陕西极端降水时空变化特征研究

郑小华，娄盼星，刘 环，冯 蕾，马永永

（陕西省气象台，陕西 西安710015）

随着全球变暖，各地极端天气气候事件频发，其中极端降水的强度频繁突破历史极值，已引起国内外气象研究者广泛关注。陕西省地处青藏高原的东北侧，地形南北狭长，横跨三个气候带，受季风气候影响，暴雨多集中在夏季6—9 月，极端降水强度大、时空分异特征明显，极端强降水导致陕西各地每年都有不同程度的洪涝灾害发生，给国民经济和人民的生命财产造成重大损失。1981 年8 月汉中大水灾和1983 年7 月安康大水灾均造成重大人员伤亡，直接经济损失分别为8 亿元以上和11 亿元以上[1]。2012 年的陕南暴雨造成经济损失高达63.7亿，2017 年陕北暴雨洪涝灾害致使绥德全县被淹，造成巨大的人员和财产损失。研究表明，20 世纪后期开始，中高纬度大部分地区降水量呈现增加趋势，强降水或极端降水的频率也相应增加[2]。王志福采用百分位的方法定义了极端降水事件的阈值，并分析全国极端降水事件的时空分布特征，认为极端降水事件多发于35°N 以南以及高原东南部[3]。翟盘茂、吴燕娟等对北方地区近50 a 降水极端事件的进行了分析，认为近50 a 西部降水呈现增加趋势，特别是西北区域的强降水事件趋于增多[4-5]。针对西北地区，赵丽等分析了新疆极端降水的时空分布，发现过去50 a 北疆地区和天山山区极端降水总体上呈增加趋势[6]。岳江等运用Mann-Kendall 突变检验研究了大同地区年降水量时间序列和空间序列变化规律[7]，杨宏青、张文等多位学者对长江流域的极端降水时空分布情况进行了分析研究[8-10]。陕西地处南北气候分界线，是气候变化的极端敏感区，探讨该区域的极端强降水变化特征具有重要的科学价值。前期姜创业[11]等对1961—2009 年陕西省极端强降水事件的时空演变进行了分析，但在区域划分及极端降水分析指标应用方面较为单一。本研究统计了陕西全年日最大降水量、日平均降水强度、夏季日最大降水量、夏季日平均降水强度、夏季日降水量超过第99 和第95 个百分位数的降水量/降水强度、夏季日降水超过第99 和第95 个百分位的降水日数和强度的时空分布，试图发现陕西的强降水是否更趋于极端化和频繁化，以期为应对气候变化、降低极端强降水事件对自然和社会的影响提供决策依据。

1 数据和方法

1.1 研究区域及资料

陕西省地处中国西北地区东部的黄河中游，位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N。属内陆省份，地域南北长、东西窄，南北长约870 km，东西宽约200～500 km，土地总面积20.56 万km2。地理环境复杂，明显可分为陕北黄土高原、关中平原和陕南秦巴山地三种地貌区。复杂的地理环境造就了丰富的气候类型，可分为陕北、关中、陕南三大自然区，也可细分为长城沿线风沙、陕北丘陵沟豁、渭北高原、关中平原、秦岭、汉中盆地、巴山等7 个气候区域。陕西属大陆性季风气候，跨越3 个气候带，即陕北温带干旱、半干旱气候区；关中暖温带半干旱、半湿润气候区；陕南暖温带、北亚热带半湿润、湿润气候区。省内气候资源丰富，北部光照充足，南部水热较丰沛。由于气候类型繁多，地形地势复杂，干旱、雨涝、霜冻、冰雹、大风等自然灾害也较频繁。

依据资料的连续性及最长时段性标准，共选取符合条件的93 个气象站，地面气象站的日降水资料为中国国家气象局气象信息中心提供，并且经过了较为严格的质量控制，丢失的数据（主要是在干燥的季节，这对当前的结果几乎没有影响，研究侧重于年度/季节降水量最大值）1 d、2 d 由相邻站的降水平均值取代。气象资料时间段为1961 年1 月1 日—2011 年12 月31 日。

1.2 方法

本文中的极端降水定义为以下几类：（1）日最大降水量，夏季日最大降水量；（2）夏季日降水超过第99 和第95 百分位的频率，日平均降水强度（降水总量/降水日数）/频率，夏季日平均降水强度（夏季降水量/夏季降水日数）/频率，夏季日降水超过第99和第95 百分位的降水强度/频率用来研究陕西极端降水时空变化规律。

