甘肅省近50年暴雨變化特征及其災害效應

胡 倩， 岳大鵬， 趙景波， 馬愛華

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 陜西 西安 710119)

甘肅省地處青藏高原、內蒙古高原的交匯處，位于中國西北部，東西向跨度大，輪廓大致呈西北東南，兩端寬大中間細窄的啞鈴型。甘肅省是東部季風區、西北干旱區和青藏高原區交匯之地，位于大河、大江的上游地域，江河眾多，主要氣象災害有干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風、沙塵暴和霜凍等[1]。甘肅省年平均氣溫為0～15 ℃，干旱、半干旱區占總面積的75%，年均降水量在318 mm左右，降水主要集中在夏季，約占全年降水量的53%，冬季降水極少，僅占2%，造成了冬春季干旱缺雨的地理氣候大背景[2]。甘肅省的暴雨中心是指降水量明顯大于周圍地區的地方，如六盤山、華家嶺、祁連山等地[3]。

近年來很多學者都對暴雨進行了許多方面的研究。史培軍等[4]研究認為，1951—2010年中國年代際暴雨雨量和雨日顯著增加，暴雨雨強也呈現增加趨勢；在空間上，中國年代際暴雨雨量和雨日呈現出從東南沿海地區向華中和西南及環渤海地區逐漸擴張的梯度增加趨勢。雷淑琴[5]等人研究認為甘肅省玉門地區2012年“6·5”暴雨發生背景為50 kPa“東高西低”型環流形勢，河套西部的閉合性反氣旋致使玉門上空產生了較長時間的氣流輻合上升運動，高原槽的移動使高原到玉門市南部一線維持一支西南氣流，以及“河套小高壓”南側維持的東南風，這2支水汽通道為暴雨區輸入了充沛的水汽條件。李玲萍[6]等人的研究認為河西走廊東部大到暴雨日數分布從東南向西北遞減，暴雨強度最大地為在涼州，最小地為烏鞘嶺，且單站暴雨多，成片的、大范圍的暴雨較少，局地性強、夜發性的特點。黃玉霞[7]等人的研究認為當西南季風盛行時，河東隴南南部、天水東部、平涼、慶陽西部一帶和河西張掖地區暴雨日數偏多；當東南季風盛行時，甘南高原、甘肅中部、河西武威一帶和酒泉地區暴雨日數偏多。以往對甘肅省暴雨的研究傾向于暴雨天氣過程、個例診斷分析以及甘肅省某個地區和某個季節的暴雨分析，對甘肅省暴雨的氣候特征進行全面分析的較少，更缺少長時間尺度上變化的研究。本文基于甘肅省29個氣象站1968—2017年的降水數據，分析了該省近50 a暴雨日數及暴雨量的時空分布特征及變化規律，以期為當地的暴雨天氣和氣象服務提供有參考價值的的資料，借此來預測未來的暴雨氣候，以達到防災減災的目的。

1 資料來源與方法

氣象學規定的暴雨是指某站某一天24 h(前一日20時至當日20時，北京時)累計降水量≥50.0 mm的降水。根據中國氣象科學數據共享服務網提供的甘肅1968—2017年50 a 的逐日降水資料，統計該區域暴雨天氣。規定24 h降水量大于等于50 mm小于100 mm 為一個暴雨日，降水量大于等于100 mm小于200 mm為一個大暴雨日，降水量大于等于200 mm 為一個特大暴雨日。

以暴雨日數(站次)及暴雨量作為定量表征體系，采用線性趨勢和累計距平分析甘肅省近50 a暴雨日數及暴雨量的年代際及年際特征，采用Mann-Kendall突變檢驗法、Morlet 小波分析方法等[8-10]分析甘肅省暴雨的突變和周期，采用ARCGIS中的克里金插值法分析甘肅省近50 a年均暴雨日數和暴雨量的空間規律。

2 結果與分析

2.1 年均暴雨量、暴雨日數的空間分布

年均暴雨量能夠反映某地暴雨日雨量總和的大小及暴雨的多寡情況[11]。根據甘肅省各站點近50 a年均暴雨量和年均暴雨日數，用克里金插值法做出甘肅省近50 a年均暴雨量和年均暴雨日數的等值線圖(圖1—2)。

