甘肅省極端降水指數(shù)時(shí)空變化特征

王軍德, 蘇振娟, 張麗娜, 張育斌

(甘肅省水利科學(xué)研究院, 蘭州 730000)

全球氣候變暖已經(jīng)成為世界各國政府共識(shí)，在全球氣候變暖的大趨勢下，極端氣候事件的發(fā)生也日益引起人們的重視[1-3]。地處西北內(nèi)陸的甘肅，降水是省內(nèi)三大內(nèi)陸河流域水資源的主要補(bǔ)給來源，為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善提供水資源保障。然而，近年來的極端降水產(chǎn)生了極端干旱、城市內(nèi)澇、荒漠洪水和特大暴雪等災(zāi)害事件，給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重?fù)p失，研究極端降水時(shí)空變化特征能夠?yàn)檎块T提供決策依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

甘肅省極端降水研究尚處于起步階段，主要采用兩種方式：其一主要采用時(shí)間序列法、小波分析、突變理論對(duì)降水序列進(jìn)行分析，從而探究極端降水在某一局部區(qū)域、一定時(shí)間序列、年內(nèi)某一時(shí)間段的變化特點(diǎn)。張小明等[4]分析了甘肅省近50 a夏季極端強(qiáng)降水量的氣候特征，認(rèn)為甘肅省夏季極端強(qiáng)降水具有5個(gè)氣候帶，不同氣候帶極端強(qiáng)降水變化趨勢有所不同；武金慧等[5]分析了甘肅省近50 a降水量及氣候變化趨勢，認(rèn)為近50 a來甘肅省年平均降水量存在下降趨勢，但河西中部、西部大部分地區(qū)出現(xiàn)降水量增加的趨勢；趙一飛等[6]分析了黃土高原甘肅區(qū)降水變化與氣候指數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為降水量與太平洋年代際濤動(dòng)(PDO)、厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(ENSO)存在著多時(shí)間尺度的顯著相關(guān)性。其二采用單一降水指數(shù)研究某一季節(jié)降水特征。馬中華等[7]分析了近50 a甘肅省夏季日極端降水頻數(shù)與強(qiáng)度變化特征，認(rèn)為近50 a來，極端降水頻數(shù)呈減少趨勢，極端降水強(qiáng)度呈增加趨勢。

綜上所述，針對(duì)降水量變化過程研究較多而對(duì)極端降水指數(shù)變化研究較少，且存在降水指數(shù)單一的不足，致使缺乏綜合系統(tǒng)分析甘肅極端降水事件，相關(guān)分析研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，本文基于氣候變化監(jiān)測與指數(shù)專家組(ETCCDI)定義的相關(guān)極端降水指數(shù)，選取23個(gè)地面氣象站點(diǎn)日降水序列，研究和分析甘肅省1959—2019年極端降水指數(shù)變化特征。

1 研究區(qū)概況

甘肅省(92°13′—108°46′E,32°11′—42°57′N)位于中國西北地區(qū)，是黃土高原、青藏高原、內(nèi)蒙古高原三大高原和西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處，呈東南—西北走向，面積42.58萬km2，地形呈狹長狀，宛如一柄玉如意。地貌類型多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁，類型齊全，交錯(cuò)分布，地勢自西南向東北傾斜，大致可分為隴南山地、隴中黃土高原、甘南高原、河西走廊、祁連山地、河西走廊以北地帶六大地形區(qū)域。大部分地區(qū)氣候干燥，屬大陸性很強(qiáng)的溫帶季風(fēng)氣候。

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)提供的甘肅省23個(gè)地面氣象站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，資料序列為1959年1月1日—2019年12月31日(表1)，數(shù)據(jù)質(zhì)量完整連續(xù)且可靠性高。為提高數(shù)據(jù)分析過程的準(zhǔn)確可靠性，本文通過R語言中的climpact1.2模塊中的check data功能對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和控制。

