宁夏暖季小时极端降水时空分布特征

薛筝筝, 肖建辉*, 高英育， 左湘文， 刘晓磊

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室， 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室， 银川 750002； 3.宁夏大气探测技术保障中心， 银川 750002)

在全球气候变暖背景下，极端降水事件频发，对社会稳定、经济发展和人民生活等产生了极大的损害[1]，极端降水事件发生的时空分布特征成为当前全球气候变化研究的热点领域。很多研究从全国以及不同区域尺度分析极端降水事件的变化特征，翟盘茂等[2]研究表明，西北地区极端降水事件趋于增多，空间分布的区域差异性显著；王晓莹等[3]利用云南省气象站点近40 年日降水数据对降水及极端降水的变化趋势进行分析，结果表明强降水量在湿润区出现快速下降；蔡文香等[4]采用泊松回归方法对松花江流域连续性极端降水事件时间趋势特征分析，结果表明降水事件呈增加趋势；卢珊等[5]指出,在近年来黄土高原夏季降水整体下降的背景下，极端降水占比在将近70%的站点表现出增长趋势；张菁等[6]指出，陕甘宁三河源地区极端降水有明显增多的趋势。杨维涛等[7]基于138个气象站点观测资料，利用一元线性方程和Mann-Kendall法分析了黄土高原地区27个极端气候指数的时空变化特征，指出极端降水指数变化趋势平缓。同时，一些学者针对宁夏极端降水变化特征也开展了相关研究，如张冰等[8]针对夏季极端降水日数的变化规律及其成因进行分析，陈豫英等[9]在中尺度系统分型基础上，对比分析贺兰山东麓6次极端暴雨的中尺度特征。

上述学者利用了日累计降水资料研究极端强降水变化特征，但使用日累计降水资料会高估长时间连续性弱降水的强度，低估短时间强降水的强度[10]。由于极端强降水事件时空分布的不均匀性，只有更高分辨率的降水资料才能更准确地反映极端强降水变化特征。近年来，随着逐时降水资料的建立，越来越多的学者关注小时极端降水特征。杨霞等[11]、杨军勇等[12]、董旭光等[13]利用百分位阈值方法分别分析了新疆、河南、山东小时极端强降水时空分布特征和变化趋势。于淑婷等[14]利用1982—2016年云南省67个气象站逐小时降水资料分析其不同强度降水气候态及其变化，结果表明降水量和降水频次呈减少趋势，而降水强度表现为增加趋势。

宁夏地处中纬度内陆地区，地形复杂，生态系统相对脆弱，极端强降水往往带来较严重的气象灾害。例如，2017年7月22日贺兰山沿山拜寺口1 h降水量达74.1 mm，2019年6月26日红寺堡区太阳山买河村1 h降水量达 27.0 mm，均造成了重大损失。然而，目前针对宁夏小时极端强降水特征的研究还不多见。因此，现利用宁夏24个国家级地面气象观测站2005—2020年暖季小时降水资料，分析宁夏不同区域暖季极端降水的时空分布特征，研究降水规律和变化趋势，为宁夏降水的短时临近预报和防灾减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

图1 宁夏气象观测站点分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Ningxia

1.2 方法

小时极端降水的标准采用杨霞等[11]利用的百分位阈值法来定义：把每个站点暖季非零小时降水量按升序排列，取其第X个百分位的小时降水量作为该站点极端强降水的阈值。当该测站小时降水量超过阈值，就认为该时次出现了极端强降水事件。表1给出了宁夏2005—2020 年5—9 月不同百分位小时降水阈值，分析小时强降水平均阈值、出现频次和占比，结合宁夏实际，本文选取第97百分位小时降水阈值作为宁夏小时极端降水阈值。

表1 宁夏2005—2020年暖季不同百分位小时极端降水阈值

小时极端降水量为统计时段内大于小时降水阈值的年平均小时降水量，小时极端降水频次为统计时段内大于小于降水阈值的年平均小时数，小时极端强降水强度为小时极端降水量除以相应的小时极端降水频次。不同区域中站点的统计指标的算术平均值作为该区域相应统计值。

