基于中國降水格點數(shù)據(jù)集的陜西夏季不同等級降水時空變化特征分析

盧 珊，王百朋，張宏芳，張 曦，汪媛媛

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710014;2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；3.陜西省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，西安 710014)

陜西省位于西北內(nèi)陸腹地，橫跨黃河和長江兩大流域中部，自然區(qū)劃上因秦嶺-淮河一線而橫跨北方與南方，受其地形影響，夏季降水往往具有突發(fā)性和局地性特點，再加上生態(tài)系統(tǒng)脆弱，暴雨容易造成較大的社會經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。在過去半個多世紀(jì)，全球變暖的趨勢越來越明顯，很多國家和地區(qū)極端降水事件呈現(xiàn)出增多趨勢[3-5]。近年來針對陜西降水的研究也指出，20世紀(jì)90年代以后，陜西降水異常頻數(shù)增加，暴雨在全省大部呈增加趨勢，都反映出近些年來陜西強降水事件增加的事實[6-9]。

目前，國內(nèi)外已有多套高分辨率的全球格點化降水資料發(fā)布，但是其同化的中國地面站點偏少，在中國的適用性仍需要系統(tǒng)地評估。2012 年中國氣象局國家氣象信息中心發(fā)布了中國降水格點數(shù)據(jù)集(下稱V2.0格點資料)，該數(shù)據(jù)基于2 472個中國地面高密度臺站的降水資料，利用薄盤樣條法進(jìn)行空間插值，生成了中國地面水平分辨率0.5°×0.5°的日值降水格點數(shù)據(jù)，提供了一個包括中國大陸范圍、時間序列較為完整、分辨率較高的逐日降水格點數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其在計算過程中盡可能消除了中國區(qū)域獨特地形條件下高程對降水空間插值精度的影響[10-11]。有學(xué)者嘗試運用該格點數(shù)據(jù)在我國干旱區(qū)開展了降水的研究[12-13]，模擬效果較好，可以有效緩解實測站點對山區(qū)降水低估的問題，但是陜西地區(qū)南北降水差異很大，且氣象監(jiān)測站點多集中在關(guān)中地區(qū)，陜北、陜南及秦嶺山區(qū)站點較少；因此該套格點降水資料在陜西的適用性有待研究。

之前的研究表明，陜西夏季降水占到全年降水的一半左右，大雨以上降水量占比超過6成[7]，因此本研究主要針對夏季(6-8月)展開。在評估V2.0格點資料在夏季陜西地區(qū)的適用性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析近55 a不同等級降水事件的時空變化特征，以期更加深入地了解陜西降水事件的演變規(guī)律，提高應(yīng)對強降水事件的監(jiān)測預(yù)警能力。

1 資料與方法

1.1 資料

站點降水資料為中國氣象局國家氣象信息中心整編的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)及陜西省氣象信息中心提供的逐日降水資料。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除了累計缺測日數(shù)超過30 d的站點，最終選取了陜西省內(nèi)55站1961—2015年逐日降水資料。格點降水資料為同期V2.0格點資料，水平分辨率為0.5°×0.5°。

1.2 方法

降水等級參照中國氣象局頒布的《降水強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》的24 h降水量標(biāo)準(zhǔn)，劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨4個等級；降水日數(shù)定義為日降水量≥0.1 mm的日數(shù)。

使用的方法主要包括雙線性插值、相關(guān)分析、合成分析、線性傾向估計及Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法等。采用雙線性插值方法將格點資料插值到站點上，使用線性回歸方法對降水事件的降水量、頻次進(jìn)行趨勢分析。此外，運用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法構(gòu)造Z指數(shù)對變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果分析

2.1 絕對誤差分析

為評估陜西地區(qū)夏季降水日值空間插值的精度，分析了夏季及6、7、8月的插值絕對誤差(下稱誤差)的空間分布。從圖1a中可以看出，對于夏季來說，81.8%的臺站的誤差絕對值<0.5 mm，V2.0格點降水在陜北北部、關(guān)中大部及陜南東南部地區(qū)較實況偏大，在陜北南部及陜南中西部較實況偏小，誤差較大的站點主要集中在關(guān)中南部和陜南西南部地區(qū)。6月，V2.0降水在全省大部較實況偏大，除寶雞西部及陜南南部個別站點外，全省共有87%的站點的誤差絕對值<0.5 mm，這應(yīng)該與6月陜西降水量整體偏小有關(guān)(圖1b)。7月，在關(guān)中地區(qū)，V2.0降水較實況偏大，在陜北和陜南地區(qū)則以偏少為主。隨著降水在陜西地區(qū)的增加，關(guān)中及陜南地區(qū)的誤差較6月有增大趨勢(圖1c)。8月的誤差分布大致上同7月相似，且誤差大值站點總數(shù)有進(jìn)一步的增多(圖1d)?？傮w來說，V2.0格點資料在陜北地區(qū)的誤差較小，在關(guān)中及陜南地區(qū)誤差偏大。在夏季及6、7、8月，關(guān)中大部的誤差以偏多為主，而在陜南地區(qū)則是以偏少為主，其中關(guān)中南部及陜南南部的誤差值較大。

