甘肃省近50年暴雨变化特征及其灾害效应

2019-10-11岳大鹏赵景波马爱华

水土保持通报 2019年4期

胡倩，岳大鹏，赵景波，马爱华

(陕西师范大学地理科学与旅游学院, 陕西西安 710119)

甘肃省地处青藏高原、内蒙古高原的交汇处，位于中国西北部，东西向跨度大，轮廓大致呈西北东南，两端宽大中间细窄的哑铃型。甘肃省是东部季风区、西北干旱区和青藏高原区交汇之地，位于大河、大江的上游地域，江河众多，主要气象灾害有干旱、暴雨洪涝、冰雹、大风、沙尘暴和霜冻等[1]。甘肃省年平均气温为0～15 ℃，干旱、半干旱区占总面积的75%，年均降水量在318 mm左右，降水主要集中在夏季，约占全年降水量的53%，冬季降水极少，仅占2%，造成了冬春季干旱缺雨的地理气候大背景[2]。甘肃省的暴雨中心是指降水量明显大于周围地区的地方，如六盘山、华家岭、祁连山等地[3]。

近年来很多学者都对暴雨进行了许多方面的研究。史培军等[4]研究认为，1951—2010年中国年代际暴雨雨量和雨日显著增加，暴雨雨强也呈现增加趋势；在空间上，中国年代际暴雨雨量和雨日呈现出从东南沿海地区向华中和西南及环渤海地区逐渐扩张的梯度增加趋势。雷淑琴[5]等人研究认为甘肃省玉门地区2012年“6·5”暴雨发生背景为50 kPa“东高西低”型环流形势，河套西部的闭合性反气旋致使玉门上空产生了较长时间的气流辐合上升运动，高原槽的移动使高原到玉门市南部一线维持一支西南气流，以及“河套小高压”南侧维持的东南风，这2支水汽通道为暴雨区输入了充沛的水汽条件。李玲萍[6]等人的研究认为河西走廊东部大到暴雨日数分布从东南向西北递减，暴雨强度最大地为在凉州，最小地为乌鞘岭，且单站暴雨多，成片的、大范围的暴雨较少，局地性强、夜发性的特点。黄玉霞[7]等人的研究认为当西南季风盛行时，河东陇南南部、天水东部、平凉、庆阳西部一带和河西张掖地区暴雨日数偏多；当东南季风盛行时，甘南高原、甘肃中部、河西武威一带和酒泉地区暴雨日数偏多。以往对甘肃省暴雨的研究倾向于暴雨天气过程、个例诊断分析以及甘肃省某个地区和某个季节的暴雨分析，对甘肃省暴雨的气候特征进行全面分析的较少，更缺少长时间尺度上变化的研究。本文基于甘肃省29个气象站1968—2017年的降水数据，分析了该省近50 a暴雨日数及暴雨量的时空分布特征及变化规律，以期为当地的暴雨天气和气象服务提供有参考价值的的资料，借此来预测未来的暴雨气候，以达到防灾减灾的目的。

1 资料来源与方法

气象学规定的暴雨是指某站某一天24 h(前一日20时至当日20时，北京时)累计降水量≥50.0 mm的降水。根据中国气象科学数据共享服务网提供的甘肃1968—2017年50 a 的逐日降水资料，统计该区域暴雨天气。规定24 h降水量大于等于50 mm小于100 mm 为一个暴雨日，降水量大于等于100 mm小于200 mm为一个大暴雨日，降水量大于等于200 mm 为一个特大暴雨日。

以暴雨日数(站次)及暴雨量作为定量表征体系，采用线性趋势和累计距平分析甘肃省近50 a暴雨日数及暴雨量的年代际及年际特征，采用Mann-Kendall突变检验法、Morlet 小波分析方法等[8-10]分析甘肃省暴雨的突变和周期，采用ARCGIS中的克里金插值法分析甘肃省近50 a年均暴雨日数和暴雨量的空间规律。

