1961-2013年河南省極端降水事件時(shí)空變化特征

趙國永, 韓 艷, 劉明華, 侯俊麗, 時(shí)海萍, 劉維真, 郭伊利, 喬 強(qiáng)

(1.信陽師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院, 河南 信陽 464000; 2.信陽師范學(xué)院 氣候與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 信陽 464000; 3.信陽師范學(xué)院 南北過渡帶研究中心, 河南 信陽 464000)

隨著全球變暖，極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度急劇增加[1]。相較于氣候平均狀況，極端氣候事件帶來不利影響更加嚴(yán)重[2]，引起各國政府和國際機(jī)構(gòu)高度重視，已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題[3]。極端降水事件是極端氣候事件重要組成部分，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。與極端氣溫事件相比，極端降水事件不具備全球一致性[4-5]，如一些地區(qū)總降水量減少或不變，但是極端降水的頻率和強(qiáng)度具有增加趨勢[6]。我國不同地區(qū)極端降水事件變化趨勢不一致，長江中下游地區(qū)、西北地區(qū)北部和西南地區(qū)西部年極端降水頻數(shù)具有明顯增加趨勢，而華北地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢[2]。同時(shí)，學(xué)者對(duì)我國[7]及不同區(qū)域極端氣候事件進(jìn)行研究，如：西藏[8]、我國南方[9]、西南地區(qū)[10]、我國半干旱區(qū)[11]、黃土高原[12]、淮河流域[13]、瀏陽河流域[14]、山東省[15]等。

河南省位于黃河中下游，地勢低平，是我國人口大省和農(nóng)業(yè)大省，是我國糧食生產(chǎn)的核心產(chǎn)區(qū)。已有學(xué)者對(duì)河南省極端降水事件進(jìn)行研究，1957—2005年，河南省暴雨日數(shù)和極端降水事件具有不顯著增加趨勢[16]。1961—2006年，河南省汛期極端降水事件空間變化特征為：降水量南多北少，極端降水事件發(fā)生頻次呈現(xiàn)北多南少；汛期極端降水事件發(fā)生頻次存在南北差異[17]。相較于其他區(qū)域極端降水事件研究，河南省研究程度較低，且已有河南省極端降水事件研究指數(shù)較少、研究時(shí)間尺度較短。

本文擬以1961—2013年河南省17個(gè)站點(diǎn)逐日降水量數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，運(yùn)用Sen′s傾向估計(jì)、Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)和空間插值等方法，分析河南省11個(gè)極端降水指數(shù)時(shí)間和空間變化特征及其影響因素。通過本文研究，有助于理解河南省極端降水事件變化特征，為決策部門提供參考，盡可能降低極端降水事件帶來的影響和損失。

1 材料及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供，包括1961—2013年河南省17個(gè)站點(diǎn)逐日降水量，并經(jīng)過極值檢驗(yàn)、時(shí)間一致性檢驗(yàn)和均一化檢驗(yàn)等嚴(yán)格質(zhì)量控制。運(yùn)用R編輯器、RClimDex軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步質(zhì)量控制，包括數(shù)據(jù)記錄日期是否與現(xiàn)實(shí)一致、錯(cuò)誤值及異常值的篩選等；且要求觀測站連續(xù)觀測時(shí)間段為1961年1月1日—2013年12月31日。

1.2 極端降水指數(shù)定義

本研究對(duì)極端降水指數(shù)定義和計(jì)算采用世界氣象組織氣候委員會(huì)(WMO-CCL)和氣候變化與可預(yù)測性計(jì)劃(CLIVAR)氣候變化檢測、監(jiān)測和指數(shù)專家組(ETCCDMI)確定的指數(shù)體系[1]，從中選取11個(gè)極端降水指數(shù)(表1)。采用基于R語言RClimDex 1.0軟件(來源于http:∥cccma.seos.uvi.ca/ETCCDMI)進(jìn)行極端降水指數(shù)計(jì)算。

1.3 研究方法

運(yùn)用Sen′s傾向估計(jì)分析11個(gè)極端降水指數(shù)變化趨勢[18]。運(yùn)用Mann-Kendall方法進(jìn)行變化趨勢顯著性檢驗(yàn)[19]。在ArcGIS 10.0環(huán)境下，通過反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighting)插值繪制河南省11個(gè)極端降水指數(shù)及變化趨勢空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 變化趨勢

1961—2013年，河南省5個(gè)極端降水指數(shù)(PRCPTOT，RX5day，R10，R20和CWD)具有減少趨勢，且均沒有通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)；6個(gè)指數(shù)(RX1day，R95p，R99p，SDⅡ，R25和CDD)具有升高趨勢，只有SDⅡ通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)。同時(shí)，11個(gè)指數(shù)變化幅度不明顯(表2)，共同說明河南省極端降水指數(shù)變化趨勢不顯著。其PRCPTOT變化趨勢與韓艷等[20]基于月觀測數(shù)據(jù)研究結(jié)果一致。

