折遠(yuǎn)洋, 楊 波, 尚清芳, 王鳳鵬, 蘇 玲

(1.隴南師范高等?？茖W(xué)校 歷史文化與旅游學(xué)院, 甘肅 成縣 742500; 2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875)

工業(yè)革命以來，全球CO2濃度迅速升高，全球氣候發(fā)生顯著變化，極端氣候事件的發(fā)生頻率與強(qiáng)度明顯增多增強(qiáng)，是其中對人類影響最大的變化之一[1]。在過去的幾十年里，歐洲以地中海沿岸地區(qū)為主，干旱事件的頻率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度方面都在上升，主要與不斷升高的氣溫和持續(xù)的降水減少有關(guān)[2-5]。然而在世界其他一些地區(qū)，強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率也在增加。此外，A1B和B1情景模擬顯示，位于歐洲西南部的葡萄牙地區(qū)，極端降水量占年總降水的比例也在進(jìn)一步增加，特別是在冬春季節(jié)[6]。排放情景特別報(bào)告(SRES)預(yù)測顯示，21世紀(jì)的極端降水事件發(fā)生頻率很可能呈增加趨勢[1]。因而，極端降水結(jié)合氣溫升高，將使得這些地區(qū)遭受更大的潛在自然災(zāi)害威脅。

極端氣候事件目前已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)對人類社會造成損失最大災(zāi)害之一，廣泛引起了學(xué)者的高度關(guān)注[1,7-8]。我國是一個(gè)氣候類型多樣的國家，氣候變化將對不同地區(qū)產(chǎn)生不同的影響。而經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域差異，使得不同區(qū)域的災(zāi)害應(yīng)對能力也不同。目前研究表明，我國大部分區(qū)域，極端降水事件次數(shù)呈顯著增加趨勢[9]。降水量隨氣溫的上升而增多，尤其是在20世紀(jì)的最后30年，西北地區(qū)氣候明顯由暖干型轉(zhuǎn)變?yōu)榕瘽裥蜌夂騕10-11]。但是上述現(xiàn)象的穩(wěn)定性較低，同時(shí)在干旱半干旱地區(qū)，也出現(xiàn)一些降水量下降的地區(qū)[12-13]。西北干旱地區(qū)，多屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)展地區(qū)，長期在較低降水氣候適應(yīng)下的應(yīng)對方式，可能會受到因氣候變化而引起的新的挑戰(zhàn)。因而，分析干旱地區(qū)極端降水變化趨勢，有助于提高精準(zhǔn)制定應(yīng)對規(guī)劃，提高社會資源利用效率。

極端降水事件研究方法多以降水百分率、降水閾值等為主[14-16]。很多研究顯示，最大連續(xù)降水特征是極端降水更為重要的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其對區(qū)域洪澇災(zāi)害的形成具有更大的影響。最大連續(xù)降水統(tǒng)計(jì)來反映區(qū)域極端降水的方法，已經(jīng)成功應(yīng)用于世界不同地區(qū)的極端降水分析和預(yù)測。在歐洲地區(qū)研究顯示，連續(xù)降水日數(shù)有變長的趨勢，同時(shí)對應(yīng)的降水強(qiáng)度也在增加[17-18]。國內(nèi)研究顯示，新疆地區(qū)日數(shù)短的連續(xù)降水天數(shù)事件頻率減少，而降水日數(shù)長的連續(xù)降水時(shí)間在增加[19]。

