山西北部極端降水時空演變規(guī)律及與大氣環(huán)流因子的響應

蔡 霞， 梁桂花， 張冬峰， 蔡 琳， 白 櫻， 李銳鋒

（1.山西省朔州市氣象局，山西 朔州 036002；2.山西省朔州市朔城區(qū)氣象局，山西 朔州 036002；3.山西省氣候中心，山西 太原 030006；4.山東省菏澤學院，山東 菏澤 274000；5.河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001；6.山西省朔州市平魯區(qū)氣象局，山西 朔州 036002）

IPCC 第六次評估報告指出，自從20 世紀80 年代以來，全球陸地平均降水速率加速增長，高溫熱浪、干旱、極端強降水事件頻率和強度持續(xù)顯著增強，未來有趨于嚴重的態(tài)勢［1］。

近年來，有學者研究了全球的降水事件，證實全球各地區(qū)降水日數(shù)和極端降水都顯著增多，其中北美洲區(qū)域極端降水量呈上升趨勢［2］，南美洲區(qū)域極端降水頻率顯著增強［3］，亞洲的大部分區(qū)域極端降水頻次和強度都表現(xiàn)出增多增強的態(tài)勢［4-5］。還有學者對影響極端降水的環(huán)流因子進行了深入研究［6］，發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾/南方濤動（ENSO）［7］、印度洋偶極子、北大西洋濤動（NAO）、太平洋年際振蕩（PDO）［8-10］、熱帶太平洋海溫［11］、東亞夏季風［12］以及西太平洋副熱帶高壓［12-13］等大氣環(huán)流異常與極端降水事件的發(fā)生關(guān)系密切。張勇等［14］研究發(fā)現(xiàn)NAO 不僅在年代際上顯現(xiàn)顯著的周期震蕩特征，而且與長江中下游地區(qū)極端降水響應關(guān)系很好，吳舒祺等［15］指出大氣濤動與長江中下游地區(qū)極端降水存在顯著的共振周期，不同時頻域上差異明顯，說明外部驅(qū)動力能夠影響極端降水的變化，大尺度的氣候因子可以作為其中的一個重要原因。近些年，越來越多的學者對極端降水的周期特征進行了相關(guān)研究［16-21］，鄒磊等［20］采用連續(xù)小波變換及交叉小波等方法，討論了渭河流域極端降水指數(shù)的周期變換特征及其與大氣環(huán)流因子的響應。丁瑩瑩等［21］采用小波相干分析等方法，研究了關(guān)中平原極端降水指數(shù)與南方濤動（SIO）的位相關(guān)系及局部相關(guān)程度，也有部分學者針對山西全省極端降水指數(shù)開展了相關(guān)研究［22-23］，但對于山西北部極端降水影響機制的研究尚少。山西歷來“十年九旱”［24-25］，尤其是1990 年代之后，伴隨全球變暖加速，山西干旱日趨嚴重，也對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大影響［26］。山西北部地區(qū)自然降水更少，大多數(shù)農(nóng)作物產(chǎn)量都依賴天氣氣候條件，因此很有必要針對山西北部極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)之間的關(guān)系進行更深層次的探討。本文詳細研究了山西北部地區(qū)極端降水指數(shù)的時空變化和周期震蕩特征及其與大氣環(huán)流因子之間的響應，為山西北部極端降水事件的預測和農(nóng)業(yè)氣象服務提供理論依據(jù)，為政府部門防治旱澇災害提供科學支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

山 西 北 部 地 區(qū)（111.08°～114.26°E，38.39°～40.37°N）自北向南包括大同、朔州、忻州3 個地級市，面積約為4.99×104km2，海拔759.4～2208.3 m。地形復雜多變，以南部恒山、北部洪濤山為界，東鄰太行山，西靠呂梁山，山脈之間有大同盆地和忻州盆地，屬溫帶寒冷半干旱氣候。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1972—2020 年逐日降水資料源自山西北部28個國家氣象站點（圖1）。利用RClimate1.0軟件對逐日降水數(shù)據(jù)進行計算和質(zhì)量控制檢驗得到極端降水指數(shù)。為進一步研究對山西北部地區(qū)極端降水的大氣環(huán)流影響因子，選擇與極端降水指數(shù)關(guān)系較為密切的9 種大氣環(huán)流因子，包括南方濤動指數(shù)（SOI）、北太平洋遙相關(guān)指數(shù)（NP）、北大西洋濤動指數(shù)（NAO）、北極濤動指數(shù)（AO）、大西洋年際振蕩指數(shù)（AMO）、西太平洋遙相關(guān)型指數(shù)（WP）、太平洋年代際振蕩指數(shù)（PDO）、亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)和太陽黑子（SN），數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心氣候監(jiān)測（http://cmdp.ncc-cma.net/cn/monitoring.htm）。