2.2 空間序列變化特征

2.2.1 空間分布 自河南省東南部向西北部，10個(gè)極端降水指數(shù)(PRCPTOT，RX1day，RX5day，R95p，R99p，SDⅡ，R10，R20，R25，CWD)逐漸減少，而CDD逐漸增加，說明河南東南部降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度較大；西北部降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度較小。其原因是河南省東南部受東亞季風(fēng)影響強(qiáng)度大于西北部。

2.2.2 變化趨勢空間分布 近53 a，河南省17個(gè)站點(diǎn)中PRCPTOT趨于減少站點(diǎn)占76.4%，主要分布在河南南部和西北部，最大減幅為21 mm/10 a；其余站點(diǎn)趨于增加，主要分布在商丘和西華等地，最大增幅為21 mm/10 a(圖1A)。RX1day趨于減少站點(diǎn)占47.1%，主要分布在三門峽、孟津、新鄉(xiāng)、駐馬店、固始等地區(qū)；其余站點(diǎn)趨于增加(圖1B)。RX5day趨于減少站點(diǎn)占58.8%，主要分布在安陽、新鄉(xiāng)、孟津、寶豐、許昌、固始等地，最大減幅為8 mm/10 a；其余站點(diǎn)趨于增加，主要分布在西華、商丘等地區(qū)，最大增幅為12 mm/10 a。其中，西華變化趨勢通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖1C)，說明西華具有顯著增加趨勢。

R95p趨于減少站點(diǎn)占41.2%，主要分布在三門峽、孟津、鄭州等地，最大減幅為12 mm/10 a；其余站點(diǎn)趨于增加，主要分布在西華、南陽、許昌、商丘等地區(qū)(其中西華變化趨勢通過α=0.05顯著性檢驗(yàn))，最大增幅為30 mm/10 a(圖1D)。R99p趨于減少站點(diǎn)占47.1%，主要分布在西峽、三門峽、孟津、安陽等地；其余站點(diǎn)趨于增加(圖1E)。SDⅡ趨于減少站點(diǎn)占29.4%，主要分布在河南省東南部和西北部，每10 a最大減幅為0.2 mm/d；其余站點(diǎn)趨于增加，主要分布在西華、商丘等地，每10 a最大增幅為0.6 mm/d。其中，西華和商丘變化趨勢通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖1F)，說明西華和商丘具有顯著增加趨勢。

表1 極端降水指數(shù)定義

表2 1961-2013年河南省極端降水指數(shù)變化趨勢及顯著性檢驗(yàn)

注：*表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)。

R10趨于增加站點(diǎn)占17.6%，主要分布在盧氏、西華和商丘，最大增幅為0.2 d/10 a；其余站點(diǎn)均趨于減少，最大減幅為1 d/10 a(圖1G)。R20趨于減少站點(diǎn)占41.2%，主要分布在信陽、固始、新鄉(xiāng)等地區(qū)；其余站點(diǎn)趨于增加(圖1H)。R25趨于減少站點(diǎn)占41.2%，主要分布在信陽、新鄉(xiāng)、安陽等地；其余站點(diǎn)趨于增加(圖1I)。

CDD趨于減少站點(diǎn)占41.2%，主要分布在安陽、商丘等地；其余站點(diǎn)趨于增加(圖1J)。CWD趨于增加站點(diǎn)占11.8%，主要分布在鄭州和固始，最大增幅為0.1 d/10 a；其余站點(diǎn)均趨于減少，最大減幅為0.3 d/10 a(圖1K)。

過去53 a，11個(gè)極端降水指數(shù)中，商丘和西華9個(gè)指數(shù)(PRCPTOT，RX5day，RX1day，R95p，R99p，SDⅡ，R10，R20和R25)具有升高趨勢，且增加幅度為每一個(gè)指數(shù)最大值；安陽、新鄉(xiāng)、孟津和三門峽9個(gè)指數(shù)(PRCPTOT，RX5day，RX1day，R95p，R99p，R10，R25，CDD和CWD)均具有降低趨勢，且降低幅度幾乎為每一個(gè)指數(shù)最大值。在河南省區(qū)域內(nèi)，商丘和西華降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度顯著增加；安陽、新鄉(xiāng)、孟津、三門峽降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度顯著減少。

3 討 論

3.1 極端降水指數(shù)變化趨勢對(duì)比

與全球同期7個(gè)極端降水指數(shù)相比，河南省4個(gè)指數(shù)(PRCPTOT，RX1day，RX5day和R10)具有相反變化趨勢，3個(gè)指數(shù)(SDⅡ，CDD和CWD)具有相同變化趨勢(表3)，說明河南省和全球極端降水指數(shù)變化趨勢存在差異。

