王 蒙，殷淑燕

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安710062)

近62年来汉中市极端降水变化研究

王 蒙，殷淑燕

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安710062)

【目的】 对汉中市极端降水事件的变化趋势进行研究，为汉中地区防洪减灾和水资源调控决策提供参考依据。【方法】 利用1951-2012年的汉中市逐日降水资料，采用百分位阈值划分极端降水事件，并通过滑动平均、Mann-Kendall检验、趋势分析等方法，对汉中市极端降水事件的变化趋势进行研究。【结果】 近62年来，汉中市年极端降水量、年极端降水日数及年极端降水强度以年代际尺度波动变化，但总体略呈下降趋势，且年极端降水量的下降速率为-0.5 mm/年。但在1987年之后，各项极端降水指标均呈明显增加趋势，年极端降水量和年极端降水日数呈显著的线性增加趋势，年极端降水量增加速率达7.52 mm/年。2006-2008年，汉中市年最大日降水量、年极端降水量、年极端降水强度呈显著增多增强趋势。【结论】 进入21世纪后，汉中市极端降水事件引发的自然灾害呈增加趋势，应加强调控及防治能力，预防洪涝灾害的发生。

降水量；极端降水；变化趋势；Mann-Kendall检验；汉中市

近年来，在全球变暖的气候背景下，极端气候事件的发生频率和强度也出现了变化。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出，极端气候事件的频率和强度有可能随气温的升高而增强[1-2]。极端气候事件对社会稳定、经济发展和人类生产生活造成严重影响[3-4]，因此，作为极端事件之一的极端降水事件成为许多专家学者的研究对象。陈海山等[1]研究了极端降水事件变化特征的季节性差异，表明多年平均极端降水事件的空间分布具有明显的纬向分布特征，并表现出显著的季节性差异。翟盘茂等[5]研究表明，最近50多年，我国降水强度普遍趋于增强，降水日数除西北地区外其他大部分地区显著减小。崔方等[2]研究表明，近50年我国强降水年指数总体呈上升趋势。邹用昌等[6]认为，长江中下游、西北地区北部和西南地区西部年极端降水过程频数呈现趋势性增加，而我国华北等地区呈现趋势性减少。

极端降水事件的发生频率和强度会严重影响自然环境与人类社会经济的发展，直接威胁人类赖以生存的生态环境，故已引起社会各界的广泛关注。因此，对极端降水变化的深入调查研究，不仅有助于理解气候变化的规律及探讨气候变化的必要性，而且还可以提高灾害性天气事件预测的准确性，为国家防灾减灾提供科学依据[7]。

汉中是汉江上游的主要供水源区，是这一区域环境的代表之一，研究汉中地区的极端降水变化特征可以为南水北调工程的水资源调控提供一定的科学依据。目前，前人关于汉中降水特征的研究主要集中在暴雨、大暴雨的过程分析方面[8-9]，以及旱涝灾害特征分析[10]等方面，而对于汉中市极端降水的研究并不多见。为此，本研究采用滑动平均、Mann-Kendall检验、趋势分析等分析方法，对汉中市极端降水事件的变化趋势进行研究，以期为汉中地区的防洪减灾和水资源调控提供参考依据。

1 研究区概况

汉中市位于汉江上游，处于暖温带与亚热带的过渡区域，是气候变化敏感区。地形上，汉中南北两侧为巴山和秦岭，中部为盆地。特殊的气候与地形条件，导致历史时期以来这里洪涝及次生地质灾害频繁，对当地经济发展和人民生活生产安全产生了巨大影响。由于受季风气候的控制，汉中市降水的年内分配很不均匀，降水量主要集中在5-10月份，尤以6-9月最丰，且5-10月径流量占全年径流量的75%左右，为长江各大支流中变化最大的一个。由于汉江河槽泄洪能力与洪水来量严重不平衡，且米仓山、大巴山为秦岭南部的著名暴雨中心区，坡陡流急，暴雨洪水集流汇合迅速，因此历史上暴雨、洪涝、旱灾及次生地质灾害频发[10]。由古至今，由极端降雨引发的重大自然灾害屡见不鲜，据《陕西通志》记载，公元前185年“吕后三年夏，汉中大水，水出流四千余家”；《汉书》卷27《五行志》记载，公元前180年“夏，汉中、南郡水复出，流六千余家”；1998年的07-05-07-10和08-20-08-21，汉中市先后出现的2次区域性暴雨，均造成山洪暴发、河水猛涨，大量农田和部分村镇、街道被淹，造成直接经济损失6.01亿元[11]。此外，汉江上游还是南水北调中线水源区，受全球气候变化影响，其降水量和水资源量的减少将会危及供水安全，因而倍受关注[12-13]。

