1961—2019年陜西省極端旱澇事件的時空演變規律

李 鳳，李 毅，于 強，彭 艷，姚 寧，馮 浩，宋小燕

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016；4.陜西省氣象科學研究所，西安 710016)

在全球氣候變化的背景下，極端降水事件頻發備受國內外研究學者的關注[1-2]。極端降水事件雖然是小概率事件，但具有突發性強和危害性大等特點，同時因其所引發的洪澇、滑坡和泥石流等自然災害對我國經濟社會發展和社會穩定造成嚴重影響[3]。IPCC第五次評估報告指出，未來全球會有更多地區發生強度更高的降水和干旱等自然災害。陜西省是我國西北地區極端降水事件發生高風險的區域之一，每年因極端降水事件造成的平均經濟損失高達91.02萬元，在氣象災害損失占比中屬最高的一類[4]。受氣候變化和人類活動共同影響，我國西北地區的暖濕特征越來越顯著，大部分地區降水量顯著增加，并呈現出年際變化大和空間區域分布不均衡等特點[5-6]。

近100 a以來，我國年降水量呈現出下降趨勢(-12.66 mm/a)，表現為區域降水顯著增加或減少的情況在增加，由此導致的洪澇和干旱風險也在增加[7-9]。Li等[10]采用Mann-Kendall趨勢檢驗方法分析研究了黃土高原地區極端降水和極端溫度時空變化。于淑秋等[11]對西北地區64個氣象站的降水和溫度數據進行分析發現，1986年前后的溫度和降水發生了明顯的躍變。李萍云等[12]利用陜西省99個氣象站點2005—2018年的逐小時降水數據研究了短時強降水的時空變化，發現省內各區域的短時強降水差異較大。郭兆夏[13]等在建立陜西省GIS地理因子與降水因子之間關系的研究中發現，陜西省年降水量呈現明顯的空間差異。以往學者往往專注于降水的時空變化研究，本文從極端降水指數入手分析陜西省近59 a極端降水時空變化特征，為當地未來部署防洪防旱工作提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況與資料搜集

陜西省位于我國內陸腹地，黃河中游地區[14]。地勢呈現出南北高、中間低的特點。陜西省橫跨了三個氣候帶，陜南、關中平原以及陜北地區的氣候具有較明顯的差異，其中降水主要呈現出南多北少的空間格局[15]。

研究資料選用陜西省51個地面氣象站(圖1)1961—2019年的日降水數據，日降水量(20—20時)分別來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)和陜西省氣象局(http://sn.cma.gov.cn/)。所有數據均通過了嚴格的質量控制，缺測的日降水數據由附近3個站點的平均值補齊。

圖1 陜西省數字高程及所選站點分布

1.2 極端降水指數

研究所選用的6個極端降水指數由MATLAB2017計算得出。這6個指數均由氣候變化檢測專家組(ETCCDI)推薦，能夠較為準確地體現極端降水事件的特征。有關極端降水指數的定義見表1。

表1 選擇的6個極端降水指數及定義

1.3 方法

用線性趨勢分析法、森斜率和Mann-Kendall趨勢檢驗法來分析極端降水指數的趨勢變化規律。以往的非參數Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗方法會在顯著性檢驗中出現估計誤差，改進的非參數Mann-Kendall(MMK)趨勢檢驗方法對這方面計算進行了完善[16]，考慮了序列相關性對樣本方差的影響，所以趨勢檢驗能力更強。根據計算得到統計量Z*值，當它為正值時表示時間序列有上升的趨勢，若為負值則表示有下降的趨勢。在5%的顯著性水平下，當Z*的絕對值大于1.96時，則表示時間序列上有顯著地趨勢。根據計算得到森斜率b值，當它的值為正(負)表示時間序列呈遞增(遞減)趨勢；森斜率值等于零，意味著時間序列沒有趨勢。

