近62年來漢中市極端降水變化研究

王 蒙，殷淑燕

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安710062)

近62年來漢中市極端降水變化研究

王 蒙，殷淑燕

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安710062)

【目的】 對漢中市極端降水事件的變化趨勢進行研究，為漢中地區(qū)防洪減災和水資源調控決策提供參考依據?！痉椒ā?利用1951-2012年的漢中市逐日降水資料，采用百分位閾值劃分極端降水事件，并通過滑動平均、Mann-Kendall檢驗、趨勢分析等方法，對漢中市極端降水事件的變化趨勢進行研究?！窘Y果】 近62年來，漢中市年極端降水量、年極端降水日數及年極端降水強度以年代際尺度波動變化，但總體略呈下降趨勢，且年極端降水量的下降速率為-0.5 mm/年。但在1987年之后，各項極端降水指標均呈明顯增加趨勢，年極端降水量和年極端降水日數呈顯著的線性增加趨勢，年極端降水量增加速率達7.52 mm/年。2006-2008年，漢中市年最大日降水量、年極端降水量、年極端降水強度呈顯著增多增強趨勢?！窘Y論】 進入21世紀后，漢中市極端降水事件引發(fā)的自然災害呈增加趨勢，應加強調控及防治能力，預防洪澇災害的發(fā)生。

降水量；極端降水；變化趨勢；Mann-Kendall檢驗；漢中市

近年來，在全球變暖的氣候背景下，極端氣候事件的發(fā)生頻率和強度也出現(xiàn)了變化。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告指出，極端氣候事件的頻率和強度有可能隨氣溫的升高而增強[1-2]。極端氣候事件對社會穩(wěn)定、經濟發(fā)展和人類生產生活造成嚴重影響[3-4]，因此，作為極端事件之一的極端降水事件成為許多專家學者的研究對象。陳海山等[1]研究了極端降水事件變化特征的季節(jié)性差異，表明多年平均極端降水事件的空間分布具有明顯的緯向分布特征，并表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異。翟盤茂等[5]研究表明，最近50多年，我國降水強度普遍趨于增強，降水日數除西北地區(qū)外其他大部分地區(qū)顯著減小。崔方等[2]研究表明，近50年我國強降水年指數總體呈上升趨勢。鄒用昌等[6]認為，長江中下游、西北地區(qū)北部和西南地區(qū)西部年極端降水過程頻數呈現(xiàn)趨勢性增加，而我國華北等地區(qū)呈現(xiàn)趨勢性減少。

極端降水事件的發(fā)生頻率和強度會嚴重影響自然環(huán)境與人類社會經濟的發(fā)展，直接威脅人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，故已引起社會各界的廣泛關注。因此，對極端降水變化的深入調查研究，不僅有助于理解氣候變化的規(guī)律及探討氣候變化的必要性，而且還可以提高災害性天氣事件預測的準確性，為國家防災減災提供科學依據[7]。

漢中是漢江上游的主要供水源區(qū)，是這一區(qū)域環(huán)境的代表之一，研究漢中地區(qū)的極端降水變化特征可以為南水北調工程的水資源調控提供一定的科學依據。目前，前人關于漢中降水特征的研究主要集中在暴雨、大暴雨的過程分析方面[8-9]，以及旱澇災害特征分析[10]等方面，而對于漢中市極端降水的研究并不多見。為此，本研究采用滑動平均、Mann-Kendall檢驗、趨勢分析等分析方法，對漢中市極端降水事件的變化趨勢進行研究，以期為漢中地區(qū)的防洪減災和水資源調控提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

漢中市位于漢江上游，處于暖溫帶與亞熱帶的過渡區(qū)域，是氣候變化敏感區(qū)。地形上，漢中南北兩側為巴山和秦嶺，中部為盆地。特殊的氣候與地形條件，導致歷史時期以來這里洪澇及次生地質災害頻繁，對當地經濟發(fā)展和人民生活生產安全產生了巨大影響。由于受季風氣候的控制，漢中市降水的年內分配很不均勻，降水量主要集中在5-10月份，尤以6-9月最豐，且5-10月徑流量占全年徑流量的75%左右，為長江各大支流中變化最大的一個。由于漢江河槽泄洪能力與洪水來量嚴重不平衡，且米倉山、大巴山為秦嶺南部的著名暴雨中心區(qū)，坡陡流急，暴雨洪水集流匯合迅速，因此歷史上暴雨、洪澇、旱災及次生地質災害頻發(fā)[10]。由古至今，由極端降雨引發(fā)的重大自然災害屢見不鮮，據《陜西通志》記載，公元前185年“呂后三年夏，漢中大水，水出流四千余家”；《漢書》卷27《五行志》記載，公元前180年“夏，漢中、南郡水復出，流六千余家”；1998年的07-05-07-10和08-20-08-21，漢中市先后出現(xiàn)的2次區(qū)域性暴雨，均造成山洪暴發(fā)、河水猛漲，大量農田和部分村鎮(zhèn)、街道被淹，造成直接經濟損失6.01億元[11]。此外，漢江上游還是南水北調中線水源區(qū)，受全球氣候變化影響，其降水量和水資源量的減少將會危及供水安全，因而倍受關注[12-13]。

