中國西南地區及雙流國際機場秋季降水強度特征分析

應雨辰，藺少龍

（民航西南空管局氣象中心，四川 成都 610202）

降水是調節全球氣候的重要工具，降水量是衡量一個地區降水多少的數據，降水量的多少會極大地影響到人類的生活與生產。降水過多會造成洪水、山體滑坡、泥石流等自然災害，太少則會導致干旱和灌溉不足等，研究降水可以對這些自然災害提前做好預防，把損失降到最低，并且對許多能源的開發時間和地點也有影響，所以人類對降水的研究一直都在持續。對于降水的研究，中國歷史上已經做了很多。降水和溫度是氣候變化特征中2個最重要的氣候要素，降水量的年際和長期變化對人民的社會經濟生活有著至關重要的影響。尤其是降水，在民航運行工作中，降水是對航空器運營安全、飛機正常以及航班正點率影響最主要的天氣現象之一。據中國民航局的統計數據，天氣原因造成航班延誤、備降和返航占全年的50%以上，所以對降水預報，尤其是機場降水特征是需要特別進行研究的。

在以往的研究中，任國玉等[1]利用1951—1996年的地面氣象記錄數據，研究了中國整體長期和季節性降水指標的特征。王紹武等[2]對東部地區35個氣象站的降水序列進行了研究，并對西部降水進行了各種各樣的研究。陳隆勛等[3]和翟盤茂[4]對中國近半世紀的一項降水研究表明，中國總體上年降水量為減少的趨勢，然而西部地區降水量卻明顯增長，西北地區最為明顯，而西南局部則在減少。利用中國740個監測站的日降水資料，李紅梅等[5]分析了過去40年里中國東部盛夏降水的長期趨勢和時間變化特征，指出近40年來，長江中下游地區夏季降水量、降水頻率均呈增加趨勢，在華北地區則呈減少趨勢。房巧敏等[6]研究了中國整體冬半年的總降水量、日降水強度和強降水日數，得出以上指標都有不同程度增長，其中西北地區的增長較為顯著，且在20世紀80年代后期發生躍變，華北地區、中部地區總降水量減少，西南、華南、長江中下游地區多為增加。李帥等[7]根據中國1960年前建站的595個氣象站臺給出的1951/1952—2004/2005年冬季降水數據，指出多年來中國冬季的降水日數明顯減少，降水量的變化則不明顯，東北和西北偏東地區冬季降水日數減少趨勢超過了0.01顯著水平，而高原地區的降水量增加趨勢超過了0.05的顯著水平。只有對中國的歷史氣候變化有了深入了解，才能夠預測中國未來降水量的分布趨勢與變化趨勢，以利于更好的發展。中國地處活躍的東亞季風區，是全球氣候變化的敏感區和脆弱帶。研究其日降水量、降水頻率以及降水強度的時空分布變化及再分析數據的有效性都有極其重要的意義。

1 數據介紹和研究方法

本文使用的數據是雙流機場1986—2011年26年間的降水氣候資料，由于其資料數據時間較短，遂采取1961—2011年地面ERA5日降水再分析資料作為補充，其空間分辨率為0.1°×0.1°，以及中國氣象信息中心提供的中國584個站點1961—2011年間的降水數據。降水強度是指發生降水日的降水量平均值，是降水研究中的重要指標。通過對雙流機場和中國西南地區秋季降水強度的空間分布和趨勢進行分析，并對其的降水變化特征以及Mann-Kendall突變檢驗，來分析1961—2011年的中國西南地區降水強度變化特征。

2 相關指標和方法的確定

2.1 成都雙流國際機場概況

成都雙流國際機場位于N30°34.7′，E103°56.8′，地處中國西南地區的四川盆地中，在機場以東有東北—西南走向的龍泉山脈，海拔500～1 100 m，機場以西為龍門山脈，海拔2 700～3 000 m；機場處于四川盆地西部水網區域，機場以東有沱江，機場以西有岷江，兩江之間河渠縱橫，有多條河系支流自西北向東南流過機場周圍。根據2012年的統計數據，成都雙流國際機場共完成旅客吞吐量3 159.5萬人次，環比增長8.67%，全國排名第5位；貨郵吞吐量50.8萬t，環比增長6.4%，全國排名第5位；飛機起降24.27萬架次，環比增長9.1%，全國排名第5位，已開通航線349條，通航國內外城市達209個，主要駐場航空運營單位有四川航空、成都航空、中國國際航空西南分公司、深圳航空、中國東方航空、中國南方航空、祥鵬航空等。

