新疆1961—2011年极端降水事件年内非均匀性特征

刘 琳，陈 静

（1.成都信息工程学院，四川 成都610225；2.中国气象局数值预报中心，北京 100081）

20世纪以来，在全球气候变暖的背景下，不断出现大范围气候异常现象，一些超出正常变化范围的极端降水事件也显著增多[1-2]。IPCC第三、四次报告指出[3-4]，极端降水事件对人类社会和环境已经造成了严重的危害，从而引起了世界各地的高度重视。新疆维吾尔族自治区位于亚欧大陆中部，地处中国西北边陲。地域辽阔，面积达166.49万km2，占全国陆地总面积的1/6[5]。新疆地形复杂，属于典型的干旱、半干旱气候区。虽然总的降水量比较少，但是其生态环境脆弱，下垫面渗透能力差，连续性的极端降水往往会造成泥石流、洪水等自然灾害。因此研究新疆地区的极端降水变化规律，提高干旱和洪水的预测能力，是很有必要的。

目前对于新疆地区的极端降水变化规律已经有了一些研究成果，李剑锋等[6]分析了新疆地区53个雨量站极端降水变化情况，发现新疆有湿润化趋势，北疆湿润化趋势比南疆显著。杨莲梅[7]通过对新疆55个台站日降水量的研究，认为新疆极端降水量于1980年以后发生了气候突变，这种突变是由夏季极端降水量和极端降水频次增多所致。李雪梅等[8]利用55个雨量站1961—2008年的日降水数据分析了新疆降水集中度的变化趋势以及周期特征，认为南疆降水集中度大于北疆，新疆降水集中度变化存在2～5 a周期。赵勇等[9]通过1961—2007年新疆北部43站逐日降水资料，对北疆汛期降水集中度进行了研究，发现北疆北部汛期降水集中度和集中期的年际变化均相对较大。北疆地区汛期降水偏多时，降水量在整个汛期分布比较均匀，而汛期降水偏少时，降水量比较集中。

尽管很多学者做了关于新疆地区的极端降水事件的研究，但是以往的研究主要围绕极端降水的强度和频率的年变化趋势展开。也有些学者研究了新疆地区降水量的年内非均匀特征，即该地区一年内降水量的集中程度和大降水中心对应的时段。但对于更容易致灾的极端降水的年内非均匀特征的研究还较少。鉴于新疆脆弱的生态坏境和复杂的地形，研究该地区极端降水在时间和空间上的非均匀特征，探索极端降水事件的时空规律，对于该地区合理应对极端降水事件、提高防灾减灾能力具有重要意义。本文采用Karl等[10]提出的百分位法，分析了1961—2011年新疆地区极端降水事件的变化特征，并利用集中度（ED）和集中期（EP）[11]分析了极端降水的年内不均匀性特征。

1 资料和方法

1.1 资料说明

本文所用降水资料为中国气象局国家气象信息中心提供的新疆地区48个气象台站1961—2011年的逐日降水观测资料。

气象资料的质量很容易影响极端值的研究结果，在本文研究中，选取的48个气象台站满足以下条件：（1）资料应该包括气候平均场（1971—2000年）（通常把1961—1990年这30 a作为气候平均场，在这30 a内，测站搬迁相对较少，资料更加稳定。随着时间的推移，我国国家气候中心于2003年1月在业务中将1971—2000年作为新的气候平均场[12]），时间长度至少为40 a；（2）逐年缺测资料不到年总资料的10%；（3）降水资料在特定变化范围。

1.2 方法

1.2.1 极端降水事件的定义

本文参照翟盘茂对极端降水事件定义方法[13]。对于某一测站，把1971—2000年逐年日降水量按升序排列,将第99个百分位值的30 a平均值定义为极端降水事件的阈值,当该测站某日降水量超过了该站极端降水事件阈值时,就称该站该日出现了极端降水事件。

对于极端降水事件阈值的确定,本文参照Bonsal方法,如果某个气象要素有n个值,将这n个值按升序排列 x1，x2，…，xm，…，xn，某个值≤xm的概率[14]

