1951—2015年太原市极端降水事件变化特征研究

赵德一，钞锦龙，颜 钰，韩源源，马义娟，吴林栋

（1.太原师范学院地理科学学院 山西 晋中030619，2.北京师范大学地理科学学部 北京100875，3.山西省气象信息中心 山西 太原030600）

IPCC第五次报告指出，全球地表平均温度在1880—2012年大约上升了0.85℃，1983-2012年是过去1 400年来最热的30年［1］.在全球变暖背景下，极端气候事件日益频发，给社会稳定、经济发展、人类生产生活等各个方面都带来了重大的影响［2-3］.其中极端降水对气候变暖的响应较为明显，相关研究表明，气温上升1℃，全球绝大多数区域的绝大部分极端降水事件在强度上将增加3%～15%［4］.

中国不同区域受其所处纬度及海陆位置、地形因素以及季风等因素的影响，极端降水具有明显的区域性特点.尤其是随着人类活动强度的增加，区域经济受极端降水事件影响强度加大，人们对极端降水的关注及研究也越来越多.综合研究结果显示：华北、西北和长江流域极端降水表征呈增加趋势，北方以及黄河流域则出现减少趋势［5］.Xu、武文博等［6-7］研究不同时间尺度的中国多雨区极端降水事件和大气环流影响因子，相较于东部湿润地区，半干旱、干旱区的研究较少；王炳钦等［8］研究认为近50a北方半干旱区极端降水指数与总降水量均呈下降趋势，且二者存在显著的正相关性；梁丰等［9］研究发现近53a夏季连续干旱日数在东北大部都呈增加趋势，气候倾向率达到0.45d·／10a，而连续湿润日数在东北南部地区表现出一定的减少趋势；李奇虎等［10］研究西北干旱区，认为51a来西北干旱区湿润日数减少而降水总量增加，主要是由于强降水日数增加造成的；钱莉等［11］发现河西走廊东部年平均暴雨日数为1.2d／a，多为局地暴雨，暴雨日数时空分布差异大，从南向北、从东向西暴雨日数迅速递减；赵雪雁等［12］研究发现青藏高原东部夏半年强降水事件在7月出现的频次最多，以持续1d的单站暴雨为主，强降水量和频次在近50a呈弱增长趋势；慈晖等［13］认为无论从平均降水量还是极端降水量来看，新疆1961—2016年表现出湿润化趋势；任景全等［14］利用线性倾向估计、小波分析等方法得出吉林省1961年以来连续无雨日指标呈现显著下降趋势且空间尺度上随着经度和海拔的升高逐渐下降，而其他极端降水指标趋势相反；王怀军等［15］研究了淮河流域极端气候事件，得出1960—2014年该流域总降水量和强降水日数有下降趋势；汪成博、郑江禹等［16-17］研究了1970年以来汉江流域极端降水事件在不同时间、空间尺度上表现分布不均的特点，1952—2013年珠江流域极端降水情况为雨季及年际间分布较均，但旱季年际间差异较大；马佳宁等［18］发现黄河上游流域极端降水变化趋势与全国一致且存在周期振荡特征.综上所述，全国不同区域极端降水事件在时间尺度上差异性显著，但在空间上具有相似性规律.

太原市位于黄土高原半干旱区，属于气候和生态系统的过渡地带，受到东亚季风和西风的双重影响，对气候响应更为敏感，是理应受到学者重点关注的区域.极端降水区域特征显著［19-20］，以往研究多为关注行省范围，而地级市小区域范围研究较少且山西省极端气候研究也尚且不足，因此本研究基于太原市1951—2015年极端降水资料，选用8种指标对太原市近65a来的极端降水事件进行综合分析，以期为完善太原市极端气候相关研究、城市人居环境状况以及城市防灾减灾提供参考和依据.

1 研究区概况

太原市地理坐标为111°30′E—113°09′E，37°27′N—38°25′N.地形轮廓呈簸箕形，西、北、东三面环山，中南部是汾河谷地，地势北高南低，平均海拔约800m.黄河第二大支流汾河由北向南横贯全市，流经境内约100km.太原由于其地形复杂多样，海拔整体偏高，海洋对该地的影响较小，形成了北温带大陆性气候.气候特征为四季分明，夏秋两季降水集中，冬春两季旱且多风，日照充足，昼夜温差较大.

2 资料与方法

2.1 数据来源与研究方法

选用的极端气候数据均来自“中国气象数据网”（http：／／data.cma.cn／）提供的1951—2015年山西省太原市气象站的相关数据，采用8个极端气候指标进行衡量，主要使用趋势分析法进行分析，其中使用线性倾向率分析年际变化趋势，显著性检验水平使用α值为0.1、0.05和0.01，根据n阶多项式拟合的曲线分析年代际变化趋势，使用筛选最值和极值来分析极端气候数据的不规则变动.