1.2 研究方法

運(yùn)用世界氣象組織委員會(huì)(WMO-CCD)推薦的極端指數(shù)軟件RClimdex選用了11個(gè)極端降水指數(shù)，具體見表2。并對(duì)降水指數(shù)做了描述性統(tǒng)計(jì)及降雨頻率累計(jì)圖(表3、圖1)。本文采用線性回歸法和滑動(dòng)平均法(5年滑動(dòng))分析各極端降水指數(shù)的年際變化特征；利用R中的corrplot package制作Mann Kendall′s tau-b，Spearman指數(shù)相關(guān)圖；利用MATLAB中滑動(dòng)T檢驗(yàn)(5MTT，10MTT)和Mann-Kendall檢驗(yàn)檢測突變點(diǎn)的可靠性；利用小波分析各極端降水指數(shù)的周期變化特征并用Surfer進(jìn)行了繪圖。利用ArcGIS 10.1中地統(tǒng)計(jì)學(xué)法對(duì)不同站點(diǎn)降水指數(shù)進(jìn)行插值，分析甘肅省極端降水指數(shù)空間變化特征。

表1 各氣象站點(diǎn)信息

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅省61 a極端降水指數(shù)年際變化特征及相關(guān)性分析

通過計(jì)算甘肅省近61年來23個(gè)站點(diǎn)的極端降水指數(shù)，運(yùn)用線性回歸和5年滑動(dòng)平均法做出11個(gè)極端指數(shù)線性趨勢圖(圖2)，計(jì)算了11個(gè)指數(shù)的10 a變化速率值(表4)，并利用R語言中的corrplot package制作Mann Kendall′s tau-b，Spearman對(duì)11個(gè)指數(shù)得相關(guān)系數(shù)圖(圖3—4)。各指數(shù)的主要特征如下：

(1) 強(qiáng)度指數(shù)(PRCPTOT，RX1day，RX5day，SDII)。RX1day與RX5day的變化速率相差不大，均呈較小的增加趨勢、降水強(qiáng)度以0.035 (mm/d·10 a)的速率微弱增加、年總降水量以2.56 mm/10 a的速率顯著增加；從5年滑動(dòng)曲線來看，5日最大降水量和降水強(qiáng)度在20世紀(jì)70年代前后期和21世紀(jì)初出現(xiàn)較大波動(dòng)，日最大降水量和年總降水量波動(dòng)幅度不大；相關(guān)性結(jié)果表明，無論是Mann Kendall′s tau-b相關(guān)還是spearman相關(guān)，強(qiáng)度指數(shù)與CDD負(fù)相關(guān)不顯著。RX1day和SDII與CWD都呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

表2 極端降水指數(shù)名稱及其定義

表3 極端降水指數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)

圖1 年均降雨頻率累計(jì)

(2) 絕對(duì)指數(shù)(R10，R20，R25)。所有指數(shù)的速率都呈增加趨勢，小雨日數(shù)增加趨勢明顯高于中雨、大雨日數(shù)；從滑動(dòng)平均來看，小雨日數(shù)波動(dòng)幅度不大，中雨日數(shù)和大雨日數(shù)在2015年前后波動(dòng)較大；相關(guān)性結(jié)果表明，R20和R25都與CDD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。

(3) 相對(duì)指數(shù)(R95p，R99p)。強(qiáng)降水指數(shù)增加速率遠(yuǎn)大于極端強(qiáng)降水指數(shù)；兩個(gè)相對(duì)指數(shù)的滑動(dòng)曲線都是在20世紀(jì)70年代前后期和21世紀(jì)初出現(xiàn)較大波動(dòng)。相關(guān)性結(jié)果表明，R95p，R99p僅與CDD無顯著相關(guān)性，均與其他指數(shù)相關(guān)性顯著(p<0.001)。

(4) 持續(xù)性指數(shù)(CDD，CWD)。持續(xù)干期呈-2.129 mm/10 a的速率顯著減弱，持續(xù)濕期呈-0.005 mm/10 a的速率輕微減弱；兩個(gè)指數(shù)的滑動(dòng)波動(dòng)不大；相關(guān)性結(jié)果表明，CDD僅與R20，R25呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與其他指數(shù)無顯著相關(guān)性；CWD僅與RX1day，SDII在顯著性水平(p<0.01)正相關(guān)性，與其他指數(shù)在顯著性水平(p<0.001)顯著相關(guān)。

圖2 極端降水指數(shù)線性趨勢(5年滑動(dòng))