圖1 陜西1961—2015年夏季(a)及6、7、8月(b～d)V2.0格點降水資料的平均絕對誤差(單位為mm)空間分布(審圖號：GS(2019)3333號)

2.2 不同等級降水空間分布特征

參照《降水強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》的24 h降水量標(biāo)準(zhǔn)，基于V2.0格點及站點實況資料，得到了夏季陜西地區(qū)小雨、中雨、大雨及暴雨的累計降雨量及降水日數(shù)的多年平均空間分布(圖2)。

從不同等級降水事件累積雨量(圖2)可見，以秦嶺為界，各等級降水在陜西大體呈現(xiàn)出南多北少的分布特征。對于小雨等級，V2.0降水量多在100～140 mm之間，整體上較實況偏大，V2.0雨量中心位于陜南中北部地區(qū)，而實況降水中心主要集中在陜南西北部地區(qū)。V2.0和實況小雨雨量低值中心均位于關(guān)中中北部地區(qū)，位置對應(yīng)較好(圖2a、圖2e)。V2.0中雨雨量在全省的分布與實況基本一致，大部地區(qū)的中雨雨量在80～120 mm之間，V2.0和實況的雨量中心均位于陜南中北部地區(qū)，雨量中心達(dá)120 mm以上(圖2b、圖2f)。對于大雨等級，V2.0降水量多介于60 mm到120 mm之間，較實況降水偏小20 mm左右(圖2c、圖2g)。V2.0暴雨雨量同實況的差異非常顯著，V2.0暴雨中心值僅有50 mm，而實況暴雨中心達(dá)180 mm左右，相差130 mm以上(圖2d、圖2h)。此外，觀察全省不同等級降水日數(shù)在全省的分布(圖略)發(fā)現(xiàn)，V2.0小雨雨日較實況明顯偏大，在多數(shù)地區(qū)偏多40 d以上，這是造成V2.0小雨雨量高于實況降水的主要原因。V2.0中雨雨日和大雨雨日在全省的分布基本上與實況一致，中雨雨日大值中心位于陜南中北部地區(qū)，降水日數(shù)在8 d左右。大雨雨日中心位于陜南南部，降水日數(shù)在3～4 d左右。V2.0暴雨雨日同實況差異顯著，其中V2.0暴雨雨日中心值僅有0.9 d，而實況暴雨雨日在3 d以上，顯著的雨日差異造成了陜南南部暴雨雨量中心相差100 mm以上。

圖2 陜西1961—2015年夏季不同等級降水年平均降雨量(單位為mm)空間分布(V2.0為a～d；實況為e～h；審圖號為GS(2019)3333號)

可以發(fā)現(xiàn)，V2.0中雨等級降水在陜西的分布特征同實況的一致性較好。對于小雨等級，V2.0降水日數(shù)和降水量明顯大于實況，同時暴雨日數(shù)及暴雨雨量則顯著小于實況值。

2.3 不同等級降水時空變化特征

2.3.1 空間變化 在分析不同等級降水空間分布的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算了V2.0降水在全省各個格點上近年來的變化趨勢，并與同期實況降水進(jìn)行對比。觀察各等級降水年雨量變化趨勢可見，V2.0小雨雨量同實況在全省的變化特征較為一致(圖3a、圖3e)，除陜北北部及關(guān)中部分地區(qū)外，小雨雨量在全省其余地區(qū)均表現(xiàn)為增加趨勢，變化幅度多在-2.0～2.0 mm/10 a之間。對于中雨等級，V2.0降水在陜南大部及陜北北部大部分地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢，在陜北南部、陜南西部及陜北北部局地表現(xiàn)出減少趨勢，其中關(guān)中東部及商洛北部增速最快，達(dá)到2.0 mm/10 a以上(圖3b)。實況中雨雨量變化顯示，呈現(xiàn)增加趨勢的區(qū)域范圍相比V2.0較小，主要位于陜北東北部、關(guān)中大部及商洛等地，其中關(guān)中中南部的增速最快，超過了6.0 mm/10 a(圖3f)。V2.0大雨雨量在全省大部表現(xiàn)為增加趨勢，雨量增加幅度多低于1.5 mm/10 a，小于大雨實況變化幅度(圖3c、圖3g)。對于暴雨等級，V2.0降水和實況在全省大部均表現(xiàn)為增加趨勢，但是V2.0暴雨增幅中心位于關(guān)中中北部地區(qū)，增幅在2.5 mm/10 a左右，而實況暴雨增幅中心位于陜南南部，增幅超過了20.0 mm/10 a(圖3d、圖3h)。另外，觀察V2.0降水在不同等級雨日變化上同實況的差異，發(fā)現(xiàn)了類似不同等級雨量的變化特征(圖略)。總的來看，V2.0小雨和中雨等級變化特征與實況較為一致，隨著降水等級的增加，V2.0降水變化幅度小于實況，且空間差異增大。

