鄭小華，婁盼星，劉 環(huán)，馮 蕾，馬永永

（陜西省氣象臺(tái)，陜西 西安710015）

隨著全球變暖，各地極端天氣氣候事件頻發(fā)，其中極端降水的強(qiáng)度頻繁突破歷史極值，已引起國(guó)內(nèi)外氣象研究者廣泛關(guān)注。陜西省地處青藏高原的東北側(cè)，地形南北狹長(zhǎng)，橫跨三個(gè)氣候帶，受季風(fēng)氣候影響，暴雨多集中在夏季6—9 月，極端降水強(qiáng)度大、時(shí)空分異特征明顯，極端強(qiáng)降水導(dǎo)致陜西各地每年都有不同程度的洪澇災(zāi)害發(fā)生，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。1981 年8 月漢中大水災(zāi)和1983 年7 月安康大水災(zāi)均造成重大人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)損失高達(dá)63.7億，2017 年陜北暴雨洪澇災(zāi)害致使綏德全縣被淹，造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。研究表明，20 世紀(jì)后期開(kāi)始，中高緯度大部分地區(qū)降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，強(qiáng)降水或極端降水的頻率也相應(yīng)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(guó)極端降水事件的時(shí)空分布特征，認(rèn)為極端降水事件多發(fā)于35°N 以南以及高原東南部[3]。翟盤(pán)茂、吳燕娟等對(duì)北方地區(qū)近50 a 降水極端事件的進(jìn)行了分析，認(rèn)為近50 a 西部降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，特別是西北區(qū)域的強(qiáng)降水事件趨于增多[4-5]。針對(duì)西北地區(qū)，趙麗等分析了新疆極端降水的時(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)過(guò)去50 a 北疆地區(qū)和天山山區(qū)極端降水總體上呈增加趨勢(shì)[6]。岳江等運(yùn)用Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)研究了大同地區(qū)年降水量時(shí)間序列和空間序列變化規(guī)律[7]，楊宏青、張文等多位學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江流域的極端降水時(shí)空分布情況進(jìn)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(qū)，探討該區(qū)域的極端強(qiáng)降水變化特征具有重要的科學(xué)價(jià)值。前期姜?jiǎng)?chuàng)業(yè)[11]等對(duì)1961—2009 年陜西省極端強(qiáng)降水事件的時(shí)空演變進(jìn)行了分析，但在區(qū)域劃分及極端降水分析指標(biāo)應(yīng)用方面較為單一。本研究統(tǒng)計(jì)了陜西全年日最大降水量、日平均降水強(qiáng)度、夏季日最大降水量、夏季日平均降水強(qiáng)度、夏季日降水量超過(guò)第99 和第95 個(gè)百分位數(shù)的降水量/降水強(qiáng)度、夏季日降水超過(guò)第99 和第95 個(gè)百分位的降水日數(shù)和強(qiáng)度的時(shí)空分布，試圖發(fā)現(xiàn)陜西的強(qiáng)降水是否更趨于極端化和頻繁化，以期為應(yīng)對(duì)氣候變化、降低極端強(qiáng)降水事件對(duì)自然和社會(huì)的影響提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域及資料

陜西省地處中國(guó)西北地區(qū)東部的黃河中游，位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N。屬內(nèi)陸省份，地域南北長(zhǎng)、東西窄，南北長(zhǎng)約870 km，東西寬約200～500 km，土地總面積20.56 萬(wàn)km2。地理環(huán)境復(fù)雜，明顯可分為陜北黃土高原、關(guān)中平原和陜南秦巴山地三種地貌區(qū)。復(fù)雜的地理環(huán)境造就了豐富的氣候類型，可分為陜北、關(guān)中、陜南三大自然區(qū)，也可細(xì)分為長(zhǎng)城沿線風(fēng)沙、陜北丘陵溝豁、渭北高原、關(guān)中平原、秦嶺、漢中盆地、巴山等7 個(gè)氣候區(qū)域。陜西屬大陸性季風(fēng)氣候，跨越3 個(gè)氣候帶，即陜北溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)；關(guān)中暖溫帶半干旱、半濕潤(rùn)氣候區(qū)；陜南暖溫帶、北亞熱帶半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)氣候區(qū)。省內(nèi)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(shì)復(fù)雜，干旱、雨澇、霜凍、冰雹、大風(fēng)等自然災(zāi)害也較頻繁。

