西寧地區(qū)汛期極端降水與不同級別降水的氣候特征分析

張翠花 聶永喜 郝璽英

摘要?利用西寧地區(qū)1961—2017年4個站點的汛期的逐日降水觀測資料，用閾值監(jiān)測的方法，計算出西寧地區(qū)汛期極端降水的閾值，并應(yīng)用氣候線性趨勢、多項式擬合、M-K檢驗和MorLet小波分析法對57年西寧地區(qū)各級雨量和R95極端降水的氣候變化特征進行了分析。結(jié)果表明：（1）1961—2017年西寧地區(qū)汛期（5—9月）降水量增加，增加幅度為6.387?mm/10年，降水日數(shù)減少的趨勢，減少幅度為0.379?mm/10年，相應(yīng)的汛期降水強度加強。（2）汛期極端降水量呈現(xiàn)增加趨勢，增加幅度為2.946?mm/10年，且具有明顯的階段性變化;降水頻次和強度均呈現(xiàn)增加趨勢。從空間來看，西寧地區(qū)極端強降水量、頻次、強度大值區(qū)主要集中在大通和湟中。（3）西寧地區(qū)汛期（5—9月）0.1～9.9?mm的小雨、10.0～24.9?mm的中雨和≥25.0?mm的大-暴雨雨日分別占全部雨日（≥0.1?mm）的83%、14%、3%;不同量級的雨日所產(chǎn)生的降水量分別占總降水量的44%、41%、15%。雖然中雨和大-暴雨出現(xiàn)的日數(shù)所占比例不大，但所產(chǎn)生的降水量比例較大，表明強度增加，降水就更加集中。（4）中雨降水量和R95極端降水量和與年降水量的相關(guān)性均較高，通過了0.001的相關(guān)性檢驗，對年降水量的貢獻很大，有很好的響應(yīng)，而小雨、大-暴雨與年降水量的相關(guān)性相對較差，沒有通過統(tǒng)計學(xué)0.001的相關(guān)性檢驗，說明小雨和大-暴雨對年降水量的貢獻并不顯著。（5）進入21世紀(jì)以來，極端強降水引發(fā)的災(zāi)害頻次增多、強度加重，受到的經(jīng)濟損失也隨之加大，降水趨于極端化的趨勢使防汛形勢日益嚴(yán)峻。

關(guān)鍵詞?西寧地區(qū);汛期極端強降水;氣候特征

中圖分類號：P468.0+24?文獻標(biāo)識碼：A?文章編號：2095-3305（2020）03-074-05

DOI：?10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.032

近年來，隨著氣候變化，極端事件尤其是夏季極端降水事件的頻發(fā)，引起了各部門廣泛關(guān)注，各界學(xué)者進行了大量的研究分析。楊金虎等[1]在研究中國年極端降水事件的時空分布特征中發(fā)現(xiàn)，中國年極端降水事件的時間變化存在明顯的區(qū)域性差異;唐紅玉等[2]對中國極端降水的研究表明，全國總降水量變化趨勢不明顯，但降水強度在增強。雖然極端事件發(fā)生的概率小，但突發(fā)性強，造成的損失大。中國學(xué)者研究表明，中國的極端降水值、極端降水平均強度和頻數(shù)都在增多[3]。近50年來，中國西北地區(qū)降水以強降水為主，較強以上強度的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的5%，但其降水量占總降水量的75%[4-8]。西寧地處西北、屬東部農(nóng)業(yè)區(qū)，地形復(fù)雜，地表植被稀疏，降水主要集中在汛期（5—9月），占全年總降水的60%以上。因此，夏季的極端強降水給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作造成了嚴(yán)重影響，更為短時強降水的氣象服務(wù)帶來了挑戰(zhàn)。鑒此，文中分析了西寧地區(qū)極端降水及不同級別的降水特征，旨在為極端強降水引發(fā)的洪水、滑坡及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害提供更好地氣象服務(wù)。

1?資料與方法

1.1?資料來源

選取1961—2017年西寧地區(qū)（西寧市、湟中縣、大通縣、湟源縣）4個臺站的汛期（5—9月）逐日降水資料，對其進行質(zhì)量控制和均一性檢驗，以確保各站點日降水資料的準(zhǔn)確和可靠。

1.2?研究方法

1.2.1?極端強降水事件?利用西寧地區(qū)（西寧、湟中、大通、湟源）4個國家氣象站1961—2017年的日降水序列，采用百分位法定義每個站點極端降水的閾值，具體做法是：將1961—2017年逐年的日降水量（≥0.1?mm）序列由小到大排列，取其第95個百分位數(shù)的57年平均值定義為極端降水事件的閾值，當(dāng)某站某日降水量超過這個閾值時，就記為一次極端降水事件[9-10]，具體參照Bonsal的計算方法，如下：如果某個氣象要素有n個值，將這n個值按升序排列x1，x2，…，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為某個氣象要素值的個數(shù)。第95個百分位值是指P=95%所對應(yīng)的xm值。