2 資料來源與研究方法

2.1 氣象資料來源

氣象資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心數據應用服務室，主要為漢中氣象觀測站1951-2012年的逐日降水資料。

2.2 研究方法

2.2.1 百分位閾值法 我國氣象部門規(guī)定，日降水量超過50 mm的降水事件稱為暴雨，日降水量超過25 mm的降水事件稱為大雨。事實上，由于地區(qū)不同，降水極值存在區(qū)域差異性，因此，極端降水事件也不能用固定的日降水量簡單定義。本研究采用國際通用的百分位閾值法對漢中地區(qū)的日降水量進行處理，定義極端降水事件的閾值，并對極端降水事件進行檢驗。百分位閾值法是采用某個百分位值作為極端值的閾值，超過這個閾值的值就被認為是極值，并稱為極端事件[14]。

參照文獻[1,15-17]，若某氣象要素有n個值，按升序將這些氣象要素值進行排列，即x1，x2，x3，…，xm，…xn，某個值小于或等于xm的概率為P=(m-0.31)/(n+0.38)，其中m為xm的序號，n為某氣象要素值的個數。第95個百分位值指的是P=95%所對應的xm值。本研究運用SPSS對漢中市1951-2012年的逐日降水量按照從小到大排序，取第95個百分位所對應的值即50.21 mm，將該值定義為漢中市極端降水事件的閾值。

2.2.2 極端降水指數定義 根據確定的極端降水閾值，從世界氣象組織(WMO)氣象學委員會(CCL)及氣候變率和可預報性研究計劃(CLIVAR)推薦的50種目前國際通用的極端氣候指數中，選取4種極端降水指數來分析漢中市極端降水的變化趨勢[18-21]。所選取的4個極端降水指數的定義如表1所示。

2.2.3 Mann-Kendall檢驗 Mann-Kendall(M-K)檢驗法[12，22-26]是世界氣象組織(WMO)推薦的一種非參數趨勢檢驗法，該方法的優(yōu)點在于檢測樣本不必遵從一定的分布，且不受少數異常值的干擾。目前M-K檢驗法是國際上檢測氣候突變的一種常用方法，它不僅可以用于檢測序列的變化趨勢，也可以用于檢測氣候的突變，其檢驗方法可用下式表示：

(1)

(2)

式中：Zc為根據樣本計算出的方差值；V(s)=[n(n-1)(2n+5)-∑t(t-1)(2t+5)]/18，其中n代表數據系列的長度，t為“結”的寬度；xk和xi為樣本數據值，當xk-xi大于、等于和小于0時，sgn(xk-xi)相應地分別等于1，0和-1。

衡量趨勢大小的指標β可表示為：

(3)

式中：xj為第j個樣本數據值；i、j分別表示第i個和第j個樣本。

當β值為正時表示序列處于上升趨勢，即變量隨時間增加而增大；當β值為負時，表示序列處于下降趨勢，即變量隨時間的延長而減小。

M-K的檢驗過程為：如果在β=0的前提下，存在-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2(其中±Z1-α/2為標準正太方差，α為顯著性水平)，則原假設即被接受，否則拒絕原假設。

在M-K突變檢驗過程中會出現(xiàn)2條曲線，即UF曲線和UB曲線。UF曲線是按照時間順序排列的統(tǒng)計量，UB曲線是按時間逆序排列的統(tǒng)計量，如果UF曲線和UB曲線在1.96與-1.96之間出現(xiàn)交點，且UF值達到顯著性水平臨界值，那么2條曲線的交點所對應的時間就是突變開始的時間。

