顾及黄土滑坡的兰州市不同等级降雨时空变化特征

发布时间：2020-01-09

　　摘要：降雨是诱发黄土滑坡的关键因子，不同等级的降雨及其时空分布特征影响和制约了降雨型黄土滑坡的发生和发展。利用兰州市1965—2015年逐日降水资料，采用Mann-Kendall突变性检验、滑动t检验、Morlet小波变换等方法分析了不同等级降雨事件的降雨量、降雨日数和贡献率，以得到其突变性、趋势性、周期性和空间分布特征，从而为突发性滑坡研究提供数据支持。结果表明：兰州市以微雨、小雨和中雨事件为主，在时间尺度上，降雨量和降雨日数均具有突变性，且突变时间各异;近50年来各等级降雨日数、降雨量存在着明显的周期性震荡，变化周期均以8a为主，该区未来几年都将处于降雨充沛期;年降雨量整体下降，其气候倾向率为-4.96mm/10a。在空间分布上，年降雨日数呈现“两多一少”的规律，降雨量则为“两少一多”，不同等级降雨事件对不同地区降雨的影响程度不同;与黄土滑坡分布浅析可知降雨对诱发兰州市滑坡起到了重要的作用。

　　关键词：黄土滑坡;降雨等级;Mann-Kendall突变性检验;滑动t检验;Morlet小波变换

　　受全球变暖的影响[1]，我国气温在持续上升，但降雨的年际变化特征突出，增减不一[2]，且各地区的降雨存在明显的地域差异[3]。兰州市地处黄土高原，地质构造复杂，发育有大量褶皱、断裂，使得该区近年来频发黄土滑坡地质灾害[4]，而降雨作为主要诱发因子，其时空变化特征的研究将为滑坡地质灾害预警和气候特征评估起到重要作用。

　　多年来，不同学者采用各种方法研究了不同地区的降水变化特征[5-10]，而针对兰州地区降雨的研究相对较少，其中杨瑜峰等[11]利用兰州站55a逐日降水资料，分析了大雨及以上级别的极端降雨，揭示了降雨出现向极端化方向发展的趋势;郭红霞、王国庆等[12-13]用线性回归、趋势滑动等方法对该区降水进行趋势判别，但多着重于兰州市降雨时间变化特征的分析，而未见降水空间分布变化的分析，且相关研究均将年降水粗略等同为年降雨[11-16]。因此，本文定义了适用于兰州地区的降雨年，从不同等级降雨事件入手，选取降雨量、降雨日数和贡献率作为特征量，利用兰州多年逐日降雨数据，对研究区1965—2015年来降雨的时空变化特征进行研究，得到其突变性、趋势性、多时间尺度的周期震荡等年际变化和空间分布，并浅析其与滑坡关系，以期作为黄土滑坡灾害预警研究的气候背景依据。

　　1资料和方法

　　1.1研究区概况与数据来源

　　研究区位于兰州市中南部(103°20′—104°01′E，35°50′—36°15′N)，由西向东覆盖4个行政区。兰州地处内陆季风区与非季风区的过渡地带，属于温暖和温和半干旱区，年均气温5～9℃，降雨偏少且各月的降雨量分配很不均匀[17]。

　　论文研究使用的数据均为各气象站点的逐日降水数据，并用双累积曲线法进行了一致性检验与修正，其中，国家气象站兰州站的数据来源于中国气象数据网(http：∥data.cma.cn/)，建于河口镇、仁寿山和九洲台等8个自动气象站点的数据来源于市气象局。此外，为提高空间插值的精度，补充了兰州站附近的民和、皋兰、永靖等5个国家气象站点的降水数据(图1)。除兰州站的研究时段为1965—2015年外，其余各站点均为2007—2015年。滑坡灾害点数据来源于实地调研以及1∶10万《兰州市地质灾害调查与区划实际材料图》。

　　1.2方法

　　为了量化研究各等级降雨对黄土滑坡的影响，根据相关文献[18]，论文按照日降雨量将降雨划分为5个等级：微雨(0.1～1mm)，小雨(1～10mm)，中雨(10～25mm)，大雨(25～50mm)和暴雨(大于50mm)。其中，年(月)降雨日数即为该时段内日降雨量不小于0.1mm的总降雨日数。将兰州站1965—2015年历年逐日降水数据剔除降雪参数后进行统计分析，得到逐月降雨情况(表1)，可得到兰州市降雨事件主要发生在3—10月，因此，本文将其降雨年定义为当年3月1日到10月30日。

