ABSTRACT

Under the background of global warming, extreme climate events are proved to occur more frequently than before in most regions of China. Shule River basin, located in the Northwest of China, is one of the important parts of inland river basins in Hexi corridor. Studying the characteristics of extreme precipitation in Shule River basin is significant for better understanding the local eco-hydrological processes and its response to climate change. Based on the daily precipitation data from 1960 to 2012 at four meteorological stations, the trends, change points and period features of the annual total precipitation (ATP) and the annual maximum precipitation for one day (AMP) over Shule River basin are investigated by means of Mann-Kendall test, Pettitt test, Climate trend rate, the five-year moving average method and Morlet wavelet analysis. In addition, the occurrence number of extreme precipitation over the study area is also discussed in this paper. Results show that, the increasing trends are found for the ATP and AMP series at Yumenzhen station, Anxi station and Dunhuang station with the climate trend rates of 3.0 - 5.3 mm/10a and 0.7 - 1.0 mm/10a. No significant change points are found for the ATP and AMP series with Pettitt test. Based on the wavelet analysis, the ATP series are found to have a long period of 11 - 13 years, a middle period of 6 - 7 years and a short period of 2 - 4 years, in which the short period shows more outstanding. The AMP series have a long period of 17 - 18 years, a middle period of 6 - 10 years, and a short period of 2 - 4 years, with more significant long and middle periods. The occurrence numbers of extreme precipitation at three stations (Yumenzhen, Anxi and Dunhuang stations) are found to have an increasing tendency after the year of 2000.

Keywords:Extreme Precipitation, Trend, Change Point, Period Feature, Frequency

疏勒河流域极端降水特征分析

王月华，李占玲^*，赵韦

中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京

收稿日期：2015年11月10日；录用日期：2015年11月30日；发布日期：2015年12月10日

摘 要

疏勒河流域是我国河西走廊内陆河流域的重要组成部分。在全球气候变暖背景下，研究其极端降水特征变化对于了解西北内陆河流域生态水文过程以及对气候变化的响应均具有重要意义。本文以疏勒河流域4个气象站点1960~2012年逐日降水资料为基础，采用Mann-Kendall检验、Pettitt方法、气候倾向率、滑动平均和小波分析等方法，对研究区年降水总量、最大一天降水量的趋势变化、变点特征和周期特征进行分析，并对极端降水发生频次进行讨论。结果表明，近50多年来研究区玉门镇站、安西站和敦煌站年降水总量和最大一天降水量均呈波动上升趋势，上升幅度分别为3.0~5.3 mm/10a和0.7~1.0 mm/10a。各站点年降水总量序列基本存在11~13年长周期、6~7年中周期和2~4年短周期，短周期较为显著；最大一天降水量序列存在17~18年长周期、6~10年中周期和3~4年短周期，中周期和长周期较为显著。除马鬃山站以外，玉门镇站、安西站和敦煌站2000年以后极端降水发生频次明显增加，这与年降水总量和最大一天降水量变化趋势较为一致。

关键词 :极端降水，趋势，变点，周期，频次

1. 引言

全球变暖问题一直以来受到人们的广泛关注。IPCC第五次评估报告明确指出：气候变暖已对生态系统和人类社会产生了不利影响，而且未来气候变暖将持续。在气候变暖背景下，国内外学者对极端降水事件进行了大量研究[1] [2] 。国内学者对我国极端降水事件的研究表明，我国极端降水事件在不同地区表现出明显的差异性，华北地区极端降水量主要集中在东南部，整体呈现下降趋势，并且表现出显著的季节性[3] ；西南地区极端降水强度和频次总体呈现增强、增多趋势，空间差异明显，其地形的复杂性是影响极端降水事件出现显著性差异的主要原因[4] ；长江流域极端降水量对年降水总量的贡献很大，极端降水指标呈现源区向沿海地区增多的空间分布特征[5] ；黄河流域极端降水量和极端降水强度呈现不断下降趋势，空间分布呈现由北至南阶梯状逐渐增多趋势[6] 。

