山西省近47年來極端氣候事件的時空分布特征

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

隨著全球變暖和高強度下墊面改變的影響，區域性極端降水和極端氣溫事件呈廣發和頻發的態勢。同時，IPCC 第5次研究報告指出，未來全球不同地區的降水將發生不同程度的改變，強降水事件更加凸顯，且隨著氣候變暖，該過程將進一步加劇[1-2]。因此，準確評估區域間極端降水和氣溫的時空變異特征可對“十四五規劃”中防洪抗旱減災順利開展奠定良好的基礎。

近年來，國內外學者針對全球變暖背景下極端降水、極端氣溫事件的發生發展開展了大量研究，并取得了較滿意的評估結果[3-5]。極端降水方面，高文華等[6]選取9種極端降水指標，探究了河南省極端降水的時空演變規律并對其進行了歸因分析，發現年降水量和大雨日數逐漸增多，自西向東呈現出明顯的增強趨勢。晁紅艷等[7]運用線性趨勢分析等方法揭示了極端降水事件的趨勢性和周期性變化特征，并得出青海湖東北部地區極端降水對年總降水量的貢獻在時間上存在不同程度的增加，夏季降水的貢獻尤為突出的結論。王坤等[8]利用歐洲中心的ERA5分析資料，采用異常度和標準化異常度對南通地區短期降水強度進行分析和預報，并指出極端降水事件與氣象要素異常息息相關。在極端氣溫方面，雅茹等[9]以內蒙古自治區為研究對象，采用線性趨勢、Mann-Kendall趨勢檢驗方法對14個不同極端氣候指標進行分析，得出極端氣溫在年際間存在波動“震蕩”趨勢，極端高溫指數和低溫指數變化趨勢相反的結論。趙明玉等[10]以新疆地區為研究對象，采用一元線性回歸等方法探究了極端氣溫事件的變化特征，結果表明，暖指數呈不同程度的顯著上升，冷指數總體呈顯著下降趨勢。上述研究多針對一種氣候變量屬性，探究其極端氣候事件的變化規律，眾所周知，降水和氣溫作為局地水文循環的重要輸入變量，其變化直接決定了流域水資源的豐枯變化特征，前者是流域水分的補給源，決定著水資源的豐枯，后者影響植被、下墊面蒸騰作用，是流域水熱平衡的直觀反映。因此，厘清區域間極端降水和氣溫之間的變化特征，識別出二者之間的相同點和不同點，對區域極端氣候事件認知水平的提高具有實際意義。

本文以地處干旱、半干旱區的山西省為例，首先采用一元線性回歸方法和Mann-Kendall突變檢驗方法對山西省1970—2016年共47年降水和氣溫進行趨勢性和突變性檢驗；在此基礎上，基于百分位閾值理論，采用Mann-Kendall趨勢檢驗方法探究8種極端氣候指標(極端降水量、極端降水總量、降水日數、降水強度、年最高氣溫、年最低氣溫、酷熱日數和霜凍日數)的時空分布特征。

1 研究區域概況及數據來源

山西省地處黃土高原地帶[11-12]。縱向和橫向跨度不同，東西跨度較短，約為290km，南北跨度較長，約為550km，全省總面積約為15.63萬km2，占全國總面積的1.6%。山西省受海洋氣候影響較弱，屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，南北氣候差異較大。北部經常受到內蒙古冬季冷氣團襲擊，南部地處黃淮海平原和豫北平原北上的交叉地帶，氣候相對濕潤。山西省的氣候特征是冬季漫長，寒冷干燥；夏季南長北短，雨水集中；春季氣候多變，風沙較多；秋季短暫，天氣溫和。1970—2016年年平均氣溫介于3～14℃之間，年降水量在400～650mm，年降水量多集中于夏季，占全年降水量的70%左右。山西省地理位置及氣象數據空間分布見圖1。

本文所采用的數據為山西省境內及周邊28個國家基準站點1970—2016年逐日平均降水、平均氣溫、日最低和最高氣溫數據，其來源于國家氣象站共享服務網。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall突變檢驗方法

Mann-Kendall非參數檢驗法簡稱M-K突變，其廣泛應用于氣象、水文序列的突變分析檢驗中[13]。該方法認為被檢測序列不必服從一定的概率分布且不受異常值干擾。其基本假定為：假定時間序列為{xi}(i=1，2，3，…，n)，通過構造新序列mi，定義dk為

(1)

dk的均值和方差為

(2)

(3)

假定降水序列是獨立同分布的隨機變量，定義統計

圖1 山西省地理位置及氣象站點空間分布

量為

(4)

式中：UFk為標準正態分布，其判斷依據為：若UF>0，則表征降水序列呈上升趨勢，反之為下降趨勢，當其超過95%置信水平α時，說明該上升或下降趨勢顯著。當UF和UB曲線在置信水平內存在交點，則該交點即為降水序列的突變點。

