1961-2013年河南省极端降水事件时空变化特征

赵国永, 韩 艳, 刘明华, 侯俊丽, 时海萍, 刘维真, 郭伊利, 乔 强

(1.信阳师范学院 地理科学学院, 河南 信阳 464000; 2.信阳师范学院 气候与环境演变重点实验室,河南 信阳 464000; 3.信阳师范学院 南北过渡带研究中心, 河南 信阳 464000)

随着全球变暖，极端气候事件发生的频率和强度急剧增加[1]。相较于气候平均状况，极端气候事件带来不利影响更加严重[2]，引起各国政府和国际机构高度重视，已成为当前学术界关注的一个热点问题[3]。极端降水事件是极端气候事件重要组成部分，国内外学者进行了大量研究。与极端气温事件相比，极端降水事件不具备全球一致性[4-5]，如一些地区总降水量减少或不变，但是极端降水的频率和强度具有增加趋势[6]。我国不同地区极端降水事件变化趋势不一致，长江中下游地区、西北地区北部和西南地区西部年极端降水频数具有明显增加趋势，而华北地区呈现减少趋势[2]。同时，学者对我国[7]及不同区域极端气候事件进行研究，如：西藏[8]、我国南方[9]、西南地区[10]、我国半干旱区[11]、黄土高原[12]、淮河流域[13]、浏阳河流域[14]、山东省[15]等。

河南省位于黄河中下游，地势低平，是我国人口大省和农业大省，是我国粮食生产的核心产区。已有学者对河南省极端降水事件进行研究，1957—2005年，河南省暴雨日数和极端降水事件具有不显著增加趋势[16]。1961—2006年，河南省汛期极端降水事件空间变化特征为：降水量南多北少，极端降水事件发生频次呈现北多南少；汛期极端降水事件发生频次存在南北差异[17]。相较于其他区域极端降水事件研究，河南省研究程度较低，且已有河南省极端降水事件研究指数较少、研究时间尺度较短。

本文拟以1961—2013年河南省17个站点逐日降水量数据为研究对象，运用Sen′s倾向估计、Mann-Kendall显著性检验和空间插值等方法，分析河南省11个极端降水指数时间和空间变化特征及其影响因素。通过本文研究，有助于理解河南省极端降水事件变化特征，为决策部门提供参考，尽可能降低极端降水事件带来的影响和损失。

1 材料及方法

1.1 数据来源

本文研究数据由中国气象科学数据共享服务网提供，包括1961—2013年河南省17个站点逐日降水量，并经过极值检验、时间一致性检验和均一化检验等严格质量控制。运用R编辑器、RClimDex软件对数据进行进一步质量控制，包括数据记录日期是否与现实一致、错误值及异常值的筛选等；且要求观测站连续观测时间段为1961年1月1日—2013年12月31日。

1.2 极端降水指数定义

本研究对极端降水指数定义和计算采用世界气象组织气候委员会(WMO-CCL)和气候变化与可预测性计划(CLIVAR)气候变化检测、监测和指数专家组(ETCCDMI)确定的指数体系[1]，从中选取11个极端降水指数(表1)。采用基于R语言RClimDex 1.0软件(来源于http:∥cccma.seos.uvi.ca/ETCCDMI)进行极端降水指数计算。

1.3 研究方法

运用Sen′s倾向估计分析11个极端降水指数变化趋势[18]。运用Mann-Kendall方法进行变化趋势显著性检验[19]。在ArcGIS 10.0环境下，通过反距离加权(Inverse Distance Weighting)插值绘制河南省11个极端降水指数及变化趋势空间分布图。

2 结果与分析

2.1 变化趋势

1961—2013年，河南省5个极端降水指数(PRCPTOT，RX5day，R10，R20和CWD)具有减少趋势，且均没有通过α=0.05显著性检验；6个指数(RX1day，R95p，R99p，SDⅡ，R25和CDD)具有升高趋势，只有SDⅡ通过α=0.05显著性检验。同时，11个指数变化幅度不明显(表2)，共同说明河南省极端降水指数变化趋势不显著。其PRCPTOT变化趋势与韩艳等[20]基于月观测数据研究结果一致。