河西地區(qū)是我國“一帶一路”絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的陸上重要通道，內(nèi)陸地區(qū)連接新疆地區(qū)、西亞和東歐地區(qū)的重要廊道，也是祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)的重要輻射區(qū)域，同時(shí)是我國西北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)文化核心區(qū)域，研究其極端降水事件的變化特征，對該區(qū)域和國家經(jīng)濟(jì)社會健康運(yùn)行具有重要的意義。資料研究表明，在1955—2011年期間，該地區(qū)年降水量呈顯著增加趨勢，降水增率為3.95 mm/10 a，但各個(gè)流域增加趨勢并不一致[20-21]。因此，河西地區(qū)極端降水事件發(fā)生的不確定性可能增加，但是針對河西地區(qū)極端降水事件從連續(xù)性角度研究的報(bào)道相對不足[22]。因此本研究以河西地區(qū)為研究對象，主要包括以下研究目標(biāo)：(1) 從不同時(shí)間尺度分析河西地區(qū)最大連續(xù)降水日數(shù)的時(shí)空變化特征；(2) 最大連續(xù)降水日數(shù)的累積降水量的空間變化特征；(3) 最大連續(xù)降水日數(shù)的降水強(qiáng)度時(shí)空變化特征。從而實(shí)現(xiàn)解河西地區(qū)半個(gè)世紀(jì)的極端降水分布和變化特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河西地區(qū)位于甘肅西北部，包括烏鞘嶺以西，甘新交界以東地區(qū)，長約1 000 km，總面積27.53萬km2。地理位置上位于我國西北干旱荒漠區(qū)東部和青藏高原北部邊緣地區(qū)，河西地區(qū)地勢由西南向東北傾斜，由南往北可以分為祁連山至阿爾金山山地、河西走廊平原、北山山地和阿拉善高平原三大地形區(qū)。河西地區(qū)共有大小河流57條，分別屬于黑河流域、石羊河流域和疏勒河流域三大內(nèi)陸水系，氣候干旱，屬于溫帶荒漠氣候，年降水量僅在50～250 mm，年蒸發(fā)量卻高達(dá)2 000～3 500 mm。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴地表、地下水灌溉，且天然降水對河西地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)影響至關(guān)重要。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本文采用中國氣象局國家氣象信息中心提供的逐日降水資料，并對甘肅省的35個(gè)國家站點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)比較，為保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性，刪除存在資料序列長度過短或缺失較多等情況下的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終選取了1958—2015年河西地區(qū)13個(gè)站點(diǎn)(敦煌、瓜州、馬鬃山、玉門鎮(zhèn)、酒泉、鼎新、高臺、張掖、山丹、永昌、民勤、武威和烏鞘嶺)的降水?dāng)?shù)據(jù)(圖1)，對個(gè)別站點(diǎn)缺失的數(shù)據(jù)按照線性回歸法進(jìn)行插補(bǔ)：對于1～2 d缺失的數(shù)據(jù)，采用相鄰天數(shù)的平均降水量進(jìn)行插值；對連續(xù)缺失天數(shù)較長(連續(xù)超過2 天缺測)的情況，采用其他年份同樣時(shí)期的平均降水量進(jìn)行插值。并對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)一致性檢驗(yàn)，插值前后計(jì)算結(jié)果相差不大，不影響研究結(jié)果，數(shù)據(jù)通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

本文分析中包括以下降水指標(biāo)：(1) 年、夏、秋季中最大連續(xù)降水天數(shù)AD(Annual maximum Consecutive Wet Days)、SD(maximum Consecutive Wet Days in Summer)、FD(maximum Consecutive Wet Days in Fall)，指降水持續(xù)時(shí)間最長的日數(shù)，其中降水日數(shù)是指日降水量P≥0.1 mm的日數(shù)，并且研究中只考慮降水量最大的那次降水事件。(2) 年、夏、秋季中最大連續(xù)降水事件的總降水量，AP(Precipitation of Annual maximum Consecutive Wet Days)，SP (Precipitation of maximum Consecutive Wet Days in Summer)，F(xiàn)P (Precipitation of maximum Consecutive Wet Days in Fall)；(3) 年、夏、秋季中最大連續(xù)降水事件的平均降水強(qiáng)度，AI (Precipitation intensity of Annual maximum Consecutive Wet Days)，SI (Precipitation intensity of maximum Consecutive Wet Days in Summer)，F(xiàn)I (Precipitation intensity of maximum Consecutive Wet Days in Fall)。

圖1 河西地區(qū)概況及站點(diǎn)分布

本文使用標(biāo)準(zhǔn)化序列法描述相關(guān)指標(biāo)隨時(shí)間的演變情況，具體方法是先統(tǒng)計(jì)年內(nèi)最大連續(xù)降水日數(shù)的不同日數(shù)頻率分布，統(tǒng)計(jì)時(shí)考慮河西地區(qū)所有站點(diǎn)，以統(tǒng)計(jì)出不同歷時(shí)不同年份的頻率，對于其中某一日數(shù)，得到的頻率隨年份變化序列X，按照下式求標(biāo)準(zhǔn)化序列Z：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 最大連續(xù)降水日數(shù)的分布特征

