山西省近47年来极端气候事件的时空分布特征

2020-11-12

水资源开发与管理 2020年10期

(山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002)

随着全球变暖和高强度下垫面改变的影响，区域性极端降水和极端气温事件呈广发和频发的态势。同时，IPCC 第5次研究报告指出，未来全球不同地区的降水将发生不同程度的改变，强降水事件更加凸显，且随着气候变暖，该过程将进一步加剧[1-2]。因此，准确评估区域间极端降水和气温的时空变异特征可对“十四五规划”中防洪抗旱减灾顺利开展奠定良好的基础。

近年来，国内外学者针对全球变暖背景下极端降水、极端气温事件的发生发展开展了大量研究，并取得了较满意的评估结果[3-5]。极端降水方面，高文华等[6]选取9种极端降水指标，探究了河南省极端降水的时空演变规律并对其进行了归因分析，发现年降水量和大雨日数逐渐增多，自西向东呈现出明显的增强趋势。晁红艳等[7]运用线性趋势分析等方法揭示了极端降水事件的趋势性和周期性变化特征，并得出青海湖东北部地区极端降水对年总降水量的贡献在时间上存在不同程度的增加，夏季降水的贡献尤为突出的结论。王坤等[8]利用欧洲中心的ERA5分析资料，采用异常度和标准化异常度对南通地区短期降水强度进行分析和预报，并指出极端降水事件与气象要素异常息息相关。在极端气温方面，雅茹等[9]以内蒙古自治区为研究对象，采用线性趋势、Mann-Kendall趋势检验方法对14个不同极端气候指标进行分析，得出极端气温在年际间存在波动“震荡”趋势，极端高温指数和低温指数变化趋势相反的结论。赵明玉等[10]以新疆地区为研究对象，采用一元线性回归等方法探究了极端气温事件的变化特征，结果表明，暖指数呈不同程度的显著上升，冷指数总体呈显著下降趋势。上述研究多针对一种气候变量属性，探究其极端气候事件的变化规律，众所周知，降水和气温作为局地水文循环的重要输入变量，其变化直接决定了流域水资源的丰枯变化特征，前者是流域水分的补给源，决定着水资源的丰枯，后者影响植被、下垫面蒸腾作用，是流域水热平衡的直观反映。因此，厘清区域间极端降水和气温之间的变化特征，识别出二者之间的相同点和不同点，对区域极端气候事件认知水平的提高具有实际意义。

本文以地处干旱、半干旱区的山西省为例，首先采用一元线性回归方法和Mann-Kendall突变检验方法对山西省1970—2016年共47年降水和气温进行趋势性和突变性检验；在此基础上，基于百分位阈值理论，采用Mann-Kendall趋势检验方法探究8种极端气候指标(极端降水量、极端降水总量、降水日数、降水强度、年最高气温、年最低气温、酷热日数和霜冻日数)的时空分布特征。

1 研究区域概况及数据来源

山西省地处黄土高原地带[11-12]。纵向和横向跨度不同，东西跨度较短，约为290km，南北跨度较长，约为550km，全省总面积约为15.63万km2，占全国总面积的1.6%。山西省受海洋气候影响较弱，属于典型的温带大陆性季风气候，南北气候差异较大。北部经常受到内蒙古冬季冷气团袭击，南部地处黄淮海平原和豫北平原北上的交叉地带，气候相对湿润。山西省的气候特征是冬季漫长，寒冷干燥；夏季南长北短，雨水集中；春季气候多变，风沙较多；秋季短暂，天气温和。1970—2016年年平均气温介于3～14℃之间，年降水量在400～650mm，年降水量多集中于夏季，占全年降水量的70%左右。山西省地理位置及气象数据空间分布见图1。

本文所采用的数据为山西省境内及周边28个国家基准站点1970—2016年逐日平均降水、平均气温、日最低和最高气温数据，其来源于国家气象站共享服务网。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall突变检验方法

Mann-Kendall非参数检验法简称M-K突变，其广泛应用于气象、水文序列的突变分析检验中[13]。该方法认为被检测序列不必服从一定的概率分布且不受异常值干扰。其基本假定为：假定时间序列为{xi}(i=1，2，3，…，n)，通过构造新序列mi，定义dk为