2.2 空间序列变化特征

2.2.1 空间分布 自河南省东南部向西北部，10个极端降水指数(PRCPTOT，RX1day，RX5day，R95p，R99p，SDⅡ，R10，R20，R25，CWD)逐渐减少，而CDD逐渐增加，说明河南东南部降水量、降水日数、降水强度较大；西北部降水量、降水日数、降水强度较小。其原因是河南省东南部受东亚季风影响强度大于西北部。

2.2.2 变化趋势空间分布 近53 a，河南省17个站点中PRCPTOT趋于减少站点占76.4%，主要分布在河南南部和西北部，最大减幅为21 mm/10 a；其余站点趋于增加，主要分布在商丘和西华等地，最大增幅为21 mm/10 a(图1A)。RX1day趋于减少站点占47.1%，主要分布在三门峡、孟津、新乡、驻马店、固始等地区；其余站点趋于增加(图1B)。RX5day趋于减少站点占58.8%，主要分布在安阳、新乡、孟津、宝丰、许昌、固始等地，最大减幅为8 mm/10 a；其余站点趋于增加，主要分布在西华、商丘等地区，最大增幅为12 mm/10 a。其中，西华变化趋势通过α=0.05显著性检验(图1C)，说明西华具有显著增加趋势。

R95p趋于减少站点占41.2%，主要分布在三门峡、孟津、郑州等地，最大减幅为12 mm/10 a；其余站点趋于增加，主要分布在西华、南阳、许昌、商丘等地区(其中西华变化趋势通过α=0.05显著性检验)，最大增幅为30 mm/10 a(图1D)。R99p趋于减少站点占47.1%，主要分布在西峡、三门峡、孟津、安阳等地；其余站点趋于增加(图1E)。SDⅡ趋于减少站点占29.4%，主要分布在河南省东南部和西北部，每10 a最大减幅为0.2 mm/d；其余站点趋于增加，主要分布在西华、商丘等地，每10 a最大增幅为0.6 mm/d。其中，西华和商丘变化趋势通过α=0.05显著性检验(图1F)，说明西华和商丘具有显著增加趋势。

表1 极端降水指数定义

表2 1961-2013年河南省极端降水指数变化趋势及显著性检验

注：*表示通过α=0.05显著性检验。

R10趋于增加站点占17.6%，主要分布在卢氏、西华和商丘，最大增幅为0.2 d/10 a；其余站点均趋于减少，最大减幅为1 d/10 a(图1G)。R20趋于减少站点占41.2%，主要分布在信阳、固始、新乡等地区；其余站点趋于增加(图1H)。R25趋于减少站点占41.2%，主要分布在信阳、新乡、安阳等地；其余站点趋于增加(图1I)。

CDD趋于减少站点占41.2%，主要分布在安阳、商丘等地；其余站点趋于增加(图1J)。CWD趋于增加站点占11.8%，主要分布在郑州和固始，最大增幅为0.1 d/10 a；其余站点均趋于减少，最大减幅为0.3 d/10 a(图1K)。

过去53 a，11个极端降水指数中，商丘和西华9个指数(PRCPTOT，RX5day，RX1day，R95p，R99p，SDⅡ，R10，R20和R25)具有升高趋势，且增加幅度为每一个指数最大值；安阳、新乡、孟津和三门峡9个指数(PRCPTOT，RX5day，RX1day，R95p，R99p，R10，R25，CDD和CWD)均具有降低趋势，且降低幅度几乎为每一个指数最大值。在河南省区域内，商丘和西华降水量、降水日数和降水强度显著增加；安阳、新乡、孟津、三门峡降水量、降水日数和降水强度显著减少。

3 讨 论

3.1 极端降水指数变化趋势对比

与全球同期7个极端降水指数相比，河南省4个指数(PRCPTOT，RX1day，RX5day和R10)具有相反变化趋势，3个指数(SDⅡ，CDD和CWD)具有相同变化趋势(表3)，说明河南省和全球极端降水指数变化趋势存在差异。

