寧夏六盤山和周邊地區(qū)1980—2017年降水變化特征

薛箏箏, 肖建輝*, 高英育, 左湘文, 胡 斌

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室,寧夏 銀川 750002;2.寧夏氣象防災減災重點實驗室,寧夏 銀川 750002; 3.寧夏回族自治區(qū)大氣探測技術保障中心,寧夏 銀川 750002)

降水作為最基本的氣象要素,在氣候變化及其區(qū)域響應中具有重要的地位,對地表及地下水量、自然生態(tài)環(huán)境和農業(yè)生產等有重要的影響[1-3].21世紀初,施雅風等提出中國西北地區(qū)氣候由暖干向暖濕轉型的推斷[4].姚俊強等基于西北地區(qū)地面氣象觀測站的降水資料[5-7],研究西北干旱區(qū)降水量的空間分布,并指出西北地區(qū)降水量具有明顯的區(qū)域分布特征.趙傳成等的研究表明[8],西北地區(qū)西部和中部年降水量增加顯著,東部地區(qū)的年降水量呈減少趨勢.王婷婷等開展古浪河流域 56 a降水變化研究[9],指出該流域的降水量呈現緩慢增加趨勢,且上游地區(qū)秋季和冬季的降水量增加幅度明顯高于下游古浪盆地的.張楠楠等對1961—2009年寧夏 20個氣象觀測站的逐日降水量進行研究[10],發(fā)現寧夏中雨及以上降雨事件自北向南依地勢逐漸增多,南部黃土丘陵地區(qū)比引黃灌區(qū)的多2倍.針對高山區(qū)域的降水變化特征,國內學者也開展了許多研究.田亞林等的研究結果顯示[11],天山地區(qū)降水日呈現“西快東慢、北快南慢”的增長趨勢.呂晶等基于峨眉山站及周邊地區(qū)3站1959—2016年的逐日降水觀測數據[12],系統研究該地區(qū)不同強度降水量及降水日的變化特征.黃穎等研究近39 a祁連山及其周邊地區(qū)降水量的時空分布特征,發(fā)現年降水量場呈西北—東南向分布[13],中部和東部地區(qū)的降水量較大.六盤山位于我國西北地區(qū)的東南部,被稱為高原“綠島”,近南北走向,南北長約100 km,東西寬約50 km,是西北內陸地區(qū)水汽輸送的重要區(qū)域.筆者基于 1980—2017 年六盤山和周邊地區(qū)的降水觀測資料,分析該地區(qū)降水量、降水日的特征及其變化趨勢.

1 研究區(qū)

研究區(qū)域位于寧夏固原市，地處寧夏南部六盤山區(qū)，總面積1 3450 km2，轄原州區(qū)、彭陽縣、西吉 縣、涇源縣及隆德縣1區(qū)4縣．固原市屬黃河中上游西北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，受西風帶、副熱帶高氣壓控制，年平均降水量在400 mm以上．

2 資料與方法

1980—2017年寧夏六盤山(國家基準氣候站)、固原(國家基準氣候站)、西吉(國家基本氣象站)、隆德(國家一般氣象站)、涇源(國家一般氣象站)4站的逐日降雨資料,由寧夏回族自治區(qū)氣象信息中心提供.所有氣象站近40 a的氣象資料連續(xù)且完整.將固原、西吉、隆德、涇源4站的數據平均值作為周邊地區(qū)站點的數據.

根據降水等級劃分標準，將日降水量R劃分為4個等級:小雨(0.1 mm≤R<10.0 mm)、中雨(10.0 mm≤R<25.0 mm)、大雨(25.0 mm≤R<50.0 mm)、暴雨(R≥50.0 mm).文中24 h指的是北京時間08:00至次日08:00、降水日為R>0 mm的降水時間.

通過一元線性回歸分析方法對降水時間序列進行趨勢擬合.通過Mann-Kendall統計方法對序列的變化趨勢及其突變特征進行分析.

3 不同強度降水量和降水日的年代際變化特征

3.1 降水量的年代際變化特征

在六盤山和周邊地區(qū),各年代的降水量均是小雨量的貢獻最大,占年降水總量的40%左右,其次為中雨、大雨量,暴雨量貢獻最小.除21世紀00年代的大雨和21世紀10年代的暴雨外,六盤山地區(qū)各強度降水量均大于周邊地區(qū)的.六盤山和周邊地區(qū)的年代平均降水量大致經歷“減少—增加”的變化過程(表1),即21世紀00年代的降水量最少,21世紀10年代的最多,分別增加了14.1%,13.9%.值得注意的是,周邊地區(qū)的年代平均降水量呈明顯的增加趨勢(152.1 mm/a),而六盤山地區(qū)的增加趨勢不明顯.六盤山和周邊地區(qū)不同強度降水量的年代際變化明顯,六盤山地區(qū)的小雨、中雨量呈減少趨勢,大雨、暴雨量呈增加趨勢.而周邊地區(qū)不同強度降水量的年代變化均呈增加趨勢,其中六盤山地區(qū)大雨量遞增最快(44.4 mm/a),周邊地區(qū)中雨量遞增最快(64.5 mm/a).