(1)

dk的均值和方差为

(2)

(3)

假定降水序列是独立同分布的随机变量，定义统计

图1 山西省地理位置及气象站点空间分布

量为

(4)

式中：UFk为标准正态分布，其判断依据为：若UF>0，则表征降水序列呈上升趋势，反之为下降趋势，当其超过95%置信水平α时，说明该上升或下降趋势显著。当UF和UB曲线在置信水平内存在交点，则该交点即为降水序列的突变点。

2.2 Mann-Kendall趋势检验方法

Mann-Kendall非参数检验法简称M-K趋势检验[14]，其详细的计算过程为：假定原假设为H0，时间序列(x1，x2，…，xn)代表n个独立同分布的随机变量，构造统计量S为

(5)

(6)

(7)

(8)

以上式中：xk为样本序列，本文中代表各气象站降水序列；n为样本长度。

2.3 极端气候指标的选取

目前国际上针对极端气候事件的研究多采用百分位值作为极端值的阈值，超过该阈值时将其定义为极端气候事件。该研究选取各气象站点年降水量的95%阈值作为极端降水，并统计95%水平下极端降水量、大于此阈值的极端总降水量、降水日数和降水强度4个极端降水指标。气温选取日最高气温、日最低气温、霜冻天数(日最低气温小于0℃的天数)和酷热天数(日最高气温大于30℃的天数)4个极端气温指标[15]。

3 结果与分析

3.1 山西省1970—2016年年降水量和平均气温的趋势性和突变性特征

采用一元线性回归方法和M-K突变检验方法得到的山西省1970—2016年年降水量的趋势性和突变性检验结果(见图2)。由图2(a)可以看出，区域年降水量以2.20mm/10a的速率下降，且年际间波动较大，多年平均降水量为488.36mm；1996年的年降水量最小，为328.50mm，1973年的年降水量最大，高达625.36mm；代际上，70年代初期年降水量较多，90年代初期年降水量相对较枯，2000年之后年降水量有所增加，即年降水量序列在时程上呈现出“由丰变枯再变丰”的趋势变化特征。由图2(b)可以看出，年降水量序列在95%置信水平内与1978年存在交叉，即山西省区域降水量在1978年存在突变，且通过了95%置信水平检验。

图2 1970—2016年山西省年降水量的趋势性和突变性检验结果

采用一元线性回归方法和M-K突变检验方法得到的山西省1970—2016年年平均气温的趋势性和突变性检验结果(见图3)。由图3(a)可以看出，山西省年平均气温呈显著的增加趋势，增长率为0.46℃/10a，远大于IPCC第4次评估报告指出的全球平均气温增长速率0.23℃/10a，这表明，受气候变暖影响，山西省极端气温事件发生的概率可能更大。由图3(b)可以看出，山西省年平均气温在时程上存在多个突变点，其突变年份分别为1996年、2009年和2010年。结合气温变化趋势可以看出，年平均气温被1996年划分为两个阶段，即1970—1995年和1996—2016年，这两个时段平均气温差异较大，即1996年是年平均气温的突变年份。

图3 1970—2016年山西省年平均气温的趋势性和突变性检验结果

3.2 山西省1970—2016年年降水量和平均气温的空间变化特征

采用M-K趋势检验方法得到的山西省1970—2016年年降水量和气温趋势变化结果(见图4)。由图4(a)可以看出，整体上降水的变化速率在空间上存在差异，西北部和东南部为降水变化速率较大、变化较强烈的区域，且西北部降水变化速率呈增加趋势，而东南部呈减少趋势，降水变化趋势增加的区域比减少的区域少；从局部看，一般山区的降水变化速率大于盆地区的降水变化速率。由图4(b)可以看出，自西向东、由南到北气温的增加趋势愈加显著，其中五台山气象站附近区域气温变化趋势显著；中东部区域年平均气温呈明显的增加趋势，其变化趋势为0.09～0.19℃/a，而南部区域气温增加趋势不明显，其变化趋势仅为0～0.03℃/a。

