西宁地区汛期极端降水与不同级别降水的气候特征分析

张翠花 聂永喜 郝玺英

摘要 利用西宁地区1961—2017年4个站点的汛期的逐日降水观测资料，用阈值监测的方法，计算出西宁地区汛期极端降水的阈值，并应用气候线性趋势、多项式拟合、M-K检验和MorLet小波分析法对57年西宁地区各级雨量和R95极端降水的气候变化特征进行了分析。结果表明：（1）1961—2017年西宁地区汛期（5—9月）降水量增加，增加幅度为6.387 mm/10年，降水日数减少的趋势，减少幅度为0.379 mm/10年，相应的汛期降水强度加强。（2）汛期极端降水量呈现增加趋势，增加幅度为2.946 mm/10年，且具有明显的阶段性变化;降水频次和强度均呈现增加趋势。从空间来看，西宁地区极端强降水量、频次、强度大值区主要集中在大通和湟中。（3）西宁地区汛期（5—9月）0.1～9.9 mm的小雨、10.0～24.9 mm的中雨和≥25.0 mm的大-暴雨雨日分别占全部雨日（≥0.1 mm）的83%、14%、3%;不同量级的雨日所产生的降水量分别占总降水量的44%、41%、15%。虽然中雨和大-暴雨出现的日数所占比例不大，但所产生的降水量比例较大，表明强度增加，降水就更加集中。（4）中雨降水量和R95极端降水量和与年降水量的相关性均较高，通过了0.001的相关性检验，对年降水量的贡献很大，有很好的响应，而小雨、大-暴雨与年降水量的相关性相对较差，没有通过统计学0.001的相关性检验，说明小雨和大-暴雨对年降水量的贡献并不显著。（5）进入21世纪以来，极端强降水引发的灾害频次增多、强度加重，受到的经济损失也随之加大，降水趋于极端化的趋势使防汛形势日益严峻。

关键词 西宁地区;汛期极端强降水;气候特征

中图分类号：P468.0+24 文獻标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）03-074-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.032

近年来，随着气候变化，极端事件尤其是夏季极端降水事件的频发，引起了各部门广泛关注，各界学者进行了大量的研究分析。杨金虎等[1]在研究中国年极端降水事件的时空分布特征中发现，中国年极端降水事件的时间变化存在明显的区域性差异;唐红玉等[2]对中国极端降水的研究表明，全国总降水量变化趋势不明显，但降水强度在增强。虽然极端事件发生的概率小，但突发性强，造成的损失大。中国学者研究表明，中国的极端降水值、极端降水平均强度和频数都在增多[3]。近50年来，中国西北地区降水以强降水为主，较强以上强度的降水日数占总降水日数的5%，但其降水量占总降水量的75%[4-8]。西宁地处西北、属东部农业区，地形复杂，地表植被稀疏，降水主要集中在汛期（5—9月），占全年总降水的60%以上。因此，夏季的极端强降水给当地农业生产工作造成了严重影响，更为短时强降水的气象服务带来了挑战。鉴此，文中分析了西宁地区极端降水及不同级别的降水特征，旨在为极端强降水引发的洪水、滑坡及泥石流等地质灾害提供更好地气象服务。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选取1961—2017年西宁地区（西宁市、湟中县、大通县、湟源县）4个台站的汛期（5—9月）逐日降水资料，对其进行质量控制和均一性检验，以确保各站点日降水资料的准确和可靠。

1.2 研究方法

1.2.1 极端强降水事件 利用西宁地区（西宁、湟中、大通、湟源）4个国家气象站1961—2017年的日降水序列，采用百分位法定义每个站点极端降水的阈值，具体做法是：将1961—2017年逐年的日降水量（≥0.1 mm）序列由小到大排列，取其第95个百分位数的57年平均值定义为极端降水事件的阈值，当某站某日降水量超过这个阈值时，就记为一次极端降水事件[9-10]，具体参照Bonsal的计算方法，如下：如果某个气象要素有n个值，将这n个值按升序排列x1，x2，…，xm，xn…某个值小于或等于xm的概率为P=（m-0.31）/（n+0.38）。其中，m为xm的序号，n为某个气象要素值的个数。第95个百分位值是指P=95%所对应的xm值。

研究采用4个极端强降水指数，分别是极端强降水量、极端强降水频次、极端强降水强度以及极端强降水比重，具体定义见表1。

1.2.2 不同级别降水 根据气象降水量级规定，日降水量0.1～9.9 mm为小雨，10.0～24.9 mm为中雨，≥25.0 mm为大-暴雨。在确定了极端降水事件阈值和不同级别降水的基础上，统计出近 57年西宁地区4个站点逐年不同量级降水日数和极端降水事件数据，并建立57年的时间序列，然后通过降水要素倾向率计算各级降水和R95极端降水的变化情况;用多项式拟合的方法分析各级降水量和R95极端降水量与年降水总量之间的相关关系;用MannKendal法对R95极端降水事件的突变进行分析，用滑动t检验法对突变点进行检验;用Morlet小波分析法分析近57年西宁地区R95极端降水的周期变化。