表1 六盤山及周邊地區(qū)不同強度降水量的年代際變化

3.2 降水日的年代際變化特征

六盤山和周邊地區(qū)的降水量在各年代均以小雨為主,占年平均降水日的85%左右,其次為中雨、大雨日,暴雨日最少(表2).除21世紀00年代的大雨外,六盤山地區(qū)各強度降水日均大于周邊地區(qū)的.六盤山地區(qū)在21世紀00年代的降水日最少(114.3 d),在20世紀80年代的降水日最多(143.8 d);周邊地區(qū)在20世紀90年代的降水日最少(93.5 d),在21世紀10年代的降水日最多(105.6 d).六盤山地區(qū)的年平均降水日和小雨日呈顯著減少趨勢,分別以-56.4 d/10 a,-55.3 d/10 a的速度遞減,說明小雨日的減少是六盤山地區(qū)降水日減少的主要原因;周邊地區(qū)各強度降水日年代變化呈增加趨勢,但變化不明顯.六盤山和周邊地區(qū)暴雨日的年代際變化趨勢與邵建等的研究結論一致,即20世紀80年代的暴雨日最少,隨后90年代開始逐年代增加.周邊地區(qū)年代降水量具有明顯的增加趨勢,但六盤山地區(qū)的變化趨勢不明顯;六盤山地區(qū)年代降水日具有明顯的減少趨勢,但周邊地區(qū)呈現微弱的增加趨勢.

表2 六盤山及周邊地區(qū)不同強度降水日的年代際變化

4 不同強度降水量和降水日的年際變化特征

4.1 降水量的年際變化特征

1980—2017年,六盤山和周邊地區(qū)降水量的年變化趨勢見圖1.六盤山地區(qū)近38 a小雨量整體呈減少趨勢,線性氣候傾向率為-3.4 mm/10 a;周邊地區(qū)近38 a小雨量整體呈增加趨勢,線性氣候傾向率為2.3 mm/10 a.六盤山和周邊地區(qū)的小雨量最大值均出現在1984年,分別為342.5,266.0 mm,最小值均出現在1997年,分別為181.0,144.5 mm.

圖1 1980—2017年不同強度降水量的年變化

六盤山地區(qū)年平均總降水量的線性趨勢與不同強度降水量的線性趨勢一致,即近38 a均呈減少趨勢,總降水量、小雨量、中雨量、大雨量和暴雨量的線性變化率分別為-6.1 mm/10 a,-3.4 mm/10 a,-5.6 mm/10 a,-0.8 mm/10 a,-0.4 mm/10 a;周邊地區(qū)年平均總降水量的線性趨勢與小雨量、中雨量、暴雨量的一致(呈增加趨勢),線性變化率分別為8.2 mm/10 a,2.3 mm/10 a,4.3 mm/10 a,3.3 mm/10 a,而大雨量呈減少趨勢(-1.8 mm/10 a).除大雨量外,兩地各強度降水量的年際變化趨勢相反.

4.2 降水日的年際變化特征

1980—2017年六盤山和周邊地區(qū)不同強度降水量的降水日年變化趨勢見圖2.六盤山地區(qū)小雨日最大值出現在1984年(146 d),最小值出現在2004年(83 d),近38 a整體呈顯著減少趨勢,以-6.0 d/10 a 的速率減少,并通過0.01的顯著性水平檢驗.周邊地區(qū)小雨日最大值出現在1988年(103 d),最小值出現在1997年(61 d),近38 a整體呈增加趨勢,以0.2 d/10 a的速率增加.

圖2 1980—2017年不同強度降水日的年變化

六盤山地區(qū)年平均總降水日、小雨日、中雨日、大雨日和暴雨日的線性變化率分別為-6.3 d/10 a,-6.0 d/10 a,-0.4 d/10 a,0.1 d/10 a,0 d/10 a.其中,年平均總降水日和小雨日有明顯的減少趨勢,并通過0.01的顯著性檢驗,中雨日、大雨日和暴雨日的線性趨勢變化不明顯;周邊地區(qū)的年平均總降水日、小雨日、中雨日、大雨日和暴雨日的線性變化率分別為0.3 d/10 a,0.2 d/10 a,0.2 d/10 a,-0.1 d/10 a,0 d/10 a,并均未通過0.05顯著性水平檢驗,說明周邊地區(qū)的年平均總降水日和不同強度降水日線性趨勢變化均不明顯.