2.2 极端气候指标定义

根据任国玉等［21］的相关研究，参考其对极端气候指数的定义，结合太原市的气候特征，选择以下极端气候指标进行数据处理，具体定量如下：

无降水天数：年内日降水量为0mm的天数.其中，统计天数内不包含无效数据.

有效降水间隔频数：年内大于等于极端间隔阈值下限的频数.筛选65a内日降水量大于等于有效降水的日期，统计65a每次有效降水事件与后一次有效降水事件的间隔日数，对所有数据进行排序（升序），并选取第90个百分位作为有效降水极端间隔频数的阈值下限，为22d，即三个礼拜无有效降水，视为一次极端干旱事件发生.其中，有效降水量的统计下限为3mm.

有效降水间隔：统计65a每2次有效降水发生日的时间间隔.其中筛选24h有效降水量大于等于3mm的日期，降水间隔计算与后一次有效降水的间隔的年最大值.

极端降水量：24h降水量达到25mm及以上，视为一次极端降水事件发生.

极端降水总量：年内出现每一次极端降水事件的降水量总和.

极端降水频数：年内出现每一次极端降水事件的频数.

最大降水量：年内极端降水事件中的最大值.

最大降水量出现日期：年内极端降水事件最大值出现的日期.若年内出现1个以上的最大值，选取最早出现的日期进行统计分析.

3 数据分析

3.1 无降水天数变化趋势

图1为1951—2015年太原市无降水天数变化趋势.从年际变化上看，近65a来，太原市无降水天数总体呈波动增加趋势，速率为5.5d／10a，达到了α=0.01的显著性检验水平.从年代际变化上看，20世纪50年代初至60年代中后期，太原市无降水天数的年际变化呈剧烈波动趋势，连续2a最大波动达57d；20世纪60年代中后期至70年代中期，太原市无降水天数的年际变化呈平稳波动趋势，上下最大波动不超过20d；20世纪70年代中期至80年代初的无降水天数并无波动，6a持续增加了43d；20世纪80年代初至今，无降水天数明显增多，高出多年平均值的年份占46.2%，其中1991—2000年的年际波动也相对稳定，上下最大波动21d.综上，1951—2015年太原市无降水天数的年代际变化经历了“剧烈波动—平稳波动—持续上升—平稳波动—缓慢波动”的趋势.

图1 1951—2015年太原市无降水天数变化趋势

3.2 有效降水间隔频数变化趋势

太原市1951—2015年中大于等于3mm的有效降水共筛选出2 040个数据，为了统计方便，对所有数据进行排序（升序），取第90个百分位值作为统计下限，间隔为22d，即三周无有效降水时作为极端降水事件的发生下界.

图2为1951—2015年太原市有效降水极端间隔频数年际变化.从年际变化上看，近65a太原市有效降水极端间隔频数呈增加趋势，年际倾向率为0.2d／10a，达到了α=0.05的显著性检验水平.从年代际变化上看，根据5a滑动平均曲线，可将其分为5个阶段：1963年之前有效降水间隔频数相对偏低；1963—1968年极端间隔频数呈现出波动增加趋势；1968—1984年极端间隔频数呈现出有降低趋势；1984—2009年极端间隔频数呈现出波动增多趋势，且速率有所增加；2011年至今极端间隔频数呈现出明显下降趋势.其中，近65a太原市有效降水极端间隔频数的最大值为6次，共有4个年份出现，分布在后30a；最小值为1次，共有6个年份出现，分布在前35a.

图2 1951—2015年太原市有效降水间隔频数变化趋势

3.3 有效降水间隔年内最大值变化趋势

图3 为1951—2015年太原市有效降水间隔年内最大值变化趋势.从年际变化上看，近65a来，太原市有效降水间隔日数年内最大值呈现出波动下降趋势，年际倾向率为-9.3d／10a，达到α=0.01的显著性检验水平.从年代际变化上看，20世纪50年代初至60年代初，间隔日数相对偏低；20世纪60年代初至70年代末，间隔日数呈现出先明显增加后稳定波动的趋势；20世纪70年代末至今，间隔日数呈现出先持续下降后剧烈波动的趋势.其中，多年最大值出现在1967年为192d，多年最小值出现在2002年为36d.此外仅讨论有效降水间隔大于100d的频数，1986年之前均为一年单值，1986年起开始出现一年零值的状况，以1988—1993年较为显著，年内无100d以上间隔日数的年份共有13个.