研究采用4個極端強降水指數(shù)，分別是極端強降水量、極端強降水頻次、極端強降水強度以及極端強降水比重，具體定義見表1。

1.2.2?不同級別降水?根據(jù)氣象降水量級規(guī)定，日降水量0.1～9.9?mm為小雨，10.0～24.9?mm為中雨，≥25.0?mm為大-暴雨。在確定了極端降水事件閾值和不同級別降水的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計出近?57年西寧地區(qū)4個站點逐年不同量級降水日數(shù)和極端降水事件數(shù)據(jù)，并建立57年的時間序列，然后通過降水要素傾向率計算各級降水和R95極端降水的變化情況;用多項式擬合的方法分析各級降水量和R95極端降水量與年降水總量之間的相關(guān)關(guān)系;用MannKendal法對R95極端降水事件的突變進行分析，用滑動t檢驗法對突變點進行檢驗;用Morlet小波分析法分析近57年西寧地區(qū)R95極端降水的周期變化。

2?結(jié)果與分析

2.1?極端降水事件的變化特征

2.1.1?汛期降水量、降水日數(shù)的變化?1961—2017年西寧地區(qū)汛期（5—9月）降水量呈增加趨勢，增加率為6.38?mm/10年，汛期降水量最大值出現(xiàn)在1967年，降水量為565.7?mm，而最小降水量出現(xiàn)在1991年，降水量為260.3?mm（圖1a）;汛期平均降水日數(shù)為76?d，整體呈現(xiàn)微弱減少趨勢，但減少的不明顯，降水日數(shù)最大與最小值相差31?d（圖1b）。通過分析，1961—2017年西寧地區(qū)汛期降水量呈增加趨勢，降水日數(shù)呈減少趨勢，降水強度增大。

2.1.2?極端降水事件的氣候特征?極端降水事件從汛期極端降水量、頻次、強度及強降水量占汛期降水量比重等指標(biāo)來分析。

1961—2017年西寧地區(qū)汛期極端降水量增加，增加幅度為2.946?mm/10年，且具有明顯的階段性變化，90年代以后極端降水量增多趨勢較明顯（圖2a）;極端強降水頻次呈微弱增多趨勢，速率為0.06?d/10年，增多趨勢不明顯（圖2b）。近57年，極端降水強度也呈加強趨勢，尤其在近10年較為明顯，2008—2017年極端降水強度達到1.797?mm/d，較常年偏多1.6?mm/d（圖2c）。同時，1961—2017年平均極端降水量對汛期總降水量的貢獻率為33%，汛期極端降水對汛期降水的貢獻變化不明顯（圖2d）。從以上分析可以看出，在當(dāng)?shù)貧夂蜃兓谋尘跋拢雌跇O端降水量、降水頻次和強度均呈現(xiàn)增加趨勢，尤其是近年來增加的較為明顯。

從空間來看，西寧地區(qū)極端強降水量、頻次、強度大值區(qū)主要集中在北部的大通、中西部的湟中，年平均極端降水量為150?mm左右，頻次為6次、強度為24?mm/d，而東部的西寧市區(qū)、西部的湟源相對偏小（表2）。而從變化趨勢來看，湟中極端降水量和降水日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，平均每10年減少0.6?mm，其余地方均呈現(xiàn)增多趨勢，大通和湟源增多的較明顯，平均每10年分別增多8.4?mm和2.9?mm。

2.1.3?極端降水事件的氣候突變性?西寧地區(qū)汛期極端降水是否也存在氣候突變，有必要對其變化程度進行突變檢驗。檢驗結(jié)果表明：西寧地區(qū)極端降水量和降水日數(shù)均在20世紀(jì)60年代中期前呈顯減少趨勢，之后逐年增多。極端降水在1961—2017年期間沒有發(fā)生氣候突變現(xiàn)象，只是存在年際間的振蕩（圖3）。

2.1.4?極端降水周期變化特征?通過對西寧地區(qū)極端降水量平均值進行Morlet小波分析，結(jié)果顯示20世紀(jì)80年代中期前存在9年左右的周期，但不顯著，而之后存在4—5年左右的周期振蕩較顯著（圖4）。

