1951—2015年太原市極端降水事件變化特征研究

趙德一，鈔錦龍，顏 鈺，韓源源，馬義娟，吳林棟

（1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院 山西 晉中030619，2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 北京100875，3.山西省氣象信息中心 山西 太原030600）

IPCC第五次報(bào)告指出，全球地表平均溫度在1880—2012年大約上升了0.85℃，1983-2012年是過去1 400年來最熱的30年［1］.在全球變暖背景下，極端氣候事件日益頻發(fā)，給社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生產(chǎn)生活等各個(gè)方面都帶來了重大的影響［2-3］.其中極端降水對(duì)氣候變暖的響應(yīng)較為明顯，相關(guān)研究表明，氣溫上升1℃，全球絕大多數(shù)區(qū)域的絕大部分極端降水事件在強(qiáng)度上將增加3%～15%［4］.

中國(guó)不同區(qū)域受其所處緯度及海陸位置、地形因素以及季風(fēng)等因素的影響，極端降水具有明顯的區(qū)域性特點(diǎn).尤其是隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，區(qū)域經(jīng)濟(jì)受極端降水事件影響強(qiáng)度加大，人們對(duì)極端降水的關(guān)注及研究也越來越多.綜合研究結(jié)果顯示：華北、西北和長(zhǎng)江流域極端降水表征呈增加趨勢(shì)，北方以及黃河流域則出現(xiàn)減少趨勢(shì)［5］.Xu、武文博等［6-7］研究不同時(shí)間尺度的中國(guó)多雨區(qū)極端降水事件和大氣環(huán)流影響因子，相較于東部濕潤(rùn)地區(qū)，半干旱、干旱區(qū)的研究較少；王炳欽等［8］研究認(rèn)為近50a北方半干旱區(qū)極端降水指數(shù)與總降水量均呈下降趨勢(shì)，且二者存在顯著的正相關(guān)性；梁豐等［9］研究發(fā)現(xiàn)近53a夏季連續(xù)干旱日數(shù)在東北大部都呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率達(dá)到0.45d·／10a，而連續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)在東北南部地區(qū)表現(xiàn)出一定的減少趨勢(shì)；李奇虎等［10］研究西北干旱區(qū)，認(rèn)為51a來西北干旱區(qū)濕潤(rùn)日數(shù)減少而降水總量增加，主要是由于強(qiáng)降水日數(shù)增加造成的；錢莉等［11］發(fā)現(xiàn)河西走廊東部年平均暴雨日數(shù)為1.2d／a，多為局地暴雨，暴雨日數(shù)時(shí)空分布差異大，從南向北、從東向西暴雨日數(shù)迅速遞減；趙雪雁等［12］研究發(fā)現(xiàn)青藏高原東部夏半年強(qiáng)降水事件在7月出現(xiàn)的頻次最多，以持續(xù)1d的單站暴雨為主，強(qiáng)降水量和頻次在近50a呈弱增長(zhǎng)趨勢(shì)；慈暉等［13］認(rèn)為無論從平均降水量還是極端降水量來看，新疆1961—2016年表現(xiàn)出濕潤(rùn)化趨勢(shì)；任景全等［14］利用線性傾向估計(jì)、小波分析等方法得出吉林省1961年以來連續(xù)無雨日指標(biāo)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)且空間尺度上隨著經(jīng)度和海拔的升高逐漸下降，而其他極端降水指標(biāo)趨勢(shì)相反；王懷軍等［15］研究了淮河流域極端氣候事件，得出1960—2014年該流域總降水量和強(qiáng)降水日數(shù)有下降趨勢(shì)；汪成博、鄭江禹等［16-17］研究了1970年以來漢江流域極端降水事件在不同時(shí)間、空間尺度上表現(xiàn)分布不均的特點(diǎn)，1952—2013年珠江流域極端降水情況為雨季及年際間分布較均，但旱季年際間差異較大；馬佳寧等［18］發(fā)現(xiàn)黃河上游流域極端降水變化趨勢(shì)與全國(guó)一致且存在周期振蕩特征.綜上所述，全國(guó)不同區(qū)域極端降水事件在時(shí)間尺度上差異性顯著，但在空間上具有相似性規(guī)律.

太原市位于黃土高原半干旱區(qū)，屬于氣候和生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，受到東亞季風(fēng)和西風(fēng)的雙重影響，對(duì)氣候響應(yīng)更為敏感，是理應(yīng)受到學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域.極端降水區(qū)域特征顯著［19-20］，以往研究多為關(guān)注行省范圍，而地級(jí)市小區(qū)域范圍研究較少且山西省極端氣候研究也尚且不足，因此本研究基于太原市1951—2015年極端降水資料，選用8種指標(biāo)對(duì)太原市近65a來的極端降水事件進(jìn)行綜合分析，以期為完善太原市極端氣候相關(guān)研究、城市人居環(huán)境狀況以及城市防災(zāi)減災(zāi)提供參考和依據(jù).