3 結果與分析

3.1 年最大日降水量

從近62年漢中市年最大日降水量的變化(圖1-a)來看，自1951年至今，漢中市年最大日降水量總體變化不大，略有下降趨勢，平均為69.7 mm。其中最大值出現(xiàn)在2008年(118.7 mm)，最小值出現(xiàn)在1960年(33.9 mm)。20世紀50年代滑動平均值都為正距平；60年代滑動平均值基本為負距平，1960年達到最低點；70年代初期到80年代中期又升到平均線以上，80年代末期開始到21世紀初5年又下降到平均線以下，自2006年又開始增加，到2008年達到1951年以來的最高值，呈現(xiàn)出明顯的“高-低-高-低-高”年際波動變化趨勢。最近一次波谷出現(xiàn)在80年代末期開始到21世紀初5年，之后明顯上升，進入新一輪波峰期。以x表示年份，y表示年最大日降水量，對漢中市1951-2012年年最大日降水量的變化趨勢進行擬合，結果為y=-0.053 1x+174.9。圖1-b為62年間漢中市年最大日降水量的M-K突變檢驗結果,從近62年來的時間尺度來看，UF曲線和UB曲線共有5個交點，分別出現(xiàn)在1957-1959年、2011-2012年，前者為下降轉折，后者為上升轉折，但都尚未達到顯著變化水平。

總體來看，1951-2012年漢中市年最大日降水量的線性變化不大，但在2006年以后，漢中市年最大日降水量隨時間的變化有明顯的增多趨勢，這是從20世紀80年代末到21世紀初5年低谷期的基礎上開始增多的，且這段時期距離現(xiàn)在比較近，對近期的降水事件影響比較大，因此為了更好地分析這一時期漢中市降水量的變化情況，從1987年開始重新進行降水量的變化趨勢分析及M-K突變檢驗，結果見圖2。

圖1 1951-2012年漢中市年最大日降水量隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.1 Changes of daily maximum precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

圖2 1987-2012年漢中市年最大日降水量隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.2 Changes of daily maximum precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

從圖2-a可以看到，1987-2012年漢中市年最大日降水量總體呈增加趨勢(R2=0.110 1，相關系數尚未達到顯著水平)，增加速率為0.95 mm/年。其中在1987-1991年有下降趨勢，于1991年下降到最低點，后又開始表現(xiàn)出波動性上升趨勢，到2008年達到1987年以來的最高值。以x表示年份，y表示年最大日降水量，對漢中市1987-2012年年最大日降水量的變化趨勢進行似合，結果為：y=0.945 5x-1 823.5。對漢中市1987-2012年年最大日降水量進行的M-K突變檢驗(圖2-b)表明，UF與UB曲線有3個交點，均發(fā)生在2007-2009年，且UF曲線在2009年之后達到了顯著性水平的臨界值，說明從近26年的時間尺度來看，漢中市年最大日降水量在2007-2009年間發(fā)生了顯著增多突變。

3.2 年極端降水量

由圖3-a可以看出，近62年來，漢中市年極端降水量總體上略有減少趨勢，平均降低速率為-0.5 mm/年。以x表示年份，y表示年極端降水量，對漢中市1951-2012年年極端降水量隨時間的變化趨勢進行擬合，結果為：y=-0.500 8x+1 132.6。從5年滑動平均曲線來看，20世紀50年代至60年代中期基本處于正距平；60年代中期至70年代中后期基本處于負距平；70年代中后期至80年代中后期又升高至平均值以上，其中1983年達到最高值499.6 mm，較多年平均值增加了359.3 mm；80年代中后期至21世紀初7年為明顯的波谷期，之后年極端降水量上升，進入新一輪波峰期，呈現(xiàn)明顯年代際波動變化。

從圖3-b的UF曲線可以看出，1951-1965年漢中市年極端降水量波動性較大，UF和UB曲線在1954-1957年出現(xiàn)多個交點，反復出現(xiàn)上升和下降變化；2011年UF和UB曲線再次出現(xiàn)交點，說明年極端降水量出現(xiàn)了明顯的增多轉折。

對1987-2012年近26年來漢中市年極端降水量的變化趨勢進行分析，并進行M-K突變檢驗，結果見圖4。

圖3 1951-2012年漢中市年極端降水量隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.3 Changes of annual extreme precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

圖4 1987-2012年漢中市年極端降水量隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.4 Changes of annual extreme precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

對圖4-a的線性趨勢分析可知，漢中市年極端降水量自1987年以來隨時間的變化有顯著增加，增加速率為7.52 mm/年。以x表示年份，y表示年極端降水量，對漢中市1987-2012年年極端降水量隨時間的變化趨勢進行擬合，結果為：y=7.523 5x-14 933，R2=0.272 9，相關系數超過了顯著性水平。由圖4-bUF曲線的變化來看，漢中市年極端降水量的增加始于1991年，到2008年與UB曲線相交，2011年超過了顯著性水平0.05的臨界線，即漢中市1987年后的年極端降水量從1991年開始增多，于2008年出現(xiàn)了高值突變，至2011年高值達到顯著水平。

