基于中国降水格点数据集的陕西夏季不同等级降水时空变化特征分析

卢 珊，王百朋，张宏芳，张 曦，汪媛媛

(1.陕西省气象服务中心，西安 710014;2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3.陕西省突发事件预警信息发布中心，西安 710014)

陕西省位于西北内陆腹地，横跨黄河和长江两大流域中部，自然区划上因秦岭-淮河一线而横跨北方与南方，受其地形影响，夏季降水往往具有突发性和局地性特点，再加上生态系统脆弱，暴雨容易造成较大的社会经济损失[1-2]。在过去半个多世纪，全球变暖的趋势越来越明显，很多国家和地区极端降水事件呈现出增多趋势[3-5]。近年来针对陕西降水的研究也指出，20世纪90年代以后，陕西降水异常频数增加，暴雨在全省大部呈增加趋势，都反映出近些年来陕西强降水事件增加的事实[6-9]。

目前，国内外已有多套高分辨率的全球格点化降水资料发布，但是其同化的中国地面站点偏少，在中国的适用性仍需要系统地评估。2012 年中国气象局国家气象信息中心发布了中国降水格点数据集(下称V2.0格点资料)，该数据基于2 472个中国地面高密度台站的降水资料，利用薄盘样条法进行空间插值，生成了中国地面水平分辨率0.5°×0.5°的日值降水格点数据，提供了一个包括中国大陆范围、时间序列较为完整、分辨率较高的逐日降水格点数据产品，其在计算过程中尽可能消除了中国区域独特地形条件下高程对降水空间插值精度的影响[10-11]。有学者尝试运用该格点数据在我国干旱区开展了降水的研究[12-13]，模拟效果较好，可以有效缓解实测站点对山区降水低估的问题，但是陕西地区南北降水差异很大，且气象监测站点多集中在关中地区，陕北、陕南及秦岭山区站点较少；因此该套格点降水资料在陕西的适用性有待研究。

之前的研究表明，陕西夏季降水占到全年降水的一半左右，大雨以上降水量占比超过6成[7]，因此本研究主要针对夏季(6-8月)展开。在评估V2.0格点资料在夏季陕西地区的适用性的基础上，进一步分析近55 a不同等级降水事件的时空变化特征，以期更加深入地了解陕西降水事件的演变规律，提高应对强降水事件的监测预警能力。

1 资料与方法

1.1 资料

站点降水资料为中国气象局国家气象信息中心整编的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)及陕西省气象信息中心提供的逐日降水资料。为保证数据质量，剔除了累计缺测日数超过30 d的站点，最终选取了陕西省内55站1961—2015年逐日降水资料。格点降水资料为同期V2.0格点资料，水平分辨率为0.5°×0.5°。

1.2 方法

降水等级参照中国气象局颁布的《降水强度等级划分标准》的24 h降水量标准，划分为小雨、中雨、大雨和暴雨4个等级；降水日数定义为日降水量≥0.1 mm的日数。

使用的方法主要包括双线性插值、相关分析、合成分析、线性倾向估计及Mann-Kendall非参数检验法等。采用双线性插值方法将格点资料插值到站点上，使用线性回归方法对降水事件的降水量、频次进行趋势分析。此外，运用Mann-Kendall非参数检验法构造Z指数对变化趋势进行显著性检验。

2 结果分析

2.1 绝对误差分析

为评估陕西地区夏季降水日值空间插值的精度，分析了夏季及6、7、8月的插值绝对误差(下称误差)的空间分布。从图1a中可以看出，对于夏季来说，81.8%的台站的误差绝对值<0.5 mm，V2.0格点降水在陕北北部、关中大部及陕南东南部地区较实况偏大，在陕北南部及陕南中西部较实况偏小，误差较大的站点主要集中在关中南部和陕南西南部地区。6月，V2.0降水在全省大部较实况偏大，除宝鸡西部及陕南南部个别站点外，全省共有87%的站点的误差绝对值<0.5 mm，这应该与6月陕西降水量整体偏小有关(图1b)。7月，在关中地区，V2.0降水较实况偏大，在陕北和陕南地区则以偏少为主。随着降水在陕西地区的增加，关中及陕南地区的误差较6月有增大趋势(图1c)。8月的误差分布大致上同7月相似，且误差大值站点总数有进一步的增多(图1d)。总体来说，V2.0格点资料在陕北地区的误差较小，在关中及陕南地区误差偏大。在夏季及6、7、8月，关中大部的误差以偏多为主，而在陕南地区则是以偏少为主，其中关中南部及陕南南部的误差值较大。