图4 1961—2013年山西省年降水量和气温的空间变化趋势特征

3.3 极端降水指标的空间变化特征

本文采用以百分位值作为极端事件阈值的方法，需要说明的是95%降水阈值定义为将降水量序列从大到小排序，其95%分位对应的降水量。利用ArcGIS平台统计绘制了95%阈值下对应的降水阈值、极端降水总量、降水日数和降水强度等指标在空间上的分布特征，结果见图5。

a.由图5(a)可以看出，95%阈值下，极端降水量变化范围为19.77～30.34mm；由南至北，降水阈值呈减小趋势，这与我国降水的变化趋势基本保持一致(南高北低)。

b.由图5(b)可以看出，95%阈值下，累积降水总量变化范围为110.34～909.85mm，但整个区域变化范围多集中在110.34～373.71mm之间。从空间分布可以看出，极端阈值降水总量呈西北低、东南高，尤其是五台山附近极端降水总量高达909.85mm，这意味着该区域是洪灾发生的高发地带，应予以重视。

c.由图5(c)可以看出，极端降水日数在空间上差异明显，但总降水日数介于3.59～5.78天，这表明全年降水量中大于95%阈值下的降水日数为3.59～5.78天；从空间分布可以看出，山西省东部极端降水日数较多，这可能归因于太行山地形的影响，导致区域极端降水事件突出。

d.由图5(d)可知，95%阈值下，日降水量强度为28.92～269.53mm/d，其空间分布与极端降水总量和降水日数基本一致，即西北低、东南高，五台山附近降水强度尤为突出；此外，山西省中部区域降水强度较大，而北部和南部降水强度较小。

图5 山西省1970—2016年极端降水指标的空间分布特征

95%阈值下，极端降水指标在空间上的趋势变化特征见图6。结果表明：

a.极端降水量变化速率在大部分区域呈增加趋势，这意味着未来极端降水事件导致的降水量将增大，而极端降水总量整体的变化速率呈减少趋势，这与时间上年降水变化速率呈减少趋势基本一致，从侧面验证了结果的真实性和可靠性。

b.降水日数和降水强度的变化速率在区域中南部

图6 山西省1970—2016年极端降水指标空间变化趋势特征

呈减少趋势，但区域北部多为增加趋势，区域北部是极端降水事件增多的区域，极端降水量变化率为0.03～0.15mm/a，降水强度变化为0.05～0.57mm/a。

3.4 极端气温指标的空间变化特征

极端气温指标的空间变化特征见图7。

a.由图7(a)、图7(b)可以看出，1970—2016年多年平均最高气温和最低气温在空间分布上差异显著，但整体呈南部高、北部低的空间分布特征，由南至北逐渐递减的趋势，且日最高气温介于20.71～39.32℃之间，日最低气温介于-31.92～-11.10℃之间。

b.由图7(c)、图7(d)可以看出，霜冻天数和酷热天数的空间分布相反，霜冻天数整体呈西南低、东北高，并由西南至东北方向递增，而酷热天数整体呈西南高、东北低，并由西南至东北方向递减。

c.酷热天数的变化范围为0～85.5天，霜冻天数的变化范围为87.67～217.06天。

d.总的来说，极端气温指标在空间上分布差异明显，但最高温、最低温和酷热天数整体呈由西南至东北逐渐递减，而霜冻天数的空间分布趋势相反。

图7 山西省1970—2016年极端气温指标空间分布特征

极端气温指标在空间上的变化趋势特征见图8。由图8可以看出：

a.山西省最高气温变化率均呈微弱的上升趋势，变化率在0～0.19℃/a之间，这进一步揭示了全球变暖现象；最低气温变化率除个别区域外，均呈上升趋势，且变化率(-0.03～0.23℃/a)大于最高气温的速率，这意味着最低气温的变化是导致气候变暖的主要原因，最高气温次之；酷热天数变化率呈增加趋势，变化率在0～0.58d/a之间；而霜冻天数呈减少趋势，变化率在-1.78～0d/a之间。

b.对比分析最高气温、最低气温、酷热天数和霜冻天数变化趋势可知，未来极端气温事件会进一步加剧，夏天更热，冬天更暖，即人们口中常说的“冬天不冷了，夏天异常热”；同时，山西省中部和北部区域是高温事件的易发区，而南部区域极端高温事件变化不大；北部最低气温变化率呈明显增大趋势，而南部变化不大；此外，流域中北部未来霜冻天数变化率减少显著，即极端低温事件减弱。