1960～2010年寧夏降水和溫度極端氣候事件變化分析

孔祥偉　黃玉霞　王勇

摘要利用1960～2010年寧夏9個觀測站的日降水量、最高溫度及最低溫度資料，采用趨勢分析方法分析了該地區(qū)的極端氣候事件變化特征。結果表明，極端降水事件和暴雨日數(shù)的變化趨勢表現(xiàn)為非均一性，主要以弱的減少趨勢為主，具有明顯的階段性變化特征；20世紀80年代中期之后暴雨的主要爆發(fā)時間段較之前提前2侯；嚴重干燥（濕潤）事件平均發(fā)生頻次和持續(xù)日數(shù)均是由南向北逐漸遞增（遞減），全區(qū)呈一致的增加（減少）趨勢，90年代末之后降水趨向于極端性、不均衡性；全區(qū)高溫（低溫）日數(shù)呈一致的增加（減少）趨勢，北部地區(qū)的變化速率相對較大，1998（1993）年發(fā)生突變，突變之后顯著增加（減少）；全區(qū)極端高溫（低溫）事件呈一致的顯著增加（減少）趨勢，氣溫變暖在低溫上的表現(xiàn)更加顯著。

關鍵詞極端氣候事件；寧夏；降水；溫度；變化特征

中圖分類號S161文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）09-02683-06

基金項目寧夏氣象防災減災重點實驗室開放基金“寧夏極端溫度和降水事件的年代和年代際變化特征及其可能影響因子”；中國氣象局預報員專項項目（CMAYBY2014-072，CMAYBY2013-071）”。

作者簡介孔祥偉（1988-），男，山東榮成人，助理工程師，從事短期天氣、氣候預報預測與研究工作。

收稿日期20140225在全球氣候變暖的大背景下，各區(qū)域的氣候變化比較復雜，尤其是極端氣候事件變率較之平均氣候變率更為復雜，區(qū)域性極端氣候事件的增多嚴重影響人類的生存和社會的可持續(xù)發(fā)展，因此對其特征、變率、機理和預報預測的研究引起了廣泛關注。西北地區(qū)東部近十幾年氣候變得更加極端，自從1990年開始，降水距平百分率低于氣候平均值，變化異常[1-2]，春、秋、冬季的極端降水事件出現(xiàn)的多與少基本決定了季節(jié)降水趨勢的變化[3]。近49年西北地區(qū)年極端低溫頻率以3.7 d/10a的速率顯著下降，突變出現(xiàn)在1985年，低溫強度與極端低溫在地域上有相同的分布[4]，極端高溫事件發(fā)生頻次的最主要空間模態(tài)是一致性異常分布，西北年極端高溫事件發(fā)生頻次均表現(xiàn)為增加趨勢，且西北年極端高溫事件發(fā)生頻次同區(qū)域性增暖呈顯著的正響應[5-6]，年極端低溫事件發(fā)生和結束的時間分別推遲和提前，極端高溫事件正好相反，年極端低溫發(fā)生頻次的減小對于西北區(qū)域增暖的響應比年極端高溫發(fā)生頻次增加更為顯著[7-8]。寧夏作為西北地區(qū)重要成員之一，降水分布十分不均，南部黃土丘陵區(qū)年均降水量500～700 mm，中部干旱區(qū)和北部引黃灌區(qū)僅為200～450 mm，全區(qū)的下墊面復雜多變，區(qū)域內(nèi)形成了多種氣候類型，是極端氣候事件頻發(fā)的省份[9]，極端氣候事件對寧夏的水資源、生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展均造成了重要影響。以往學者雖對寧夏的極端降水事件[10-11]、極端溫度事件[12-13]、極端干燥事件[14]以及極端溫度閾值與AO的相關[9]等進行了相關研究，但對于寧夏溫度和降水極端氣候事件的年代際變化特征還需進一步的認識，因此筆者基于非參數(shù)的統(tǒng)計方法，比較全面地分析寧夏1960～2010年溫度和降水極端事件的變化規(guī)律，分析該地區(qū)極端氣候事件的時空分布、長期變化趨勢以及區(qū)域性差異等特征，為進一步研究其氣候預測方法提供參考。

1 資料與方法

1.1資料來源 使用1960～2010年寧夏9站逐日最高溫度、最低溫度及降水量資料，該資料由中國氣象局氣象信息中心整理且通過了氣候極值檢驗、單站極值檢驗和數(shù)據(jù)一致性檢驗等質(zhì)量控制。

