陜西極端降水時空變化特征研究

鄭小華，婁盼星，劉 環，馮 蕾，馬永永

（陜西省氣象臺，陜西 西安710015）

隨著全球變暖，各地極端天氣氣候事件頻發，其中極端降水的強度頻繁突破歷史極值，已引起國內外氣象研究者廣泛關注。陜西省地處青藏高原的東北側，地形南北狹長，橫跨三個氣候帶，受季風氣候影響，暴雨多集中在夏季6—9 月，極端降水強度大、時空分異特征明顯，極端強降水導致陜西各地每年都有不同程度的洪澇災害發生，給國民經濟和人民的生命財產造成重大損失。1981 年8 月漢中大水災和1983 年7 月安康大水災均造成重大人員傷亡，直接經濟損失分別為8 億元以上和11 億元以上[1]。2012 年的陜南暴雨造成經濟損失高達63.7億，2017 年陜北暴雨洪澇災害致使綏德全縣被淹，造成巨大的人員和財產損失。研究表明，20 世紀后期開始，中高緯度大部分地區降水量呈現增加趨勢，強降水或極端降水的頻率也相應增加[2]。王志福采用百分位的方法定義了極端降水事件的閾值，并分析全國極端降水事件的時空分布特征，認為極端降水事件多發于35°N 以南以及高原東南部[3]。翟盤茂、吳燕娟等對北方地區近50 a 降水極端事件的進行了分析，認為近50 a 西部降水呈現增加趨勢，特別是西北區域的強降水事件趨于增多[4-5]。針對西北地區，趙麗等分析了新疆極端降水的時空分布，發現過去50 a 北疆地區和天山山區極端降水總體上呈增加趨勢[6]。岳江等運用Mann-Kendall 突變檢驗研究了大同地區年降水量時間序列和空間序列變化規律[7]，楊宏青、張文等多位學者對長江流域的極端降水時空分布情況進行了分析研究[8-10]。陜西地處南北氣候分界線，是氣候變化的極端敏感區，探討該區域的極端強降水變化特征具有重要的科學價值。前期姜創業[11]等對1961—2009 年陜西省極端強降水事件的時空演變進行了分析，但在區域劃分及極端降水分析指標應用方面較為單一。本研究統計了陜西全年日最大降水量、日平均降水強度、夏季日最大降水量、夏季日平均降水強度、夏季日降水量超過第99 和第95 個百分位數的降水量/降水強度、夏季日降水超過第99 和第95 個百分位的降水日數和強度的時空分布，試圖發現陜西的強降水是否更趨于極端化和頻繁化，以期為應對氣候變化、降低極端強降水事件對自然和社會的影響提供決策依據。

1 數據和方法

1.1 研究區域及資料

陜西省地處中國西北地區東部的黃河中游，位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N。屬內陸省份，地域南北長、東西窄，南北長約870 km，東西寬約200～500 km，土地總面積20.56 萬km2。地理環境復雜，明顯可分為陜北黃土高原、關中平原和陜南秦巴山地三種地貌區。復雜的地理環境造就了豐富的氣候類型，可分為陜北、關中、陜南三大自然區，也可細分為長城沿線風沙、陜北丘陵溝豁、渭北高原、關中平原、秦嶺、漢中盆地、巴山等7 個氣候區域。陜西屬大陸性季風氣候，跨越3 個氣候帶，即陜北溫帶干旱、半干旱氣候區；關中暖溫帶半干旱、半濕潤氣候區；陜南暖溫帶、北亞熱帶半濕潤、濕潤氣候區。省內氣候資源豐富，北部光照充足，南部水熱較豐沛。由于氣候類型繁多，地形地勢復雜，干旱、雨澇、霜凍、冰雹、大風等自然災害也較頻繁。

依據資料的連續性及最長時段性標準，共選取符合條件的93 個氣象站，地面氣象站的日降水資料為中國國家氣象局氣象信息中心提供，并且經過了較為嚴格的質量控制，丟失的數據（主要是在干燥的季節，這對當前的結果幾乎沒有影響，研究側重于年度/季節降水量最大值）1 d、2 d 由相鄰站的降水平均值取代。氣象資料時間段為1961 年1 月1 日—2011 年12 月31 日。

1.2 方法

本文中的極端降水定義為以下幾類：（1）日最大降水量，夏季日最大降水量；（2）夏季日降水超過第99 和第95 百分位的頻率，日平均降水強度（降水總量/降水日數）/頻率，夏季日平均降水強度（夏季降水量/夏季降水日數）/頻率，夏季日降水超過第99和第95 百分位的降水強度/頻率用來研究陜西極端降水時空變化規律。