疏勒河流域是河西走廊内陆河流域的重要组成部分，具有独特的地貌类型，即山前绿洲带和中下游地区的荒漠带，其水资源的主要来源是山区冰雪融水和大气降水。研究表明[7] -[9] ，疏勒河流域降水量少，降水的时空分布极不均匀，表现为从东南向西北递减的特征，且降水大部分集中于祁连山区，中下游降水量一致偏少。近年来，受全球气候变暖的影响，极端降水事件频发，由此导致该地区生态环境恶化，水资源分配愈发不均。本文以疏勒河流域逐日降水资料为基础，应用Mann-Kendall趋势检验、Pettitt变点检验、气候倾向率、滑动平均和小波分析等方法，对研究区极端降水事件的变化特征进行分析，为当地合理开发利用和保护水资源提供依据。

2. 研究区概况和数据

疏勒河流域位于甘肃省河西走廊，是我国三大内陆河之一。疏勒河发源于祁连山，西北流经肃北县的高山草地，穿大雪山—托来南山间峡谷，过昌马盆地。出昌马峡以前为上游，出昌马峡至走廊平地为中游，向北分流于大坝冲积扇面，流域面积为4.13 ´ 10⁴ km²，海拔1100~2010 m，年降水量40~63 mm。气候属大陆荒漠干旱型气候，四季分明，日照长，降水少，蒸发强[9] 。本文根据研究区内4个气象站点1960~2012年日降水资料对疏勒河流域极端降水特征进行分析。各站点基本信息如图1和表1所示。降水资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)。

3. 研究方法

本文选取最大一天降水量和极端降水频次描述研究区极端降水事件。最大一天降水量取每年最大的一日降水量值；极端降水频次为超过极端降水阈值的天数，其中，极端降水阈值的定义为逐年日降水量³0.1 mm的样本资料按照升序排列的第95个百分位值[10] 。

Mann-Kendall (简称M-K)趋势检验是一种广泛应用于气温、降水、径流等气象水文变量的非参数统计检验方法，其优势是不需要样本遵从某一特定分布。M-K检验方法能很好地揭示时间序列的趋势变化[11] 。气候倾向率用一元一次直线方程或一元二次曲线方程就能满足。这里用一元一次直线方程来定量描述，即y(t) = a₀ + a₁t，则趋势变化率方程为a₁ = dy(t)/dt，把a₁ × 10称作气候倾向率，其单位为mm/10a，方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式来确定[12] 。滑动平均可以在一定程度上消除序列频繁随机起伏的影响，用平均值显示时间序列的变化趋势，使水文变化的趋势性更直观[13] 。Pettitt方法可以用来检测一个序列的变点，计算较简便，可以明确变化的时间，能够较好地识别序列的突变点[14] 。小波分析采用正交、复正交变换对连续的时间序列进行分析。本文选用Morlet小波作为母小波。小波系数实部的变化趋势与信号起伏一致，等值线中心表示时间序列的周期特征。小波方差用来确定时间序列中各种尺度扰动的相对强度，峰值表示该序列的主周期[15] 。

4. 结果分析与讨论

4.1. 趋势分析

图2显示了采用Mann-Kendall检验方法对研究区最大一天降水量和年降水总量进行趋势检验的结果。由图

图1. 疏勒河流域气象站点分布图

表1. 疏勒河流域气象站点基本信息

图2. 疏勒河流域降水序列趋势性检验

可知，除安西站年降水总量序列的统计量值超过0.05显著性水平下的临界值外，其余站点对应的两个降水序列的统计量值均小于临界值，即不存在显著的趋势性。

图3表示4个站点降水量序列的变化趋势。表2给出了各站点降水量序列的变化倾向率。根据图3(a)和表2，马鬃山站年降水总量倾向率为−4.1 mm/10a，根据5年滑动平均曲线，马鬃山站整体呈现波动下降趋势，80年代初期到中期下降趋势显著，90年代以后降幅明显减缓，在2007年以后有微弱增加趋势。玉门镇站和安西站年降水总量倾向率分别为4.6 mm/10a和5.3 mm/10a，整体表现为波动上升趋势，两个站点降水量序列均表现为60年代至80年代初期的显著上升趋势，以及80年代以后的微弱上升趋势。敦煌站年降水总量倾向率为3.0 mm/10a，整体呈现波动上升趋势，70年代和80年代上升趋势显著。

