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地理研究 >

2014 , Vol. 33 >Issue 10: 1881 - 1891

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201410009

1961-2010年新疆极端降水过程时空特征

  • 慈晖 , 1, 2 ,
  • 张强 , 1, 2 ,
  • 张江辉 3 ,
  • 白云岗 3 ,
  • 刘剑宇 1, 2
展开
  • 1. 中山大学水资源与环境系,广州 510275
  • 2. 中山大学地理科学与规划学院华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室,广州510275
  • 3. 新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049
通讯作者：张强（1974- ）,男,山东沂水人,博士,教授,博士生导师,主要从事流域气象水文学等领域研究。E-mail:

作者简介：慈晖（1989- ）,女,甘肃临夏人,博士,主要从事区域水文循环与水资源演变研究。E-mail:

收稿日期: 2014-01-10

  要求修回日期: 2014-06-05

  网络出版日期: 2014-10-10

基金资助

新疆维吾尔自治区科技计划项目（201331104）

中山大学滨海小流域自然地理综合过程观测与实验平台建设（2012年度）

收起

Spatiotemporal variations of extreme precipitation events within Xinjiang during 1961-2010

  • CI Hui , 1, 2 ,
  • ZHANG Qiang , 1, 2 ,
  • ZHANG Jianghui 3 ,
  • BAI Yungang 3 ,
  • LIU Jianyu 1, 2
Expand
  • 1. Department of Water Resources and Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
  • 2. Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong High Education Institute, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
  • 3. Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower, Xinjiang 830049, China.

Received date: 2014-01-10

  Request revised date: 2014-06-05

  Online published: 2014-10-10

Copyright

《地理研究》编辑部
Fold

摘要

采用新疆50个气象测站1961-2010年逐日降水资料,选用14个极端降水指数探讨新疆极端降水事件的发生与变化。结果表明：无论平均降水过程还是极端降水过程,均能反映新疆明显的湿润化趋势。伴随降水量的增加,降水强度及降水频率均增大,除CDD变化表现为下降趋势外,其他指数变化均呈上升趋势。分析各极端降水指数序列变化,20世纪60-70年代年际变化幅度小,稳定性好;80-90年代年际差异大,稳定性差;新疆东部各极端降水指数上升与下降趋势小幅交替出现,而北疆、南疆及全疆极端指数序列则呈明显且单一的上升趋势。各极端降水指数最大概率变异年为1986年、2009年;降水变异后,新疆弱降水过程变化不明显,但强降水过程变幅增大,易导致洪旱灾害等极端气象水文事件的发生。

关键词： 新疆; 极端降水事件; 变化趋势; 变异

本文引用格式

慈晖 , 张强 , 张江辉 , 白云岗 , 刘剑宇 . 1961-2010年新疆极端降水过程时空特征[J]. 地理研究, 2014 , 33(10) : 1881 -1891 . DOI: 10.11821/dlyj201410009

Abstract

With the development of global climate change, extreme climate events have drawn attention of worldwide researchers not only due to their direct impact on socio-economy, but also as climate change indicators. Human and natural systems have been affected by extreme climate events to a great extent. The main objective of our study is to detect the possible changes and intensity, tendency and frequency of extreme climate events. Xinjiang is located in the inland China, where the climate is arid to semi-arid. Xinjiang is therefore highly vulnerable to climate variability, and a better understanding of changes in extreme precipitation events plays an increasingly role in the arrangement of agricultural production and the process of agricultural planning. Fourteen extreme precipitation indices have been selected and spatiotemporal patterns of extreme precipitation events have been analyzed based on daily precipitation data from 50 stations covering the period of 1961-2010 using statistical methods. The results indicate that precipitation amount is in an upward trend with increasing precipitation intensity and precipitation frequency. With the increase of precipitation, evident decrease of CDD can be found and increasing trend can be identified by RR1, RR5, RR10, R95P, Rx1day and Rx5day. This result show obvious wetting tendency in Xinjiang. However, different time periods are dominated by different changing properties of precipitation regimes. With smaller variability and higher stability, precipitation amount level during 1960-1970s is lower. The period of 1980-1990s can be taken as the transitional period characterized by abrupt increase of precipitation amount and lower stability, and according to unsteady precipitation variations in recent years, higher precipitation variability can be found after the 1990s. Spatially, increasing and decreasing trends of precipitation variations alternate in eastern Xinjiang with small amplitudes; however, evident increase of precipitation can be found in the northern, southern and the entire Xinjiang region. Alteration of precipitation variations was found mainly in 1986 and 2009. After occurrence of precipitation alteration, strong precipitation processes are subject to higher variability and moderate changing characteristics are found in weak precipitation processes. This study will be of great merits in terms of development of human understanding of regional responses of hydrological cycle to climate changes in Xinjiang.