其中，m为xm的序号,n为某个气象要素值的个数。如果有30个值,那么第95百分位数上的值为排序后的x29（p=94.4%）和x28（p=97.7%）的线性插值。

从新疆地区极端降水阈值空间分布图（图1）可以看出：新疆地区的极端降水阈值平均在8 mm左右。这和我们日常对于暴雨（50 mm）和大雨（25 mm）的定义不同，在以干旱半干旱气候为特色的新疆，很多台站终年没有降水，十几毫米的降水可能造成重大灾害。因此，本文采用百分位法，定义新疆各个台站的极端降水阈值。新疆地区极端降水阈值基本呈北高南低分布，阈值的大值区分布在天山山脉附近，最大值为17.89 mm。以天山为界，北疆的极端降水阈值略低，基本在7.5 mm左右，南疆最低，最小值为2 mm。鉴于新疆地区地形复杂，极端降水分布很不均匀，本文参照张家宝[15]的划分方法，将研究区域分成北疆、南疆和天山三个分区进行研究。

1.2.2 极端降水事件集中度与集中期的定义

张录军等[16]在文献中将一年内各月降水量均看作向量，一年12个月看作一个圆周（360°），将某个月的降水量作为该月降水矢量的模，该月月序（从0算起）与30°的积作为该月降水矢量的方向，定义了表征单站降水时间分配特征的降水集中度和集中期。根据以上原理，将某月极端降水事件作为该月极端降水矢量的模，该月月序与30°的积作为该月极端降水事件矢量的方向，引进了表征单站极端降水事件时间分配特征的新参数[17]—极端降水事件集中度（CD）和集中期（CP）。

式中：i为年份；j为月序；CDi和 CPi分别为某测站第i年的极端降水事件集中度和集中期；Ri为某测站第i年内总极端降水量；rij为某测站第i年第j月的极端降水量；θi为第j月对应的矢量角度（一年分为360°，第j月对应的角度为月序与30°的乘积）；x，y指矢量分解后相互垂直的两个方向。

由（2）和（3）式可知，CD 能够反映极端降水事件在研究时段内各月的集中程度，如果在研究时段中，极端降水事件集中在某一个月，则它们合成向量的模与总极端降水事件之比为1，即CD为极大值;如果每个月的极端降水事件都相等，则它们各个分量累加后为0，即CD为极小值。所谓CP就是合成向量的方位角，它指示出每个月极端降水事件合成后的总体效应，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了一年中最大月极端降水事件出现在哪一个时段内。从以上的原理可以看出，极端降水事件集中度与集中期包含了年极端降水事件的非均匀分配信息。

1.2.3 趋势的计算与区域平均序列的计算

为了滤去5 a以下的高频变化，在研究气候变化的多年尺度变化时采用多项式的六阶拟合方法。本文线性变化趋势的计算采取最小二乘法进行估计,显著水平为0.05。

在计算区域平均时间序列时，采用Jones等[18]提出的方法，把整个区域按经纬度划分为2°×2°的网格，将每个网格里所有站点的数据做算术平均，得到各网格的值，然后将各网格的值应用面积加权平均法，得到该区域的时间序列。公式为：

式中，rk=为第 k 年区域平均值；i=1，2，…，m（m为网格数）；rik为第i个网格中第k年的平均值；θi为第i个网格中心的纬度。

2 极端降水量和极端降水事件集中度与集中期的时空特征

2.1 空间分布特征

图2为51 a来新疆地区极端降水量和极端降水频次的年平均空间分布图。从极端降水量分布图（图2a）中可以看出：新疆地区年极端降水量大值区与天山山脉走势基本吻合，其中最大值区位于巴伦台，达92.02 mm；天山以北，年平均极端降水量小于天山地区，平均在46 mm左右；南疆的年极端降水量最小，大多数低于40 mm，极端降水量最少的地区位于塔里木盆地，仅为10.6 mm。年极端降水量和极端降水阈值基本一致，都以天山地区为最大，呈现北高南低的分布。年平均极端降水频次的分布与之不同，图2b中年平均极端降水频次大值区位于新疆的西北部，最大值位于托里，达4.45次。次大值区位于西南部，最小值位于南疆的塔里木盆地，为2.8次，总体来说，北疆的极端降水频次高于南疆。

