陜西省汛期極端降水時(shí)空演變特征

王雯燕，王 麗，李國平，魯淵平，唐文哲

（1．陜西省西安市氣象局，陜西 西安 710016；

2．成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225）

陜西省汛期極端降水時(shí)空演變特征

王雯燕1，2，王 麗1，李國平2，魯淵平1，唐文哲1

（1．陜西省西安市氣象局，陜西 西安 710016；

2．成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225）

基于陜西省78個(gè)氣象站1961—2013年汛期（5—9月）逐日降水資料，統(tǒng)計(jì)了陜西汛期極端降水閾值，并利用線性傾向率、Morlet小波分析、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）等方法研究分析了汛期極端降水事件的時(shí)空演變特征。結(jié)果表明：（1）陜西汛期極端降水閾值為25．5～57．5 mm·d－1，平均33．4 mm·d－1，空間上以秦嶺為界，以南大部分站點(diǎn)高于平均值，以北低于平均值。（2）汛期極端降水事件頻次月際變化較為集中，7月最多，5月最少；年及年代際變化較大，1975—1981年呈增加趨勢，1982—1993年呈下降趨勢，1993年以后又呈上升趨勢，但整體上呈微弱增加趨勢，其中關(guān)中、陜南地區(qū)汛期極端降水事件頻次年及年代際變化與全省變化趨勢基本一致，而陜北地區(qū)年際變化較小，與全省差異較大。（3）各分區(qū)汛期極端降水事件頻次均存在多時(shí)間尺度特征，陜南、關(guān)中大尺度和中尺度的時(shí)間周期性基本一致，大尺度周期24～32 a，中尺度周期6～10 a，而小尺度周期略有不同；陜北完全不同，大尺度周期26～30 a，中尺度周期15～18 a。（4）陜西汛期極端降水事件頻次的第1模態(tài)是陜北北部與其他地區(qū)呈反位相變化，第2模態(tài)是以秦嶺為界的南北反相變化，第3模態(tài)是關(guān)中與陜南、陜北反相變化。

極端降水；汛期；陜西；百分位法；EOF

王雯燕，王 麗，李國平，等．陜西省汛期極端降水時(shí)空演變特征［J］．干旱氣象，2016，34（6）：952－957，［WANGWenyan，WANG Li，LIGuoping，et al．Temporal and Spatial Characteristics of Extreme Precipitation in Flood Season in Shaanxi Province During 1961－2013［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：952－957］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0952

引 言

在全球氣候變暖背景下，極端降水事件增多，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活，受到越來越多的關(guān)注。翟盤茂［1］、楊金虎［2］等研究認(rèn)為中國極端降水事件的時(shí)間變化存在明顯的區(qū)域性差異，由此根據(jù)行政劃分、水文流域、氣候特征分類的相關(guān)研究紛紛開展［3－6］。陜西極端降水研究也逐步進(jìn)行，楊文峰等［7］定義日降水量＞25．0 mm作為強(qiáng)降水事件，分析了1961—2004年陜西強(qiáng)降水日數(shù)的變化特征；姜?jiǎng)?chuàng)業(yè)［8］、蔡新玲［9］等用1971—2000年逐年日降水資料的第95個(gè)百分位的30 a平均值定義極端降水事件，分析了陜西年極端強(qiáng)降水事件的時(shí)空演變特征，取得一定進(jìn)展。陜西極端降水多集中在5—9月，上述研究多集中在年降水資料方面，而對汛期極端降水變化規(guī)律方面還沒有進(jìn)一步研究；加之，陜西氣候類型多樣，分氣候區(qū)進(jìn)行的研究很少；另外，進(jìn)入21世紀(jì)以來，陜西降水呈現(xiàn)新的特點(diǎn)，異常頻率增加，導(dǎo)致災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，如2013年8月陜北發(fā)生持續(xù)性極端降水，造成滑坡、塌方等次生地質(zhì)災(zāi)害，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，利用最新氣候資料、分氣候區(qū)研究汛期極端降水變化特征就顯得十分有意義。本文利用陜西1961—2013年國家級氣象臺(tái)站汛期（5—9月）逐日有效降水資料，在確定各站極端降水閾值的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多種統(tǒng)計(jì)診斷方法探討53 a陜西汛期極端降水的時(shí)空變化特征。

