新疆近50a極端降水氣候變化研究

張 新

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

新疆近50a極端降水氣候變化研究

張 新

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

利用新疆1961～2010年45個測站的逐日降水量，采用線性趨勢、M-K突變檢驗等統(tǒng)計診斷方法，研究其極端降水的時空變化特征。結果表明：北疆地區(qū)和天山山區(qū)極端降水量總體上呈增加趨勢；除南疆地區(qū)外，北疆、天山山區(qū)極端降水量分別于1982年、1990年發(fā)生顯著的上升突變；極端降水量空間分布的區(qū)域差異性顯著，在研究區(qū)西部表現(xiàn)為以天山山區(qū)大值為中心，呈現(xiàn)北高南低的特點。

新疆；極端降水；時空變化；研究

極端降水是標志極端天氣氣候變化的重要指標之一，研究其時空分布特征對于正確認識全球氣候變暖背景下的極端天氣氣候過程具有重要意義［1］。國內(nèi)外的一些學者針對不同的極端降水指數(shù)做了大量的研究：Moberg等［2］研究歐洲在1946～1999年間除關于極端降水指數(shù)——單日最大降水量外，其他極端降水指數(shù)都以正的變化趨勢為主，強降水量隨著總降水量的增多而增加。Goswami等［3］根據(jù)印度中部1871～2003年間不同強度和大小的降水來劃分不同等級的極端降水，結果表明在全球變暖的環(huán)境背景下，極端降水事件呈顯著的增多趨勢。楊金虎等［4］研究分析表明，極端降水事件在西北東部、華北則表現(xiàn)為減少趨勢，而在西北西部、長江中下游地區(qū)、華南及青藏高原表現(xiàn)為增加趨勢。閔屾［5］等分析了中國極端降水事件的區(qū)域性和持續(xù)性，發(fā)現(xiàn)除新疆以外，東北、華北以及西北等大部分北方地區(qū)極端降水的持續(xù)性和區(qū)域性均較差。劉琳［6］對新疆極端降水事件年內(nèi)非均勻性特征做了研究，發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)極端降水事件集中度和集中期的空間分布存在一定的差異，集中度表現(xiàn)為減弱趨勢，而集中期表現(xiàn)為增加趨勢，極端降水越來越分散。趙勇等［7］研究北疆極端降水事件發(fā)現(xiàn)，極端降水在季節(jié)和空間分布上均存在較大差異，山區(qū)極端降水強度大，平原地區(qū)極端降水頻數(shù)多。

研究區(qū)為新疆維吾爾自治區(qū)全境。從研究現(xiàn)狀來看，針對新疆降水量的研究較多，而對極端降水事件研究較少。隨著全球極端氣候事件發(fā)生頻率增加，針對該區(qū)域內(nèi)某一小尺度地區(qū)的極端降水的研究逐漸增多，而對整個宏觀區(qū)域的研究較少。考慮氣候變化的區(qū)域整體性和差異性特征，本文在保持研究區(qū)域完整性前提下，根據(jù)地貌、行政區(qū)域、地理位置不同對研究區(qū)進行分區(qū)，實現(xiàn)從整體到部分的細致分析，便于客觀研究新疆極端降水事件時空分布變化，從而為極端氣候事件的區(qū)域整體性和區(qū)內(nèi)差異性研究提供參考依據(jù)，并為區(qū)域內(nèi)洪澇災害重點防治地區(qū)提供參考方向。

1 資料與方法

1.1 降水資料及區(qū)域劃分

采用中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)1961～2010年的逐日降水資料，根據(jù)選定研究區(qū)范圍，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，剔除不在研究區(qū)、長度不夠及因遷移引起數(shù)據(jù)缺失的站點，選取了45個站點。由于研究區(qū)特殊的地形及影響降水條件的差異，把研究區(qū)劃分為3個區(qū)域：北疆地區(qū)、天山山區(qū)、南疆地區(qū)。

1.2 處理方法

百分位法：把統(tǒng)計時段內(nèi)所有逐日降水量記錄值按升序排列，得到x1，x2，…，xn，選取日降水量值逸0.1mm的子樣本的第90個百分位的日降水量，作為該站平均極端降水閾值。

該方法可較好地消除地域和季節(jié)因素，使計算出的極端降水指數(shù)有利于增強少雨地區(qū)的強降水事件變化在時間變化趨勢和空間分布上的可比性，具有較好的極端性、噪聲低、顯著性強等優(yōu)點。