Key words： Xinjiang; extreme precipitation events; MK trends; abrupt changes

1 引言

受全球气候变化影响,区域乃至全球范围内极端气候事件发生频率及强度均有加剧[1]。有研究表明,温室气体过度排放导致地表温度连年升高,使降水量时空分布发生显著变异[2],降水随纬度重新分配[3],高纬地区降水量增多,副热带地区降水减少,而且可能通过改变热带辐合区影响热带地区降水量的时空分布。IPCC第四次报告指出[4],中纬地区强降水事件的发生愈发频繁。19世纪70年代以后,全球受旱灾影响的区域范围不断扩大[5],由于全球温度升高以及降水减少的共同作用,导致干旱地区占据的面积仅仅在50年内就扩大了1倍[6,7]。经济与农业损失评价、降水气温时间序列趋势变化的检测以及干旱指标的监测可以为气象工作者提供更加有效的方法,以便采取一定的措施缓解干旱等极端气候水文事件的影响[8]。
近30年来,干旱事件对农牧业造成严重破坏和显著影响,降水量的多少以及水分条件的优劣,直接影响到农业生产的好坏。新疆90%以上的农业用水需要河流灌溉,而降水是旱田农业用水的重要来源。进一步了解降水特征及极端降水事件时空变化规律对新疆农业生产规划以及针对气候变化的适应性对策制定均有重要意义。前人对新疆近几十年来降水变化已有较多研究,施雅风等[9,10]指出1987年以来中国西北地区气候变化表现出由“暖干”向“暖湿”转变的趋势;薛燕等[11]和姜逢清等[12]指出近年来新疆降水量明显增加,有湿润化趋势,1987年为新疆降水发生突变的一个拐点[13],且全疆大部分测站降水量突变发生在20世纪80年代后[14]。新疆北部地区1月、2月、7月、11月、12月降水显著增加[15]。同时,新疆极端降水事件也引起了广泛的关注与重视,杨莲梅[16]指出新疆极端降水事件在20世纪80年代以后显著增多;Jing等[17]也指出20世纪80年代中期以后新疆北疆地区及南疆北部地区极端降水事件发生转变,降水呈显著上升趋势;张延伟等[18]指出各极端降水指数呈自东南向西北递增的空间变化规律;张强等分析了新疆1960-2005年降水过程的变化[19],采用Copula函数探讨了极端降水事件的概率分布特征[20],并选用多种极端降水指数分析了极端降水事件的时空分布特征及演变规律[21-23];王宝龙等[24]指出除CDD外的极端降水指数与年降水量呈正相关关系,且极端降水指数序列北疆呈上升趋势、南疆呈下降趋势。在已有诸多研究的基础上,利用多种降水指数对新疆极端降水过程进行进一步分析。与已有针对极端降水指数时间序列所做的单纯线性趋势变化研究不同,通过对比全疆、北疆、南疆以及新疆东部地区各极端降水指数时间序列趋势变化并进行变异分析,以期了解过去以及当前的趋势变化,对理解全球气候变化影响下新疆降水时空演变特征以及制定未来新疆农业生产布局规划有重要现实意义。