1 研究區(qū)概況

太原市地理坐標(biāo)為111°30′E—113°09′E，37°27′N—38°25′N.地形輪廓呈簸箕形，西、北、東三面環(huán)山，中南部是汾河谷地，地勢(shì)北高南低，平均海拔約800m.黃河第二大支流汾河由北向南橫貫全市，流經(jīng)境內(nèi)約100km.太原由于其地形復(fù)雜多樣，海拔整體偏高，海洋對(duì)該地的影響較小，形成了北溫帶大陸性氣候.氣候特征為四季分明，夏秋兩季降水集中，冬春兩季旱且多風(fēng)，日照充足，晝夜溫差較大.

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

選用的極端氣候數(shù)據(jù)均來自“中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”（http：／／data.cma.cn／）提供的1951—2015年山西省太原市氣象站的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用8個(gè)極端氣候指標(biāo)進(jìn)行衡量，主要使用趨勢(shì)分析法進(jìn)行分析，其中使用線性傾向率分析年際變化趨勢(shì)，顯著性檢驗(yàn)水平使用α值為0.1、0.05和0.01，根據(jù)n階多項(xiàng)式擬合的曲線分析年代際變化趨勢(shì)，使用篩選最值和極值來分析極端氣候數(shù)據(jù)的不規(guī)則變動(dòng).

2.2 極端氣候指標(biāo)定義

根據(jù)任國(guó)玉等［21］的相關(guān)研究，參考其對(duì)極端氣候指數(shù)的定義，結(jié)合太原市的氣候特征，選擇以下極端氣候指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體定量如下：

無降水天數(shù)：年內(nèi)日降水量為0mm的天數(shù).其中，統(tǒng)計(jì)天數(shù)內(nèi)不包含無效數(shù)據(jù).

有效降水間隔頻數(shù)：年內(nèi)大于等于極端間隔閾值下限的頻數(shù).篩選65a內(nèi)日降水量大于等于有效降水的日期，統(tǒng)計(jì)65a每次有效降水事件與后一次有效降水事件的間隔日數(shù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排序（升序），并選取第90個(gè)百分位作為有效降水極端間隔頻數(shù)的閾值下限，為22d，即三個(gè)禮拜無有效降水，視為一次極端干旱事件發(fā)生.其中，有效降水量的統(tǒng)計(jì)下限為3mm.

有效降水間隔：統(tǒng)計(jì)65a每2次有效降水發(fā)生日的時(shí)間間隔.其中篩選24h有效降水量大于等于3mm的日期，降水間隔計(jì)算與后一次有效降水的間隔的年最大值.

極端降水量：24h降水量達(dá)到25mm及以上，視為一次極端降水事件發(fā)生.

極端降水總量：年內(nèi)出現(xiàn)每一次極端降水事件的降水量總和.

極端降水頻數(shù)：年內(nèi)出現(xiàn)每一次極端降水事件的頻數(shù).

最大降水量：年內(nèi)極端降水事件中的最大值.

最大降水量出現(xiàn)日期：年內(nèi)極端降水事件最大值出現(xiàn)的日期.若年內(nèi)出現(xiàn)1個(gè)以上的最大值，選取最早出現(xiàn)的日期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 無降水天數(shù)變化趨勢(shì)

圖1為1951—2015年太原市無降水天數(shù)變化趨勢(shì).從年際變化上看，近65a來，太原市無降水天數(shù)總體呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，速率為5.5d／10a，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平.從年代際變化上看，20世紀(jì)50年代初至60年代中后期，太原市無降水天數(shù)的年際變化呈劇烈波動(dòng)趨勢(shì)，連續(xù)2a最大波動(dòng)達(dá)57d；20世紀(jì)60年代中后期至70年代中期，太原市無降水天數(shù)的年際變化呈平穩(wěn)波動(dòng)趨勢(shì)，上下最大波動(dòng)不超過20d；20世紀(jì)70年代中期至80年代初的無降水天數(shù)并無波動(dòng)，6a持續(xù)增加了43d；20世紀(jì)80年代初至今，無降水天數(shù)明顯增多，高出多年平均值的年份占46.2%，其中1991—2000年的年際波動(dòng)也相對(duì)穩(wěn)定，上下最大波動(dòng)21d.綜上，1951—2015年太原市無降水天數(shù)的年代際變化經(jīng)歷了“劇烈波動(dòng)—平穩(wěn)波動(dòng)—持續(xù)上升—平穩(wěn)波動(dòng)—緩慢波動(dòng)”的趨勢(shì).

