枣庄近44年汛期极端降水指数突变特征分析

陈连侠，赵 勇，鹿翠华，张美玲，褚涛

（1.山东省枣庄市气象局 山东 枣庄277800；2.山东省滕州市气象局 山东 滕州277500）

随着气候变暖，中国的天气和气候极端事件的发生也出现变化，极端事件的频率和强度变化对自然和社会的冲击远大于气候平均变化带来的影响［1］，杨萍指出极端气候事件及其衍生灾害对社会和经济的影响力和破坏力越来越严重，因此关于极端气候事件的评估和规律分析是非常重要的研究领域［2］。极端气候事件是指小概率气候事件，具有破坏性大、突发性强和难以预测等特点［3］。同时，符淙斌认为气候突变是普遍存在于气候系统的一个重要现象，它是指气候从一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）跳跃式地转变到另一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）的现象［4］。全球变暖背景下极端气候事件的变化区域性强，对极端降水事件的突变研究受到越来越多的重视，取得了许多研究成果［5～8］。

枣庄市位于中国南北结合部中纬度（北纬34°52′，东经117°35′）地区的鲁南与苏北交界处，与皖北相邻，属暖温带半湿润大陆性季风气候区，年降水量在815.8mm（1971－2000年平均值），是山东省降水量最多的地区之一，降水年际变化大，主要集中在汛期（6－9月），占全年降水量的70%以上［9］。枣庄极端降水天气和引发系统兼有南方和北方地区的特点，是极端降水天气多发区和大值区［10，11］。为进一步揭示枣庄汛期极端降水对气候变化的响应情况，在以上文献分析研究的基础上，本文拟确定汛期极端降水事件的阈值，试图分析枣庄近44年汛期极端降水指数随时间发生突变的规律，对丰富预报背景资料和防灾减灾及社会可持续发展都将起到积极作用。

1 资料与方法

资料来源于枣庄58024站的逐日降水资料，时段为1971－2014年 。由于降水极值具有很强的地区差异，所以根据当地的情况确定极端事件的标准对本地更有实际意义［12］。本文对极端降水研究主要依据世界气象组织的规定，采用国内外通用的95%分位数算法进行定义［13］。将目前气象上所用的30年标准时间段（1971－2000年）确定为定义阈值的时间段，将该时段内日降水量≥0.1mm的逐年日降水进行升序排序，计算该年第95个百分位值，得到30年95百分位值的平均值即为极端降水阈值。据此，本文定义了4种极端降水事件指数，即：年最大日降水量、极端降水量、极端降水日数和极端降水强度，具体定义详见表1。

表1 本研究使用的极端降水指数定义Table 1 Definition of precipitation Indices in this study

根据表1定义，统计出枣庄市逐年降水序列日降水量≥95%分位点的雨量为38.7mm，在确定了极端降水事件阈值的基础上，本文统计分析枣庄1971－2014年汛期极端降水各指数的突变特征，应用检验m－k［14］、累积距平等方法等进行了突变检验。

2 结果与分析

2.1 汛期年最大日降水量突变检验

在m－k突变检验中，Uf为时间序列的统计量，Ub为时间逆序列的统计量，两者在临界线内的交点，即为突变点。由图1可见，1971－1977年Uf下降趋势明显，达到0.05显著水平，1978－2013年呈上升趋势，其中1999－2014年Uf＞0，出现明显增大趋势；Uf和Ub的交点出现在1997年，日最大降水量在1997年发生由小到大的突变，但突变不明显，没有通过0.05显著性检验。比较1971－1996年的平均值为94.1mm，1997—2014年的平均值为111.3mm，1997－2014年比1971－1996年增加幅度为17.2mm，达到了1个“中雨”（日降水量10.1～25.0mm）降水量。

图1 汛期日最大降水量m－k突变检验Fig.1 The m－k mutation test of day maximumprecipitation in flood season

2.2 汛期极端降水日数突变检验

由图2可见：1971－1977年Uf下降趋势明显，达到0.05显著水平，1978－2002年小幅波动，趋势变化不明显；2003－2006年虽然出现了增大的趋势，在临界值范围内有交点，但Uf始终＜0；比较1971－2002年的平均值为3.8d，2003－2014年的平均值为4.3d，2003－2014年比1971－2002年增加幅度为0.5d。因此认为，极端降水日数没有发生突变。

