陕北黄土高原地区极端降水事件时空分布特征

王 涛，杨 强，于冬雪

(1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037；3.江西信息应用职业技术学院 环境工程系，江西 南昌 330043)

0 引言

IPCC2013气候变化报告(决策者摘要)指出，气候变暖过程导致极端降水事件频率增加，威胁人类生命财产安全[1]，如北京2012年7月21日的极端降水事件，产生了极其惨重的后果[2]，且气候模型模拟的未来极端降水事件可能被低估[3]。陕北黄土高原地区是生态脆弱、水蚀严重、经济发展迅速之区域，极端降水的变化可能对该区域生态环境产生重要影响，需要加强相关研究内容。

极端降水事件具有显著区域差异[4]。对中国国内极端降水事件研究结果表明，长江中下游、华南地区、青藏高原东南部、西北地区北部是极端降水多发区[5-7]，各区域极端降水变化趋势较为一致，且未来极端降水事件有增加趋势[8]。已有黄土高原极端降水事件研究集中于时间突变特征和部分降水指标的空间分布格局[9]，需要丰富年代际和更多极端降水指标的研究，为陕北黄土高原地区生态环境建设提供理论基础。

极端降水研究的关键内容是确定降水阈值，超过该阈值则定义为极端降水。当前阈值设置方式普遍采用取不同百分位法[10，11]和选取极端降水指标方法[12，14]，也有其他方法，如多重分形去趋势波动分析法(Multifractaldetrendedfluctuationanalysis，MF-DFA)[15]。相比较而言，采用百分位设置阈值和选取极端降水指标方法使用较为普遍，故本文采用百分位阈值和选取极端降水指标结合的方法对陕北黄土高原地区极端降水时空变化特征进行分析，便于与其他区域极端降水变化进行比较。

1 数据来源及处理

1.1 研究区

陕北黄土高原地区主要包括陕西省榆林地区(长城沿线为毛乌素沙地边缘地带)和延安地区，位于107°15′56″E～111°13′10″E，35°21′56″N～39°35′06″N(图1)。2011年底总人口数为554.64×104人，土地总面积为80 624km2，气候属温带大陆性季风气候区，年平均温度9.5℃，年平均降水量为506.5mm，平均日照时数有2540h/a，无霜期194d。全境属黄河水系，主要支流有无定河、延河等[16]。

图1 气象站点位置

1.2 数据来源

本研究使用数据来自中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.cma.gov.cn)，包括位于陕北黄土高原地区的6个气象站点(榆林、吴起、横山、绥德、延安和洛川)1959～2011年逐日降水数据。数据质量较好。对于降水为微量的数据，以0mm代替。对于雨和雪、雾露霜，取其实际数值。站点位置见图1。研究使用气象站点位置分布较为均匀，监测时间较长，可以代表陕北黄土高原地区气象特征，反映区域内极端降水变化趋势。

1.3 处理方法

各站极端降水阈值的确定方式采用百分位法。具体方法为，将1959～2011年逐年的日降水量序列由小到大排列，取其第95个百分位数的53a平均值定义为极端降水的阈值。当某站某日降水量超过这个阈值时，记为一次极端降水事件。

选取的极端降水指数包括极端降水量、极端降水频率、极端降水强度、暴雨、大雨。极端降水量表示每年极端降水事件的降水量总和，极端降水频率为每年发生极端降水事件的天数，极端降水强度为极端降水量与极端降水天数的比值，暴雨定义为日降水量≥50mm，大雨为25mm≤日降水量<50mm[5，10]。

2 结果分析

2.1 极端降水阈值和极端降水量时空分布特征

2.1.1 空间分布特征

利用前文介绍数据处理方法，获取陕北黄土高原地区6个气象站点各站点极端降水阈值，利用ArcGIS软件“Spatialanalysistool”工具中IDW(InverseDistanceWeighted)插值得到陕北黄土高原地区极端降水阈值空间分布情况(图2a)。图2a表明，陕北黄土高原地区极端降水阈值自东南向西北递减，形成洛川附近的高值区域，大于58mm，以及横山附近的低值区域，小于48mm。

图2 1959～2011年陕北黄土高原地区极端降水阈值(a)和极端降水量(b)空间分布图Fig.2 Spatial distribution of extreme precipitation thresholds(a) and extremerainfall(b) in Loess Plateau of Shaanxi from 1959-2011

