李奇虎
, 马庆勋
西安科技大学测绘科学与技术学院地理信息工程系, 陕西 西安 710054
LI Qi-hu, MA Qing-xun
中图分类号: K903
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2014)09-1134-05
收稿日期: 2013-05-16
修回日期: 2013-09-28
网络出版日期: 2014-09-10
版权声明: 2014 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：李奇虎（1982-）,男,山西临汾人,讲师,主要从事空间数据处理与分析。E-mail:liqihu1@126.com
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摘要
基于中国西北干旱区1960~2010 年70个台站逐日降水资料,采用欧盟组织(STARDEX)定义的降水极值指数,分析结果表明: ① 研究区近51 a来强降水发生频次、湿期平均长度表现出增多和增长趋势,干日数和干期平均长度表现出减少和变短趋势; ② 单次强水的强度在增加,表现为：湿日数减少,而降水的总量却显著增加。③ 湿日数减少主要是0~6 mm强度的降水日数减少,12~24 mm强度的降水日数显著增加,后者对降水总量的增加贡献较大。④ 绝大部分站点强降水（>12 mm）的雨日（量）都以上升趋势为主,表现为下降趋势的站点极少。
关键词：
Abstract
This article mainly analyzes the mean precipitation, the maximum consecutive wet (dry) days, the yearly extreme precipitation frequency, the mean wet (dry) spell lengths, as well as the typical value of precipitation of wet days in the past fifty years, and the long-term trends. It is based on the daily precipitation datasets of seventy meteorological stations in arid areas in the northwest of China in 1960-2010. It uses the definitions of nine extreme precipitation indices by STARDEX. The results indicate that: 1) Both strong rainfall frequency and mean wet spell lengths in the past fifty years have increased significantly, however the dry days and the dry spell lengths have decreased; 2) Both the individual strong rainfall intensity and the total precipitation increased, the latter becoming more apparent; 3) The precipitation days of 0.1-6 mm density decreased, but that of 12-24 mm intensity rose and greatly contributed to the increase of the total precipitation; 4) Most stations show the rising tendency of rain days with more than 12 mm strong rainfall, among which the typical stations, are located in mountain areas. The areas with significantly increasing precipitation are consistent with the spatial distribution of strong rainfall, and that there exists evident relevance between the yearly extreme precipitation events and the annual precipitation. All of the above demonstrates that the rising total precipitation in arid areas result from the strong rainfall increase in the northwest of China since the late 1980s.
Keywords：
气温增暖,极端气候增加明显,极端气候事件对人类所造成的危害非常巨大[1]。降水作为水循环的重要组成部分之一,直接影响地区水量、径流水文过程等方面,然而目前对降水的研究,虽然取得一些值得肯定的研究结果,但多体现在一般性降水方面[2]。极端降水事件作为一种小概率事件,突发性强,损害性大,也越来越被关注[3]。
尽管已经有许多学者作过极端气候的研究[4~6],而且降水变化趋势已在大尺度上得到了一些确定性结论,而由于极端降水的变化具有明显的区域特征[7,8],探讨其变化特点十分必要。
学者关注降水极值的变化[9~11],研究的重点主要集中在小区域短期暴雨过程和暴雨的气候背景分析[12,13],各模式下极端降水的模拟[14~16],极端降水的周期和突变点等方面[17]。国内的则多集中在东部多雨区[18,19]。也有部分学者对西北区降水变化作了研究[20],但都仅限于汛期或是暴雨以上的变化特点,对于西北干旱区的极端降水特征及其空间分布的研究尚不多见。
本文选取欧盟STARDEX研究项目提出来的9项极端降水指标,对西北干旱区极端降水的特征情况进行研究。试图解答：① 西北干旱区湿日数是增加还是减少,降水总量增加是湿日数的增加引起的,还是强降水次数增加造成;② 强降水量增加的主要分布在哪个量级上;③ 在研究区,强降水的空间分布有何特点及与平均降水的关系。
