近60年山西省极端降水时空变化特征
第36卷第1期2022年2月
水土保持学报
J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n
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F e b .,2022
收稿日期:2021-08-06
资助项目：中央高校基本科研业务费专项(2021Z Y 51)；国家自然科学基金项目(42177310
贷款买房需要什么手续)  第一作者：董伯纲(1999 )，男，硕士研究生，主要从事气候变化与生态系统服务研究㊂E -m a i l :z i h u a n 181d b g @b j f u .e d u .c n  通信作者：于洋(1985 )，男，副教授，硕士生导师，主要从事水土保持与流域治理研究㊂E -m a i l :t h e o d o r e y y
@g m a i l .c o m 近60年山西省极端降水时空变化特征
董伯纲1，于洋1,
2
(1.北京林业大学水土保持学院，北京100083;2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京100083)摘要：气候变化背景下，极端降水事件发生频率与强度的增加直接影响区域生态安全，分析极端降水时空变化特征对于区域风险评估具有重要意义㊂基于山西省1960 2019年22个气象站点的逐日降水数据，选取12个极端降水指数，采用线性趋势分析㊁M a n n -K e n d a l l 趋势检验与突变分析㊁M o r l e t 小波分析和反距离权重插值等方法，对山西省近60年极端降水的时空变化特征进行研究㊂结果表明:(1)山西省整体呈干旱化趋势，降雨日数(R 1MM )下降趋势显著;(2)部分极端降水指数在20世纪70年代前后发生突变，突变后呈显著下降趋势;(3)极端降水变化存在约17年的主要周期，部分极端降水指数还存在7~8,4~5年的周期变化;(4)山西省西南部整体呈干旱化趋势，西北部极端降水事件趋于增加㊂研究结果将为山西省极端降水事件的响应对策实施提供依据㊂
关键词：极端降水事件；极端降水指数；山西省；时空变化特征中图分类号:P 426.6  文献标识码:A  文章编号:1009-2242(2022)01-0135-07
D O I :10.13870/j
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i t a t i o n i n S h a n x i P r o v i n c e i nR e c e n t 60Y e a r s
D O N GB o g a n g 1,Y U Y a n g
1,
2
(1.S c h o o l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100083;2.J iC o u n t y
S t a t i o n ,C h i n e s eN a t i o n a lE c o s y s t e m R e s e a r c hN e t w o r k (C N E R N ),B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 1
00083)A b s t r a c t :U n d e r t h eb a c k g r o u n do f c l i m a t ec h a n g e ,t h e i n c r e a s eo f t h e f r e q u e n c y a n d i n t e n s i t y o
f e x t r e m e p r e c i p i t a t i o ne v e n t s d i r e c t l y a f f e c t s r e
g i o n a l e c o l o g i c a l s e c u r i t y .A n a l y z i n g t
h e t e m p o -s p
a t i a l v a r i a t i o n c h a r a c -t e r i s t i c s o f e x t r e m e p r e c i p i t a t i o n i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r r e g i o n a l r i s ka s s e s s m e n t .B a s e do n t h e d a i l yp r e -c i p i t a t i o nd a t a o f 22m e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n s i nS h a n x i P r o v i n c e f r o m1960t o2019,12e x t r e m e p r e c i p
