新疆1961—2011年極端降水事件年內(nèi)非均勻性特征

劉 琳，陳 靜

（1.成都信息工程學(xué)院，四川 成都610225；2.中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

20世紀(jì)以來(lái)，在全球氣候變暖的背景下，不斷出現(xiàn)大范圍氣候異常現(xiàn)象，一些超出正常變化范圍的極端降水事件也顯著增多[1-2]。IPCC第三、四次報(bào)告指出[3-4]，極端降水事件對(duì)人類(lèi)社會(huì)和環(huán)境已經(jīng)造成了嚴(yán)重的危害，從而引起了世界各地的高度重視。新疆維吾爾族自治區(qū)位于亞歐大陸中部，地處中國(guó)西北邊陲。地域遼闊，面積達(dá)166.49萬(wàn)km2，占全國(guó)陸地總面積的1/6[5]。新疆地形復(fù)雜，屬于典型的干旱、半干旱氣候區(qū)。雖然總的降水量比較少，但是其生態(tài)環(huán)境脆弱，下墊面滲透能力差，連續(xù)性的極端降水往往會(huì)造成泥石流、洪水等自然災(zāi)害。因此研究新疆地區(qū)的極端降水變化規(guī)律，提高干旱和洪水的預(yù)測(cè)能力，是很有必要的。

目前對(duì)于新疆地區(qū)的極端降水變化規(guī)律已經(jīng)有了一些研究成果，李劍鋒等[6]分析了新疆地區(qū)53個(gè)雨量站極端降水變化情況，發(fā)現(xiàn)新疆有濕潤(rùn)化趨勢(shì)，北疆濕潤(rùn)化趨勢(shì)比南疆顯著。楊蓮梅[7]通過(guò)對(duì)新疆55個(gè)臺(tái)站日降水量的研究，認(rèn)為新疆極端降水量于1980年以后發(fā)生了氣候突變，這種突變是由夏季極端降水量和極端降水頻次增多所致。李雪梅等[8]利用55個(gè)雨量站1961—2008年的日降水?dāng)?shù)據(jù)分析了新疆降水集中度的變化趨勢(shì)以及周期特征，認(rèn)為南疆降水集中度大于北疆，新疆降水集中度變化存在2～5 a周期。趙勇等[9]通過(guò)1961—2007年新疆北部43站逐日降水資料，對(duì)北疆汛期降水集中度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)北疆北部汛期降水集中度和集中期的年際變化均相對(duì)較大。北疆地區(qū)汛期降水偏多時(shí)，降水量在整個(gè)汛期分布比較均勻，而汛期降水偏少時(shí)，降水量比較集中。

盡管很多學(xué)者做了關(guān)于新疆地區(qū)的極端降水事件的研究，但是以往的研究主要圍繞極端降水的強(qiáng)度和頻率的年變化趨勢(shì)展開(kāi)。也有些學(xué)者研究了新疆地區(qū)降水量的年內(nèi)非均勻特征，即該地區(qū)一年內(nèi)降水量的集中程度和大降水中心對(duì)應(yīng)的時(shí)段。但對(duì)于更容易致災(zāi)的極端降水的年內(nèi)非均勻特征的研究還較少。鑒于新疆脆弱的生態(tài)壞境和復(fù)雜的地形，研究該地區(qū)極端降水在時(shí)間和空間上的非均勻特征，探索極端降水事件的時(shí)空規(guī)律，對(duì)于該地區(qū)合理應(yīng)對(duì)極端降水事件、提高防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。本文采用Karl等[10]提出的百分位法，分析了1961—2011年新疆地區(qū)極端降水事件的變化特征，并利用集中度（ED）和集中期（EP）[11]分析了極端降水的年內(nèi)不均勻性特征。

1 資料和方法

1.1 資料說(shuō)明

本文所用降水資料為中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的新疆地區(qū)48個(gè)氣象臺(tái)站1961—2011年的逐日降水觀(guān)測(cè)資料。