圖3 陜西1961—2015年夏季不同等級降水年雨量變化趨勢(單位為mm/10 a)空間分布(V2.0為a～d；實況為e～h；陰影代表變化趨勢達(dá)到0.05顯著性水平；審圖號為GS(2019)3333號)

2.3.2 時間變化 為了解陜西夏季降水的年際變化特征，進(jìn)一步計算了V2.0和監(jiān)測站各等級雨量和雨日的逐年區(qū)域平均值。觀察小雨雨量及雨日逐年變化曲線(圖4a、圖4b)可見，對于V2.0和實況降水，小雨在近年來均表現(xiàn)為持續(xù)的減少趨勢。V2.0小雨雨量減少趨勢顯著，每10 a減少1.8 mm，降幅大于實況-1.1 mm/10 a的降幅，同時，實況小雨雨日呈現(xiàn)出顯著的減少趨勢，每10 a減少0.8 d，而V2.0小雨雨日變化趨于平緩。V2.0和實況中雨逐年變化整體上趨于一致，線性變化幅度較小，且變化趨勢均未通過顯著性檢驗(圖4c、圖4d)。對于大雨等級，V2.0和實況均表現(xiàn)為不顯著的增加趨勢，其中V2.0大雨雨量和雨日增幅分別達(dá)到2.6 mm/10 a和0.1 d/10 a，接近實況大雨增幅的2倍(圖4e、圖4f)。V2.0和實況暴雨事件在近些年同樣表現(xiàn)為增加趨勢，但V2.0暴雨事件的年際波動小于實況，暴雨雨量和雨日增幅分別為1.8 mm/10 a和0.02 d/10 a，僅為實況暴雨增幅的1半左右。同時，V2.0和實況暴雨變化趨勢均未通過顯著性檢驗。

圖4 陜西1961—2015年夏季不同等級降水平均雨量及雨日(a、b為小雨；c、d為中雨；e、f為大雨；g、h為暴雨)年際變化(V2.0為a、c、e、g；實況為b、d、f、h；降水平均虛線代表線性變化趨勢)

3 結(jié)論

(1)V2.0格點降水資料在陜北地區(qū)的誤差較小，在夏季及6、7、8月，V2.0降水在關(guān)中大部較實況降水量偏高，在陜南地區(qū)偏低，其中關(guān)中南部及陜南南部的誤差值偏大。

(2)不同等級降水在全省呈現(xiàn)出南多北少的分布特征，V2.0中雨和大雨等級降水在陜西的分布特征與實況較為一致，而V2.0小雨雨量和雨日顯著大于實況，V2.0暴雨事件較實況顯著偏小。

(3)從不同等級降水變化的空間分布發(fā)現(xiàn)，小雨在全省大部表現(xiàn)為減少趨勢。中雨在陜北北部、關(guān)中大部及陜南東部呈增加趨勢，在陜北南部及陜南西部等地減少，V2.0中雨增幅較實況偏小。大雨及暴雨在全省大部表現(xiàn)為增加趨勢，V2.0雨量變化幅度明顯小于實況，且V.0暴雨增幅中心與實況偏差較大。

(4)觀察區(qū)域平均的不同等級降水年際變化可見，小雨近年來在陜西地區(qū)表現(xiàn)為持續(xù)的減少趨勢，V2.0小雨雨量減少趨勢顯著，但雨日變化幅度小于實況。V2.0和實況中雨的年際變化趨于一致，整體上均表現(xiàn)為不顯著的變化趨勢。對于大雨和暴雨事件，V2.0和實況同為不顯著的增加趨勢，其中V2.0大雨增幅小于實況，V2.0暴雨增幅僅為實況增幅的1半左右。