1960～2010年宁夏降水和温度极端气候事件变化分析

孔祥伟　黄玉霞　王勇

摘要利用1960～2010年宁夏9个观测站的日降水量、最高温度及最低温度资料，采用趋势分析方法分析了该地区的极端气候事件变化特征。结果表明，极端降水事件和暴雨日数的变化趋势表现为非均一性，主要以弱的减少趋势为主，具有明显的阶段性变化特征；20世纪80年代中期之后暴雨的主要爆发时间段较之前提前2侯；严重干燥（湿润）事件平均发生频次和持续日数均是由南向北逐渐递增（递减），全区呈一致的增加（减少）趋势，90年代末之后降水趋向于极端性、不均衡性；全区高温（低温）日数呈一致的增加（减少）趋势，北部地区的变化速率相对较大，1998（1993）年发生突变，突变之后显著增加（减少）；全区极端高温（低温）事件呈一致的显著增加（减少）趋势，气温变暖在低温上的表现更加显著。

关键词极端气候事件；宁夏；降水；温度；变化特征

中图分类号S161文献标识码A文章编号0517-6611（2014）09-02683-06

基金项目寧夏气象防灾减灾重点实验室开放基金“宁夏极端温度和降水事件的年代和年代际变化特征及其可能影响因子”；中国气象局预报员专项项目（CMAYBY2014-072，CMAYBY2013-071）”。

作者简介孔祥伟（1988-），男，山东荣成人，助理工程师，从事短期天气、气候预报预测与研究工作。

收稿日期20140225在全球气候变暖的大背景下，各区域的气候变化比较复杂，尤其是极端气候事件变率较之平均气候变率更为复杂，区域性极端气候事件的增多严重影响人类的生存和社会的可持续发展，因此对其特征、变率、机理和预报预测的研究引起了广泛关注。西北地区东部近十几年气候变得更加极端，自从1990年开始，降水距平百分率低于气候平均值，变化异常[1-2]，春、秋、冬季的极端降水事件出现的多与少基本决定了季节降水趋势的变化[3]。近49年西北地区年极端低温频率以3.7 d/10a的速率显著下降，突变出现在1985年，低温强度与极端低温在地域上有相同的分布[4]，极端高温事件发生频次的最主要空间模态是一致性异常分布，西北年极端高温事件发生频次均表现为增加趋势，且西北年极端高温事件发生频次同区域性增暖呈显著的正响应[5-6]，年极端低温事件发生和结束的时间分别推迟和提前，极端高温事件正好相反，年极端低温发生频次的减小对于西北区域增暖的响应比年极端高温发生频次增加更为显著[7-8]。宁夏作为西北地区重要成员之一，降水分布十分不均，南部黄土丘陵区年均降水量500～700 mm，中部干旱区和北部引黄灌区仅为200～450 mm，全区的下垫面复杂多变，区域内形成了多种气候类型，是极端气候事件频发的省份[9]，极端气候事件对宁夏的水资源、生态环境和社会发展均造成了重要影响。以往学者虽对宁夏的极端降水事件[10-11]、极端温度事件[12-13]、极端干燥事件[14]以及极端温度阈值与AO的相关[9]等进行了相关研究，但对于宁夏温度和降水极端气候事件的年代际变化特征还需进一步的认识，因此笔者基于非参数的统计方法，比较全面地分析宁夏1960～2010年温度和降水极端事件的变化规律，分析该地区极端气候事件的时空分布、长期变化趋势以及区域性差异等特征，为进一步研究其气候预测方法提供参考。

1 资料与方法

1.1资料来源 使用1960～2010年宁夏9站逐日最高温度、最低温度及降水量资料，该资料由中国气象局气象信息中心整理且通过了气候极值检验、单站极值检验和数据一致性检验等质量控制。

1.2分析方法

1.2.1极端气候事件的定义。目前，气候极值变化研究多采用阈值法，超过阈值的则被认为是极值，该事件可认为是极端气候事件，在此采用绝对阈值和百分位阈值2种方法分析与宁夏降水和温度有关的极端气候事件，其中在农作物生长期3～9月，定义连续无有效降水日数≥10 d的干燥事件为严重干燥事件，连续有效降水日数≥6 d的降水事件称为严重湿润事件[15]。极端温度事件的确定是将某站1960～2010年同日期的最高（低）温度资料按照升序排列，得到该日第95（5）个最高（低）温度的百分位值，将之作为极端高（低）温度事件的上（下）阈值，如果某日最高（低）温度大于（小于）该日极端温度事件的上（下）阈值，则认为该日出现了极端高（低）温事件[10，16]。