氣象資料的質(zhì)量很容易影響極端值的研究結(jié)果，在本文研究中，選取的48個(gè)氣象臺(tái)站滿(mǎn)足以下條件：（1）資料應(yīng)該包括氣候平均場(chǎng)（1971—2000年）（通常把1961—1990年這30 a作為氣候平均場(chǎng)，在這30 a內(nèi)，測(cè)站搬遷相對(duì)較少，資料更加穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，我國(guó)國(guó)家氣候中心于2003年1月在業(yè)務(wù)中將1971—2000年作為新的氣候平均場(chǎng)[12]），時(shí)間長(zhǎng)度至少為40 a；（2）逐年缺測(cè)資料不到年總資料的10%；（3）降水資料在特定變化范圍。

1.2 方法

1.2.1 極端降水事件的定義

本文參照翟盤(pán)茂對(duì)極端降水事件定義方法[13]。對(duì)于某一測(cè)站，把1971—2000年逐年日降水量按升序排列,將第99個(gè)百分位值的30 a平均值定義為極端降水事件的閾值,當(dāng)該測(cè)站某日降水量超過(guò)了該站極端降水事件閾值時(shí),就稱(chēng)該站該日出現(xiàn)了極端降水事件。

對(duì)于極端降水事件閾值的確定,本文參照Bonsal方法,如果某個(gè)氣象要素有n個(gè)值,將這n個(gè)值按升序排列 x1，x2，…，xm，…，xn，某個(gè)值≤xm的概率[14]

其中，m為xm的序號(hào),n為某個(gè)氣象要素值的個(gè)數(shù)。如果有30個(gè)值,那么第95百分位數(shù)上的值為排序后的x29（p=94.4%）和x28（p=97.7%）的線(xiàn)性插值。

從新疆地區(qū)極端降水閾值空間分布圖（圖1）可以看出：新疆地區(qū)的極端降水閾值平均在8 mm左右。這和我們?nèi)粘?duì)于暴雨（50 mm）和大雨（25 mm）的定義不同，在以干旱半干旱氣候?yàn)樘厣男陆?，很多臺(tái)站終年沒(méi)有降水，十幾毫米的降水可能造成重大災(zāi)害。因此，本文采用百分位法，定義新疆各個(gè)臺(tái)站的極端降水閾值。新疆地區(qū)極端降水閾值基本呈北高南低分布，閾值的大值區(qū)分布在天山山脈附近，最大值為17.89 mm。以天山為界，北疆的極端降水閾值略低，基本在7.5 mm左右，南疆最低，最小值為2 mm。鑒于新疆地區(qū)地形復(fù)雜，極端降水分布很不均勻，本文參照張家寶[15]的劃分方法，將研究區(qū)域分成北疆、南疆和天山三個(gè)分區(qū)進(jìn)行研究。

1.2.2 極端降水事件集中度與集中期的定義

張錄軍等[16]在文獻(xiàn)中將一年內(nèi)各月降水量均看作向量，一年12個(gè)月看作一個(gè)圓周（360°），將某個(gè)月的降水量作為該月降水矢量的模，該月月序（從0算起）與30°的積作為該月降水矢量的方向，定義了表征單站降水時(shí)間分配特征的降水集中度和集中期。根據(jù)以上原理，將某月極端降水事件作為該月極端降水矢量的模，該月月序與30°的積作為該月極端降水事件矢量的方向，引進(jìn)了表征單站極端降水事件時(shí)間分配特征的新參數(shù)[17]—極端降水事件集中度（CD）和集中期（CP）。

式中：i為年份；j為月序；CDi和 CPi分別為某測(cè)站第i年的極端降水事件集中度和集中期；Ri為某測(cè)站第i年內(nèi)總極端降水量；rij為某測(cè)站第i年第j月的極端降水量；θi為第j月對(duì)應(yīng)的矢量角度（一年分為360°，第j月對(duì)應(yīng)的角度為月序與30°的乘積）；x，y指矢量分解后相互垂直的兩個(gè)方向。

由（2）和（3）式可知，CD 能夠反映極端降水事件在研究時(shí)段內(nèi)各月的集中程度，如果在研究時(shí)段中，極端降水事件集中在某一個(gè)月，則它們合成向量的模與總極端降水事件之比為1，即CD為極大值;如果每個(gè)月的極端降水事件都相等，則它們各個(gè)分量累加后為0，即CD為極小值。所謂CP就是合成向量的方位角，它指示出每個(gè)月極端降水事件合成后的總體效應(yīng)，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了一年中最大月極端降水事件出現(xiàn)在哪一個(gè)時(shí)段內(nèi)。從以上的原理可以看出，極端降水事件集中度與集中期包含了年極端降水事件的非均勻分配信息。

