新疆近50a極端降水氣候變化研究

張 新

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

新疆近50a極端降水氣候變化研究

張 新

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

利用新疆1961～2010年45個(gè)測站的逐日降水量，采用線性趨勢、M-K突變檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)診斷方法，研究其極端降水的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：北疆地區(qū)和天山山區(qū)極端降水量總體上呈增加趨勢；除南疆地區(qū)外，北疆、天山山區(qū)極端降水量分別于1982年、1990年發(fā)生顯著的上升突變；極端降水量空間分布的區(qū)域差異性顯著，在研究區(qū)西部表現(xiàn)為以天山山區(qū)大值為中心，呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)。

新疆；極端降水；時(shí)空變化；研究

極端降水是標(biāo)志極端天氣氣候變化的重要指標(biāo)之一，研究其時(shí)空分布特征對于正確認(rèn)識全球氣候變暖背景下的極端天氣氣候過程具有重要意義［1］。國內(nèi)外的一些學(xué)者針對不同的極端降水指數(shù)做了大量的研究：Moberg等［2］研究歐洲在1946～1999年間除關(guān)于極端降水指數(shù)——單日最大降水量外，其他極端降水指數(shù)都以正的變化趨勢為主，強(qiáng)降水量隨著總降水量的增多而增加。Goswami等［3］根據(jù)印度中部1871～2003年間不同強(qiáng)度和大小的降水來劃分不同等級的極端降水，結(jié)果表明在全球變暖的環(huán)境背景下，極端降水事件呈顯著的增多趨勢。楊金虎等［4］研究分析表明，極端降水事件在西北東部、華北則表現(xiàn)為減少趨勢，而在西北西部、長江中下游地區(qū)、華南及青藏高原表現(xiàn)為增加趨勢。閔屾［5］等分析了中國極端降水事件的區(qū)域性和持續(xù)性，發(fā)現(xiàn)除新疆以外，東北、華北以及西北等大部分北方地區(qū)極端降水的持續(xù)性和區(qū)域性均較差。劉琳［6］對新疆極端降水事件年內(nèi)非均勻性特征做了研究，發(fā)現(xiàn)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，集中度表現(xiàn)為減弱趨勢，而集中期表現(xiàn)為增加趨勢，極端降水越來越分散。趙勇等［7］研究北疆極端降水事件發(fā)現(xiàn)，極端降水在季節(jié)和空間分布上均存在較大差異，山區(qū)極端降水強(qiáng)度大，平原地區(qū)極端降水頻數(shù)多。

研究區(qū)為新疆維吾爾自治區(qū)全境。從研究現(xiàn)狀來看，針對新疆降水量的研究較多，而對極端降水事件研究較少。隨著全球極端氣候事件發(fā)生頻率增加，針對該區(qū)域內(nèi)某一小尺度地區(qū)的極端降水的研究逐漸增多，而對整個(gè)宏觀區(qū)域的研究較少?？紤]氣候變化的區(qū)域整體性和差異性特征，本文在保持研究區(qū)域完整性前提下，根據(jù)地貌、行政區(qū)域、地理位置不同對研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)，實(shí)現(xiàn)從整體到部分的細(xì)致分析，便于客觀研究新疆極端降水事件時(shí)空分布變化，從而為極端氣候事件的區(qū)域整體性和區(qū)內(nèi)差異性研究提供參考依據(jù)，并為區(qū)域內(nèi)洪澇災(zāi)害重點(diǎn)防治地區(qū)提供參考方向。

1 資料與方法

1.1 降水資料及區(qū)域劃分

采用中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)1961～2010年的逐日降水資料，根據(jù)選定研究區(qū)范圍，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，剔除不在研究區(qū)、長度不夠及因遷移引起數(shù)據(jù)缺失的站點(diǎn)，選取了45個(gè)站點(diǎn)。由于研究區(qū)特殊的地形及影響降水條件的差異，把研究區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域：北疆地區(qū)、天山山區(qū)、南疆地區(qū)。