1 資料與方法

1．1 資 料

所用資料來源于陜西省氣象局信息中心整編的全省78個(gè)氣象站1961—2013年5—9月的逐日降水量（日降水量≥0．1 mm），經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

根據(jù)陜西氣候和地形特點(diǎn)，參照陜西省短期天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊［10］中關(guān)于全省預(yù)報(bào)區(qū)域的界定方法，將78站分為3個(gè)區(qū)，其中陜北16站，關(guān)中38站，陜南24站，站點(diǎn)分布及各分區(qū)如圖1所示。

圖1 陜西78個(gè)氣象站點(diǎn)的空間分布及分區(qū)Fig．1 The spatial distribution of 78 meteorological stations and region division in Shaanxi Province

1．2 方 法

陜西南北跨度大，南北端緯度相差7．13°，多年平均降水量最少的站點(diǎn)為328．0 mm，最多的為1 287．0 mm，降水量最多的臺(tái)站是最少的3．9倍，因此定義極端降水時(shí)，考慮南北降水量差異較大，用統(tǒng)一固定的暴雨量值（日降水量≥50．0 mm）不能真實(shí)反映各地極端降水的變化情況。極端降水是小概率事件，本文采用百分位法［11］定義各臺(tái)站極端降水事件的閾值。具體算法為：將每個(gè)臺(tái)站1961—2013年5—9月的日降水量按升序排列，取序列第95個(gè)百分位的日降水量作為該站氣候極端降水閾值，當(dāng)某日降水量超過閾值，就統(tǒng)計(jì)為1次極端降水事件，月內(nèi)發(fā)生極端降水事件的天數(shù)稱為月頻次，年內(nèi)發(fā)生極端降水事件的天數(shù)稱為年頻次，極端降水量為每年極端降水事件的降水量總和。

采用四次多項(xiàng)式擬合、線性傾向率［12－14］、Morlet小波分析［15］和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）［16］等方法分析極端降水事件的月、年及年代際變化，以及周期性和時(shí)空分布特征等。

2 結(jié)果分析

2．1 汛期極端降水閾值的空間分布

統(tǒng)計(jì)表明，陜西汛期極端降水閾值平均為33．4 mm·d－1，相當(dāng)于大雨量級。從空間上看（圖2），極端降水閾值自南向北逐漸遞減，且以秦嶺（圖2中虛線）為界，南北差異明顯。秦嶺以南大部分站點(diǎn)的閾值高于平均值，等值線大致呈東西走向且密集，其中鎮(zhèn)巴站最大，閾值為57．5 mm·d－1，超過暴雨強(qiáng)度；秦嶺以北的閾值小于平均值，且變化小，關(guān)中和陜北中南部大部分站點(diǎn)的閾值在30～33 mm·d－1之間，陜北北部的志丹、衡山、榆林、神木、府谷一帶閾值在27～30 mm·d－1，陜北西北部的定邊閾值最小，僅為25．49 mm·d－1。這與姜?jiǎng)?chuàng)業(yè)等［8］的研究結(jié)果大體一致，但因研究資料的時(shí)間長度和百分位定義方法不同，本文各站極端降水閾值略大。

圖2 1961—2013年陜西汛期極端降水閾值的空間分布（單位：mm·d－1）Fig．2 The spatial distribution of extreme precipitation threshold in Shaanxi Province in flood season from 1961 to 2013（Unit：mm·d－1）

