寧夏暖季小時極端降水時空分布特征

薛箏箏, 肖建輝*, 高英育， 左湘文， 劉曉磊

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

在全球氣候變暖背景下，極端降水事件頻發，對社會穩定、經濟發展和人民生活等產生了極大的損害[1]，極端降水事件發生的時空分布特征成為當前全球氣候變化研究的熱點領域。很多研究從全國以及不同區域尺度分析極端降水事件的變化特征，翟盤茂等[2]研究表明，西北地區極端降水事件趨于增多，空間分布的區域差異性顯著；王曉瑩等[3]利用云南省氣象站點近40 年日降水數據對降水及極端降水的變化趨勢進行分析，結果表明強降水量在濕潤區出現快速下降；蔡文香等[4]采用泊松回歸方法對松花江流域連續性極端降水事件時間趨勢特征分析，結果表明降水事件呈增加趨勢；盧珊等[5]指出,在近年來黃土高原夏季降水整體下降的背景下，極端降水占比在將近70%的站點表現出增長趨勢；張菁等[6]指出，陜甘寧三河源地區極端降水有明顯增多的趨勢。楊維濤等[7]基于138個氣象站點觀測資料，利用一元線性方程和Mann-Kendall法分析了黃土高原地區27個極端氣候指數的時空變化特征，指出極端降水指數變化趨勢平緩。同時，一些學者針對寧夏極端降水變化特征也開展了相關研究，如張冰等[8]針對夏季極端降水日數的變化規律及其成因進行分析，陳豫英等[9]在中尺度系統分型基礎上，對比分析賀蘭山東麓6次極端暴雨的中尺度特征。

上述學者利用了日累計降水資料研究極端強降水變化特征，但使用日累計降水資料會高估長時間連續性弱降水的強度，低估短時間強降水的強度[10]。由于極端強降水事件時空分布的不均勻性，只有更高分辨率的降水資料才能更準確地反映極端強降水變化特征。近年來，隨著逐時降水資料的建立，越來越多的學者關注小時極端降水特征。楊霞等[11]、楊軍勇等[12]、董旭光等[13]利用百分位閾值方法分別分析了新疆、河南、山東小時極端強降水時空分布特征和變化趨勢。于淑婷等[14]利用1982—2016年云南省67個氣象站逐小時降水資料分析其不同強度降水氣候態及其變化，結果表明降水量和降水頻次呈減少趨勢，而降水強度表現為增加趨勢。

寧夏地處中緯度內陸地區，地形復雜，生態系統相對脆弱，極端強降水往往帶來較嚴重的氣象災害。例如，2017年7月22日賀蘭山沿山拜寺口1 h降水量達74.1 mm，2019年6月26日紅寺堡區太陽山買河村1 h降水量達 27.0 mm，均造成了重大損失。然而，目前針對寧夏小時極端強降水特征的研究還不多見。因此，現利用寧夏24個國家級地面氣象觀測站2005—2020年暖季小時降水資料，分析寧夏不同區域暖季極端降水的時空分布特征，研究降水規律和變化趨勢，為寧夏降水的短時臨近預報和防災減災提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

圖1 寧夏氣象觀測站點分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Ningxia

1.2 方法

小時極端降水的標準采用楊霞等[11]利用的百分位閾值法來定義：把每個站點暖季非零小時降水量按升序排列，取其第X個百分位的小時降水量作為該站點極端強降水的閾值。當該測站小時降水量超過閾值，就認為該時次出現了極端強降水事件。表1給出了寧夏2005—2020 年5—9 月不同百分位小時降水閾值，分析小時強降水平均閾值、出現頻次和占比，結合寧夏實際，本文選取第97百分位小時降水閾值作為寧夏小時極端降水閾值。

表1 寧夏2005—2020年暖季不同百分位小時極端降水閾值

小時極端降水量為統計時段內大于小時降水閾值的年平均小時降水量，小時極端降水頻次為統計時段內大于小于降水閾值的年平均小時數，小時極端強降水強度為小時極端降水量除以相應的小時極端降水頻次。不同區域中站點的統計指標的算術平均值作為該區域相應統計值。

