宁夏六盘山和周边地区1980—2017年降水变化特征

薛筝筝, 肖建辉*, 高英育, 左湘文, 胡 斌

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川 750002;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750002; 3.宁夏回族自治区大气探测技术保障中心,宁夏 银川 750002)

降水作为最基本的气象要素,在气候变化及其区域响应中具有重要的地位,对地表及地下水量、自然生态环境和农业生产等有重要的影响[1-3].21世纪初,施雅风等提出中国西北地区气候由暖干向暖湿转型的推断[4].姚俊强等基于西北地区地面气象观测站的降水资料[5-7],研究西北干旱区降水量的空间分布,并指出西北地区降水量具有明显的区域分布特征.赵传成等的研究表明[8],西北地区西部和中部年降水量增加显著,东部地区的年降水量呈减少趋势.王婷婷等开展古浪河流域 56 a降水变化研究[9],指出该流域的降水量呈现缓慢增加趋势,且上游地区秋季和冬季的降水量增加幅度明显高于下游古浪盆地的.张楠楠等对1961—2009年宁夏 20个气象观测站的逐日降水量进行研究[10],发现宁夏中雨及以上降雨事件自北向南依地势逐渐增多,南部黄土丘陵地区比引黄灌区的多2倍.针对高山区域的降水变化特征,国内学者也开展了许多研究.田亚林等的研究结果显示[11],天山地区降水日呈现“西快东慢、北快南慢”的增长趋势.吕晶等基于峨眉山站及周边地区3站1959—2016年的逐日降水观测数据[12],系统研究该地区不同强度降水量及降水日的变化特征.黄颖等研究近39 a祁连山及其周边地区降水量的时空分布特征,发现年降水量场呈西北—东南向分布[13],中部和东部地区的降水量较大.六盘山位于我国西北地区的东南部,被称为高原“绿岛”,近南北走向,南北长约100 km,东西宽约50 km,是西北内陆地区水汽输送的重要区域.笔者基于 1980—2017 年六盘山和周边地区的降水观测资料,分析该地区降水量、降水日的特征及其变化趋势.

1 研究区

研究区域位于宁夏固原市，地处宁夏南部六盘山区，总面积1 3450 km2，辖原州区、彭阳县、西吉 县、泾源县及隆德县1区4县．固原市属黄河中上游西北黄土高原丘陵沟壑区，受西风带、副热带高气压控制，年平均降水量在400 mm以上．

2 资料与方法

1980—2017年宁夏六盘山(国家基准气候站)、固原(国家基准气候站)、西吉(国家基本气象站)、隆德(国家一般气象站)、泾源(国家一般气象站)4站的逐日降雨资料,由宁夏回族自治区气象信息中心提供.所有气象站近40 a的气象资料连续且完整.将固原、西吉、隆德、泾源4站的数据平均值作为周边地区站点的数据.

根据降水等级划分标准，将日降水量R划分为4个等级:小雨(0.1 mm≤R<10.0 mm)、中雨(10.0 mm≤R<25.0 mm)、大雨(25.0 mm≤R<50.0 mm)、暴雨(R≥50.0 mm).文中24 h指的是北京时间08:00至次日08:00、降水日为R>0 mm的降水时间.

通过一元线性回归分析方法对降水时间序列进行趋势拟合.通过Mann-Kendall统计方法对序列的变化趋势及其突变特征进行分析.

3 不同强度降水量和降水日的年代际变化特征

3.1 降水量的年代际变化特征

在六盘山和周边地区,各年代的降水量均是小雨量的贡献最大,占年降水总量的40%左右,其次为中雨、大雨量,暴雨量贡献最小.除21世纪00年代的大雨和21世纪10年代的暴雨外,六盘山地区各强度降水量均大于周边地区的.六盘山和周边地区的年代平均降水量大致经历“减少—增加”的变化过程(表1),即21世纪00年代的降水量最少,21世纪10年代的最多,分别增加了14.1%,13.9%.值得注意的是,周边地区的年代平均降水量呈明显的增加趋势(152.1 mm/a),而六盘山地区的增加趋势不明显.六盘山和周边地区不同强度降水量的年代际变化明显,六盘山地区的小雨、中雨量呈减少趋势,大雨、暴雨量呈增加趋势.而周边地区不同强度降水量的年代变化均呈增加趋势,其中六盘山地区大雨量递增最快(44.4 mm/a),周边地区中雨量递增最快(64.5 mm/a).