1.2分析方法

1.2.1極端氣候事件的定義。目前，氣候極值變化研究多采用閾值法，超過閾值的則被認為是極值，該事件可認為是極端氣候事件，在此采用絕對閾值和百分位閾值2種方法分析與寧夏降水和溫度有關的極端氣候事件，其中在農(nóng)作物生長期3～9月，定義連續(xù)無有效降水日數(shù)≥10 d的干燥事件為嚴重干燥事件，連續(xù)有效降水日數(shù)≥6 d的降水事件稱為嚴重濕潤事件[15]。極端溫度事件的確定是將某站1960～2010年同日期的最高（低）溫度資料按照升序排列，得到該日第95（5）個最高（低）溫度的百分位值，將之作為極端高（低）溫度事件的上（下）閾值，如果某日最高（低）溫度大于（小于）該日極端溫度事件的上（下）閾值，則認為該日出現(xiàn)了極端高（低）溫事件[10，16]。

1.2.2分析方法。采用Bonsal邊緣分布函數(shù)法[17]計算極端事件的百分位閾值。如果某個氣象要素有n個值，將這n個值按升序排列為x1，x2，x3，…，xm，…，xn，那么某個值小于或等于xm的概率P由公式P=（m-0.31）/（n+0.38）計算得到，式中，m為xm的序號，n為某個氣象要素的總個數(shù)。在分析極端事件變化趨勢時，選用線性方程進行擬合，對于變化趨勢的顯著性檢驗，采用時間t與原序列變量y之間的相關系數(shù)進行檢驗[18]，突變檢驗選用Mann-Kendall檢驗方法[19]。寧夏區(qū)域平均極端事件的演變曲線是逐年將各站極端事件進行全區(qū)域的平均從而獲得的時間序列，為研究該時間序列的多年尺度變化特征，使用高斯低通濾波器將高頻變化濾掉。

2結果與分析

2.1 極端降水事件變化特征

2.1.1極端降水事件時空變化。經(jīng)統(tǒng)計，寧夏極端降水事件的閾值為11.68～22.68 mm/d，呈由南向北逐漸遞減趨勢，平均值為16.10 mm/d，相當于中雨量級（10.0～24.9 mm/d），78%的站點日降水極大值超過了70.0 mm，最大值是鹽池站1999年7月出現(xiàn)的日降水量121.2 mm。全區(qū)各地的極端降水事件主要以弱的減少趨勢為主（圖1a），南部的西吉減少速率最大，線性傾向率也僅為-0.21 d/10a，減速并不顯著；陶樂、同心及海源為增加趨勢，也未超過95%的信度水平。1960～2010年寧夏區(qū)域的平均極端降水事件呈弱的減少趨勢 （圖2a），線性傾向率為-0.05 d/10a。從年代際變化來看，20世紀60年代極端降水事件最多，平均值達4.27 d/a，70和80年代前期極端降水事件相對較少，80年代前期之后極端降水事件呈增加趨勢，1990年之后其年際間波動明顯減弱，基本穩(wěn)定在3.70 d/a。

2.1.2 暴雨日數(shù)時空變化。寧夏極端降水事件的閾值相當于中雨量級，降水量級并不是很大，為此進一步統(tǒng)計了該地區(qū)暴雨日數(shù)的變化特征。將一年當中出現(xiàn)暴雨的總日數(shù)作為年暴雨日數(shù)，寧夏各地年均暴雨日數(shù)均較少（表1），不足0.50 d/a，固原最多，也僅為0.41 d/a，同心最少，平均10年才有一次暴雨。從暴雨日數(shù)變化趨勢的空間分布（圖1b）來看，全區(qū)各地表現(xiàn)為非均一性，中南部地區(qū)的暴雨日數(shù)以減少趨勢為主，中寧減少趨勢最為顯著，其線性傾向率為-0.10 d/10a，超過95%的信度水平，北部引黃灌區(qū)以弱的增加趨勢為主。寧夏區(qū)域平均暴雨日數(shù)呈弱的減少趨勢（圖2b），線性傾向率為-0.02 d/10a，年際間波動較大，多年平均值為0.22 d，其中1973年暴雨日數(shù)最多，達0.8 d，另有12年全區(qū)未出現(xiàn)過暴雨事件。20世紀60年代后期～80年代暴雨日數(shù)呈顯著的減少趨勢，之后暴雨日數(shù)開始增加，2000年之后變化趨勢不明顯，平均值為0.26 d/a，是80年代的2倍多，這與陳曉光等得出的1986年伴隨著氣候變暖之后寧夏暴雨日數(shù)明顯增多的結論[20]基本是一致的。