2．2 汛期極端降水事件的月際變化

圖3給出1961—2013年陜西省及各分區(qū)汛期各月極端降水事件的累計(jì)頻次?？梢钥闯觯⊙雌跇O端降水發(fā)生時(shí)間主要集中在7—8月，其中，7月占事件總數(shù)的30%，8月次之，占比28．5%，5月發(fā)生最少，僅占7%。汛期各月出現(xiàn)極端降水事件最多的年份不同，5月在1983年出現(xiàn)頻次最多，共121次；6月在2002年頻次最多，共 96次；7月在1998年頻次最多，共143次；8月在1981年頻次最多，共178次；9月在2011年頻次最多，達(dá)250次。各分區(qū)中，陜南和陜北汛期極端降水的月際分布與全省相似，7月最多，5月最少；關(guān)中略有不同，8月出現(xiàn)極端降水事件的頻次最多，占總數(shù)的29．2%，7月次之。

圖3 1961—2013年陜西全省及各分區(qū)汛期極端降水事件頻次月變化Fig．3 Themonthly variations of frequency of extreme precipitation in Shaanxi Province in flood season from 1961 to 2013

2．3 汛期極端降水事件的年及年代際變化

對陜西全省及各分區(qū)1961—2013年汛期極端降水頻次的時(shí)間序列進(jìn)行趨勢分析。由擬合曲線可知（圖4a），全省汛期極端降水頻次的年際變化較大，極端降水事件1993年最少（110次），2011年最多（450次），整體呈微弱的線性增加趨勢，氣候傾向率為8．63次·（10 a）－1，且有明顯的階段性波動(dòng)特征，1975—1981年呈增加趨勢，1982—1993年呈明顯下降趨勢，1993年以后又呈上升趨勢，尤其2008年以后上升趨勢明顯。

從3個(gè)分區(qū)擬合趨勢曲線（圖4b）可以看出，關(guān)中地區(qū)汛期極端降水事件頻次年際波動(dòng)最大，1980年代中期以前呈增加趨勢，之后至1990年代末期為下降趨勢，2000年以后增加明顯，整體上呈不明顯的線性增加趨勢。其中，極端降水事件2011年最多（219次），1969年最少（35次）；陜南地區(qū)汛期極端降水事件頻次年際波動(dòng)次之，1960年代中期以前、1980年代中后期—1990年代末期為下降變化趨勢，而1960年代中期—1980年代中期、2000年以后為增加變化趨勢，但長期變化為增加趨勢，線性氣候傾向率為4．78次·（10 a）－1（未通過α＝0．05的信度檢驗(yàn)）。其中，2011年發(fā)生頻次最多（184次），1966年最少（30次）；陜北地區(qū)汛期極端降水事件頻次年際變化較小，且階段性變化特征與陜南、關(guān)中差異較大，1960年代初期發(fā)生較多，隨后波動(dòng)減小，至2000年以后略有增加，但整體呈微弱下降趨勢，線性氣候傾向率為－0．23次·（10 a）－1，其中，1964年發(fā)生頻次最多（66次），1974年最少（15次）。綜上所述，近53 a來關(guān)中、陜南地區(qū)的汛期極端降水事件變化特征較為相似，年際波動(dòng)幅度大，年代際變化近乎一致，而陜北地區(qū)則無明顯變化。

圖4 1961—2013年陜西全?。╝）和各分區(qū)（b）汛期極端降水事件的年際變化Fig．4 The annual variations of extreme precipitation frequency in flood season in whole area（a）and subarea（b）of Shaanxi Province from 1961 to 2013