2 结果与分析

2.1 年均暴雨量、暴雨日数的空间分布

年均暴雨量能够反映某地暴雨日雨量总和的大小及暴雨的多寡情况[11]。根据甘肃省各站点近50 a年均暴雨量和年均暴雨日数，用克里金插值法做出甘肃省近50 a年均暴雨量和年均暴雨日数的等值线图(图1—2)。

图1 甘肃省1968-2017年年均暴雨量(mm)的地域分布

由图1—2得知，甘肃省年均暴雨量为0～44.6 mm，年均暴雨日数为0～0.66站次，年均最小值为陇西的马鬃山、瓜州、敦煌及河西走廊鼎鑫、金塔、酒泉等地，年均最大值为陇东的西峰。陇南虽比陇东纬度更偏南，但年均暴雨量和暴雨日数却从东向西逐渐减少。甘肃省暴雨总的地域特征为：陇东为全省暴雨高值高频中心区，陇南地区次之，再次为河西走廊，陇西最低。造成这种地域分布的原因是由于陇东受东南季风的影响，陇南受西南季风影响，暴雨较多，陇西和河西走廊处于干旱半干旱区，暴雨很少。

图2 甘肃省1968-2017年年均暴雨日数(d)的地域分布

2.2 累年最大日降水量的空间分布

研究期甘肃省共出现大暴雨11站次，其中环县出现1站次，临洮、崆峒、麦积各2站次。西峰出现大暴雨次数最多，共4站次。近50 a间甘肃省没有出现过特大暴雨。甘肃省各站区日暴雨量的最大值为崆峒1996年7月27日的166.9 mm，临洮的143.8 mm(1979年8月11日)次之(图3)，而大暴雨最多的

西峰站点日暴雨量极值并不突出。近50 a来，甘肃省大暴雨高频站点和日暴雨量极大值站点并不完全一致，但都在陇东地区。

图3 甘肃省1968-2017年各站区日暴雨量(mm)极值的地域分布

2.3 暴雨季节变化特征

对甘肃省50 a暴雨日数及暴雨量分月份统计(表1)，结果显示，在4—9月均会有暴雨发生，但主要出现在5—9月，即甘肃省的汛期，约占暴雨日数的99.48%。且4月暴雨出现的次数非常少，仅占0.52%。7月和8月是甘肃省暴雨发生最集中的两个月份，两个月年均暴雨次数分别为1.6站次、1.5站次，其暴雨发生次数远高于其他月份，占到全年的80.31%。暴雨量与暴雨日数在每个月的分布基本一致，4—5月及9月暴雨量占全年的比例要略低于暴雨日数占全年的比例，6—8月反之，说明这3个月每次的暴雨量相对较高。

表1 甘肃省1968-2017年各月暴雨日数及暴雨量统计

为更清楚了解甘肃暴雨的特征，统计了汛期各旬暴雨日数(表2)。由表2可知，暴雨日数从5月中旬缓慢增加，7月上旬急剧增加，8月上旬有所下降，中旬有增多，下旬缓慢减少，9月上旬暴雨日数急剧减少。峰值出现在7月下旬，次峰值出现在8月中旬，年均暴雨日数分别为0.68站次和0.6站次。