2 結果分析

2.1 小時極端降水空間分布特征

2.1.1 小時極端降水總體分布特征

從2005—2020 年寧夏暖季小時極端降水空間分布圖(圖2)可以明顯看出，寧夏小時極端降水量呈現自北向南逐漸增大的特點，北部引黃灌區極端降水量在16～24.8 mm，中部干旱帶極端降水量在21.5～37.4 mm，南部山區為小時極端降水量的高值區，變化范圍在40.5～69.9 mm，最大值出現在涇源。究其原因，涇源縣位于六盤山區東側迎風坡，受天氣系統和地形的共同影響，涇源極端降水量最大，與鄧佩云等[15]研究六盤山東與西坡降水差異特征的結果相一致。寧夏小時極端降水頻次空間分布與降水量較一致[圖2(b)]，自北向南小時極端降水頻次分別為1.8～2.0 次、3.1～3.9次和4.5～7.3次。寧夏小時極端降水強度空間分布與降水量和降水頻次差異非常明顯[圖2(c)]，呈現顯著的北多南少和東多西少的特點，小時極端降水強度大值區位于北部引黃灌區的北部，其中石炭井、平羅和銀川城區降水強度超過12 mm/h；不難發現，該區域的小時極端降水量和降水頻次較小，但是降水強度較大。中部干旱帶中東部為降水強度次大值區，其中韋州降水強度達10.5 mm/h；南部山區小時極端降水強度偏弱，小于寧夏平均極端降水強度，變化范圍在8.2～9.8 mm/h；降水強度低值區主要出現在寧夏西部和吳忠，其中興仁小時極端降水強度最小，為6.9 mm/h。

2.1.2 小時極端降水晝夜分布特征

圖3為白天和夜間小時極端降水量、降水頻次、降水強度以及兩者差值的空間分布，這里白天指09:00—20:00，夜間指21:00—次日08:00。白天和夜間極端降水量分布形態是相似的，表現為北少南多和西少東多的特點，但也存在區域差異。中部干旱帶和南部山區白天的極端降水量偏多，南部山區尤其明顯，極端降水量晝夜差值在7.5～26.1 mm，其中涇源晝夜差異最大，白天降水量是夜間的2.2倍；中部干旱帶極端降水量晝夜差值在1.6～9.8 mm。北部引黃灌區除銀川、石嘴山和中寧外，其他地方白天的降水量都大于夜間，負差值最大的區域在石嘴山城區，為-9.5 mm。

極端降水頻次的分布特征與降水量類似，除北部引黃灌區北部、西部部分地方外，其他地方白天降水頻次較夜間偏多，南部山區偏多的最明顯，降水頻次晝夜差值為1.0～2.5次。

圖2 寧夏2005—2020年暖季小時極端降水量、降水頻次和降水強度空間分布Fig.2 Spatial distribution of hourly extreme precipitation,frequency and intensity in warm season in Ningxia during 2005—2020

圖3 寧夏2005—2020年暖季白天和夜間小時極端降水量、降水頻次、降水強度以及兩者差值的空間分布Fig.3 Spatial distribution of hourly extreme precipitation,frequency, intensity and the differences between day and nightin warm season in Ningxia during 2005—2020

從圖3(g)可以發現，白天小時極端降水強度主要表現為北強南弱，在引黃灌區北部和中部干旱帶中東部為大值區，其中石炭井小時極端降水強度最大為13.5 mm/h。極端降水強度晝夜對比來看，夜間降水強度強于白天的區域很少，零星分布于永寧、中寧、西吉和石嘴山城區；晝夜降水強度差值在平羅、陶樂、靈武、麻黃山、同心降水強度出現明顯的高值中心，變化范圍在2.2～3.2 mm/h，其中銀川靈武晝夜降水強度差異最大，白天為11.3 mm/h，夜間為8.1 mm/h。

該區域位于蘇北地區，處在北亞熱帶向暖溫帶過渡的濕潤季風氣候，年均氣溫14.4℃，平均年降水量1 000 mm，且區域內有洪澤湖、高郵湖等，水資源充沛，自然條件優越。另外，該區域農田水利設施水平較高，有效灌溉率遠高于流域的平均水平，抵抗自然災害的能力強，是流域內農業干旱脆弱性最輕的地區，也是農業生產條件最優越的地區，是流域內水稻的主產區，并且其糧食單產水平也遠高于其他地區。