趨勢分析和突變檢驗則運用線性變化傾向率和Mann-Kendall（MK）非參數檢驗方法[12]。

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

在原序列隨機獨立等假設下，dk的均值和方差分別為：

將上面公式的dk標準化，得：

UFk組成一條UF 曲線，通過顯著性水平檢驗可得出其是否有明顯的變化趨勢。把此方法引用到反序列中，計算得到另一條曲線UB，則兩條曲線在置信區間內的交點確定為突變點。給定顯著性水平α=0.05，則統計量UF 和UB 的臨界值為±1.96。UF>0，表示序列呈上升趨勢；反之，表明呈下降趨勢，＞1.96或＜-1.96，表示上升或下降趨勢明顯。

2 結果分析

2.1 極端降水Mann-Kendall 趨勢空間分布

圖1 描述的是陜西省93 個氣象站1961—2011年極端降水事件Mann-Kendall 趨勢分析，“顯著”代表均通過ɑ=0.05 的顯著性檢驗，通過從圖1a 可以看出陜北年最大降水量變化趨勢不明顯，但關中和陜南大部分縣（區）具有顯著上升的變化趨勢；圖1b顯示陜北超過一半的縣（區）年降水頻率具有顯著上升的趨勢，關中和陜南大部分縣（區）均具有顯著的變化趨勢（上升/下降）；年無降水頻率變化如圖1d與圖1b 相比，具有顯著變化趨勢的縣（區）變化趨勢是相反的。圖1c 可以看出有降水日日平均降水強度（年總降水量/年降水日數）全省大部分縣（區）無顯著變化，顯著下降的縣（區）較上升的縣（區）偏多。從圖1 可以看出關中、陜南日最大降水量具有顯著的上升趨勢，說明極端降水增多了，暴雨洪澇的風險度更大了。

圖2a 顯示出夏季日最大降水量陜北一半左右的縣（區）具有顯著上升趨勢，關中和陜南大部分縣（區）具有顯著變化（上升/下降）趨勢，上升/下降縣（區）數大致相等。圖2b 顯示夏季降水頻率陜北大部分縣（區）變化趨勢不明顯，關中和陜南大部分縣（區）變化（上升/下降）趨勢顯著；圖2d 是夏季無降水頻率變化趨勢圖，與圖2b 對比具有顯著變化趨勢的縣（區）的變化趨勢是相反的。圖2c 顯示出夏季日降水量強度陜北大部分縣（區）變化趨勢不明顯，關中和陜南具有顯著上升趨勢的縣（區）占多數。

由圖3 可以看出夏季陜北的日最大降水量具有顯著增加的趨勢，關中和陜南夏季日降水強度是具有顯著增加的趨勢。

圖1 陜西省93 個氣象站1961—2011 年極端降水事件Mann-Kendall 趨勢分析

由圖3a 可以看出夏季超過第99 百分位閾值的日數全省大部分縣（區）具有顯著上升的趨勢，由圖3c 可以看出夏季超過第95 百分位閾值日數陜北變化不明顯，關中、陜南大部分縣（區）具有顯著的上升趨勢。由圖3c、3d 可以看出夏季超過第99 百分位閾值和第95 百分位閾值降水強度陜北變化趨勢不明顯，關中和陜南大部分縣（區）具有顯著上升的變化趨勢。

由圖3 可以看出關中和陜南夏季超過第99 百分位閾值和超過第95 百分位閾值的降水日數和強度均具有顯著增加趨勢、陜北超過第99 百分位閾值的降水日數具有顯著的上升趨勢。