圖1 山西北部氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in northern Shanxi

1.3 研究方法

根據(jù)山西北部的氣候特征，選取了世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）以及氣候變化檢測和指數(shù)專家組（ETCCDI）（http://etccdi.pacificclimate.org/）推薦的核心指數(shù)中的8 種極端降水指數(shù)，包括年總降水量（PRCPTOT）、中雨以上日數(shù)（R10mm）、強降水量（R95P）、極強降水量（R99P）、1 d最大降水量（Rx1day）、5 d最大降水量（Rx5day）、日降水強度（SDII）、持續(xù)濕期日數(shù)（CWD）（表1）。

表1 極端降水指數(shù)及定義Tab.1 Extreme precipitation indices and definitions

采用線性回歸法分析了極端降水指數(shù)的氣候變化趨勢［27］；通過ArcGIS反距離權(quán)重插值法［28］繪制極端降水的空間趨勢分布圖；應用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法、連續(xù)小波變換和交叉小波等方法［20-21，29-33］分析了極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子之間的相關(guān)性和周期性特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西北部極端降水指數(shù)時空演變特征

2.1.1 極端降水指數(shù)時間變化特征1972—2020年山西北部極端降水指數(shù)PRCPTOT、R10mm、SDII、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day分別以8.022 mm·(10a)-1、0.425 d·(10a)-1、0.204 mm·(10a)-1、4.18 mm·(10a)-1、1.443 mm·(10a)-1、0.744 mm·(10a)-1、1.321 mm·(10a)-1的速率增加，SDII 通過了0.05 的顯著性水平檢驗，其他指數(shù)的上升趨勢都不顯著，說明SDII有顯著增強的趨勢，但CWD 指數(shù)以0.026 d·(10a)-1的速率減少（圖2）。

圖2 山西北部極端降水指數(shù)變化趨勢Fig.2 Change trends of extreme precipitation indices in northern Shanxi

其中，PRCPTOT 多年平均值為421.2 mm，降水最多年份出現(xiàn)在1995年（565.2 mm），最少年份出現(xiàn)在1972年（247.4 mm）；R10mm多年平均值為13.1 d，R10mm 最多年份出現(xiàn)在2013 年（17.5 d），最少年份出現(xiàn)在1972 年（6.8 d）。通過9 a 滑動平均曲線來看，PRCPTOT和R10mm變化趨勢基本一致，都是在20 世紀70 年代后期和90 年代前期以及21 世紀00年代后期到10 年代，位于多年平均值之上，降水偏多，整個20 世紀80 年代以及90 年代中期一直到21世紀00年代中期，處于多年平均值之下，降水偏少。

R95P 和R99P 多年平均值分別為102.4 mm 和31.4 mm，最大值均出現(xiàn)于1995年（分別為240.0 mm和105.0 mm）。Rx5day多年平均值為72.0 mm，年最大5 d降水量發(fā)生在1995年（114.5 mm），年最小5 d降水量發(fā)生在1972 年（40.4 mm）。從9 a 滑動平均曲線分析，R95P、R99P 和Rx5day 波動趨勢一致，均在20世紀70年代后期、90年代以及21世紀00年代中后期到10 年代高于多年平均值，屬多雨期，20 世紀80 年代和21 世紀00 年代前期低于多年平均值，屬少雨期。Rx1day 多年平均值為45.8 mm，年最大1 d 降水量發(fā)生在2012 年（69.6 mm），年最小1 d 降水量發(fā)生在1972 年（30.7 mm）。9 a 滑動平均曲線顯示，Rx1day在20世紀70年代后期和21世紀00年代中后期到10年代，高于多年平均值，屬多雨期，從20世紀80年代一直延續(xù)到21世紀00年代中期均低于多年平均值。SDII 多年平均值為8.0 mm，SDII 最大值發(fā)生在1995 年（10.9 mm），最小值發(fā)生在1972年（5.9 mm）。從9 a 滑動平均曲線可知，20 世紀70年代中后期持續(xù)到整個80年代和21世紀00年代前期，SDII 均弱于多年平均值，處于多年平均值之下，20世紀90年代和21世紀00年代中后期到10年代，SDII 均強于多年平均值，位于多年平均值上方。CWD 多年平均值為4.4 d，CWD 最多出現(xiàn)在1988 年（6.0 d），最少出現(xiàn)在1972 年（2.7 d）。9 a 滑動平均曲線顯示，20世紀70年代到80年代后期CWD位于多年平均值之上，80年代后期到90年代后期在多年平均值上下波動，90 年代后期到21 世紀00 年代后期，位于多年平均值下方，21世紀00年代后期到10年代之后略多于多年平均值。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，PRCPTOT、R10mm、SDII、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day 和CWD 8 個極端降水指數(shù)在20 世紀70 年代后期和21 世紀00 年代后期到10年代，PRCPTOT、R10mm、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day 均增多，SDII 顯著增強，CWD 也略有增多。整個20世紀80年代降水異常偏少。