利用線性趨勢法判斷極端降水量、頻率、強度，年最大日降水量的整體變化情況；滑動平均法則是趨勢擬合技術最基礎的方法，經(jīng)滑動平均后，序列中短于滑動長度的周期大大削弱，顯現(xiàn)出變化趨勢；采用Mann-Kendall（M-K）檢驗極端降水突變變化，通過顯著性檢驗，確定突變時間。通過小波分析法分析極端降水量的周期變化。

2 結果與分析

2.1 年極端降水量的時間變化趨勢及突變特征

各區(qū)域年極端降水量最大是天山山區(qū)，82.5mm，最少的區(qū)域是南疆地區(qū)，僅38.1mm。分析研究區(qū)各區(qū)域極端降水量的變化趨勢，各區(qū)域的極端降水量都呈上升的趨勢，北疆的極端降水量傾向率為7.2mm/10a，天山山區(qū)的極端降水量傾向率為8.3mm/10a。北疆和天山山區(qū)的極端降水量隨時間的變化趨勢基本一致，其7a滑動平均表明，這兩個區(qū)域的極端降水量變化趨勢是在波動中上升，天山山區(qū)20世紀80年代后迅速上升。南疆地區(qū)的極端降水量總體呈現(xiàn)極為微弱的上升趨勢。

通過UFk和UBk曲線的變化趨勢和兩線的交點分析，北疆地區(qū)和天山山區(qū)的極端降水量分別在1982年和1990年發(fā)生顯著突變，均通過顯著性水平0.05的檢驗，天山山區(qū)顯著性水平達到0.01，年極端降水量發(fā)生突變的現(xiàn)象十分顯著；而南疆地區(qū)雖然UFk和UBk曲線與1986年交于一點，但在21世紀初極端降水量趨于下降（UFk），未通過顯著性水平0.05的檢驗，因此該區(qū)域不存在顯著增加的趨勢。

2.2 極端降水的周期分析

揭示氣候要素變化周期特征是深入理解氣候變化過程與規(guī)律，進行氣候預測的基礎科學問題之一。為進一步了解研究區(qū)極端降水的周期變化特征，對近50a極端降水量的標準化序列用Morlet小波分析法研究它的周期。結果表明：新疆極端降水周期變化明顯，主要存在一個準6a周期振蕩，該周期表現(xiàn)較為顯著和穩(wěn)定。在20世紀80年代中期至90年代中期，極端降水量發(fā)生了最強的振動。

2.3 極端降水量的閾值分布

新疆極端降水閾值分布范圍在2.7～12.4mm/ d，平均閾值為6.4mm/d。根據(jù)極端降水量閾值等值線大小的分布來看，高值主要集中在降水量較多的山區(qū)，其中天山山區(qū)，代表站為巴侖臺，其閾值為12.4mm/d；較低的地區(qū)主要分布在降水量最少的吐哈盆地，其他受降水量的影響，閾值差異不大。由此可見，極端降水量的閾值是由降水量決定，極端降水量閾值的設置又會影響極端降水事件的發(fā)生。因此，合理設置極端降水量的閾值是很有必要的。

2.4 極端降水量的空間分布特征

新疆年極端降水量的區(qū)域差異十分顯著，在研究區(qū)西部主要以天山山區(qū)大值中心，呈現(xiàn)北高南低的特點；研究區(qū)的東部主要是自東南向西北遞減。其中，年極端降水量較大的區(qū)域主要集中在伊犁河谷地區(qū)，天山山區(qū)中西部和準噶爾西部山地，年極端降水量在100mm以上；年極端降水量較少的區(qū)域主要在南疆地區(qū)，年均極端降水量在20～30mm之間。年極端降水量的空間分布特征與其閾值的分布基本一致，都是山區(qū)較大，但也存在極端降水量的南北差異比閾值明顯的現(xiàn)象。

2.5 極端降水頻率和強度的時空變化特征

從各區(qū)域極端降水頻率的變化趨勢可以看出，極端降水頻率呈現(xiàn)隨時間緩慢增加的趨勢。但從區(qū)域差異上來看，增加的程度是不同的。北疆地區(qū)的極端降水頻率（0.63次/10a）增加速度是最迅速的，說明北疆地區(qū)發(fā)生極端降水事件逐漸頻繁；其次是天山山區(qū)（0.45次/10a），增加比較緩慢。各區(qū)域極端降水強度相差不大，最大的天山山區(qū)為13.8mm/次，最小的南疆地區(qū)為10.0mm/次。