1.2.2分析方法。采用Bonsal边缘分布函数法[17]计算极端事件的百分位阈值。如果某个气象要素有n个值，将这n个值按升序排列为x1，x2，x3，…，xm，…，xn，那么某个值小于或等于xm的概率P由公式P=（m-0.31）/（n+0.38）计算得到，式中，m为xm的序号，n为某个气象要素的总个数。在分析极端事件变化趋势时，选用线性方程进行拟合，对于变化趋势的显著性检验，采用时间t与原序列变量y之间的相关系数进行检验[18]，突变检验选用Mann-Kendall检验方法[19]。宁夏区域平均极端事件的演变曲线是逐年将各站极端事件进行全区域的平均从而获得的时间序列，为研究该时间序列的多年尺度变化特征，使用高斯低通滤波器将高频变化滤掉。

2结果与分析

2.1 极端降水事件变化特征

2.1.1极端降水事件时空变化。经统计，宁夏极端降水事件的阈值为11.68～22.68 mm/d，呈由南向北逐渐递减趋势，平均值为16.10 mm/d，相当于中雨量级（10.0～24.9 mm/d），78%的站点日降水极大值超过了70.0 mm，最大值是盐池站1999年7月出现的日降水量121.2 mm。全区各地的极端降水事件主要以弱的减少趋势为主（图1a），南部的西吉减少速率最大，线性倾向率也仅为-0.21 d/10a，减速并不显著；陶乐、同心及海源为增加趋势，也未超过95%的信度水平。1960～2010年宁夏区域的平均极端降水事件呈弱的减少趋势 （图2a），线性倾向率为-0.05 d/10a。从年代际变化来看，20世纪60年代极端降水事件最多，平均值达4.27 d/a，70和80年代前期极端降水事件相对较少，80年代前期之后极端降水事件呈增加趋势，1990年之后其年际间波动明显减弱，基本稳定在3.70 d/a。

2.1.2 暴雨日数时空变化。宁夏极端降水事件的阈值相当于中雨量级，降水量级并不是很大，为此进一步统计了该地区暴雨日数的变化特征。将一年当中出现暴雨的总日数作为年暴雨日数，宁夏各地年均暴雨日数均较少（表1），不足0.50 d/a，固原最多，也仅为0.41 d/a，同心最少，平均10年才有一次暴雨。从暴雨日数变化趋势的空间分布（图1b）来看，全区各地表现为非均一性，中南部地区的暴雨日数以减少趋势为主，中宁减少趋势最为显著，其线性倾向率为-0.10 d/10a，超过95%的信度水平，北部引黄灌区以弱的增加趋势为主。宁夏区域平均暴雨日数呈弱的减少趋势（图2b），线性倾向率为-0.02 d/10a，年际间波动较大，多年平均值为0.22 d，其中1973年暴雨日数最多，达0.8 d，另有12年全区未出现过暴雨事件。20世纪60年代后期～80年代暴雨日数呈显著的减少趋势，之后暴雨日数开始增加，2000年之后变化趋势不明显，平均值为0.26 d/a，是80年代的2倍多，这与陈晓光等得出的1986年伴随着气候变暖之后宁夏暴雨日数明显增多的结论[20]基本是一致的。

宁夏地区的暴雨事件主要发生在6～9月，以侯为单位统计暴雨事件在该时段内的分布特征，以每侯中全区各站发生暴雨的总日数计，从6月1日开始，每连续5 d计为一侯，其中7、8月的最后一侯均设为6 d，共分为24侯。1～6侯除个别年份外宁夏基本没有暴雨事件发生，19侯之后也没有暴雨事件发生，主要的爆发时间集中在8～18侯，其中第16侯发生暴雨事件最多。暴雨事件在20世纪80年代中期之前主要集中在10～18侯，80年代中期之后主要集中在第8～16侯，即80年代中期之后暴雨事件集中爆发的时间段提前2侯（图3）。

2.1.3 严重干、湿事件时空变化。 严重干燥事件使土壤缺水，严重湿润事件常伴随着低温寡照、农田受淹，因此2种事件均会影响农作物的正常生长发育，造成其减产[21]。1960～2010年宁夏严重干燥（湿润）事件平均发生频次和持续日数均由南向北逐渐递增（递减），北部引黄灌区的年均严重干燥事件超过5次且平均持续日数超过19 d，严重湿润事件不足0.2次且平均持续日数仅为6.33 d，而南部黄土丘陵区的年均严重干燥事件不足3次且平均持续时间不足13 d，严重湿润事件超过1次且平均持续日数超过7 d。严重干燥事件宁夏全区均呈增加趋势，线性倾向率为0.39～3.76次/10a，其中盐池、中宁、西吉3站的增加趋势超过了95%的信度水平（图1c）。严重湿润事件均为减少趋势，减少速率由南向北递减，西吉的减少速率最大，线性倾向率为-0.31次/10a（图1d）。严重干燥（湿润）事件的增加（减少）并不是由于强降水事件的减少所导致的，主要是由于小雨日数的显著减少所造成的[22]。

