寧夏暖季小時(shí)極端降水時(shí)空分布特征

薛箏箏, 肖建輝*, 高英育， 左湘文， 劉曉磊

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 銀川 750002； 3.寧夏大氣探測(cè)技術(shù)保障中心， 銀川 750002)

在全球氣候變暖背景下，極端降水事件頻發(fā)，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活等產(chǎn)生了極大的損害[1]，極端降水事件發(fā)生的時(shí)空分布特征成為當(dāng)前全球氣候變化研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。很多研究從全國(guó)以及不同區(qū)域尺度分析極端降水事件的變化特征，翟盤茂等[2]研究表明，西北地區(qū)極端降水事件趨于增多，空間分布的區(qū)域差異性顯著；王曉瑩等[3]利用云南省氣象站點(diǎn)近40 年日降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)降水及極端降水的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明強(qiáng)降水量在濕潤(rùn)區(qū)出現(xiàn)快速下降；蔡文香等[4]采用泊松回歸方法對(duì)松花江流域連續(xù)性極端降水事件時(shí)間趨勢(shì)特征分析，結(jié)果表明降水事件呈增加趨勢(shì)；盧珊等[5]指出,在近年來(lái)黃土高原夏季降水整體下降的背景下，極端降水占比在將近70%的站點(diǎn)表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)；張菁等[6]指出，陜甘寧三河源地區(qū)極端降水有明顯增多的趨勢(shì)。楊維濤等[7]基于138個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料，利用一元線性方程和Mann-Kendall法分析了黃土高原地區(qū)27個(gè)極端氣候指數(shù)的時(shí)空變化特征，指出極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)平緩。同時(shí)，一些學(xué)者針對(duì)寧夏極端降水變化特征也開(kāi)展了相關(guān)研究，如張冰等[8]針對(duì)夏季極端降水日數(shù)的變化規(guī)律及其成因進(jìn)行分析，陳豫英等[9]在中尺度系統(tǒng)分型基礎(chǔ)上，對(duì)比分析賀蘭山東麓6次極端暴雨的中尺度特征。

上述學(xué)者利用了日累計(jì)降水資料研究極端強(qiáng)降水變化特征，但使用日累計(jì)降水資料會(huì)高估長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)性弱降水的強(qiáng)度，低估短時(shí)間強(qiáng)降水的強(qiáng)度[10]。由于極端強(qiáng)降水事件時(shí)空分布的不均勻性，只有更高分辨率的降水資料才能更準(zhǔn)確地反映極端強(qiáng)降水變化特征。近年來(lái)，隨著逐時(shí)降水資料的建立，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注小時(shí)極端降水特征。楊霞等[11]、楊軍勇等[12]、董旭光等[13]利用百分位閾值方法分別分析了新疆、河南、山東小時(shí)極端強(qiáng)降水時(shí)空分布特征和變化趨勢(shì)。于淑婷等[14]利用1982—2016年云南省67個(gè)氣象站逐小時(shí)降水資料分析其不同強(qiáng)度降水氣候態(tài)及其變化，結(jié)果表明降水量和降水頻次呈減少趨勢(shì)，而降水強(qiáng)度表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。

寧夏地處中緯度內(nèi)陸地區(qū)，地形復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱，極端強(qiáng)降水往往帶來(lái)較嚴(yán)重的氣象災(zāi)害。例如，2017年7月22日賀蘭山沿山拜寺口1 h降水量達(dá)74.1 mm，2019年6月26日紅寺堡區(qū)太陽(yáng)山買河村1 h降水量達(dá) 27.0 mm，均造成了重大損失。然而，目前針對(duì)寧夏小時(shí)極端強(qiáng)降水特征的研究還不多見(jiàn)。因此，現(xiàn)利用寧夏24個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站2005—2020年暖季小時(shí)降水資料，分析寧夏不同區(qū)域暖季極端降水的時(shí)空分布特征，研究降水規(guī)律和變化趨勢(shì)，為寧夏降水的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