2.2?不同級別的降水氣候變化特征

1961—2017年西寧地區(qū)汛期不同級別的降水變化如圖5所示：出現(xiàn)小雨的降水日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢外，其他等級的平降水日數(shù)和降水量均呈增加趨勢。小雨降水出現(xiàn)的日數(shù)速率為每10年減少3.2?d，而中雨和大-暴雨的降水日數(shù)速率分別為每10年增加1.5和0.1?d，且中雨增加的尤為明顯，通過了0.10的顯著性檢驗。統(tǒng)計表明，西寧地區(qū)汛期0.1～9.9?mm的小雨、10.0～24.9?mm的中雨和≥25?mm的大-暴雨雨日分別占全部雨日（≥0.1mm）的83%、14%、3%，降水量分別占總降水量的44%、41%、15%。雖然中雨和大-暴雨出現(xiàn)的日數(shù)所占比例不大，但所產(chǎn)生的降水量比例較大，表明強度就增加，降水就更加集中。

從地域情況來看，湟中和大通出現(xiàn)大-暴雨的次數(shù)相對較多，1961—2017年汛期總共出現(xiàn)121和107次，平均每年出現(xiàn)2次，比其他地方多1倍，而西寧市區(qū)和湟源地區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)相對較少。

由此可見，西寧地區(qū)降水以小-中雨為主，大-暴雨降水出現(xiàn)的幾率非常小，但局部范圍內(nèi)時常會出現(xiàn)，而且強度也是增加的，大-暴雨平均每年出現(xiàn)2次，1961年西寧地區(qū)總共出現(xiàn)大-暴雨20次，平均每個站出現(xiàn)5次，是歷年來大-暴雨出現(xiàn)最多的年份，平均每次降水量達40?mm。20世紀(jì)60年代和90年代大-暴雨出現(xiàn)的較頻繁，平均每年出現(xiàn)7～8次，比57年平均每年出現(xiàn)次數(shù)多5～6次。

2.3?不同量級降水和R95極端降水量與年降水總量之間的關(guān)系

為了進步驗證不同量級降水和R95極端降水量與年降水總量之間的相關(guān)關(guān)系，繪制出了不同量級降水和R95極端降水量與年降水總量之間的散點圖（圖6）。通過分析可知，小雨、中雨、大-暴雨量和R95極端降水量與年降水量之間均呈正相關(guān)，通過最小二乘法得到的線性擬合方程分別為y=0.145?4x+98.42、y=0.474?2x-60.26、y=0.212?4x-42.21、y=0.410?1x-57.4，相關(guān)系數(shù)分別為0.427?4、0.698?4、0.344?4及0.659?8，可見，中雨降水量和R95極端降水量和與年降水量的相關(guān)性都比較高，通過了0.001的相關(guān)性檢驗，對年降水量的貢獻很大，有很好的響應(yīng)，而小雨、大-暴雨與年降水量的相關(guān)性相對比較差，沒有通過統(tǒng)計學(xué)0.001的相關(guān)性檢驗，說明小雨和大-暴雨對年降水量的貢獻并不顯著。

2.4?汛期極端強降水事件對災(zāi)害的影響評估

極端氣候事件頻率和強度的變化會對社會經(jīng)濟和人民群眾生命財產(chǎn)安全帶來較大的影響。汛期極端強降水事件對災(zāi)害的影響主要包括對對泥石流災(zāi)害的影響和對洪澇災(zāi)害的影響。隨著氣候變暖，氣候極端事件特征也出現(xiàn)了明顯變化，1961—2017年汛期，西寧地區(qū)降水量增加，尤其進入21世紀(jì)以來，極端強降水引發(fā)的災(zāi)害頻次增多、強度加重，受到的經(jīng)濟損失也隨之加大。7月中旬至8月中旬是極端強降水的多發(fā)期，暴雨極端強降水多發(fā)，洪水頻發(fā)、引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

據(jù)統(tǒng)計，自20世紀(jì)90年代以來，汛期強降水處于多發(fā)期，導(dǎo)致暴雨洪水發(fā)生的趨勢上升（圖7）。20世紀(jì)80年代以來西寧地區(qū)發(fā)生強降水引發(fā)的暴雨洪澇災(zāi)害100多次，其中湟中、大通各30次，湟源、西寧各20次，死亡人口87人，直接經(jīng)濟損失達48?996.19萬元。其中90年代26次，經(jīng)濟損失7?353.92萬元;2000—2009年49次，經(jīng)濟損失1?541.63萬元;2010年之后27次，經(jīng)濟損失40?098.64萬元。尤其是在2003—2013年的10年期間共發(fā)生61次暴雨洪災(zāi)，是進入21世紀(jì)以來西寧地區(qū)暴雨災(zāi)害頻發(fā)的10年，其中僅2007年西寧地區(qū)發(fā)生暴雨災(zāi)害15次，是暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生最多的一年，如2007年湟中縣連續(xù)9?d出現(xiàn)了強陣性天氣過程，由于降水過多，山體土質(zhì)松軟，發(fā)生山體滑坡、泥石流衍生氣象災(zāi)害，致使2人死亡;2010年7月6日湟源暴雨洪澇災(zāi)害，造成湟源直接經(jīng)濟損失大2.25億，死亡13人;2016年8月18日短時強降水引發(fā)的暴雨洪澇災(zāi)害造成湟源9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、西寧轄區(qū)13個村6個農(nóng)業(yè)基地受災(zāi)，1?h降水量達52.4?mm，直接經(jīng)濟損失達9千多萬元。隨著全球變暖，因強降水和極端降水引發(fā)的洪災(zāi)危害仍將持續(xù)。

