西寧地區汛期極端降水與不同級別降水的氣候特征分析

張翠花 聶永喜 郝璽英

摘要?利用西寧地區1961—2017年4個站點的汛期的逐日降水觀測資料，用閾值監測的方法，計算出西寧地區汛期極端降水的閾值，并應用氣候線性趨勢、多項式擬合、M-K檢驗和MorLet小波分析法對57年西寧地區各級雨量和R95極端降水的氣候變化特征進行了分析。結果表明：（1）1961—2017年西寧地區汛期（5—9月）降水量增加，增加幅度為6.387?mm/10年，降水日數減少的趨勢，減少幅度為0.379?mm/10年，相應的汛期降水強度加強。（2）汛期極端降水量呈現增加趨勢，增加幅度為2.946?mm/10年，且具有明顯的階段性變化;降水頻次和強度均呈現增加趨勢。從空間來看，西寧地區極端強降水量、頻次、強度大值區主要集中在大通和湟中。（3）西寧地區汛期（5—9月）0.1～9.9?mm的小雨、10.0～24.9?mm的中雨和≥25.0?mm的大-暴雨雨日分別占全部雨日（≥0.1?mm）的83%、14%、3%;不同量級的雨日所產生的降水量分別占總降水量的44%、41%、15%。雖然中雨和大-暴雨出現的日數所占比例不大，但所產生的降水量比例較大，表明強度增加，降水就更加集中。（4）中雨降水量和R95極端降水量和與年降水量的相關性均較高，通過了0.001的相關性檢驗，對年降水量的貢獻很大，有很好的響應，而小雨、大-暴雨與年降水量的相關性相對較差，沒有通過統計學0.001的相關性檢驗，說明小雨和大-暴雨對年降水量的貢獻并不顯著。（5）進入21世紀以來，極端強降水引發的災害頻次增多、強度加重，受到的經濟損失也隨之加大，降水趨于極端化的趨勢使防汛形勢日益嚴峻。

關鍵詞?西寧地區;汛期極端強降水;氣候特征

中圖分類號：P468.0+24?文獻標識碼：A?文章編號：2095-3305（2020）03-074-05

DOI：?10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.032

近年來，隨著氣候變化，極端事件尤其是夏季極端降水事件的頻發，引起了各部門廣泛關注，各界學者進行了大量的研究分析。楊金虎等[1]在研究中國年極端降水事件的時空分布特征中發現，中國年極端降水事件的時間變化存在明顯的區域性差異;唐紅玉等[2]對中國極端降水的研究表明，全國總降水量變化趨勢不明顯，但降水強度在增強。雖然極端事件發生的概率小，但突發性強，造成的損失大。中國學者研究表明，中國的極端降水值、極端降水平均強度和頻數都在增多[3]。近50年來，中國西北地區降水以強降水為主，較強以上強度的降水日數占總降水日數的5%，但其降水量占總降水量的75%[4-8]。西寧地處西北、屬東部農業區，地形復雜，地表植被稀疏，降水主要集中在汛期（5—9月），占全年總降水的60%以上。因此，夏季的極端強降水給當地農業生產工作造成了嚴重影響，更為短時強降水的氣象服務帶來了挑戰。鑒此，文中分析了西寧地區極端降水及不同級別的降水特征，旨在為極端強降水引發的洪水、滑坡及泥石流等地質災害提供更好地氣象服務。

1?資料與方法

1.1?資料來源

選取1961—2017年西寧地區（西寧市、湟中縣、大通縣、湟源縣）4個臺站的汛期（5—9月）逐日降水資料，對其進行質量控制和均一性檢驗，以確保各站點日降水資料的準確和可靠。

1.2?研究方法

1.2.1?極端強降水事件?利用西寧地區（西寧、湟中、大通、湟源）4個國家氣象站1961—2017年的日降水序列，采用百分位法定義每個站點極端降水的閾值，具體做法是：將1961—2017年逐年的日降水量（≥0.1?mm）序列由小到大排列，取其第95個百分位數的57年平均值定義為極端降水事件的閾值，當某站某日降水量超過這個閾值時，就記為一次極端降水事件[9-10]，具體參照Bonsal的計算方法，如下：如果某個氣象要素有n個值，將這n個值按升序排列x1，x2，…，xm，xn…某個值小于或等于xm的概率為P=（m-0.31）/（n+0.38）。其中，m為xm的序號，n為某個氣象要素值的個數。第95個百分位值是指P=95%所對應的xm值。