圖1 寧夏氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Ningxia

1.2 方法

小時(shí)極端降水的標(biāo)準(zhǔn)采用楊霞等[11]利用的百分位閾值法來(lái)定義：把每個(gè)站點(diǎn)暖季非零小時(shí)降水量按升序排列，取其第X個(gè)百分位的小時(shí)降水量作為該站點(diǎn)極端強(qiáng)降水的閾值。當(dāng)該測(cè)站小時(shí)降水量超過(guò)閾值，就認(rèn)為該時(shí)次出現(xiàn)了極端強(qiáng)降水事件。表1給出了寧夏2005—2020 年5—9 月不同百分位小時(shí)降水閾值，分析小時(shí)強(qiáng)降水平均閾值、出現(xiàn)頻次和占比，結(jié)合寧夏實(shí)際，本文選取第97百分位小時(shí)降水閾值作為寧夏小時(shí)極端降水閾值。

表1 寧夏2005—2020年暖季不同百分位小時(shí)極端降水閾值

小時(shí)極端降水量為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)大于小時(shí)降水閾值的年平均小時(shí)降水量，小時(shí)極端降水頻次為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)大于小于降水閾值的年平均小時(shí)數(shù)，小時(shí)極端強(qiáng)降水強(qiáng)度為小時(shí)極端降水量除以相應(yīng)的小時(shí)極端降水頻次。不同區(qū)域中站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的算術(shù)平均值作為該區(qū)域相應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。

2 結(jié)果分析

2.1 小時(shí)極端降水空間分布特征

2.1.1 小時(shí)極端降水總體分布特征

從2005—2020 年寧夏暖季小時(shí)極端降水空間分布圖(圖2)可以明顯看出，寧夏小時(shí)極端降水量呈現(xiàn)自北向南逐漸增大的特點(diǎn)，北部引黃灌區(qū)極端降水量在16～24.8 mm，中部干旱帶極端降水量在21.5～37.4 mm，南部山區(qū)為小時(shí)極端降水量的高值區(qū)，變化范圍在40.5～69.9 mm，最大值出現(xiàn)在涇源。究其原因，涇源縣位于六盤山區(qū)東側(cè)迎風(fēng)坡，受天氣系統(tǒng)和地形的共同影響，涇源極端降水量最大，與鄧佩云等[15]研究六盤山東與西坡降水差異特征的結(jié)果相一致。寧夏小時(shí)極端降水頻次空間分布與降水量較一致[圖2(b)]，自北向南小時(shí)極端降水頻次分別為1.8～2.0 次、3.1～3.9次和4.5～7.3次。寧夏小時(shí)極端降水強(qiáng)度空間分布與降水量和降水頻次差異非常明顯[圖2(c)]，呈現(xiàn)顯著的北多南少和東多西少的特點(diǎn)，小時(shí)極端降水強(qiáng)度大值區(qū)位于北部引黃灌區(qū)的北部，其中石炭井、平羅和銀川城區(qū)降水強(qiáng)度超過(guò)12 mm/h；不難發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的小時(shí)極端降水量和降水頻次較小，但是降水強(qiáng)度較大。中部干旱帶中東部為降水強(qiáng)度次大值區(qū)，其中韋州降水強(qiáng)度達(dá)10.5 mm/h；南部山區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度偏弱，小于寧夏平均極端降水強(qiáng)度，變化范圍在8.2～9.8 mm/h；降水強(qiáng)度低值區(qū)主要出現(xiàn)在寧夏西部和吳忠，其中興仁小時(shí)極端降水強(qiáng)度最小，為6.9 mm/h。

2.1.2 小時(shí)極端降水晝夜分布特征

圖3為白天和夜間小時(shí)極端降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度以及兩者差值的空間分布，這里白天指09:00—20:00，夜間指21:00—次日08:00。白天和夜間極端降水量分布形態(tài)是相似的，表現(xiàn)為北少南多和西少東多的特點(diǎn)，但也存在區(qū)域差異。中部干旱帶和南部山區(qū)白天的極端降水量偏多，南部山區(qū)尤其明顯，極端降水量晝夜差值在7.5～26.1 mm，其中涇源晝夜差異最大，白天降水量是夜間的2.2倍；中部干旱帶極端降水量晝夜差值在1.6～9.8 mm。北部引黃灌區(qū)除銀川、石嘴山和中寧外，其他地方白天的降水量都大于夜間，負(fù)差值最大的區(qū)域在石嘴山城區(qū)，為-9.5 mm。