与我国其他区域同期指数相比。与西藏已有9个极端降水指数[8]均具有相同变化趋势，与我国南方已有5个指数中[9]4个指数具有相同变化趋势，与我国半干旱区已有7个指数[11]中3个指数具有相同变化趋势(表3)，同时河南省降水强度变化幅度均大于我国南方、青藏高原和半干旱区，说明河南省极端降水指数变化特征与我国南方和青藏高原地区相似，而与我国半干旱区不同，体现了极端降水指数区域性差异。

3.2 极端降水指数与经度、纬度和海拔因素之间关系

河南省11个极端降水指数与纬度相关性，8个指数相关系数达到0.8以上，同时10个指数通过了显著性检验(9个α=0.01，1个α=0.05显著性检验)(表4)，说明河南省极端降水指数与纬度密切相关。同时，10个极端降水指数与纬度呈负相关，1个指数(CDD)与纬度呈正相关(表4)，说明随着纬度增加(自南向北)，河南省降水量、降水日数、降水强度逐渐减少，而连续干旱日数逐渐增加。

注：黑色方框表示变化趋势通过α=0.05显著性检验。

图11961-2013年河南省极端降水指数变化趋势空间变化分布

河南省11个极端降水指数与经度和海拔相关性，大部分指数相关系数均较高，说明河南省极端降水指数与经度和海拔具有较好相关性。极端降水指数与经度和海拔相关系数中，只有3个指数(RX1day，RX5day，SDⅡ)通过显著性检验(表4)，说明河南省极端降水指数与经度和海拔密切程度低于纬度。同时，9个极端降水指数与经度呈正相关，2个指数(CDD，CWD)呈负相关且相关系数接近于0；9个极端降水指数与海拔呈负相关，2个指数(R10，CWD)呈正相关，说明随着经度递减(自东向西)和海拔升高(自东向西)，河南省极端降水指数均具有减少趋势。河南省降水量自东部向西部逐渐减少，与月观测数据记录结果一致。其原因是河南省处于东亚季风区范围内，东部更加靠近海洋，东部受季风影响强于西部。

3.3 极端降水指数与年降水量之间关系

从表5可以看出，河南省9个极端降水指数与年总降水量呈正相关，1个指数(CDD)呈负相关。正相关系数在0.59以上，最高达到0.95，且均通过α=0.01显著性检验，说明本文选取11个极端降水指数对河南省降水具有较好的指示作用，极端降水指数的增多/减少反映了降水量的增多和减少[12]。同时，河南省每一个站点4个指数(R95p，R10，R20和R25)与年总降水量正相关系数均通过α=0.05显著性检验，说明极端降水量(R95p)、年降水日数降水量(R10，R20和R25)对年总降水量贡献最大。

表3 河南省极端降水指数变化趋势与其他区域对比

注：*，**分别表示通过α=0.05和α=0.01显著性检验，青藏高原数据、全球数据来自于参考文献[8]，我国南方数据来自于文献[9]，我国北方半干旱区数据来自于文献[11]。

表4 1961-2013年河南省极端降水指数与纬度、经度和海拔相关系数

注：*，**分别表示通过α=0.05和α=0.01显著性检验。

表5 1961-2013年河南省极端降水指数与年总降水量相关系数

注：**表示通过α=0.01显著性检验，SNo表示通过α=0.05显著性检验站点数占总站点数比例。

4 结 论

(1) 时间尺度上，河南省极端降水指数变化趋势不显著。(2) 空间尺度上，河南东南部降水量、降水日数、降水强度强于其西北部。过去53 a，商丘和西华降水量、降水日数、降水强度显著增加，而安阳、新乡、孟津、三门峡显著减少。(3) 纬度因素对河南极端降水指数变化影响强于经度和海拔因素，极端降水量(R95p)、年降水日数降水量(R10，R20和R25)对年总降水量贡献最大。