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办理护照需要什么受全球气候变化影响，全球和区域尺度水循环日益加剧[1
]，极端降水事件的发生频率与强度显著增加，影
响范围更加广泛[2-3
]㊂极端降水事件会引发干旱㊁洪涝㊁
山洪㊁泥石流等自然灾害，对人类社会和经济的发展产
生严重影响与威胁[4
]，目前极端降水的时空变化特征已成为气候变化相关研究中的热点问题[
5
]㊂
近年来我国极端降水事件整体趋强[6]，长期变化具有明显的区域性㊂国内学者以我国不同地区为研究对象，开展了从地域[7]㊁流域[8]到省域[9]范围的多尺度研究，整体结果显示，西北和长江以南地区的极端降水事件趋于增加，而东北㊁华北和西南部分地区趋于减少[10-11]㊂其中，大尺度范围的研究成果具有较高的相似性，但由于极端降水指标㊁降水资料类型㊁时间序列长度和研究方法的不同，小尺度区域极端降水变化特征的研究结论仍有一定差异性㊂
山西省是我国的农业大省，近年来气候呈现暖干化趋势[12]，降水减少趋势显著高于全国水平[13]，干旱发生概率有所上升[14]，对当地生产生活造成了一定影响[15]㊂省内部分地区植被稀少，水土流失严重，生态环境脆弱[16]，对于极端气候事件较为敏感㊂已有部分学者以山西省作为研究范围对极端降水变化开展了研究㊂曹永旺等[17]研究发现，山西省的降水强度(S D I I)和持续干旱指数(C D D)有所增加，其显著变化发生在20世纪70年代；任健美等[18]研究认为，极端降水日数有微弱下降趋势，而暴雨日数呈明显下降趋势；李智才等[19]指出，汛期极端降水的特征和次数有所增加；王咏梅等[20]研究表明，趋于减少的极端强降水事件存在年际气候振荡㊂上述研究大多采用降水资料的百分位阈值来确定极端降水指数，缺乏相对统一性，且针对极端降水时空变化的综合分析较少㊂为了能够全面了解山西省极端降水的时空变化特征，本文采用12个应用广泛的极端降水指数，基于山西省22个气象站点的降水日值数据，分析近60年来山西省极端降水的变化趋势㊁突变情况㊁周期波动以及趋势变化的空间差异，并探讨极端降水事件可能带来的风险，以期为当地应对干旱㊁洪涝等灾害以及合理开展农业生产活动提供参考㊂1材料与方法
1.1研究区概况
山西省地处我国华北西部的黄土高原地区，全省面积约1.56ˑ105k m2㊂地势东北高㊁西南低，地貌以山地和丘陵为主，全省大部分地区海拔高于1500m㊂气候类型属于温带大陆性季风气候，四季分明㊁雨热同期，全省各地年均气温8~14ħ，年均降水量400~650 m m，降水主要集中在6 8月[21]㊂受地形和海陆位置影响，山西省从西北部向东南部的气候类型主要由半干旱气候过渡到半湿润气候，是气候变化的敏感区域[12]㊂1.2数据来源
金榜题名主持词研究使用数据来源于中国气象科学数据共享服务网(h t t p://c d c.c m a.g o v.c n)的地面日值观测数据集㊂根据资料连续性㊁完整性和最长时间段等原则,
剔除缺失数据较多的气象台站，最终选取了山西省22个气象站点1960 2019年的降水日值数据，站点分布见图1㊂所有降水数据均使用R C l i m D e x软件进行了严格质量控制㊂
图1山西省气象站点空间分布
1.3研究方法
极端降水指数选取世界气象组织(w o r l d m e t e-o r o l o g i c a l o r g a n i z a t i o n,WMO)推荐的12个极端降水指数(表1)，这些指数能够反映极端降水在不同方面的特征，各站点的逐年极端降水指数值
使用R C l i m D e x软件计算得出㊂采用线性趋势分析法[8]和M a n n-K e n d a l l(M-K)非参数检验法[22]检测分析极端降水时间序列的变化趋势，采用M-K突变检验[22]检测极端降水的突变情况，利用M o r l e t小波分析法检测极端降水的周期变化规律，基于反距离权重(i n v e r s ed i s t a n c ew e i g h t e d,I DW)插值方法分析极端降水趋势变化的空间分布特征㊂
2结果与分析
2.1极端降水指数时间序列趋势分析