圖1 1951—2015年太原市無降水天數(shù)變化趨勢(shì)

3.2 有效降水間隔頻數(shù)變化趨勢(shì)

太原市1951—2015年中大于等于3mm的有效降水共篩選出2 040個(gè)數(shù)據(jù)，為了統(tǒng)計(jì)方便，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排序（升序），取第90個(gè)百分位值作為統(tǒng)計(jì)下限，間隔為22d，即三周無有效降水時(shí)作為極端降水事件的發(fā)生下界.

圖2為1951—2015年太原市有效降水極端間隔頻數(shù)年際變化.從年際變化上看，近65a太原市有效降水極端間隔頻數(shù)呈增加趨勢(shì)，年際傾向率為0.2d／10a，達(dá)到了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)水平.從年代際變化上看，根據(jù)5a滑動(dòng)平均曲線，可將其分為5個(gè)階段：1963年之前有效降水間隔頻數(shù)相對(duì)偏低；1963—1968年極端間隔頻數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)增加趨勢(shì)；1968—1984年極端間隔頻數(shù)呈現(xiàn)出有降低趨勢(shì)；1984—2009年極端間隔頻數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)增多趨勢(shì)，且速率有所增加；2011年至今極端間隔頻數(shù)呈現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì).其中，近65a太原市有效降水極端間隔頻數(shù)的最大值為6次，共有4個(gè)年份出現(xiàn)，分布在后30a；最小值為1次，共有6個(gè)年份出現(xiàn)，分布在前35a.

圖2 1951—2015年太原市有效降水間隔頻數(shù)變化趨勢(shì)

3.3 有效降水間隔年內(nèi)最大值變化趨勢(shì)

圖3 為1951—2015年太原市有效降水間隔年內(nèi)最大值變化趨勢(shì).從年際變化上看，近65a來，太原市有效降水間隔日數(shù)年內(nèi)最大值呈現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)，年際傾向率為-9.3d／10a，達(dá)到α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平.從年代際變化上看，20世紀(jì)50年代初至60年代初，間隔日數(shù)相對(duì)偏低；20世紀(jì)60年代初至70年代末，間隔日數(shù)呈現(xiàn)出先明顯增加后穩(wěn)定波動(dòng)的趨勢(shì)；20世紀(jì)70年代末至今，間隔日數(shù)呈現(xiàn)出先持續(xù)下降后劇烈波動(dòng)的趨勢(shì).其中，多年最大值出現(xiàn)在1967年為192d，多年最小值出現(xiàn)在2002年為36d.此外僅討論有效降水間隔大于100d的頻數(shù)，1986年之前均為一年單值，1986年起開始出現(xiàn)一年零值的狀況，以1988—1993年較為顯著，年內(nèi)無100d以上間隔日數(shù)的年份共有13個(gè).

圖3 1951—2015年太原市有效降水間隔年內(nèi)最大值變化趨勢(shì)

3.4 有效降水首末次日期變化規(guī)律

圖4 是年內(nèi)首末次有效降水出現(xiàn)日期變化趨勢(shì)圖.由圖得出，近65a太原市有效降水間隔日數(shù)年內(nèi)最大值變化趨勢(shì)從穩(wěn)定波動(dòng)到劇烈變化，間隔日數(shù)從略有增多到明顯減少，與年內(nèi)首末次降水出現(xiàn)日期有很大的相關(guān)性.近65a來太原市首次有效降水出現(xiàn)日期提前趨勢(shì)十分明顯，年際傾向率為-7.6d／10a，降水日期從第115天下降到第45天的趨勢(shì)（4月中旬—2月中旬左右），且出現(xiàn)日期跨度較大，從第6天—第125天（1月初—5月初左右）均有分布；近65a來太原市末次有效降水出現(xiàn)日期有推后趨勢(shì)，年際傾向率為1.7d／10a，末次有效降水日期從第305天上升到第315天的趨勢(shì)，其出現(xiàn)日期跨度較小，從第269天至第358天（9月末至12月末左右）均有分布.