極端降水頻次的分布特征與降水量類似，除北部引黃灌區(qū)北部、西部部分地方外，其他地方白天降水頻次較夜間偏多，南部山區(qū)偏多的最明顯，降水頻次晝夜差值為1.0～2.5次。

圖2 寧夏2005—2020年暖季小時(shí)極端降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度空間分布Fig.2 Spatial distribution of hourly extreme precipitation,frequency and intensity in warm season in Ningxia during 2005—2020

圖3 寧夏2005—2020年暖季白天和夜間小時(shí)極端降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度以及兩者差值的空間分布Fig.3 Spatial distribution of hourly extreme precipitation,frequency, intensity and the differences between day and nightin warm season in Ningxia during 2005—2020

從圖3(g)可以發(fā)現(xiàn)，白天小時(shí)極端降水強(qiáng)度主要表現(xiàn)為北強(qiáng)南弱，在引黃灌區(qū)北部和中部干旱帶中東部為大值區(qū)，其中石炭井小時(shí)極端降水強(qiáng)度最大為13.5 mm/h。極端降水強(qiáng)度晝夜對(duì)比來(lái)看，夜間降水強(qiáng)度強(qiáng)于白天的區(qū)域很少，零星分布于永寧、中寧、西吉和石嘴山城區(qū)；晝夜降水強(qiáng)度差值在平羅、陶樂(lè)、靈武、麻黃山、同心降水強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的高值中心，變化范圍在2.2～3.2 mm/h，其中銀川靈武晝夜降水強(qiáng)度差異最大，白天為11.3 mm/h，夜間為8.1 mm/h。

該區(qū)域位于蘇北地區(qū)，處在北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫14.4℃，平均年降水量1 000 mm，且區(qū)域內(nèi)有洪澤湖、高郵湖等，水資源充沛，自然條件優(yōu)越。另外，該區(qū)域農(nóng)田水利設(shè)施水平較高，有效灌溉率遠(yuǎn)高于流域的平均水平，抵抗自然災(zāi)害的能力強(qiáng)，是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)干旱脆弱性最輕的地區(qū)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件最優(yōu)越的地區(qū)，是流域內(nèi)水稻的主產(chǎn)區(qū)，并且其糧食單產(chǎn)水平也遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。

總體而言，寧夏北部引黃灌區(qū)大部分區(qū)域的白天極端降水量和降水頻次均較夜間偏少，而中部干旱帶和南部山區(qū)白天極端降水量和降水頻次偏多，南部山區(qū)尤為明顯；除零星點(diǎn)外，寧夏白天降水強(qiáng)度均強(qiáng)于夜間，晝夜差高值區(qū)主要集中在中部干旱帶。

2.1.3 小時(shí)極端降水趨勢(shì)分布特征

圖4為小時(shí)極端降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度變化趨勢(shì)空間分布圖，從圖4(a)可知，整體上小時(shí)極端降水量變化趨勢(shì)自北向南逐漸增加，北部引黃灌區(qū)降水量變化趨勢(shì)在-9.6～21.2 mm/10 a，其中石嘴山站變化趨勢(shì)最大，中衛(wèi)站其次；寧夏僅3個(gè)站點(diǎn)極端降水量呈減小趨勢(shì)，全部分布在北部引黃灌區(qū)的北部。中部干旱帶除同心站(6.5 mm/10 a)以外，其他站極端降水量變化趨勢(shì)均在20 mm/10 a左右。南部山區(qū)極端降水量均呈增加趨勢(shì)，變化趨勢(shì)在16.1～43.2 mm/10 a，其中涇源站極端降水量變化趨勢(shì)最大，且通過(guò)了0.1的顯著性檢驗(yàn)。有16.7%的站點(diǎn)極端降水量增加趨勢(shì)通過(guò)0.1的顯著性檢驗(yàn)，其中靈武站增加趨勢(shì)最顯著。小時(shí)極端降水頻次變化趨勢(shì)與降水量相似[圖4(b)]，自北向南逐漸增加，南部山區(qū)降水頻次變化趨勢(shì)為1.1～3.6 mm/10 a；83.3%的站點(diǎn)極端降水頻次呈增加趨勢(shì)，僅鹽池站的增加趨勢(shì)通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。有70.8%的站點(diǎn)極端降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，所有站點(diǎn)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；降水強(qiáng)度表現(xiàn)為減少趨勢(shì)的站點(diǎn)主要集中在北部引黃灌區(qū)，占85.7%。