利用山西省22个气象站点的逐年极端降水指数均值建立极端降水指数时间序列，其多年均值及线性趋势分析结果见表2㊂持续指数中，持续干日指数(C D D)整体呈上升趋势，持续湿日指数(C W D)呈下降趋势，其倾向率分别为0.059,-0.106天/10a㊂绝对指数中，所有极端降水指数整体均呈下降趋势，降水日数(R1MM)㊁中雨日数(R10MM)㊁大雨日数(R25MM)和暴雨日数(R50MM)的倾向率分别为-1.440,-0.284,-0.056, -0.022天/10a，其中,R1MM的下降趋势显著(P< 0.05)㊂相对指数中，强降水量(R95P)和极强降水量(R99P)均呈下降趋势，倾向率分别为-2.892,-1.321 m m/10a㊂强度指数中，最大1天降水量(R X1D A Y)㊁
631水土保持学报第36卷
最大5天降水量(R X 5D A Y )和湿日降水量(P R C P -
T O T )呈下降趋势，倾向率分别为-0.710,-1.442,
-10.065mm /10a ，降水强度(S D I I
)呈上升趋势，其倾向率为0.052mm /(天㊃10a
)㊂表1 极端降水指数名称及定义
指数类型指数缩写指数名称定义
单位持续指数
C D D
持续干旱日数日降水量<1mm 的最大持续日数天C WD 持续湿润日数日降水量ȡ1mm 的最大持续日数天绝对指数
R 1MM
降水日数年降水日数(日降水量ȡ1mm )
天R 10MM 中雨日数日降水量ȡ10mm 天数天R 25MM 大雨日数日降水量ȡ25mm 天数
天R 50MM 暴雨日数日降水量ȡ50mm 天数
天相对指数
R 95P 强降水量日降水量超过(1960 2019年)95%分位数的降水总量
mm R 99P
极强降水量日降水量超过(1960 2019年)99%分位数的降水总量
mm 强度指数
R X 1D A Y
最大1天降水量全年日降水量最大值
mm
R X 5D A Y 最大5天降水量
全年连续5日降水量最大值mm
S D I I
降水强度年降水量/年降水日数(日降水量ȡ1mm )mm ㊃天-1
P R C P T O T 湿日降水量
全年日降水量总和日降水量ȡ1mm )
mm  22个站点极端降水指数趋势分析结果见表3,
52.4%~95.2%的站点极端降水指数无明显变化趋势，除C D D 和S D I I 中各有1个站点的极端降水指数呈显著上升趋势外，其余极端降水指数中均有1个或多个站点呈现出显著下降的趋势㊂在所有站点的12
个极端降水指数中，呈显著下降趋势的数量(32个)
远多于显著上升趋势的数量(2个)，且未出现同一极端降水指数中既有显著上升又有显著下降趋势的站点的现象㊂
表2 山西省1960-2019年极端降水指数趋势分析结果
指标时间序列均值倾向率/
(天㊃10a
-1
)P 值C D D /d
67.7170.059
0.919C WD /d
茂密的反义词4.669
-0.1060.076R 1MM /d
54.564-1.4400.015R 10MM /d 14.677
-0.2840.178R 25MM /d 3.739-0.0560.707R 50MM /d 0.639-0.0220.448R 95P /mm 119.303-2.8920.536R 99P /mm
37.983-1.3210.355R X 1D A Y /mm
53.011-0.7100.326R X 5D A Y /mm
83.901-1.4420.254S D I I /(mm ㊃d
-1
)8.593
0.052
0.448P R C P T O T /mm
470.635-10.0650.127
2.2 极端降水指数突变分析根据山西省22个气象站点的逐年极端降水指数
均值进行M -K 突变检验㊂由图2可知，在1960
2019年间,C D D ㊁S D I I ㊁R 25MM ㊁R 95P 和R X 5D A Y
的U F 曲线在0附近波动且未超过置信线，表明持续干旱日数㊁降水强度㊁大雨日数㊁强降水量和最大5天降水量在60年间变化趋势不显著且不存在突变特征㊂C WD 的U F 曲线基本处在0以下,1976年与
U B 曲线相交且交点位于置信线之间,2000年前后超过置信线，表明持续湿润日数总体呈下降趋势，并在
现在好玩的网络游戏1976年突变后明显下降㊂R 10MM ㊁R 50MM ㊁R 99P ㊁
R X 1D A Y 和P R C P T O T 的U F 与U B 曲线分别相交于1979年㊁1975年㊁1971年㊁1969年㊁1977年，交点均位于置信线间,U F 曲线在相交前基本位于0以上㊁相交后位于0以下且在个别时段超过置信线，说明中雨日数㊁暴雨日数㊁极强降水量㊁最大1天降水量和湿日降水量有短暂的明显下降趋势，这些极端降水指数在20世纪70年代前后发生显著突变㊂R 1MM 的U F 与U B 曲线相交于1979年，交点位于置信线间，相交后U F 曲线始终位于0以下且长时间超过置信线，说明降水日数的突变开始时间为1979年，在突变后有持续的显著下降趋势㊂