　　为了分析年降雨、微雨、小雨和中雨的降雨量、降雨日数以及贡献率的变化特征，本文首先结合Mann-Kendall突变性检验、滑动t检验对兰州站降雨量和降雨日数进行突变分析，M-K法不受降雨异常值影响，对样本的分布规律没有要求[19]。其次，根据小波分析原理[20-22]，将Morlet小波变换应用于降雨时间序列的多时间尺度周期分析，取其实部和小波系数方差来分析不同时间尺度的详细结构和变化趋势。最后，基于ArcGIS采用反距离权重法(IDW)插值分析降雨量、降雨日数和贡献率的空间分布。其中，小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部优化功能，能够剖析时间序列的内部精细结构，可以更精确地研究降雨的多时间尺度变化特征。

　　2降雨时间演变特征

　　2.1逐月降雨特征

　　通过对兰州市逐月降雨情况分析得出(表1)，该地区年均降雨日数约为66d，以小雨、微雨为主，中雨仅7d，大雨、暴雨降雨日数鲜少，雨季集中在6—9月，降雨等级以微雨、小雨和中雨事件为主，微雨在3—10月逐月均有发生，小雨多发于5—9月，中雨集中在7月、8月，而相应的降雨强度值7月、8月较高，5月、6月、9月降雨强度次之，3月值最低;兰州市年均降雨量近300mm，降雨年内每月均有降雨发生，且从3月起，月降雨量由最小值8.64mm逐月阶梯式升高直至8月达到最大值68.57mm，随后又逐月下降至10月减少为22.90mm。由以上逐月规律可以得到，不同等级的降雨日数对月降雨量和降雨强度值均有影响。8月为兰州市降雨年的代表月，其降雨日数、降雨强度、降雨量及其贡献率均为一年之最，7月次之。

　　2.2年际突变检验

　　由线性倾向估计进行趋势分析发现，兰州市降雨量、降雨日数年际波动较大，年降雨量整体呈下降趋势，其气候倾向率为-4.96mm/10a，下降趋势不明显，未通过ɑ=0.05的显著性检验。由图2可知，除了微雨降雨事件外，兰州市降雨的UF，UB曲线在1.96置信线内交点均较多，证明其降雨年际变化不稳定，小雨尤为明显(小雨、中雨突变检验图略)，结合Mann-Kendall突变性检验与滑动t检验(图略)可以判断降雨突变年份。年降雨日数在图2中UF，UB曲线在1970—1982年多次相交，表明1970年、1980年、1982年可能发生突变，根据滑动t检验显示其在1979年与1982年出现突变，表明其突变时间为1982年。年降雨量于2003年发生突变。微雨降雨日数经M-K检验于1968年发生突变，而滑动t检验则显示为1987年、2007年、2011年，这主要误差是因为两种方法均存在缺陷而形成的[6]，分析降水序列发现微雨日数的累计距平峰值出现在2011年，综合确定2011年为其突变年份。同理，微雨降雨量M-K与滑动t检验得到的突变时间不一致，结合其降雨累计距平，将其确定为1981年。小雨日数变化平缓，只表现为一种自然的震动。对不同等级降雨各突变点前后不同时间作滑动t检验(表2)表明，当n取值不同时，|t0|>tɑ均通过了ɑ=0.05的显著性检验。

　　2.3年际周期变化

　　兰州市降雨一直存在着明显的年际和多时间尺度的周期性变化。多时间尺度是指降雨变化并不存在真正意义上的周期性，而是时而以这种周期变化，时而以另一种周期变化，并且同一时段中又包含各种时间尺度的周期变化[20]。兰州市降雨在不同尺度上的震荡周期表明(图3，部分图略)，周期变化震荡的尺度最小3a左右，最大20a左右，各等级降雨日数与其降雨量的主要年际周期尺度大体相同。年降雨日数在其主尺度8a上与微雨日数的周期变化比较接近，年降雨量的主周期尺度及对应的变化情况则与中雨量相似，说明微雨是影响年降雨日数的主要降雨等级，而中雨则是影响年降雨量的主要等级。

　　兰州市年降雨日数存在5～8a和3a左右的周期震荡，其中8a左右的周期震荡最强，是其第一主周期，以该大尺度周期来看，年降雨日数目前正处于偏多期;微雨日数的年际变化以8a，11～12a和16a为显著周期震荡，在8a的相同周期尺度下，其变化与年降雨日数总体一致，均在1982年、1990年、2014年等显著偏多，在1986年，1994年等年份显著偏少;小雨日数的主要周期在6a和11a左右，在两个周期尺度下，其降雨日数在未来几年均有偏少的趋势;中雨日数变化有5～7a，8～10a和16～18a的周期震荡，其中8～10a周期尺度的震荡最为显著。