2.2 寧夏暖季小時(shí)極端降水時(shí)間變化特征

2.2.1 小時(shí)極端降水年際變化

寧夏不同區(qū)域的平均小時(shí)極端降水量年際變化如圖5(a)所示，北部引黃灌區(qū)、中部干旱帶和南部山區(qū)年際極端強(qiáng)降水量均呈增加趨勢(shì)，這與汪寶龍等[16]提出的中國(guó)西北地區(qū)極端降水總量線性變化整體上呈增加趨勢(shì)結(jié)論一致，自北向南三個(gè)區(qū)域極端降水量氣候傾向率分別為7.0、18.1、25.1 mm/10 a，其中中部干旱帶極端降水量增加趨勢(shì)通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。寧夏三個(gè)區(qū)域平均極端降水量均是北部引黃灌區(qū)<中部干旱帶<南部山區(qū)，小時(shí)極端降水量最大值均出現(xiàn)在2018 年，分別為57.3、60.7、119.0 mm。寧夏不同區(qū)域極端強(qiáng)降水頻次年變化特征[圖5(b)]與降水量相似，三個(gè)區(qū)域極端降水頻次均呈微弱增加趨勢(shì)；自北向南三個(gè)區(qū)域極端降水頻次氣候傾向率逐漸增大，小時(shí)極端降水頻次最大值也出現(xiàn)在2018年，依次為5.0次、6.3次和9.2次。中部干旱帶和南部山區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度呈先減少后增加趨勢(shì)，在2011年達(dá)到最小值；北部引黃灌區(qū)極端降水強(qiáng)度增加趨勢(shì)不明顯。自北向南最大小時(shí)極端降水強(qiáng)度分別為11.3、11.0和11.2 mm/h。

2.2.2 小時(shí)極端降水月變化

從小時(shí)極端降水逐月變化來(lái)看(圖6)，5、6、8、9月極端降水量和降水頻次呈自北向南遞增的特點(diǎn)，7月不同的是北部引黃灌區(qū)降水量和降水頻次大于中部干旱帶。南部山區(qū)和中部干旱帶各月極端降水量和降水頻次由低到高的順序?yàn)?、9、6、7、8月，而北部引黃灌區(qū)的降水量和降水頻次在7月最大，分別為9.6 mm和0.9次。北部引黃灌區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度8月最大，達(dá)11.3 mm/h；7月次之，為10.6 mm/h。5、6月極端降水強(qiáng)度自北向南遞增，7、8月北部引黃灌區(qū)降水強(qiáng)度最大，9月中部干旱帶小時(shí)極端降水強(qiáng)度最大。

2.2.3 小時(shí)極端降水日變化

寧夏不同區(qū)域暖季小時(shí)極端降水量日變化曲線如圖7(a)所示，除05:00和06:00以外，南部山區(qū)各時(shí)次極端降水量均大于中部干旱帶和北部引黃灌區(qū)，南部山區(qū)小時(shí)極端降水量和降水頻次日變化曲線均呈明顯的單峰型，峰值出現(xiàn)在17:00，14:00—19:00為小時(shí)極端降水量和降水頻次的高值時(shí)段。中部干旱帶極端降水量和降水頻次高值出現(xiàn)的時(shí)段與南部山區(qū)基本一致。表明熱力作用是中部干旱帶和南部山區(qū)極端降水的重要觸發(fā)機(jī)制。北部引黃灌區(qū)小時(shí)極端降水量日變化特征與其他存在明顯差異，極端降水頻次日峰值出現(xiàn)在早晨08:00，凌晨01:00和早晨07:00—08:00均為極端降水量高值時(shí)段，進(jìn)一步印證了2.1.2節(jié)的結(jié)論。