2．4 汛期極端降水事件的周期

為進(jìn)一步了解1961—2013年各分區(qū)汛期極端降水事件的周期性變化特征，對各分區(qū)汛期極端降水事件頻次的時(shí)間序列進(jìn)行Morlet小波變換，繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖（圖5）?？梢钥闯觯鞣謪^(qū)汛期極端降水事件頻次的周期性變化均存在多個(gè)時(shí)間尺度特征。陜南存在大、中、小3個(gè)時(shí)間尺度周期。其中，在24～32 a的大時(shí)間尺度上，表現(xiàn)為少—多—少—多4個(gè)階段，1961—1977年、1991—2002年為極端降水相對偏少期，而1978—1990年、2002—2013年為相對偏多期，主周期在28 a左右；1980年代中期以前，有6～10 a的中尺度周期嵌套在大時(shí)間尺度變化中，其后演變?yōu)?5 a左右的周期，表現(xiàn)為4個(gè)階段，2010—2013年為極端降水偏多期；2～3 a的短小周期主要發(fā)生在極端降水事件相對偏多的1980年代。關(guān)中也存在3個(gè)時(shí)間尺度的周期，大時(shí)間尺度周期變化和陜南基本一致，中小尺度周期略有不同，6～10 a的中尺度周期變化一直存在，1980年代后出現(xiàn)3～5 a的小尺度時(shí)間周期。陜北與陜南、關(guān)中完全不同，變化周期存在4個(gè)時(shí)間尺度，在26～30 a的大時(shí)間尺度上，存在多—少—多—少—多5個(gè)階段，1961—1967年、1978—1993年、2005—2013年為相對偏多期，1968—1977年、1994—2004年為相對偏少期，主周期在27 a左右；大時(shí)間尺度內(nèi)嵌套著15～18 a、6～10 a和2～4 a 的3個(gè)中小時(shí)間尺度周期。其中，15～18 a的周期主要發(fā)生在2000年前，之后減弱消失；6～10 a的周期1980年代前不明顯，之后有所加強(qiáng)，2010年后為較多期；2～4 a的周期在1990年代前特征明顯，之后明顯減弱。上述分析表明，無論是大尺度還是嵌套其中的中小尺度變化周期，2010—2013年各分區(qū)汛期極端降水事件都處于增多時(shí)期。

圖5 1961—2013年陜南（上）、關(guān)中（中）及陜北（下）地區(qū)汛期極端降水事件頻次的Morlet小波系數(shù)實(shí)部Fig．5 The real part of Morletwavelet coefficients of extreme precipitation frequency in flood season in southern（the top），certral（themiddle）and northern （the bottom）Shaanxi Province from 1961 to 2013

2．5 汛期極端降水的異常分布特征

對陜西省78個(gè)站1961—2013年汛期極端降水事件頻次進(jìn)行EOF分解，得出前5個(gè)模態(tài)的解釋方差分別為28．5%、9．3%、6．7%、4．9%、4．2%，累積方差貢獻(xiàn)為53．6%，其中，第1—3模態(tài)對方差貢獻(xiàn)率較大，累積方差達(dá)44．5%，較其他模態(tài)顯著，因此下面主要分析前3個(gè)特征向量場的空間結(jié)構(gòu)特征及時(shí)間變化（圖6，圖中實(shí)線為正值區(qū)，虛線為負(fù)值區(qū)）。

圖6 1961—2013年陜西汛期極端降水事件頻次EOF分解前3個(gè)模態(tài)空間分布Fig．6 Spatial distributions of the first threemodes of extreme precipitation frequency in flood season decomposed by EOF in Shaanxi Province from 1961 to 2013