2.1.2 極端強降水指數(shù)空間分布特征由圖3所示，8個極端降水指數(shù)空間分布均呈現(xiàn)出從東北向西南增多，SDII最大值出現(xiàn)在五臺站，其余7個極端降水指數(shù)的最大值都出現(xiàn)在五臺山站。PRCPTOT 介于358.5～712.3 mm 之間，最小值出現(xiàn)在山陰縣，為358.5 mm。R10mm介于11.1～21.9 d之間，最小值出現(xiàn)在山陰縣。R95p和R99p分別介于82.3～178.2 mm和21.3～58.4 mm之間，最小值均出現(xiàn)在應縣。Rx1day和Rx5day 分別介于36.9～59.9 mm 和58.6～101.7 mm之間，最小值均出現(xiàn)在應縣。SDII 介于7.2～9.1 mm之間，最小值出現(xiàn)在應縣。CWD 介于3.8～5.8 d 之間，最小值出現(xiàn)在渾源縣。

圖3 山西北部地區(qū)極端降水指數(shù)空間分布及趨勢變化特征Fig.3 Spatial distributions and trends of extreme precipitation indices in northern Shanxi

從極端降水指數(shù)站點趨勢分析（表2）來看，PRCPTOT 和R10mm 呈上升趨勢的站點分別占82.1%和89.3%。陽高、天鎮(zhèn)、渾源、廣靈、五臺山站PRCPTOT 均呈現(xiàn)下降趨勢，無顯著下降站點，下降速率最大的站點為五臺山站，為20.15 mm·(10a)-1，其他站點呈上升趨勢，其中五寨站上升速率最顯著，為19.3 mm·(10a)-1，神池站次之，為17.7 mm·(10a)-1，2 個站點均通過了α=0.05 的顯著性檢驗。陽高、渾源、五臺山站R10mm 分別以0.31 d·(10a)-1、0.02 d·(10a)-1和0.38 d·(10a)-1的速率下降，其他站點均呈上升趨勢，其中大同、朔城區(qū)、應縣、平魯、右玉、偏關(guān)6個站點均通過了α=0.05的顯著性檢驗，懷仁通過了α=0.01的顯著性檢驗，朔城區(qū)站上升速率最顯著，為0.86 d·(10a)-1。Rx1day 呈上升趨勢的站點占57.1%，忻府區(qū)、定襄2 個站點均通過了α=0.01的顯著性檢驗，靜樂站通過了α=0.05 的顯著性檢驗，定襄站上升速率最顯著，為5.41 mm·(10a)-1，下降趨勢的站點占42.9%，無顯著下降站點，廣靈站下降速率最大，為2.87 mm·(10a)-1。Rx5day 呈上升趨勢的站點占75.0%，無顯著上升和顯著下降的站點，定襄站上升速率最大，為5.08 mm·(10a)-1，天鎮(zhèn)站下降速率最大，為2.38 mm·(10a)-1。R95p和R99p呈上升趨勢的站點分別占67.9%和53.6%，顯著上升的站點均位于忻府區(qū)和定襄站，2 個站點分別通過了α=0.05 和α=0.01 的顯著性檢驗，R95p 無顯著下降站點，廣靈站下降速率最大，為10.74 mm·(10a)-1，R99p顯著下降的站點位于廣靈縣，為8.77 mm·(10a)-1，通過了α=0.05的顯著性檢驗。CWD呈下降趨勢的站點占57.1%，寧武縣下降速率最顯著，為0.29 d·(10a)-1，通過了α=0.05的顯著性檢驗，岢嵐縣上升速率最顯著，為0.36 d·(10a)-1，通過了α=0.01 的顯著性檢驗。SDII除陽高站呈下降趨勢外，其余27個站點均呈上升趨勢，其中顯著上升的站點位于忻府區(qū)、五臺山和定襄站，分別通過了α=0.01和α=0.05的顯著性檢驗，五臺山站上升速率最顯著，為0.46 mm·(10a)-1。