總體而言，寧夏北部引黃灌區大部分區域的白天極端降水量和降水頻次均較夜間偏少，而中部干旱帶和南部山區白天極端降水量和降水頻次偏多，南部山區尤為明顯；除零星點外，寧夏白天降水強度均強于夜間，晝夜差高值區主要集中在中部干旱帶。

2.1.3 小時極端降水趨勢分布特征

圖4為小時極端降水量、降水頻次和降水強度變化趨勢空間分布圖，從圖4(a)可知，整體上小時極端降水量變化趨勢自北向南逐漸增加，北部引黃灌區降水量變化趨勢在-9.6～21.2 mm/10 a，其中石嘴山站變化趨勢最大，中衛站其次；寧夏僅3個站點極端降水量呈減小趨勢，全部分布在北部引黃灌區的北部。中部干旱帶除同心站(6.5 mm/10 a)以外，其他站極端降水量變化趨勢均在20 mm/10 a左右。南部山區極端降水量均呈增加趨勢，變化趨勢在16.1～43.2 mm/10 a，其中涇源站極端降水量變化趨勢最大，且通過了0.1的顯著性檢驗。有16.7%的站點極端降水量增加趨勢通過0.1的顯著性檢驗，其中靈武站增加趨勢最顯著。小時極端降水頻次變化趨勢與降水量相似[圖4(b)]，自北向南逐漸增加，南部山區降水頻次變化趨勢為1.1～3.6 mm/10 a；83.3%的站點極端降水頻次呈增加趨勢，僅鹽池站的增加趨勢通過0.05的顯著性檢驗。有70.8%的站點極端降水強度呈增加趨勢，所有站點未通過顯著性檢驗；降水強度表現為減少趨勢的站點主要集中在北部引黃灌區，占85.7%。

2.2 寧夏暖季小時極端降水時間變化特征

2.2.1 小時極端降水年際變化

寧夏不同區域的平均小時極端降水量年際變化如圖5(a)所示，北部引黃灌區、中部干旱帶和南部山區年際極端強降水量均呈增加趨勢，這與汪寶龍等[16]提出的中國西北地區極端降水總量線性變化整體上呈增加趨勢結論一致，自北向南三個區域極端降水量氣候傾向率分別為7.0、18.1、25.1 mm/10 a，其中中部干旱帶極端降水量增加趨勢通過0.05顯著性檢驗。寧夏三個區域平均極端降水量均是北部引黃灌區<中部干旱帶<南部山區，小時極端降水量最大值均出現在2018 年，分別為57.3、60.7、119.0 mm。寧夏不同區域極端強降水頻次年變化特征[圖5(b)]與降水量相似，三個區域極端降水頻次均呈微弱增加趨勢；自北向南三個區域極端降水頻次氣候傾向率逐漸增大，小時極端降水頻次最大值也出現在2018年，依次為5.0次、6.3次和9.2次。中部干旱帶和南部山區小時極端降水強度呈先減少后增加趨勢，在2011年達到最小值；北部引黃灌區極端降水強度增加趨勢不明顯。自北向南最大小時極端降水強度分別為11.3、11.0和11.2 mm/h。

2.2.2 小時極端降水月變化

從小時極端降水逐月變化來看(圖6)，5、6、8、9月極端降水量和降水頻次呈自北向南遞增的特點，7月不同的是北部引黃灌區降水量和降水頻次大于中部干旱帶。南部山區和中部干旱帶各月極端降水量和降水頻次由低到高的順序為5、9、6、7、8月，而北部引黃灌區的降水量和降水頻次在7月最大，分別為9.6 mm和0.9次。北部引黃灌區小時極端降水強度8月最大，達11.3 mm/h；7月次之，為10.6 mm/h。5、6月極端降水強度自北向南遞增，7、8月北部引黃灌區降水強度最大，9月中部干旱帶小時極端降水強度最大。