趋势分析和突变检验则运用线性变化倾向率和Mann-Kendall（MK）非参数检验方法[12]。

设原始时间序列为y1，y2，…，yn，mi表示第i 个样本yi＞yj（1≤j≤i）的累积数，定义统计量：

在原序列随机独立等假设下，dk的均值和方差分别为：

将上面公式的dk标准化，得：

UFk组成一条UF 曲线，通过显著性水平检验可得出其是否有明显的变化趋势。把此方法引用到反序列中，计算得到另一条曲线UB，则两条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。给定显著性水平α=0.05，则统计量UF 和UB 的临界值为±1.96。UF>0，表示序列呈上升趋势；反之，表明呈下降趋势，＞1.96或＜-1.96，表示上升或下降趋势明显。

2 结果分析

2.1 极端降水Mann-Kendall 趋势空间分布

图1 描述的是陕西省93 个气象站1961—2011年极端降水事件Mann-Kendall 趋势分析，“显著”代表均通过ɑ=0.05 的显著性检验，通过从图1a 可以看出陕北年最大降水量变化趋势不明显，但关中和陕南大部分县（区）具有显著上升的变化趋势；图1b显示陕北超过一半的县（区）年降水频率具有显著上升的趋势，关中和陕南大部分县（区）均具有显著的变化趋势（上升/下降）；年无降水频率变化如图1d与图1b 相比，具有显著变化趋势的县（区）变化趋势是相反的。图1c 可以看出有降水日日平均降水强度（年总降水量/年降水日数）全省大部分县（区）无显著变化，显著下降的县（区）较上升的县（区）偏多。从图1 可以看出关中、陕南日最大降水量具有显著的上升趋势，说明极端降水增多了，暴雨洪涝的风险度更大了。

图2a 显示出夏季日最大降水量陕北一半左右的县（区）具有显著上升趋势，关中和陕南大部分县（区）具有显著变化（上升/下降）趋势，上升/下降县（区）数大致相等。图2b 显示夏季降水频率陕北大部分县（区）变化趋势不明显，关中和陕南大部分县（区）变化（上升/下降）趋势显著；图2d 是夏季无降水频率变化趋势图，与图2b 对比具有显著变化趋势的县（区）的变化趋势是相反的。图2c 显示出夏季日降水量强度陕北大部分县（区）变化趋势不明显，关中和陕南具有显著上升趋势的县（区）占多数。

由图3 可以看出夏季陕北的日最大降水量具有显著增加的趋势，关中和陕南夏季日降水强度是具有显著增加的趋势。

图1 陕西省93 个气象站1961—2011 年极端降水事件Mann-Kendall 趋势分析

由图3a 可以看出夏季超过第99 百分位阈值的日数全省大部分县（区）具有显著上升的趋势，由图3c 可以看出夏季超过第95 百分位阈值日数陕北变化不明显，关中、陕南大部分县（区）具有显著的上升趋势。由图3c、3d 可以看出夏季超过第99 百分位阈值和第95 百分位阈值降水强度陕北变化趋势不明显，关中和陕南大部分县（区）具有显著上升的变化趋势。

由图3 可以看出关中和陕南夏季超过第99 百分位阈值和超过第95 百分位阈值的降水日数和强度均具有显著增加趋势、陕北超过第99 百分位阈值的降水日数具有显著的上升趋势。