表2 極端降水指數(shù)趨勢分析站點統(tǒng)計Tab.2 Site statistics of extreme precipitation index trend analysis

綜上所述，山西北部8 個極端降水指數(shù)空間分布均表現(xiàn)出從東北向西南地區(qū)逐步增加。從站點趨勢變化來分析，大多數(shù)站點的極端降水指數(shù)呈上升趨勢，其中上升趨勢最顯著的站點均位于忻州市境內(nèi)西南部。朔州市境內(nèi)和忻州市東南部站點PRCPTOT 和SDII 都呈增加趨勢，但CWD 則呈減少趨勢，由此說明朔州市境內(nèi)和忻州市東南部地區(qū)發(fā)生極端降水事件的概率較大。蔡霞等［34］研究指出1972—2020 年近49 a 來山西北部極端強降水日數(shù)和暴雨日數(shù)（極強降水日數(shù)）均呈現(xiàn)小幅上升趨勢，極端強降水日數(shù)的各年代際差異較明顯，其中西南部站點從21 世紀10 年代開始明顯多于東北部站點。暴雨日數(shù)（極強降水日數(shù)）各年代際空間分布都表現(xiàn)出從東北部向西南部增加的特點。與本文探討的8個極端降水指數(shù)空間分布及趨勢變化特征所得結(jié)論一致。

2.2 極端降水指數(shù)的周期特征

連續(xù)小波變換能揭示極端降水指數(shù)的時序變化特征。由山西北部極端降水連續(xù)小波變換功率譜（圖4）可以看出，SDII 周期特征未達到置信水平為95%的紅噪聲檢驗，其他7 個極端降水指數(shù)在通過95%的置信水平下，PRCPTOT 存在2～3 a 左右的顯著周期，較強的能量發(fā)生在1972—1976 年；R10mm 在2005—2012 年表現(xiàn)出4～5 a 左右的周期震蕩；R95P 在1990—1995 年和1991—1996 年分別表現(xiàn)出2～4.5 a 左右和7～8 a 左右的周期震蕩；R99P在1991—1996 年表現(xiàn)出2～4.5 a 左右的周期震蕩；Rx1day 在1990—1992、2019—2010、2010—2017 年分別表現(xiàn)出2～4 a、1～1.5 a、4～6 a 左右的周期震蕩；Rx5day 在1990—1995、2012—2018 年分別表現(xiàn)出2～4 a、4～6 a 左右的周期震蕩；CWD 在1980—1995年和1991—1993 年分別表現(xiàn)出1～2 a 和4.5～8 a 左右的周期震蕩。

圖4 山西北部極端降水指數(shù)連續(xù)小波變換功率譜Fig.4 Continuous wavelet transform power spectrum of extreme precipitation indices in northern Shanxi

綜上所述，除SDII外，PRCPTOT、R10mm、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day 和CWD 都在近8 a 內(nèi)周期特性顯著，震蕩周期約4 a左右。

2.3 極端降水對大氣環(huán)流異常因子的響應

選取1972—2020 年的大氣環(huán)流的NAO、AO、AMO、SOI、PDO、NP、WP、SN 和亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)與同時間序列的8個極端降水指數(shù)進行相關(guān)系數(shù)計算（表3），發(fā)現(xiàn)NAO 與Rx1day、Rx5day、R95P、R99P、SDII存在顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均通過了0.1的顯著性檢驗，與Rx1day 和SDII 相關(guān)系數(shù)通過了0.05的顯著性檢驗。AO因子與R99P存在顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了0.1 的顯著性檢驗。AMO 因子與Rx1day、R10mm、R95P 和SDII 存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別通過了0.1和0.05的顯著性檢驗。亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)與Rx1day 和SDII 存在顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別通過了0.1和0.05的顯著性檢驗，與R10mm 存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了0.1 的顯著性檢驗。

表3 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流異常因子的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between extreme precipitation indices and abnormal factors of atmospheric circulation

