陜西省近34年汛期極端降水事件變化特征分析

摘要：利用陜西省100站自動(dòng)站1985～2018年逐日降水資料，采用百分位法定義汛期極端降水事件的閾值，統(tǒng)計(jì)出陜西省汛期極端降水日數(shù)、極端降水量，并對(duì)其線性趨勢(shì)、年代際變化、突變性和周期變化等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：近34a來(lái)，陜西省汛期極端降水事件整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但趨勢(shì)分布存在明顯的空間的差異，榆林東南部極端雨日、極端降水量增長(zhǎng)明顯，關(guān)中中東部極端雨日和極端降水量的增長(zhǎng)較小，部分地區(qū)的極端降水量還出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。極端雨日出現(xiàn)均值突變的特征，極端降水量具有顯著的年代際變化特征和突變性;極端降水事件多體現(xiàn)年際變化特征，主要以準(zhǔn)2a，2-3a的短周期為主。

關(guān)鍵詞：陜西省汛期;極端降水;突變檢驗(yàn);小波分析

中圖分類號(hào)：P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）22-0045-05

1 引言

隨著氣候的變化，近年來(lái)，極端事件越來(lái)越頻發(fā)，極端降水事件作為一種小概率事件，具有突發(fā)性強(qiáng)、損害性大的特點(diǎn)，極端降水事件往往關(guān)系到該地的防汛抗旱和工農(nóng)生產(chǎn)問(wèn)題，直接影響著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，對(duì)汛期極端降水事件的研究是很有必要的。本文采用百分位法對(duì)陜西省汛期極端降水事件閾值進(jìn)行定義，進(jìn)而探討陜西省汛期極端降水事件的變化特征，以研究出其氣候演變規(guī)律，為陜西汛期極端降水事件的氣候預(yù)測(cè)提供一定的參考。

2 資料與方法

本文所選資料是陜西省1985～2018年100個(gè)自動(dòng)站的逐日觀測(cè)降水資料，數(shù)據(jù)經(jīng)cimiss質(zhì)控處理，對(duì)缺測(cè)進(jìn)行了預(yù)處理。分析所指汛期選取為每年的5～10月份，統(tǒng)計(jì)出陜西省汛期內(nèi)極端降水日數(shù)、極端降水量，對(duì)其線性趨勢(shì)、年代際變化、突變性和周期性等進(jìn)行分析。本文所使用的方法為：百分位法、趨勢(shì)分析[1]、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、滑動(dòng)平均、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Morlet小波分析[2]。

3 陜西省汛期極端降水事件的定義

3.1 陜西省汛期極端降水事件的確定

一般降水根據(jù)24h降水量分為7級(jí)，凡日降水量達(dá)到和超過(guò)25mm的降水為大雨，超過(guò)50mm的降水則稱為暴雨[9]。而陜西省南北跨度較大，陜北、關(guān)中、陜南的地形差異及氣候背景也不同，故對(duì)于陜西省汛期極端降水不能簡(jiǎn)單地沿用大雨、暴雨或者大暴雨的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義極端降水事件的閾值。

出于以上原因，將陜西省1985～2018年日降雨量，采用百分位法[3]定義了陜西省100站的極端降水事件閾值。本文中將1985～2018年逐年5～10月份陜西省各站的有效雨日（日降水量≥0.1mm）的逐日降水資料按照升序排列，第98百分位上的值為排序后的線性插值，選取該值的34a氣候平均值定義為該站極端降水事件的閾值閉。在汛期內(nèi)（5～10月份），若某站某日降水量超過(guò)了該站極端降水事件閾值時(shí)，就定義該站在這一天出現(xiàn)了極端降水事件。

3.2 陜西省汛期極端降水事件特征量的定義

將超過(guò)本站極端降水事件閾值的日數(shù)的累計(jì)，定義為某站汛期極端降水日數(shù);將某站汛期的超過(guò)降水閾值的降水總和，定義為某站汛期內(nèi)所有極端雨日的總降水量，在后文分別將這兩個(gè)特征量簡(jiǎn)稱為極端雨日和極端降水量。