2.2.3 小時極端降水日變化

寧夏不同區域暖季小時極端降水量日變化曲線如圖7(a)所示，除05:00和06:00以外，南部山區各時次極端降水量均大于中部干旱帶和北部引黃灌區，南部山區小時極端降水量和降水頻次日變化曲線均呈明顯的單峰型，峰值出現在17:00，14:00—19:00為小時極端降水量和降水頻次的高值時段。中部干旱帶極端降水量和降水頻次高值出現的時段與南部山區基本一致。表明熱力作用是中部干旱帶和南部山區極端降水的重要觸發機制。北部引黃灌區小時極端降水量日變化特征與其他存在明顯差異，極端降水頻次日峰值出現在早晨08:00，凌晨01:00和早晨07:00—08:00均為極端降水量高值時段，進一步印證了2.1.2節的結論。

南部山區小時極端降水強度各時次差異不大，集中在7.0～10.7 mm/h。中部干旱帶小時極端降水強度高值時段出現在傍晚，最小極端降水強度出現在12:00，與降水量和降水頻次最小值出現的時間相同。北部引黃灌區降水強度最大值出現在17:00，為11.1 mm/h，此時降水量僅為南部山區的1/3左右，但降水強度偏大了1.8 mm/h。

計算了小時極端降水量與降水頻次、降水強度逐時變化的相關系數，發現南部山區小時極端降水量與降水頻次相關性更好(0.97)，北部引黃灌區和中部干旱帶小時極端降水量與降水頻次、降水強度的相關性均較好，說明南部山區逐時極端降水量主要由極端降水頻次貢獻，北部引黃灌區和中部干旱帶逐時極端降水量由降水頻次和降水強度共同影響。

3 結論

利用2005—2020年寧夏24個國家級氣象觀測站暖季小時降水資料，研究分析了寧夏不同區域小時極端降水時空變化特征，得到以下結論。

(1)寧夏小時極端降水量和降水頻次呈自北向南逐漸增大的特點，南部山區小時極端降水量變化范圍在40.5～69.9 mm；極端降水強度呈顯著的北多南少和東多西少的特點，北部引黃灌區石炭井、平羅和銀川城區降水強度超過12 mm/h，中部干旱帶中東部為次大值區，南部山區小時極端降水強度偏弱，降水強度低值區主要出現在寧夏西部和吳忠。

(2)寧夏北部引黃灌區大部分區域的白天極端降水量和降水頻次均較夜間偏少，而中部干旱帶和南部山區白天極端降水量和降水頻次偏多，南部山區尤為明顯；除零星點外，寧夏白天降水強度均強于夜間，晝夜差高值區主要集中在中部干旱帶。

(3)寧夏小時極端降水量和降水頻次變化趨勢自北向南逐漸增加，僅3個站點極端降水量和降水頻次呈減小趨勢，全部分布在北部引黃灌區，有16.7%的站點極端降水量增加趨勢通過0.1的顯著性檢驗。有70.8%的站點極端降水強度呈增加趨勢，所有站點未通過顯著性檢驗；降水強度表現為減少趨勢的站點主要集中在北部引黃灌區，占85.7%。

(4)寧夏自北向南三個區域小時極端降水量、降水頻次和降水強度均呈增加趨勢，其中中部干旱帶極端降水量增加趨勢顯著，且通過了0.05顯著性檢驗。寧夏自北向南三個區域最大小時極端降水量和降水頻次均出現在2018年，極端降水量分別為57.3、60.7、119.0 mm，極端降水頻次分別為5.0、6.3、9.2 次。

(5)南部山區和中部干旱帶各月極端降水量和降水頻次由低到高的順序為5、9、6、7、8月，而北部引黃灌區7月最大。5、6月小時極端降水強度自北向南遞增，7、8月北部引黃灌區降水強度最大，9月中部干旱帶小時極端降水強度最大。

(6)北部引黃灌區和南部山區小時極端降水量峰值出現在17:00，三個區域中中部干旱帶18:00的極端降水強度最大。南部山區逐時極端降水量主要由極端降水頻次貢獻，北部引黃灌區和中部干旱帶逐時極端降水量由降水頻次和降水強度共同影響。