图2 汛期极端降水日数m－k突变检验Fig.2 The m－k mutation test of extreme precipitation days

2.3 汛期极端降水量突变检验

用m－k方法进行突变性判定汛期极端降水量（图3），1971－1977年 Uf下降趋势明显，其中1974－1975年达到0.05显著水平，1977年达到0.01的显著水平；1978－2013年呈上升趋势，其中：2003年以前基本 Uf＜0，2004－2013年 Uf＞0，出现明显增大趋势，但没有通过0.05的信度检验；极端降水在1971、1986－1992、2013年发生由大－小－大－小的突变。由图4累积距平曲线可以看出，1992年发生了转折，结合图3认为，1971、1992、2013年为突变点。比较1972－1992年的平均值为227.4mm，1993－2013年的平均值为280.1mm，1993－2013年比1972－1992年增加幅度为52.7mm，增加幅度达到1个“暴雨”（日降水量50.1～100.0mm）降水量。

2.4 汛期极端降水强度突变检验

图3 汛期极端降水量m－k突变检验Fig.3 The m－k mutation test of extreme precipitation

图4 汛期极端降水量累积距平图Fig.4 Accumulative anomaly map of extreme precipitation

极端降水强度是衡量极端降水的重要指标，由极端降水强度的定义知道，强度的大小从一个侧面，反映了极端降水的极端性。强度越大造成灾害的可能性越大汛期极端降水强度多年（1971－2014年）平均值为66.9mm·d－1，在暴雨标准范围内。由图5可见，极端降水强度分别在1972、1992、2013年发生了由强－弱－强－弱的突变，1976－2013年呈现振荡增强趋势，其中2006－2013年增强明显，但未达到0.05显著水平。比较1973－1992年的平均值为61.57mm·d－1，1993－2013年的平均值为71.0mm·d－1，1993－2013年比1973－1992年增加幅度为9.49mm，增加幅度在1个“小雨”（日降水量0.1～10.0mm，下同）降水量级，因此认为，极端降水强度突变不明显。

图5 汛期极端降水强度m－k突变检验Fig.5 The m－k mutation test of extreme precipitation intensity

2.5 其它降水指数与极端降水量相关性分析

据统计，枣庄汛期极端降水量、极端降水日数多年平均分别为261.6mm和4d。由图6可见，极端 降 水 量 为 45.3～729.1mm，多 集 中 在100～420mm之间；极端降水日数为1～8d，多集中在2～5d。枣庄汛期极端降水日数与极端降水量的对应关系较好，即极端降水日数多时一般对应着极端降水量较多。经计算，两者相关系数为0.87，通过0.01显著性检验。同样分析，日最大降水量、降水强度与降水量之间存在正相关变化关系，相关系数分别为0.71、0.40，均达到了0.01显著水平。

图6 汛期极端降水量与极端降水日数相关性分析Fig.6 The m－k mutation test of extreme precipitation intensity

3 结论与讨论

（1）本文对极端降水阈值的定义，采用标准时间段为1971－2000年中国气象局30年整编资料，相对其他地区而言其分析和结论具有可比性。枣庄汛期极端降水阈值为38.7mm，44年平均值：日最大降水量为101.2mm，极端降水日数为4d，极端降水降水量为261.6mm，极端降水强度为66.9mm，以上指标可以为研究者提供参考，也可为开展服务，如：城市防汛抗旱规划设计、水库建设、防洪、蓄水等提供决策依据，以达到防灾减灾的目的。

（2）1971－2014年，枣庄汛期日最大降水量1997年发生突变是一次由小到大的突变，突变不明显，没有通过0.05显著性检验；从长期变化趋势来看，近44年来枣庄汛期极端降水日数没有明显的变化趋势，未发生突变；极端降水量在分别1971、1992、2013年发生由大－小－大－小的突变，其中1971年突变达到0.01的显著水平，1992、2013年没有达到0.05显著突变标准；极端降水强度分别在1973、1992、2013年发生了由强－弱－强－弱的突变，强度变化不稳定，个别年份出现震荡；日最大降水量、降水日数、降水强度与降水量成较好的正相关，通过了0.01的信度检验。

（3）日最大降水量、降水日数、降水强度的变化均可引起降水量的变化，降水量的变化也可能是它们三者共同作用的结果；汛期极端降水量与极端降水强度在时间段和量级变化方向上有一定程度的吻合，相关性较好；20世纪70年代中期以来日最大降水量、极端降水量和极端降水强度均出现了增大趋势，其中2004年以来三者均出现了明显增大趋势，但均未达到0.05显著水平。

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