統(tǒng)計(jì)了陜西100個(gè)自動(dòng)站站近34a汛期內(nèi)的極端雨日、極端降水量，建立這兩個(gè)特征量的時(shí)間演變序列，并通過(guò)線性趨勢(shì)、滑動(dòng)平均等方法，分析近34a陜西省汛期內(nèi)的極端降水事件的空間分布及時(shí)間演變特征，陜西整體區(qū)域狀況用100個(gè)站點(diǎn)的平均值代表。后文將應(yīng)用Mann-Kendall方法檢驗(yàn)極端雨日以及極端降水量這兩個(gè)特征量的年代際變化特征和突變性（顯著性水平為α=0.05）;使用Morlet復(fù)小波分析的方法來(lái)探討極端降水事件波動(dòng)的周期性[3]。

4 陜西汛期極端降水的空間分布

從圖1（a）中看出，陜西各站點(diǎn)的年平均總降水量的分布存在一定的空間差異，整體呈現(xiàn)南多北少，自北向南以此遞增，降水量大值區(qū)主要位于陜南南部，最大年平均降水量位于紫陽(yáng)1245.9mm。年均降水量低值區(qū)主要位于榆林西北部，其中最低值出現(xiàn)在定邊站，該站年平均總降水量為348mm，大大低于全省平均值。

從圖1（b）看出，極端降水量閾值在28.1～80.3mm/d之間，平均閾值為39.1mm/d。陜西汛期極端降水事件閾值的空間分布也存在明顯的地域差異，閾值的最大值位于陜南中南部整體呈現(xiàn)南多北少的特征。榆林北部、關(guān)中南部、陜南地區(qū)的極端降水閾值都在平均值以上，為閾值的高值區(qū)，閾值最高值站點(diǎn)與年平均降水量最大值的站點(diǎn)相同，為紫陽(yáng)站，其閾值高達(dá)80.3mm/d，高出區(qū)域平均值約41.2mm/d。榆林西部、延安中西部為閾值的低值區(qū)，最小的閾值為28.1mm/d，出現(xiàn)在榆林橫山站。若單一地沿用大雨（日降水量≥25mm）或暴雨（日降水量≥50mm）等統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定陜西汛期的極端降水，將無(wú)法準(zhǔn)確、真實(shí)地檢測(cè)極端降水事件。由此看來(lái)，采用百分位法定義各站點(diǎn)的極端降水事件閾值是較為合理的。

對(duì)比圖1（a）和（b），陜西汛期極端降水事件閾值的空間分布特征與近34a年平均降水量氣候態(tài)分布較為相似，特別是大值區(qū)的地理位置非常一致，即年平均降水量大值區(qū)對(duì)應(yīng)的極端降水事件閾值也比較大，表明陜西汛期極端降水事件與年平均降水量的關(guān)系較為密切。楊金虎等[4]分析了年極端降水事件的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)中國(guó)年極端降水事件與年降水量之間存在較好的相關(guān)性，且夏季極端降水事件與年降水量的相關(guān)性最好。本文中陜西年均降水量和汛期極端降水事件閾值表現(xiàn)出的空間一致性與這一結(jié)論相似。

5 陜西汛期極端降水事件變化特征

5.1 陜西汛期極端降水事件的變化趨勢(shì)

圖3給出的是近34a陜西汛期極端雨日、極端降水量的線性趨勢(shì)空間分布圖，由圖3（a）可見(jiàn)，陜西汛期極端雨日線性增長(zhǎng)率在整個(gè)區(qū)域內(nèi)基本都為正值，表示陜西各站在34a間的汛期內(nèi)，極端雨日的日數(shù)整體處于增長(zhǎng)狀態(tài)。線性增長(zhǎng)率最大值位于榆林東南部及關(guān)中中部部分地區(qū)，其中佳縣、西安兩站極端雨日的線性增長(zhǎng)率分別為0.61d/10a和0.63d/10a，依次較區(qū)域平均線性增長(zhǎng)率高出0.39d/10a和0.41d/10a。次大值區(qū)的分布較為分散，對(duì)應(yīng)中心昊旗、蒲城、乾縣、徑河、洛南5個(gè)站點(diǎn)的線性增長(zhǎng)率均超過(guò)了0.55d/10a。在榆林北部、延安中部、關(guān)中東部以及陜南中北部的部分地區(qū)極端雨日的線性增長(zhǎng)率為負(fù)，但數(shù)值很小，說(shuō)明這些地區(qū)近34a極端雨日減少的不明顯?？傮w而言，陜北和關(guān)中地區(qū)極端雨日的增長(zhǎng)趨勢(shì)大于陜南地區(qū)。