从极端降水事件集中度空间分布图（图3a）中可以看出：新疆地区极端降水都分布得很密集，各站集中度在0.62～0.9之间，其中南疆和东疆的集中度比较大，最大可达0.9；其次为新疆西南部的喀什地区，集中度在0.76左右；北疆地区的极端降水集中度最小，极端降水较其他地区分布分散，阿勒泰的极端降水集中度最小，为0.62。图3b为极端降水事件集中期的空间分布图，整个新疆地区集中期的范围为 172°～212.86°，参照集中期对照表（表 1）,新疆极端降水主要集中在7月上旬到8月中旬。新疆西南部和天山的集中期相对较小，极端降水出现较早，其中出现最早的是阿合奇，集中度为172°，对应时间为7月的第二侯。集中度大值区位于北疆和东疆，大部分集中度在8月上旬，阿勒泰地区的集中度最大，达212.86°，对应极端降水的时间为8月的第四候。中部地区的极端降水集中期大部分在7月下旬。

表1 极端降水量集中期时间对照表

2.2 时间分布特征

鉴于新疆地形复杂，极端降水分布很不均匀，本文将研究区域细分为北疆、天山和南疆3个区域。图4描述的是3个区域的年平均极端降水量时间序列及其六阶拟合曲线，可以看出新疆的年极端降水量近50 a呈现增加趋势。天山的年平均极端降水量多于其他两个地区，北疆其次，南疆的极端降水量最少。1961—1990年间，3个地区的年平均极端降水量变化都不大，在20～70 mm之间振荡，而从20世纪90年代开始，天山的年极端降水量显著增加，分别于1999年和2002年，极端降水达到103.14 mm和103.29 mm。2000—2011年这10 a来，天山的年极端降水量稍微有减弱趋势，但是总体还是高于60 mm。北疆和南疆的年极端降水量在前40 a有小幅度的平稳增加，但在最近10 a间，增加趋势明显。尤其是北疆，2010年的年极端降水高达106.64 mm。

图5a是3个区域的集中度（量纲为1）距平时间序列图，可以看出3个区域的集中度距平都有下降趋势，且都在2001年前后有明显的减弱趋势。北疆地区的集中度下降趋势最明显，在1961—1981年间，集中度都是正距平，尤其是在1967年，极端降水量集中度达到0.97，但是从1998年开始，北疆的集中度距平都为负值，下降趋势明显，2010年集中度达50 a最小值（0.44）。天山的集中度距平多为正值，在2001年集中度距平达最大值后开始转为负距平，南疆的集中度下降趋势不很明显。

从年平均极端降水事件集中期（度）距平时间序列（图5b）中可以看出：北疆的集中期距平在1961—1981年间为负值，极端降水出现较早。从1981—2006年表现为正的距平值，说明极端降水的集中期偏晚，2000年北疆的集中度达到229.84°，对应时间为9月的第一候。2006年以后，距平值又转变为负值，且下降趋势明显，说明极端降水在这段时间内出现的越来越早。天山地区的集中期从1965年开始转为负距平，极端降水集中期偏小；1988—2006年距平值转为正值，说明天山的极端降水集中期偏晚；2006年与北疆一样有下降趋势，集中期在2008年达188.17。对应时间为7月中旬。南疆在1998年以前，集中期距平都为负，在1998年后转为正距平，近2 a来也有下降趋势。