从宁夏全区严重干、湿事件的演变曲线（图2c、2d）可以看出，严重干燥事件呈显著的增加趋势，线性倾向率为019次/10a，平均值为4.43次，其中1997年最多，达6.22次；严重湿润事件呈弱的减少趋势，线性倾向率为-0.07次/10a，1967和1979年最多，达1.33次，多年平均值为0.52次，不足严重干燥事件多年平均值的1/8，且严重干燥事件的持续日数远超过严重湿润事件的持续日数（表1），这在一定程度上反映出宁夏干旱的降水背景特征。此外，严重干、湿事件一般情况下均具有反位相的变化特征，然而宁夏在20世纪90年代末之后不具备反位相的变化特征（图2c、2d），说明降水趋向于极端性、不均衡性。

42卷9期孔祥伟等1960～2010年宁夏降水和温度极端气候事件变化分析2.2极端温度事件变化特征

2.2.1极端高、低温事件时空变化。经统计，1960～2010年宁夏极端高温事件呈一致的增加趋势，线性倾向率为269～6.24 d/10a，均超过了95%的信度水平，海源和同心两地的极端高温事件增加速率明显小于省内其余地方（图4a）。而极端低温事件呈一致的减少趋势，线性倾向率为-3.08～-7.14 d/10a，也均超过了95%的信度水平，北部引黄灌区和中部干旱区的极端低温事件减小速率比南部黄土丘陵区的减少速率大（图4b）。宁夏各地的极端低温事件减小速率明显大于极端高温事件的增加速率，说明温度变暖在低温上的表现更加显著，尤其是同心站最为显著，该站极端低温事件的减少率比极端高温事件的增加率多了3.56 d/10a。注：a.极端降水事件；b.暴雨日数；c.严重干燥事件；d.严重湿润事件。

2.2.2高、低温日数时空变化。气象上，通常把日最高温度超过35 ℃的日数称为高温日数，超过这个温度就会给社会生活、生产造成不良影响。在农业气象中，通常将最低温度低于0 ℃作为霜冻的气候指标，霜冻会对农作物产生严重的冻害。在此将高、低温日数也作为极端温度指标的一部分进行了分析。中宁和同心是宁夏高温日数的2个大值中心，年均高温日数分别为2.78和3.20 d；南部黄土丘陵区由于海拔高度较高，没有高温日，海源的高温日数也很少，年平均值仅为0.02 d（表1）。宁夏中北部地区的高温日数均呈一致的增加趋势（图4c），增加速率由东南向西北递增，其中西北侧的惠农、银川、中宁3站的增加趋势超过了95%的信度水平；区域平均高温日数呈显著的增加趋势，线性倾向率为0.44 d/10a，具有明显的年代际变化特征，20世纪60～90年代中期，高温日数波动较小，平均值为1.32 d，然而90年代中期之后，高温日数显著增加，波动性也增大，平均值达3.36 d（图5c），M-K突变检验表明1998年高温日数发生了突变，突变之后显著增加。

宁夏各地的年均低温日数为144～174 d，其中南部黄土丘陵区年均低温日数较多，中部干旱区的较少。全区各地的低温日数呈一致的显著减少趋势，线性倾向率为-2.15～-4.78 d/10a，均超过99%信度水平，北部引黄灌区的低温日数减少速率最大，陶乐几乎每2年低温日数就减少1 d，南部黄土丘陵区的减小速率相对较小（图4d）。由图5d可见，宁夏区域平均低温日数呈显著的减少趋势，线性倾向率为-3.57 d/10a，减小速率远大于高温日数的增加速率。从年代际变化看，20世纪60～90年代初低溫日数平均值为160 d，90年代中期～2010年的低温日数平均值为148 d。M-K突变检验表明，1993年低温日数发生了突变，突变之后显著减少。

注：a.极端高温事件；b.极端低温事件；c.高温日数；d.低温日数。

图51960～2010年宁夏温度极端事件的时间序列3 小结

（1）宁夏极端降水事件、暴雨日数表现为非均一性的变化趋势，主要以弱的减少趋势为主，具有明显的阶段性变化特征。极端降水事件阈值由南向北逐渐递减，相当于中雨量级。暴雨日数全区均较少，20世纪80年代中期之后暴雨集中爆发的时间段较之前提前2侯。