图1 陕西1961—2015年夏季(a)及6、7、8月(b～d)V2.0格点降水资料的平均绝对误差(单位为mm)空间分布(审图号：GS(2019)3333号)

2.2 不同等级降水空间分布特征

参照《降水强度等级划分标准》的24 h降水量标准，基于V2.0格点及站点实况资料，得到了夏季陕西地区小雨、中雨、大雨及暴雨的累计降雨量及降水日数的多年平均空间分布(图2)。

从不同等级降水事件累积雨量(图2)可见，以秦岭为界，各等级降水在陕西大体呈现出南多北少的分布特征。对于小雨等级，V2.0降水量多在100～140 mm之间，整体上较实况偏大，V2.0雨量中心位于陕南中北部地区，而实况降水中心主要集中在陕南西北部地区。V2.0和实况小雨雨量低值中心均位于关中中北部地区，位置对应较好(图2a、图2e)。V2.0中雨雨量在全省的分布与实况基本一致，大部地区的中雨雨量在80～120 mm之间，V2.0和实况的雨量中心均位于陕南中北部地区，雨量中心达120 mm以上(图2b、图2f)。对于大雨等级，V2.0降水量多介于60 mm到120 mm之间，较实况降水偏小20 mm左右(图2c、图2g)。V2.0暴雨雨量同实况的差异非常显著，V2.0暴雨中心值仅有50 mm，而实况暴雨中心达180 mm左右，相差130 mm以上(图2d、图2h)。此外，观察全省不同等级降水日数在全省的分布(图略)发现，V2.0小雨雨日较实况明显偏大，在多数地区偏多40 d以上，这是造成V2.0小雨雨量高于实况降水的主要原因。V2.0中雨雨日和大雨雨日在全省的分布基本上与实况一致，中雨雨日大值中心位于陕南中北部地区，降水日数在8 d左右。大雨雨日中心位于陕南南部，降水日数在3～4 d左右。V2.0暴雨雨日同实况差异显著，其中V2.0暴雨雨日中心值仅有0.9 d，而实况暴雨雨日在3 d以上，显著的雨日差异造成了陕南南部暴雨雨量中心相差100 mm以上。

图2 陕西1961—2015年夏季不同等级降水年平均降雨量(单位为mm)空间分布(V2.0为a～d；实况为e～h；审图号为GS(2019)3333号)

可以发现，V2.0中雨等级降水在陕西的分布特征同实况的一致性较好。对于小雨等级，V2.0降水日数和降水量明显大于实况，同时暴雨日数及暴雨雨量则显著小于实况值。

2.3 不同等级降水时空变化特征

2.3.1 空间变化 在分析不同等级降水空间分布的基础上，进一步计算了V2.0降水在全省各个格点上近年来的变化趋势，并与同期实况降水进行对比。观察各等级降水年雨量变化趋势可见，V2.0小雨雨量同实况在全省的变化特征较为一致(图3a、图3e)，除陕北北部及关中部分地区外，小雨雨量在全省其余地区均表现为增加趋势，变化幅度多在-2.0～2.0 mm/10 a之间。对于中雨等级，V2.0降水在陕南大部及陕北北部大部分地区表现为增加趋势，在陕北南部、陕南西部及陕北北部局地表现出减少趋势，其中关中东部及商洛北部增速最快，达到2.0 mm/10 a以上(图3b)。实况中雨雨量变化显示，呈现增加趋势的区域范围相比V2.0较小，主要位于陕北东北部、关中大部及商洛等地，其中关中中南部的增速最快，超过了6.0 mm/10 a(图3f)。V2.0大雨雨量在全省大部表现为增加趋势，雨量增加幅度多低于1.5 mm/10 a，小于大雨实况变化幅度(图3c、图3g)。对于暴雨等级，V2.0降水和实况在全省大部均表现为增加趋势，但是V2.0暴雨增幅中心位于关中中北部地区，增幅在2.5 mm/10 a左右，而实况暴雨增幅中心位于陕南南部，增幅超过了20.0 mm/10 a(图3d、图3h)。另外，观察V2.0降水在不同等级雨日变化上同实况的差异，发现了类似不同等级雨量的变化特征(图略)。总的来看，V2.0小雨和中雨等级变化特征与实况较为一致，随着降水等级的增加，V2.0降水变化幅度小于实况，且空间差异增大。