基于极端降水阈值获取各站点逐年极端降水量，以1959～2011年逐年极端降水量的平均值作为各站点的极端降水量，得到陕北黄土高原地区极端降水量的空间分布情况(图2b)。图2b表明，陕北黄土高原地区极端降水量总体分布符合自南而北、自东而西的递减规律，形成4个中心，分别是洛川、绥德的高值中心，延安、横山的低值中心。其中，绥德极端降水量最大，超过98mm/a，横山站最低，低于80mm/a，二者之差高于18mm/a。陕北黄土高原地区尤其是榆林地区是中国的农牧交错带，地貌类型由黄土高原向毛乌素沙地过渡、处于中国东部季风区的西部边缘区域，季风的强弱直接影响到该区域的降水情况。图2b中，绥德与横山的距离较近，但极端降水量的差异非常明显，可能即反映了季风对该区域的影响状况。

2.1.2 极端降水量时间分布特征

以陕北黄土高原地区6个气象站点极端降水阈值获取各站点1959～2011年逐年极端降水量，并按1959～1969年、1970～1979年、1980～1989年、1990～1999年和2000～2011年5个时期分别统计各站点极端降水量(表1)。

陕北黄土高原地区极端降水量整体上表现为1959～1989年减少和1990～2011年增加。1980～1989年是陕北黄土高原地区极端降水量最少时期，仅为257.8mm，2000～2011年极端降水量最高，达到489.4mm。

除榆林、绥德极端降水量变化与总体趋势保持一致外，其它4个站点的变化趋势差别较大。吴起极端降水量表现为1959～1989年减少、1990～1999年增加和2000～2011减少，且1980～1989年极端降水量最低，1990～1999年最高。横山极端降水量1959～1999年为减少阶段，2000～2011年为增加阶段，其中1970～1979年和1980～1989年两个时期有略微增加，且1990～1999年极端降水量最低，1959～1969年极端降水量最高。延安极端降水量表现与众不同，1959～1989年为增加阶段，1990～2011年为减少阶段，且1980～1989年延安极端降水量最高，1959～1969年最低。洛川极端降水量1970～1979年最高，为607.6mm，而1980～1989年极低，仅为69.6mm。

2.2 极端降水频率和极端降水强度时空分布特征2.2.1 时间分布特征

同前文极端降水量的统计方式，得到极端降水频率和极端降水强度在不同年代的统计结果(表2)。

表1 不同年代陕北黄土高原地区极端降水量

表2 不同年代陕北黄土高原地区极端降水频率和极端降水强度

极端降水频率总体表现为1959～1989年减少和1999～2011年增加两个阶段，且1980～1989年极端降水频率最低，2000～2011年最高。榆林、横山、绥德的变化趋势与总体趋势一致。吴起极端降水频率最高年份在1990～1999年，延安表现与众不同，1980～1989年极端降水频率最高，而洛川2000～2011年极端降水频率是所有站点同时期最高的。

极端降水强度总体表现波动较大，年代际变化呈现增加-减少-增加-减少过程，表明研究区总体极端降水强度不稳定。1970～1979年极端降水强度最大，2000～2011年最小。榆林极端降水强度1959～1989年减少，1990～1999年增加，后2000～2011年又减少，最大值在1990～1999年，最低值在1980～1989年。吴起表现为1959～2011年持续增加，而横山表现为研究时段内的持续减少。绥德和延安均表现为1959～1979年先增加，1980～2011年持续减少。洛川极端降水强度波动较为复杂，总体趋势是增加-减少-再增加-再减少。

2.2.2 空间分布特征

取1959～2011年极端降水频率和极端降水强度的平均值进行IDW插值，得到空间分布结果(图3)。陕北黄土高原地区6个气象站点1959～2011年中，存在极端降水的年份数量分别为榆林23a、吴起21a、横山21a、绥德21a、延安23a和洛川21a，图3a结果反映的是存在极端降水年份的平均极端降水频率，而非1959～2011年共53a的平均值。

图3 1959～2011年陕北黄土高原地区极端降水频率(a)和极端降水强度(b)空间分布图Fig.3 Spatial distribution of frequency(a) and intensity(b)of extreme precipitation in Loess Plateau of northern Shaanxi from 1959-2011

极端降水频率空间分布形成绥德、榆林两个中心区域，其中绥德为高值中心，中心极端降水频率高于1.38d/a，榆林为低值中心，中心值低于1.2d/a。极端降水频率呈现自北而南减少。站点情况为绥德(1.38d)极端降水频率高于横山(1.24d)、横山高于吴起(1.19d)、洛川(1.19d)，榆林(1.17d)和延安(1.17d)最低(图3a)。

极端降水强度空间分布总体遵循自南而北递减的变化趋势。形成洛川和横山两个中心，其中洛川为高值中心，中心极端降水强度高于80mm/d，横山为低值中心，中心低于64mm/d，二者之差为16mm/d，可见陕北黄土高原地区极端降水空间分布具有显著差异性。榆林、绥德、吴起和延安极端降水强度值分布在70～72mm/d。