在第1模態(tài)的空間分布上，除陜北北部為負(fù)值區(qū)外，其余地區(qū)全部為正值區(qū)，正值中心在關(guān)中，這種空間異常模態(tài)說明關(guān)中、陜南的汛期極端降水28．5%的情況下受同一大尺度天氣系統(tǒng)影響，變化趨勢基本一致，這一模態(tài)主要是由于陜西獨(dú)特的地形影響造成，即陜西位于青藏高原東北方向，地形復(fù)雜，渭河河谷平原海拔較低，向北地勢持續(xù)上升，西風(fēng)氣流受高原阻擋，北部到達(dá)陜北后容易形成反氣旋，南部進(jìn)入關(guān)中、陜南后容易形成氣旋。第2模態(tài)的空間分布是以秦嶺為分界線，北部為正值，南部為負(fù)值，呈現(xiàn)出南北相反的分布模態(tài)，正值中心在陜北志丹，負(fù)值中心在陜南鎮(zhèn)巴、石泉、寧陜一帶，這種異常模態(tài)與夏季副熱帶高壓（以下簡稱副高）活動(dòng)有關(guān)，當(dāng)夏季副高位置偏南、偏東時(shí)，陜西東南部多雨，西部和北部少雨；當(dāng)夏季副高位置偏北、偏西時(shí)，陜西西部、北部多雨，東南部少雨。第3模態(tài)的空間分布中，關(guān)中為正值區(qū)，負(fù)值區(qū)在陜南和陜北，研究表明［17－18］，這種模態(tài)與東亞季風(fēng)活動(dòng)有關(guān)，西南方向的暖濕氣流輸送和秦巴山脈迎風(fēng)坡的阻擋作用使得渭河河谷平原極端降水異常，呈反位相變化。

圖7為1961—2013年陜西極端降水事件EOF分解的第1時(shí)間系數(shù)序列，數(shù)值大小表示當(dāng)年極端降水事件偏離平均態(tài)的程度，數(shù)據(jù)明顯偏離平均狀態(tài)即可判斷為異常［19］，本文以偏離平均值2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為劃分極端事件異常多（少）的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合EOF分解的空間分布，受第1模態(tài)天氣形勢影響，陜西汛期極端降水異常年份有：2011年和2013年為極端降水異常偏多年，其中2011年正異常尤其突出，是標(biāo)準(zhǔn)差的3．1倍；受第2模態(tài)影響的極端降水異常年份有：1966、1974、1981和1987年，其中1966、1981年為異常多年份，1974、1987年為異常少年份，且1987年異常少較為突出，是標(biāo)準(zhǔn)差的2．3倍，在第2模態(tài)天氣形勢控制下正、負(fù)異常出現(xiàn)概率相同；受第3模態(tài)影響的極端降水異常年份較少，只有1963年表現(xiàn)為負(fù)異常，其值僅為標(biāo)準(zhǔn)差的2倍。

圖7 1961—2013年陜西汛期極端降水事件頻次EOF分解的前3個(gè)模態(tài)時(shí)間系數(shù)Fig．7 The time coefficients of the first threemodes of extreme precipitation frequency in flood season decomposed by EOF in Shaanxi Province from 1961 to 2013

3 結(jié) 論

（1）1961—2013年，陜西汛期極端降水閾值為25．5～57．5 mm·d－1，平均為33．4 mm·d－1，相當(dāng)于大雨量級，空間上以秦嶺為界，以南大部分站點(diǎn)高于平均值，以北低于平均值。

（2）陜西汛期極端降水事件月際變化較為集中，7月最多，占極端事件總次數(shù)的30%，8月次之，5月極端降水事件最少，占總次數(shù)的7%；年際各月中，2011年9月汛期極端降水事件發(fā)生站次最多。

（3）1961—2013年，陜西汛期極端降水事件頻次總體呈微弱增加趨勢，年際變化較大，1975—1981年呈增加趨勢，1982—1993年呈下降趨勢，1993年以后又呈上升趨勢，尤其2008年后上升趨勢明顯，其中，1993年汛期極端降水事件頻次最少，2011年最多；關(guān)中、陜南汛期極端降水事件年及年代際變化和全省變化趨勢基本一致，而陜北年際變化較小，與全省、關(guān)中、陜南差異較大。

（4）1961—2013年，各分區(qū)汛期極端降水事件頻次均存在多時(shí)間尺度特征，陜南、關(guān)中大尺度和中尺度的時(shí)間周期基本一致，主周期24～32 a，次周期6～10 a，而小尺度時(shí)間周期略有不同，陜南只在1980年代出現(xiàn)過2～3 a的周期，關(guān)中一直存在著3 ～5 a的周期；陜北周期振蕩相對較弱，主周期為26 ～30 a，次周期為15～18 a；2010—2013年各分區(qū)汛期極端降水事件都處于增多時(shí)期。