研究采用4個極端強降水指數，分別是極端強降水量、極端強降水頻次、極端強降水強度以及極端強降水比重，具體定義見表1。

1.2.2?不同級別降水?根據氣象降水量級規定，日降水量0.1～9.9?mm為小雨，10.0～24.9?mm為中雨，≥25.0?mm為大-暴雨。在確定了極端降水事件閾值和不同級別降水的基礎上，統計出近?57年西寧地區4個站點逐年不同量級降水日數和極端降水事件數據，并建立57年的時間序列，然后通過降水要素傾向率計算各級降水和R95極端降水的變化情況;用多項式擬合的方法分析各級降水量和R95極端降水量與年降水總量之間的相關關系;用MannKendal法對R95極端降水事件的突變進行分析，用滑動t檢驗法對突變點進行檢驗;用Morlet小波分析法分析近57年西寧地區R95極端降水的周期變化。

2?結果與分析

2.1?極端降水事件的變化特征

2.1.1?汛期降水量、降水日數的變化?1961—2017年西寧地區汛期（5—9月）降水量呈增加趨勢，增加率為6.38?mm/10年，汛期降水量最大值出現在1967年，降水量為565.7?mm，而最小降水量出現在1991年，降水量為260.3?mm（圖1a）;汛期平均降水日數為76?d，整體呈現微弱減少趨勢，但減少的不明顯，降水日數最大與最小值相差31?d（圖1b）。通過分析，1961—2017年西寧地區汛期降水量呈增加趨勢，降水日數呈減少趨勢，降水強度增大。

2.1.2?極端降水事件的氣候特征?極端降水事件從汛期極端降水量、頻次、強度及強降水量占汛期降水量比重等指標來分析。

1961—2017年西寧地區汛期極端降水量增加，增加幅度為2.946?mm/10年，且具有明顯的階段性變化，90年代以后極端降水量增多趨勢較明顯（圖2a）;極端強降水頻次呈微弱增多趨勢，速率為0.06?d/10年，增多趨勢不明顯（圖2b）。近57年，極端降水強度也呈加強趨勢，尤其在近10年較為明顯，2008—2017年極端降水強度達到1.797?mm/d，較常年偏多1.6?mm/d（圖2c）。同時，1961—2017年平均極端降水量對汛期總降水量的貢獻率為33%，汛期極端降水對汛期降水的貢獻變化不明顯（圖2d）。從以上分析可以看出，在當地氣候變化的背景下，汛期極端降水量、降水頻次和強度均呈現增加趨勢，尤其是近年來增加的較為明顯。

從空間來看，西寧地區極端強降水量、頻次、強度大值區主要集中在北部的大通、中西部的湟中，年平均極端降水量為150?mm左右，頻次為6次、強度為24?mm/d，而東部的西寧市區、西部的湟源相對偏小（表2）。而從變化趨勢來看，湟中極端降水量和降水日數呈現減少趨勢，平均每10年減少0.6?mm，其余地方均呈現增多趨勢，大通和湟源增多的較明顯，平均每10年分別增多8.4?mm和2.9?mm。

2.1.3?極端降水事件的氣候突變性?西寧地區汛期極端降水是否也存在氣候突變，有必要對其變化程度進行突變檢驗。檢驗結果表明：西寧地區極端降水量和降水日數均在20世紀60年代中期前呈顯減少趨勢，之后逐年增多。極端降水在1961—2017年期間沒有發生氣候突變現象，只是存在年際間的振蕩（圖3）。

2.1.4?極端降水周期變化特征?通過對西寧地區極端降水量平均值進行Morlet小波分析，結果顯示20世紀80年代中期前存在9年左右的周期，但不顯著，而之后存在4—5年左右的周期振蕩較顯著（圖4）。

2.2?不同級別的降水氣候變化特征

1961—2017年西寧地區汛期不同級別的降水變化如圖5所示：出現小雨的降水日數呈現減少趨勢外，其他等級的平降水日數和降水量均呈增加趨勢。小雨降水出現的日數速率為每10年減少3.2?d，而中雨和大-暴雨的降水日數速率分別為每10年增加1.5和0.1?d，且中雨增加的尤為明顯，通過了0.10的顯著性檢驗。統計表明，西寧地區汛期0.1～9.9?mm的小雨、10.0～24.9?mm的中雨和≥25?mm的大-暴雨雨日分別占全部雨日（≥0.1mm）的83%、14%、3%，降水量分別占總降水量的44%、41%、15%。雖然中雨和大-暴雨出現的日數所占比例不大，但所產生的降水量比例較大，表明強度就增加，降水就更加集中。

從地域情況來看，湟中和大通出現大-暴雨的次數相對較多，1961—2017年汛期總共出現121和107次，平均每年出現2次，比其他地方多1倍，而西寧市區和湟源地區出現的次數相對較少。

由此可見，西寧地區降水以小-中雨為主，大-暴雨降水出現的幾率非常小，但局部范圍內時常會出現，而且強度也是增加的，大-暴雨平均每年出現2次，1961年西寧地區總共出現大-暴雨20次，平均每個站出現5次，是歷年來大-暴雨出現最多的年份，平均每次降水量達40?mm。20世紀60年代和90年代大-暴雨出現的較頻繁，平均每年出現7～8次，比57年平均每年出現次數多5～6次。