從以上分析可以看出，在氣候變暖的背景下，雖然汛期強降水量增加的幅度不明顯，但強降水頻次和強度明顯增加，降水趨于極端化的趨勢使防汛形勢日益嚴(yán)峻。

3?結(jié)論

（1）1961—2017年西寧地區(qū)汛期（5—9月）降水量增加，增加幅度為6.387?mm/10年，降水日數(shù)呈減少的趨勢，減少幅度為0.379?mm/10年，相應(yīng)的汛期降水強度加強。

（2）汛期極端強降水量呈現(xiàn)增加趨勢，增加幅度為2.946?mm/10年，且具有明顯的階段性變化;降水頻次和強度均呈現(xiàn)增加趨勢。從空間來看，西寧地區(qū)極端強降水量、頻次、強度大值區(qū)主要集中在大通和湟中。

（3）西寧地區(qū)汛期0.1～9.9?mm的小雨、10.0～24.9?mm的中雨和≥25?mm的大-暴雨雨日分別占全部雨日（≥0.1?mm）的83%、14%、3%;不同量級的雨日所產(chǎn)生的降水量分別占總降水量的44%、41%、15%。雖然中雨和大-暴雨出現(xiàn)的日數(shù)所占比例不大，但所產(chǎn)生的降水量比重較大，表明強度增加，降水就更加集中。

（4）中雨、R95極端降水量和與年降水量的相關(guān)性都比較高，通過了0.001的相關(guān)性檢驗，對年降水量的貢獻很大，有很好的響應(yīng)，而小雨、大-暴雨與年降水量的相關(guān)性相對比較低，未通過統(tǒng)計學(xué)0.001的相關(guān)性檢驗，說明小雨和大-暴雨對年降水量的貢獻并不顯著。

（5）進入21世紀(jì)以來，極端強降水引發(fā)的災(zāi)害頻次增多、強度加重，受到的經(jīng)濟損失也隨之加大，降水趨于極端化的趨勢使防汛形勢日益嚴(yán)峻。

參考文獻

[1]?楊金虎，江志紅，王鵬祥，等.中國年極端降水事件的時空分布特征[J].氣候與環(huán)境研究，2008，13（11）：75-83.

[2]?唐紅玉，翟盤茂，王振宇.1955—2002年中國平均最高，最低氣溫及其日較差變化[J].氣候與環(huán)境研究，2005，10（4）：728-735.

[3]?楊東，程軍奇，李小亞，等.甘肅黃土高原各級降水和極端降水時空分布特征[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2012，21（9）：1539-1547.

[4]?陳冬冬，戴永久.近五十年我國西北地區(qū)降水強度變化特征[J].大氣科學(xué)，2009，33（5）：923-935.

[5]?王志福，錢永甫.中國極端降水事件的頻數(shù)和強度特征[J].水科學(xué)進展，2009，20（1）：1-8.

[6]?趙慶云，張武，王式功，等.西北地區(qū)東部干旱半干旱區(qū)極端降水事件的變化[J].中國沙漠，2005，25（6）：904-909.

[7]?楊金虎，江志紅，楊啟國，等.中國西北汛期極端降水事件分析[J].中國沙漠，2007，27（2）：320-325.

[8]?楊金虎，江志紅，王鵬祥，等.中國西北極端降水事件年內(nèi)非均勻性特征分析[J].中國沙漠，2008，28（1）：78-84.

[9]?王興梅，張勃，戴聲佩，等.甘肅省黃土高原區(qū)夏季極端降水的時空特征[J].中國沙漠，2011，31（1）：223-229.

[10]?蘇布達，姜彤，任國玉，等.長江流域1960—2004年極端強降水時空變化趨勢[J].氣候變化研究進展，2006，2（1）：9-14.

責(zé)任編輯：黃艷飛