由以上分析得出，NAO指數(shù)增大，Rx1day、Rx5day、R95P、R99P 以及SDII 都相應減少；AO 指數(shù)越大，R99P越少；AMO指數(shù)增大，Rx1day、R10mm、R95P以及SDII 都相應增多、增強；亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)增大，Rx1day、SDII都減少，而R10mm卻隨之增多。

采用交叉小波進一步探討極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)NAO 兩者間的時頻變換關(guān)系和周期共同特征。交叉小波變換重點反映極端降水指數(shù)變化與NAO 指數(shù)在時頻域中高能量區(qū)和低能量區(qū)的相互影響關(guān)系（圖5）。

圖5 山西北部極端降水指數(shù)與NAO交叉小波變換Fig.5 Cross wavelet transform of extreme precipitation indices and NAO in northern Shanxi

PRCPTOT、R10mm 與NAO 的交叉小波功率譜相似，高能量區(qū)都集中在1985—1988年，存在1～2.5 a的共振周期(小波交叉功率譜相關(guān)系數(shù)通過了α=0.05 顯著性水平下的紅噪聲檢驗），PRCPTOT 與NAO，R10mm 與NAO 都呈負相位變化關(guān)系，說明PRCPTOT、R10mm與NAO的變化相反，即NAO值越大，PRCPTOT 和R10mm 越少（圖5a～b）。交叉小波功率譜高能量區(qū)集中在1986—1992年，顯示出1.5～4 a的共振周期，R95P與NAO呈負相位，且提前1～2個月（位相角方向左向下，位相差約為45°）（圖5c）。高能量區(qū)集中在2008—2012年，存在1～3 a的共振周期，在此周期內(nèi)R99P與NAO呈負位相，且滯后1～2 個月（位相角方向左向上，位相差約為45°）（圖5d）。高能量區(qū)集中在2008—2012 年，存在1～3.5 a 的共振周期，在該周期內(nèi)Rx1day 與NAO 呈負位相，同時滯后1～2 個月（位相角方向左向上，位相差約為45°）（圖5e）。高能量區(qū)集中在1986—1990年，存在1.5～4.0 a 的共振周期，此周期內(nèi)Rx5day 與NAO呈負位相，同時超前1～2個月（位相角方向左向下，位相差約為45°）（圖5f）。高能量區(qū)集中在2008—2012 年，存在1.5～2.0 a 的共振周期，共振周期內(nèi)SDII 與NAO 呈負位相（圖5g）。高能量區(qū)集中在1984—1990 年，存在1.5～3.0 a 的共振周期，共振周期內(nèi)CWD與NAO呈負位相（圖5h）。

由以上分析得出，極端降水指數(shù)主要受NAO影響，NAO 值越大，PRCPTOT、R10mm、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day 和SDII 則越小，同時CWD 也越少。特別是在1990—2020 年，約4 a 左右的共振周期特征較鮮明，與本文研究極端降水指數(shù)的周期震蕩變化特征結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

（1）山西北部極端降水指數(shù)PRCPTOT、R10mm、Rx1day、Rx5day、R95P、R99P、SDII 和CWD 8 個極端降水指數(shù)在20 世紀70 年代后期和21 世紀00 年代后期到10 年代，PRCPTOT、R10mm、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day均增多，SDII顯著增強，CWD也略有增多。整個20世紀80年代降水異常偏少。

（2）山西北部8個極端降水指數(shù)空間分布均表現(xiàn)出由東北向西南地區(qū)逐步增加。從站點趨勢變化來分析，大多數(shù)站點的極端降水指數(shù)呈上升趨勢，其中，上升趨勢最顯著的站點均位于忻州市境內(nèi)西南部。朔州市境內(nèi)和忻州市東南部站點PRCPTOT 和SDII 都呈增加趨勢，但CWD 則呈減少趨勢，由此說明朔州市境內(nèi)和忻州市東南部地區(qū)發(fā)生極端降水事件的概率較大。

（3）通過連續(xù)小波和交叉小波變換分析發(fā)現(xiàn)，1990—2020年山西北部極端降水指數(shù)存在約4 a左右的周期特征。NAO 對山西北部極端降水指數(shù)有重要的影響作用，NAO 值越大，PRCPTOT、R10mm、R95P、R99P、Rx1day、Rx5day、SDII 則 越 小，同 時CWD 也越少，即山西北部產(chǎn)生少雨干旱的幾率較大，反之，易發(fā)生多雨、洪澇現(xiàn)象。