2 结果分析

2.1 小时极端降水空间分布特征

2.1.1 小时极端降水总体分布特征

从2005—2020 年宁夏暖季小时极端降水空间分布图(图2)可以明显看出，宁夏小时极端降水量呈现自北向南逐渐增大的特点，北部引黄灌区极端降水量在16～24.8 mm，中部干旱带极端降水量在21.5～37.4 mm，南部山区为小时极端降水量的高值区，变化范围在40.5～69.9 mm，最大值出现在泾源。究其原因，泾源县位于六盘山区东侧迎风坡，受天气系统和地形的共同影响，泾源极端降水量最大，与邓佩云等[15]研究六盘山东与西坡降水差异特征的结果相一致。宁夏小时极端降水频次空间分布与降水量较一致[图2(b)]，自北向南小时极端降水频次分别为1.8～2.0 次、3.1～3.9次和4.5～7.3次。宁夏小时极端降水强度空间分布与降水量和降水频次差异非常明显[图2(c)]，呈现显著的北多南少和东多西少的特点，小时极端降水强度大值区位于北部引黄灌区的北部，其中石炭井、平罗和银川城区降水强度超过12 mm/h；不难发现，该区域的小时极端降水量和降水频次较小，但是降水强度较大。中部干旱带中东部为降水强度次大值区，其中韦州降水强度达10.5 mm/h；南部山区小时极端降水强度偏弱，小于宁夏平均极端降水强度，变化范围在8.2～9.8 mm/h；降水强度低值区主要出现在宁夏西部和吴忠，其中兴仁小时极端降水强度最小，为6.9 mm/h。

2.1.2 小时极端降水昼夜分布特征

图3为白天和夜间小时极端降水量、降水频次、降水强度以及两者差值的空间分布，这里白天指09:00—20:00，夜间指21:00—次日08:00。白天和夜间极端降水量分布形态是相似的，表现为北少南多和西少东多的特点，但也存在区域差异。中部干旱带和南部山区白天的极端降水量偏多，南部山区尤其明显，极端降水量昼夜差值在7.5～26.1 mm，其中泾源昼夜差异最大，白天降水量是夜间的2.2倍；中部干旱带极端降水量昼夜差值在1.6～9.8 mm。北部引黄灌区除银川、石嘴山和中宁外，其他地方白天的降水量都大于夜间，负差值最大的区域在石嘴山城区，为-9.5 mm。

极端降水频次的分布特征与降水量类似，除北部引黄灌区北部、西部部分地方外，其他地方白天降水频次较夜间偏多，南部山区偏多的最明显，降水频次昼夜差值为1.0～2.5次。

图2 宁夏2005—2020年暖季小时极端降水量、降水频次和降水强度空间分布Fig.2 Spatial distribution of hourly extreme precipitation,frequency and intensity in warm season in Ningxia during 2005—2020

图3 宁夏2005—2020年暖季白天和夜间小时极端降水量、降水频次、降水强度以及两者差值的空间分布Fig.3 Spatial distribution of hourly extreme precipitation,frequency, intensity and the differences between day and nightin warm season in Ningxia during 2005—2020

从图3(g)可以发现，白天小时极端降水强度主要表现为北强南弱，在引黄灌区北部和中部干旱带中东部为大值区，其中石炭井小时极端降水强度最大为13.5 mm/h。极端降水强度昼夜对比来看，夜间降水强度强于白天的区域很少，零星分布于永宁、中宁、西吉和石嘴山城区；昼夜降水强度差值在平罗、陶乐、灵武、麻黄山、同心降水强度出现明显的高值中心，变化范围在2.2～3.2 mm/h，其中银川灵武昼夜降水强度差异最大，白天为11.3 mm/h，夜间为8.1 mm/h。