图3 陕西1961—2015年夏季不同等级降水年雨量变化趋势(单位为mm/10 a)空间分布(V2.0为a～d；实况为e～h；阴影代表变化趋势达到0.05显著性水平；审图号为GS(2019)3333号)

2.3.2 时间变化 为了解陕西夏季降水的年际变化特征，进一步计算了V2.0和监测站各等级雨量和雨日的逐年区域平均值。观察小雨雨量及雨日逐年变化曲线(图4a、图4b)可见，对于V2.0和实况降水，小雨在近年来均表现为持续的减少趋势。V2.0小雨雨量减少趋势显著，每10 a减少1.8 mm，降幅大于实况-1.1 mm/10 a的降幅，同时，实况小雨雨日呈现出显著的减少趋势，每10 a减少0.8 d，而V2.0小雨雨日变化趋于平缓。V2.0和实况中雨逐年变化整体上趋于一致，线性变化幅度较小，且变化趋势均未通过显著性检验(图4c、图4d)。对于大雨等级，V2.0和实况均表现为不显著的增加趋势，其中V2.0大雨雨量和雨日增幅分别达到2.6 mm/10 a和0.1 d/10 a，接近实况大雨增幅的2倍(图4e、图4f)。V2.0和实况暴雨事件在近些年同样表现为增加趋势，但V2.0暴雨事件的年际波动小于实况，暴雨雨量和雨日增幅分别为1.8 mm/10 a和0.02 d/10 a，仅为实况暴雨增幅的1半左右。同时，V2.0和实况暴雨变化趋势均未通过显著性检验。

图4 陕西1961—2015年夏季不同等级降水平均雨量及雨日(a、b为小雨；c、d为中雨；e、f为大雨；g、h为暴雨)年际变化(V2.0为a、c、e、g；实况为b、d、f、h；降水平均虚线代表线性变化趋势)

3 结论

(1)V2.0格点降水资料在陕北地区的误差较小，在夏季及6、7、8月，V2.0降水在关中大部较实况降水量偏高，在陕南地区偏低，其中关中南部及陕南南部的误差值偏大。

(2)不同等级降水在全省呈现出南多北少的分布特征，V2.0中雨和大雨等级降水在陕西的分布特征与实况较为一致，而V2.0小雨雨量和雨日显著大于实况，V2.0暴雨事件较实况显著偏小。

(3)从不同等级降水变化的空间分布发现，小雨在全省大部表现为减少趋势。中雨在陕北北部、关中大部及陕南东部呈增加趋势，在陕北南部及陕南西部等地减少，V2.0中雨增幅较实况偏小。大雨及暴雨在全省大部表现为增加趋势，V2.0雨量变化幅度明显小于实况，且V.0暴雨增幅中心与实况偏差较大。

(4)观察区域平均的不同等级降水年际变化可见，小雨近年来在陕西地区表现为持续的减少趋势，V2.0小雨雨量减少趋势显著，但雨日变化幅度小于实况。V2.0和实况中雨的年际变化趋于一致，整体上均表现为不显著的变化趋势。对于大雨和暴雨事件，V2.0和实况同为不显著的增加趋势，其中V2.0大雨增幅小于实况，V2.0暴雨增幅仅为实况增幅的1半左右。