从图3(b)和表2可以看出，马鬃山站最大一天降水量倾向率为−0.2 mm/10a，呈现波动下降趋势，趋势不显著，2008年以后最大一天降水量有增加趋势。玉门镇站最大一天降水量倾向率为1.0 mm/10a，整体呈现微弱的上升趋势，在90年代至2005年左右略有下降。安西站和敦煌站最大一天降水量倾向率分别为0.9 mm/10a和0.7 mm/10a，呈现波动上升趋势，趋势显著，尤其在2000年以后降水量曲线上下起伏波动更加明显，表明2000年以后疏勒河流域中下游极端降水量序列表现更极端。

4.2. 变点分析

图4表示采用Pettitt方法对降水序列进行变点检验的结果。从图4可以看出，4个站点年降水总量序列和最大一天降水量序列的统计量值均未超过0.05显著性水平下的临界值，即研究区4个站点的降水量序列均不存在显著的变点。

图3. 疏勒河流域年降水总量(a)和最大一天降水量(b)变化趋势

4.3. 周期分析

利用Morlet小波分析疏勒河流域年降水总量序列和最大一天降水量序列的周期震荡特征，同时分析了不同时间序列的小波方差，以便更有效的识别不同时间序列的主周期。图5以马鬃山站为例，显示了在不同时间尺度上的小波分析结果。其中，横坐标表示年份，纵坐标表示变化周期。实线等值线表示降水量增加，虚线等值线表示降水量减少。图6显示马鬃山站降水量序列的小波方差。

根据图5(a)，马鬃山站年降水总量存在12~13年长周期，6~7年中周期和3~4年短周期。在12年左右的时间尺度上，年降水总量经历了“多–少–多–少–多–少–多”的交替演变，降水量增加的震荡中心分别在60年代初期、70年代末期、90年代初期和2010年左右，降水量减少的震荡中心分别在70年代初期、80年代中期和2000年初期。6年左右的周期主要出现在60年代中期到70年代中期，以及2000年以后。在1960~2012年之间，3~4年的短周期震荡普遍存在，年降水总量增多期和减少期交替出现。3个时间尺度的周期在2010年左右的曲线仍处于降水量增加期，表明未来一段时间内，年降水总量将呈现增加趋势。从图6(a)可以看出，马鬃山站年降水总量的小波方差存在3个峰值，分别对应12年、7年和4年的周期。

根据图5(b)，马鬃山站最大一天降水量存在3个较为明显的周期，分别为17年、5~8年和3年。17年左右的周期震荡主要出现在70年代周期以后，经历了“少–多–少–多”4个循环演变阶段。5~8年的周期震荡在整个时间序列普遍存在，并且降水量增加期和减少期交替频繁，2010年出现的降水增加期曲线尚未闭合，可以推测最大一天降水量的增加趋势未来还在持续。90年代以后，3年左右的周期震荡较为显著。根据图6(b)，马鬃山站最大一天降水量的小波方差出现3个峰值，分别对应17年、6年和3年，其中7年和3年的周期较为突出。