2.2 極端降水Mann-Kendall 趨勢變化

圖2 陜西省93 個國家基本氣象觀測站夏季1961—2011 極端降水事件Mann-Kendall 趨勢分析

圖4 和圖5 顯示的是陜西省1961—2011 年3個自然區（陜北、關中、陜南）年和夏季極端降水Z指數MK 趨勢變化。日最大降水量陜北和關中沒有明顯的變化趨勢，陜南20 世紀70 年代中期開始上升，到80 年代初期達到顯著上升水平，達到頂點后又開始下降（圖4a），這進一步證實圖1a 中陜南日最大降水量具有顯著上升趨勢的縣（區）更多（占到陜南總站數的42%）；3 個區域年有降水頻率變化趨勢基本一致，均從1970 年以后呈上升趨勢，尤其是陜北在1975—1995 年達到顯著上升水平（圖4b），這也進一步說明圖2b 中陜北54%縣區年降水頻率具有顯著上升的趨勢。年無降水頻率則與年有降水日數時間變化趨勢相反（圖4d）；日平均降水強度3個區在近50 a 中無明顯變化趨勢（圖4c）這與圖1c顯示的結論也基本一致。夏季降水變化趨勢與全年的變化有很多地方相似，夏季日最大降水量關中和陜北變化不大，陜南地區從1975 年以后變為上升趨勢，1980—1990 年達到顯著上升水平（圖5a）；夏季降水日數3 個區域變化趨勢基本一致，從1970 年以后呈上升趨勢，1975—1998 年達到顯著上升水平，3個區中陜北變化更為顯著（圖5b）；夏季無降水日數的變化趨勢與有降水日數的變化趨勢相反（圖5d）；夏季日平均降水量強度1978 年以前3 個區均變化不明顯，1980 年以后，關中和陜南呈上升趨勢，陜南有些年份達到顯著上升趨勢，陜北卻呈下降趨勢，未達到顯著水平（圖5c）。

圖3 夏季日降水量超過第99 和第95 百分位閾值MK 趨勢分析

圖6 顯示夏季降水量超過第95 百分位數閾值的日數（圖6a）和超過第99 百分位閾值的日數（圖6c）及夏季降水超過第95 百分位閾值的日平均降水強度（圖6b）和超過第99 百分位閾值的日平均降水強度（圖6d）陜西3 個自然區域Z 指數MK 變化趨勢，由圖6a 可以看出超出第95 百分位閾值的日數，3 個區在1961—1978 年為下降趨勢，1978 年后為上升趨勢，陜北上升趨勢最為明顯，陜北在1975—2000 年達到顯著的上升水平，關中、陜南和陜北變化趨勢基本一致，變化幅度相對較小，在1980—1995 年達到顯著上升水平；從圖6c 可以看出超過第99 百分位閾值的日數與超過第95 百分位閾值的日數趨勢基本一致，陜北在1970 年以后上升趨勢更加顯著。由圖6b 可以看出超過第95 百分位閾值日降水強度陜北和關中關變化不明顯，陜南1980—1986 年上升趨勢顯著。超過第99 百分位閾值降水強度3 個區的變化趨勢與圖6b 是基本相似的（圖6d）。陜南在20 世紀80 年代初期達到顯著上升趨勢，關中和陜南變化趨勢不明顯。

圖4 陜西省分地區平均年極端降水Z 指數MK 趨勢時間變化

圖6 陜西省分區夏季超過第99 百分位閾值和第95 百分位閾值極端強降水時間分布圖

3 結論與討論

利用1961—2011 年陜西省93 個氣象站點數據，通過趨勢分析和突變檢驗方法，分陜北、關中和陜南3 個區域，分別對各站點全年以及夏季的日最大降水量和日平均降水強度發生頻率進行了分析，對陜西極端降水發生的時空變化特征進行了研究，得到以下結論。

（1）51 a 來，陜西全年日最大降水量、夏季最大降水量、超過第99 百分位閾值降水日數均在20 世紀70 年代中期以后呈現增加趨勢且在80 年代中期發生了突變。而關中和陜南超過第95 百分位閾值降水日數在80 年代初期和中期分別達到顯著水平。

（2）陜西關中和陜南地區的年最大降水量增加趨勢較陜北更為明顯，陜北的夏季最大降水量和強降水頻率均呈現一致的增加趨勢，而關中和陜南年強降水頻率的變化趨勢在各縣區表現不一致。關中和陜南大部分縣區的夏季日降水強度具有顯著上升的趨勢，但降水日數的變化各縣區的表現不太一致。

（3）近50 a 來陜西極端降水日數及強度均有一定程度的增加，尤其是陜南日最大降水量和陜北強降水日數的增加最為顯著。陜西暴雨洪澇的重點防范區域除了應關注傳統的陜南漢江和渭河沿線外，陜北發生洪澇災害的風險也在增大。

極端強降水的發生具有雙重性，既是山洪、泥石流等自然災害的主要誘發因素，同時又是重要的水資源補充途徑之一，其變化趨勢對水循環過程、水資源分布及農業生產也具有重要影響。特別是在全球變化的背景下，極端強降水事件發生的頻次和發生區域均發生了較大變化。由于極端氣候事件的形成機制復雜，本文僅對陜西地區極端降水的時空變化特征進行了分析，對于極端降水變化特別是區域變化差異產生的原因及其機理涉及較少，這不僅涉及到氣候系統的動力和熱力過程，還與海溫、大氣環流、地表狀況和太陽活動等多方面因素有關。因此，關于陜西極端強降水的變化機制及區域特征還有待于進行更深入的研究。