1.2 處理方法

百分位法：把統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)所有逐日降水量記錄值按升序排列，得到x1，x2，…，xn，選取日降水量值逸0.1mm的子樣本的第90個(gè)百分位的日降水量，作為該站平均極端降水閾值。

該方法可較好地消除地域和季節(jié)因素，使計(jì)算出的極端降水指數(shù)有利于增強(qiáng)少雨地區(qū)的強(qiáng)降水事件變化在時(shí)間變化趨勢和空間分布上的可比性，具有較好的極端性、噪聲低、顯著性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

利用線性趨勢法判斷極端降水量、頻率、強(qiáng)度，年最大日降水量的整體變化情況；滑動(dòng)平均法則是趨勢擬合技術(shù)最基礎(chǔ)的方法，經(jīng)滑動(dòng)平均后，序列中短于滑動(dòng)長度的周期大大削弱，顯現(xiàn)出變化趨勢；采用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)極端降水突變變化，通過顯著性檢驗(yàn)，確定突變時(shí)間。通過小波分析法分析極端降水量的周期變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 年極端降水量的時(shí)間變化趨勢及突變特征

各區(qū)域年極端降水量最大是天山山區(qū)，82.5mm，最少的區(qū)域是南疆地區(qū)，僅38.1mm。分析研究區(qū)各區(qū)域極端降水量的變化趨勢，各區(qū)域的極端降水量都呈上升的趨勢，北疆的極端降水量傾向率為7.2mm/10a，天山山區(qū)的極端降水量傾向率為8.3mm/10a。北疆和天山山區(qū)的極端降水量隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，其7a滑動(dòng)平均表明，這兩個(gè)區(qū)域的極端降水量變化趨勢是在波動(dòng)中上升，天山山區(qū)20世紀(jì)80年代后迅速上升。南疆地區(qū)的極端降水量總體呈現(xiàn)極為微弱的上升趨勢。

通過UFk和UBk曲線的變化趨勢和兩線的交點(diǎn)分析，北疆地區(qū)和天山山區(qū)的極端降水量分別在1982年和1990年發(fā)生顯著突變，均通過顯著性水平0.05的檢驗(yàn)，天山山區(qū)顯著性水平達(dá)到0.01，年極端降水量發(fā)生突變的現(xiàn)象十分顯著；而南疆地區(qū)雖然UFk和UBk曲線與1986年交于一點(diǎn)，但在21世紀(jì)初極端降水量趨于下降（UFk），未通過顯著性水平0.05的檢驗(yàn)，因此該區(qū)域不存在顯著增加的趨勢。

2.2 極端降水的周期分析

揭示氣候要素變化周期特征是深入理解氣候變化過程與規(guī)律，進(jìn)行氣候預(yù)測的基礎(chǔ)科學(xué)問題之一。為進(jìn)一步了解研究區(qū)極端降水的周期變化特征，對近50a極端降水量的標(biāo)準(zhǔn)化序列用Morlet小波分析法研究它的周期。結(jié)果表明：新疆極端降水周期變化明顯，主要存在一個(gè)準(zhǔn)6a周期振蕩，該周期表現(xiàn)較為顯著和穩(wěn)定。在20世紀(jì)80年代中期至90年代中期，極端降水量發(fā)生了最強(qiáng)的振動(dòng)。

2.3 極端降水量的閾值分布

新疆極端降水閾值分布范圍在2.7～12.4mm/ d，平均閾值為6.4mm/d。根據(jù)極端降水量閾值等值線大小的分布來看，高值主要集中在降水量較多的山區(qū)，其中天山山區(qū)，代表站為巴侖臺，其閾值為12.4mm/d；較低的地區(qū)主要分布在降水量最少的吐哈盆地，其他受降水量的影響，閾值差異不大。由此可見，極端降水量的閾值是由降水量決定，極端降水量閾值的設(shè)置又會影響極端降水事件的發(fā)生。因此，合理設(shè)置極端降水量的閾值是很有必要的。