2 数据来源与研究方法

选取国际上常用的14个极端降水指数（表1）[8,25],选用由国家气象中心提供的新疆50个气象测站（图1）1961-2010年逐日降水资料探讨极端降水事件的发生、变化,其中基于相对阈值的极端降水指数是在1961-1990年时间序列的基础上进行统计计算的[25]。所选取的测站资料中,针对缺测值做如下处理[26]：缺测1~2天数据,用相邻日的数据平均值进行插补;缺测3天以上数据,用同期数据资料的多年平均值进行插补。采用泰森多边形法[27]计算全疆面雨量,能够更加客观地分析全疆平均降水状况;采用最小二乘法[28]、Mann-Kendall非参数检验法[29]分析新疆降水序列以及各极端指数时间序列的趋势变化,判断趋势增减以及变化幅度的大小,并进行置信度为95%的显著性检验;利用滑动秩和检验[30]分析各极端降水指数序列的变异情况。
Tab. 1 Definition of 14 extreme precipitation indices

表1 14个极端降水指数定义

缩写 定 义 单位
CDD 年内日降水量连续低于1 mm的日数最大值 d
CWD 年内日降水量连续高于等于1 mm的日数最大值 d
Rx1day 月内1日降水量最大值 mm
Rx5day 月内连续5日降水量最大值 mm
PRCPTOT 年内日降水量≥ 1 mm的降水量之和 mm
GPRCP 年内5-8月（生长季节）降水量之和 mm
R75 年内日降水量高于标准时段日降水量序列第75百分位值的日数之和 d
R95 年内日降水量高于标准时段日降水量序列第95百分位值的日数之和 d
R95P 年内日降水量高于标准时段日降水量序列第95百分位值的降水量之和 mm
R99P 年内日降水量高于标准时段日降水量序列第99百分位值的降水量之和 mm
RR1 年内日降水量≥ 1 mm的日数 d
RR5 年内日降水量≥ 5 mm的日数 d
RR10 年内日降水量≥ 10 mm的日数 d
SDII 年内日降水量之和与日降水量≥ 1 mm的日数之比 mm/d
Fig. 1 Locations of the study region and meteorological stations

图1 研究区地形（a）及气象测站（b）分布

3 结果分析

3.1 新疆降水时间序列变化

通过Mann-Kendall非参检验,新疆地区年降水量在1986年前后发生突变（图2a）,与张生军等[14]研究结果相符。1986年以后,大于0.5 mm的日降水量呈上升趋势,比1986年前增多了25%。通过比较1986年突变前后五日滑动降水量及突变前后日降水量差值变化（图2b）,可以看出,新疆降水主要集中在5-9月,1986年以后日降水量较1986年以前更为丰沛;11月初到次年1月底,1986年突变以后的日降水量持续高于突变以前的日降水量。全疆月降水量（图3）分析表明,秋季月降水量并未表现出显著变化趋势,冬季月降水量呈显著上升趋势,新疆冬季降水量增加的特征与全国降水季节变化特征相一致[31]。
Fig. 2 Daily precipitation and 5-day moving average before and after change points

