山西近40年極端降水特征分析

李兆奇，趙桂香，趙彩萍

(1.太原市氣象局，山西 太原 030082；2.山西省氣象臺(tái)，山西 太原 030002)

引言

近年來(lái)，極端降水事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1]，已引起學(xué)界高度關(guān)注[2-8]。對(duì)于極端降水的定量研究，文獻(xiàn)[9—10]指出，需要確定一個(gè)降水判定閾值，但不同地區(qū)不能用統(tǒng)一的日降水量定義極端降水事件，而應(yīng)根據(jù)各測(cè)站的日降水量確定當(dāng)?shù)氐臉O端降水氣候閾值。薛媛和薛曉萍[11]也認(rèn)為，當(dāng)研究區(qū)域氣候差異較大，選擇相對(duì)閾值定義極端降水可以避免對(duì)部分區(qū)域極端降水變化特征反映的不足。劉學(xué)華等[12]、ZHAI et al.[13]分析中國(guó)極端降水總量和降水極值趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，全國(guó)極端降水指數(shù)和年降水量總體呈線性增加趨勢(shì)，中東部年平均降水強(qiáng)度極端偏強(qiáng)的趨勢(shì)較為顯著，西北地區(qū)極端降水增加趨勢(shì)明顯，但東北東部到華北大部呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。閔屾和錢(qián)永甫[14]、王志福和錢(qián)永甫[15]、陳峪等[16]系統(tǒng)研究了中國(guó)極端氣候事件的區(qū)域性和持續(xù)性變化趨勢(shì)，指出我國(guó)極端降水特征存在明顯的地域差異，四季降水量均有向極端化方向發(fā)展的趨勢(shì)。不同區(qū)域極端降水的研究[17-21]也表明，極端降水特征具有很強(qiáng)的地域性，有必要開(kāi)展針對(duì)性的研究[22-23]。

山西省地處華北平原以西、黃河中游東岸的黃土高原，境內(nèi)地貌形態(tài)復(fù)雜，山多川少，太行山、呂梁山分立東西部，中部為一列沉陷盆地，平原展布其間，呈現(xiàn)“兩山夾一川”的地勢(shì)(圖1)。特殊的地理?xiàng)l件和大陸性季風(fēng)氣候特征使山西較易受極端降水事件的影響，且常造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[24]。為此，有學(xué)者對(duì)發(fā)生在山西的典型極端降水過(guò)程進(jìn)行了天氣學(xué)診斷分析[25-26]，也有對(duì)極端降水時(shí)空演變特征的研究[27-29]，但對(duì)極端降水的定義多采用全省統(tǒng)一的閾值或絕對(duì)閾值[30-31]，且選取的站點(diǎn)稀疏，對(duì)山西極端降水特征的分析不夠精細(xì)。本文利用山西108個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱“氣象站”)近40年逐日降水資料，采用百分位法定義各地極端降水事件，研究山西及各區(qū)域極端降水分布特征和變化趨勢(shì)，以期為山西洪澇災(zāi)害防御提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

山西省轄11個(gè)地級(jí)市，依所處地理位置分為北部(大同、朔州、忻州)、中部(呂梁、太原、晉中、陽(yáng)泉)、南部(臨汾、運(yùn)城、長(zhǎng)治、晉城)，境內(nèi)共有108個(gè)氣象站(圖1)。所用資料為由山西省氣象信息中心經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的1979—2018年108個(gè)氣象站逐日(前一日20時(shí)—當(dāng)日20時(shí))降水量數(shù)據(jù)。

圖1 山西省地形與國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站位置分布Fig.1 Topographic map of Shanxi Province and distribution of its national meteorological observation stations