西北干旱区位于73°44'~106°46'E,34°54'~49°19'N,即中国境内昆仑山-祁连山以北,贺兰山以西的广大区域。北有阿尔泰山,中有天山,南有昆仑山-祁连山,东有贺兰山,独特的地形特征和地理位置, 形成了特殊的气候。
气象数据使用国家气象局整编的70个气象站点1960~2010 年的连续逐日降水量,数据经过严格的质量控制;西北干旱区边界矢量数据和河网矢量数据源于1∶400万国家基础地理数据中心的已经校正过的矢量化地形图。
1） 降水极值指数。各降水极值指数详见表1。
2） 非参数统计检验 （Mann-Kendall法）。本文采用此方法是常用来评估气象要素时间序列趋势的检验方法,该法不需要样本遵从一定的分布,因此,在趋势分析中得到广泛应用[25]。
3） IDW（Inverse Distance Weighted）插值方法。本文采用此方法是一种常用而简便的空间插值方法,它在空间数据分析应用中较为广泛[26]。
表1 选取的9个降水极值指标
Table 1 Definition of 9 extreme precipitation indices
| 指 数 | 定 义 | 单位 |
|---|---|---|
| pav | 年降水平均值 | mm/d |
| pn12 mm | 年降水量≥ 12 mm天数 | d |
| pxcdd | 最大连续干日数 | d |
| pxcwd | 最大连续湿日数 | d |
| pwsav | 连续湿日的平均值 | d |
| pdsav | 连续干日的平均值 | d |
| px3d | 3 d最大降水量值 | d |
| pint | 日降水密度 | mm/d |
| pnl90 | 大于年降水量90%的日数 | d |
1） 降水量和湿日数的总体变化。由分析结果图1a表明,在过去半个世纪里,西北干旱区的降水变化趋势为增加态势,Z值为3.53（α<0.01）,说明增加极其显著。多年平均降水量150.1 mm,最高年降水量180 mm发生在2001年,比年平均高出30.1 mm;最低降水量是1987年的108.5 mm,比年平均降水低41.5 mm。最高与最低降水的差值高达72 mm。过去51 a里,年降水总量总体上增加30 mm,增加的速率为 5.8 mm/10 a;降水日数变化的Z值为-2.1（α<0.05）,说明下降显著（图1b）。多年平均降水日数为97 d,降水日数最高是1964年的123 d,比年平均高出了26 d,最低是1998年的78 d,比年平均低19 d。年降水日数总体减少10 d,减少的速率为1.8 d/10 a。分析发现,研究区年降水的总量在显著增加,而降水日数却明显减少,这证明降水强度在增加。
2） 降水强度变化。在气象学上一般以当地年总降水量的平均值的1/15作为强降水的极限值,在西北干旱区,多年平均降水量在150 mm左右,所以在这个区域西北干旱区12 mm作为强降水标准。本文将西北干旱区降水强度分为4个级别,弱降水（0.1~6 mm）,小降水（6~12 mm）,强降水（12~24 mm）,极强降水（>24 mm）等4个标准。
弱降水（0.1~6 mm）日数变化的Z值为-2.86（α<0.01）,说明减少极显著(图2a)。多年平均降水日数为68 d,降水日数最高是1964年的90 d,比年平均高出22 d,最低是1998年的55 d,比年平均低15 d。年降水日数总体减少14 d,减少速率为2.7 d/10 a。小降水、强降水、极强降水的增加的Z值分别为2.5、3.3、3.1,都通过0.01的检验（图2b）。其中,强降水（12~24 mm）增加的趋势最为显著。
以上分析表明西北干旱区的湿日数在减少,而降水的总量却是在增加,说明单次降水的量在增加。进一步分析表明,降水的日数减少主要是0.1~6 mm之间的降水日数显著减少,而降水总量的增加却是6~24 mm之间的降水量日数却增加造成。
3） 极值指标变化。表2表明：在过去的51 a里,年平均降水量（pav）,强降水日数（pn12 mm）,最长连续干日数（pxcdd）,连续干日数平均值（pdsav）,年最大3 d降水总量（px3d）,日降水量超过湿日第90%分位值点降水量的日数（pnl 90）都达到了极显著的水平。其中,日平均降水量由最低的0.32 mm/d增加到0.43 mm/d,在干旱区,意义重大。
最长连续干日数（pxcdd）,由20世纪60年代平均95 d,缩短到83 d左右;连续干日数平均值（pdsav）的显著减少,说明西北干旱区的降水间隔减少,两次降水之间的日数在缩短,由原来的30 d
图1 年降水总量(a) 、年降水日数(b)
Fig.1 Annual precipitation (a) and annual precipitation days (b)
图2 年降水日(0.1~6 mm)(a) 、年降水日数(6~12、12~24、>24 mm)（b）
Fig.2 Precipitation days of 0.1-6 mm(a) and days of precipitation(6-12 mm,12-24 mm,>24 mm)(b)
表2 9项极端降水指数
Table 2 Definitions of 9 extreme precipitation indices
| 指数 | 斜率(10a-1) | Z |
|---|---|---|
| pav | 0.018 | 3.3** |
| pn12 mm | 0.18 | 3.8** |
| pxcdd | -2.4 | -2.89** |
| pxcwd | 0.05 | 1.97* |
| pwsav | 0.006 | 1.5 |
| pdsav | -1.1 | -2.69** |
| px3d | 0. 8 | 2.7** |
| pint | 0.11 | 1.54 |
| pnl90 | 0. 23 | 3.69** |
注：显著水平为**(α<0.01)、*(α<0.05)。
减少到25 d。这2个指数共同说明,西北干旱区降水的间隔在减少。强降水日数（pn12 mm）,年最大3 d降水总量（px3d）,日降水量超过湿日第90%分位值点降水量的日数（pnl90）,都证明强降水增加明显。
1） 降水极值指标变化。对西北干旱区51 a站点降水指数空间分布用IDW插值探讨 （图3、4）。