表2 甘肃省1968-2017年汛期暴雨日数

2.4 暴雨日数年际、年代际变化特征

将甘肃省29个观测站的暴雨日数求和，分析1968—2017年期间全年及汛期(图4)暴雨日数的年际、年代际变化特征。

图4 甘肃省1968-2017年暴雨日数的变化趋势

结果表明，全年和汛期暴雨日数的年际和年代际变化以及线性趋势变化一致，演变的主要特点为全年和汛期暴雨日数整体呈上升趋势，每10 a全省平均增加了0.38站次。整个序列可分为3个阶段：第1阶段为1968—1987年的偏低阶段，20 a中仅有6 a暴雨日数高于平均值。第2阶段为1988—2004年的增减不明显的波动阶段。第3阶段为2005—2017年的偏高阶段。从年代际变化来看，20世纪70年代发生35站次暴雨，80年代发生38站次暴雨，90年代增加到41站次，21世纪前10 a降到36站次，之后仅8 a就有40站次的暴雨。由此可知，甘肃省暴雨在20世纪80年代后开始增加，21世纪前10 a有所减少，之后又开始增加。具体到每个月，暴雨日数的线性变化趋势有所不同。4月份是甘肃省暴雨发生次数最少的一个月，50 a中仅出现1次暴雨，没有表现出明显的规律性。5月份(图4)是甘肃省暴雨发生几率较小的月份，50 a中仅有5 a发生过暴雨，1978年一年发生了3站次，其余4 a(1988，1990，2013和2017年)各出现1站次暴雨。5月份暴雨发生次数显示出极强的随机性，近50 a的5月份暴雨日数整体呈下降趋势，线性趋势为-0.005站次/10 a。6月份(图5)甘肃省暴雨波动明显，有13 a发生了暴雨，共21站次，大多分布在上个世纪80年代，21世纪前10 a和20年代，近50 a的6月份暴雨日数整体呈明显上升趋势，线性趋势为0.158站次/10 a。暴雨日数峰值在2002年。7月份(图4)甘肃省暴雨日数是全年各月中最集中的时期，50 a来仅有19 a无暴雨发生，年平均日数达1.6站次，高于平均值的年份有19 a，低于平均值的年份有12 a。7月份暴雨日数的整个序列呈上升趋势，可分为以下3个阶段。1968—1987年为暴雨日数较为明显的偏低阶段，20 a间只有5 a高于平均值。1988—2004年为暴雨日数很明显的偏高阶段，除去没有发生暴雨的7 a之外，其余10 a间有8 a暴雨日数高于平均值。2005—2017年为暴雨日数增减不明显的波动阶段。由此可知，近50 a的7月份暴雨日数呈上升趋势，线性趋势为0.154站次/10。从年代际分布来看，每个年代均有暴雨发生。8月份(图4)甘肃省发生暴雨的次数也相当频繁，50 a来仅有14 a无暴雨发生，其余36 a中，高于平均值的年份有19 a。

20世纪70年代发生暴雨日数最多，20世纪80，90年代有所减少，21世纪以来暴雨日数又变多。近50 a的8月份整个序列上升趋势不太明显，线性趋势为0.016站次/10 a。9月份甘肃省暴雨发生次数非常少，50 a中仅有6 a发生暴雨，共9站次，峰值在1990年发生了4站次，其余5 a(1978，2001，2011，2013和2016年)各发生了1站次，近50 a的9月份暴雨日数序列变化无明显的规律和趋势。

2.5 暴雨量的年际、年代际变化特征

据表3可知，1968—2017年甘肃省近50 a甘肃暴雨量经历了少—少—多—少—多的年代际变化过程，其中20世纪90年代和2010年以后为峰值期，70年代为最少的10 a，21世纪最初10 a略多于20世纪70年代，20世纪80年代多于21世纪最初10 a。季节分布上，20世纪60，70年代以及21世纪前10 a年代际暴雨量偏少主要是夏季暴雨量偏少的贡献，2010年以后年代际暴雨量偏多也主要是由于夏季暴雨量偏多。20世纪80年代年代际暴雨量偏少是秋季暴雨量偏少的贡献，90年代年代际暴雨量偏多是夏秋两季暴雨量偏多的共同作用。

表3 甘肃省1968-2017年各季及全年暴雨量的年代距平

由暴雨量的累计距平曲线(图5)可以看出，近50 a来，甘肃暴雨量的序列是被分为以下3个阶段。第1阶段为1968—1977年，累计距平曲线呈波动式下降，说明这10 a中暴雨量总趋势是小于平均值的。第2阶段为1978—2004年，累计距平曲线曲线为波动形式，说明这17 a暴雨量的值有大有小，总体升降趋势不明显。第3阶段为2005—2017年，累计距平曲线波动上升，说明13 a间年暴雨量总趋势大于平均值。