圖1 甘肅省1968-2017年年均暴雨量(mm)的地域分布

由圖1—2得知，甘肅省年均暴雨量為0～44.6 mm，年均暴雨日數為0～0.66站次，年均最小值為隴西的馬鬃山、瓜州、敦煌及河西走廊鼎鑫、金塔、酒泉等地，年均最大值為隴東的西峰。隴南雖比隴東緯度更偏南，但年均暴雨量和暴雨日數卻從東向西逐漸減少。甘肅省暴雨總的地域特征為：隴東為全省暴雨高值高頻中心區，隴南地區次之，再次為河西走廊，隴西最低。造成這種地域分布的原因是由于隴東受東南季風的影響，隴南受西南季風影響，暴雨較多，隴西和河西走廊處于干旱半干旱區，暴雨很少。

圖2 甘肅省1968-2017年年均暴雨日數(d)的地域分布

2.2 累年最大日降水量的空間分布

研究期甘肅省共出現大暴雨11站次，其中環縣出現1站次，臨洮、崆峒、麥積各2站次。西峰出現大暴雨次數最多，共4站次。近50 a間甘肅省沒有出現過特大暴雨。甘肅省各站區日暴雨量的最大值為崆峒1996年7月27日的166.9 mm，臨洮的143.8 mm(1979年8月11日)次之(圖3)，而大暴雨最多的

西峰站點日暴雨量極值并不突出。近50 a來，甘肅省大暴雨高頻站點和日暴雨量極大值站點并不完全一致，但都在隴東地區。

圖3 甘肅省1968-2017年各站區日暴雨量(mm)極值的地域分布

2.3 暴雨季節變化特征

對甘肅省50 a暴雨日數及暴雨量分月份統計(表1)，結果顯示，在4—9月均會有暴雨發生，但主要出現在5—9月，即甘肅省的汛期，約占暴雨日數的99.48%。且4月暴雨出現的次數非常少，僅占0.52%。7月和8月是甘肅省暴雨發生最集中的兩個月份，兩個月年均暴雨次數分別為1.6站次、1.5站次，其暴雨發生次數遠高于其他月份，占到全年的80.31%。暴雨量與暴雨日數在每個月的分布基本一致，4—5月及9月暴雨量占全年的比例要略低于暴雨日數占全年的比例，6—8月反之，說明這3個月每次的暴雨量相對較高。

表1 甘肅省1968-2017年各月暴雨日數及暴雨量統計

為更清楚了解甘肅暴雨的特征，統計了汛期各旬暴雨日數(表2)。由表2可知，暴雨日數從5月中旬緩慢增加，7月上旬急劇增加，8月上旬有所下降，中旬有增多，下旬緩慢減少，9月上旬暴雨日數急劇減少。峰值出現在7月下旬，次峰值出現在8月中旬，年均暴雨日數分別為0.68站次和0.6站次。