2.1.1 頻率分布特征 如圖2所示，河西地區(qū)各氣象站點(diǎn)58 a間日降水序列的最大連續(xù)降水日數(shù)頻數(shù)分布。AD頻率最大連續(xù)降水日數(shù)為1 d，占總降水日數(shù)的73%，AD為2 d的頻率為19%，其余最大連續(xù)降水日數(shù)占8%；就SD而言，頻率最大連續(xù)降水日數(shù)仍然是1 d，占71%，2 d最大連續(xù)降水日數(shù)的頻率為21%，其余最大連續(xù)降水日數(shù)的頻率約為8%；就FD而言，頻率最大的連續(xù)降水日數(shù)為1 d，占72%，其次，最大連續(xù)降水日數(shù)為2 d，頻率為20%，其他較高日數(shù)的頻率為8%。綜上所述，河西地區(qū)年最大連續(xù)降水日數(shù)(AD)、夏季最大連續(xù)降水日數(shù)(SD)和秋季最大連續(xù)降水日數(shù)(FD)的頻率分布特征相似，均以1 d為主，2 d次之，6 d以上的頻率非常低；此外，最大連續(xù)1 d頻率中秋季高于夏季，而較大最大連續(xù)降水日數(shù)在夏季的發(fā)生頻率較高。

圖2 河西地區(qū)AD，SD，F(xiàn)D頻率分布特征

2.1.2 時(shí)間變化特征 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化序列法得出河西地區(qū)AD，SD，F(xiàn)D標(biāo)準(zhǔn)化序列隨時(shí)間的演變特征(圖3)。由圖可知，河西地區(qū)1～8 d的AD在20世紀(jì)80年代中期之前發(fā)生頻率較高，20世紀(jì)80年代中期之后各日數(shù)AD發(fā)生頻率均減小，其中5 d以上日數(shù)減小更明顯，但從2010年開始，1～3 d的短日數(shù)發(fā)生頻率增大顯著。在整個(gè)時(shí)間序列中，5～10 d的長日數(shù)SD發(fā)生頻率減小明顯，1～5 d的短日數(shù)SD頻率變化不明顯，但在20世紀(jì)90年代后期至21世紀(jì)初出現(xiàn)了一個(gè)比較明顯的峰值。20世紀(jì)80年代初之前，F(xiàn)D發(fā)生日數(shù)總體以增加趨勢為主，1～3 d和5～8 d的FD頻率變化最為明顯，而在隨后FD發(fā)生所有日數(shù)呈減小趨勢，出現(xiàn)一個(gè)低谷；2000年之后4～9 d的長日數(shù)突然增高又出現(xiàn)下降，而1～3 d的短日數(shù)FD在2006年之后發(fā)生頻率明顯增大。

2.1.3 空間變化特征 圖4為河西地區(qū)最大連續(xù)降水日數(shù)AD，SD，F(xiàn)D變化趨勢特征。河西地區(qū)AD上升的站點(diǎn)有8個(gè)(62%)，增加幅度達(dá)0.06～0.18 d/10 a，以中西部站點(diǎn)為主，其中山丹和玉門鎮(zhèn)AD增加0.12～0.18 d/10 a，增幅最大，而東南部3個(gè)站點(diǎn)和北部2個(gè)站點(diǎn)AD呈下降趨勢，降幅較小，最大為0.13 d/10 a；研究區(qū)10個(gè)(77%)站點(diǎn)變化趨勢顯著，研究區(qū)中部和西北部的AD增加站點(diǎn)80%呈顯著性，而AD下降趨勢均顯著。河西地區(qū)SD上升的站點(diǎn)有10個(gè)(77%)，增加幅度在0.1～0.14 d/10 a，主要集中在河西地區(qū)中西部，僅北部的馬鬃山站和東南部的武威和烏鞘嶺3站SD減少，最大降幅達(dá)0.14 d/10 a；從河西地區(qū)SD變化顯著性特征圖來看，發(fā)生顯著變化的站點(diǎn)達(dá)11個(gè)(85%)，其中SD增加站點(diǎn)中有8個(gè)(80%)呈顯著性，集中在中西部地區(qū)，SD減小的站點(diǎn)變化趨勢都顯著。FD變化趨勢特征表明，F(xiàn)D增加以河西地區(qū)西北部為主，增幅為0.11～0.15 d/10 a，F(xiàn)D減少以河西東南部靠近烏鞘嶺地區(qū)為主，包括部分中部地區(qū)站點(diǎn)，降幅較小，在0.04～0.08 d/10 a之間；而FD變化顯著性，僅河西東南部永昌站的變化趨勢不顯著，其余12個(gè)(92%)站點(diǎn)的FD變化趨勢顯著。