2 極端降水指數時間變化特征

2.1 月際變化

表2為極端降水指數的月際變化。由表可知：極端降水指數的月際變化差異較大，DCD從1月到12月主要表現為先減小后增加，并且在7月最小(8.1 d)，1月最大(20.3 d)。其他5個極端降水指數(DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT)的表現則與DCD相反，即先增加后減少；此外，這5個指數7—9月的值明顯高于其他月份，1、2和12月的值則明顯小于其他月份，兩個時期對應5個指數的范圍分別為3.0～3.7 d/0.9～1.3 d、3.5～3.8 d/0.02～0.03 d、32.6～42.6 mm/2.6～4.7 mm、32.5～42.6 mm/1.9～3.8 mm、107.6～125.8 mm/4.6～8.5 mm，這說明陜西省夏季各地容易遭受暴雨洪澇災害，而冬季則容易出現干旱少雨的情形。

表2 陜西省極端降水指數的月際變化

2.2 年際和年代際變化

陜西省6個極端降水指數的年際和年代際變化特征見圖2。從年際變化結果來看：DCD、DCW、DR10和Rd,max、R95p、RT多年均值分別為38.8、5.8、20.0 d和60.7、167.8、644.3 mm，變化趨勢率分別為-0.14、-0.13、-0.20 d/10 a和1.08、0.39、-3.42 mm/10 a，DCD、DCW、DR10和RT出現下降的趨勢，這表明陜西省的干旱狀況有略微緩解的趨勢，但仍需防范短時強降水的危害；DCD作為代表干旱狀況的指數，在1999年出現最大值(67.1 d)，同時DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT的值都比較低(4.9 d、17.0 d、57.7 mm、138.5 mm和540.3 mm)，說明這一年屬于極端干旱年[17]；R95和RT在1964年達到最高值(235.7 mm和907.3 mm)，遠遠超過地區多年平均水平，說明這一年屬于極端濕潤年，容易發生洪澇災害[18]。

6個極端降水指數的年代際變化波動幅度較大：DCD從1960—1990年代的變化總體呈現增加趨勢，而后又呈現出下降趨勢，這說明1990年代極端干旱事件較頻繁；DCW與DCD呈現出相反的變化規律，具體表現為1990年代以前呈下降趨勢，且波動幅度更大， 而1990—2000年代則呈現增加的趨勢。DR10、Rd,max、R95p和RT有著相似的年代際變化特征，即1990年代指數較低，且后期呈現增高的趨勢；此外，在1970—1980年代4個指數值較高，說明這個時期洪澇災害較頻繁。

3 極端降水指數空間分布及變化特征

圖3展示1961—2019年極端降水指數多年平均值的空間分布。可以看出：DCD呈現出與其他5個極端降水指數相反的空間格局，即由南到北增加的趨勢；超過46.0 d的站點均分布在陜北，佳縣最高(60.3 d)。DCW與DCD的空間分布狀況相反，即陜南和關中地區較高，超過6.2 d的站點都分布在這里，而陜北地區較低，主要體現為降水少且比較分散。DR10較高的值分布在陜南山區，鎮巴站最大(34.2 d)，且DR10由南到北出現均勻遞減的趨勢，這說明陜南地區的強降水較頻繁，而陜北則較少。Rd,max由南到北大體表現為先減小后增加，關中地區部分站點相對較小。值得注意的是，鎮巴站(118.6 mm)明顯高于其他站點，這說明該站點容易遭受短時暴雨洪澇災害的影響。R95p的空間分布格局與Rd,max相似，也是鎮巴站最高(390.0 mm)，與Rd,max不同的是陜西最北部地區的站點較低。RT由南到北呈現遞減趨勢，超過1 000 mm的站點均分布在最南部地區，而低于440 mm的站點均分布在最北部地區。

折線為年際變化；曲線為10 a滑動平均的年代際變化；直線為年際變化趨勢。圖2 1961—2019年陜西省極端降水指數的年際和年代際變化特征

4 極端降水指數的突變年份和趨勢變化

由森斜率b可以看出，DCD、DCW、DR10和RT均出現了下降的趨勢，而Rd,max和R95p則出現了增加的趨勢，這與其線性趨勢變化完全一致(表3)。除Rd,max以外的5個極端降水指數均無顯著性趨勢，說明陜西省極端降水的趨勢變化并不顯著。Rd,max具有顯著增加的趨勢(Z*為1.98)，同時其森斜率b也大于其他5個極端降水指數，這也說明顯著趨勢和森斜率有一定的一致性。

