1960-2015年秦嶺地區(qū)極端降水的時空變化特征

孟 清, 高 翔, 白紅英, 張 揚(yáng), 王輝源

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 西安 710127; 2.西北大學(xué) 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710127; 3.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心, 北京 100081)

從20世紀(jì)中葉以來，全球大多地區(qū)的特大降雨事件呈增加趨勢，部分地區(qū)呈減少趨勢[1]。IPCC特別報告指出氣候變化會導(dǎo)致極端天氣和極端事件的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時間發(fā)生改變[2]。IPCC報告還指出20世紀(jì)中葉以來全球尺度上，人類活動導(dǎo)致了極端氣溫強(qiáng)度和頻率的增加，但有限的研究能證明人類活動是導(dǎo)致極端降水事件頻發(fā)的原因之一。Alexander等[3]研究全球極端降水發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)全球年降水量和極端降水有增加的趨勢，即使在平均降水減少的北半球中高緯度地區(qū)，極端降水的頻率和強(qiáng)度也在顯著增加。Donat等[4]研究發(fā)現(xiàn)，1951—2011年全球極端降水的變化在空間上與極端氣溫變暖是不一致的且呈不顯著變化,而且東亞、北美的西北部、歐洲的西南部和澳洲的東部和西南部表現(xiàn)出不顯著的干旱趨勢。區(qū)域尺度研究上，美國[5]，歐洲[6]等地區(qū)極端降水均呈不同程度的增加趨勢。在城際尺度上，Rosenberg等[7]發(fā)現(xiàn)1949—2007年美國城市波特蘭和斯波坎市年降水量和極端降水呈減少趨勢。Tan等[8]發(fā)現(xiàn)加拿大西海岸地區(qū)年最大降水量呈現(xiàn)增加趨勢，在北部區(qū)域呈減少趨勢。與此同時，我國學(xué)者也同樣重視極端降水，研究發(fā)現(xiàn)中國極端降水事件在西北西部、長江中下游、華南及青藏高原等地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢，在東北東部、西北東部華北大部分等地表現(xiàn)為減少趨勢[9-20]。由此可見，極端降水在不同的區(qū)域呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在已有研究中針對陜西秦嶺地區(qū)的極端降水研究較少，李雙雙等[21]、李菲[22]研究了廣義上秦嶺地區(qū)的極端降水的時空變化與影響因子。由于秦嶺地區(qū)海拔較高、地形較復(fù)雜，其氣候變化有著自身獨(dú)特的規(guī)律和特點(diǎn)，是氣候變化的敏感區(qū)，因此，研究秦嶺地區(qū)極端降水的時空變化特征意義非凡。

本文以狹義上的秦嶺為研究區(qū)，位于東經(jīng)103°48′—113°04′，北緯32°25′—35°16′。秦嶺是我國重要的南北分界線，是1月0℃等溫線、800 mm等降水量線以及北亞熱帶和暖溫帶的分界線，同時還是長江水系和黃河水系的分水嶺[23-24]。秦嶺地區(qū)近60年來年均降水的變化范圍為545.44～1 155.46 mm，年均降雨量為824.76 mm，秦嶺地區(qū)降水量南豐北少，季節(jié)分配不均勻[25]。秦嶺山體龐大，冬季能阻擋寒冷的西伯利亞寒流南下，使南方減少凍害，夏季又可以阻擋太平洋上濕潤的水汽北上，使得中國南北出現(xiàn)了不同的氣候類型和植被類型[26]。本文通過1960—2015年秦嶺29個氣象站點(diǎn)的日值降水資料，選取全球氣象組織規(guī)定的6個極端降水指標(biāo)，采用克里金插值法分析氣候變化背景下56年來秦嶺地區(qū)極端降水的時空變化特征及其影響因子，研究極端氣候事件發(fā)生的頻率、趨勢及其空間差異性，旨在為研究氣候變化背景下區(qū)域氣候的變化與響應(yīng)，對防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)預(yù)警提供參考，對預(yù)測和應(yīng)對未來氣候變化和極端氣候事件有很重要的參考價值和意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1960—2015年秦嶺29個氣象站點(diǎn)的日值降水資料來源于陜西省氣象局，并插補(bǔ)部分缺測數(shù)據(jù)，對缺測時間較長的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。25 m×25 m分辨率的DEM來源于國家測繪局。研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布狀況見圖1。厄爾尼諾指數(shù)和太陽黑子活動指數(shù)由美國國家航空航天局提供。災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于秦嶺地區(qū)各個行政區(qū)縣市志。