1.2.3 趨勢(shì)的計(jì)算與區(qū)域平均序列的計(jì)算

為了濾去5 a以下的高頻變化，在研究氣候變化的多年尺度變化時(shí)采用多項(xiàng)式的六階擬合方法。本文線(xiàn)性變化趨勢(shì)的計(jì)算采取最小二乘法進(jìn)行估計(jì),顯著水平為0.05。

在計(jì)算區(qū)域平均時(shí)間序列時(shí)，采用Jones等[18]提出的方法，把整個(gè)區(qū)域按經(jīng)緯度劃分為2°×2°的網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格里所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)做算術(shù)平均，得到各網(wǎng)格的值，然后將各網(wǎng)格的值應(yīng)用面積加權(quán)平均法，得到該區(qū)域的時(shí)間序列。公式為：

式中，rk=為第 k 年區(qū)域平均值；i=1，2，…，m（m為網(wǎng)格數(shù)）；rik為第i個(gè)網(wǎng)格中第k年的平均值；θi為第i個(gè)網(wǎng)格中心的緯度。

2 極端降水量和極端降水事件集中度與集中期的時(shí)空特征

2.1 空間分布特征

圖2為51 a來(lái)新疆地區(qū)極端降水量和極端降水頻次的年平均空間分布圖。從極端降水量分布圖（圖2a）中可以看出：新疆地區(qū)年極端降水量大值區(qū)與天山山脈走勢(shì)基本吻合，其中最大值區(qū)位于巴倫臺(tái)，達(dá)92.02 mm；天山以北，年平均極端降水量小于天山地區(qū)，平均在46 mm左右；南疆的年極端降水量最小，大多數(shù)低于40 mm，極端降水量最少的地區(qū)位于塔里木盆地，僅為10.6 mm。年極端降水量和極端降水閾值基本一致，都以天山地區(qū)為最大，呈現(xiàn)北高南低的分布。年平均極端降水頻次的分布與之不同，圖2b中年平均極端降水頻次大值區(qū)位于新疆的西北部，最大值位于托里，達(dá)4.45次。次大值區(qū)位于西南部，最小值位于南疆的塔里木盆地，為2.8次，總體來(lái)說(shuō)，北疆的極端降水頻次高于南疆。

從極端降水事件集中度空間分布圖（圖3a）中可以看出：新疆地區(qū)極端降水都分布得很密集，各站集中度在0.62～0.9之間，其中南疆和東疆的集中度比較大，最大可達(dá)0.9；其次為新疆西南部的喀什地區(qū)，集中度在0.76左右；北疆地區(qū)的極端降水集中度最小，極端降水較其他地區(qū)分布分散，阿勒泰的極端降水集中度最小，為0.62。圖3b為極端降水事件集中期的空間分布圖，整個(gè)新疆地區(qū)集中期的范圍為 172°～212.86°，參照集中期對(duì)照表（表 1）,新疆極端降水主要集中在7月上旬到8月中旬。新疆西南部和天山的集中期相對(duì)較小，極端降水出現(xiàn)較早，其中出現(xiàn)最早的是阿合奇，集中度為172°，對(duì)應(yīng)時(shí)間為7月的第二侯。集中度大值區(qū)位于北疆和東疆，大部分集中度在8月上旬，阿勒泰地區(qū)的集中度最大，達(dá)212.86°，對(duì)應(yīng)極端降水的時(shí)間為8月的第四候。中部地區(qū)的極端降水集中期大部分在7月下旬。

