P467文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2184.2023.02.019 引言引言全球气候变暖作为人类社会共同面临的环境问题已经越发受到关注,极端天气事件和自然灾害的频发,对于区域经济要素可造成显著的影响12。极端天气不仅会显著降低农作物产量的阈值,而且与人们的工作效率有关,可对经济系统造成显著的负面影响。不难看出,农业部门和非农部门都对天气因子表现出显著的反应3。降水作为主要气候要素之一,是造成洪涝等自然灾害的首要因素,一个地区降水的增多或减少影响着当地的旱涝情况45
4、。随着全球气温升高,大气中水汽增多、水循环加快,促进了极端降水事件的增加。特别是对处于青藏高原下坡方的地区,高原的热力和动力作用常对其降水量有较大影响67。在此背景下,开展特定地区的降水变化趋势研究,有助于理解当地降水变化的特征和机制,对提高生产管理水平和防灾减灾能力具有重要意义89。广汉地区(图 1)位于青藏高原下坡方的成都平原腹心,属亚热带季风气候区,四季分明,境内有湔江(鸭子河)、绵远河、石亭江、青白江四条主要水系,地表水资源较为丰富。随着全球气温的不断升高,广汉地区干旱和洪涝气象灾害频发,给当地农业生产和人们生活造成严重影响。如 2018 年“7.11”特大暴雨广汉站点日降雨量 321
5、.9 mm,突破建站以来的历史极值;2019 年冬季广汉地区连续 89 d 降雨量仅 3.4 mm,出现特重冬干灾害;2020 年“8.158.17”广汉地区出现连续 3 d 的大暴雨天气,累计降雨量达 313.1 mm,同年冬季出现特重冬干灾害。为此,本文以广汉地区为研究对象,选用 19612020 年国家气象观测站日降水数据,对广汉地区降水变化特征进行多时间尺度分析,并引入经济模型分析县域经济产出的天气效应,以期为合理制定气象防灾减灾和经济生产调整措施提供科学参考。1 1 资料与方法资料与方法 1.1 数据来源由于广汉地区气象加密站的观测时间序列较短,故选用 1959 年建站的广汉国家气象
6、观测站逐日降水数据,时段为 19612020 年。为了分析不同季节降水变化特征,按照气候学定义进行季节划分,春季为35 月,夏季为 68 月,秋季为 911 月,冬季为 12 月次年 2 月。根据逐日降水量数据计算得到四季和逐年降水数据,对近 60 a 广汉地区降水变化进行多时间 收稿日期:2022 08 17资助项目:云南省重点研发计划项目(202203AC100005,202203AC100006);德阳市气象局 2022 年度业务技术研发项目(22-04)作者简介:廖丞蕊,工程师,主要从事天气预报及气象服务工作。E-mail:通讯作者:坚参扎西,工程师,主要从事大气科学研究。E-mail
7、: 第 43 卷 第 2 期高原山地气象研究Vol.43 No.22023 年 6 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchJun.2023尺度分析。研究选用的社会经济数据来自四川统计年鉴(http:/ 20052020 年。该数据库涵盖了四川省县级层面(包含县级市但不包括地级市内的区)的土地资源及基本情况、国民经济核算、人口、就业、工资与收入、投资、金融、财政、农业、国内贸易、电信、工业、教育、卫生及社会福利等一系列统计指标。1.2 研究方法 1.2.1 降水趋势分析方法运用一元线性回归方程对年降水量和四季降水量进行拟合分析变化趋势10,通过累积距
8、平折线图直观判断近 60 a 广汉地区降水的气候变化趋势11。基于 Matlab 软件,采用 Mann-Kendall 突变检验和 Mor-let 小波分析方法分别对广汉地区年降水量进行突变检验和周期分析。Mann-Kendall 法以气候序列平稳为前提,并且序列是随机独立的,不受少数异常值的干扰,已被广泛应用于时间序列的突变检验1213。小波分析在时域和频域上具有良好的局部性质,能够分析降水时间序列周期变化的局部特征以及周期随时间变化特征,不仅能够体现气候序列变化的尺度,还可以给出变化的时间位置12,揭示时间序列的多尺度变化特征14,从而估计未来的变化趋势1516。1.2.2 经济趋势分析方
9、法考虑到日值经济数据难以获取,本研究基于区间回归(Bin Regression)法建立了日度天气变化与年度变量间的非线性关系17,具体公式如下:log(Yt)=wTXt+t(1)YttwXt式中:t 为对应的年份;表示因变量,本文中为地区生产总值、粮食面积亩产等;为该地区的固定效应,包括时间固定效应、地理固定效应以及随机偏差值。和分别为对应变量的回归系数和自变量的向量组,其具体形式为:w=123N(2)Xt=log(Yt1)P1tP2tP3tPNt(3)log(Yt1)PNtP1tP2tP12t1212式中:为因变量的滞后期,表示自相关系数,解释变量表示在第 t 年广汉地区的日平均降水落在第