圖1 研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

目前，研究極端降水有2種方法，一是根據(jù)天氣現(xiàn)象(如臺風(fēng))本身的定義標(biāo)準(zhǔn)，通過分析原始資料來判斷此類極端降水事件的頻率或強(qiáng)度變化[27-28]；二是定義與極端事件相關(guān)的代用氣候指標(biāo)，通過分析這些指數(shù)的變化特征來反映極端降水事件[29]。本文的極端降水指數(shù)是基于世界氣象組織氣候委員會規(guī)定的極端降水指數(shù)，根據(jù)秦嶺位于濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)的分界線附近，日降水量少、降水變率大，一些極端降水指數(shù)像日降水量大于30 mm(R30)等指數(shù)并不適用于秦嶺地區(qū)，故本文選取6個極端降水指數(shù)(表1)，這些指數(shù)能科學(xué)如實(shí)地反映秦嶺地區(qū)極端降水變化，并能直觀地表現(xiàn)出極端降水的變化特征，所選指數(shù)均由RclimDex軟件進(jìn)行加載和計算完成。

借助ArcGIS 10.2里的克里金插值法對6個極端降水指數(shù)進(jìn)行插值，以此來分析秦嶺地區(qū)56年來極端降水的時空變化。突變分析采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[30-31]，M-K檢驗(yàn)則可有效監(jiān)測降水的變化趨勢和突變點(diǎn)。

表1 6個極端降水指數(shù)定義

2 結(jié)果與分析

2.1 1960-2015年秦嶺地區(qū)極端降水變化特征

2.1.1 極端降水持續(xù)性變化特征 1960—2015年秦嶺地區(qū)年平均極端降水持續(xù)性指標(biāo)隨時間變化趨勢和5年滑動平均如圖2所示。連續(xù)無雨日數(shù)(CDD)呈上升趨勢(1 d/10 a)。連續(xù)無雨日數(shù)在1999年出現(xiàn)最高值(87 d)。連續(xù)無雨日數(shù)的5年滑動平均曲線也呈上升趨勢(0.8 d/10 a)；1960—1984年變化較小，1985年后呈下降趨勢，1990—1996年為一個明顯的波峰，2001年后是第2個波峰。

連續(xù)降水日數(shù)(CWD)呈下降趨勢(0.1 d/10 a)。連續(xù)降水日數(shù)在2012年出現(xiàn)最低值(4 d)。此外，連續(xù)降水日數(shù)5年滑動平均變化呈下降趨勢(-0.1 d/10 a)；總體變化幅度較小，1972年和1981年分別是兩個波峰。

強(qiáng)降水日數(shù)(R10)呈下降趨勢(0.4 d/10 a)；強(qiáng)降水日數(shù)在1997年出現(xiàn)最低值(15 d)；強(qiáng)降水日數(shù)的5年滑動平均變化呈下降趨勢(-0.5 d/10 a)。

5日最大降水量(RX5day)呈下降趨勢(0.1 mm/10 a)。5日最大降水量在1993年出現(xiàn)最低值(72 mm)；從5年滑動平均可以看出，5日最大降水量呈不顯著的上升趨勢(0.2 mm/10 a)。

圖2 1960-2015年秦嶺地區(qū)極端降水持續(xù)性指標(biāo)變化特征

2.1.2 極端降水強(qiáng)度變化特征 近56年來秦嶺地區(qū)極端降水強(qiáng)度指標(biāo)的變化特征如圖3所示。強(qiáng)降水量(R95p)呈上升趨勢(4.6 mm/10 a)；強(qiáng)降水量在1983年出現(xiàn)最高值(400 mm)；從5年滑動平均曲線可以看出，強(qiáng)降水量呈上升趨勢(6.6 mm/10 a)，此外，5年滑動平均在20世紀(jì)75—80年代增加明顯，1990年為一個波谷，之后呈小幅上升。