1.2 方法

1.2.1 極端降水事件及其要素的定義

山西省面積廣闊，區(qū)域氣候差異較大，參照文獻(xiàn)[9,15]的百分位法定義不同站點(diǎn)的極端降水事件更為科學(xué)。對(duì)每個(gè)臺(tái)站，按升序排列1979—2018年日降水量≥0.1 mm的所有樣本，取第99個(gè)百分位的日降水量值作為該站極端降水閾值，當(dāng)該站某日降水量超過(guò)此閾值時(shí)，記為1個(gè)極端降水日，稱該站當(dāng)日發(fā)生了極端降水事件。極端降水事件出現(xiàn)的次數(shù)稱為極端降水頻次；若同日全省(或區(qū)域)有1站及以上出現(xiàn)極端降水事件，則記為1個(gè)全省(或區(qū)域)極端降水日。當(dāng)某站從某日開(kāi)始連續(xù)n天降水量都大于上述閾值，則認(rèn)為該站出現(xiàn)1次持續(xù)時(shí)間為n天的極端降水事件，以出現(xiàn)極端降水的第1天作為持續(xù)極端降水事件發(fā)生的時(shí)間；持續(xù)n天極端降水事件的次數(shù)、總降水量，分別稱為對(duì)應(yīng)持續(xù)天數(shù)的極端降水頻次和極端降水量；極端降水量除以對(duì)應(yīng)頻次為極端降水平均強(qiáng)度。

1.2.2 分析方法

采用趨勢(shì)系數(shù)、線性傾向率、Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)等[32]統(tǒng)計(jì)和診斷方法。為減小邊值和奇異值對(duì)線性趨勢(shì)的影響，用7點(diǎn)滑動(dòng)平均來(lái)分析極端降水事件的長(zhǎng)期變化，并用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。選取的序列樣本數(shù)為40，當(dāng)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.264、0.312、0.403、0.501的臨界值時(shí)，變化趨勢(shì)分別通過(guò)α=0.1、0.05、0.01、0.001的顯著性檢驗(yàn)，且通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)的趨勢(shì)為顯著。

2 極端降水事件的空間分布

2.1 閾值與極值的分布特征

由山西各地極端降水閾值的空間分布(圖2a)來(lái)看，總體呈自北向南增大的趨勢(shì)；低值區(qū)主要位于北部和中部的太原、晉中兩市，極端降水閾值不超過(guò)46 mm，其中大同最低，不足40 mm；高值區(qū)位于南部和中部的呂梁、陽(yáng)泉等市，最大閾值達(dá)到56.5 mm。由極端降水極值的空間分布(圖2b)來(lái)看，各地極值差異很大，高值區(qū)呈帶狀分布，主要位于忻州西北部—呂梁西部、陽(yáng)泉—晉中東部、臨汾北部—長(zhǎng)治北中部、晉城—運(yùn)城東部，中心降水量均不低于160 mm，最大為244 mm；其他區(qū)域相對(duì)較小，在65～110 mm之間。

圖2 山西極端降水閾值(a)和極值(b)的空間分布(單位：mm；紅實(shí)線代表全省平均值，黑實(shí)線、黑虛線分別代表大于、小于均值，下同)Fig.2 Spatial distribution of threshold (a) and extremum (b) of extreme precipitation in Shanxi (units: mm; red solid lines represent the average of the entire province and values greater or smaller than the average are in black solid or dashed lines, respectively; the same for figures below)

2.2 頻次和強(qiáng)度的分布特征

1979—2018年，山西各地極端降水日數(shù)為28～38 d，極端降水的持續(xù)天數(shù)為1～4 d，出現(xiàn)頻次隨持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)而快速減少，持續(xù)3～4 d的極端降水僅有3次，均為出現(xiàn)在南部的單站持續(xù)極端降水事件。

由圖3a可以看出，山西極端降水頻次呈現(xiàn)“山地多、盆地少”的空間分布特征。高頻次區(qū)域主要分布在朔州西部、忻州西部和東北部、呂梁東部、臨汾西部、晉中東部、長(zhǎng)治東南部、晉城東部等丘陵山區(qū)，最高達(dá)38次，位于忻州西部；低頻次區(qū)主要集中在盆地區(qū)域，太原盆地最少，在30 次以下。各地極端降水平均強(qiáng)度為41.8～90.5 mm·次-1，空間分布自北向南增強(qiáng)(圖3d)，高強(qiáng)度區(qū)主要集中在南部，北中部大部為低強(qiáng)度區(qū)，大同強(qiáng)度最小，在50 mm·次-1以下。

