1961_2007年黄土高原极端降水事件的时空变化分析

第25卷　第2期自　然　资　源　学　报Vol125No12　2010年2月JOURNAL OF NAT URAL RES OURCES Feb.,2010　1961—2007年黄土高原极端降水

事件的时空变化分析

李　志1,郑粉莉2,刘文兆2

(11西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;21中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100)

摘要:极端降水事件会引起严重的灾害事件,其变化趋势需要进行详尽的评估。基于50个站

点1961—2007年日降水数据,定义极端降水事件及衡量指标后,使用M ann2Kendall法评估了黄

土高原极端降水事件的空间分布和时间变化特征。结果表明,极端降水事件的空间分布具有东

南—西北方向的梯度变化特征,降水量、强度和年最大日降水量均从东南向西北递减,而严重干

旱事件从东南向西北递增。多数站点极端降水事件的各指标都具有单一趋势,但各指标具显著

性趋势的站点数差异很大。约40%的站点极端降水频率具有显著降低趋势;约30%的站点极

端降水量的减少趋势和严重干旱频率的增加趋势具有显著性;约10%的站点极端降水强度的

上升趋势和年最大日降水量的下降趋势显著。

关　键　词:极端降水事件;黄土高原;M ann2Kendall

中图分类号:P426161+4;P429　文献标志码:A　文章编号:1000-3037(2010)02-0291-09

政府间气候变化专门委员会(I PCC)的第四次评估报告(AR4)指出,1951—2003年陆地上中高纬地区的强降水事件可能大量增长了,甚至在降水量减少的区域也出现了类似变化[1]。极端降水事件强度和频率的变化,导致气候变化的影响更加明显,如致使洪水频发、土壤侵蚀和干旱加剧等[2]。尽管气候变化趋势已在大尺度上得到了一些确定性结论,但不同区域的变化规律存在差异,因此,对于具体区域需要开展详尽的评估。

黄土高原水土流失严重,除与其土壤结构和生态环境有关外,年降水集中且暴雨多是主要原因之一。研究表明,该区土壤侵蚀主要由少数几次大雨或暴雨引起,往往一次大暴雨所产生的侵蚀量占年总量的60%甚至90%上,90%以上的降雨不产生地表径流[3];而且在降水量和强度较大的情况下,综合治理的减水减沙效益很低[425]。可见,极端降水事件对黄土高原的水土流失具有决定性影响,评估其变化趋势,有助于解释黄土高原当前水土资源变化特征。与黄土高原降水相关的研究较多,但研究其极端降水事件时多通过构建平均序列来进行,而该区极端降水事件的区域相关性较差[628],再加上采用的指标较少,不利于全面分析其变化特征。

本研究采用极端降水事件的降水量、频率、强度、年最大日降水量和严重干旱事件的频率等多个指标,分析黄土高原50个气象站点极端降水事件的时空变化,以期能全面评估该区极端降水事件的变化特征,为极端降水事件未来趋势的预测奠定基础,并为该区可持续发展提供参考依据。

收稿日期:2009-05-08;修订日期:2009-11-25。

基金项目:国家基础研究发展计划项目(2007CB407201);“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD09B09)。

第一作者简介:李志(1978-),男,山东临沂人,博士,副教授,主要从事全球变化与水文生态方面的研究。E2mail: lizhibox@

　自　然　资　源　学　报25卷292

1　数据与方法

使用黄土高原50个气象站1961—2007年的日降水序列,数据来源于中国气象局,站点分布状况见图1。本研究中的极端降水事件包括极端强降水事件和干旱事件两个方面。对于极端强降水事件,我国气象局规定日降水量大于50mm的降水事件为暴雨,但黄土高原日降水量多小于50mm而强度较大,常导致严重的水土流失[3]。因此,本文基于超定量法分别确定各站极端降水事件的阈值,将1961—2007年逐年的日降水量序列由小到大排列,取其第95个百分位数的47a平均值定义为极端降水事件的阈值,当某站某日降水量超过这个阈值时,就记为一次极端降水事件[9210]。极端降水量为每年极端降水事件的降水量总和,极端降水频率为每年发生极端降水事件的天数,极端降水强度为极端降水量与极端降水天数的比值。对于干旱事件,定义连续无雨日(霜雾露等都记为无雨日)≥10d为严重干旱事件[11212]。

图1　黄土高原气象站位置示意图

Fig11　Locati on of the weather stati on in the Loess Plateau

基于计算的阈值,统计各站1961—2007年极端降水事件的降水量、频率、强度、年最大日降水量和严重干旱频率。通过Mann2Kendall方法(MK法)检验上述指标的长期变化趋势,MK检验不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,适用于检验水文气象等非正态分布数据的变化趋势[13]。使用气候倾向率,即各指标与时间进行线性回归后的斜率[14],量化上述指标的变化幅度。基于反距离加权插值法对上述指标的趋势进行插值,来分析其空间分布。该插值法通过创建栅格表面来利用有限样点估计未知样点的值,其前提假设是样点间存在局部影响,且这种影响与距离成反比;一般适用于变量影响随距离增大而减小的情况,而站点间的气象变量存在空间相关性,其变化符合此规律,因此,该方法可以研究气象变量的空间分布情况[15]。

2　结果与讨论

211　极端降水事件的空间分布特征

图2表示了极端降水事件各指标的空间分布。使用百分位数定义极端事件,各气象站极端事件的年均发生频率基本一致,因此,图2仅给出了极端降水事件的年均降水量、强度、

　2期李　志等:1961—2007年黄土高原极端降水事件的时空变化分析293年最大日降水量和严重干旱事件的频率4个指标。可以看出,4个指标的空间分布都具有明显的沿东南—西北或东—西方向的梯度变化。

图2　黄土高原1961—2007年极端降水事件的空间分布

Fig12　Spatial distributi on of extre me p reci p itati on events(EPE)in the Loess Plateau during1961-2007极端降水事件的年均降水量和强度均从东南向西北递减,其中,降水量[图2(a)]从东南部的400～496mm减少到西北部的134～200mm;降水强度[图2(b)]从东南部的20～2716mm/d降低到西北的717～10mm/d。年最大日降水量[图2(c)]从东向西递减,变化范围从东部的>50mm降低到西部的25～50mm,可以看出,黄土高原西部的降雨均没有达到气象局规定的暴雨标准,因此,如果以50mm作为阈值来界定极端降水事件,必将导致大片的空白区。黄土高原多数区域年均发生7～918次严重干旱事件[图2(d)],西北部最严重(9～918次/a),西南部发生频率最低(419～6次/a)。

212　极端降水量的变化趋势

1961—2007年,黄土高原大部分地区的极端降水量以减少趋势为主[图3(a)]。MK检验表明,41站的极端降水量呈减少趋势,9站呈增长趋势。但仅中东部14站的减少趋势通过了90%的显著性检验,其中9站通过了95%的显著性检验;青海2站的增加趋势通过了95%的MK检验[图3(b)]。黄土高原年均极端降水量为30613mm;对于上述趋势显著的站点,减幅和增幅分别为215和115mm/a。极端降水量的变化趋势与年降水量的变化趋势基本一致[13,16],可能是由于年降水量与极端降水事件的指标具强相关性,丰水年发生的极端降水事件偏多而枯水年极端降水事件的频率更低[17]。