（2）宁夏严重干燥（湿润）事件发生频次和持续日数均是由南向北逐渐递增（递减），严重干燥事件全区呈一致的增加趋势，严重湿润事件全区呈一致的减少趋势，减少速率由南向北逐渐减弱。严重干、湿事件在20世纪90年代末之后不具备反位相的变化特征，降水趋向于极端性、不均衡性。

（3）宁夏中北部的高温日数呈增加趋势，增加速率由东南向西北递增，1998年发生突变后高温日数显著增加；宁夏各地低温日数呈一致的显著减少趋势，北部引黄灌区的低温日数减少速率最大，低温日数在1993年发生突变，突变之后显著减少。

（4）宁夏极端高温事件呈一致的显著增加趋势，海源、同心两地的增加速率明显小于其余地区，在1996年发生突变，突变之后的平均值是之前的2倍多。极端低温事件呈一致的显著减少趋势，北部引黄灌区和中部干旱区的减小速率比南部黄土丘陵区大；在20世纪70年代之后为显著减少趋势，并无突变发生。

（5）宁夏各地的极端低温事件（低温日数）减小速率明显大于极端高温事件（高温日数）的增加速率，气温变暖在低温上的表现更加显著。

参考文献

[1] 赵庆云，张武，王式功，等.西北地区东部干旱半干旱区极端降水事件的变化[J].中国沙漠，2005，25（6）：904-909.

[2] 姚玉壁，肖国举，王润元，等.近50a来西北半干旱区气候变化特征[J].干旱区地理，2009，32（2）：159-165.

[3] 赵庆云，赵红岩，刘新伟.西北东部极端降水事件及异常旱涝季节变化倾向[J].中国沙漠，2006，26（5）：745-749.

[4] 陈少勇，王劲松，任燕，等.近49年中国西北地区极端低温事件演变特征[J].高原气象，2011，30（5）：1266-1273.

[5] 任朝霞，杨达源.近40a西北干旱区极端气候变化趋势研究[J].干旱区资源与环境，2007，21（4）：10-13.

[6] 王鹏祥，杨金虎.中国西北近45a来极端高温事件及其对区域性增暖的响应[J].中国沙漠，2007，27（4）：649-655.

[7] 陈少勇，郭江勇，郭忠祥，等.中国西北干旱半干旱区年平均气温的时空变化规律分析[J].干旱区地理，2009，32（3）：364-372.

[8] 杨金虎，江志红，魏锋，等.近45a来中国西北年极端高、低温的变化及对区域性增暖的响应[J].干旱区地理，2006，29（5）：625-631.

[9] 薛红喜，孟丹，吴东丽，等.1959-2009年宁夏极端温度阈值变化及其与AO指数相关分析[J].地理科学，2012，32（3）：380-385.

[10] 孔祥伟，陶健红.近51a甘肃夏季气温和降水极端事件变化[J].干旱区研究，2012，29（6）：965-971.

[11] 翟盤茂，潘晓华.中国北方近50年的温度和降水极端事件变化[J].地理学报，2003，58（S1）：1-10.

[12] 杨建玲，冯建民，闫军，等.宁夏高温气候特征及其大气环流异常分析[J].中国沙漠，2012，32（5）：1417-1425.

[13] 赵光平，杨淑萍，穆建华，等.全球变化对宁夏近40a极端气温变化的影响[J].中国沙漠，2009，29（6）：1207-1211.

[14] 桑建人，刘玉兰，舒志亮.近44a宁夏严重干燥事件对气候变暖的响应[J].中国沙漠，2007，27（5）：878-882.

[15] 龚道溢，韩晖.华北农牧交错带夏季极端气候的趋势分析[J].地理学报，2004，59（2）：230-238.

[16] 张林海，黄阿丽，谢秀琴.新疆阿勒泰地区冬季极端低温事件特征分析[J].干旱气象，2013，31（1）：89-94.

[17] BONSAL B R，ZHANG X B，VINCENT L A，et al.Characteristics of daily and extreme temperature over Canada [J].Climate，2001，5（14）：1959-1976.

[18] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].2版.北京：气象出版社，2007：37-40.

[19] 李艳春，冯建民，杨建玲，等.宁夏0℃积温时空演变特征分析[J].干旱区地理，2012，35（5）：732-737.

[20] 陈晓光，郑广芬，陈晓娟，等.气候变暖背景下宁夏暴雨日数的变化[J].气候变化研究进展，2007，3（2）：85-89.

[21] 蔡新玲，吴素良，贺皓，等.变暖背景下陕西极端气候事件变化分析[J].中国沙漠，2012，32（4）：1095-1101.

[22] 陈晓光，DECLAN CONWAY，陈晓娟，等.1961-2005年宁夏极端降水事件变化趋势分析[J].气候变化研究进展，2008，4（3）：156-160.