持續(xù)1 d的極端降水頻次和強(qiáng)度(圖3b、e)與極端降水總頻次和強(qiáng)度的空間分布趨勢(shì)基本一致。各地持續(xù)1 d的極端降水頻次占比80%以上，有48個(gè)站達(dá)到100%；平均強(qiáng)度介于41.8～83.6 mm·次-1之間。持續(xù)2 d的極端降水頻數(shù)顯著減少，主要分布在忻州西南部、太原南部—陽(yáng)泉南部、晉東南和運(yùn)城東部(圖3c)；持續(xù)2 d的極端降水強(qiáng)度的高值區(qū)位于陽(yáng)泉南部—晉中東北部、呂梁東部與太原及晉中南部交界區(qū)域、運(yùn)城的東南部—晉城西部，最強(qiáng)高達(dá)325.2 mm·次-1，出現(xiàn)在運(yùn)城垣曲。由此可見(jiàn)，山西極端降水事件持續(xù)時(shí)間以1 d為主；在陽(yáng)泉南部—晉中東北部、運(yùn)城東南部—晉城西部，持續(xù)2 d的極端降水的強(qiáng)度較大。

2.3 影響范圍分布特征

統(tǒng)計(jì)分析1979—2018年山西極端降水過(guò)程的影響范圍及發(fā)生頻次發(fā)現(xiàn)：在804次極端降水過(guò)程中，單站發(fā)生頻次高達(dá)344次，占總次數(shù)的43.5%；2站同日發(fā)生占比為15.7%，15站以上的占比僅5.7%，同日發(fā)生極端降水事件最多的達(dá)65站(圖4)，說(shuō)明山西極端降水具有明顯的局地性特征。

進(jìn)一步分析不同影響范圍極端降水事件的月分布特征(表1)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論影響范圍大小，發(fā)生在7月的極端降水事件最多，8月次之。影響范圍在10站及其以下的過(guò)程可出現(xiàn)在3—10月的任何月份，發(fā)生概率達(dá)88.9%；11～20站的過(guò)程主要發(fā)生在5—10月，出現(xiàn)概率為7.7%；20站以上的過(guò)程只出現(xiàn)在5—9月，發(fā)生概率僅為3.4%；40站以上的大范圍極端降水事件極少發(fā)生，概率不足1%。

表1 山西3—10月不同影響范圍的極端降水過(guò)程統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of extreme precipitation processes with varied ranges of impact in Shanxi from March to October

2.4 極端降水對(duì)年和夏季降水的貢獻(xiàn)

極端降水在年、夏季降水總量中的占比，反映出極端降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)，同時(shí)從一定意義上反映出極端降水事件對(duì)洪澇災(zāi)害的貢獻(xiàn)率[15]。由圖5a可見(jiàn)，山西極端降水對(duì)年降水貢獻(xiàn)率在8.7%～12.3%之間，北中部大部貢獻(xiàn)率較低，晉東南、臨汾、運(yùn)城東南部、陽(yáng)泉、晉中的大部、忻州與呂梁西北部的貢獻(xiàn)率在11.0%以上。夏季，山西1%的極端降水貢獻(xiàn)了夏季總降水量的10.4%～20.6%，由空間分布看，其與圖5a的分布相似，較年極端降水的貢獻(xiàn)率僅在長(zhǎng)治南部有所減小，而在運(yùn)城東北部明顯增大(圖5b)。持續(xù)1 d的極端降水對(duì)年或夏季降水貢獻(xiàn)率的空間分布(圖略)與圖5a、b基本相同。夏季，在山西南部大部、晉中東南部、忻州西北部—呂梁西部，持續(xù)1 d的極端降水占總降水量的16.5%以上，如果這些地區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害則主要是由持續(xù)1 d的極端降水造成的。持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的極端降水事件，由于發(fā)生頻次少，貢獻(xiàn)率也相對(duì)??；但在陽(yáng)泉南部—晉中東北部、呂梁東部與太原及晉中南部交界區(qū)域、運(yùn)城東南部—晉城西部等地，持續(xù)2 d的貢獻(xiàn)率在2.0%～4.7%之間，持續(xù)3 d以上的極端降水事件對(duì)南部局部也有一定貢獻(xiàn)；說(shuō)明持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的極端降水事件雖然出現(xiàn)頻次低，但致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

圖5 山西極端降水對(duì)年降水量(a)、夏季降水量(b)貢獻(xiàn)率(單位：%)的空間分布Fig.5 Distribution of extreme precipitation’s contribution rate (units: %) to annual precipitation (a) and summer precipitation (b) in Shanxi