2.2 西南地區區域劃分

為了對中國不同地區的降水變化特征進行研究，采用文獻[8]的劃分方法，將中國的四川省、重慶市、云南省、貴州省以及青藏高原中東部劃分為西南地區，如圖1所示。

圖1 中國西南地區區域劃分圖

位于110.0°E的豎線將全國分為東、西2部分，其中西部位于79.0°E的豎線大致沿西藏自治區西國界的交界線；位于35°N的橫線為西北地區和西南地區的分界線。

2.3 變化趨勢的分析方法

本文采用了一元線性趨勢分析的方法，對數據序列進行了分析。

研究降水變化趨勢擬合一般采用二次方程表示，具體為：

式（1）中：t為年份序號，t=1，2，…，n。

而線性趨勢變化只需選用一次方程，即：xt=a0+a1t。

因為消去了氣象要素的均方差和單位對線性回歸系數數值大小的影響，從而可在不同地理位置、不同氣候要素之間比較趨勢變化的大小，同時對計算的傾向率還可以進行相關系數的統計檢驗。傾向率為正（負）時，表示氣候要素在所統計的時間內有線性增加（減少）的趨勢。對線性趨勢的顯著性檢驗是利用相關系數檢驗方法，檢驗水平均設置為5%（即是否通過95%信度）。

2.4 Mann-Kendall突變檢驗方法

Mann-Kendall是氣象學中研究突變常用的一種方法[9]，本文使用該方法研究了中國秋季降水量、降水頻率、降水強度的突變，具體如下。

設原始時間序列為y1，y2，…，yn，mi表示第i個樣本yi大于yj（1≤j≤i）的累積數。定義統計量：

將公式（2）的dk標準化，得到：

UFk組成一條UF曲線，通過信度檢驗可得出其是否有明顯的變化趨勢。將此方法引用到反序列中，可得另一條曲線UB，2條曲線在信度區間內的交點則可能為突變發生點。

給定顯著性水平α=0.05，統計量UF和UB的信度區間為±1.96。若UF＞0，表示序列呈上升趨勢；反之呈下降趨勢，超過該信度區間，表示上升或下降趨勢顯著。

3 結果分析

3.1 成都雙流國際機場秋季降水特征

根據1986—2011年間雙流機場氣候資料統計，月平均降水強度分布如圖2所示，秋季雙流機場平均降水量為172.55 mm，占全年總降水量的20%，僅次于夏季，且秋季降水量主要集中在9月，達111.6 mm，占秋季總降水量的65%。

圖2 1986—2011年雙流機場降水強度逐月分布圖

雙流機場秋季降水累年平均日數為51.2 d，其占累年年平均降水日數的26%，其秋季降水日數也同降水強度分布特征一致，也是秋季中的9月最多，達20 d，10月略有降低，為19.2 d，11月降水日數減少較為明顯，僅為12 d。

使用ERA5雙流機場基準點1961—2011年間每年9—11月的日平均降水資料分析其降水變化趨勢，如圖3所示，在大部分年份中均表現為該年的9月份日降水強度最高，而11月最低；其中日降水強度最大出現在1975年9月，該月平均降水量達11.12 mm，月降水強度最小出現在1965年11月，僅為0.24mm，這與雙流機場秋季9月降水強度最高、11月降水強度最低分布一致。

圖3 1961—2011年雙流機場秋季月平均降水強度變化特征

3.2 中國西南地區秋季降水強度的分布及變化

圖4（a）為中國近50年秋季降水強度的空間分布圖，從圖中來看，青藏高原地區秋季降水強度約為5 mm/d，西南西部的降水強度在4～6 mm/d范圍內，西南地區南部與東部降水強度相比西南西部地區要大，可達7 mm/d，尤其在云南地區的南部、四川東部和重慶地區可達10 mm/d以上。圖4（b）為中國近50年秋季降水強度的趨勢分布圖，從圖中趨勢分布上可以看出50年來西南地區的云南區域以及貴州區域南部等地區降水強度都有增加，西南地區南部大值中心為0.08 mm/（d·a），青藏高原大部分地區約為0.05mm/（d·a），而在四川盆地的南部以及川西高原的部分地區，其降水呈下降趨勢，局地為-0.05～-0.10 mm/（d·a）。圖4（c）為雙流機場區域秋季降水強度的空間分布，雙流機場本站秋季降水強度在2～3 mm/d，而在四川的西南方向，橫斷山脈東麓雅安眉山等地區其秋季降水強度可達10 mm/d以上，與圖4（a）的分布特征基本一致。