寧夏地區(qū)的暴雨事件主要發(fā)生在6～9月，以侯為單位統(tǒng)計暴雨事件在該時段內(nèi)的分布特征，以每侯中全區(qū)各站發(fā)生暴雨的總日數(shù)計，從6月1日開始，每連續(xù)5 d計為一侯，其中7、8月的最后一侯均設為6 d，共分為24侯。1～6侯除個別年份外寧夏基本沒有暴雨事件發(fā)生，19侯之后也沒有暴雨事件發(fā)生，主要的爆發(fā)時間集中在8～18侯，其中第16侯發(fā)生暴雨事件最多。暴雨事件在20世紀80年代中期之前主要集中在10～18侯，80年代中期之后主要集中在第8～16侯，即80年代中期之后暴雨事件集中爆發(fā)的時間段提前2侯（圖3）。

2.1.3 嚴重干、濕事件時空變化。 嚴重干燥事件使土壤缺水，嚴重濕潤事件常伴隨著低溫寡照、農(nóng)田受淹，因此2種事件均會影響農(nóng)作物的正常生長發(fā)育，造成其減產(chǎn)[21]。1960～2010年寧夏嚴重干燥（濕潤）事件平均發(fā)生頻次和持續(xù)日數(shù)均由南向北逐漸遞增（遞減），北部引黃灌區(qū)的年均嚴重干燥事件超過5次且平均持續(xù)日數(shù)超過19 d，嚴重濕潤事件不足0.2次且平均持續(xù)日數(shù)僅為6.33 d，而南部黃土丘陵區(qū)的年均嚴重干燥事件不足3次且平均持續(xù)時間不足13 d，嚴重濕潤事件超過1次且平均持續(xù)日數(shù)超過7 d。嚴重干燥事件寧夏全區(qū)均呈增加趨勢，線性傾向率為0.39～3.76次/10a，其中鹽池、中寧、西吉3站的增加趨勢超過了95%的信度水平（圖1c）。嚴重濕潤事件均為減少趨勢，減少速率由南向北遞減，西吉的減少速率最大，線性傾向率為-0.31次/10a（圖1d）。嚴重干燥（濕潤）事件的增加（減少）并不是由于強降水事件的減少所導致的，主要是由于小雨日數(shù)的顯著減少所造成的[22]。

從寧夏全區(qū)嚴重干、濕事件的演變曲線（圖2c、2d）可以看出，嚴重干燥事件呈顯著的增加趨勢，線性傾向率為019次/10a，平均值為4.43次，其中1997年最多，達6.22次；嚴重濕潤事件呈弱的減少趨勢，線性傾向率為-0.07次/10a，1967和1979年最多，達1.33次，多年平均值為0.52次，不足嚴重干燥事件多年平均值的1/8，且嚴重干燥事件的持續(xù)日數(shù)遠超過嚴重濕潤事件的持續(xù)日數(shù)（表1），這在一定程度上反映出寧夏干旱的降水背景特征。此外，嚴重干、濕事件一般情況下均具有反位相的變化特征，然而寧夏在20世紀90年代末之后不具備反位相的變化特征（圖2c、2d），說明降水趨向于極端性、不均衡性。

42卷9期孔祥偉等1960～2010年寧夏降水和溫度極端氣候事件變化分析2.2極端溫度事件變化特征

2.2.1極端高、低溫事件時空變化。經(jīng)統(tǒng)計，1960～2010年寧夏極端高溫事件呈一致的增加趨勢，線性傾向率為269～6.24 d/10a，均超過了95%的信度水平，海源和同心兩地的極端高溫事件增加速率明顯小于省內(nèi)其余地方（圖4a）。而極端低溫事件呈一致的減少趨勢，線性傾向率為-3.08～-7.14 d/10a，也均超過了95%的信度水平，北部引黃灌區(qū)和中部干旱區(qū)的極端低溫事件減小速率比南部黃土丘陵區(qū)的減少速率大（圖4b）。寧夏各地的極端低溫事件減小速率明顯大于極端高溫事件的增加速率，說明溫度變暖在低溫上的表現(xiàn)更加顯著，尤其是同心站最為顯著，該站極端低溫事件的減少率比極端高溫事件的增加率多了3.56 d/10a。注：a.極端降水事件；b.暴雨日數(shù)；c.嚴重干燥事件；d.嚴重濕潤事件。