3 極端降水事件的時(shí)間分布

3.1 月、季分布特征

圖6給出了1979—2018年全省及北、中、南部逐月極端降水頻數(shù)與平均強(qiáng)度的分布。由圖6a可見(jiàn)，近40年共出現(xiàn)極端降水事件3 494站次，主要發(fā)生在3—10月之間，6—9月占總頻次的92.9%，其中7—8月占比高達(dá)74.8%。月極端降水平均強(qiáng)度為56.7 mm·次-1，4—10月均在52 mm·次-1以上，4月其強(qiáng)度值較5月大，7—8月平均強(qiáng)度達(dá)64.8 mm·次-1。各區(qū)域極端降水頻次逐月分布及變化趨勢(shì)與全省基本一致；極端降水平均強(qiáng)度的月分布與變化，南部與全省近乎相同，北部與中部的變化趨勢(shì)一致(圖6b—d)。這說(shuō)明7—8月是山西極端降水事件最集中、強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段，全省極端降水逐月強(qiáng)度的變化主要受南部變化的影響。

圖6 山西(a)及其北部(b)、中部(c)、南部(d)極端降水頻次和平均強(qiáng)度的逐月分布Fig.6 Monthly distribution of frequency and average intensity of extreme precipitation in the whole province (a), northern areas (b), central areas (c), and southern areas (d) of Shanxi

進(jìn)一步分析各季極端降水事件頻次、強(qiáng)度和持續(xù)性(表略)發(fā)現(xiàn)，隨著持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，極端降水事件頻數(shù)快速減少，但強(qiáng)度增強(qiáng)。分季節(jié)來(lái)看，春季(3—5月)發(fā)生頻次逐月增加，平均強(qiáng)度為52.3 mm·次-1，但僅能維持1 d；夏季(6—8月)極端降水事件較集中，平均強(qiáng)度為62.4 mm·次-1，持續(xù)時(shí)間可達(dá)2 d以上；秋季(9—10月)的極端降水事件較夏季明顯減少，平均強(qiáng)度為54.9 mm·次-1，持續(xù)時(shí)間在2 d以下。

3.2 年變化趨勢(shì)分析

3.2.1 極端降水日數(shù)

由山西極端降水日數(shù)的逐年變化(圖7a)可以看出，近40年來(lái)，全省極端降水事件呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)(通過(guò)α=0.01信度檢驗(yàn))，線性傾向率達(dá)0.82 d·(10 a)-1。這種趨勢(shì)與以往的研究[12-13]有所不同。分區(qū)域(圖7b—d)來(lái)看，中部極端降水日數(shù)增多趨勢(shì)顯著(通過(guò)α=0.001信度檢驗(yàn))，回歸系數(shù)為0.51 d ·(10 a)-1；北部極端降水日數(shù)有上升趨勢(shì)，但不顯著；南部的極端降水日數(shù)線性變化系數(shù)為負(fù)值，呈弱的下降趨勢(shì)。由全省108個(gè)站點(diǎn)年極端降水日數(shù)序列的線性系數(shù)和顯著性分布(圖8a)可知，線性趨勢(shì)系數(shù)正值區(qū)域主要位于朔州及其以南的北中部大部、臨汾大部和長(zhǎng)治南部，有52站通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，尤其是在忻州中部，最大值達(dá)0.35 d ·(10 a)-1；其他地區(qū)線性系數(shù)為負(fù)值，14站通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，大同中南部、運(yùn)城東南部、晉城西部極端降水日數(shù)明顯減少，變化率達(dá)-0.24 d ·(10 a)-1。這說(shuō)明極端降水日數(shù)變化的區(qū)域差異較大，局地性較強(qiáng)。

3.2.2 極端降水強(qiáng)度

由全省及各區(qū)域極端降水平均強(qiáng)度的逐年變化可見(jiàn)，全省和南部呈現(xiàn)出弱的上升趨勢(shì)(圖9a、d)；北部和中部上升趨勢(shì)顯著(圖9b、c)，通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。由全省108個(gè)站點(diǎn)極端降水強(qiáng)度的線性趨勢(shì)與顯著性分布(圖8b)可看出，北中部大部極端降水強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)，43站顯著增強(qiáng)；南部強(qiáng)度變化較復(fù)雜，有14站極端降水強(qiáng)度顯著減弱，尤其是運(yùn)城西北部，每10 a減少5.61 mm；但同區(qū)域內(nèi)還有12站的強(qiáng)度出現(xiàn)顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，特別是晉城東南部最大變化率高達(dá)9.69 mm·(10 a)-1，局地特征明顯。