该区域位于苏北地区，处在北亚热带向暖温带过渡的湿润季风气候，年均气温14.4℃，平均年降水量1 000 mm，且区域内有洪泽湖、高邮湖等，水资源充沛，自然条件优越。另外，该区域农田水利设施水平较高，有效灌溉率远高于流域的平均水平，抵抗自然灾害的能力强，是流域内农业干旱脆弱性最轻的地区，也是农业生产条件最优越的地区，是流域内水稻的主产区，并且其粮食单产水平也远高于其他地区。

总体而言，宁夏北部引黄灌区大部分区域的白天极端降水量和降水频次均较夜间偏少，而中部干旱带和南部山区白天极端降水量和降水频次偏多，南部山区尤为明显；除零星点外，宁夏白天降水强度均强于夜间，昼夜差高值区主要集中在中部干旱带。

2.1.3 小时极端降水趋势分布特征

图4为小时极端降水量、降水频次和降水强度变化趋势空间分布图，从图4(a)可知，整体上小时极端降水量变化趋势自北向南逐渐增加，北部引黄灌区降水量变化趋势在-9.6～21.2 mm/10 a，其中石嘴山站变化趋势最大，中卫站其次；宁夏仅3个站点极端降水量呈减小趋势，全部分布在北部引黄灌区的北部。中部干旱带除同心站(6.5 mm/10 a)以外，其他站极端降水量变化趋势均在20 mm/10 a左右。南部山区极端降水量均呈增加趋势，变化趋势在16.1～43.2 mm/10 a，其中泾源站极端降水量变化趋势最大，且通过了0.1的显著性检验。有16.7%的站点极端降水量增加趋势通过0.1的显著性检验，其中灵武站增加趋势最显著。小时极端降水频次变化趋势与降水量相似[图4(b)]，自北向南逐渐增加，南部山区降水频次变化趋势为1.1～3.6 mm/10 a；83.3%的站点极端降水频次呈增加趋势，仅盐池站的增加趋势通过0.05的显著性检验。有70.8%的站点极端降水强度呈增加趋势，所有站点未通过显著性检验；降水强度表现为减少趋势的站点主要集中在北部引黄灌区，占85.7%。

2.2 宁夏暖季小时极端降水时间变化特征

2.2.1 小时极端降水年际变化

宁夏不同区域的平均小时极端降水量年际变化如图5(a)所示，北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区年际极端强降水量均呈增加趋势，这与汪宝龙等[16]提出的中国西北地区极端降水总量线性变化整体上呈增加趋势结论一致，自北向南三个区域极端降水量气候倾向率分别为7.0、18.1、25.1 mm/10 a，其中中部干旱带极端降水量增加趋势通过0.05显著性检验。宁夏三个区域平均极端降水量均是北部引黄灌区<中部干旱带<南部山区，小时极端降水量最大值均出现在2018 年，分别为57.3、60.7、119.0 mm。宁夏不同区域极端强降水频次年变化特征[图5(b)]与降水量相似，三个区域极端降水频次均呈微弱增加趋势；自北向南三个区域极端降水频次气候倾向率逐渐增大，小时极端降水频次最大值也出现在2018年，依次为5.0次、6.3次和9.2次。中部干旱带和南部山区小时极端降水强度呈先减少后增加趋势，在2011年达到最小值；北部引黄灌区极端降水强度增加趋势不明显。自北向南最大小时极端降水强度分别为11.3、11.0和11.2 mm/h。

2.2.2 小时极端降水月变化

从小时极端降水逐月变化来看(图6)，5、6、8、9月极端降水量和降水频次呈自北向南递增的特点，7月不同的是北部引黄灌区降水量和降水频次大于中部干旱带。南部山区和中部干旱带各月极端降水量和降水频次由低到高的顺序为5、9、6、7、8月，而北部引黄灌区的降水量和降水频次在7月最大，分别为9.6 mm和0.9次。北部引黄灌区小时极端降水强度8月最大，达11.3 mm/h；7月次之，为10.6 mm/h。5、6月极端降水强度自北向南递增，7、8月北部引黄灌区降水强度最大，9月中部干旱带小时极端降水强度最大。

