1961—2019年陜西省極端旱澇事件的時空演變規(guī)律

李 鳳，李 毅，于 強，彭 艷，姚 寧，馮 浩，宋小燕

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；4.陜西省氣象科學研究所，西安 710016)

在全球氣候變化的背景下，極端降水事件頻發(fā)備受國內(nèi)外研究學者的關(guān)注[1-2]。極端降水事件雖然是小概率事件，但具有突發(fā)性強和危害性大等特點，同時因其所引發(fā)的洪澇、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害對我國經(jīng)濟社會發(fā)展和社會穩(wěn)定造成嚴重影響[3]。IPCC第五次評估報告指出，未來全球會有更多地區(qū)發(fā)生強度更高的降水和干旱等自然災(zāi)害。陜西省是我國西北地區(qū)極端降水事件發(fā)生高風險的區(qū)域之一，每年因極端降水事件造成的平均經(jīng)濟損失高達91.02萬元，在氣象災(zāi)害損失占比中屬最高的一類[4]。受氣候變化和人類活動共同影響，我國西北地區(qū)的暖濕特征越來越顯著，大部分地區(qū)降水量顯著增加，并呈現(xiàn)出年際變化大和空間區(qū)域分布不均衡等特點[5-6]。

近100 a以來，我國年降水量呈現(xiàn)出下降趨勢(-12.66 mm/a)，表現(xiàn)為區(qū)域降水顯著增加或減少的情況在增加，由此導(dǎo)致的洪澇和干旱風險也在增加[7-9]。Li等[10]采用Mann-Kendall趨勢檢驗方法分析研究了黃土高原地區(qū)極端降水和極端溫度時空變化。于淑秋等[11]對西北地區(qū)64個氣象站的降水和溫度數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，1986年前后的溫度和降水發(fā)生了明顯的躍變。李萍云等[12]利用陜西省99個氣象站點2005—2018年的逐小時降水數(shù)據(jù)研究了短時強降水的時空變化，發(fā)現(xiàn)省內(nèi)各區(qū)域的短時強降水差異較大。郭兆夏[13]等在建立陜西省GIS地理因子與降水因子之間關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，陜西省年降水量呈現(xiàn)明顯的空間差異。以往學者往往專注于降水的時空變化研究，本文從極端降水指數(shù)入手分析陜西省近59 a極端降水時空變化特征，為當?shù)匚磥聿渴鸱篮榉篮倒ぷ魈峁┛茖W參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與資料搜集

陜西省位于我國內(nèi)陸腹地，黃河中游地區(qū)[14]。地勢呈現(xiàn)出南北高、中間低的特點。陜西省橫跨了三個氣候帶，陜南、關(guān)中平原以及陜北地區(qū)的氣候具有較明顯的差異，其中降水主要呈現(xiàn)出南多北少的空間格局[15]。

研究資料選用陜西省51個地面氣象站(圖1)1961—2019年的日降水數(shù)據(jù)，日降水量(20—20時)分別來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)和陜西省氣象局(http://sn.cma.gov.cn/)。所有數(shù)據(jù)均通過了嚴格的質(zhì)量控制，缺測的日降水數(shù)據(jù)由附近3個站點的平均值補齊。

圖1 陜西省數(shù)字高程及所選站點分布

1.2 極端降水指數(shù)

研究所選用的6個極端降水指數(shù)由MATLAB2017計算得出。這6個指數(shù)均由氣候變化檢測專家組(ETCCDI)推薦，能夠較為準確地體現(xiàn)極端降水事件的特征。有關(guān)極端降水指數(shù)的定義見表1。

表1 選擇的6個極端降水指數(shù)及定義

1.3 方法

用線性趨勢分析法、森斜率和Mann-Kendall趨勢檢驗法來分析極端降水指數(shù)的趨勢變化規(guī)律。以往的非參數(shù)Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗方法會在顯著性檢驗中出現(xiàn)估計誤差，改進的非參數(shù)Mann-Kendall(MMK)趨勢檢驗方法對這方面計算進行了完善[16]，考慮了序列相關(guān)性對樣本方差的影響，所以趨勢檢驗?zāi)芰Ω鼜?。根?jù)計算得到統(tǒng)計量Z*值，當它為正值時表示時間序列有上升的趨勢，若為負值則表示有下降的趨勢。在5%的顯著性水平下，當Z*的絕對值大于1.96時，則表示時間序列上有顯著地趨勢。根據(jù)計算得到森斜率b值，當它的值為正(負)表示時間序列呈遞增(遞減)趨勢；森斜率值等于零，意味著時間序列沒有趨勢。