2.3 暴雨量和暴雨日数时空分布特征2.3.1 时间分布特征

按年代统计陕北黄土高原地区6个气象站点暴雨和暴雨日数，统计结果见表3。陕北黄土高原地区暴雨量(日降水量≥50mm)总体表现为1959～1989年减少时期和1990～2011年的增加时期，且2000～2011年暴雨量最大，1980～1989年最小。榆林站点暴雨量变化趋势与总体变化趋势一致。吴起表现为1959～1989年减少，1990～1999年增加，2000～2011年又减少的变化过程，且1990～1999年暴雨量最大，最小值也为1980～1989年。横山和绥德暴雨量变化趋势较为相近，均表现为1959～1999年减少和2000～2011年增加，且横山暴雨量最大值在1959～1969年，最小值在1990～1999年；绥德最大值在2000～2011年，最小值在1980～1989年。延安和洛川暴雨量变化趋势较为复杂，波动明显。洛川暴雨量最大值和最小值分布阶段与总体表现一致，延安最大值在1980～1989年，而最小值在1990～1999年。

表3 不同年代陕北黄土高原地区暴雨量和暴雨日数

陕北黄土高原地区暴雨日数总体表现为1959～1989年减少和1990～2011年增加阶段，最大值在2000～2011年，最小值在1980～1989年。榆林暴雨日数变化趋势与总体一致。吴起暴雨日数最大值在1990～1999年。横山和绥德变化趋势相同，均为1959～1999年减少，2000～2011年增加。延安和洛川暴雨日数与暴雨量的变化趋势一致，且2000～2011年延安和洛川的暴雨日数是6个气象站点中最多的。

2.3.2 空间分布特征

暴雨量和暴雨日数IDW空间插值结果见图4。图4a表明，陕北黄土高原地区1959～2011年平均暴雨量空间分布呈现多个中心，分别是绥德、榆林的高值中心，横山、吴起的低值中心。其中以绥德暴雨量最大，超过96mm，横山最低，低于76mm，二者相差20mm，反映了暴雨量分布的区域性较强。总体上暴雨量在陕北黄土高原地区呈现自东而西的减少趋势。图4b反映出陕北黄土高原地区暴雨日数以绥德、延安为高值中心，横山、吴起为低值中心，绥德和延安暴雨日数均超过1.38d，而横山和吴起暴雨日数均低于1.17d，与暴雨量空间分布趋势相同，呈自东而西的减少趋势。

图4 1959～2011年陕北黄土高原地区暴雨量(a)和暴雨日数(b)空间分布图Fig.4 Spatial distribution of precipitation(a)and frequency(b)of rainstormin Loess Plateau of northern Shaanxi from 1959-2011

2.4 大雨量和大雨日数时空分布特征

2.4.1 时间分布特征

陕北黄土高原地区大雨量和大雨日数年代际统计结果见表4。总体上，该区域大雨量在1959～1999年呈持续减少趋势，2000～2011年增加，且最大值在1959～1969年，最小值在1990～1999年。榆林大雨量表现为1959～1979年减少和1980～2011年持续增加，且2000～2011年值最大，1970～1979年最小。吴起1959～1989年减少，1990～2011年增加，最大值为2000～2011年，最低值在1980～1989年。横山和洛川变化趋势一致，即1959～1999年持续减少，2000～2011年增加。横山最大值在1959～1969年，洛川在2000～2011年，最低值二者均在1990～1999年。绥德总体为减少趋势，在2000～2011年出现增加趋势。延安大雨量变化过程复杂，存在减少-增加-再减少-再增加的变化过程。

陕北黄土高原地区大雨日数总体呈减少趋势，2000～2011年出现增加，但并未超过1959～1969年。6个气象站点均表现出1959～1969年和2000～2011年是大雨日数最多时期，1970～1999年是大雨日数较少时期，仅延安在1980～1989年间存在例外情况。反映该地区在20世纪60年代是大雨日数较多的时期，后经历了长达30a的大雨日数减少时期，近10多年来大雨日数又表现出较快的增加速度，且部分站点2000～2011年的大雨日数超过了1959～1969年，如吴起、洛川。

2.4.2 空间分布特征

陕北黄土高原地区大雨量和大雨日数1959～2011年平均值的IDW空间插值结果见图5。图5a表明，年平均大雨量在空间上存在两个明显中心，分别是洛川高值中心，高于190mm；横山低值中心，低于115mm。延安年平均大雨量高于绥德、吴起、榆林。总体呈自南而北的减少趋势。图5b反映出陕北黄土高原地区大雨日数与大雨量空间分布形式相近，自南而北递减，也存在洛川高值中心和横山低值中心。洛川大雨日数高于4.8d/a，横山低于3d/a。