3.3 年極端降水日數

從圖5-a的線性趨勢可知，漢中市年極端降水日數自1951年以來總體線性變化不大，但略有下降趨勢。以x表示年份，y表示年極端降水日數，對漢中市1951-2012年年極端降水日數隨時間的變化趨勢進行擬合，結果為：y=-0.004 8x+11.479。通過圖5-a的5年滑動平均來看，漢中市年極端降水日數在20世紀50年代至60年代中期基本為正距平，60年代中期到70年代中后期基本為負距平，70年代末至80年代中期回升到均值以上，1983年上升到最高點(7 d)，80年代中期到21世紀初7年又下降到均值以下，為典型的波谷期，自2006年開始漢中市年極端降水日數再次上升，到2009年超過均值線，2011年再次達到最高點(7 d)。

從圖5-b的UF曲線來看，1951-1971年漢中市年極端降水日數呈減少趨勢，1971-1984年表現(xiàn)為上升趨勢，1984-2006年呈明顯的減少趨勢，1992年之后這種減少趨勢超過了顯著性水平0.05的臨界線，2007年再次上升。UF和UB曲線在顯著性水平0.05臨界線之間沒有交點，這說明漢中市年極端降水日數在此期間的變化未達到突變程度。

1987-2012年漢中市年極端降水日數的變化趨勢及突變檢驗結果見圖6。由圖6-a可以看出，漢中市年極端降水日數在1987-2012年呈現(xiàn)顯著增加趨勢，增加速率為0.1 d/年。以x表示年份，y表示年極端降水日數，對漢中市1987-2012年年極端降水日數隨時間的變化趨勢進行擬合，結果為：y=0.101 5x-201.37。從圖6-a中的3年滑動平均來看，漢中市年極端降水日數自20世紀80年代末期到21世紀初7年都處于均值以下，2007年開始增加，且在2008年超過均值線，到2011年增加到最高點。對1987年以來年極端降水日數進行的M-K檢驗結果(圖6-b)表明，1987-1997年UF值逐漸減小，年極端降水日數呈減少趨勢，且在1991年達到顯著性水平；1997-2012年UF值逐漸增大，年極端降水日數呈增加趨勢，UF曲線與UB曲線在2010年出現(xiàn)交點，年極端降水日數出現(xiàn)明顯增多轉折，但在研究時間尺度內尚未與0.05顯著性水平線出現(xiàn)交點，因此還不能判定其變化是否達到突變程度。

圖5 1951-2012年漢中市年極端降水日數隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.5 Changes of annual extreme precipitation days and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

圖6 1987-2012年漢中市年極端降水日數隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.6 Changes of annual extreme precipitation days and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

3.4 年極端降水強度

對漢中市1951-2012年年極端降水強度隨時間的變化過程及其M-K突變檢驗分析結果見圖7。由圖7-a可知，1951-2012年漢中市年極端降水強度總體變化不大，線性趨勢線幾乎與均值線相持平，僅有極微弱的減弱趨勢，下降速率為-0.05 mm/年。對年極端降水強度隨時間的變化趨勢進行擬合，結果為：y=-0.054 1x+162.23，其中x表示年份，y表示年極端降水強度。從5年滑動平均可以看出，漢中市年極端降水強度在1951-1959年基本為正距平，1960-1970年為負距平，1971-1984年為正距平， 1985-2005年又下降到均值以下，自2006年開始漢中市年極端降水強度明顯增加，到2008年超過均值線。

從圖7-b的M-K檢驗結果來看，UF和UB曲線在1953-1957年于顯著性水平0.05臨界值之間有3個交點，說明該時期年極端降水強度波動性較大;1988-1995年UF值減小，且達到了顯著性水平0.05臨界線，年極端降水強度減少趨勢顯著；1995-2007年UF值在顯著性水平臨界線附近波動，2007年以后UF值又呈增加趨勢。

圖7 1951-2012年漢中市年極端降水強度隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.7 Changes of annual extreme precipitation intensity and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

對1987-2012年近26年來漢中市年極端降水強度的變化趨勢進行分析，并進行M-K突變檢驗，結果見圖8。

圖8 1987-2012年漢中市年極端降水強度隨時間的變化及其突變檢驗
Fig.8 Changes of annual extreme precipitation intensity and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

