陳連俠，趙 勇，鹿翠華，張美玲，褚濤

（1.山東省棗莊市氣象局 山東 棗莊277800；2.山東省滕州市氣象局 山東 滕州277500）

隨著氣候變暖，中國的天氣和氣候極端事件的發(fā)生也出現變化，極端事件的頻率和強度變化對自然和社會的沖擊遠大于氣候平均變化帶來的影響［1］，楊萍指出極端氣候事件及其衍生災害對社會和經濟的影響力和破壞力越來越嚴重，因此關于極端氣候事件的評估和規(guī)律分析是非常重要的研究領域［2］。極端氣候事件是指小概率氣候事件，具有破壞性大、突發(fā)性強和難以預測等特點［3］。同時，符淙斌認為氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)的一個重要現象，它是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢）跳躍式地轉變到另一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢）的現象［4］。全球變暖背景下極端氣候事件的變化區(qū)域性強，對極端降水事件的突變研究受到越來越多的重視，取得了許多研究成果［5～8］。

棗莊市位于中國南北結合部中緯度（北緯34°52′，東經117°35′）地區(qū)的魯南與蘇北交界處，與皖北相鄰，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，年降水量在815.8mm（1971－2000年平均值），是山東省降水量最多的地區(qū)之一，降水年際變化大，主要集中在汛期（6－9月），占全年降水量的70%以上［9］。棗莊極端降水天氣和引發(fā)系統(tǒng)兼有南方和北方地區(qū)的特點，是極端降水天氣多發(fā)區(qū)和大值區(qū)［10，11］。為進一步揭示棗莊汛期極端降水對氣候變化的響應情況，在以上文獻分析研究的基礎上，本文擬確定汛期極端降水事件的閾值，試圖分析棗莊近44年汛期極端降水指數隨時間發(fā)生突變的規(guī)律，對豐富預報背景資料和防災減災及社會可持續(xù)發(fā)展都將起到積極作用。

1 資料與方法

資料來源于棗莊58024站的逐日降水資料，時段為1971－2014年 。由于降水極值具有很強的地區(qū)差異，所以根據當地的情況確定極端事件的標準對本地更有實際意義［12］。本文對極端降水研究主要依據世界氣象組織的規(guī)定，采用國內外通用的95%分位數算法進行定義［13］。將目前氣象上所用的30年標準時間段（1971－2000年）確定為定義閾值的時間段，將該時段內日降水量≥0.1mm的逐年日降水進行升序排序，計算該年第95個百分位值，得到30年95百分位值的平均值即為極端降水閾值。據此，本文定義了4種極端降水事件指數，即：年最大日降水量、極端降水量、極端降水日數和極端降水強度，具體定義詳見表1。

表1 本研究使用的極端降水指數定義Table 1 Definition of precipitation Indices in this study

根據表1定義，統(tǒng)計出棗莊市逐年降水序列日降水量≥95%分位點的雨量為38.7mm，在確定了極端降水事件閾值的基礎上，本文統(tǒng)計分析棗莊1971－2014年汛期極端降水各指數的突變特征，應用檢驗m－k［14］、累積距平等方法等進行了突變檢驗。

2 結果與分析

2.1 汛期年最大日降水量突變檢驗

在m－k突變檢驗中，Uf為時間序列的統(tǒng)計量，Ub為時間逆序列的統(tǒng)計量，兩者在臨界線內的交點，即為突變點。由圖1可見，1971－1977年Uf下降趨勢明顯，達到0.05顯著水平，1978－2013年呈上升趨勢，其中1999－2014年Uf＞0，出現明顯增大趨勢；Uf和Ub的交點出現在1997年，日最大降水量在1997年發(fā)生由小到大的突變，但突變不明顯，沒有通過0.05顯著性檢驗。比較1971－1996年的平均值為94.1mm，1997—2014年的平均值為111.3mm，1997－2014年比1971－1996年增加幅度為17.2mm，達到了1個“中雨”（日降水量10.1～25.0mm）降水量。

圖1 汛期日最大降水量m－k突變檢驗Fig.1 The m－k mutation test of day maximumprecipitation in flood season

2.2 汛期極端降水日數突變檢驗

由圖2可見：1971－1977年Uf下降趨勢明顯，達到0.05顯著水平，1978－2002年小幅波動，趨勢變化不明顯；2003－2006年雖然出現了增大的趨勢，在臨界值范圍內有交點，但Uf始終＜0；比較1971－2002年的平均值為3.8d，2003－2014年的平均值為4.3d，2003－2014年比1971－2002年增加幅度為0.5d。因此認為，極端降水日數沒有發(fā)生突變。