图5 甘肃省1968-2017年暴雨量的累计距平

2.6 暴雨日数及暴雨量的周期性分析

由以上分析可知，甘肃省全年、汛期和各月暴雨日数存在着多时间尺度的演变，利用Morlet小波对甘肃暴雨日数及暴雨量进行分析。由图6—7可知，暴雨日数和暴雨量的小波系数实部等值线中心主要分布在2～3 a，6～8 a，所以暴雨日数和暴雨量存在2～3 a，6～8 a两类尺度的周期变化规律。在年际变化上，20世纪90年代以前以7～8 a的振荡周期为主，90年代以后以6～7 a的振荡周期为主，2～3 a的周期存在于整个时间序列中。根据暴雨日数和暴雨量变化序列的小波方差分析结果可知，两者都存在8 a和3 a两个周期。不同点在于暴雨日数8 a周期比3 a周期明显，暴雨量3 a比8 a周期明显。

暴雨日数和暴雨量的小波方差图在25 a处都显示出一个最高值，证明25 a也许是一个长周期，但由于研究期时间序列不够长，暂时难以确定。且暴雨日数和暴雨量的小波变换系数时频分布图的实线暂未完全闭合，表明目前甘肃省还处于暴雨较多的时期，图7—8中还出现了不甚明显的17～18 a年的振荡周期，在1997年后，该周期比较明显。

图6 甘肃省1968-2017年暴雨日数的小波变换系数(左)及小波方差变化曲线(右)

图7 甘肃省1968-2017年暴雨量的小波变换系数(左)及小波方差变化曲线(右)

2.7 突变检验

由以上分析可知，甘肃省近50 a来，全年和各月，暴雨日数和暴雨量的变化趋势都有所不同，下面利用MK检验法对甘肃省50 a暴雨日数(图8)及暴雨量(图9)进行突变检验。

图8 甘肃省1968-2017年暴雨日数的突变检验

图8的UF和UB曲线相交于2005，2006，2012，2014及2015年，说明暴雨日数在这些年份存在较大幅度的变化，交点过多，结合暴雨日数的年际变化图(图5)来看，可以得知暴雨日数呈波动变化，突变不明显。暴雨量的突变检验与暴雨日数结果不同，图9的UF曲线在1980—1982年超过了0.05水平显著线，说明这段时间暴雨量有一显著的增加趋势。UF和UB曲线在1977年存在交点，在此后UB曲线几乎一直低于UF曲线，根据暴雨量变化图(图10)也可以看出在1977年之前，年均暴雨量为180.7 mm，1977年之后年均暴雨量为271.9 mm，明显增多，因此甘肃省暴雨量在1977年发生了突变。两条曲线还存在许多交点，在1985，1994，1997和2000年左右，说明暴雨量在这些年份均有显著的变化。

图9 甘肃省1968-2017年暴雨量的突变检验

图10 甘肃省1968-2017年暴雨量的变化趋势

3 讨论

3.1 极端暴雨变化原因

极端暴雨变化的原因可能包括气候变暖，东亚季风的变化以及厄尔尼诺时间的影响等。李彩霞[12]等人研究指出全球变暖使部分热带地区降水量增多，很多副热带地区降水量减少，而高纬度地区降水量也增多。20世纪后半叶，中纬度大部分地区降水量增加，强降水或极端降水频率也相应增加。黄玉霞[7]等人研究东亚夏季风对甘肃夏季暴雨日数的影响得出夏季，西南季风、东南季风对甘肃省暴雨日数的影响存在很大差异，当西南季风盛行时造成河东陇南南部、天水东部、平凉、庆阳西部一带和河西张掖地区暴雨日数偏多；当东南季风盛行时，造成甘南高原、甘肃中部、河西武威一带和酒泉地区暴雨日数偏多。林纾[13]等人对甘肃省河西走廊地区的夏秋雨日进行研究，得出与1990年代相比，2000年代500，200和70 kPa高度场、相对湿度及比湿有明显的年代际变化，对秋季降水有利而对夏季降水不利。综上所述，极端暴雨近50 a来变化的原因可能是由全球变暖，东亚季风增强引起的。