依據(jù)資料的連續(xù)性及最長(zhǎng)時(shí)段性標(biāo)準(zhǔn)，共選取符合條件的93 個(gè)氣象站，地面氣象站的日降水資料為中國(guó)國(guó)家氣象局氣象信息中心提供，并且經(jīng)過(guò)了較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制，丟失的數(shù)據(jù)（主要是在干燥的季節(jié)，這對(duì)當(dāng)前的結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，研究側(cè)重于年度/季節(jié)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(shí)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(guò)第99 和第95 百分位的頻率，日平均降水強(qiáng)度（降水總量/降水日數(shù)）/頻率，夏季日平均降水強(qiáng)度（夏季降水量/夏季降水日數(shù)）/頻率，夏季日降水超過(guò)第99和第95 百分位的降水強(qiáng)度/頻率用來(lái)研究陜西極端降水時(shí)空變化規(guī)律。

趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)則運(yùn)用線性變化傾向率和Mann-Kendall（MK）非參數(shù)檢驗(yàn)方法[12]。

設(shè)原始時(shí)間序列為y1，y2，…，yn，mi表示第i 個(gè)樣本yi＞yj（1≤j≤i）的累積數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量：

在原序列隨機(jī)獨(dú)立等假設(shè)下，dk的均值和方差分別為：

將上面公式的dk標(biāo)準(zhǔn)化，得：

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

2 結(jié)果分析

2.1 極端降水Mann-Kendall 趨勢(shì)空間分布

圖1 描述的是陜西省93 個(gè)氣象站1961—2011年極端降水事件Mann-Kendall 趨勢(shì)分析，“顯著”代表均通過(guò)ɑ=0.05 的顯著性檢驗(yàn)，通過(guò)從圖1a 可以看出陜北年最大降水量變化趨勢(shì)不明顯，但關(guān)中和陜南大部分縣（區(qū)）具有顯著上升的變化趨勢(shì)；圖1b顯示陜北超過(guò)一半的縣（區(qū)）年降水頻率具有顯著上升的趨勢(shì)，關(guān)中和陜南大部分縣（區(qū)）均具有顯著的變化趨勢(shì)（上升/下降）；年無(wú)降水頻率變化如圖1d與圖1b 相比，具有顯著變化趨勢(shì)的縣（區(qū)）變化趨勢(shì)是相反的。圖1c 可以看出有降水日日平均降水強(qiáng)度（年總降水量/年降水日數(shù)）全省大部分縣（區(qū)）無(wú)顯著變化，顯著下降的縣（區(qū)）較上升的縣（區(qū)）偏多。從圖1 可以看出關(guān)中、陜南日最大降水量具有顯著的上升趨勢(shì)，說(shuō)明極端降水增多了，暴雨洪澇的風(fēng)險(xiǎn)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(qū)）具有顯著上升趨勢(shì)，關(guān)中和陜南大部分縣（區(qū)）具有顯著變化（上升/下降）趨勢(shì)，上升/下降縣（區(qū)）數(shù)大致相等。圖2b 顯示夏季降水頻率陜北大部分縣（區(qū)）變化趨勢(shì)不明顯，關(guān)中和陜南大部分縣（區(qū)）變化（上升/下降）趨勢(shì)顯著；圖2d 是夏季無(wú)降水頻率變化趨勢(shì)圖，與圖2b 對(duì)比具有顯著變化趨勢(shì)的縣（區(qū)）的變化趨勢(shì)是相反的。圖2c 顯示出夏季日降水量強(qiáng)度陜北大部分縣（區(qū)）變化趨勢(shì)不明顯，關(guān)中和陜南具有顯著上升趨勢(shì)的縣（區(qū)）占多數(shù)。