10、N 个温度区间的天数。本文设置 12 个(N=12)跨度为5 mm 的降水区间:定义第1 个降水区间为0 mm,表示第 t 年零降水的天数;定义第 2 个降水区间为(0,5 mm,表示第 t 年日降水量在(0,5 mm 的天数;以此类推,定义第 12 个降水区间为 50 mm,+),表示第 t 年日降水量超过 50 mm 的天数。对应的、为回归系数,用以描述年度总产出对日降雨量变化的反应程度,即日降雨量落在第 N 个降雨区间的天数每增加一天,年度总产出将变化多少。为了避免使用最小二乘法进行参数估计的不一致性,本文引入随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent)算法进行
11、参数回归18。该方法能保证每一次更新权值都能降低损失函数,逼近全局最优解,目前已经广泛应用于神经网络中,也是主流的网络参数估计方法。研究设置梯度下降步长(学习速率)为 0.000001,学习率衰减值为学习速率的十分之一。同时,设置了较高的迭代次数(2000000)以满足合适的学习目标(相关 104053110N3105310030551041010415104201042510430E河流海拔(m)高:742低:352036 km图例N 图 1 广汉地区地势河流分布与广汉国家气象观测站位置144高原山地气象研究第 43 卷系数0.99)。2 2 降水趋势分析降水趋势分析 2.1 年际变化特征图
12、 2 给出了近 60 a 广汉地区年降水量变化特征。如图所示,近 60 a 广汉地区年均降水量为 824.2 mm,降水年际波动较大;2018 年降水量达到峰值,为1409.8 mm;降水量谷值出现在 1977 年,仅有 500.4 mm;年降水量呈下降趋势,气候倾向率为22.5 mm/10 a,但未通过95%水平的显著性检验,减少趋势不显著。采用累积距平法分析广汉地区降水阶段性变化特征可知:19611990 年,降水量累积距平曲线呈波动趋势且持续维持在正距平状态,表明广汉地区处于多雨期;19902017 年,曲线呈波动式下降,广汉地区多为少雨;20172020 年曲线呈上升趋势,广汉地区处于
13、多雨期。可见,19612020 年广汉地区大致经历了“多雨少雨多雨”的阶段性变化。2.2 年内变化特征图 3 给出了多年平均的广汉地区不同季节和月份降水量分布。如图所示,季节降水表现出明显的差异性;降水主要集中在夏季(峰值为 7 月),占全年降水量的 60.7%;其次是秋季和春季,分别占全年降水量的 21.2%和 15.5%;冬季降水最少,仅占全年的 2.5%。另外,月平均降水量呈明显的近正态分布,主要集中在 69 月,这些月份降水的离散程度更高,说明具有较高的不稳定性,因此在进行区域气象服务时应适当调整汛期服务时间。总的来说,广汉地区降水在年内分布较为集中,具体表现为“春冬枯、夏秋丰”的分布
14、特征。从 19612020 年广汉地区四季降水量变化趋势(图 4)看,广汉地区四季降水量变化均呈减少趋势,夏季降水量减少趋势最为明显,秋季次之,春冬两季最弱。广汉地区春季降水量多年平均为 128.1 mm,以1.6 mm/10 a 的速度减少(图 4a);19611986 年春季降水表现出较大的振荡幅度,之后的 11 a 间振荡幅度较弱且累积距平也出现了明显的下降,21 世纪初以来降水量振荡幅度再次增大。总体上,近 60 a 广汉地区春季降水经历了“多雨少雨多雨”的变化阶段。广汉地区夏季降水量多年平均为 500.6 mm,较其他季节有明显增加,但降水量下降趋势更加明显,气候倾向率为13.1 m
15、m/10 a(图 4b)。由于汛期为主要降水时段,夏季降水量的累积距平曲线分布同年降水量基本相似。1996 年以前夏季降水波动非常剧烈,峰值高达600 mm;1997 年达到了历史谷值,仅有236.2 mm;负平衡状态一直持续到了 2017 年,降水量累积距平持续下降;自 2018 年开始急转为剧烈振荡,使得累积距平由负平衡状态转为正平衡状态,这与近年夏季频发特大暴雨有关。广汉地区位于川西平原中心偏北,龙泉驿山脉和西部川西高原之间,常年受来自海上的西南季风和来自东欧的偏西北气流共同影响。夏季受季风影响,孟加拉湾和南海水汽的不断输送使得降水量充沛19。随着气候变暖加剧了气候系统的不稳定性,大气层
16、在饱和前可容纳更多水汽,同时也增大了极端强降水发生的可能性2021。广汉地区秋季降水量多年平均为 174.6 mm,降水量波动较夏季有一定程度下降,气候倾向率为7.1 mm/10 a。秋季降水量表现出明显的振荡特征(图 4c),降水量峰值(387.3 mm)出现在 1963 年,谷值(49.8 mm)出现 1600140012001000800600400降水量(m)降水量累积距平(m)20001600120080040004008001200y=2.253x+892.9R2=0.04391960197019801990年份200020102020逐年降水量线性拟合降水量累积距平 图 2 19