表2 甘肅省1968-2017年汛期暴雨日數

2.4 暴雨日數年際、年代際變化特征

將甘肅省29個觀測站的暴雨日數求和，分析1968—2017年期間全年及汛期(圖4)暴雨日數的年際、年代際變化特征。

圖4 甘肅省1968-2017年暴雨日數的變化趨勢

結果表明，全年和汛期暴雨日數的年際和年代際變化以及線性趨勢變化一致，演變的主要特點為全年和汛期暴雨日數整體呈上升趨勢，每10 a全省平均增加了0.38站次。整個序列可分為3個階段：第1階段為1968—1987年的偏低階段，20 a中僅有6 a暴雨日數高于平均值。第2階段為1988—2004年的增減不明顯的波動階段。第3階段為2005—2017年的偏高階段。從年代際變化來看，20世紀70年代發生35站次暴雨，80年代發生38站次暴雨，90年代增加到41站次，21世紀前10 a降到36站次，之后僅8 a就有40站次的暴雨。由此可知，甘肅省暴雨在20世紀80年代后開始增加，21世紀前10 a有所減少，之后又開始增加。具體到每個月，暴雨日數的線性變化趨勢有所不同。4月份是甘肅省暴雨發生次數最少的一個月，50 a中僅出現1次暴雨，沒有表現出明顯的規律性。5月份(圖4)是甘肅省暴雨發生幾率較小的月份，50 a中僅有5 a發生過暴雨，1978年一年發生了3站次，其余4 a(1988，1990，2013和2017年)各出現1站次暴雨。5月份暴雨發生次數顯示出極強的隨機性，近50 a的5月份暴雨日數整體呈下降趨勢，線性趨勢為-0.005站次/10 a。6月份(圖5)甘肅省暴雨波動明顯，有13 a發生了暴雨，共21站次，大多分布在上個世紀80年代，21世紀前10 a和20年代，近50 a的6月份暴雨日數整體呈明顯上升趨勢，線性趨勢為0.158站次/10 a。暴雨日數峰值在2002年。7月份(圖4)甘肅省暴雨日數是全年各月中最集中的時期，50 a來僅有19 a無暴雨發生，年平均日數達1.6站次，高于平均值的年份有19 a，低于平均值的年份有12 a。7月份暴雨日數的整個序列呈上升趨勢，可分為以下3個階段。1968—1987年為暴雨日數較為明顯的偏低階段，20 a間只有5 a高于平均值。1988—2004年為暴雨日數很明顯的偏高階段，除去沒有發生暴雨的7 a之外，其余10 a間有8 a暴雨日數高于平均值。2005—2017年為暴雨日數增減不明顯的波動階段。由此可知，近50 a的7月份暴雨日數呈上升趨勢，線性趨勢為0.154站次/10。從年代際分布來看，每個年代均有暴雨發生。8月份(圖4)甘肅省發生暴雨的次數也相當頻繁，50 a來僅有14 a無暴雨發生，其余36 a中，高于平均值的年份有19 a。

20世紀70年代發生暴雨日數最多，20世紀80，90年代有所減少，21世紀以來暴雨日數又變多。近50 a的8月份整個序列上升趨勢不太明顯，線性趨勢為0.016站次/10 a。9月份甘肅省暴雨發生次數非常少，50 a中僅有6 a發生暴雨，共9站次，峰值在1990年發生了4站次，其余5 a(1978，2001，2011，2013和2016年)各發生了1站次，近50 a的9月份暴雨日數序列變化無明顯的規律和趨勢。

2.5 暴雨量的年際、年代際變化特征

據表3可知，1968—2017年甘肅省近50 a甘肅暴雨量經歷了少—少—多—少—多的年代際變化過程，其中20世紀90年代和2010年以后為峰值期，70年代為最少的10 a，21世紀最初10 a略多于20世紀70年代，20世紀80年代多于21世紀最初10 a。季節分布上，20世紀60，70年代以及21世紀前10 a年代際暴雨量偏少主要是夏季暴雨量偏少的貢獻，2010年以后年代際暴雨量偏多也主要是由于夏季暴雨量偏多。20世紀80年代年代際暴雨量偏少是秋季暴雨量偏少的貢獻，90年代年代際暴雨量偏多是夏秋兩季暴雨量偏多的共同作用。

表3 甘肅省1968-2017年各季及全年暴雨量的年代距平

由暴雨量的累計距平曲線(圖5)可以看出，近50 a來，甘肅暴雨量的序列是被分為以下3個階段。第1階段為1968—1977年，累計距平曲線呈波動式下降，說明這10 a中暴雨量總趨勢是小于平均值的。第2階段為1978—2004年，累計距平曲線曲線為波動形式，說明這17 a暴雨量的值有大有小，總體升降趨勢不明顯。第3階段為2005—2017年，累計距平曲線波動上升，說明13 a間年暴雨量總趨勢大于平均值。

圖5 甘肅省1968-2017年暴雨量的累計距平

2.6 暴雨日數及暴雨量的周期性分析

由以上分析可知，甘肅省全年、汛期和各月暴雨日數存在著多時間尺度的演變，利用Morlet小波對甘肅暴雨日數及暴雨量進行分析。由圖6—7可知，暴雨日數和暴雨量的小波系數實部等值線中心主要分布在2～3 a，6～8 a，所以暴雨日數和暴雨量存在2～3 a，6～8 a兩類尺度的周期變化規律。在年際變化上，20世紀90年代以前以7～8 a的振蕩周期為主，90年代以后以6～7 a的振蕩周期為主，2～3 a的周期存在于整個時間序列中。根據暴雨日數和暴雨量變化序列的小波方差分析結果可知，兩者都存在8 a和3 a兩個周期。不同點在于暴雨日數8 a周期比3 a周期明顯，暴雨量3 a比8 a周期明顯。