5 不同強度降水量和降水日的突變特征

5.1 降水量的突變特征

六盤山地區(qū)年小雨量在20世紀90年代持續(xù)減少,而后呈波動增加趨勢,從2008年開始再次呈減少趨勢,并在2012年減少趨勢顯著,且超過0.05的顯著性水平臨界線(圖3a);六盤山地區(qū)小雨量于1990年發(fā)生突變,突變前11 a平均小雨量為275.2 mm,突變后27 a平均小雨量為246.1 mm.六盤山地區(qū)中雨量在1984年以前呈增加趨勢,而后呈波動減少趨勢,在1998年后呈波動增加趨勢(圖3c).根據降水量的統計量曲線UF,UB交點的位置,確定六盤山地區(qū)中雨量于1985年發(fā)生突變,在突變前6 a平均中雨量為295.5 mm,突變后32 a的平均中雨量為224.7 mm,減少70.8 mm,減少24.0%.

1984年后,周邊地區(qū)小雨量呈波動減少趨勢,90年代末減少趨勢顯著,超過0.05的顯著性水平臨界線,在21世紀開始呈增加趨勢(圖3b);周邊地區(qū)小雨量發(fā)生2次突變,分別在1984,2012年.UF曲線未超過0.05的顯著性水平臨界線(圖3d),說明周邊地區(qū)中雨量增加趨勢不顯著.由于UF,UB曲線有很多交點,不能確定周邊地區(qū)中雨量是否存在突變.

圖3 1980—2017年不同強度降水量的M-K突變檢驗

5.2 降水日的突變特征

六盤山地區(qū)小雨日在1988年發(fā)生突變(圖4a),突變前9 a平均小雨日為122.2 d,突變后29 a平均小雨日為100.5 d,降水量減少21.5 mm,減少17.6%,1989年后持續(xù)減少,在1993年后減少趨勢顯著,并超過0.05的顯著性水平臨界線.六盤山地區(qū)中雨日在1984年以前呈增加趨勢,而后持續(xù)減少,在90年代中期到2002年減少趨勢顯著,并超過0.05的顯著性水平臨界線.中雨日在1998年后呈波動增加趨勢,并于1985年發(fā)生突變,突變前6 a平均中雨日為19.8 d,突變后32 a的平均中雨日為14.7 d,減少5.1 d,減少25.8%.周邊地區(qū)平均小雨日在1984年前呈增加趨勢,而后持續(xù)減少,并在1985年發(fā)生突變,1999—2005年呈先增加后減少趨勢,而后持續(xù)增加,并在2014年發(fā)生突變.周邊地區(qū)平均中雨日變化趨勢不明顯,且未發(fā)生突變.兩地小雨、中雨日突變年份不同,且六盤山地區(qū)的降水日顯著減少.

圖4 1980—2017年不同強度降水量的降雨日M-K突變檢驗

6 結論與討論

1)在六盤山和周邊地區(qū),各年代小雨量對年降水量、年降水日的貢獻最大,中雨、大雨其次,暴雨最小;周邊地區(qū)各年代的平均降水量呈明顯的增加趨勢(152.1 mm/10 a),而六盤山地區(qū)的變化趨勢不明顯;六盤山地區(qū)各年代的降水日呈明顯的減少趨勢,但周邊地區(qū)呈現微弱的增加趨勢.

2)六盤山地區(qū)的年平均總降水量與不同強度降水量均呈減少趨勢,周邊地區(qū)除大雨量外,其他各強度降水量均呈增加趨勢;六盤山地區(qū)年平均總降水日、小雨日、中雨日呈減少趨勢,大雨日和暴雨日呈增加趨勢,周邊地區(qū)除大雨日外均呈增加趨勢;六盤山地區(qū)年平均總降水日、小雨量及小雨日、中雨量及中雨日的減少速率比周邊地區(qū)增加速率快,年平均總降水量的減少速率比周邊地區(qū)總降水量的增加速率慢.

3)六盤山地區(qū)小雨量、中雨量和暴雨量的減少是六盤山站年降水量減少的主要原因,其中,小雨日有明顯的減少趨勢,在1988年發(fā)生突變后持續(xù)減少,并通過0.01的顯著性檢驗;周邊地區(qū)小雨、中雨、暴雨量增加是周邊地區(qū)年降水量增加的主要原因,其中中雨量貢獻最大.