2.2.3 小时极端降水日变化

宁夏不同区域暖季小时极端降水量日变化曲线如图7(a)所示，除05:00和06:00以外，南部山区各时次极端降水量均大于中部干旱带和北部引黄灌区，南部山区小时极端降水量和降水频次日变化曲线均呈明显的单峰型，峰值出现在17:00，14:00—19:00为小时极端降水量和降水频次的高值时段。中部干旱带极端降水量和降水频次高值出现的时段与南部山区基本一致。表明热力作用是中部干旱带和南部山区极端降水的重要触发机制。北部引黄灌区小时极端降水量日变化特征与其他存在明显差异，极端降水频次日峰值出现在早晨08:00，凌晨01:00和早晨07:00—08:00均为极端降水量高值时段，进一步印证了2.1.2节的结论。

南部山区小时极端降水强度各时次差异不大，集中在7.0～10.7 mm/h。中部干旱带小时极端降水强度高值时段出现在傍晚，最小极端降水强度出现在12:00，与降水量和降水频次最小值出现的时间相同。北部引黄灌区降水强度最大值出现在17:00，为11.1 mm/h，此时降水量仅为南部山区的1/3左右，但降水强度偏大了1.8 mm/h。

计算了小时极端降水量与降水频次、降水强度逐时变化的相关系数，发现南部山区小时极端降水量与降水频次相关性更好(0.97)，北部引黄灌区和中部干旱带小时极端降水量与降水频次、降水强度的相关性均较好，说明南部山区逐时极端降水量主要由极端降水频次贡献，北部引黄灌区和中部干旱带逐时极端降水量由降水频次和降水强度共同影响。

3 结论

利用2005—2020年宁夏24个国家级气象观测站暖季小时降水资料，研究分析了宁夏不同区域小时极端降水时空变化特征，得到以下结论。

(1)宁夏小时极端降水量和降水频次呈自北向南逐渐增大的特点，南部山区小时极端降水量变化范围在40.5～69.9 mm；极端降水强度呈显著的北多南少和东多西少的特点，北部引黄灌区石炭井、平罗和银川城区降水强度超过12 mm/h，中部干旱带中东部为次大值区，南部山区小时极端降水强度偏弱，降水强度低值区主要出现在宁夏西部和吴忠。

(2)宁夏北部引黄灌区大部分区域的白天极端降水量和降水频次均较夜间偏少，而中部干旱带和南部山区白天极端降水量和降水频次偏多，南部山区尤为明显；除零星点外，宁夏白天降水强度均强于夜间，昼夜差高值区主要集中在中部干旱带。

(3)宁夏小时极端降水量和降水频次变化趋势自北向南逐渐增加，仅3个站点极端降水量和降水频次呈减小趋势，全部分布在北部引黄灌区，有16.7%的站点极端降水量增加趋势通过0.1的显著性检验。有70.8%的站点极端降水强度呈增加趋势，所有站点未通过显著性检验；降水强度表现为减少趋势的站点主要集中在北部引黄灌区，占85.7%。

(4)宁夏自北向南三个区域小时极端降水量、降水频次和降水强度均呈增加趋势，其中中部干旱带极端降水量增加趋势显著，且通过了0.05显著性检验。宁夏自北向南三个区域最大小时极端降水量和降水频次均出现在2018年，极端降水量分别为57.3、60.7、119.0 mm，极端降水频次分别为5.0、6.3、9.2 次。

(5)南部山区和中部干旱带各月极端降水量和降水频次由低到高的顺序为5、9、6、7、8月，而北部引黄灌区7月最大。5、6月小时极端降水强度自北向南递增，7、8月北部引黄灌区降水强度最大，9月中部干旱带小时极端降水强度最大。

(6)北部引黄灌区和南部山区小时极端降水量峰值出现在17:00，三个区域中中部干旱带18:00的极端降水强度最大。南部山区逐时极端降水量主要由极端降水频次贡献，北部引黄灌区和中部干旱带逐时极端降水量由降水频次和降水强度共同影响。