暴雨日數和暴雨量的小波方差圖在25 a處都顯示出一個最高值，證明25 a也許是一個長周期，但由于研究期時間序列不夠長，暫時難以確定。且暴雨日數和暴雨量的小波變換系數時頻分布圖的實線暫未完全閉合，表明目前甘肅省還處于暴雨較多的時期，圖7—8中還出現了不甚明顯的17～18 a年的振蕩周期，在1997年后，該周期比較明顯。

圖6 甘肅省1968-2017年暴雨日數的小波變換系數(左)及小波方差變化曲線(右)

圖7 甘肅省1968-2017年暴雨量的小波變換系數(左)及小波方差變化曲線(右)

2.7 突變檢驗

由以上分析可知，甘肅省近50 a來，全年和各月，暴雨日數和暴雨量的變化趨勢都有所不同，下面利用MK檢驗法對甘肅省50 a暴雨日數(圖8)及暴雨量(圖9)進行突變檢驗。

圖8 甘肅省1968-2017年暴雨日數的突變檢驗

圖8的UF和UB曲線相交于2005，2006，2012，2014及2015年，說明暴雨日數在這些年份存在較大幅度的變化，交點過多，結合暴雨日數的年際變化圖(圖5)來看，可以得知暴雨日數呈波動變化，突變不明顯。暴雨量的突變檢驗與暴雨日數結果不同，圖9的UF曲線在1980—1982年超過了0.05水平顯著線，說明這段時間暴雨量有一顯著的增加趨勢。UF和UB曲線在1977年存在交點，在此后UB曲線幾乎一直低于UF曲線，根據暴雨量變化圖(圖10)也可以看出在1977年之前，年均暴雨量為180.7 mm，1977年之后年均暴雨量為271.9 mm，明顯增多，因此甘肅省暴雨量在1977年發生了突變。兩條曲線還存在許多交點，在1985，1994，1997和2000年左右，說明暴雨量在這些年份均有顯著的變化。

圖9 甘肅省1968-2017年暴雨量的突變檢驗

圖10 甘肅省1968-2017年暴雨量的變化趨勢

3 討 論

3.1 極端暴雨變化原因

極端暴雨變化的原因可能包括氣候變暖，東亞季風的變化以及厄爾尼諾時間的影響等。李彩霞[12]等人研究指出全球變暖使部分熱帶地區降水量增多，很多副熱帶地區降水量減少，而高緯度地區降水量也增多。20世紀后半葉，中緯度大部分地區降水量增加，強降水或極端降水頻率也相應增加。黃玉霞[7]等人研究東亞夏季風對甘肅夏季暴雨日數的影響得出夏季，西南季風、東南季風對甘肅省暴雨日數的影響存在很大差異，當西南季風盛行時造成河東隴南南部、天水東部、平涼、慶陽西部一帶和河西張掖地區暴雨日數偏多；當東南季風盛行時，造成甘南高原、甘肅中部、河西武威一帶和酒泉地區暴雨日數偏多。林紓[13]等人對甘肅省河西走廊地區的夏秋雨日進行研究，得出與1990年代相比，2000年代500，200和70 kPa高度場、相對濕度及比濕有明顯的年代際變化，對秋季降水有利而對夏季降水不利。綜上所述，極端暴雨近50 a來變化的原因可能是由全球變暖，東亞季風增強引起的。

3.2 極端暴雨變化引起的災害

極端暴雨變化造成會造成洪澇災害。由上述分析可知暴雨日數和暴雨量都存在上升的趨勢，那么對應的暴雨洪水應該也存在上升趨勢。郭小燕[14]等人對甘肅省水旱災害時空分布特征的研究結果表明，甘肅省1985—2007年水災受災面積呈上升趨勢。在蒲金涌[15]的甘肅省暴雨洪水災害分布特征研究中指出，1950—1997年該省農田共遭水災面積4.67×106hm2，平均每年受災面積9.70×104hm2，其中1984年為3.16×105hm2，1991，1992和1996年平均超過3.33×105hm2，最多的1996年受災面積接近4.00×105hm2。48 a間受災人口3 397萬人，死亡人口7 564人，倒塌房屋70萬間，直接經濟損失7億元(1990年不變價)。由表4可知死亡人數以1970—1980年為多，占48 a人口死亡總數的31.3%，直接經濟損失以20世紀90年代最為嚴重。1991—1997年這7 a僅占48 a的14.6%，直接經濟損失量卻占到48 a的54%。如2012年7月16日，甘肅省南裕固族自治縣境內持續普降小到中雨10 h，致縣內部分路段、河堤遭受洪水襲擊。此次災害已造成直接經濟損失達5 789萬元[16]。2018年7月9—11日，甘肅河東地區出現了強降水天氣，隴東南最大累積雨量達200～250 mm，造成了重大人員傷亡和財產損失。初步統計暴洪已致隴南、天水、定西、平涼、慶陽、甘南等6個市(州)24個縣(區)161個鄉(鎮)28.6萬人受災。從暴雨日數的年際變化可以得知，1998—2017年暴雨日數增多，表明這一時段與1960—1997年之間的時段一樣，暴雨洪水的危害和暴雨洪水造成的損失增大(表4)。