表4 不同年代陕北黄土高原地区大雨量和大雨日数

3 结论

以陕西北部黄土高原地区6个气象站点1959～2011年逐日降水数据为基础，通过计算极端降水阈值，获取各站点阈值及其极端降水量、极端降水频率和极端降水强度，并结合暴雨量和暴雨日数、大雨量和大雨日数对该地区极端降水事件时空变化特征进行了分析，结果表明：

(1)陕北黄土高原地区各极端降水指数空间上均呈现自东南向西北的递减趋势；年代际统计结果表明，各极端降水指数均以1959～1969年和2000～2011年数值最大，1970～1999年数值较小，反映出该区域极端降水经历了近30年的持续减少后，近10多年增加较快，甚至超过了最初的1959～1969年。

图5 1959～2011年陕北黄土高原地区大雨量(a)和大雨日数(b)空间分布图
Fig.5Spatialdistributionofprecipitation(a)andfrequency(b)ofheavyraininLoessPlateauofnorthernShaanxifrom1959～2011

(2)陕北黄土高原地区极端降水阈值和极端降水量呈自东南向西北的递减规律。极端降水量年代际变化趋势表现为1959～1989年的减少，1990～2011年增加，且2000～2011年极端降水量最大。

(3)极端降水频率1959～1969年和2000～2011年最大，1970～1999年较小，且2000～2011年超过1959～1969年。极端降水强度变化趋势不明显，最大值在1970～1979年，最小值在2000～2011年。空间分布上极端降水频率以绥德最高，榆林最低；极端降水强度以洛川最高，横山最低。

(4)暴雨量和暴雨日数均以1959～1969年和2000～2011年较高，且后者高于前者；空间分布上暴雨量和暴雨日数表现形式相近，呈自东而西的递减趋势，形成以绥德和延安为中心的高值区域，以横山和吴起为中心的低值区域。大雨量和大雨日数也以1959～1969年和2000～2011年较高，但后者低于前者。空间分布上呈自南而北的递减趋势，均形成以洛川为中心的高值中心，以横山为中心的低值中心。

参考文献：

[1]IPCC，2013：Summaryforpolicymakers.In：ClimateChange2013：Thephysicalbasis.ContributionofWorkingGroupItotheFifthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange[Stocker，T.F.，D.Qin，G.-K.Plattner，M.Tignor，S.K.Allen，J.Boschung，A.Nauels，Y.Xia，V.BexandP.M.Midgley(eds.)][M].CambridgeUniversityPress，Cambridge，UnitedKingdomandNewYork，NY，USA.

[2]孙军，谌芸，杨舒楠，等.北京721特大暴雨极端性分析及思考(二)极端性降水成因初探及思考[J].气象，2012，38(10)：1267-1277.

[3]SemmlerT，JacobD.Modelingextremeprecipitationevents-aclimatechangesimulationforEurope[J].Globalandplanetarychange，2004，44：119-127.

[4]EmoriS，BrownSJ.Dynamicandthermodynamicchangesinmeanandextremeprecipitationunderchangedclimate[J].Geophysicalresearchletters，2005，32，L17706，doi：10.1029/2005GL023272.

[5]王志福，钱永甫.中国极端降水事件的频数和强度特征[J].水科学进展，2009，20(1)：1-9.

[6]邹用昌，杨修群，孙旭光，等.我国极端降水过程频数时空变化的季节差异[J].南京大学学报：自然科学版，2009，45(1)：98-109.

[7]陆虹，何慧，陈思蓉.华南地区1961-2008年夏季极端降水频次的时空变化[J].生态学杂志，2010，29(6)：1213-1220.

[8]许吟隆，黄晓莹，张勇，等.中国21世纪气候变化情景的统计分析[J].气候变化研究进展，2005，1(2)：80-83.

[9]李志，郑粉莉，刘文兆.1961-2007年黄土高原极端降水事件的时空变化分析[J].自然资源学报，2010，25(2)：291-299.

[10]翟盘茂，潘晓华.中国北方近50年温度和降水极端事件变化[J].地理学报，2003，58(增刊)：1-10.

[11]张爱英，高霞，任国玉.华北中部近45a极端降水事件变化特征[J].干旱气象，2008，26(4)：46-50.

[12]李丽平，章开美，王超，等.近40年华南前汛期极端降水时空演变特征[J].气候与环境研究，2010，15(4)：443-450.

[13]何书樵，郑有飞，尹继福.近50年长江中下游地区降水特征分析[J].生态环境学报，2013，22(7)：1187-1192.

[14]李小亚，张勃，汪宝龙，等.河西地区1960年至2011年不同级别降水日数和极端降水事件的变化特征[J].资源科学，2013，35(1)：182-190.

[15]杜海波，吴正方，张娜，等.近60a丹东极端温度和降水事件变化特征[J].地理科学，2013，33(4)：473-480.

[16]陕西省统计局，国家统计局陕西调查总队.陕西统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2012.