表4 極端降水指數(shù)變化速率

注：***代表99.9%的顯著性水平，**代表99%的顯著性水平上，*代表95%的顯著性水平，下圖同。

圖4 1959-2019年降水指數(shù)spearman相關(guān)

2.2 甘肅省61 a極端降水指數(shù)突變分析

各降水極端指數(shù)存在突變年份不確定性較大，所以利用5年MTT和10年MTT方法檢驗(yàn)給定年數(shù)子序列突變情況；利用M-K方法檢驗(yàn)序列整體突變情況。11個(gè)極端降水指數(shù)突變結(jié)果見表5。

強(qiáng)度指數(shù)PRCPTOT的M-K檢驗(yàn)表明年降水量在1961年前后突變，在此后有增加趨勢，這與甘肅省1961年后發(fā)生洪澇災(zāi)害的實(shí)情相符，5年MTT無顯著突變，10年MTT在2009年發(fā)生減小趨勢的突變；RX1day的M-K檢驗(yàn)表明最大日降水量在2013年前后突變，5年MTT在1970年前后發(fā)生突變；RX5day的M-K檢驗(yàn)表明5日最大降水量在1968年突變，5年MTT是在1965年和1970年突變，10年MTT在2009年發(fā)生減小趨勢的突變，這與年降水量、日最大降水量的突變趨勢一樣；SDII的M-K檢驗(yàn)表明降水強(qiáng)度在2017年發(fā)生突變，5年MTT無顯著突變，10年MTT在2002年發(fā)生突變。

絕對(duì)指數(shù)R10和R20的M-K檢驗(yàn)表明小雨日數(shù)和中雨日數(shù)在20世紀(jì)60年代發(fā)生突變，5年MTT和10年MTT都無顯著突變；R25的M-K檢驗(yàn)表明大雨日數(shù)在21世紀(jì)初發(fā)生突變，5年MTT在20世紀(jì)60年代突變，10年MTT無顯著突變。

相對(duì)指數(shù)的M-K檢驗(yàn)表明R95p強(qiáng)降水量在20世紀(jì)60年代突變，而極端R99p是在21世紀(jì)初突變，5年MTT也都在20世紀(jì)60年代突變，10年MTT無顯著突變。

持續(xù)性指數(shù)的M-K檢驗(yàn)表明CDD持續(xù)性干期和CWD持續(xù)性濕期都在20世紀(jì)80年代后期發(fā)生突變、5年MTT和10年MTT也都在20世紀(jì)90年代左右突變。

綜上所述，不同突變檢驗(yàn)方法降水指數(shù)的突變結(jié)果也有一定差異。

表5 1959-2019年降水指數(shù)突變檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 甘肅省61 a極端降水指數(shù)周期變化分析

結(jié)合前述結(jié)果，篩選相關(guān)性較低且變化趨勢比較顯著(p<0.05)的降水指數(shù)進(jìn)行Morlet小波分析，通過對(duì)PRCPTOT，RX1day，SDII，R10，R95p和CWD的年際變化進(jìn)行小波分析得到6個(gè)指數(shù)小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(圖5)。圖5中實(shí)線為正值區(qū)，表明極端降水指數(shù)值較大，虛線為負(fù)值區(qū)，表明極端降水指數(shù)值較小。

PRCPTOT，RX1day均存在3～8 a，8～17 a，27～31 a三類尺度的周期變化規(guī)律。年降水總量的8～17 a在1960—1980年表現(xiàn)明顯，27～31 a周期變換經(jīng)歷了“增—減—增—減—增—減”的交替變化，有3個(gè)豐水期和3個(gè)枯水期，方差分析表明28 a為它的第一主周期。日最大降水量的8～17 a周期震蕩能量最大，貫穿整個(gè)分析時(shí)段，13 a為主周期。日最大降水量存在6個(gè)豐水期和6個(gè)枯水期交替變換。

圖5 極端指數(shù)周期分析

SDII存在7～15 a，20～30 a兩類尺度的周期變化規(guī)律。其中7～15 a貫穿了整個(gè)分析時(shí)段，周期震蕩能量最大，13 a也是主周期；20～30 a在1970—2000年表現(xiàn)明顯，周期變換經(jīng)歷了“減—增—減—增”的趨勢變換。R10也存在7～15 a，20～30 a兩類尺度的周期變化規(guī)律，13 a也是主周期。R95p的周期變化規(guī)律不太明顯，通過方差分析表明，8 a為第一主周期。