表3 山西省1960-2019年极端降水指数变化趋势
极端降水指数
显著增加
无明显变化
显著减少
C D D
1210C WD 0193
R 1MM
01210R 10MM 0166R 25MM 0211R 50MM 0211R 95P 0211R 99P
0211R X 1D A Y 0184R X 5D A Y 0211S D I I
1210P R C P T O T 0
18
42.3 极端降水指数周期分析
逐年极端降水指数均值小波分析结果见图3㊂整体而言，各极端降水指数均主要存在时间尺度为24~28年时间尺度的振荡，周期约为17年,
在整个时域经历多ң7
31第1期    董伯纲等：近60年山西省极端降水时空变化特征
少ң多ң少ң多ң少ң多的循环交替，近5年均处在偏大期㊂不同指数存在不同的次要变化周期，在较小年代际尺度的周期振荡方面,R50MM与P R C P T O T存在22~23年时间尺度的振荡，其对应周期分别约为13.5,13年，其中,R50MM的振荡在1980年前更明显,P R C P-T O T的振荡信号贯穿整个时域㊂C D D与C W D存在16~18年时间尺度的振荡，对应周期分别为11,9.5年，其中,C W D的振荡仅存在于1990年前,C D D的振荡信号贯穿整个时域㊂R1MM㊁R10MM㊁R25MM㊁R95P㊁R X1D A Y㊁R X5D A Y㊁S D I I和P R C P T O T均存在12~13年时间尺度的振荡特征，对应周期分别约为7,7.5,7.5,7,7.5,7,8,7.5年，其中R95P㊁R X1D A Y 和R X5D A Y的周期振荡在1980年后更为明显，其他指数的振荡信号贯穿整个时域㊂在更小的年际尺度上,R50MM,R99P存在7~8年时间尺度的振荡，周期分别为4.5,5年，均贯穿整个时域㊂其他极端降水指数虽然也存在更小年际尺度的振荡，但其振荡信号相比于年代际尺度的振动信号较弱㊂
图2山西省1960—2019年极端降水指数M-K突变检验
831水土保持学报第36卷
图3山西省1960-2019年极端降水指数小波系数实部分布
2.4极端降水指数变化趋势空间差异
利用反距离权重插值方法获得1960 2019年22个气象站点12个极端降水指数变化倾向率的连续空间分布(图4)㊂整体来看，除C WD外山西省南部地区绝大多数的极端降水指数均呈现下降趋势，特别是西南部地区的下降趋势最为强烈，表明山西省南部的极端降水事件整体趋于减少㊂R1MM㊁R25MM㊁R50MM㊁R95P㊁R99P㊁R X1D A Y和R X5D A Y在山西省东北部整体呈现下降趋势，表明该区域的极端降水事件可能趋于减少㊂R10MM㊁R25MM㊁R50MM㊁R95P㊁R X5D A Y㊁S D I I和P R C P T O T在西北部均整体呈现上升趋势，说明山西省西北部的极端降水事件可能趋于增加㊂
除五寨站外，所有站点的R1MM均呈下降趋势，这与全省整体R1MM下降趋势显著的结果相符㊂在极端降水指数的变化趋势空间分布图中,R1MM㊁R10MM和P R C P T O T均出现以五台山站为中心的极低值区，对应指数倾向率分别为-6.94,-1.48天/10a 和-41.03mm/10a，说明五台山地区的极端降水指数的下降趋势高于全省水平，可能是由于该地区海拔较高㊁气候类型特殊所导致㊂
3讨论
基于气象资料和极端降水指数开展区域尺度极端降水时空变化特征分析，能够为准确预测极端降水事件并开展区域生态管理提供科学依据㊂
山西省近60年极端降水指数时间序列趋势和突变分析结果显示，除C D D和S D I I呈上升趋势外，其余极端降水指数均呈现下降趋势，且在20世纪70年代前后发生突变㊂这表明，山西省极端降水事件整
体趋于减少，研究结果与王咏梅等[20]的研究结论一致，也与华北地区极端降水的变化趋势吻合[7]㊂S D I I整体呈上升趋势可能与R1MM的显著减少有关，而C D D的上升趋势则表明，在极端降水事件减少的同时干旱事件趋于增加㊂
在周期变化方面，多数极端降水指数存在较为同步的震荡周期，其中，年代际变化的周期约为17年,
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第1期董伯纲等：近60年山西省极端降水时空变化特征

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