图2 1986年突变前后全疆日降水量（a）及五日滑动平均值（b）

Fig. 3 Trends of monthly precipitation in Xinjiang during1961-2010

图3 1961-2010年新疆月降水量年际变化趋势分布

3.2 极端降水指数变化趋势及空间分布

如图4,全疆42个测站连续无降水日数（CDD）呈下降趋势,其他8个测站CDD呈上升趋势,仅新疆东部七角井CDD上升趋势达95%显著水平,加大了干旱灾害发生风险。有33个气象测站连续降水日数（CWD）变化呈上升趋势,个别测站呈下降趋势（均未达95%显著水平）。无论从变化趋势还是呈相应趋势的测站数目及分布来看,Rx1day与Rx5day变化情况相似,78%测站Rx1day、Rx5day呈上升趋势。其中南疆的若羌、柯坪测站Rx1day与Rx5day上升趋势均通过置信度为95%的显著性检验,新疆北部、中部地区Rx1day上升幅度较大,而南部地区上升幅度较小。绝大部分测站PRCPTOT变化呈上升趋势,其中15个测站PRCPTOT上升趋势通过置信度为95%的显著性检验,最大上升幅度达每10年18 mm。全疆绝大部分测站作物生长期间的降水量GPRCP呈上升趋势,上升幅度最大达到每10年9 mm。北疆的吉木乃、哈巴河、托里、塔城、和布克赛尔、克拉玛依,南疆的库尔勒以及新疆东部地区吐鲁番、红柳河、七角井测站GPRCP变化呈下降趋势,仅七角井GPRCP下降趋势达95%显著水平。分别有18个测站的R75、17个测站的R95呈显著上升趋势。R75显著上升的测站主要位于新疆西北部以及北疆西部地区,R95呈显著上升趋势的测站主要位于天山以南的新疆中部地区,只有新疆东部地区七角井的R75和R95均呈显著下降趋势。R95P及R99P在全疆呈现相似变化趋势,但R95P的变化幅度大于R99P。88%左右的测站RR1、RR5、RR10呈上升趋势,个别测站RR1、RR5、RR10呈下降趋势,但均未达到95%显著水平。就下降趋势变化幅度看,RR1下降幅度最小,依次为RR1<RR10<RR5,就上升趋势变化幅度来看,RR1变化幅度最大,依次为RR1>RR5>RR10。伊犁河谷地带及新疆东部巴里坤RR5和RR10呈显著上升趋势。SDII反映全疆降水强度,66%测站SDII呈上升趋势,主要位于北疆北部、西北部地区以及新疆中部地区,呈显著上升趋势的测站为北疆的青河、乌鲁木齐,伊犁河谷地带的伊宁,南疆的轮台、若羌以及新疆东部的巴里坤。SDII呈下降趋势的测站主要位于北疆的吉木乃、福海、塔城、布克赛尔一带以及南疆克孜勒苏柯尔克孜自治州、阿克苏地区、喀什地区、和田地区的塔里木盆地边缘一带,其中,仅南疆库尔勒SDII显著下降。可以看出,新疆地区极端降水指数序列总体呈增加趋势,降水量呈显著上升趋势的测站大多分布在山区附近,与已有研究相符[16-18],且天山北麓、中段降水量随该地区内部水循环总量的增加以及水循环速率的提高呈明显上升趋势[32]。
Fig. 4 Trends of extreme precipitation indices time series with significance tests across Xinjiang

图4 极端降水指数趋势变化空间分布及显著性检验

注：饼状图彩色部分为呈上升趋势测站比重,蓝色部分为呈下降趋势测站比重;粗黑线包括的部分表示通过置信度为95%显著性检验的测站比重

3.3 极端降水指数序列变异分析

图5a-d分别为全疆、北疆、南疆、新疆东部地区极端降水指数趋势变化。极端降水指数的变化全疆与北疆、南疆相比具有很大相似性,上升与下降趋势交替出现。总体来看,全疆各极端降水指数在20世纪80年代中期以前以下降为显著变化特征（图5a）,而在80年代中期以后,则以上升为显著特征,这与前述新疆降水以1986年为突变点的结论相印证。相比北疆和南疆,全疆极端降水指数上升趋势更为明显。CDD变化则呈显著下降趋势,SDII呈上升趋势,无论从平均降水过程,还是从极端降水过程,全疆湿润化趋势明显。由图5e可看出,全疆极端降水指数序列变异年主要集中在1986年以及2008年左右,1986年是由下降到上升的突变,而2008年则是由上升与下降并存到以上升为主的突变。
如图5b,北疆在1986年左右以前,极端降水指数（除CDD）以下降趋势为主,上升趋势不明显,1986年以后,以上升趋势为主。2008年以后,各极端降水指数上升趋势最为明显。从图5f可以看出,北疆极端降水指数序列存在两个变异时段,一个是80年代中期,一个出现在2008年左右,其中以2008年左右的时间为主要变异时段,2008年以后,降水量已大幅上升。CWD和RR10在2009年发生变异的概率均为1,RR1和RR5指数2009年的变异概率分别为0.68和0.95,CDD、R75、R95指数2009年的变异概率则为0.23、0.23、0.4（图5f）。
由图5c可看出,南疆极端降水指数（除CDD）在80年代中期（1986年左右）以前主要表现为下降趋势,1986年至2008年左右,以上升趋势为主,但下降趋势也占相当比例,而在2008年左右至以后时段,南疆各极端降水指数以上升趋势为显著变化特征。CWD和RR10在2009年发生变异的概率均为1,R95和RR5指数2009年的变异概率分别为0.64和0.86（图5g）。
新疆东部地区极端降水指数变化与全疆、北疆及南疆相比,较为复杂（图5d）,既有相似性,也有差异性。各降水指数在1986年左右以前的时段,以下降趋势为主,但上升趋势相比北疆与南疆各极端降水指数变化要明显,而1986年左右以后,以上升趋势为主,但各极端降水指数呈下降趋势的比重较北疆与南疆要大得多。2008年以后,新疆东部地区各极端降水指数的上升与下降组分近似相等,表明新疆东部地区各极端降水指数变化较南疆与北疆平均要温和得多。从变异时间来看（图5h）,各极端降水指数变异年的分布较为单一,变异最为明显的年份同样是在2009年,CWD、RR5、RR10、R95指数在2009年的变异概率为1,RR1和R75指数2009年的变异概率分别为0.83和0.33。
Fig. 5 Temporal trends and alteration of extreme precipitation indices over the entire Xinjiang (a, e), the northern Xinjiang (b, f), the southern Xinjiang (c, g) and the east part of Xinjiang (d, h) during 1961-2010