2.2 最大連續(xù)降水日數(shù)的累積降水量的變化特征

河西地區(qū)最大連續(xù)降水的總降水量AP，SP，F(xiàn)P變化趨勢特征如圖5所示。在河西地區(qū)AP增加的站點(diǎn)有7個(gè)(54%)，但增幅較小，在0.7～0.9 mm/10 a，而AP減小的6個(gè)(46%)站點(diǎn)減幅較大，在-0.6～-1.7 mm/10 a，位于東部的山丹和西北部的敦煌站AP減少趨勢顯著，且AP有顯著變化趨勢的河西地區(qū)僅此2站(15%)。河西地區(qū)SP減小的站點(diǎn)有8個(gè)(62%)，SP在-0.3～-1.5 mm/10 a，主要集中在中北部和東南部站點(diǎn)(北部的馬鬃山站SP減幅最大，且下降趨勢顯著)，而SP增加的站點(diǎn)較少(5個(gè))，SP增加幅度較大，為1.4～5.7 mm/10 a，主要在中西部站點(diǎn)(中部山丹站SP增幅最大，且增加趨勢顯著)。FP增加站點(diǎn)居多(9個(gè)，69%)，增幅在0.2～1.3 mm/10 a，集中于河西中部和西北部，而FP在東南部以降低為主(永昌、武威和烏鞘嶺站)，降幅在0.1～2.7 mm/10 a，大于河西地區(qū)其他站點(diǎn)的增幅，武威站FP下降趨勢顯著。

圖3 河西地區(qū)AD，SD，F(xiàn)D標(biāo)準(zhǔn)化序列隨時(shí)間的演變特征

圖4 最大連續(xù)降雨日數(shù)AD，SD，F(xiàn)D的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 頻率分布特征 河西地區(qū)各站點(diǎn)58 a各級最大連續(xù)降水日數(shù)的平均降水強(qiáng)度分布(圖6)。日數(shù)4～6 d的AI平均降水強(qiáng)度最大，達(dá)到6 mm/d，AI最低為1 d的平均降水強(qiáng)度，為4 mm/d，其中1～6 d的AI值隨著最大連續(xù)降水日數(shù)的增加而上升，7～10 d亦是，但AI值仍保持在4～6 mm/d；而河西地區(qū)的SI與FI分布和AI基本一致，但SI值相較AI略高，在4.5～7.5 mm/d，F(xiàn)I值較低，在3～6 mm/d。表明河西地區(qū)不同最大連續(xù)降水日數(shù)的平均降水強(qiáng)度相對穩(wěn)定，和不同最大連續(xù)降水日數(shù)的發(fā)生頻率關(guān)系不緊密。

2.2.2 時(shí)間變化特征 同樣根據(jù)上文方法標(biāo)準(zhǔn)化AI，SI，F(xiàn)I時(shí)間序列得出最大連續(xù)降水日數(shù)隨時(shí)間發(fā)生的演變特征(圖7)。在20世紀(jì)60年代初到80年代中期，AI發(fā)生日數(shù)總體略有增長趨勢，其中5～9 d的長日數(shù)AI增長明顯，1～5 d的短日數(shù)AI增長緩慢；而在1985年之后各AI日數(shù)呈減少趨勢，其中6 d以上的長日數(shù)AI減小明顯。SI在1965—90年代末期間發(fā)生日數(shù)有減小趨勢，其中5～10 d的長日數(shù)SI減小明顯，1～5 d的短日數(shù)SI減小趨勢不明顯，2000年之后2～4 d的短日數(shù)SI增加顯著。而FI演變特征和AI類似，略有增長，并在1985—1990年左右出現(xiàn)了低谷后又增長(1～4 d短日數(shù)增長明顯)，表明20世紀(jì)80年代后期之后，河西地區(qū)短日數(shù)最大連續(xù)降水強(qiáng)度有明顯增加趨勢，而長日數(shù)降水強(qiáng)度增長后又略有減小趨勢。

圖5 最大連續(xù)降水總量AP，SP，F(xiàn)P的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

圖6 河西地區(qū)(AI，SI，F(xiàn)I)不同最大連續(xù)降水日數(shù)的平均降水強(qiáng)度分布

2.2.3 空間變化特征 河西地區(qū)最大連續(xù)降水的平均強(qiáng)度AI，SI，F(xiàn)I變化特征如圖8所示。河西地區(qū)AI以高臺和酒泉站為界，東南部AI為減小趨勢(-0.21～-0.34 mm/10 a)，西北部AI值整體呈增加趨勢，增加幅度較大，在0.35～1.21 mm/10 a，河西西北部AI增加趨勢不顯著，東南部的高臺和民勤站AI減小趨勢顯著。SI以增加趨勢為主(12個(gè)站點(diǎn)，92%)，增幅在0.16～0.54 mm/10 a，其中酒泉站SI增加趨勢顯著，所有站點(diǎn)中僅武威站SI為減小趨勢(-0.22 mm/10 a)，且SI減小趨勢不顯著。FI變化趨勢仍以增加趨勢為主(11個(gè)站點(diǎn)，85%)，增幅在0.08～0.63 mm/10 a，其中位于西北部的瓜州站增加趨勢顯著，而FI減小的站點(diǎn)(高臺和武威站)，減小0.27～0.37 mm/10 a，并且減小趨勢不顯著。