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(shì)，關(guān)中和陜南夏季日降水強(qiáng)度是具有顯著增加的趨勢(shì)。

圖1 陜西省93 個(gè)氣象站1961—2011 年極端降水事件Mann-Kendall 趨勢(shì)分析

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

由圖3 可以看出關(guān)中和陜南夏季超過(guò)第99 百分位閾值和超過(guò)第95 百分位閾值的降水日數(shù)和強(qiáng)度均具有顯著增加趨勢(shì)、陜北超過(guò)第99 百分位閾值的降水日數(shù)具有顯著的上升趨勢(shì)。

2.2 極端降水Mann-Kendall 趨勢(shì)變化

圖2 陜西省93 個(gè)國(guó)家基本氣象觀測(cè)站夏季1961—2011 極端降水事件Mann-Kendall 趨勢(shì)分析

圖4 和圖5 顯示的是陜西省1961—2011 年3個(gè)自然區(qū)（陜北、關(guān)中、陜南）年和夏季極端降水Z指數(shù)MK 趨勢(shì)變化。日最大降水量陜北和關(guān)中沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，陜南20 世紀(jì)70 年代中期開(kāi)始上升，到80 年代初期達(dá)到顯著上升水平，達(dá)到頂點(diǎn)后又開(kāi)始下降（圖4a），這進(jìn)一步證實(shí)圖1a 中陜南日最大降水量具有顯著上升趨勢(shì)的縣（區(qū)）更多（占到陜南總站數(shù)的42%）；3 個(gè)區(qū)域年有降水頻率變化趨勢(shì)基本一致，均從1970 年以后呈上升趨勢(shì)，尤其是陜北在1975—1995 年達(dá)到顯著上升水平（圖4b），這也進(jìn)一步說(shuō)明圖2b 中陜北54%縣區(qū)年降水頻率具有顯著上升的趨勢(shì)。年無(wú)降水頻率則與年有降水日數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì)相反（圖4d）；日平均降水強(qiáng)度3個(gè)區(qū)在近50 a 中無(wú)明顯變化趨勢(shì)（圖4c）這與圖1c顯示的結(jié)論也基本一致。夏季降水變化趨勢(shì)與全年的變化有很多地方相似，夏季日最大降水量關(guān)中和陜北變化不大，陜南地區(qū)從1975 年以后變?yōu)樯仙厔?shì)，1980—1990 年達(dá)到顯著上升水平（圖5a）；夏季降水日數(shù)3 個(gè)區(qū)域變化趨勢(shì)基本一致，從1970 年以后呈上升趨勢(shì)，1975—1998 年達(dá)到顯著上升水平，3個(gè)區(qū)中陜北變化更為顯著（圖5b）；夏季無(wú)降水日數(shù)的變化趨勢(shì)與有降水日數(shù)的變化趨勢(shì)相反（圖5d）；夏季日平均降水量強(qiáng)度1978 年以前3 個(gè)區(qū)均變化不明顯，1980 年以后，關(guān)中和陜南呈上升趨勢(shì)，陜南有些年份達(dá)到顯著上升趨勢(shì)，陜北卻呈下降趨勢(shì)，未達(dá)到顯著水平（圖5c）。