圖8-a表明，漢中市年極端降水強度自1987年以來呈波動上升趨勢，上升速率為0.58 mm/d。以x表示年份，y表示年極端降水強度，對漢中市1987-2012年年極端降水強度隨時間的變化趨勢進行擬合，結果為：y=0.583 5x-1 112.7，R2=0.030 6，相關系數未超過顯著性水平。從圖8-b的UF曲線可以看出，1987-1992年漢中市年極端降水強度呈明顯下降趨勢，1993年以后又呈上升趨勢，2006，2008和2011年UF與UB曲線多次出現(xiàn)交點，表明這段時間內極端降水強度的波動性較大，反復出現(xiàn)上升、下降變化，但總體上仍呈上升趨勢，并在2012年達到顯著性水平0.05臨界值。

4 結論與討論

本研究采用M-K非參數檢驗方法對漢中市1951-2012年逐日降水量的4個極端降水指數進行了趨勢分析和突變檢驗，結果表明：1951-2012年的62年間，漢中市年最大日降水量、年極端降水量、年極端降水日數、年極端降水強度的變化情況基本一致，總體變化不大，但有微弱的減小趨勢，因此1951-2012 年漢中市極端降水呈微小減少趨勢，這與蔡新玲等[27]關于陜西地區(qū)降水量呈下降趨勢的研究結果大體一致，也與楊金虎等[28]中國西北東部地區(qū)極端降水事件呈減少趨勢的研究結果大體相同，只是在漢中市這種減少趨勢十分微弱，各項極端降水指數的線性趨勢線幾乎與均值線相持平。如果時間尺度進一步加大，可能會發(fā)現(xiàn)這種減少趨勢并不存在，而年際波動現(xiàn)象更為明顯，呈現(xiàn)明顯的“高-低-高-低-高”年際波動變化。本研究還表明，漢中市各項極端降水指標在20世紀50年代基本為正距平；60年代至70年代初為負距平；70年代初期到80年代中期又升高到平均線以上；在20世紀80年代中期至21世紀初，各項極端降水指標均處于波谷期，極端降水明顯減少。但在2006-2008年前后至今，漢中市的年極端降水日數、年極端降水量、年極端降水強度均明顯或顯著上升，進入了新一輪的極端降水波峰期。

短期內極端降水的迅速增加容易引發(fā)洪水、泥石流、城市內澇等自然災害，嚴重的暴雨洪水可能會造成大面積的農田作物淹毀，致使農作物減產甚至絕收。近年來，漢中市極端降水事件引發(fā)自然災害的風險有所增大。因此，必須高度重視漢中地區(qū)洪澇災害的防范，加強預防和治理洪澇災害的能力，并有效調控極端降水，以保證當地人民生產生活和南水北調工程的順利進行。

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Change in extreme precipitation during past 62 years in Hanzhong

WANG Meng,YIN Shu-yan

(CollegeofTourismandEnvironmentalSciences,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

【Objective】 The tendency of extreme precipitation in Hanzhong was studied to help local flood control,disaster mitigation and water resources regulation.【Method】 Based on the daily precipitation in Hanzhong from 1951 to 2012,the changes of extreme precipitation events were investigated using percentile threshold to group extreme precipitation events and through methods of moving average,Mann-Kendall test,and trend analysis.【Result】 In the past 62 years,the extreme precipitation and extreme precipitation days in Hanzhong fluctuated with a downward trend of -0.5 mm/year.But after 1987,various indexes of extreme precipitation showed increasing trends and annual extreme precipitation and extreme precipitation days increased significantly.The annual extreme precipitation increased linearly with the rate of 7.52 mm/year.During 2006-2008,annual maximum daily precipitation,annual extreme precipitation and extreme precipitation intensity in Hanzhong increased significantly.【Conclusion】 In the 21 century,the natural disaster in Hanzhong showed increasing tendency due to increase of extreme precipitation events.Thus,regulation and measures should be taken to prevent disaster.

precipitation;extreme precipitation;changes tendency;Mann-Kendall test;Hanzhong

2013-12-07

國家社會科學基金重點項目“歷史時期漢江上游極端性氣候水文事件及其社會影響研究”(11AZS009)；國家自然科學基金項目(41030637,41271108,41371029，41471071)；教育部博士點基金優(yōu)先發(fā)展領域項目(20110202130002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費創(chuàng)新團隊項目(GK201301003)

王 蒙(1989-),女(蒙古族),河北秦皇島人,在讀碩士,主要從事環(huán)境變化與自然災害研究。 E-mail：252373005@qq.com

殷淑燕(1970-),女,黑龍江木蘭人,教授,博士,博士生導師,主要從事環(huán)境變化與自然災害研究。 E-mail：yinshy@snnu.edu.cn

時間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.015

P426.61+4

A

1671-9387(2015)05-0208-09

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.015.html