圖7 河西地區(qū)AI，SI，F(xiàn)I標(biāo)準(zhǔn)化序列隨時(shí)間的演變特征

圖8 最大連續(xù)降水平均強(qiáng)度AI，SI，F(xiàn)I的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

3 討 論

近年來工業(yè)革命進(jìn)一步深化的背景下，全球變化引起的降水事件變化是我們面對的研究熱點(diǎn)問題之一，尤其在我國西北干旱地區(qū)顯得更為重要。前人研究已經(jīng)闡明1961—2015年，河西地區(qū)年降水量和強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)增多現(xiàn)象，并且近30 a來連陰雨最長持續(xù)時(shí)間呈縮短趨勢，最大雨量呈增大趨勢，但缺少降水事件連續(xù)性天數(shù)和區(qū)域分布變化的定量研究[24-25]。本文選取河西地區(qū)1958—2015年13個(gè)站點(diǎn)的日降水資料，從時(shí)間和空間角度分析了河西地區(qū)降水事件的連續(xù)性特征。研究表明，該區(qū)域降水量不論是AD，SD還是FD基本以1～2 d為主，但有增加趨勢，中北部地區(qū)增幅較為明顯；各站點(diǎn)最大連續(xù)降水量變化趨勢不明顯。自20世紀(jì)80年代以來，最大連續(xù)降水日數(shù)增加，降水強(qiáng)度上升。降水連續(xù)性變化直接影響河西地區(qū)水資源補(bǔ)充和災(zāi)害的發(fā)生頻率，持續(xù)的強(qiáng)降水容易引發(fā)山洪和泥石流等自然災(zāi)害。該區(qū)域位于亞歐大陸腹地，加上毗鄰青藏高原地區(qū)，其降水事件連續(xù)性變化原因主要受熱力過程和氣候系統(tǒng)動力作用共同影響，但機(jī)理非常復(fù)雜[26]。同時(shí)降水事件連續(xù)性變化對該地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)也將帶來明顯的影響，有待我們進(jìn)一步深入研究[27]。

4 結(jié) 論

(1) 河西地區(qū)最大連續(xù)降水日數(shù)的頻率分布以1～2 d的短日數(shù)為主，6 d以上長日數(shù)發(fā)生頻率非常低。年最大連續(xù)降水日數(shù)經(jīng)歷20世紀(jì)70年代后期的峰值，先增后減，后期最大降水日數(shù)減小，但短日數(shù)發(fā)生頻率增加；夏和秋季最大連續(xù)降水日數(shù)在20世紀(jì)90年代初期前與年變化趨勢相似，而90年代初期之后夏季日數(shù)增長，秋季日數(shù)明顯減小，且短日數(shù)發(fā)生頻率增加；整個(gè)研究時(shí)域來看研究區(qū)年、夏和秋季最大連續(xù)降水日數(shù)均以增加為主，中北部地區(qū)增加明顯。

(2) 從年的角度來看，河西地區(qū)各站點(diǎn)年最大連續(xù)降水量有升有降，變化趨勢不顯著；夏季最大連續(xù)降水量略有下降，而秋季降水量增多更明顯；且河西地區(qū)中西部地區(qū)這種分異變化更明顯，東南地區(qū)以下降為主。

(3) 河西地區(qū)的年、夏和秋季最大連續(xù)降水強(qiáng)度頻率分布相似，4～6 d降水強(qiáng)度最大，降水強(qiáng)度隨著最大連續(xù)降水日數(shù)的增加略有上升。最大連續(xù)降水強(qiáng)度分布情況與最大連續(xù)降水日數(shù)分布相似，表明河西地區(qū)20世紀(jì)80年代以來，最大連續(xù)降水日數(shù)增加，降水強(qiáng)度上升，與先前河西地區(qū)濕潤化的研究結(jié)果一致[10-11]；此外河西地區(qū)秋季的濕潤趨勢比夏季更明顯。