表4 甘肅省1961-1997年洪水災害損失情況[15]

根據王燕[2]等人對甘肅省近37 a降水特征的研究，可以看出甘肅省降水年際變化的線性趨勢并不顯著。在降水未增多的情況下，暴雨呈上升趨勢，導致地表徑流流失的水分增多，進而旱災加重。馬瓊[17]等人對甘肅省黃土高原干旱的研究顯示，甘肅省干旱事件頻次有所上升，近10 a來尤為顯著。尹憲志[18]等人對甘肅省近50 a的干旱災情的研究結果表明，近50 a甘肅的干旱災害呈面積增大和頻率加快的趨勢，旱災成災率呈上升趨勢。從1950—1979年30 a間，旱災成災率超過30%的年份有1 a，而1980—2000年21 a間，有5 a成災率達30%以上，其中，1995年達到了45.3%，成災率是近50 a來最大的。近50 a來，甘肅發生干旱成災面積超過1.00×106hm2的嚴重干旱年13次，而90年代以來就出現了6次，分別是1991，1992，1994，1995，1997和2000年。特別是1995和2000年最為嚴重，成災面積是50 a來最大。王亞竹[19]等人對甘肅省旱災的發展趨勢研究結果也表明，旱災受災面積和成災面積都呈逐步增加的趨勢，尤其是20世紀90年代和2000年以來，旱災受災面積和成災面積都顯著增加。以20世紀50年代為基準，60年代、70年代、80年代、90年代、2000—2007年的年均旱災受災面積分別是50年代的2.14，2.30，2.44，3.75，3.27倍，年均旱災成災面積分別是50年代的2.2 l，2.39，2.47，3.52，2.95倍。根據以上所述，可以確定隨著暴雨的增多，旱災有所增多，其危害也變大，應做好抗旱準備，減少旱災損失。

4 結 論

(1) 甘肅省暴雨日數與暴雨量總的地域特征為：隴東為全省暴雨高值高頻中心區，隴南地區次之，河西走廊和隴西為最低，幾乎不出現暴雨。大暴雨高頻站點和日暴雨量極大值站點并不完全一致，但都在隴東地區。

(2) 在季節分布上，甘肅省暴雨主要出現在汛期(5—9月)，特別是主汛期(7—8月)是暴雨發生最集中的時段。暴雨日數與暴雨量從5月中旬緩慢增加，7月上旬急劇增加，8月上旬有所下降，中旬又增多，下旬緩慢減少。

(3) 近50 a甘肅省暴雨日數呈現出上升趨勢，但5月呈下降趨勢，6月上升趨勢最明顯，主汛期7月上升趨勢明顯，8月幾乎沒有上升趨勢。

(4) 近50 a甘肅省暴雨量經歷了少—少—多—少-多的年代際變化過程，除80，90年代是秋季暴雨量貢獻較大以外，其余年代均是夏季暴雨量貢獻較大。

(5) 近50 a中，暴雨日數和暴雨量周期變化規律相似，均存在3 a及8 a的振蕩周期，以90年代為分界，前(后)期以8 a(6 a)為主，1997年后暴雨量存在不明顯的18 a的振蕩周期。不同之處在于暴雨日數的8 a比3 a周期明顯，暴雨量的3 a比8 a周期明顯。

(6) 近50 a來，甘肅省暴雨日數沒有突變點，暴雨量在1977年存在一次突變，1977年之前較少，1977年之后較多。近50 a來極端暴雨變化的原因可能是與全球變暖，東亞季風增強有關。

(7) 甘肅省近50 a暴雨的增加不僅造成了洪災的增多，還由于暴雨增加引起了更多的水土流失，導致了旱災的明顯增加，需要加強對甘肅省暴雨監測以及防災減災工作。