图5 极端气候指数时间序列趋势变化（左）及变异分析（右）

注：左侧蓝色方向为下降趋势,红色方向为上升趋势,右侧最右列为无变异年概率;a、e-全疆,b、f-北疆,c、g-南疆,d、h-新疆东部

图6为新疆降水序列1986年突变前后极端降水指数的变化情况。从图中可以看出,全疆50个气象测站各极端降水指数序列在突变前后以及整体时间段10年尺度上。1961-2010年段CDD序列中位数小于0,趋势系数为负,表现为下降趋势;1987-2010年段与1961-1986年段相比,趋势系数最大值与最小值均有小幅提升,且变化幅度增大。另外,RR1、RR5、CWD、RR10以及SDII等表征极弱降水过程或湿润化的指数变化趋势并不明显,变化幅度相对稳定。R75、R95、Rx1day、Rx5day等表示中等及较强降水过程的指数,在均值变化上,并没有显著增加或减少的趋势,但变化幅度有所增加;而PRCPTOT、R95P、R99P以及GPRCP等表征强降水过程的因子,在均值变化上有所降低,但是变化幅度却显著增大,从而使整个强降水过程变得不稳定,显著增加洪旱灾害风险。
Fig. 6 Statistical properties of extreme precipitation indices over Xinjiang

图6 新疆极端降水指数年际变化趋势系数分布

注：箱型内部“〇”为序列均值,短黑线为中位数,顶端为序列下四分位值,底端为序列上四分位值;箱须顶端为序列最大值,箱须底端为序列最小值

4 结论与讨论

（1）新疆地区年降水量在1986年前后发生气候突变,秋季月降水量未表现出显著变化趋势,冬季月降水量呈显著上升趋势,全疆降水量、降水频率、降水强度均呈上升趋势,且呈显著变化的测站当中,南疆测站居多,南疆降水量显著变化的趋势较北疆更为明显。
（2）极端降水指数序列的年代际变化反映20世纪60-70年代降水减少,年际变化振幅较小,平均值较低,稳定性较好,80-90年代降水量逐渐回升,降水年际差异急剧增大,降水量时多时少,稳定性差。新疆东部地区各极端降水指数序列上升趋势与下降趋势小幅交替出现,变化温和,而北疆、南疆以及全疆范围内各极端降水指数的变化趋势则较为明显且单一,均呈显著上升趋势。
（3）对新疆降水长期序列进行变异点分析发现,各极端降水指数的最大概率变异年集中出现在1986年以及2009年。针对新疆20世纪80年代的气候突变,已有研究做过较多研究判断,但2009年是否会成为新疆极端降水事件发生变异的新的拐点,而新疆是否也自此正式进入暖湿时期还需要不断地更新气象资料以便作进一步分析与判断。
（4）新疆降水变异的主要特点在于弱降水过程变化不明显,而强降水过程变化幅度较大,降水过程不稳定,从而极大地增加洪旱灾害发生风险,对新疆农业生产、区域水资源管理提出了新的挑战和更高的要求。

The authors have declared that no competing interests exist.

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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