17、612020 年广汉地区年降水量变化特征第 2 期廖丞蕊,等:近 60 a 广汉降水变化特征及其经济影响初步分析145在 1997 年;19782000 年波动幅度前大后小且累积距平逐渐减少,其余时段的波动变化特征不明显,近 10 a降水的波动幅值趋于稳定。广汉地区冬季降水量多年平均仅有 20.9 mm,以0.8 mm/10 a 的速度不断减少(图 4d),峰值(55.3 mm)出现在 1994 年,谷值(4.5 mm)出现在 1980 年。冬季降水量波动特征较复杂,阶段性变化特征不明显;19612000 年降水振荡特征较强;2000 年之后,降水距平以负平衡状态为主,累积距平也呈现阶段性下降
18、。可见,广汉冬季降水历经了“少雨多雨少雨”的阶段性变化。2.3 突变特征采用 M-K 突变分析法对广汉地区降水量阶段趋势特征进行分析,UF、UB 为统计量曲线,取1.96为临界曲线的 M-K 检验值,即 95%显著水平的置信度检验区间。由图 5 所示,UF、UB 统计量的曲线波动较大,近 60 a 广汉地区年降水量存在多次突变迹象,但均未通过显著性检验,因此不存在明显的突变特征。2.4 周期特征图 6 给出了近 60 a 广汉地区年降水量的 Mor-let 小波分析结果。如图 6a 所示,广汉地区年降水有3 个主要变化周期,分别为 37 a、818 a 和 1930 a;在37 a 时间尺度上
19、存在 8 次“枯丰”振荡,其中心时间尺度为准 6 a,19611970 年和 2010 年以后振荡幅度较大;在 818 a时间尺度上存在 4 次“枯丰”交替 60.74%21.18%2.54%(a)(b)15.54%春季夏季秋季冬季平均降水量350300250200150100500降水量(m)1234567月份8910 11 12 图 3 多年平均的广汉地区不同季节(a)和月份(b)降水量分布 y=0.1586x+4.8692R2=0.0037距平距平线性拟合累积距平1960197019801990年份200020102020160120804004080(a)降水量距平(m)降水量累积距平
20、(m)30025020015010050050100150y=1.3174x+40.152R2=0.0161距平距平线性拟合累积距平1960197019801990年份2000201020207006005004003002001000100200300400(b)降水量距平(m)降水量累积距平(m)125010007505002500250500750100012501960197019801990年份20002010202030025020015010050050100150200(c)降水量距平(m)降水量累积距平(m)7006005004003002001000100200300196
21、0197019801990年份200020102020403020100102030(d)降水量距平(m)降水量累积距平(m)1008060402002040y=0.7084x+21.63R2=0.0209距平距平线性拟合累积距平y=0.0809x+2.48R2=0.0184距平距平线性拟合累积距平 图 4 19612020 年广汉地区四季降水量变化(a.春季,b.夏季,c.秋季,d.冬季)146高原山地气象研究第 43 卷变化,其中心时间尺度为准 12 a,1980 年以前和 2010年以后振荡幅度较大;在 1930 a 时间尺度上,经历了“丰枯丰枯丰”5 次循环交替,其中心时间尺度为准 2
22、8 a;准 6 a 和准 28 a 这两个周期几乎贯穿整个研究时段。如图 6b 所示,广汉地区年降水的小波方差有 3个明显的峰值,准 28 a 周期振荡最强,是年降水量演变的第一主周期,准 6 a、准 12 a 分别对应年降水量演变的第二、第三周期。这 3 个周期的波动控制整个研究 时 间 段 内 年 降 水 量 的 演 变 特 征。从 振 荡 周期看,广汉地区降水量在未来几年内处于降水偏多的阶段。如图 6c 和图 6d 所示,19611970 年,广汉地区年降水在 46 a 时间尺度上小波系数模和模方最大,其次是 1015 a 时间尺度,说明这两个时间尺度周期振荡最为显著;随着时间推移,20
23、152020 年,广汉地区年降水在 47 a 时间尺度上振荡变强;广汉地区年降水在准 25 a 时间尺度上虽然能量较弱,但其周期分布较为明显,几乎占据整个研究时段(19612020 年)。3 3 降水对经济产出的影响降水对经济产出的影响图 7 给出了 20052020 年广汉地区平均降水与人均 GDP 的截面关系。如图所示,平均降水与 GDP 增速水平呈负相关关系,该结论在前人研究17中也有所报导;平均降水(年均值)每增加 10 mm,GDP 增速降低约 0.6%;由于 GDP 组成成分的复杂性,数据波动较为明显,相关系数也相对较低。由于横截面回归分析难以考虑长期因素的深层次影响,并且无法刻画
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