降水強(qiáng)度(SDII)呈上升趨勢，上升幅度為0.1 mm/(d·10 a)。降水強(qiáng)度在1983年出現(xiàn)最高值(13 mm/d)；從5年滑動平均曲線可以看出，降水強(qiáng)度也同樣呈上升趨勢，變化幅度分別為0.1 mm/(d·10 a)。此外，5年滑動平均在20世紀(jì)75—80年代有小幅度上升，在1990年左右呈明顯下降趨勢，之后在波動中小幅上升。

圖3 1960-2015年秦嶺地區(qū)極端降水強(qiáng)度指標(biāo)變化特征

2.2 秦嶺地區(qū)56年來極端降水突變檢驗(yàn)

M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明，秦嶺地區(qū)連續(xù)無雨日數(shù)(圖4A)整體呈穩(wěn)定上升趨勢，突變點(diǎn)較多且未達(dá)到顯著水平；連續(xù)降水日數(shù)(圖4B)呈上升趨勢并在1965年出現(xiàn)了下降突變，下降趨勢持續(xù)到2015年并且分別在1973年、1980年和20世紀(jì)90年代后半葉—21世紀(jì)初達(dá)到了顯著性水平；此外，1965—1985年，連續(xù)降水日數(shù)的變化以5 a為周期，直到1985年后周期發(fā)生了變化；強(qiáng)降水日數(shù)(圖4C)在研究時間段內(nèi)呈上升趨勢并出現(xiàn)多次突變，1983年出現(xiàn)了下降突變，持續(xù)下降并且在21世紀(jì)初達(dá)到顯著水平，強(qiáng)降水日數(shù)在1985年前后周期發(fā)生了改變；強(qiáng)降水量(圖4D)在研究時間段內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢并在1965年出現(xiàn)下降突變，下降趨勢持續(xù)到2015年；5日最大降水量(圖4E)在研究時間段內(nèi)出現(xiàn)多次突變，其中，1980—1990年呈不顯著上升趨勢，分別在60，70年代和2000年左右呈顯著下降趨勢；降水強(qiáng)度(圖4F)在研究時間段內(nèi)呈上升趨勢并出現(xiàn)多次突變，其中在1965年、1980年和2015年上升趨勢達(dá)到顯著水平。

由圖4B—C可知，連續(xù)降水日數(shù)和強(qiáng)降水日數(shù)在1985年前后周期發(fā)生改變，故對該時期后的突變進(jìn)行二次分析，結(jié)果如圖5所示。連續(xù)降水日數(shù)在1999年發(fā)生上升突變，但未達(dá)到顯著性；強(qiáng)降水日數(shù)突變點(diǎn)較多，1990年之前呈上升趨勢，在之后的時間里呈下降趨勢并在2002年達(dá)到顯著性，在2009年轉(zhuǎn)為上升趨勢。

2.3 秦嶺地區(qū)56年來極端降水的空間差異性

通過克里金方法得到1960—2015年秦嶺地區(qū)6個極端降水指數(shù)均值的空間變化(圖6)，由圖6可知，連續(xù)無雨日數(shù)(圖6A)的變化呈“西北高東南低”的特征，可能原因是西北部位于內(nèi)陸，遠(yuǎn)離太平洋濕潤水汽；連續(xù)降水日數(shù)(圖6B)的極大值區(qū)分布在中部高海拔地區(qū)，原因可能是中高海拔地區(qū)地形封閉，水汽不易擴(kuò)散且山體對暖濕氣流具有抬升作用易成云致雨；強(qiáng)降水日數(shù)、強(qiáng)降水量、5日最大降水量和降水強(qiáng)度等指數(shù)年均值(圖6C—F)的變化格局存在相似性、空間差異大，都呈“南高北低”的分布特征。其中，位于秦嶺最南端的紫陽縣是各個極端降水指數(shù)極大值區(qū)。

此外，除了降水強(qiáng)度，其他3個極端指數(shù)的極差為最小值的2倍；如圖6E所示，位于秦嶺南端紫陽縣的5日最大降水量達(dá)166 mm，約為秦嶺北坡周至和長安等地區(qū)5日最大降水量1倍多，原因可能是相對于北坡，秦嶺南坡位于北亞熱帶，降水豐沛。