3 集中度与集中期的趋势变化特征

上文分析了3个区域51 a来集中度与集中期的变化，那么这51 a来极端降水集中度和集中期的总体趋势是怎样的呢？图6a为新疆地区年平均极端降水量集中度的趋势变化空间分布，其中三角的站点为超过了0.05的显著性水平，占总站数的14.58%。从图6a中可以明显看出，整个新疆地区的极端降水集中度都为减弱趋势，说明极端降水的集中程度越来越低，分散程度变大。其中北疆和南疆的减弱趋势最明显，最大减少率（量纲为1）为和田站（-0.07/10 a），天山地区的集中度表现为微弱的减小趋势，减少率平均为-0.02/10 a，达坂城和巴音布鲁等站减少率几乎为0。图6b为新疆地区年平均极端降水量集中期（°/10a）的趋势变化空间分布，其中三角的站点为超过了0.05的显著性水平，占总站数的12.5%。从图6b可以看出，新疆除了南疆盆地中部一小块区域表现为减少趋势，其余区域都表现为增加趋势。北疆北部、博乐以及阿合奇的增加趋势非常显著，增加趋势最大的是阿合奇，为21.36°/10 a，即每10 a极端降水量集中期推迟了20多天。

4 极端降水量同集中度与集中期的关系

由上文讨论可以看出新疆地区的年极端降水量呈增加趋势，而极端降水量集中度和集中期变化趋势分别为减少和增加。研究发现，在集中度异常偏大的 1961、1964、1966、1967、1970、1971 年及 1997 年中，有4 a的极端降水量异常偏小，相反的在集中度异常偏少的 1986、1987、2003、2006 和 2010 年，有3 a极端降水量异常偏多。集中期与极端降水量也存在一定的相关关系。

为了进一步探讨新疆极端降水量与其集中度、集中期的相关关系，首先计算了新疆地区平均集中度、集中期和极端降水量的相关系数，集中度与极端降水量相关系数为－0.35，通过5%显著性水平检验，而集中期与极端降水量相关系数为0．311，也通过5%显著性水平检验。图7a给出了新疆各测站极端降水量与集中度的相关系数，三角标识表示通过5%显著性水平检验的测站，占总站点数的12.5%。可以看出除了南疆盆地极端降水量与集中度呈正相关，相关系数在0.02左右，其他地区都呈负相关，且相关系数绝对值较大。图7b给出了新疆各测站极端降水量与集中期的相关系数，三角标识表示通过5%显著性水平检验的测站，占总站点数的31.25%。可以看出极端降水量与集中度呈正相关。

由此可以认为新疆地区极端降水量的季节分配状况和同期的极端降水量存在很好的相关关系。极端降水越分散，集中期越晚，极端降水量越多；极端降水越集中，集中期越早，极端降水量越少。这种相关关系在北疆地区尤为显著。

5 小结

（1）新疆地区极端降水阈值和年平均极端降水量空间分布基本一致，都以天山地区为最大，呈现北高南低的分布。最大年平均极端降水量值为92.02 mm（巴伦台站），极端降水量最少的地区位于塔里木盆地，仅为10.6 mm。年极端降水频次平均为3.5次，北部高于南部，其中南疆盆地极端降水频次最少。

（2）新疆地区极端降水事件集中度和集中期的空间分布存在一定的差异。总体来说极端降水都分布得很密集，各站集中度在0.62～0.9之间，其中南疆和东疆的集中度比较大，最大可达0.9；北疆地区的极端降水集中度最小，极端降水较其他地区分布分散。

极端降水事件集中期的范围为172°～212.86°，即新疆地区极端降水主要集中在7月上旬到8月中旬。新疆西南部和天山的集中期相对较小，极端降水出现较早；北疆和东疆的集中期较晚，大部分集中度在8月上旬；中部地区的极端降水集中期大部分在7月下旬。

（3）近51 a来，新疆地区的极端降水集中度表现为减弱趋势，说明极端降水的集中程度越来越低，分散程度变大，其中北疆和南疆的减弱趋势最明显。大部分地区的集中期表现为增加趋势，只有南疆盆地一小块区域有微弱减少趋势。增加趋势最大的是阿合奇，每10 a极端降水量集中期推迟了20多天。

（4）新疆地区极端降水量的季节分配状况和同期的极端降水量存在很好的相关关系。极端降水越分散，集中期越晚，极端降水量越多；极端降水越集中，集中期越早，极端降水量越少。这种相关关系在北疆地区尤为显著。

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