选取平均降水（pav）,大于12 mm的强降水（pn12 mm）,连续湿日平均值（pwsav）,日降水量大于湿日90%分位点降水量的日数（pnl90）指标,从图中可以看出：平均降水大部分是增加的趋势（图3a）,且都通过了显著性检验（α≤0.1）,只有在贺兰山西端,Z值为1.2,呈现微弱增加趋势。年降水量超过12 mm的强降水在天山的南、北坡和塔城地区呈现极强的增加态势（图3b）,Z值达到1.65上。而在昆仑山北坡和阿拉山风口虽然也表现出增加的趋势,但不明显。同时还显示,研究区湿日连续日数在阿勒泰山,天山南坡和昆仑山东端北坡表现最为明显（图3c）。而日降水量大于湿日降水量90%的日数增加区域主要分布在研究区的西北 （图3d）。研究区总体上变化趋势表现为降水和强降水空间分布一致性高,且强降水主要集中在除昆仑山北坡外的高山区域。
2） 强降水（>12 mm）空间分布。图4可见,夏季降水增加主要在昆仑山北坡东端（图4b）,Z值都超过了1.65,而阿拉山风口一带和河西走廊北部,Z值为-0.8,说明强降水有微弱减少趋势;冬季降水增加显著区在阿尔泰和伊犁地区（图4d）,Z值达到2.1,而天山以南和广阔的河西走廊则有微弱的减少趋势,平均Z值为-0.9,这说明,在冬季,强降水只有新疆北部增加明显。春季和秋季强降水在空间上呈现相反的趋势（图4a、c）。比如在春季河西走廊（天山南坡）强降水微弱减少（增加）趋势,而在秋季则呈现出微弱增加（减少）趋势。
强降水季节分布特征与平均降水增加特征一致性较高：冬季、春季北部比南部要多,夏季和秋季西部比东部要明显,同时空间分布有明显的地形特征：山区比平原显著。
总体上来看,平均降水和强降水的空间分布高度一致,尤其是冬季,说明西北干旱区的降水变化特征,强降水贡献很大。
通过对西北干旱区气象站1960~2010年的逐日降水资料进行分析,得到以下结论：
在气温增暖的背景下,西北干旱区总体湿日数平均为97 d,呈减少趋势,强降水的连续日数为2.08 d且增加趋势明显。天山和祁连山是相对多雨区,冬季降水增加主要集中在天山以北,而夏季降水则主要集中在塔里木盆地西部。强降水发生频次、湿期平均长度表现出增多和增长趋势,干日
The authors have declared that no competing interests exist.
| [3] |
Multi-model ensemble projections in temperature and precipitation extremes of the Tibetan Plateau in the 21st century J]. |
| [4] |
北京极端气温变化特征及其对城市化的响应 [J]. |
| [5] |
近50 年来祁连山及河西走廊极端气温的季节变化特征 [J].
|
| [6] |
秦岭南北年极端气温的时空变化趋势研究 [J]. |
| [7] |
Martínez-Casasnovas J A.Trends in Precipitation Concentration and Extremes in the Mediterranean Penedès-Anoia Region,Ne Spain [J]. |
| [8] |
|
| [9] |
Trends of extreme precipitation and associated synoptic patterns over the southern Iberian Peninsula [J]. |
| [10] |
1961~2008年山东省极端降水事件的变化趋势分析 [J].
|
| [11] |
Extreme rainfalls in SE South America [J]. |
| [12] |
Monsoon rainfall extreme indices and tendencies from 1954-2003 in Kerala,India [J]. |
| [13] |
Characteristics of autumn-winter extreme precipitation on the Norwegian west coast identified by cluster analysis [J]. |
| [14] |
New estimates of future changes in extreme rainfall across the UK using regional climate model integrations.2.Future estimates and use in impact studies [J]. |
| [15] |
Spatially downscaling GCMs outputs to project changes in extreme precipitation and temperature events on the Loess Plateau of China during the 21st Century [J].
|
| [16] |
Short Duration Rainfall Extremes in Ireland: Influence of Climatic Variability [J]. |
| [17] |
Change-point detection of long-duration extreme precipitation and the effect on hydrologic design:a case study of south Taiwan [J]. |
| [18] |
Variations of temperature and precipitation extremes in recent two decades over China [J]. |
| [19] |
Trends in temperature and rainfall extremes in the Yellow River source region,China [J]. |
| [20] |
Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Days with above Heavy Rainfall over Northwestern China [J]. |
| [1] |
Human factors explain the increased losses from weather and climate extremes [J]. |
| [2] |
Fifty-year climate change and its effect on annual runoff in the Tarim River Basin,China [J]. |
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