2.4 極端降水量的空間分布特征

新疆年極端降水量的區(qū)域差異十分顯著，在研究區(qū)西部主要以天山山區(qū)大值中心，呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)；研究區(qū)的東部主要是自東南向西北遞減。其中，年極端降水量較大的區(qū)域主要集中在伊犁河谷地區(qū)，天山山區(qū)中西部和準(zhǔn)噶爾西部山地，年極端降水量在100mm以上；年極端降水量較少的區(qū)域主要在南疆地區(qū)，年均極端降水量在20～30mm之間。年極端降水量的空間分布特征與其閾值的分布基本一致，都是山區(qū)較大，但也存在極端降水量的南北差異比閾值明顯的現(xiàn)象。

2.5 極端降水頻率和強(qiáng)度的時(shí)空變化特征

從各區(qū)域極端降水頻率的變化趨勢可以看出，極端降水頻率呈現(xiàn)隨時(shí)間緩慢增加的趨勢。但從區(qū)域差異上來看，增加的程度是不同的。北疆地區(qū)的極端降水頻率（0.63次/10a）增加速度是最迅速的，說明北疆地區(qū)發(fā)生極端降水事件逐漸頻繁；其次是天山山區(qū)（0.45次/10a），增加比較緩慢。各區(qū)域極端降水強(qiáng)度相差不大，最大的天山山區(qū)為13.8mm/次，最小的南疆地區(qū)為10.0mm/次。

從極端降水強(qiáng)度變化趨勢分析，北疆地區(qū)（0.11mm/10a）、天山山區(qū)（0.29mm/10a）、南疆地區(qū)（0.10mm/10a）的極端降水強(qiáng)度都有微弱的上升趨勢。從極端降水頻率和強(qiáng)度趨勢變化的對比分析發(fā)現(xiàn)，各區(qū)域極端降水的頻率和強(qiáng)度不是一致變化的，即極端降水頻率增長速度快的地區(qū)，極端降水強(qiáng)度增長速度不一定快。再結(jié)合各區(qū)域極端降水量的變化趨勢分析，極端降水頻率或強(qiáng)度的增加導(dǎo)致極端降水量的增多。由新疆年極端降水頻率空間分布可知，極端降水頻率的空間分布與極端降水量基本一致，這說明極端降水頻率對極端降水量有重要的影響。極端降水頻率分布有兩個(gè)大值中心，分別是伊犁河谷-天山山區(qū)，代表站點(diǎn)是昭蘇，為13.7d；極端降水頻率分布較小的區(qū)域主要集中在南疆地區(qū)，代表站點(diǎn)是吐魯番，為1.3d，但在南疆地區(qū)西部有一個(gè)較大的區(qū)域中心。

新疆平均極端降水強(qiáng)度為11.2mm/d，由于研究區(qū)地勢起伏大，高山盆地相間，區(qū)域降水空間分布差異顯著，也造成極端降水強(qiáng)度分布的空間差異。在極端降水強(qiáng)度的空間分布中，極端降水強(qiáng)度分布較高的區(qū)域主要在天山山區(qū)中部，較低的區(qū)域主要位于吐哈盆地，代表站點(diǎn)是吐魯番，僅為4.1mm/d。另外，南疆地區(qū)的塔克拉瑪干沙漠的極端降水強(qiáng)度也較低。極端降水頻率大的北疆地區(qū)和天山山區(qū)，其極端降水強(qiáng)度也較大，而極端降水頻率較小的南疆地區(qū)，其極端降水強(qiáng)度卻較大，這說明極端降水強(qiáng)度對南疆地區(qū)極端降水量有一定的影響。