2 極端降水指數(shù)時間變化特征

2.1 月際變化

表2為極端降水指數(shù)的月際變化。由表可知：極端降水指數(shù)的月際變化差異較大，DCD從1月到12月主要表現(xiàn)為先減小后增加，并且在7月最小(8.1 d)，1月最大(20.3 d)。其他5個極端降水指數(shù)(DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT)的表現(xiàn)則與DCD相反，即先增加后減少；此外，這5個指數(shù)7—9月的值明顯高于其他月份，1、2和12月的值則明顯小于其他月份，兩個時期對應(yīng)5個指數(shù)的范圍分別為3.0～3.7 d/0.9～1.3 d、3.5～3.8 d/0.02～0.03 d、32.6～42.6 mm/2.6～4.7 mm、32.5～42.6 mm/1.9～3.8 mm、107.6～125.8 mm/4.6～8.5 mm，這說明陜西省夏季各地容易遭受暴雨洪澇災(zāi)害，而冬季則容易出現(xiàn)干旱少雨的情形。

表2 陜西省極端降水指數(shù)的月際變化

2.2 年際和年代際變化

陜西省6個極端降水指數(shù)的年際和年代際變化特征見圖2。從年際變化結(jié)果來看：DCD、DCW、DR10和Rd,max、R95p、RT多年均值分別為38.8、5.8、20.0 d和60.7、167.8、644.3 mm，變化趨勢率分別為-0.14、-0.13、-0.20 d/10 a和1.08、0.39、-3.42 mm/10 a，DCD、DCW、DR10和RT出現(xiàn)下降的趨勢，這表明陜西省的干旱狀況有略微緩解的趨勢，但仍需防范短時強降水的危害；DCD作為代表干旱狀況的指數(shù)，在1999年出現(xiàn)最大值(67.1 d)，同時DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT的值都比較低(4.9 d、17.0 d、57.7 mm、138.5 mm和540.3 mm)，說明這一年屬于極端干旱年[17]；R95和RT在1964年達到最高值(235.7 mm和907.3 mm)，遠遠超過地區(qū)多年平均水平，說明這一年屬于極端濕潤年，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害[18]。

6個極端降水指數(shù)的年代際變化波動幅度較大：DCD從1960—1990年代的變化總體呈現(xiàn)增加趨勢，而后又呈現(xiàn)出下降趨勢，這說明1990年代極端干旱事件較頻繁；DCW與DCD呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為1990年代以前呈下降趨勢，且波動幅度更大， 而1990—2000年代則呈現(xiàn)增加的趨勢。DR10、Rd,max、R95p和RT有著相似的年代際變化特征，即1990年代指數(shù)較低，且后期呈現(xiàn)增高的趨勢；此外，在1970—1980年代4個指數(shù)值較高，說明這個時期洪澇災(zāi)害較頻繁。

3 極端降水指數(shù)空間分布及變化特征

圖3展示1961—2019年極端降水指數(shù)多年平均值的空間分布?？梢钥闯觯篋CD呈現(xiàn)出與其他5個極端降水指數(shù)相反的空間格局，即由南到北增加的趨勢；超過46.0 d的站點均分布在陜北，佳縣最高(60.3 d)。DCW與DCD的空間分布狀況相反，即陜南和關(guān)中地區(qū)較高，超過6.2 d的站點都分布在這里，而陜北地區(qū)較低，主要體現(xiàn)為降水少且比較分散。DR10較高的值分布在陜南山區(qū)，鎮(zhèn)巴站最大(34.2 d)，且DR10由南到北出現(xiàn)均勻遞減的趨勢，這說明陜南地區(qū)的強降水較頻繁，而陜北則較少。Rd,max由南到北大體表現(xiàn)為先減小后增加，關(guān)中地區(qū)部分站點相對較小。值得注意的是，鎮(zhèn)巴站(118.6 mm)明顯高于其他站點，這說明該站點容易遭受短時暴雨洪澇災(zāi)害的影響。R95p的空間分布格局與Rd,max相似，也是鎮(zhèn)巴站最高(390.0 mm)，與Rd,max不同的是陜西最北部地區(qū)的站點較低。RT由南到北呈現(xiàn)遞減趨勢，超過1 000 mm的站點均分布在最南部地區(qū)，而低于440 mm的站點均分布在最北部地區(qū)。

折線為年際變化；曲線為10 a滑動平均的年代際變化；直線為年際變化趨勢。圖2 1961—2019年陜西省極端降水指數(shù)的年際和年代際變化特征

4 極端降水指數(shù)的突變年份和趨勢變化

由森斜率b可以看出，DCD、DCW、DR10和RT均出現(xiàn)了下降的趨勢，而Rd,max和R95p則出現(xiàn)了增加的趨勢，這與其線性趨勢變化完全一致(表3)。除Rd,max以外的5個極端降水指數(shù)均無顯著性趨勢，說明陜西省極端降水的趨勢變化并不顯著。Rd,max具有顯著增加的趨勢(Z*為1.98)，同時其森斜率b也大于其他5個極端降水指數(shù)，這也說明顯著趨勢和森斜率有一定的一致性。