3.2.3 極端降水范圍

由極端降水事件出現(xiàn)范圍的逐年變化可看出，全省和北部極端降水事件出現(xiàn)范圍呈顯著的擴(kuò)大趨勢(shì)(圖10a、b)，通過(guò)α=0.01顯著性檢驗(yàn)，線性趨勢(shì)系數(shù)分別為0.15站·(10 a)-1和0.23站·(10 a)-1；中部和南部影響范圍增大與減小的變化趨勢(shì)微弱(圖10c、d)。這說(shuō)明山西極端降水范圍的增大主要是由北部極端降水事件范圍的擴(kuò)大引起的。

3.3 突變分析

對(duì)極端降水日數(shù)、強(qiáng)度、范圍年變化趨勢(shì)顯著區(qū)域進(jìn)行了M-K突變檢驗(yàn)(圖11)。全省極端降水日數(shù)、范圍(圖11a、e)分別在2007、1988年后UF大于0，呈上升趨勢(shì)，但始終處于置信區(qū)間內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生突變。中部極端降水日數(shù)和強(qiáng)度(圖11b、d)，UF分別在2013和1998年超過(guò)了臨界值，與UB在置信區(qū)間內(nèi)最后一次相交的突變點(diǎn)發(fā)生在2001年和1992年。北部極端降水強(qiáng)度(圖11c)在1990年后呈上升趨勢(shì)，但沒(méi)有發(fā)生突變；極端降水范圍(圖11f)，1986年后UF大于0并于2001年超過(guò)臨界值，擴(kuò)大趨勢(shì)顯著，UF與UB相交于1986年，最早發(fā)生突變。

圖11 山西極端降水日數(shù)(a.全省，b.中部)、強(qiáng)度(c.北部，d.中部)和范圍(e.全省，f.北部)M-K檢驗(yàn)Fig.11 M-K test for days (a. the whole province, b. central areas), intensity (c. northern areas, d. central areas), and range (e. the whole province, f. northern areas) of extreme precipitation in Shanxi

4 結(jié)論

(1)山西極端降水出現(xiàn)在3—10月之間，6—9月較集中；極端降水發(fā)生頻次呈現(xiàn)“山區(qū)多、盆地少”的特點(diǎn)，平均強(qiáng)度表現(xiàn)出“北中部小、南部大”的空間分布特征。

(2)山西的極端降水持續(xù)時(shí)間以1 d為主，具有明顯的局地性強(qiáng)特征，發(fā)生大范圍極端降水事件的概率較低。在山西南部大部、晉中東南部、忻州西北部—呂梁西部的洪澇災(zāi)害主要是由持續(xù)1 d的極端降水造成的；而在陽(yáng)泉南部—晉中東北部、呂梁東部與太原及晉中南部交界區(qū)域、運(yùn)城的東南部—晉城西部等地，需重視持續(xù)2 d極端降水致災(zāi)的可能性。

(3)診斷分析表明，近40年全省極端降水事件總體上呈現(xiàn)日數(shù)明顯增多、強(qiáng)度微弱增加、影響范圍不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，但沒(méi)有突變發(fā)生。各區(qū)域極端降水的變化差異較大，局地變化特征明顯。北部表現(xiàn)為極端降水顯著增強(qiáng)，影響范圍在1986年發(fā)生突變后存在不斷增大的長(zhǎng)期趨勢(shì)；極端降水事件中，大同中南部減少幅度減弱，而忻州中東部顯著增多、增強(qiáng)。中部則極端降水日數(shù)顯著增多、強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，突變分別發(fā)生在2001年和1992年。南部極端降水的長(zhǎng)期變化微弱，呈現(xiàn)出同區(qū)域內(nèi)極端降水事件中運(yùn)城東南部顯著減少、長(zhǎng)治中南部明顯增多，降水強(qiáng)度晉城東南部顯著增強(qiáng)、運(yùn)城西北部明顯減弱等相反的變化趨勢(shì)。

采用百分位法定義極端降水事件，通過(guò)對(duì)山西108個(gè)氣象站極端降水的統(tǒng)計(jì)分析，較全面地反映了山西各地極端降水的時(shí)空分布和變化特征。但由于極端降水的影響因素復(fù)雜，表征極端降水的指標(biāo)較多，用單一標(biāo)準(zhǔn)定義和分析極端降水尚不能完全認(rèn)識(shí)其特征及成因，還需在分析總結(jié)的基礎(chǔ)上從天氣和氣候?qū)W角度進(jìn)行極端降水成因和變化規(guī)律的后續(xù)研究。