CWD存在3～8 a，8～17 a，21～29 a三類尺度的周期變化規(guī)律。其中21～29 a周期震蕩能量最大，經(jīng)歷了“增—減—增—減—增—減”的交替變換，28 a為主周期。

2.4 甘肅省61 a極端降水空間變化分析

各站點(diǎn)降水極端指數(shù)空間差異性較大，利用ArcGIS的克里金插值法繪制11個(gè)指數(shù)在研究區(qū)的空間分布圖，空間分布見圖6。

(1) 強(qiáng)度指數(shù)(PRCPTOT，RX1day，RX5day，SDII)。PRCPTOT的東西向變化趨勢顯著，較大值集中分布在隴東、隴南和甘南高原地區(qū)；RX1day值從河西地區(qū)到隴中、隴東地區(qū)依次遞增，相比之下，RX5day值從河西地區(qū)大部到隴中、隴東地區(qū)依次遞增，部分甘南高原區(qū)的RX1day值也較大；SDII在河西地區(qū)、隴中地區(qū)分布較為均勻，在隴東地區(qū)分布較高。

(2) 絕對(duì)指數(shù)(R10，R20，R25)。R10，R20和R25空間分布圖表明小雨日數(shù)、中雨日數(shù)和大雨日數(shù)在河西和隴中地區(qū)分布趨勢大體一致，在隴東地區(qū)差異明顯。小雨日數(shù)較大值在隴東分布區(qū)明顯大于中雨日數(shù)分布區(qū)、大雨日數(shù)分布區(qū)。

(3) 相對(duì)指數(shù)(R95p，R99p)。R95p較小值分布在河西馬鬃山、酒泉和高臺(tái)地區(qū)民勤地區(qū)，較大值集中在甘南高原區(qū)和華家?guī)X以東地區(qū)；極端強(qiáng)降水量R99p的較小值分布在河西的永昌、民勤和武威部分區(qū)域，較大值集中分布在隴中部分區(qū)域、隴東大部、隴南和甘南全部區(qū)域。

(4) 持續(xù)性指數(shù)(CDD，CWD)。持續(xù)性干期CDD與持續(xù)性濕期CWD較大值、較小值分布區(qū)域正好相反。

圖6 極端指數(shù)空間分析

3 討論與結(jié)論

(1) 在時(shí)間分布上，持續(xù)干期呈顯著減弱，變化速率為-2.129(p<0.05)，持續(xù)濕期微弱下降，變化速率為-0.005(p<0.05)，其余10個(gè)極端降水指數(shù)呈增強(qiáng)趨勢(p<0.05)，尤其年降水總量增加顯著，變化速率為2.56(p<0.05)?？傮w來看，極端指數(shù)變化存在明顯周期性，大致可分為2～3個(gè)周期。

(2) 各極端降水指數(shù)中，突變多發(fā)生在20世紀(jì)60年代中后期。

(3) 在空間分布上，全省極端降水指數(shù)的空間變化特征較為明顯，包括年降水量在內(nèi)的10個(gè)極端指數(shù)由河西走廊向東遞增，持續(xù)干期與之相反。

影響極端降水指數(shù)變化的因素很多，大致可分為全球變暖、地形差異以及太平洋年代際濤動(dòng)(PDO)、厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(ENSO)、城市化進(jìn)程加速和溫室氣體排放增多等原因[8-9]。就甘肅而言，影響降水指數(shù)顯著差異化可能原因是地形因素造成。就甘肅來說，地形主要分為隴南山地、隴中黃土高原、甘南高原、河西走廊、祁連山地、北山山地。甘肅省從河西走廊到隴東地區(qū)方向，年降水量呈增加趨勢，最大值出現(xiàn)在甘南高原、隴南山地和部分隴東地區(qū)。這些地區(qū)山嶺較多，具備良好的迎風(fēng)坡，能夠很好地進(jìn)行地形抬升，各類天氣系統(tǒng)過境后降雨頻發(fā)，因此這類地區(qū)降水相對(duì)較多，容易出現(xiàn)降雨最值。