表1 極端降水量集中期時(shí)間對(duì)照表

2.2 時(shí)間分布特征

鑒于新疆地形復(fù)雜，極端降水分布很不均勻，本文將研究區(qū)域細(xì)分為北疆、天山和南疆3個(gè)區(qū)域。圖4描述的是3個(gè)區(qū)域的年平均極端降水量時(shí)間序列及其六階擬合曲線(xiàn)，可以看出新疆的年極端降水量近50 a呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。天山的年平均極端降水量多于其他兩個(gè)地區(qū)，北疆其次，南疆的極端降水量最少。1961—1990年間，3個(gè)地區(qū)的年平均極端降水量變化都不大，在20～70 mm之間振蕩，而從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，天山的年極端降水量顯著增加，分別于1999年和2002年，極端降水達(dá)到103.14 mm和103.29 mm。2000—2011年這10 a來(lái)，天山的年極端降水量稍微有減弱趨勢(shì)，但是總體還是高于60 mm。北疆和南疆的年極端降水量在前40 a有小幅度的平穩(wěn)增加，但在最近10 a間，增加趨勢(shì)明顯。尤其是北疆，2010年的年極端降水高達(dá)106.64 mm。

圖5a是3個(gè)區(qū)域的集中度（量綱為1）距平時(shí)間序列圖，可以看出3個(gè)區(qū)域的集中度距平都有下降趨勢(shì)，且都在2001年前后有明顯的減弱趨勢(shì)。北疆地區(qū)的集中度下降趨勢(shì)最明顯，在1961—1981年間，集中度都是正距平，尤其是在1967年，極端降水量集中度達(dá)到0.97，但是從1998年開(kāi)始，北疆的集中度距平都為負(fù)值，下降趨勢(shì)明顯，2010年集中度達(dá)50 a最小值（0.44）。天山的集中度距平多為正值，在2001年集中度距平達(dá)最大值后開(kāi)始轉(zhuǎn)為負(fù)距平，南疆的集中度下降趨勢(shì)不很明顯。

從年平均極端降水事件集中期（度）距平時(shí)間序列（圖5b）中可以看出：北疆的集中期距平在1961—1981年間為負(fù)值，極端降水出現(xiàn)較早。從1981—2006年表現(xiàn)為正的距平值，說(shuō)明極端降水的集中期偏晚，2000年北疆的集中度達(dá)到229.84°，對(duì)應(yīng)時(shí)間為9月的第一候。2006年以后，距平值又轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，且下降趨勢(shì)明顯，說(shuō)明極端降水在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的越來(lái)越早。天山地區(qū)的集中期從1965年開(kāi)始轉(zhuǎn)為負(fù)距平，極端降水集中期偏?。?988—2006年距平值轉(zhuǎn)為正值，說(shuō)明天山的極端降水集中期偏晚；2006年與北疆一樣有下降趨勢(shì)，集中期在2008年達(dá)188.17。對(duì)應(yīng)時(shí)間為7月中旬。南疆在1998年以前，集中期距平都為負(fù)，在1998年后轉(zhuǎn)為正距平，近2 a來(lái)也有下降趨勢(shì)。

3 集中度與集中期的趨勢(shì)變化特征

上文分析了3個(gè)區(qū)域51 a來(lái)集中度與集中期的變化，那么這51 a來(lái)極端降水集中度和集中期的總體趨勢(shì)是怎樣的呢？圖6a為新疆地區(qū)年平均極端降水量集中度的趨勢(shì)變化空間分布，其中三角的站點(diǎn)為超過(guò)了0.05的顯著性水平，占總站數(shù)的14.58%。從圖6a中可以明顯看出，整個(gè)新疆地區(qū)的極端降水集中度都為減弱趨勢(shì)，說(shuō)明極端降水的集中程度越來(lái)越低，分散程度變大。其中北疆和南疆的減弱趨勢(shì)最明顯，最大減少率（量綱為1）為和田站（-0.07/10 a），天山地區(qū)的集中度表現(xiàn)為微弱的減小趨勢(shì)，減少率平均為-0.02/10 a，達(dá)坂城和巴音布魯?shù)日緶p少率幾乎為0。圖6b為新疆地區(qū)年平均極端降水量集中期（°/10a）的趨勢(shì)變化空間分布，其中三角的站點(diǎn)為超過(guò)了0.05的顯著性水平，占總站數(shù)的12.5%。從圖6b可以看出，新疆除了南疆盆地中部一小塊區(qū)域表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其余區(qū)域都表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。北疆北部、博樂(lè)以及阿合奇的增加趨勢(shì)非常顯著，增加趨勢(shì)最大的是阿合奇，為21.36°/10 a，即每10 a極端降水量集中期推遲了20多天。