圖2 汛期極端降水日數m－k突變檢驗Fig.2 The m－k mutation test of extreme precipitation days

2.3 汛期極端降水量突變檢驗

用m－k方法進行突變性判定汛期極端降水量（圖3），1971－1977年 Uf下降趨勢明顯，其中1974－1975年達到0.05顯著水平，1977年達到0.01的顯著水平；1978－2013年呈上升趨勢，其中：2003年以前基本 Uf＜0，2004－2013年 Uf＞0，出現明顯增大趨勢，但沒有通過0.05的信度檢驗；極端降水在1971、1986－1992、2013年發(fā)生由大－?。螅〉耐蛔儭Ｓ蓤D4累積距平曲線可以看出，1992年發(fā)生了轉折，結合圖3認為，1971、1992、2013年為突變點。比較1972－1992年的平均值為227.4mm，1993－2013年的平均值為280.1mm，1993－2013年比1972－1992年增加幅度為52.7mm，增加幅度達到1個“暴雨”（日降水量50.1～100.0mm）降水量。

2.4 汛期極端降水強度突變檢驗

圖3 汛期極端降水量m－k突變檢驗Fig.3 The m－k mutation test of extreme precipitation

圖4 汛期極端降水量累積距平圖Fig.4 Accumulative anomaly map of extreme precipitation

極端降水強度是衡量極端降水的重要指標，由極端降水強度的定義知道，強度的大小從一個側面，反映了極端降水的極端性。強度越大造成災害的可能性越大汛期極端降水強度多年（1971－2014年）平均值為66.9mm·d－1，在暴雨標準范圍內。由圖5可見，極端降水強度分別在1972、1992、2013年發(fā)生了由強－弱－強－弱的突變，1976－2013年呈現振蕩增強趨勢，其中2006－2013年增強明顯，但未達到0.05顯著水平。比較1973－1992年的平均值為61.57mm·d－1，1993－2013年的平均值為71.0mm·d－1，1993－2013年比1973－1992年增加幅度為9.49mm，增加幅度在1個“小雨”（日降水量0.1～10.0mm，下同）降水量級，因此認為，極端降水強度突變不明顯。

圖5 汛期極端降水強度m－k突變檢驗Fig.5 The m－k mutation test of extreme precipitation intensity

2.5 其它降水指數與極端降水量相關性分析

據統(tǒng)計，棗莊汛期極端降水量、極端降水日數多年平均分別為261.6mm和4d。由圖6可見，極端 降 水 量 為 45.3～729.1mm，多 集 中 在100～420mm之間；極端降水日數為1～8d，多集中在2～5d。棗莊汛期極端降水日數與極端降水量的對應關系較好，即極端降水日數多時一般對應著極端降水量較多。經計算，兩者相關系數為0.87，通過0.01顯著性檢驗。同樣分析，日最大降水量、降水強度與降水量之間存在正相關變化關系，相關系數分別為0.71、0.40，均達到了0.01顯著水平。

圖6 汛期極端降水量與極端降水日數相關性分析Fig.6 The m－k mutation test of extreme precipitation intensity

3 結論與討論

（1）本文對極端降水閾值的定義，采用標準時間段為1971－2000年中國氣象局30年整編資料，相對其他地區(qū)而言其分析和結論具有可比性。棗莊汛期極端降水閾值為38.7mm，44年平均值：日最大降水量為101.2mm，極端降水日數為4d，極端降水降水量為261.6mm，極端降水強度為66.9mm，以上指標可以為研究者提供參考，也可為開展服務，如：城市防汛抗旱規(guī)劃設計、水庫建設、防洪、蓄水等提供決策依據，以達到防災減災的目的。

（2）1971－2014年，棗莊汛期日最大降水量1997年發(fā)生突變是一次由小到大的突變，突變不明顯，沒有通過0.05顯著性檢驗；從長期變化趨勢來看，近44年來棗莊汛期極端降水日數沒有明顯的變化趨勢，未發(fā)生突變；極端降水量在分別1971、1992、2013年發(fā)生由大－?。螅〉耐蛔?，其中1971年突變達到0.01的顯著水平，1992、2013年沒有達到0.05顯著突變標準；極端降水強度分別在1973、1992、2013年發(fā)生了由強－弱－強－弱的突變，強度變化不穩(wěn)定，個別年份出現震蕩；日最大降水量、降水日數、降水強度與降水量成較好的正相關，通過了0.01的信度檢驗。

（3）日最大降水量、降水日數、降水強度的變化均可引起降水量的變化，降水量的變化也可能是它們三者共同作用的結果；汛期極端降水量與極端降水強度在時間段和量級變化方向上有一定程度的吻合，相關性較好；20世紀70年代中期以來日最大降水量、極端降水量和極端降水強度均出現了增大趨勢，其中2004年以來三者均出現了明顯增大趨勢，但均未達到0.05顯著水平。

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