图3 1951—2015年太原市有效降水间隔年内最大值变化趋势

3.4 有效降水首末次日期变化规律

图4 是年内首末次有效降水出现日期变化趋势图.由图得出，近65a太原市有效降水间隔日数年内最大值变化趋势从稳定波动到剧烈变化，间隔日数从略有增多到明显减少，与年内首末次降水出现日期有很大的相关性.近65a来太原市首次有效降水出现日期提前趋势十分明显，年际倾向率为-7.6d／10a，降水日期从第115天下降到第45天的趋势（4月中旬—2月中旬左右），且出现日期跨度较大，从第6天—第125天（1月初—5月初左右）均有分布；近65a来太原市末次有效降水出现日期有推后趋势，年际倾向率为1.7d／10a，末次有效降水日期从第305天上升到第315天的趋势，其出现日期跨度较小，从第269天至第358天（9月末至12月末左右）均有分布.

图4 1951—2015年太原市首次（a）、末次（b）有效降水出现时间变化趋势

3.5 极端日降水量变化趋势

图5 为1951—2015年太原市极端日降水量年际变化趋势.从年际变化上看，近65a太原市极端日降水量年际变化呈略微增多趋势，年际倾向率为3mm／10a.根据5a滑动平均曲线，1951—1960、1976—1993年之间太原极端日降水滑动曲线围绕多年降水平均值上下波动，极端日降水量年际变化较为平稳；而1961—1969、1994—1998、2006—2015年间，极端日降水量曲线明显高于多年平均值，此时段降水量偏多；1969—1977、1999—2006年间极端日降水量滑动曲线明显低于多年平均值，此时段极端日降水量偏低.太原市极端降水量的多年平均值为144.37mm，高于多年平均值的年份有30个，低于的有35个.其中近65a太原市极端降水量最大值为387.3mm，出现在2009年，无极端降水量的年份有2个，分别是1972年和1974年.

图5 1951—2015年太原市极端日降水量变化趋势

3.6 极端降水频数变化趋势

图6 为1951—2015年大原市极端降水频数年际变化趋势.从年际变化来看，近65a太原市极端降水出现的频数变化稳定，年际倾向率为正值.从年代际变化上看，5a滑动平均曲线呈现凸凹分布的特征，表征太原市极端降水频数出现高—低相间分布的特点.太原市极端降水频数的年平均值为3.7d，高于平均值的年份有30个，低于的有35个.其中，1988年和2009年均出现近65a太原市极端降水频数的最大值9次，1972年出现最小值0次.

图6 1951—2015年太原市极端降水频数变化趋势

3.7 最大降水量的变化趋势及出现日期变化

图7 为1951—2015年太原市日最大降水量及其出现日期变化趋势.从年际变化上看，近65a来太原市日最大降水量变化不大，呈略微减少趋势，其出现日期呈现出略微提前趋势，年际波动趋于稳定，有向第210天到第220天（8月初）集中的趋势.从年代际变化上看，20世纪50年代初至70年代中期，日最大降水量年际波动较大，呈现增多趋势，其出现日期呈现出向后推移的趋势；20世纪70年代中期至90年代中期，日最大降水量波动稳定，且年际倾向不明显，其出现日期年际波动较大，整体呈现出从向前到向后的推移趋势；20世纪90年代中期至今，日最大降水量呈现出先增多后减少趋势，其出现日期略微推后.其中，近65a太原市日最大降水量的最大值出现在1969年达183.5mm，最小值出现在1972年达20.1mm；日最大降水量的出现日期最早出现在1970年的5月8日，最晚出现在1968年的10月6日.综上，我们可以得出，1951—2015年太原市日最大降水量年际变化趋于稳定，呈略微增多趋势；日最大降水量出现日期年际波动趋于稳定，有集中于8月初（第210天到第220天）的变化趋势.

图7 1951—2015年太原市日最大降水量及其出现日期变化趋势

4 结论

1）1951—2015年太原市无降水天数呈现出增加趋势，增加速率为5.5d／10a，太原市气候干化趋势显著.

2）太原市有效降水间隔频数呈现出略微增多趋势，速率为0.2d／10a，且近30a来，频次明显增大，呈现出干化的特征；太原市的有效降水间隔年内最大值的变化趋势整体呈显著性下降趋势，呈现出“波动上升—波动下降—剧烈波动”的变化特征；首末次有效降水出现日期分别有明显提前与略微推后趋势.

3）太原市极端日降水量和极端降水频数稳定波动，整体变化不明显，均呈现出微弱增加趋势.二者均以20世纪80年代初为转折点，变化波动均呈现由大到小的变化趋势；太原市年内日最大降水量上下波动较为平稳，呈略减少趋势.日最大降水量出现日期有所提前，年际波动趋于稳定，多集中于8月初（第210天到第220天）.