2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗方法

Mann-Kendall非參數檢驗法簡稱M-K趨勢檢驗[14]，其詳細的計算過程為：假定原假設為H0，時間序列(x1，x2，…，xn)代表n個獨立同分布的隨機變量，構造統計量S為

(5)

(6)

(7)

(8)

以上式中：xk為樣本序列，本文中代表各氣象站降水序列；n為樣本長度。

2.3 極端氣候指標的選取

目前國際上針對極端氣候事件的研究多采用百分位值作為極端值的閾值，超過該閾值時將其定義為極端氣候事件。該研究選取各氣象站點年降水量的95%閾值作為極端降水，并統計95%水平下極端降水量、大于此閾值的極端總降水量、降水日數和降水強度4個極端降水指標。氣溫選取日最高氣溫、日最低氣溫、霜凍天數(日最低氣溫小于0℃的天數)和酷熱天數(日最高氣溫大于30℃的天數)4個極端氣溫指標[15]。

3 結果與分析

3.1 山西省1970—2016年年降水量和平均氣溫的趨勢性和突變性特征

采用一元線性回歸方法和M-K突變檢驗方法得到的山西省1970—2016年年降水量的趨勢性和突變性檢驗結果(見圖2)。由圖2(a)可以看出，區域年降水量以2.20mm/10a的速率下降，且年際間波動較大，多年平均降水量為488.36mm；1996年的年降水量最小，為328.50mm，1973年的年降水量最大，高達625.36mm；代際上，70年代初期年降水量較多，90年代初期年降水量相對較枯，2000年之后年降水量有所增加，即年降水量序列在時程上呈現出“由豐變枯再變豐”的趨勢變化特征。由圖2(b)可以看出，年降水量序列在95%置信水平內與1978年存在交叉，即山西省區域降水量在1978年存在突變，且通過了95%置信水平檢驗。

圖2 1970—2016年山西省年降水量的趨勢性和突變性檢驗結果

采用一元線性回歸方法和M-K突變檢驗方法得到的山西省1970—2016年年平均氣溫的趨勢性和突變性檢驗結果(見圖3)。由圖3(a)可以看出，山西省年平均氣溫呈顯著的增加趨勢，增長率為0.46℃/10a，遠大于IPCC第4次評估報告指出的全球平均氣溫增長速率0.23℃/10a，這表明，受氣候變暖影響，山西省極端氣溫事件發生的概率可能更大。由圖3(b)可以看出，山西省年平均氣溫在時程上存在多個突變點，其突變年份分別為1996年、2009年和2010年。結合氣溫變化趨勢可以看出，年平均氣溫被1996年劃分為兩個階段，即1970—1995年和1996—2016年，這兩個時段平均氣溫差異較大，即1996年是年平均氣溫的突變年份。

圖3 1970—2016年山西省年平均氣溫的趨勢性和突變性檢驗結果

3.2 山西省1970—2016年年降水量和平均氣溫的空間變化特征

采用M-K趨勢檢驗方法得到的山西省1970—2016年年降水量和氣溫趨勢變化結果(見圖4)。由圖4(a)可以看出，整體上降水的變化速率在空間上存在差異，西北部和東南部為降水變化速率較大、變化較強烈的區域，且西北部降水變化速率呈增加趨勢，而東南部呈減少趨勢，降水變化趨勢增加的區域比減少的區域少；從局部看，一般山區的降水變化速率大于盆地區的降水變化速率。由圖4(b)可以看出，自西向東、由南到北氣溫的增加趨勢愈加顯著，其中五臺山氣象站附近區域氣溫變化趨勢顯著；中東部區域年平均氣溫呈明顯的增加趨勢，其變化趨勢為0.09～0.19℃/a，而南部區域氣溫增加趨勢不明顯，其變化趨勢僅為0～0.03℃/a。

圖4 1961—2013年山西省年降水量和氣溫的空間變化趨勢特征

3.3 極端降水指標的空間變化特征

本文采用以百分位值作為極端事件閾值的方法，需要說明的是95%降水閾值定義為將降水量序列從大到小排序，其95%分位對應的降水量。利用ArcGIS平臺統計繪制了95%閾值下對應的降水閾值、極端降水總量、降水日數和降水強度等指標在空間上的分布特征，結果見圖5。

a.由圖5(a)可以看出，95%閾值下，極端降水量變化范圍為19.77～30.34mm；由南至北，降水閾值呈減小趨勢，這與我國降水的變化趨勢基本保持一致(南高北低)。

b.由圖5(b)可以看出，95%閾值下，累積降水總量變化范圍為110.34～909.85mm，但整個區域變化范圍多集中在110.34～373.71mm之間。從空間分布可以看出，極端閾值降水總量呈西北低、東南高，尤其是五臺山附近極端降水總量高達909.85mm，這意味著該區域是洪災發生的高發地帶，應予以重視。

c.由圖5(c)可以看出，極端降水日數在空間上差異明顯，但總降水日數介于3.59～5.78天，這表明全年降水量中大于95%閾值下的降水日數為3.59～5.78天；從空間分布可以看出，山西省東部極端降水日數較多，這可能歸因于太行山地形的影響，導致區域極端降水事件突出。

d.由圖5(d)可知，95%閾值下，日降水量強度為28.92～269.53mm/d，其空間分布與極端降水總量和降水日數基本一致，即西北低、東南高，五臺山附近降水強度尤為突出；此外，山西省中部區域降水強度較大，而北部和南部降水強度較小。