2 结果与分析

2.1 极端降水事件的变化特征

2.1.1 汛期降水量、降水日数的变化 1961—2017年西宁地区汛期（5—9月）降水量呈增加趋势，增加率为6.38 mm/10年，汛期降水量最大值出现在1967年，降水量为565.7 mm，而最小降水量出现在1991年，降水量为260.3 mm（图1a）;汛期平均降水日数为76 d，整体呈现微弱减少趋势，但减少的不明显，降水日数最大与最小值相差31 d（图1b）。通过分析，1961—2017年西宁地区汛期降水量呈增加趋势，降水日数呈减少趋势，降水强度增大。

2.1.2 极端降水事件的气候特征 极端降水事件从汛期极端降水量、频次、强度及强降水量占汛期降水量比重等指标来分析。

1961—2017年西宁地区汛期极端降水量增加，增加幅度为2.946 mm/10年，且具有明显的阶段性变化，90年代以后极端降水量增多趋势较明显（图2a）;极端强降水频次呈微弱增多趋势，速率为0.06 d/10年，增多趋势不明显（图2b）。近57年，极端降水强度也呈加强趋势，尤其在近10年较为明显，2008—2017年极端降水强度达到1.797 mm/d，较常年偏多1.6 mm/d（图2c）。同时，1961—2017年平均极端降水量对汛期总降水量的贡献率为33%，汛期极端降水对汛期降水的贡献变化不明显（图2d）。从以上分析可以看出，在当地气候变化的背景下，汛期极端降水量、降水频次和强度均呈现增加趋势，尤其是近年来增加的较为明显。

从空间来看，西宁地区极端强降水量、频次、强度大值区主要集中在北部的大通、中西部的湟中，年平均极端降水量为150 mm左右，频次为6次、强度为24 mm/d，而东部的西宁市区、西部的湟源相对偏小（表2）。而从变化趋势来看，湟中极端降水量和降水日数呈现减少趋势，平均每10年减少0.6 mm，其余地方均呈现增多趋势，大通和湟源增多的较明显，平均每10年分别增多8.4 mm和2.9 mm。

2.1.3 极端降水事件的气候突变性 西宁地区汛期极端降水是否也存在气候突变，有必要对其变化程度进行突变检验。检验结果表明：西宁地区极端降水量和降水日数均在20世纪60年代中期前呈显减少趋势，之后逐年增多。极端降水在1961—2017年期间没有发生气候突变现象，只是存在年际间的振荡（图3）。

2.1.4 极端降水周期变化特征 通过对西宁地区极端降水量平均值进行Morlet小波分析，结果顯示20世纪80年代中期前存在9年左右的周期，但不显著，而之后存在4—5年左右的周期振荡较显著（图4）。

2.2 不同级别的降水气候变化特征

1961—2017年西宁地区汛期不同级别的降水变化如图5所示：出现小雨的降水日数呈现减少趋势外，其他等级的平降水日数和降水量均呈增加趋势。小雨降水出现的日数速率为每10年减少3.2 d，而中雨和大-暴雨的降水日数速率分别为每10年增加1.5和0.1 d，且中雨增加的尤为明显，通过了0.10的显著性检验。统计表明，西宁地区汛期0.1～9.9 mm的小雨、10.0～24.9 mm的中雨和≥25 mm的大-暴雨雨日分别占全部雨日（≥0.1mm）的83%、14%、3%，降水量分别占总降水量的44%、41%、15%。虽然中雨和大-暴雨出现的日数所占比例不大，但所产生的降水量比例较大，表明强度就增加，降水就更加集中。

从地域情况来看，湟中和大通出现大-暴雨的次数相对较多，1961—2017年汛期总共出现121和107次，平均每年出现2次，比其他地方多1倍，而西宁市区和湟源地区出现的次数相对较少。

由此可见，西宁地区降水以小-中雨为主，大-暴雨降水出现的几率非常小，但局部范围内时常会出现，而且强度也是增加的，大-暴雨平均每年出现2次，1961年西宁地区总共出现大-暴雨20次，平均每个站出现5次，是历年来大-暴雨出现最多的年份，平均每次降水量达40 mm。20世纪60年代和90年代大-暴雨出现的较频繁，平均每年出现7～8次，比57年平均每年出现次数多5～6次。