2.2.2高、低溫日數(shù)時空變化。氣象上，通常把日最高溫度超過35 ℃的日數(shù)稱為高溫日數(shù)，超過這個溫度就會給社會生活、生產(chǎn)造成不良影響。在農(nóng)業(yè)氣象中，通常將最低溫度低于0 ℃作為霜凍的氣候指標，霜凍會對農(nóng)作物產(chǎn)生嚴重的凍害。在此將高、低溫日數(shù)也作為極端溫度指標的一部分進行了分析。中寧和同心是寧夏高溫日數(shù)的2個大值中心，年均高溫日數(shù)分別為2.78和3.20 d；南部黃土丘陵區(qū)由于海拔高度較高，沒有高溫日，海源的高溫日數(shù)也很少，年平均值僅為0.02 d（表1）。寧夏中北部地區(qū)的高溫日數(shù)均呈一致的增加趨勢（圖4c），增加速率由東南向西北遞增，其中西北側的惠農(nóng)、銀川、中寧3站的增加趨勢超過了95%的信度水平；區(qū)域平均高溫日數(shù)呈顯著的增加趨勢，線性傾向率為0.44 d/10a，具有明顯的年代際變化特征，20世紀60～90年代中期，高溫日數(shù)波動較小，平均值為1.32 d，然而90年代中期之后，高溫日數(shù)顯著增加，波動性也增大，平均值達3.36 d（圖5c），M-K突變檢驗表明1998年高溫日數(shù)發(fā)生了突變，突變之后顯著增加。

寧夏各地的年均低溫日數(shù)為144～174 d，其中南部黃土丘陵區(qū)年均低溫日數(shù)較多，中部干旱區(qū)的較少。全區(qū)各地的低溫日數(shù)呈一致的顯著減少趨勢，線性傾向率為-2.15～-4.78 d/10a，均超過99%信度水平，北部引黃灌區(qū)的低溫日數(shù)減少速率最大，陶樂幾乎每2年低溫日數(shù)就減少1 d，南部黃土丘陵區(qū)的減小速率相對較小（圖4d）。由圖5d可見，寧夏區(qū)域平均低溫日數(shù)呈顯著的減少趨勢，線性傾向率為-3.57 d/10a，減小速率遠大于高溫日數(shù)的增加速率。從年代際變化看，20世紀60～90年代初低溫日數(shù)平均值為160 d，90年代中期～2010年的低溫日數(shù)平均值為148 d。M-K突變檢驗表明，1993年低溫日數(shù)發(fā)生了突變，突變之后顯著減少。

注：a.極端高溫事件；b.極端低溫事件；c.高溫日數(shù)；d.低溫日數(shù)。

圖51960～2010年寧夏溫度極端事件的時間序列3 小結

（1）寧夏極端降水事件、暴雨日數(shù)表現(xiàn)為非均一性的變化趨勢，主要以弱的減少趨勢為主，具有明顯的階段性變化特征。極端降水事件閾值由南向北逐漸遞減，相當于中雨量級。暴雨日數(shù)全區(qū)均較少，20世紀80年代中期之后暴雨集中爆發(fā)的時間段較之前提前2侯。

（2）寧夏嚴重干燥（濕潤）事件發(fā)生頻次和持續(xù)日數(shù)均是由南向北逐漸遞增（遞減），嚴重干燥事件全區(qū)呈一致的增加趨勢，嚴重濕潤事件全區(qū)呈一致的減少趨勢，減少速率由南向北逐漸減弱。嚴重干、濕事件在20世紀90年代末之后不具備反位相的變化特征，降水趨向于極端性、不均衡性。

（3）寧夏中北部的高溫日數(shù)呈增加趨勢，增加速率由東南向西北遞增，1998年發(fā)生突變后高溫日數(shù)顯著增加；寧夏各地低溫日數(shù)呈一致的顯著減少趨勢，北部引黃灌區(qū)的低溫日數(shù)減少速率最大，低溫日數(shù)在1993年發(fā)生突變，突變之后顯著減少。

（4）寧夏極端高溫事件呈一致的顯著增加趨勢，海源、同心兩地的增加速率明顯小于其余地區(qū)，在1996年發(fā)生突變，突變之后的平均值是之前的2倍多。極端低溫事件呈一致的顯著減少趨勢，北部引黃灌區(qū)和中部干旱區(qū)的減小速率比南部黃土丘陵區(qū)大；在20世紀70年代之后為顯著減少趨勢，并無突變發(fā)生。

（5）寧夏各地的極端低溫事件（低溫日數(shù)）減小速率明顯大于極端高溫事件（高溫日數(shù)）的增加速率，氣溫變暖在低溫上的表現(xiàn)更加顯著。

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