2.3?不同量級降水和R95極端降水量與年降水總量之間的關系

為了進步驗證不同量級降水和R95極端降水量與年降水總量之間的相關關系，繪制出了不同量級降水和R95極端降水量與年降水總量之間的散點圖（圖6）。通過分析可知，小雨、中雨、大-暴雨量和R95極端降水量與年降水量之間均呈正相關，通過最小二乘法得到的線性擬合方程分別為y=0.145?4x+98.42、y=0.474?2x-60.26、y=0.212?4x-42.21、y=0.410?1x-57.4，相關系數分別為0.427?4、0.698?4、0.344?4及0.659?8，可見，中雨降水量和R95極端降水量和與年降水量的相關性都比較高，通過了0.001的相關性檢驗，對年降水量的貢獻很大，有很好的響應，而小雨、大-暴雨與年降水量的相關性相對比較差，沒有通過統計學0.001的相關性檢驗，說明小雨和大-暴雨對年降水量的貢獻并不顯著。

2.4?汛期極端強降水事件對災害的影響評估

極端氣候事件頻率和強度的變化會對社會經濟和人民群眾生命財產安全帶來較大的影響。汛期極端強降水事件對災害的影響主要包括對對泥石流災害的影響和對洪澇災害的影響。隨著氣候變暖，氣候極端事件特征也出現了明顯變化，1961—2017年汛期，西寧地區降水量增加，尤其進入21世紀以來，極端強降水引發的災害頻次增多、強度加重，受到的經濟損失也隨之加大。7月中旬至8月中旬是極端強降水的多發期，暴雨極端強降水多發，洪水頻發、引發滑坡、泥石流等地質災害。

據統計，自20世紀90年代以來，汛期強降水處于多發期，導致暴雨洪水發生的趨勢上升（圖7）。20世紀80年代以來西寧地區發生強降水引發的暴雨洪澇災害100多次，其中湟中、大通各30次，湟源、西寧各20次，死亡人口87人，直接經濟損失達48?996.19萬元。其中90年代26次，經濟損失7?353.92萬元;2000—2009年49次，經濟損失1?541.63萬元;2010年之后27次，經濟損失40?098.64萬元。尤其是在2003—2013年的10年期間共發生61次暴雨洪災，是進入21世紀以來西寧地區暴雨災害頻發的10年，其中僅2007年西寧地區發生暴雨災害15次，是暴雨洪澇災害發生最多的一年，如2007年湟中縣連續9?d出現了強陣性天氣過程，由于降水過多，山體土質松軟，發生山體滑坡、泥石流衍生氣象災害，致使2人死亡;2010年7月6日湟源暴雨洪澇災害，造成湟源直接經濟損失大2.25億，死亡13人;2016年8月18日短時強降水引發的暴雨洪澇災害造成湟源9個鄉鎮、西寧轄區13個村6個農業基地受災，1?h降水量達52.4?mm，直接經濟損失達9千多萬元。隨著全球變暖，因強降水和極端降水引發的洪災危害仍將持續。

從以上分析可以看出，在氣候變暖的背景下，雖然汛期強降水量增加的幅度不明顯，但強降水頻次和強度明顯增加，降水趨于極端化的趨勢使防汛形勢日益嚴峻。

3?結論

（1）1961—2017年西寧地區汛期（5—9月）降水量增加，增加幅度為6.387?mm/10年，降水日數呈減少的趨勢，減少幅度為0.379?mm/10年，相應的汛期降水強度加強。

（2）汛期極端強降水量呈現增加趨勢，增加幅度為2.946?mm/10年，且具有明顯的階段性變化;降水頻次和強度均呈現增加趨勢。從空間來看，西寧地區極端強降水量、頻次、強度大值區主要集中在大通和湟中。

（3）西寧地區汛期0.1～9.9?mm的小雨、10.0～24.9?mm的中雨和≥25?mm的大-暴雨雨日分別占全部雨日（≥0.1?mm）的83%、14%、3%;不同量級的雨日所產生的降水量分別占總降水量的44%、41%、15%。雖然中雨和大-暴雨出現的日數所占比例不大，但所產生的降水量比重較大，表明強度增加，降水就更加集中。

（4）中雨、R95極端降水量和與年降水量的相關性都比較高，通過了0.001的相關性檢驗，對年降水量的貢獻很大，有很好的響應，而小雨、大-暴雨與年降水量的相關性相對比較低，未通過統計學0.001的相關性檢驗，說明小雨和大-暴雨對年降水量的貢獻并不顯著。

（5）進入21世紀以來，極端強降水引發的災害頻次增多、強度加重，受到的經濟損失也隨之加大，降水趨于極端化的趨勢使防汛形勢日益嚴峻。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