從圖3（b）和（a）中對(duì)比也可以看出乎，陜西近34a極端降水量線性變化趨勢(shì)的空間分布與極端雨日線性變化趨勢(shì)的空間分布較為相似。極端雨量的線性增長(zhǎng)率大值中心位于榆林東南部，佳縣站的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)達(dá)到43.89mm/10a，較區(qū)域平均的線性增長(zhǎng)率高出約30.75mm/10a。次大值區(qū)集中分布在陜南南部各站點(diǎn)的線性增長(zhǎng)率基本都超過(guò)了25.00mm/10a。榆林西南部和延安西北部、寶雞東部、渭南南部為線性增長(zhǎng)率的低值區(qū)，大部分站點(diǎn)的極端降水量線性增長(zhǎng)率低于10.00mm/10a。與極端雨日不同的是，極端降水量的線性增長(zhǎng)率在陜西100個(gè)站點(diǎn)并非只有極個(gè)別為較小的負(fù)值，在寶雞的鳳縣站和楊凌站極端降水量的線性增長(zhǎng)率出現(xiàn)了-10.57mm/10a和-11.48mm/10a的負(fù)值，說(shuō)明關(guān)中部分地區(qū)汛期極端降水事件的總降水量在1985～2018年的時(shí)間段內(nèi)存在較明顯的下降趨勢(shì)。

綜上可見(jiàn)，陜西汛期極端降水事件變化趨勢(shì)分布并非完全一致，榆林東南部極端雨日、極端降水量增長(zhǎng)明顯，關(guān)中中東部極端雨日和極端降水量的增長(zhǎng)較小，部分地區(qū)的極端降水量還出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。但是，陜西汛期近34a的極端降水事件整體上都表現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，雖然極端降水日數(shù)、極端降水量在34a的增長(zhǎng)幅度不同，但是二者在的空間上的分布特征基本表現(xiàn)一致。

5.2 陜西汛期極端降水事件的年代際特征和突變性

為研究陜西汛期極端降水事件的年代際特征和突變性，對(duì)1985-2018年汛期內(nèi)100個(gè)區(qū)域站的極端雨日、極端降水量序列做了5年滑動(dòng)平均、滑動(dòng)t檢驗(yàn)以及Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗(yàn)[3]（下文簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)）。

圖4給出的是陜西汛期極端雨日和極端降水量1985～2018年的變化趨勢(shì)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果，其中子序列長(zhǎng)度選取為n1=n1=5a?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算兩個(gè)特征量的平均值的差異，來(lái)判斷是否需要對(duì)氣候序列的突變性進(jìn)行檢驗(yàn)，可以根據(jù)圖中t統(tǒng)計(jì)量曲線上的點(diǎn)是否超過(guò)臨界值tα來(lái)判斷序列是發(fā)生突變，并確定出大致的時(shí)間[3]。同時(shí)，還可以根據(jù)突變點(diǎn)前后變化來(lái)分析突變前后序列的變化趨勢(shì)[3]。