2.3 不同量级降水和R95极端降水量与年降水总量之间的关系

为了进步验证不同量级降水和R95极端降水量与年降水总量之间的相关关系，绘制出了不同量级降水和R95极端降水量与年降水总量之间的散点图（图6）。通过分析可知，小雨、中雨、大-暴雨量和R95极端降水量与年降水量之间均呈正相关，通过最小二乘法得到的线性拟合方程分别为y=0.145 4x+98.42、y=0.474 2x-60.26、y=0.212 4x-42.21、y=0.410 1x-57.4，相关系数分别为0.427 4、0.698 4、0.344 4及0.659 8，可见，中雨降水量和R95极端降水量和与年降水量的相关性都比较高，通过了0.001的相关性检验，对年降水量的贡献很大，有很好的响应，而小雨、大-暴雨与年降水量的相关性相对比较差，没有通过统计学0.001的相关性检验，说明小雨和大-暴雨对年降水量的贡献并不显著。

2.4 汛期极端强降水事件对灾害的影响评估

极端气候事件频率和强度的变化会对社会经济和人民群众生命财产安全带来较大的影响。汛期极端强降水事件对灾害的影响主要包括对对泥石流灾害的影响和对洪涝灾害的影响。随着气候变暖，气候极端事件特征也出现了明显变化，1961—2017年汛期，西宁地区降水量增加，尤其进入21世纪以来，极端强降水引发的灾害频次增多、强度加重，受到的经济损失也随之加大。7月中旬至8月中旬是极端强降水的多发期，暴雨极端强降水多发，洪水频发、引发滑坡、泥石流等地质灾害。

据统计，自20世纪90年代以来，汛期强降水处于多发期，导致暴雨洪水发生的趋势上升（图7）。20世纪80年代以来西宁地区发生强降水引发的暴雨洪涝灾害100多次，其中湟中、大通各30次，湟源、西宁各20次，死亡人口87人，直接经济损失达48 996.19万元。其中90年代26次，经济损失7 353.92万元;2000—2009年49次，经济损失1 541.63万元;2010年之后27次，经济损失40 098.64万元。尤其是在2003—2013年的10年期间共发生61次暴雨洪灾，是进入21世纪以来西宁地区暴雨灾害频发的10年，其中仅2007年西宁地区发生暴雨灾害15次，是暴雨洪涝灾害发生最多的一年，如2007年湟中县连续9 d出现了强阵性天气过程，由于降水过多，山体土质松软，发生山体滑坡、泥石流衍生气象灾害，致使2人死亡;2010年7月6日湟源暴雨洪涝灾害，造成湟源直接经济损失大2.25亿，死亡13人;2016年8月18日短时强降水引发的暴雨洪涝灾害造成湟源9个乡镇、西宁辖区13个村6个农业基地受灾，1 h降水量达52.4 mm，直接经济损失达9千多万元。随着全球变暖，因强降水和极端降水引发的洪灾危害仍将持续。

从以上分析可以看出，在气候变暖的背景下，虽然汛期强降水量增加的幅度不明显，但强降水频次和强度明显增加，降水趋于极端化的趋势使防汛形势日益严峻。

3 结论

（1）1961—2017年西宁地区汛期（5—9月）降水量增加，增加幅度为6.387 mm/10年，降水日数呈减少的趋势，减少幅度为0.379 mm/10年，相应的汛期降水强度加强。

（2）汛期极端强降水量呈现增加趋势，增加幅度为2.946 mm/10年，且具有明显的阶段性变化;降水频次和强度均呈现增加趋势。从空间来看，西宁地区极端强降水量、频次、强度大值区主要集中在大通和湟中。

（3）西宁地区汛期0.1～9.9 mm的小雨、10.0～24.9 mm的中雨和≥25 mm的大-暴雨雨日分别占全部雨日（≥0.1 mm）的83%、14%、3%;不同量级的雨日所产生的降水量分别占总降水量的44%、41%、15%。虽然中雨和大-暴雨出現的日数所占比例不大，但所产生的降水量比重较大，表明强度增加，降水就更加集中。

（4）中雨、R95极端降水量和与年降水量的相关性都比较高，通过了0.001的相关性检验，对年降水量的贡献很大，有很好的响应，而小雨、大-暴雨与年降水量的相关性相对比较低，未通过统计学0.001的相关性检验，说明小雨和大-暴雨对年降水量的贡献并不显著。

（5）进入21世纪以来，极端强降水引发的灾害频次增多、强度加重，受到的经济损失也随之加大，降水趋于极端化的趋势使防汛形势日益严峻。

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责任编辑：黄艳飞