表1 六盘山及周边地区不同强度降水量的年代际变化

3.2 降水日的年代际变化特征

六盘山和周边地区的降水量在各年代均以小雨为主,占年平均降水日的85%左右,其次为中雨、大雨日,暴雨日最少(表2).除21世纪00年代的大雨外,六盘山地区各强度降水日均大于周边地区的.六盘山地区在21世纪00年代的降水日最少(114.3 d),在20世纪80年代的降水日最多(143.8 d);周边地区在20世纪90年代的降水日最少(93.5 d),在21世纪10年代的降水日最多(105.6 d).六盘山地区的年平均降水日和小雨日呈显著减少趋势,分别以-56.4 d/10 a,-55.3 d/10 a的速度递减,说明小雨日的减少是六盘山地区降水日减少的主要原因;周边地区各强度降水日年代变化呈增加趋势,但变化不明显.六盘山和周边地区暴雨日的年代际变化趋势与邵建等的研究结论一致,即20世纪80年代的暴雨日最少,随后90年代开始逐年代增加.周边地区年代降水量具有明显的增加趋势,但六盘山地区的变化趋势不明显;六盘山地区年代降水日具有明显的减少趋势,但周边地区呈现微弱的增加趋势.

表2 六盘山及周边地区不同强度降水日的年代际变化

4 不同强度降水量和降水日的年际变化特征

4.1 降水量的年际变化特征

1980—2017年,六盘山和周边地区降水量的年变化趋势见图1.六盘山地区近38 a小雨量整体呈减少趋势,线性气候倾向率为-3.4 mm/10 a;周边地区近38 a小雨量整体呈增加趋势,线性气候倾向率为2.3 mm/10 a.六盘山和周边地区的小雨量最大值均出现在1984年,分别为342.5,266.0 mm,最小值均出现在1997年,分别为181.0,144.5 mm.

图1 1980—2017年不同强度降水量的年变化

六盘山地区年平均总降水量的线性趋势与不同强度降水量的线性趋势一致,即近38 a均呈减少趋势,总降水量、小雨量、中雨量、大雨量和暴雨量的线性变化率分别为-6.1 mm/10 a,-3.4 mm/10 a,-5.6 mm/10 a,-0.8 mm/10 a,-0.4 mm/10 a;周边地区年平均总降水量的线性趋势与小雨量、中雨量、暴雨量的一致(呈增加趋势),线性变化率分别为8.2 mm/10 a,2.3 mm/10 a,4.3 mm/10 a,3.3 mm/10 a,而大雨量呈减少趋势(-1.8 mm/10 a).除大雨量外,两地各强度降水量的年际变化趋势相反.

4.2 降水日的年际变化特征

1980—2017年六盘山和周边地区不同强度降水量的降水日年变化趋势见图2.六盘山地区小雨日最大值出现在1984年(146 d),最小值出现在2004年(83 d),近38 a整体呈显著减少趋势,以-6.0 d/10 a 的速率减少,并通过0.01的显著性水平检验.周边地区小雨日最大值出现在1988年(103 d),最小值出现在1997年(61 d),近38 a整体呈增加趋势,以0.2 d/10 a的速率增加.

图2 1980—2017年不同强度降水日的年变化

六盘山地区年平均总降水日、小雨日、中雨日、大雨日和暴雨日的线性变化率分别为-6.3 d/10 a,-6.0 d/10 a,-0.4 d/10 a,0.1 d/10 a,0 d/10 a.其中,年平均总降水日和小雨日有明显的减少趋势,并通过0.01的显著性检验,中雨日、大雨日和暴雨日的线性趋势变化不明显;周边地区的年平均总降水日、小雨日、中雨日、大雨日和暴雨日的线性变化率分别为0.3 d/10 a,0.2 d/10 a,0.2 d/10 a,-0.1 d/10 a,0 d/10 a,并均未通过0.05显著性水平检验,说明周边地区的年平均总降水日和不同强度降水日线性趋势变化均不明显.