3.2 极端暴雨变化引起的灾害

极端暴雨变化造成会造成洪涝灾害。由上述分析可知暴雨日数和暴雨量都存在上升的趋势，那么对应的暴雨洪水应该也存在上升趋势。郭小燕[14]等人对甘肃省水旱灾害时空分布特征的研究结果表明，甘肃省1985—2007年水灾受灾面积呈上升趋势。在蒲金涌[15]的甘肃省暴雨洪水灾害分布特征研究中指出，1950—1997年该省农田共遭水灾面积4.67×106hm2，平均每年受灾面积9.70×104hm2，其中1984年为3.16×105hm2，1991，1992和1996年平均超过3.33×105hm2，最多的1996年受灾面积接近4.00×105hm2。48 a间受灾人口3 397万人，死亡人口7 564人，倒塌房屋70万间，直接经济损失7亿元(1990年不变价)。由表4可知死亡人数以1970—1980年为多，占48 a人口死亡总数的31.3%，直接经济损失以20世纪90年代最为严重。1991—1997年这7 a仅占48 a的14.6%，直接经济损失量却占到48 a的54%。如2012年7月16日，甘肃省南裕固族自治县境内持续普降小到中雨10 h，致县内部分路段、河堤遭受洪水袭击。此次灾害已造成直接经济损失达5 789万元[16]。2018年7月9—11日，甘肃河东地区出现了强降水天气，陇东南最大累积雨量达200～250 mm，造成了重大人员伤亡和财产损失。初步统计暴洪已致陇南、天水、定西、平凉、庆阳、甘南等6个市(州)24个县(区)161个乡(镇)28.6万人受灾。从暴雨日数的年际变化可以得知，1998—2017年暴雨日数增多，表明这一时段与1960—1997年之间的时段一样，暴雨洪水的危害和暴雨洪水造成的损失增大(表4)。

表4 甘肃省1961-1997年洪水灾害损失情况[15]

根据王燕[2]等人对甘肃省近37 a降水特征的研究，可以看出甘肃省降水年际变化的线性趋势并不显著。在降水未增多的情况下，暴雨呈上升趋势，导致地表径流流失的水分增多，进而旱灾加重。马琼[17]等人对甘肃省黄土高原干旱的研究显示，甘肃省干旱事件频次有所上升，近10 a来尤为显著。尹宪志[18]等人对甘肃省近50 a的干旱灾情的研究结果表明，近50 a甘肃的干旱灾害呈面积增大和频率加快的趋势，旱灾成灾率呈上升趋势。从1950—1979年30 a间，旱灾成灾率超过30%的年份有1 a，而1980—2000年21 a间，有5 a成灾率达30%以上，其中，1995年达到了45.3%，成灾率是近50 a来最大的。近50 a来，甘肃发生干旱成灾面积超过1.00×106hm2的严重干旱年13次，而90年代以来就出现了6次，分别是1991，1992，1994，1995，1997和2000年。特别是1995和2000年最为严重，成灾面积是50 a来最大。王亚竹[19]等人对甘肃省旱灾的发展趋势研究结果也表明，旱灾受灾面积和成灾面积都呈逐步增加的趋势，尤其是20世纪90年代和2000年以来，旱灾受灾面积和成灾面积都显著增加。以20世纪50年代为基准，60年代、70年代、80年代、90年代、2000—2007年的年均旱灾受灾面积分别是50年代的2.14，2.30，2.44，3.75，3.27倍，年均旱灾成灾面积分别是50年代的2.2 l，2.39，2.47，3.52，2.95倍。根据以上所述，可以确定随着暴雨的增多，旱灾有所增多，其危害也变大，应做好抗旱准备，减少旱灾损失。