從極端降水強度變化趨勢分析，北疆地區(qū)（0.11mm/10a）、天山山區(qū)（0.29mm/10a）、南疆地區(qū)（0.10mm/10a）的極端降水強度都有微弱的上升趨勢。從極端降水頻率和強度趨勢變化的對比分析發(fā)現(xiàn)，各區(qū)域極端降水的頻率和強度不是一致變化的，即極端降水頻率增長速度快的地區(qū)，極端降水強度增長速度不一定快。再結合各區(qū)域極端降水量的變化趨勢分析，極端降水頻率或強度的增加導致極端降水量的增多。由新疆年極端降水頻率空間分布可知，極端降水頻率的空間分布與極端降水量基本一致，這說明極端降水頻率對極端降水量有重要的影響。極端降水頻率分布有兩個大值中心，分別是伊犁河谷-天山山區(qū)，代表站點是昭蘇，為13.7d；極端降水頻率分布較小的區(qū)域主要集中在南疆地區(qū)，代表站點是吐魯番，為1.3d，但在南疆地區(qū)西部有一個較大的區(qū)域中心。

新疆平均極端降水強度為11.2mm/d，由于研究區(qū)地勢起伏大，高山盆地相間，區(qū)域降水空間分布差異顯著，也造成極端降水強度分布的空間差異。在極端降水強度的空間分布中，極端降水強度分布較高的區(qū)域主要在天山山區(qū)中部，較低的區(qū)域主要位于吐哈盆地，代表站點是吐魯番，僅為4.1mm/d。另外，南疆地區(qū)的塔克拉瑪干沙漠的極端降水強度也較低。極端降水頻率大的北疆地區(qū)和天山山區(qū)，其極端降水強度也較大，而極端降水頻率較小的南疆地區(qū)，其極端降水強度卻較大，這說明極端降水強度對南疆地區(qū)極端降水量有一定的影響。

2.6 年最大日降水量的變化特征

年最大日降水量是表征極端降水量其中的一項指標，研究它的變化情況也可反映極端降水量的變化規(guī)律。對新疆年最大日降水量趨勢進行分析，年最大日降水量傾向率為0.57mm/10a，也呈上升趨勢。年最大日降水量最小是1985年的和田，僅為0.7mm，比多年平均少10mm。通過對年最大日降水量M-K突變檢驗分析，年最大日降水量存在較明顯突變特征，具體于1980年發(fā)生顯著變化，UFk曲線顯著上升，通過顯著性水平0.05的檢驗。年最大日降水量與各區(qū)域的極端降水量的突變時間大概一致，均發(fā)生在20世紀80年代。

3 結語

3.1 討論

（1）綜合分析新疆1961～2010年極端降水量的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)中北疆地區(qū)、天山山區(qū)極端降水量突變發(fā)生的時間分別是1982年、1990年，極端降水量顯著增加；南疆地區(qū)的極端降水量上升微弱，突變不顯著。這可能表明區(qū)域內(nèi)干濕變化具有差異性：北疆地區(qū)、天山地區(qū)出現(xiàn)明顯“暖濕”而南疆地區(qū)明顯“暖”而未明顯“濕”?？偟膩碚f，新疆于20世紀80年代后極端降水量增多，該區(qū)呈現(xiàn)增濕的顯著變化。這種增濕的趨勢對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境、水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動等產(chǎn)生明顯的影響，這種增濕趨勢今后會如何變化，還有待進一步深入研究。

（2）新疆關于極端降水事件的研究更多的是關注某一區(qū)域的變化特征，對整個區(qū)域的研究較少。本文進行研究區(qū)劃分時，把新疆區(qū)域分為3個區(qū)域較為合理，但天山山區(qū)類型多樣，受地形因素的影響，極端降水分布很不均勻，不能精確描述該區(qū)域內(nèi)極端降水的時空變化特征，因此有必要細化該地區(qū)的分區(qū)。

3.2 結論

總體上，新疆各區(qū)域極端降水量呈緩慢上升趨勢。北疆地區(qū)、天山山區(qū)極端降水量顯著增多，而南疆地區(qū)突變并不顯著，這體現(xiàn)了新疆極端降水量的空間差異特征。這種差異性受地形因素影響大，其分布表現(xiàn)以天山山區(qū)為大值中心，北疆地區(qū)大于南疆地區(qū)。本文的研究有助于進一步分析新疆“暖濕”變化的區(qū)域差異性特征，并為區(qū)域洪澇災害防治重點地區(qū)提供參照依據(jù)。

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P467

A

1008-1305（2017）01-0115-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.035

2016-03-15

張 新（1988年—），男，助理工程師。