2.6 年最大日降水量的變化特征

年最大日降水量是表征極端降水量其中的一項(xiàng)指標(biāo)，研究它的變化情況也可反映極端降水量的變化規(guī)律。對新疆年最大日降水量趨勢進(jìn)行分析，年最大日降水量傾向率為0.57mm/10a，也呈上升趨勢。年最大日降水量最小是1985年的和田，僅為0.7mm，比多年平均少10mm。通過對年最大日降水量M-K突變檢驗(yàn)分析，年最大日降水量存在較明顯突變特征，具體于1980年發(fā)生顯著變化，UFk曲線顯著上升，通過顯著性水平0.05的檢驗(yàn)。年最大日降水量與各區(qū)域的極端降水量的突變時(shí)間大概一致，均發(fā)生在20世紀(jì)80年代。

3 結(jié)語

3.1 討論

（1）綜合分析新疆1961～2010年極端降水量的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)中北疆地區(qū)、天山山區(qū)極端降水量突變發(fā)生的時(shí)間分別是1982年、1990年，極端降水量顯著增加；南疆地區(qū)的極端降水量上升微弱，突變不顯著。這可能表明區(qū)域內(nèi)干濕變化具有差異性：北疆地區(qū)、天山地區(qū)出現(xiàn)明顯“暖濕”而南疆地區(qū)明顯“暖”而未明顯“濕”?？偟膩碚f，新疆于20世紀(jì)80年代后極端降水量增多，該區(qū)呈現(xiàn)增濕的顯著變化。這種增濕的趨勢對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境、水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)等產(chǎn)生明顯的影響，這種增濕趨勢今后會如何變化，還有待進(jìn)一步深入研究。

（2）新疆關(guān)于極端降水事件的研究更多的是關(guān)注某一區(qū)域的變化特征，對整個(gè)區(qū)域的研究較少。本文進(jìn)行研究區(qū)劃分時(shí)，把新疆區(qū)域分為3個(gè)區(qū)域較為合理，但天山山區(qū)類型多樣，受地形因素的影響，極端降水分布很不均勻，不能精確描述該區(qū)域內(nèi)極端降水的時(shí)空變化特征，因此有必要細(xì)化該地區(qū)的分區(qū)。

3.2 結(jié)論

總體上，新疆各區(qū)域極端降水量呈緩慢上升趨勢。北疆地區(qū)、天山山區(qū)極端降水量顯著增多，而南疆地區(qū)突變并不顯著，這體現(xiàn)了新疆極端降水量的空間差異特征。這種差異性受地形因素影響大，其分布表現(xiàn)以天山山區(qū)為大值中心，北疆地區(qū)大于南疆地區(qū)。本文的研究有助于進(jìn)一步分析新疆“暖濕”變化的區(qū)域差異性特征，并為區(qū)域洪澇災(zāi)害防治重點(diǎn)地區(qū)提供參照依據(jù)。

［1］江志紅，丁裕國，蔡敏.未來極端降水對氣候平均變暖敏感性的蒙特卡羅模擬實(shí)驗(yàn)［J］.氣象學(xué)報(bào)，2009（06）：272-279.

［2］Moberg A，Jones P D，Lister D.Indices for DailyTemperature and Precipitation Extremes in Eu ropeAnalyzed for the Period 1901～2000［J］.Journal ofGeophysical Research：Atmospheres（1984～2012），2006，111（D22）.

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［4］楊金虎，江志紅，王鵬祥.中國年極端降水事件的時(shí)空分布特征［J］.氣候與環(huán)境研究，2008（13）：75-83.

［5］閔屾，錢永甫.中國極端降水事件的區(qū)域性和持續(xù)性研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008（19）：763-771.

［6］劉琳，陳靜.新疆1961～2011年極端降水事件年內(nèi)非均勻性特征［J］.沙漠與綠洲氣象，2013（07）：53-59.

［7］趙勇，黃丹青，朱堅(jiān).北疆極端降水事件的初步分析［J］.沙漠與綠洲氣象，2010（04）：1-5.

P467

A

1008-1305（2017）01-0115-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.035

2016-03-15

張 新（1988年—），男，助理工程師。