2.2 极端降水Mann-Kendall 趋势变化

图2 陕西省93 个国家基本气象观测站夏季1961—2011 极端降水事件Mann-Kendall 趋势分析

图4 和图5 显示的是陕西省1961—2011 年3个自然区（陕北、关中、陕南）年和夏季极端降水Z指数MK 趋势变化。日最大降水量陕北和关中没有明显的变化趋势，陕南20 世纪70 年代中期开始上升，到80 年代初期达到显著上升水平，达到顶点后又开始下降（图4a），这进一步证实图1a 中陕南日最大降水量具有显著上升趋势的县（区）更多（占到陕南总站数的42%）；3 个区域年有降水频率变化趋势基本一致，均从1970 年以后呈上升趋势，尤其是陕北在1975—1995 年达到显著上升水平（图4b），这也进一步说明图2b 中陕北54%县区年降水频率具有显著上升的趋势。年无降水频率则与年有降水日数时间变化趋势相反（图4d）；日平均降水强度3个区在近50 a 中无明显变化趋势（图4c）这与图1c显示的结论也基本一致。夏季降水变化趋势与全年的变化有很多地方相似，夏季日最大降水量关中和陕北变化不大，陕南地区从1975 年以后变为上升趋势，1980—1990 年达到显著上升水平（图5a）；夏季降水日数3 个区域变化趋势基本一致，从1970 年以后呈上升趋势，1975—1998 年达到显著上升水平，3个区中陕北变化更为显著（图5b）；夏季无降水日数的变化趋势与有降水日数的变化趋势相反（图5d）；夏季日平均降水量强度1978 年以前3 个区均变化不明显，1980 年以后，关中和陕南呈上升趋势，陕南有些年份达到显著上升趋势，陕北却呈下降趋势，未达到显著水平（图5c）。

图3 夏季日降水量超过第99 和第95 百分位阈值MK 趋势分析

图6 显示夏季降水量超过第95 百分位数阈值的日数（图6a）和超过第99 百分位阈值的日数（图6c）及夏季降水超过第95 百分位阈值的日平均降水强度（图6b）和超过第99 百分位阈值的日平均降水强度（图6d）陕西3 个自然区域Z 指数MK 变化趋势，由图6a 可以看出超出第95 百分位阈值的日数，3 个区在1961—1978 年为下降趋势，1978 年后为上升趋势，陕北上升趋势最为明显，陕北在1975—2000 年达到显著的上升水平，关中、陕南和陕北变化趋势基本一致，变化幅度相对较小，在1980—1995 年达到显著上升水平；从图6c 可以看出超过第99 百分位阈值的日数与超过第95 百分位阈值的日数趋势基本一致，陕北在1970 年以后上升趋势更加显著。由图6b 可以看出超过第95 百分位阈值日降水强度陕北和关中关变化不明显，陕南1980—1986 年上升趋势显著。超过第99 百分位阈值降水强度3 个区的变化趋势与图6b 是基本相似的（图6d）。陕南在20 世纪80 年代初期达到显著上升趋势，关中和陕南变化趋势不明显。

图4 陕西省分地区平均年极端降水Z 指数MK 趋势时间变化

图6 陕西省分区夏季超过第99 百分位阈值和第95 百分位阈值极端强降水时间分布图

3 结论与讨论

利用1961—2011 年陕西省93 个气象站点数据，通过趋势分析和突变检验方法，分陕北、关中和陕南3 个区域，分别对各站点全年以及夏季的日最大降水量和日平均降水强度发生频率进行了分析，对陕西极端降水发生的时空变化特征进行了研究，得到以下结论。

（1）51 a 来，陕西全年日最大降水量、夏季最大降水量、超过第99 百分位阈值降水日数均在20 世纪70 年代中期以后呈现增加趋势且在80 年代中期发生了突变。而关中和陕南超过第95 百分位阈值降水日数在80 年代初期和中期分别达到显著水平。

（2）陕西关中和陕南地区的年最大降水量增加趋势较陕北更为明显，陕北的夏季最大降水量和强降水频率均呈现一致的增加趋势，而关中和陕南年强降水频率的变化趋势在各县区表现不一致。关中和陕南大部分县区的夏季日降水强度具有显著上升的趋势，但降水日数的变化各县区的表现不太一致。

（3）近50 a 来陕西极端降水日数及强度均有一定程度的增加，尤其是陕南日最大降水量和陕北强降水日数的增加最为显著。陕西暴雨洪涝的重点防范区域除了应关注传统的陕南汉江和渭河沿线外，陕北发生洪涝灾害的风险也在增大。

极端强降水的发生具有双重性，既是山洪、泥石流等自然灾害的主要诱发因素，同时又是重要的水资源补充途径之一，其变化趋势对水循环过程、水资源分布及农业生产也具有重要影响。特别是在全球变化的背景下，极端强降水事件发生的频次和发生区域均发生了较大变化。由于极端气候事件的形成机制复杂，本文仅对陕西地区极端降水的时空变化特征进行了分析，对于极端降水变化特别是区域变化差异产生的原因及其机理涉及较少，这不仅涉及到气候系统的动力和热力过程，还与海温、大气环流、地表状况和太阳活动等多方面因素有关。因此，关于陕西极端强降水的变化机制及区域特征还有待于进行更深入的研究。