圖4 1951—2015年太原市首次（a）、末次（b）有效降水出現(xiàn)時(shí)間變化趨勢(shì)

3.5 極端日降水量變化趨勢(shì)

圖5 為1951—2015年太原市極端日降水量年際變化趨勢(shì).從年際變化上看，近65a太原市極端日降水量年際變化呈略微增多趨勢(shì)，年際傾向率為3mm／10a.根據(jù)5a滑動(dòng)平均曲線，1951—1960、1976—1993年之間太原極端日降水滑動(dòng)曲線圍繞多年降水平均值上下波動(dòng)，極端日降水量年際變化較為平穩(wěn)；而1961—1969、1994—1998、2006—2015年間，極端日降水量曲線明顯高于多年平均值，此時(shí)段降水量偏多；1969—1977、1999—2006年間極端日降水量滑動(dòng)曲線明顯低于多年平均值，此時(shí)段極端日降水量偏低.太原市極端降水量的多年平均值為144.37mm，高于多年平均值的年份有30個(gè)，低于的有35個(gè).其中近65a太原市極端降水量最大值為387.3mm，出現(xiàn)在2009年，無極端降水量的年份有2個(gè)，分別是1972年和1974年.

圖5 1951—2015年太原市極端日降水量變化趨勢(shì)

3.6 極端降水頻數(shù)變化趨勢(shì)

圖6 為1951—2015年大原市極端降水頻數(shù)年際變化趨勢(shì).從年際變化來看，近65a太原市極端降水出現(xiàn)的頻數(shù)變化穩(wěn)定，年際傾向率為正值.從年代際變化上看，5a滑動(dòng)平均曲線呈現(xiàn)凸凹分布的特征，表征太原市極端降水頻數(shù)出現(xiàn)高—低相間分布的特點(diǎn).太原市極端降水頻數(shù)的年平均值為3.7d，高于平均值的年份有30個(gè)，低于的有35個(gè).其中，1988年和2009年均出現(xiàn)近65a太原市極端降水頻數(shù)的最大值9次，1972年出現(xiàn)最小值0次.

圖6 1951—2015年太原市極端降水頻數(shù)變化趨勢(shì)

3.7 最大降水量的變化趨勢(shì)及出現(xiàn)日期變化

圖7 為1951—2015年太原市日最大降水量及其出現(xiàn)日期變化趨勢(shì).從年際變化上看，近65a來太原市日最大降水量變化不大，呈略微減少趨勢(shì)，其出現(xiàn)日期呈現(xiàn)出略微提前趨勢(shì)，年際波動(dòng)趨于穩(wěn)定，有向第210天到第220天（8月初）集中的趨勢(shì).從年代際變化上看，20世紀(jì)50年代初至70年代中期，日最大降水量年際波動(dòng)較大，呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，其出現(xiàn)日期呈現(xiàn)出向后推移的趨勢(shì)；20世紀(jì)70年代中期至90年代中期，日最大降水量波動(dòng)穩(wěn)定，且年際傾向不明顯，其出現(xiàn)日期年際波動(dòng)較大，整體呈現(xiàn)出從向前到向后的推移趨勢(shì)；20世紀(jì)90年代中期至今，日最大降水量呈現(xiàn)出先增多后減少趨勢(shì)，其出現(xiàn)日期略微推后.其中，近65a太原市日最大降水量的最大值出現(xiàn)在1969年達(dá)183.5mm，最小值出現(xiàn)在1972年達(dá)20.1mm；日最大降水量的出現(xiàn)日期最早出現(xiàn)在1970年的5月8日，最晚出現(xiàn)在1968年的10月6日.綜上，我們可以得出，1951—2015年太原市日最大降水量年際變化趨于穩(wěn)定，呈略微增多趨勢(shì)；日最大降水量出現(xiàn)日期年際波動(dòng)趨于穩(wěn)定，有集中于8月初（第210天到第220天）的變化趨勢(shì).

圖7 1951—2015年太原市日最大降水量及其出現(xiàn)日期變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

1）1951—2015年太原市無降水天數(shù)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，增加速率為5.5d／10a，太原市氣候干化趨勢(shì)顯著.

2）太原市有效降水間隔頻數(shù)呈現(xiàn)出略微增多趨勢(shì)，速率為0.2d／10a，且近30a來，頻次明顯增大，呈現(xiàn)出干化的特征；太原市的有效降水間隔年內(nèi)最大值的變化趨勢(shì)整體呈顯著性下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)出“波動(dòng)上升—波動(dòng)下降—?jiǎng)×也▌?dòng)”的變化特征；首末次有效降水出現(xiàn)日期分別有明顯提前與略微推后趨勢(shì).

3）太原市極端日降水量和極端降水頻數(shù)穩(wěn)定波動(dòng)，整體變化不明顯，均呈現(xiàn)出微弱增加趨勢(shì).二者均以20世紀(jì)80年代初為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變化波動(dòng)均呈現(xiàn)由大到小的變化趨勢(shì)；太原市年內(nèi)日最大降水量上下波動(dòng)較為平穩(wěn)，呈略減少趨勢(shì).日最大降水量出現(xiàn)日期有所提前，年際波動(dòng)趨于穩(wěn)定，多集中于8月初（第210天到第220天）.