1961—2019年陜西省極端降水指數(shù)的突變檢驗見圖4。從圖中可以看出：6個極端降水指數(shù)均有顯著性變化(|Zm|≥1.96)。DCD、DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT發(fā)生突變的年份分別是1964、1964、1961、1974、2016和1961年，DCD和DCW、DR10和RT分別具有相同的突變年份；DCD、DCW、DR10和RT在突變年份前后先增后減，而Rd,max和R95p在突變年份前后則是先減后增。

根據(jù)各站點6個極端降水指數(shù)的趨勢檢驗結(jié)果(表4和圖5)可知：全省6個極端降水指數(shù)無顯著變化的站點遠多于顯著變化的站點，其中所有站點的DCD值均無顯著變化。從DCD的變化趨勢可見，陜南和關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)不顯著上升或者下降趨勢的站點均勻分布在各處，而陜西中北部大多數(shù)站點呈現(xiàn)出不顯著上升趨勢，陜北地區(qū)大多數(shù)站點則呈現(xiàn)出不顯著下降趨勢。這說明未來陜北有干旱緩解趨勢，同時陜南部分地區(qū)也會面臨干旱的風險。DCW出現(xiàn)顯著下降、不顯著下降趨勢的站點均遠高于顯著上升、不顯著上升的站點，且多集中在關(guān)中地區(qū)。與DCW類似，DR10出現(xiàn)不顯著下降趨勢的站點主要集中在關(guān)中地區(qū)，且唯一一個顯著下降趨勢的站點也在該區(qū)，說明該區(qū)域未來極端降水事件可能呈現(xiàn)緩解的趨勢。Rd,max有4個站點有著顯著上升趨勢，其中3個站點位于陜南山區(qū)，而且該區(qū)域大多數(shù)站點有不顯著上升趨勢。對于原本極端降水事件頻繁的陜南地區(qū)來講，未來暴雨洪澇災(zāi)害的風險將進一步加劇。R95p出現(xiàn)趨勢變化的站點隨機地出現(xiàn)在全省各處，這說明非常濕潤天的降水量的趨勢變化無明顯地區(qū)差異性。RT出現(xiàn)顯著下降和不顯著下降趨勢的站點占多數(shù)，這說明未來省內(nèi)的降水可能會進一步減少，且主要集中在關(guān)中地區(qū)。

圖3 1961—2019年陜西省極端降水指數(shù)多年平均值的空間分布

表3 陜西省6個極端降水指數(shù)使用改進的非參數(shù)MMK檢驗得到的統(tǒng)計量(Z*)以及森斜率(b)

表4 1961—2019年陜西省6個極端降水指數(shù)不同變化趨勢的站點數(shù)量 單位：站

圖4 1961—2019年陜西省極端降水指數(shù)的MMK突變檢驗

圖5 通過MMK趨勢檢驗方法計算的降水指數(shù)變化趨勢的空間分布

5 結(jié)論

(1)陜西省極端降水指數(shù)的月際變化差異較大。其中1、2和12月容易出現(xiàn)極端干旱狀況，而7—9月容易出現(xiàn)極端濕潤狀況；年際和年代際變化主要表現(xiàn)為極端干旱和極端濕潤交替出現(xiàn)，而且1964年和1999年分別對應(yīng)極端濕潤年和極端干旱年，對應(yīng)的DCD、DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT值分別為26.4/67.1 d、6.1/4.9 d、28.2/17.0 d、65.6/57.7 mm、235.7/138.5 mm和907.3/540.3 mm。此外，DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT在1970—1980年代較高，洪澇災(zāi)害影響明顯；相反，這5個指數(shù)在1990年代較小(DCD值較高)，干旱影響明顯，1990年代以后呈增加趨勢。

(2)DCD、DCW、DR10和RT的線性趨勢和森斜率均呈下降趨勢，而Rd,max和R95p呈增加趨勢。

(3)在空間分布方面，DCD、DCW、DR10、Rd,max、R95p和RT多年均值分別為38.8 d、5.8 d、20.0 d、60.7 mm、167.8 mm和644.3 mm。除DCD外，大部分極端降水指數(shù)有著北低南高的分布特征，這說明陜南地區(qū)的極端濕潤事件更頻繁，而陜北地區(qū)的極端干旱事件更頻繁。極端降水事件空間趨勢變化主要反映在陜北有濕潤的趨勢，關(guān)中平原地區(qū)極端降水事件有緩解的趨勢，而陜南地區(qū)則出現(xiàn)區(qū)域加劇和緩解并存的趨勢。