图4. 疏勒河流域降水序列变点特征检验

表2. 疏勒河流域年降水总量和最大一天降水量倾向率和周期特征

图5. 马鬃山站年降水总量(a)和最大一天降水量(b)的小波系数图

图6. 马鬃山站年降水总量(a)和最大一天降水量(b)的小波方差图

研究区4个站点年降水总量序列和最大一天降水量序列的周期分析结果(小波系数和小波方差)列于表2。从表2可以看出，4个站点的年降水总量序列主要存在3个主周期，分别为11~12年的长周期、6~7中周期和2~4年短周期。马鬃山站和敦煌站均存在3个时间尺度的周期震荡，玉门镇站和安西站均存在短周期和长周期，不存在中周期。根据小波方差，4个站点的年降水总量序列的短周期最为突出。对于最大一天降水量序列，马鬃山站、玉门镇站和安西站均存在17~18年和3~4年时间尺度的周期震荡，玉门镇站不存在中周期，敦煌站不存在短周期和长周期。最大一天降水量序列通过小波方差分析得到的主要周期特征与小波系数的结果基本相同。这与李红英[16] 等研究结果一致。

已有研究表明，西北干旱区的水文气象序列的变化周期主要受海–气相互作用和太阳黑子活动周期的影响[17] [18] ，其中，3~5年的短周期主要受物理因子海–气相互作用影响，11年左右的长周期主要受太阳黑子周期的影响[19] 。因此，疏勒河流域降水量序列的周期特征可能与海–气相互作用和太阳黑子活动周期有一定联系，但其影响机理需进一步研究。

4.4. 频次分析

极端降水频次分析结果列于表3。可以看出，马鬃山站超阈值极端降水发生频次70年代最多，80年代以后

表3. 疏勒河流域不同年代极端降水发生频次

明显减少；玉门镇站70年代、80年代发生频次较多，90年代明显减少，2000年以后有显著增加趋势；安西站与玉门镇站类似，80年代至2000年以后呈现明显“减少–增加”趋势；敦煌站80年代发生频次减少，随后呈现显著增加趋势，2000以后最多。因此，除马鬃山站外，其余3个站点2000年以后发生频次均明显增加。结果与贾文雄[20] 等研究结果较为一致。疏勒河流域位于西北干旱区西部，降水主要来自北冰洋和西风气流中的水汽，受大气环流因子的影响明显。近年来，气候变暖导致西北地区上空环流活动持续增强，研究区降水量增多，极端降水事件的发生也相对增多。这也是导致极端降水发生频次呈现增加趋势的原因之一。

5. 结论

1) 对于年降水总量序列，马鬃山站整体呈现波动下降趋势，倾向率为−4.1 mm/10a，其余三个站点呈现波动上升趋势，倾向率为3.0~5.3 mm/10a，各站点在70~80年代上升趋势显著，80年代以后表现为微弱上升趋势，表明研究区年降水总量在近年来有增强趋势；对于最大一天降水量序列，马鬃山站倾向率为−0.2 mm/10a，下降趋势不明显，其余三个站点呈现波动上升趋势，倾向率为0.7~1.0 mm/10a，2000年以后中下游最大一天降水量表现更极端。无论是年降水总量还是最大一天降水量序列均不存在显著突变。

2) 马鬃山站和敦煌站的年降水总量序列主要存在2~4年短周期、6~7年中周期和11~13年长周期。马鬃山站、玉门镇站和安西站最大一天降水量序列均存在3~4年的短周期和17~18年的长周期。4个站点年降水总量序列短周期较为突出，最大一天降水量序列长周期较为突出。降水量序列的周期特征受海-气相互作用和太阳黑子活动周期的影响。

3) 研究区各站点整体呈现70年代极端降水发生频次较多，90年代发生频次较少的特点；除马鬃山站外，其余站点2000年以后极端降水发生频次明显增加，这与年降水总量、最大一天降水量变化趋势一致。气候变暖可能是导致疏勒河流域年降水总量、极端降水量和极端降水发生频次呈现增加趋势的原因之一。

基金项目

北京高等学校青年英才计划项目(YETP0654)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(35832015028)。

文章引用

王月华,李占玲,赵 韦. 疏勒河流域极端降水特征分析
Characteristics of Extreme Precipitation in Shule River Basin[J]. 水资源研究, 2015, 04(06): 537-545. http://dx.doi.org/10.12677/JWRR.2015.46067

参考文献 (References)