圖4 秋季降水強度的分布和變化

3.3 中國西南地區及雙流機場秋季降水強度變化分析

圖5（a）為西南地區近50年秋季降水強度的時間序列圖，從圖中可以看出，西南地區秋季降水強度整體為上升趨勢，趨勢變化平穩。20世紀80年代前期有一個增強趨勢，2005—2010年之間出現最大值。

圖5（b）為青藏高原地區近50年的秋季降水強度的時間序列圖，從圖中可以看出，青藏高原秋季降水強度變化趨勢較平穩，無明顯上升或下降。1975—1985年間的秋季降水強度低于其他時期，20世紀90年代中期后開始下降，峰值出現在20世紀90年代前期。

圖5（c）為雙流機場區域近50年的秋季降水強度的時間序列圖，從圖中可以看出，雙流機場秋季降水強度整體變化趨勢不明顯，無顯著上升或下降。在20世紀70年代初期和21世紀初期出現了降水強度低值，1975年秋季的降水強度高于其他時期。整體變化趨勢與西南地區秋季降水變化趨勢區別不大。

圖5 中國西南地區秋季降水強度量變化圖

中國的8個區域的秋季降水強度傾向率如表1所示。

表1 中國8個區域的秋季降水強度傾向率

3.4 中國西南地區及雙流機場降水強度變化Mann-Kendall突變檢驗

圖6（a）為西南地區秋季降水強度Mann-Kendall突變檢驗，從圖上來看，除20世紀70年代UF＜0，該項指標為下降，其他時期基本都在上升。按照Mann-Kendall檢驗法，在±1.96信度區間內，UF曲線與UB曲線在1979年有1個交點，1983年UF曲線從正值轉為負值，該點可能為降水強度突變點，1997—2002年UF曲線超過臨界上值+1.96，即超過了0.05顯著水平，為顯著的上升趨勢。圖6（b）為青藏高原秋季降水強度Mann-Kendall突變檢驗，20世紀60年代后期UF＜0，秋季降水強度下降，2004年后強度也在下降。其他時期皆為上升趨勢。在±1.96信度區間內，UF與UB相交于多點，但UF曲線始終在±1.96范圍內，其秋季降水強度變化不顯著。圖6（c）為雙流機場秋季降水強度Mann-Kendall突變檢驗，UF曲線與UB曲線在20世紀60年代末期有3個交點，且在20世紀60年代末以后均為負值，20世紀60年代末3個交點中最后一個點可能為降水強度突變點；除在1974年秋季UF曲線超過臨界下值-1.96，超過了0.05顯著水平，為顯著的下降趨勢，其后UF曲線始終在±1.96范圍內，即20世紀80年代以后秋季降水強度變化不顯著。

圖6 中國8個分區秋季降水強度Mann-Kendall突變檢驗

4 小結

本文利用中國584個氣象站點秋季降水數據、ERA5再分析資料和雙流機場降水氣候資料，圍繞中國西南地區及雙流機場的秋季降水特征展開討論，對降水強度的空間分布特征和時間序列變化進行分析發現，雙流機場秋季平均降水量為172.55 mm，占全年總降水量的20%，且秋季降水量主要集中在9月，達111.6 mm，占秋季總降水量的65%。雙流機場秋季降水累年平均日數為51.2 d，其占累年年平均降水日數的26%；50年來中國西南地區的云南區域以及貴州區域南部等地區降水強度都有增加，而在四川盆地的南部以及川西高原的部分地區，其降水呈下降趨勢，雙流機場本站秋季降水強度在2～3 mm/d，與四川盆地的分布特征基本一致；西南地區秋季降水強度變化整體為上升趨勢，趨勢變化平穩。20世紀80年代前期有一個增強趨勢，2005—2010年之間出現最大值，青藏高原地區近50年秋季降水強度變化趨勢較平穩，無明顯上升或下降趨勢；雙流機場秋季降水強度整體變化趨勢不明顯，無顯著上升或下降，整體變化趨勢與西南地區秋季降水變化趨勢區別不大；西南秋季降水強度Mann-Kendall突變檢驗表明在±1.96信度區間內，UF曲線與UB曲線在1979年有1個交點，1983年UF曲線從正值轉為負值，該點可能為降水強度突變點，1997—2002年UF曲線超過臨界上值+1.96，為顯著的上升趨勢，青藏高原秋季降水強度變化不顯著，雙流機場秋季降水強度可能在20世紀60年代發生了突變。