圖5 山西省1970—2016年極端降水指標的空間分布特征

95%閾值下，極端降水指標在空間上的趨勢變化特征見圖6。結果表明：

a.極端降水量變化速率在大部分區域呈增加趨勢，這意味著未來極端降水事件導致的降水量將增大，而極端降水總量整體的變化速率呈減少趨勢，這與時間上年降水變化速率呈減少趨勢基本一致，從側面驗證了結果的真實性和可靠性。

b.降水日數和降水強度的變化速率在區域中南部

圖6 山西省1970—2016年極端降水指標空間變化趨勢特征

呈減少趨勢，但區域北部多為增加趨勢，區域北部是極端降水事件增多的區域，極端降水量變化率為0.03～0.15mm/a，降水強度變化為0.05～0.57mm/a。

3.4 極端氣溫指標的空間變化特征

極端氣溫指標的空間變化特征見圖7。

a.由圖7(a)、圖7(b)可以看出，1970—2016年多年平均最高氣溫和最低氣溫在空間分布上差異顯著，但整體呈南部高、北部低的空間分布特征，由南至北逐漸遞減的趨勢，且日最高氣溫介于20.71～39.32℃之間，日最低氣溫介于-31.92～-11.10℃之間。

b.由圖7(c)、圖7(d)可以看出，霜凍天數和酷熱天數的空間分布相反，霜凍天數整體呈西南低、東北高，并由西南至東北方向遞增，而酷熱天數整體呈西南高、東北低，并由西南至東北方向遞減。

c.酷熱天數的變化范圍為0～85.5天，霜凍天數的變化范圍為87.67～217.06天。

d.總的來說，極端氣溫指標在空間上分布差異明顯，但最高溫、最低溫和酷熱天數整體呈由西南至東北逐漸遞減，而霜凍天數的空間分布趨勢相反。

圖7 山西省1970—2016年極端氣溫指標空間分布特征

極端氣溫指標在空間上的變化趨勢特征見圖8。由圖8可以看出：

a.山西省最高氣溫變化率均呈微弱的上升趨勢，變化率在0～0.19℃/a之間，這進一步揭示了全球變暖現象；最低氣溫變化率除個別區域外，均呈上升趨勢，且變化率(-0.03～0.23℃/a)大于最高氣溫的速率，這意味著最低氣溫的變化是導致氣候變暖的主要原因，最高氣溫次之；酷熱天數變化率呈增加趨勢，變化率在0～0.58d/a之間；而霜凍天數呈減少趨勢，變化率在-1.78～0d/a之間。

b.對比分析最高氣溫、最低氣溫、酷熱天數和霜凍天數變化趨勢可知，未來極端氣溫事件會進一步加劇，夏天更熱，冬天更暖，即人們口中常說的“冬天不冷了，夏天異常熱”；同時，山西省中部和北部區域是高溫事件的易發區，而南部區域極端高溫事件變化不大；北部最低氣溫變化率呈明顯增大趨勢，而南部變化不大；此外，流域中北部未來霜凍天數變化率減少顯著，即極端低溫事件減弱。

圖8 山西省1970—2016年極端氣溫指標空間變化趨勢

4 結 論

本文以地處干旱、半干旱區的山西省為例，采用一元線性回歸方法和Mann-Kendall非參數檢驗方法對山西省1970—2016年共47年降水和氣溫進行趨勢性和突變性檢驗，并基于百分位閾值理論，量化診斷出極端降水和氣溫指標的時空變化趨勢，得到的主要結論如下：

a.山西省年降水量呈微弱的減少趨勢，而年平均氣溫呈顯著的增加趨勢，其變化率分別為2.20mm/10a和0.46℃/10a，年降水量和氣溫分別于1978年和1996年發生了變異。

b.極端降水量、極端降水總量、降水日數和降水強度空間分布差異顯著，但整體呈南部高、北部低，東部高、西部低的空間分布特征；極端氣溫指標在空間上差異明顯，但最高溫、最低溫和酷熱天數整體呈由西南至東北逐漸遞減，而霜凍天數的空間分布趨勢相反。

本文通過對山西省極端氣候事件進行評估分析，從歷史數據中識別出極端降水、極端氣溫的時空變化趨勢特征，診斷出其高變異區和水資源豐枯區，用數據揭示日常生活現象“冬天不冷了，夏天異常熱”，研究結果可為山西省相關部門“十四五”方針政策中水資源的準確評估提供理論參考，并預測其趨勢變化特征。