　　年降雨量变化的震荡周期主要6～8a左右，其最大尺度8a左右的变化特征明显，1977年、1985年、2007年、2015年均为明显雨量充沛期，而1973年、1981年、2004年、2011年期间年降雨量显著偏少，同时年降雨量自20世纪80年代开始存在20a左右的周期震荡，降雨在1986年、2006年均偏少，综合分析两种尺度下的周期变化可以看出，在未来几年兰州市降雨都将趋于充沛期;小雨降雨量变化周期很显著地表现在11～12a，在1974年、1986年以及1998年的小波变换系数值均高于1，即雨量明显偏多，在2015年处于突变点，未来几年很可能向降雨充沛期过度;中雨降雨量存在7～8a和17～18a的周期，其中8a为第一主周期，且在该尺度下对应年份的降雨量变化较显著，在中雨量周期的3种变化尺度下，中雨降雨量均在目前处于偏多时期。

　　3降雨空间分布特征

　　3.1年降雨空间分布

　　兰州市年平均降雨日数与降水量分布都很不均匀(图4)，由图4A可以看到，仅有兰州、阿干镇气象站附近地区的年降雨日数大于60d，河口镇、仁寿山、白塔山、五一山和八里镇附近的年降雨日数则均超过了50d，而九洲台附近地区降雨日数不足40d，整区的年降雨日数分布呈现“两多一少”的规律，“两多”即为研究区的西北区域降雨日数多，东南区域日数较多，最多多于65d，“一少”即为研究区中部区域降雨日数较少，最少日数少于35d。

　　降雨量分布与降雨日数分布情况不一致(图4B)，降雨量表现为“两少一多”，“两少”即为西固区北部与安宁区相连地区降雨较少，七里河东南区域降雨少，“一多”即为城关区与七里河区交界处地区降雨多。白塔山、兰州站和八里镇降雨量均较多，成为3个多雨中心，促使城关区与七里河区交界处形成兰州市降雨量较多区域，其中白塔山附近地区的年降雨量达到了204mm以上，兰州站附近则超过了265mm;而年降雨日数较多的河口镇、仁寿山、五一山和阿干镇几个气象站附近区域的降雨量反而较少，河口镇、仁寿山与阿干镇附近的少雨区域相对较大，使得西固区、安宁区与七里河区东南部均存在一处少雨中心，西固区北部与安宁区相连成为兰州市面积最大的少雨地区，年降雨均少于166mm。由年降雨量与降雨日数分布存在不一致性，可以看出，年降雨日数不是影响年降雨情况的唯一特征因素。

　　3.2降雨等级空间分布

　　兰州市多年来大雨、暴雨降雨事件鲜少，微雨、小雨、中雨是主要影响年降雨情况的降雨等级事件。由不同等级降雨对应的降雨日数和降雨量贡献率的空间分布情况可以看出(图5，部分图略)，研究区内微雨的年降雨日数最多，小雨次之，中雨较少，而对于年降雨量的贡献则主要来源于小雨和中雨，且不同等级降雨事件对不同地区降雨的影响程度不同。

　　等级降雨事件来看，微雨日数较多地集中在安宁区与七里河区东南部，小雨日数则主要发生在西固区西部与城关区，七里河区与城关区相连接的附近地区中雨日数偏多。各等级降雨事件的降雨量贡献率与其降雨日数的多少不一致，微雨对于降雨量的影响偏小，各地区的降雨量主要来源于小雨和中雨事件，而中雨降雨量的贡献率与其降雨日数分布大体相同。

　　顾及黄土滑坡的兰州市不同等级降雨时空变化特征相关期刊推荐：

　　《水土保持研究》(双月刊)创刊于1985年，是由中国科学院、中国科学院水利部水土保持研究所主办的地球科学类期刊。报道本学科前沿领域科学理论、技术创新及其实践应用研究最新成果，积极引导和推动水土保持学科和水土保持实践的发展与繁荣。从事水保科技研究、教学与推广的科教工作者及有关行政管理人员;国内外环境科学、地学、农业、林业、水利等相关学科科教人员及大专院校师生。有投稿的，可以咨询在线编辑老师。

　　兰州市微雨年降雨日数较多地区集中在仁寿山、兰州站、阿干镇附近区域，均多于24d，其中阿干镇附近在32d以上;研究区内小雨年降雨日数超过20d的地区有河口镇、白塔山、兰州站和阿干镇附近;中雨年降雨日数普遍低于10d。微雨降雨日数虽然多，但是其降雨量贡献率却很小，均低于8%;小雨降雨量对于各个地区的贡献率均高于30%，除九洲台、兰州站和八里镇附近外，其他区域贡献率均在50%以上，阿干镇地区则高达70%;中雨在相应地区的贡献率在25%～60%，白塔山、青白石和八里镇附近均高于50%。