南部山區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度各時(shí)次差異不大，集中在7.0～10.7 mm/h。中部干旱帶小時(shí)極端降水強(qiáng)度高值時(shí)段出現(xiàn)在傍晚，最小極端降水強(qiáng)度出現(xiàn)在12:00，與降水量和降水頻次最小值出現(xiàn)的時(shí)間相同。北部引黃灌區(qū)降水強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在17:00，為11.1 mm/h，此時(shí)降水量?jī)H為南部山區(qū)的1/3左右，但降水強(qiáng)度偏大了1.8 mm/h。

計(jì)算了小時(shí)極端降水量與降水頻次、降水強(qiáng)度逐時(shí)變化的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)南部山區(qū)小時(shí)極端降水量與降水頻次相關(guān)性更好(0.97)，北部引黃灌區(qū)和中部干旱帶小時(shí)極端降水量與降水頻次、降水強(qiáng)度的相關(guān)性均較好，說(shuō)明南部山區(qū)逐時(shí)極端降水量主要由極端降水頻次貢獻(xiàn)，北部引黃灌區(qū)和中部干旱帶逐時(shí)極端降水量由降水頻次和降水強(qiáng)度共同影響。

3 結(jié)論

利用2005—2020年寧夏24個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站暖季小時(shí)降水資料，研究分析了寧夏不同區(qū)域小時(shí)極端降水時(shí)空變化特征，得到以下結(jié)論。

(1)寧夏小時(shí)極端降水量和降水頻次呈自北向南逐漸增大的特點(diǎn)，南部山區(qū)小時(shí)極端降水量變化范圍在40.5～69.9 mm；極端降水強(qiáng)度呈顯著的北多南少和東多西少的特點(diǎn)，北部引黃灌區(qū)石炭井、平羅和銀川城區(qū)降水強(qiáng)度超過(guò)12 mm/h，中部干旱帶中東部為次大值區(qū)，南部山區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度偏弱，降水強(qiáng)度低值區(qū)主要出現(xiàn)在寧夏西部和吳忠。

(2)寧夏北部引黃灌區(qū)大部分區(qū)域的白天極端降水量和降水頻次均較夜間偏少，而中部干旱帶和南部山區(qū)白天極端降水量和降水頻次偏多，南部山區(qū)尤為明顯；除零星點(diǎn)外，寧夏白天降水強(qiáng)度均強(qiáng)于夜間，晝夜差高值區(qū)主要集中在中部干旱帶。

(3)寧夏小時(shí)極端降水量和降水頻次變化趨勢(shì)自北向南逐漸增加，僅3個(gè)站點(diǎn)極端降水量和降水頻次呈減小趨勢(shì)，全部分布在北部引黃灌區(qū)，有16.7%的站點(diǎn)極端降水量增加趨勢(shì)通過(guò)0.1的顯著性檢驗(yàn)。有70.8%的站點(diǎn)極端降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，所有站點(diǎn)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；降水強(qiáng)度表現(xiàn)為減少趨勢(shì)的站點(diǎn)主要集中在北部引黃灌區(qū)，占85.7%。

(4)寧夏自北向南三個(gè)區(qū)域小時(shí)極端降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，其中中部干旱帶極端降水量增加趨勢(shì)顯著，且通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn)。寧夏自北向南三個(gè)區(qū)域最大小時(shí)極端降水量和降水頻次均出現(xiàn)在2018年，極端降水量分別為57.3、60.7、119.0 mm，極端降水頻次分別為5.0、6.3、9.2 次。

(5)南部山區(qū)和中部干旱帶各月極端降水量和降水頻次由低到高的順序?yàn)?、9、6、7、8月，而北部引黃灌區(qū)7月最大。5、6月小時(shí)極端降水強(qiáng)度自北向南遞增，7、8月北部引黃灌區(qū)降水強(qiáng)度最大，9月中部干旱帶小時(shí)極端降水強(qiáng)度最大。

(6)北部引黃灌區(qū)和南部山區(qū)小時(shí)極端降水量峰值出現(xiàn)在17:00，三個(gè)區(qū)域中中部干旱帶18:00的極端降水強(qiáng)度最大。南部山區(qū)逐時(shí)極端降水量主要由極端降水頻次貢獻(xiàn)，北部引黃灌區(qū)和中部干旱帶逐時(shí)極端降水量由降水頻次和降水強(qiáng)度共同影響。