5 不同强度降水量和降水日的突变特征

5.1 降水量的突变特征

六盘山地区年小雨量在20世纪90年代持续减少,而后呈波动增加趋势,从2008年开始再次呈减少趋势,并在2012年减少趋势显著,且超过0.05的显著性水平临界线(图3a);六盘山地区小雨量于1990年发生突变,突变前11 a平均小雨量为275.2 mm,突变后27 a平均小雨量为246.1 mm.六盘山地区中雨量在1984年以前呈增加趋势,而后呈波动减少趋势,在1998年后呈波动增加趋势(图3c).根据降水量的统计量曲线UF,UB交点的位置,确定六盘山地区中雨量于1985年发生突变,在突变前6 a平均中雨量为295.5 mm,突变后32 a的平均中雨量为224.7 mm,减少70.8 mm,减少24.0%.

1984年后,周边地区小雨量呈波动减少趋势,90年代末减少趋势显著,超过0.05的显著性水平临界线,在21世纪开始呈增加趋势(图3b);周边地区小雨量发生2次突变,分别在1984,2012年.UF曲线未超过0.05的显著性水平临界线(图3d),说明周边地区中雨量增加趋势不显著.由于UF,UB曲线有很多交点,不能确定周边地区中雨量是否存在突变.

图3 1980—2017年不同强度降水量的M-K突变检验

5.2 降水日的突变特征

六盘山地区小雨日在1988年发生突变(图4a),突变前9 a平均小雨日为122.2 d,突变后29 a平均小雨日为100.5 d,降水量减少21.5 mm,减少17.6%,1989年后持续减少,在1993年后减少趋势显著,并超过0.05的显著性水平临界线.六盘山地区中雨日在1984年以前呈增加趋势,而后持续减少,在90年代中期到2002年减少趋势显著,并超过0.05的显著性水平临界线.中雨日在1998年后呈波动增加趋势,并于1985年发生突变,突变前6 a平均中雨日为19.8 d,突变后32 a的平均中雨日为14.7 d,减少5.1 d,减少25.8%.周边地区平均小雨日在1984年前呈增加趋势,而后持续减少,并在1985年发生突变,1999—2005年呈先增加后减少趋势,而后持续增加,并在2014年发生突变.周边地区平均中雨日变化趋势不明显,且未发生突变.两地小雨、中雨日突变年份不同,且六盘山地区的降水日显著减少.

图4 1980—2017年不同强度降水量的降雨日M-K突变检验

6 结论与讨论

1)在六盘山和周边地区,各年代小雨量对年降水量、年降水日的贡献最大,中雨、大雨其次,暴雨最小;周边地区各年代的平均降水量呈明显的增加趋势(152.1 mm/10 a),而六盘山地区的变化趋势不明显;六盘山地区各年代的降水日呈明显的减少趋势,但周边地区呈现微弱的增加趋势.

2)六盘山地区的年平均总降水量与不同强度降水量均呈减少趋势,周边地区除大雨量外,其他各强度降水量均呈增加趋势;六盘山地区年平均总降水日、小雨日、中雨日呈减少趋势,大雨日和暴雨日呈增加趋势,周边地区除大雨日外均呈增加趋势;六盘山地区年平均总降水日、小雨量及小雨日、中雨量及中雨日的减少速率比周边地区增加速率快,年平均总降水量的减少速率比周边地区总降水量的增加速率慢.

3)六盘山地区小雨量、中雨量和暴雨量的减少是六盘山站年降水量减少的主要原因,其中,小雨日有明显的减少趋势,在1988年发生突变后持续减少,并通过0.01的显著性检验;周边地区小雨、中雨、暴雨量增加是周边地区年降水量增加的主要原因,其中中雨量贡献最大.