4 極端降水量同集中度與集中期的關(guān)系

由上文討論可以看出新疆地區(qū)的年極端降水量呈增加趨勢(shì)，而極端降水量集中度和集中期變化趨勢(shì)分別為減少和增加。研究發(fā)現(xiàn)，在集中度異常偏大的 1961、1964、1966、1967、1970、1971 年及 1997 年中，有4 a的極端降水量異常偏小，相反的在集中度異常偏少的 1986、1987、2003、2006 和 2010 年，有3 a極端降水量異常偏多。集中期與極端降水量也存在一定的相關(guān)關(guān)系。

為了進(jìn)一步探討新疆極端降水量與其集中度、集中期的相關(guān)關(guān)系，首先計(jì)算了新疆地區(qū)平均集中度、集中期和極端降水量的相關(guān)系數(shù)，集中度與極端降水量相關(guān)系數(shù)為－0.35，通過(guò)5%顯著性水平檢驗(yàn)，而集中期與極端降水量相關(guān)系數(shù)為0．311，也通過(guò)5%顯著性水平檢驗(yàn)。圖7a給出了新疆各測(cè)站極端降水量與集中度的相關(guān)系數(shù)，三角標(biāo)識(shí)表示通過(guò)5%顯著性水平檢驗(yàn)的測(cè)站，占總站點(diǎn)數(shù)的12.5%?？梢钥闯龀四辖璧貥O端降水量與集中度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.02左右，其他地區(qū)都呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較大。圖7b給出了新疆各測(cè)站極端降水量與集中期的相關(guān)系數(shù)，三角標(biāo)識(shí)表示通過(guò)5%顯著性水平檢驗(yàn)的測(cè)站，占總站點(diǎn)數(shù)的31.25%?？梢钥闯鰳O端降水量與集中度呈正相關(guān)。

由此可以認(rèn)為新疆地區(qū)極端降水量的季節(jié)分配狀況和同期的極端降水量存在很好的相關(guān)關(guān)系。極端降水越分散，集中期越晚，極端降水量越多；極端降水越集中，集中期越早，極端降水量越少。這種相關(guān)關(guān)系在北疆地區(qū)尤為顯著。

5 小結(jié)

（1）新疆地區(qū)極端降水閾值和年平均極端降水量空間分布基本一致，都以天山地區(qū)為最大，呈現(xiàn)北高南低的分布。最大年平均極端降水量值為92.02 mm（巴倫臺(tái)站），極端降水量最少的地區(qū)位于塔里木盆地，僅為10.6 mm。年極端降水頻次平均為3.5次，北部高于南部，其中南疆盆地極端降水頻次最少。

（2）新疆地區(qū)極端降水事件集中度和集中期的空間分布存在一定的差異。總體來(lái)說(shuō)極端降水都分布得很密集，各站集中度在0.62～0.9之間，其中南疆和東疆的集中度比較大，最大可達(dá)0.9；北疆地區(qū)的極端降水集中度最小，極端降水較其他地區(qū)分布分散。

極端降水事件集中期的范圍為172°～212.86°，即新疆地區(qū)極端降水主要集中在7月上旬到8月中旬。新疆西南部和天山的集中期相對(duì)較小，極端降水出現(xiàn)較早；北疆和東疆的集中期較晚，大部分集中度在8月上旬；中部地區(qū)的極端降水集中期大部分在7月下旬。

（3）近51 a來(lái)，新疆地區(qū)的極端降水集中度表現(xiàn)為減弱趨勢(shì)，說(shuō)明極端降水的集中程度越來(lái)越低，分散程度變大，其中北疆和南疆的減弱趨勢(shì)最明顯。大部分地區(qū)的集中期表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，只有南疆盆地一小塊區(qū)域有微弱減少趨勢(shì)。增加趨勢(shì)最大的是阿合奇，每10 a極端降水量集中期推遲了20多天。

（4）新疆地區(qū)極端降水量的季節(jié)分配狀況和同期的極端降水量存在很好的相關(guān)關(guān)系。極端降水越分散，集中期越晚，極端降水量越多；極端降水越集中，集中期越早，極端降水量越少。這種相關(guān)關(guān)系在北疆地區(qū)尤為顯著。

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