2.4 秦嶺地區(qū)56年來極端降水變化趨勢

通過克里金方法插值出的1960—2015年秦嶺地區(qū)極端降水指數(shù)變化趨勢的空間分布如圖7所示。連續(xù)無雨日數(shù)(圖7A)的變化范圍為-0.28～0.3 d/10 a，顯著性上升的區(qū)域占研究區(qū)總面積的22.53%，主要位于秦嶺南坡南端的安康等地區(qū)；降水強(qiáng)度(圖7F)的變化范圍為0.002～0.022 mm/(d·10 a)，顯著上升的區(qū)域占研究區(qū)總面積的18.71%，位于秦嶺南坡西部的商南縣和漢中等地區(qū)；強(qiáng)降水量(圖7D)的變化范圍為-0.71～1.34 mm/10 a，全區(qū)域內(nèi)均表現(xiàn)為非顯著性的變化趨勢。

連續(xù)降水日數(shù)(圖7B)的變化范圍為-0.023～0.007 d/10 a，顯著性下降的區(qū)域占4.41%,主要分布于秦嶺南坡西部的略陽縣；強(qiáng)降水日數(shù)(圖7C)的變化范圍為-0.048～-0.01 mm/10 a，顯著性下降的區(qū)域占9.66%，主要位于秦嶺北坡東部的華山；5日最大降水量(圖7E)的變化范圍為-0.29～0.2 mm/10 a，顯著性下降的區(qū)域占7.62%，主要位于秦嶺南坡南端的旬陽。

圖4 1960-2015年秦嶺地區(qū)各極端降水的M-K突變檢驗(yàn)

圖5 1986-2015年秦嶺地區(qū)連續(xù)降水日數(shù)和強(qiáng)降水日數(shù)M-K突變檢驗(yàn)

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

ENSO事件是全球尺度海洋—大氣相互作用的結(jié)果，是反映年際氣候變化最強(qiáng)信號之一[32-33]，ENSO加劇了干旱、洪水等極端事件的發(fā)生，因此，厄爾尼諾和拉尼娜事件受到人們的廣泛關(guān)注[34-35]；太陽活動是地球空間環(huán)境擾動的源，與其他自然災(zāi)害和氣候變化之間存在著種種聯(lián)系[36-38]。表2是厄爾尼諾指數(shù)ONI和表征太陽黑子活動的指數(shù)分別與秦嶺地區(qū)56年來極端降水指數(shù)的皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果，皮爾森相關(guān)分析可以看出兩者之間的相關(guān)性大小，從表2中可以看出，厄爾尼諾指數(shù)(ONI)和太陽黑子活動與秦嶺地區(qū)56年來6個極端降水指數(shù)的響應(yīng)存在一致性，均呈非顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；另外，秦嶺地區(qū)56年來6個極端降水指數(shù)與厄爾尼諾指數(shù)(ONI)的相關(guān)性高于與太陽黑子的相關(guān)性，這說明，當(dāng)全球處于厄爾尼諾年(ENSO暖事件)時或處于太陽黑子活躍年時，秦嶺地區(qū)的極端降水強(qiáng)度和持續(xù)時間呈下降趨勢，拉尼娜事件與之相反[21]。為更進(jìn)一步說明此結(jié)論，本文通過收集1960—2008年秦嶺地區(qū)有記錄的旱澇災(zāi)害年鑒與相應(yīng)年份的厄爾尼諾年和拉尼娜年進(jìn)行驗(yàn)證，厄爾尼諾年和拉尼娜年參考馬露[39]和李曉燕[40]等的研究結(jié)果(圖8)，恰好證明了當(dāng)全球處于拉尼娜年時，秦嶺地區(qū)的澇災(zāi)頻率(150)多于厄爾尼諾年(70)，尤其是連陰雨的記錄達(dá)75次，而厄爾尼諾年只有34次，說明當(dāng)全球處于拉尼娜年時，應(yīng)加大力度對秦嶺地區(qū)的防洪措施，尤其是位于秦嶺南坡的大部分地區(qū)。