圖5給出的是陜西汛期極端雨日和極端降水量的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果。圖中OF為極端降水事件兩個(gè)特征量對(duì)應(yīng)的順序統(tǒng)計(jì)量，UB為逆序統(tǒng)計(jì)量，OF的值大于。表示序列呈上升趨勢(shì)，小于。則表示呈下降趨勢(shì)[3];如果OF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始的時(shí)間[7]。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，陜西汛期極端雨日在19852018年間表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且出現(xiàn)了均值突變的特征（圖4a）。在2000年前后和2005年前后陜西訊期極端雨日發(fā)生了階段性增長(zhǎng)，1985～1999年的極端雨日均值為1.80d/a;2000～2005年為2.00d/a，相比于前一階段增長(zhǎng)了0.02d/a;2006～2018年的極端雨日均值為3.00d/a，相比于前一階段增長(zhǎng)了1.00d/a，可知在2006年后的增長(zhǎng)幅度明顯大于2000年前后的增長(zhǎng)幅度。同時(shí)從滑動(dòng)t檢驗(yàn)的結(jié)果同樣可以看出這一明顯變化，統(tǒng)計(jì)量t值曲線在2000年和2006年都低于臨界值（通過(guò)了α=0.05的顯著性水平），表示這兩短時(shí)期內(nèi)極端雨日出現(xiàn)了突變，并且都超過(guò)了臨界值，兩次突變都表現(xiàn)為極端雨日的增多。由于滑動(dòng)t檢驗(yàn)易受所選取子序列時(shí)段的影響，帶有一定的主觀性，所以綜合考慮極端雨日的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果。從圖5a中可以看出，OF曲線始終大于0，表明極端雨β-直表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，說(shuō)明近34a來(lái)陜西汛期內(nèi)的極端降水事件整體表現(xiàn)為發(fā)生次數(shù)在增加，同時(shí)從1988年開(kāi)始OF值一直超過(guò)了臨界線，表明極端雨日序列從這一時(shí)段起表現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，但是由于統(tǒng)計(jì)量UF和UB曲線并沒(méi)有在圖中出現(xiàn)交點(diǎn)，所以判斷陜西近34a汛期極端雨日在1985～2018年內(nèi)沒(méi)有發(fā)生突變。

從圖可以看出，極端降水量在1985～2018年內(nèi)整體波動(dòng)較大。在20世紀(jì)80年代末到90年代初表現(xiàn)較為穩(wěn)定，變化不大，在1994年出現(xiàn)了明顯的下降，但在1995年到1999年又表現(xiàn)平穩(wěn)。但到了1995年后整體波動(dòng)都很大。從極端降水量5年滑動(dòng)平均曲線來(lái)看（圖4b），1985～1990年極端降水量呈上升趨勢(shì)，1991年至1995年極端降水量呈下降趨勢(shì)，從1996～2008年前后現(xiàn)上升趨勢(shì)，2010～2015年表現(xiàn)為略下降，2015年后猛烈上升。考慮滑動(dòng)t檢驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1990年年代初對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量t的值為正且高于臨界值t_α，說(shuō)明在這個(gè)時(shí)間很可能存在一次突變。隨后一直從1990年年代初到2005年前后極端降水量都表現(xiàn)為顯著的波動(dòng)特征，升高和降低的趨勢(shì)變化反復(fù)出現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)量t在2006年低于臨界值，表示在這一時(shí)段極端降水量發(fā)生了突變，表現(xiàn)為非常顯著的上升趨勢(shì)。從M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果（圖5b）來(lái)看，統(tǒng)計(jì)量OF和UB曲線在2010年和2016年分別出現(xiàn)了交點(diǎn)，并且交點(diǎn)在臨界線范圍內(nèi)，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明極端降水量在這兩年出現(xiàn)了突變，這與前文分析的極端降水量在1996～2009年以及2016～2018年分別表現(xiàn)為上升趨勢(shì)、下降趨勢(shì)和上升趨勢(shì)的結(jié)論達(dá)成一致，說(shuō)明近34a陜西汛期的極端降水量在2010年和2016年的確出現(xiàn)了兩次突變。

以上分析的結(jié)果表明，陜西汛期極端降水事件的變化存在較為顯著的突變性特征，陜西汛期極端雨日在1985-2018年表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且出現(xiàn)了均值突變的特征，在2000年和2006年陜西汛期極端雨日發(fā)生了階段性增長(zhǎng)。極端降水量較明顯的突變出現(xiàn)在2010年和2016年，出現(xiàn)了兩次從下降趨勢(shì)到上升趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變。為深入了解陜西訊期極端降水事件的變化特征，接下來(lái)將對(duì)各個(gè)特征量的周期性變化進(jìn)行分析和討論。

5.3 陜西汛期極端降水事件的周期性變化

利用Morlet小波分析方法，對(duì)陜西汛期極端降水事件進(jìn)行分析，可以看出極端降水事件存在的主要周期及其分布。圖6a、6b分別是陜西汛期區(qū)域平均極端雨日、極端降水量序列的Morlet小波分析的能譜。