圖3 夏季日降水量超過(guò)第99 和第95 百分位閾值MK 趨勢(shì)分析

圖6 顯示夏季降水量超過(guò)第95 百分位數(shù)閾值的日數(shù)（圖6a）和超過(guò)第99 百分位閾值的日數(shù)（圖6c）及夏季降水超過(guò)第95 百分位閾值的日平均降水強(qiáng)度（圖6b）和超過(guò)第99 百分位閾值的日平均降水強(qiáng)度（圖6d）陜西3 個(gè)自然區(qū)域Z 指數(shù)MK 變化趨勢(shì)，由圖6a 可以看出超出第95 百分位閾值的日數(shù)，3 個(gè)區(qū)在1961—1978 年為下降趨勢(shì)，1978 年后為上升趨勢(shì)，陜北上升趨勢(shì)最為明顯，陜北在1975—2000 年達(dá)到顯著的上升水平，關(guān)中、陜南和陜北變化趨勢(shì)基本一致，變化幅度相對(duì)較小，在1980—1995 年達(dá)到顯著上升水平；從圖6c 可以看出超過(guò)第99 百分位閾值的日數(shù)與超過(guò)第95 百分位閾值的日數(shù)趨勢(shì)基本一致，陜北在1970 年以后上升趨勢(shì)更加顯著。由圖6b 可以看出超過(guò)第95 百分位閾值日降水強(qiáng)度陜北和關(guān)中關(guān)變化不明顯，陜南1980—1986 年上升趨勢(shì)顯著。超過(guò)第99 百分位閾值降水強(qiáng)度3 個(gè)區(qū)的變化趨勢(shì)與圖6b 是基本相似的（圖6d）。陜南在20 世紀(jì)80 年代初期達(dá)到顯著上升趨勢(shì)，關(guān)中和陜南變化趨勢(shì)不明顯。

圖4 陜西省分地區(qū)平均年極端降水Z 指數(shù)MK 趨勢(shì)時(shí)間變化

圖6 陜西省分區(qū)夏季超過(guò)第99 百分位閾值和第95 百分位閾值極端強(qiáng)降水時(shí)間分布圖

3 結(jié)論與討論

利用1961—2011 年陜西省93 個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)方法，分陜北、關(guān)中和陜南3 個(gè)區(qū)域，分別對(duì)各站點(diǎn)全年以及夏季的日最大降水量和日平均降水強(qiáng)度發(fā)生頻率進(jìn)行了分析，對(duì)陜西極端降水發(fā)生的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

（1）51 a 來(lái)，陜西全年日最大降水量、夏季最大降水量、超過(guò)第99 百分位閾值降水日數(shù)均在20 世紀(jì)70 年代中期以后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)且在80 年代中期發(fā)生了突變。而關(guān)中和陜南超過(guò)第95 百分位閾值降水日數(shù)在80 年代初期和中期分別達(dá)到顯著水平。

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

（3）近50 a 來(lái)陜西極端降水日數(shù)及強(qiáng)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(qiáng)降水日數(shù)的增加最為顯著。陜西暴雨洪澇的重點(diǎn)防范區(qū)域除了應(yīng)關(guān)注傳統(tǒng)的陜南漢江和渭河沿線外，陜北發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也在增大。

極端強(qiáng)降水的發(fā)生具有雙重性，既是山洪、泥石流等自然災(zāi)害的主要誘發(fā)因素，同時(shí)又是重要的水資源補(bǔ)充途徑之一，其變化趨勢(shì)對(duì)水循環(huán)過(guò)程、水資源分布及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也具有重要影響。特別是在全球變化的背景下，極端強(qiáng)降水事件發(fā)生的頻次和發(fā)生區(qū)域均發(fā)生了較大變化。由于極端氣候事件的形成機(jī)制復(fù)雜，本文僅對(duì)陜西地區(qū)極端降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，對(duì)于極端降水變化特別是區(qū)域變化差異產(chǎn)生的原因及其機(jī)理涉及較少，這不僅涉及到氣候系統(tǒng)的動(dòng)力和熱力過(guò)程，還與海溫、大氣環(huán)流、地表狀況和太陽(yáng)活動(dòng)等多方面因素有關(guān)。因此，關(guān)于陜西極端強(qiáng)降水的變化機(jī)制及區(qū)域特征還有待于進(jìn)行更深入的研究。