（5）陜西汛期極端降水事件的第1模態(tài)是陜北北部與其他地區(qū)反位相變化，第2模態(tài)是以秦嶺為界的南北反相變化，第3模態(tài)是關(guān)中與陜南、陜北反相變化。第1模態(tài)天氣系統(tǒng)影響下汛期極端降水事件正異常發(fā)生在2011和2013年，2011年正異常尤其突出；第2模態(tài)影響下的極端降水事件正負(fù)異常出現(xiàn)概率相同，1987年負(fù)異常較為突出；第3模態(tài)影響下的極端降水異常事件較少。

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Tem poral and Spatial Characteristics of Extreme Precipitation in Flood Season in Shaanxi Province During 1961－2013

WANGWenyan1，2，WANG Li1，LIGuoping2，LU Yuanping1，TANGWenzhe1

（1．Xi'an Meteorological Bureau of Shaanxi Province，Xi'an 710016，China；2．College of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Based on the daily precipitation data of78 meteorological stations in Shaanxi Province from May to September during 1961－2013，the thresholds of extreme prcipitation in flood season were statistically studied．And on this basis the temporal and spatial characteristics of extreme precipitation in flood season from 1961 to 2013 in Shaanxi Province were analyzed by using linear trend，Morlet wavelet and empirical orthogonal function（EOF）methods．The results are as follows：（1）The thresholds of extreme precipitation in flood season in Shaanxi Province were from 25．5 to 57．5 mm·d－1，the average was 33．4 mm·d－1，and that decreased gradually from the south to the north in space．The thresholds of extreme precipitation in the south of Qinling Mountainswere higher than the average，while that in the north ofQinling Mountainswere less than the average．（2）The frequency ofextreme precipitation in flood season in Shaanxi Province wasmainly located in July，while that in May was the least．The annualand decadal variations of extreme precipitation in flood season were obvious during 1961－2013，and the frequency of extreme precipitation increased from 1965 to 1981，decreased from 1982 to 1993，and increased again after 1993，but appearred a weak increasing trend on the whole．The variation trends of extreme precipitation frequency in central Shaanxi plain and southern Shaanxi during 1961－2013 were consistent with the whole of Shaanxi，while that in northern Shaanxiwas relatively smaller．（3）Thereweremultiple scacle periods for extreme precipitation frequency in flood season during 1961－2013．The large－scale and meso－scale periods of extreme precipitation frequency in southern Shaanxiwere same as the central Shaanxi，were respectively 24－32 a and 6－10 a，but the small－scale periods of them were lightly different，the former was 2－3 a in the 1980s，the latter was 3－5 a throughout．However the periods in northern Shaanxi were different to other areas，the large－scale period was 26－30 a and meso－scale period was 15－18 a．（4）The variations of extreme precipitation in the north of northern Shaanxiwere opposited to other regions under the firstmode of extreme precipitation events，that in the north of Qinling Mountainswere opposited to the south of Qinling Mountains under the secondary spatialmode，and that in central Shaanxi plain were opposited to the north and south of Shaanxiunder the third spatialmode．

extreme precipitation；flood season；Shaanxi；percentilemethod；EOF

1006－7639（2016）－06－0952－06

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0952

P426．6

A

2015－09－29；改回日期：2015－12－14

公益性行業(yè)專項(xiàng)（GYHY201306045）和全國新增千億斤糧食氣象保障工程項(xiàng)目“自動(dòng)土壤水分觀測網(wǎng)保障系統(tǒng)”共同資助

王雯燕（1972－），女，陜西大荔人，高級工程師，主要從事綜合觀測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用研究．E－mail：xawwy＠163．com