與我國其他區(qū)域同期指數(shù)相比。與西藏已有9個(gè)極端降水指數(shù)[8]均具有相同變化趨勢，與我國南方已有5個(gè)指數(shù)中[9]4個(gè)指數(shù)具有相同變化趨勢，與我國半干旱區(qū)已有7個(gè)指數(shù)[11]中3個(gè)指數(shù)具有相同變化趨勢(表3)，同時(shí)河南省降水強(qiáng)度變化幅度均大于我國南方、青藏高原和半干旱區(qū)，說明河南省極端降水指數(shù)變化特征與我國南方和青藏高原地區(qū)相似，而與我國半干旱區(qū)不同，體現(xiàn)了極端降水指數(shù)區(qū)域性差異。

3.2 極端降水指數(shù)與經(jīng)度、緯度和海拔因素之間關(guān)系

河南省11個(gè)極端降水指數(shù)與緯度相關(guān)性，8個(gè)指數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上，同時(shí)10個(gè)指數(shù)通過了顯著性檢驗(yàn)(9個(gè)α=0.01，1個(gè)α=0.05顯著性檢驗(yàn))(表4)，說明河南省極端降水指數(shù)與緯度密切相關(guān)。同時(shí)，10個(gè)極端降水指數(shù)與緯度呈負(fù)相關(guān)，1個(gè)指數(shù)(CDD)與緯度呈正相關(guān)(表4)，說明隨著緯度增加(自南向北)，河南省降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度逐漸減少，而連續(xù)干旱日數(shù)逐漸增加。

注：黑色方框表示變化趨勢通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖11961-2013年河南省極端降水指數(shù)變化趨勢空間變化分布

河南省11個(gè)極端降水指數(shù)與經(jīng)度和海拔相關(guān)性，大部分指數(shù)相關(guān)系數(shù)均較高，說明河南省極端降水指數(shù)與經(jīng)度和海拔具有較好相關(guān)性。極端降水指數(shù)與經(jīng)度和海拔相關(guān)系數(shù)中，只有3個(gè)指數(shù)(RX1day，RX5day，SDⅡ)通過顯著性檢驗(yàn)(表4)，說明河南省極端降水指數(shù)與經(jīng)度和海拔密切程度低于緯度。同時(shí)，9個(gè)極端降水指數(shù)與經(jīng)度呈正相關(guān)，2個(gè)指數(shù)(CDD，CWD)呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)接近于0；9個(gè)極端降水指數(shù)與海拔呈負(fù)相關(guān)，2個(gè)指數(shù)(R10，CWD)呈正相關(guān)，說明隨著經(jīng)度遞減(自東向西)和海拔升高(自東向西)，河南省極端降水指數(shù)均具有減少趨勢。河南省降水量自東部向西部逐漸減少，與月觀測數(shù)據(jù)記錄結(jié)果一致。其原因是河南省處于東亞季風(fēng)區(qū)范圍內(nèi)，東部更加靠近海洋，東部受季風(fēng)影響強(qiáng)于西部。

3.3 極端降水指數(shù)與年降水量之間關(guān)系

從表5可以看出，河南省9個(gè)極端降水指數(shù)與年總降水量呈正相關(guān)，1個(gè)指數(shù)(CDD)呈負(fù)相關(guān)。正相關(guān)系數(shù)在0.59以上，最高達(dá)到0.95，且均通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)，說明本文選取11個(gè)極端降水指數(shù)對(duì)河南省降水具有較好的指示作用，極端降水指數(shù)的增多/減少反映了降水量的增多和減少[12]。同時(shí)，河南省每一個(gè)站點(diǎn)4個(gè)指數(shù)(R95p，R10，R20和R25)與年總降水量正相關(guān)系數(shù)均通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)，說明極端降水量(R95p)、年降水日數(shù)降水量(R10，R20和R25)對(duì)年總降水量貢獻(xiàn)最大。

表3 河南省極端降水指數(shù)變化趨勢與其他區(qū)域?qū)Ρ?/p>

注：*，**分別表示通過α=0.05和α=0.01顯著性檢驗(yàn)，青藏高原數(shù)據(jù)、全球數(shù)據(jù)來自于參考文獻(xiàn)[8]，我國南方數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[9]，我國北方半干旱區(qū)數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[11]。

表4 1961-2013年河南省極端降水指數(shù)與緯度、經(jīng)度和海拔相關(guān)系數(shù)

注：*，**分別表示通過α=0.05和α=0.01顯著性檢驗(yàn)。

表5 1961-2013年河南省極端降水指數(shù)與年總降水量相關(guān)系數(shù)

注：**表示通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)，SNo表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)站點(diǎn)數(shù)占總站點(diǎn)數(shù)比例。

4 結(jié) 論

(1) 時(shí)間尺度上，河南省極端降水指數(shù)變化趨勢不顯著。(2) 空間尺度上，河南東南部降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度強(qiáng)于其西北部。過去53 a，商丘和西華降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度顯著增加，而安陽、新鄉(xiāng)、孟津、三門峽顯著減少。(3) 緯度因素對(duì)河南極端降水指數(shù)變化影響強(qiáng)于經(jīng)度和海拔因素，極端降水量(R95p)、年降水日數(shù)降水量(R10，R20和R25)對(duì)年總降水量貢獻(xiàn)最大。