1961—2019年陜西省極端降水指數的突變檢驗見圖4。從圖中可以看出：6個極端降水指數均有顯著性變化(|Zm|≥1.96)。DCD、DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT發生突變的年份分別是1964、1964、1961、1974、2016和1961年，DCD和DCW、DR10和RT分別具有相同的突變年份；DCD、DCW、DR10和RT在突變年份前后先增后減，而Rd,max和R95p在突變年份前后則是先減后增。

根據各站點6個極端降水指數的趨勢檢驗結果(表4和圖5)可知：全省6個極端降水指數無顯著變化的站點遠多于顯著變化的站點，其中所有站點的DCD值均無顯著變化。從DCD的變化趨勢可見，陜南和關中地區出現不顯著上升或者下降趨勢的站點均勻分布在各處，而陜西中北部大多數站點呈現出不顯著上升趨勢，陜北地區大多數站點則呈現出不顯著下降趨勢。這說明未來陜北有干旱緩解趨勢，同時陜南部分地區也會面臨干旱的風險。DCW出現顯著下降、不顯著下降趨勢的站點均遠高于顯著上升、不顯著上升的站點，且多集中在關中地區。與DCW類似，DR10出現不顯著下降趨勢的站點主要集中在關中地區，且唯一一個顯著下降趨勢的站點也在該區，說明該區域未來極端降水事件可能呈現緩解的趨勢。Rd,max有4個站點有著顯著上升趨勢，其中3個站點位于陜南山區，而且該區域大多數站點有不顯著上升趨勢。對于原本極端降水事件頻繁的陜南地區來講，未來暴雨洪澇災害的風險將進一步加劇。R95p出現趨勢變化的站點隨機地出現在全省各處，這說明非常濕潤天的降水量的趨勢變化無明顯地區差異性。RT出現顯著下降和不顯著下降趨勢的站點占多數，這說明未來省內的降水可能會進一步減少，且主要集中在關中地區。

圖3 1961—2019年陜西省極端降水指數多年平均值的空間分布

表3 陜西省6個極端降水指數使用改進的非參數MMK檢驗得到的統計量(Z*)以及森斜率(b)

表4 1961—2019年陜西省6個極端降水指數不同變化趨勢的站點數量 單位：站

圖4 1961—2019年陜西省極端降水指數的MMK突變檢驗

圖5 通過MMK趨勢檢驗方法計算的降水指數變化趨勢的空間分布

5 結論

(1)陜西省極端降水指數的月際變化差異較大。其中1、2和12月容易出現極端干旱狀況，而7—9月容易出現極端濕潤狀況；年際和年代際變化主要表現為極端干旱和極端濕潤交替出現，而且1964年和1999年分別對應極端濕潤年和極端干旱年，對應的DCD、DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT值分別為26.4/67.1 d、6.1/4.9 d、28.2/17.0 d、65.6/57.7 mm、235.7/138.5 mm和907.3/540.3 mm。此外，DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT在1970—1980年代較高，洪澇災害影響明顯；相反，這5個指數在1990年代較小(DCD值較高)，干旱影響明顯，1990年代以后呈增加趨勢。

(2)DCD、DCW、DR10和RT的線性趨勢和森斜率均呈下降趨勢，而Rd,max和R95p呈增加趨勢。

(3)在空間分布方面，DCD、DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT多年均值分別為38.8 d、5.8 d、20.0 d、60.7 mm、167.8 mm和644.3 mm。除DCD外，大部分極端降水指數有著北低南高的分布特征，這說明陜南地區的極端濕潤事件更頻繁，而陜北地區的極端干旱事件更頻繁。極端降水事件空間趨勢變化主要反映在陜北有濕潤的趨勢，關中平原地區極端降水事件有緩解的趨勢，而陜南地區則出現區域加劇和緩解并存的趨勢。