表2 1960-2015年秦嶺地區(qū)極端降水指數(shù)與厄爾尼諾指數(shù)(ONI)和太陽黑子相關(guān)性分析

太陽活動對全球氣候系統(tǒng)具有明顯影響，但不確定性較大。Miao等[41]，胡邦琦[42]通過耦合模式和過去百年觀測資料的分析，研究發(fā)現(xiàn)，在多年代際時間尺度上，太陽輻照度偏強(qiáng)時，東亞冬季風(fēng)也顯著增強(qiáng)。近日，Nature發(fā)表的論文稱大西洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流(AMOC)減弱對北半球的氣溫及降水類型發(fā)生重大變化[43]。青藏高原作為“世界第三極”，有研究表明，青藏高原積雪厚度與中國地區(qū)降水有著密不可分的關(guān)系，具體表現(xiàn)在積雪增加將會影響東亞夏季風(fēng)的減弱[44]。其次，一次降水過程與季風(fēng)和大氣層狀況息息相關(guān)，綜上所述，由于篇幅原因所以不能一一分析影響秦嶺地區(qū)極端降水的因素。本研究發(fā)現(xiàn)秦嶺地區(qū)連續(xù)無雨日數(shù)的變化格局呈“西北高東南低”的特征；強(qiáng)降水日數(shù)、強(qiáng)降水量、5日最大降水量和降水強(qiáng)度等指數(shù)年均值的變化格局均呈“南高北低”的分布特征，這是因?yàn)榍貛X作為中國南北分界線，南坡為北亞熱帶，受季風(fēng)影響較大，降雨多，北坡為南暖溫帶，溫暖濕潤的東亞季風(fēng)難以北上，所以造成“南高北低”的變化格局。至于連續(xù)降水日數(shù)在中高海拔表現(xiàn)出最大值區(qū)，這可能是因?yàn)殡S著海拔的升高氣溫越來越低，氣壓高，風(fēng)速大，在2300 m左右形成秦嶺地區(qū)最大降雨量帶，在這種氣象條件下，極易形成連續(xù)降雨的天氣。

圖7 1960-2015年秦嶺地區(qū)極端降水指數(shù)變化趨勢的空間分布

圖8 1960-2008年秦嶺地區(qū)不同背景下澇災(zāi)及連陰雨頻率分布

3.2 結(jié) 論

(1) 56年來，秦嶺山地極端降水的持續(xù)性總體呈減少趨勢；強(qiáng)度呈增加趨勢。其中，連續(xù)降水日數(shù)、強(qiáng)降水日數(shù)和5日最大降水量顯著下降的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的4.41%，9.66%，7.62%，分別位于漢中、華山和安康等地區(qū)；連續(xù)無雨日數(shù)和降水強(qiáng)度顯著上升的區(qū)域分別是22.53%，18.71%，分別位于安康地區(qū)和商南地區(qū)。

(2) M-K檢驗(yàn)表明，連續(xù)無雨日數(shù)呈穩(wěn)定上升趨勢，突變點(diǎn)較多且未達(dá)到顯著水平；連續(xù)降水日數(shù)呈上升趨勢并在1965年出現(xiàn)了下降突變，下降趨勢持續(xù)到2015年且分別在1973年、1980年和20世紀(jì)90年代后半葉—21紀(jì)初達(dá)到了顯著性水平；強(qiáng)降水日數(shù)呈上升趨勢并出現(xiàn)多次突變，1983年出現(xiàn)了下降突變，下降持續(xù)并且在21世紀(jì)初達(dá)到顯著水平；強(qiáng)降水量呈現(xiàn)上升趨勢并在1965年出現(xiàn)下降突變；5日最大降水量出現(xiàn)多次突變，下降趨勢多次并在20世紀(jì)60，70年代和2000年左右達(dá)到顯著水平；降水強(qiáng)度呈上升趨勢并出現(xiàn)多次突變，在1965年和2015年上升趨勢達(dá)到顯著水平。

(3) 1960—2015年秦嶺地區(qū)連續(xù)無雨日數(shù)的變化格局呈“西北高東南低”的特征；連續(xù)降水日數(shù)在中高海拔表現(xiàn)出最大值區(qū)；強(qiáng)降水日數(shù)、強(qiáng)降水量、5日最大降水量和降水強(qiáng)度等指數(shù)年均值的變化格局存在相似性、空間差異大，都呈“南高北低”的分布特征。其中，位于秦嶺最南端的紫陽縣是各個極端降水指數(shù)極大值區(qū)。

致謝：感謝高翔工程師(中國氣象局公共氣象服務(wù)中心)和王輝源在本文數(shù)據(jù)來源的幫助，白紅英教授在論文寫作中的幫助以及張揚(yáng)在軟件應(yīng)用過程中的幫助。