由圖6a可見(jiàn)，在1995年以前，極端雨日沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的合理的周期性特征。1995年前后到2004年主要表現(xiàn)為準(zhǔn)2a的周期變化，在2008年前后到2016年前后主要為2～3a的周期變化。由圖6b可見(jiàn)，極端降水量和極端雨日的周期性變化略有相似，在1995年以前沒(méi)有明顯的周期特征，1995～2005年間存在準(zhǔn)2a的周期，且該周期性較極端雨日表現(xiàn)得更為穩(wěn)定且顯著;在2008年前后到2016年前后主要為2～3a的周期變化。在對(duì)比圖6a、圖6b發(fā)現(xiàn)，極端雨日與極端降水量的周期特征相似，結(jié)合前面的變化曲線來(lái)看，二者有較高的相關(guān)性，陜西汛期可能存在極端雨日越多，極端降水量也越多的關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）陜西汛期極端降水事件閾值平均為39.1mm/d，空間分布上具有一定的差異閾值的最大值位于陜南中南部整體呈現(xiàn)南多北少的特征。榆林北部、關(guān)中南部、陜南地區(qū)的極端降水閾值都在平均值以上，為閾值的高值區(qū)，榆林西部、延安中西部為閾值的低值區(qū)。

（2）陜西汛期極端降水事件變化趨勢(shì)分布并非完全一致，榆林東南部極端雨日、極端降水量增長(zhǎng)明顯，關(guān)中中東部極端雨日和極端降水量的增長(zhǎng)較小，部分地區(qū)的極端降水量還出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。但是，陜西汛期的極端降水事件在總體區(qū)域平均上仍然表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，雖然極端降水日數(shù)、極端降水量近34a間的增長(zhǎng)幅度不同，但二者的空間分布特征基本表現(xiàn)一致。

（3）陜西汛期極端降水事件的變化存在較為顯著的突變性特征，陜西汛期極端雨日在1985～2018年表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且出現(xiàn)了兩次均值突變的特征，在2000年和2006年陜西汛期極端雨日發(fā)生了階段性增長(zhǎng)。極端降水量較明顯的突變出現(xiàn)在2010年和2016年，出現(xiàn)了兩次從下降趨勢(shì)到上升趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變。

（4）陜西汛期極端雨日和極端降雨量這兩個(gè)特征量的周期振蕩不完全一致，主要以準(zhǔn)2a、2～3a的短周期為主，多體現(xiàn)年際變化特征。同時(shí)陜西汛期的極端雨日和極端降水量存在較高的相關(guān)性，表現(xiàn)出極端雨日越多，極端降水量越多的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]張愛(ài)英，高霞，任國(guó)玉.華北中部近45a極端降水事件變化特征[J].干旱氣象，2008，26（4）：46～50.

[2]林振山，鄧自旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究[M].北京：氣象出版社，1999.

[3]胡靜.江淮梅雨期極端降水事件變化特征分析[C]//中國(guó)氣象學(xué)會(huì).第32屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)S4東亞氣候變異成因和預(yù)測(cè).北京：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2015：10～14.

[4]楊金虎，江志紅，王鵬祥，等.中國(guó)年極端降水事件的時(shí)空分布特征[J]，氣候與環(huán)境研究，2008，13（1）：76～83.

[4]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社，1981：350～360.

[15]Bonsal B R，Zhang X B，Vincent L A，et al.Characteristic of dailyand extreme temperature over Canada[J].Climate，2001，5（14）：1959～1976.

[7]魏風(fēng)英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，1999.

[8]翟盤茂，潘曉華.中國(guó)北方近50a溫度和降水極端事件變化[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58（增刊）：1～10.

[9]李靜睿，李定安，劉佩佩，等.安康市近45a汛期降水變化特征分析[7].陜西氣象，2015（6）：12～15.

[10]陳海山，范蘇丹，張新華.中國(guó)近50a極端降水事件變化特征的季節(jié)性差異[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（6）：744～751.

收稿日期：2019-09-07

作者簡(jiǎn)介：李靜睿（1991-），女，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)和氣象服務(wù)工作。