2 资料来源与研究方法

2.1 气象资料来源

气象资料来源于中国气象局国家气象信息中心数据应用服务室，主要为汉中气象观测站1951-2012年的逐日降水资料。

2.2 研究方法

2.2.1 百分位阈值法 我国气象部门规定，日降水量超过50 mm的降水事件称为暴雨，日降水量超过25 mm的降水事件称为大雨。事实上，由于地区不同，降水极值存在区域差异性，因此，极端降水事件也不能用固定的日降水量简单定义。本研究采用国际通用的百分位阈值法对汉中地区的日降水量进行处理，定义极端降水事件的阈值，并对极端降水事件进行检验。百分位阈值法是采用某个百分位值作为极端值的阈值，超过这个阈值的值就被认为是极值，并称为极端事件[14]。

参照文献[1,15-17]，若某气象要素有n个值，按升序将这些气象要素值进行排列，即x1，x2，x3，…，xm，…xn，某个值小于或等于xm的概率为P=(m-0.31)/(n+0.38)，其中m为xm的序号，n为某气象要素值的个数。第95个百分位值指的是P=95%所对应的xm值。本研究运用SPSS对汉中市1951-2012年的逐日降水量按照从小到大排序，取第95个百分位所对应的值即50.21 mm，将该值定义为汉中市极端降水事件的阈值。

2.2.2 极端降水指数定义 根据确定的极端降水阈值，从世界气象组织(WMO)气象学委员会(CCL)及气候变率和可预报性研究计划(CLIVAR)推荐的50种目前国际通用的极端气候指数中，选取4种极端降水指数来分析汉中市极端降水的变化趋势[18-21]。所选取的4个极端降水指数的定义如表1所示。

2.2.3 Mann-Kendall检验 Mann-Kendall(M-K)检验法[12，22-26]是世界气象组织(WMO)推荐的一种非参数趋势检验法，该方法的优点在于检测样本不必遵从一定的分布，且不受少数异常值的干扰。目前M-K检验法是国际上检测气候突变的一种常用方法，它不仅可以用于检测序列的变化趋势，也可以用于检测气候的突变，其检验方法可用下式表示：

(1)

(2)

式中：Zc为根据样本计算出的方差值；V(s)=[n(n-1)(2n+5)-∑t(t-1)(2t+5)]/18，其中n代表数据系列的长度，t为“结”的宽度；xk和xi为样本数据值，当xk-xi大于、等于和小于0时，sgn(xk-xi)相应地分别等于1，0和-1。

衡量趋势大小的指标β可表示为：

(3)

式中：xj为第j个样本数据值；i、j分别表示第i个和第j个样本。

当β值为正时表示序列处于上升趋势，即变量随时间增加而增大；当β值为负时，表示序列处于下降趋势，即变量随时间的延长而减小。

M-K的检验过程为：如果在β=0的前提下，存在-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2(其中±Z1-α/2为标准正太方差，α为显著性水平)，则原假设即被接受，否则拒绝原假设。

在M-K突变检验过程中会出现2条曲线，即UF曲线和UB曲线。UF曲线是按照时间顺序排列的统计量，UB曲线是按时间逆序排列的统计量，如果UF曲线和UB曲线在1.96与-1.96之间出现交点，且UF值达到显著性水平临界值，那么2条曲线的交点所对应的时间就是突变开始的时间。

3 结果与分析

3.1 年最大日降水量

从近62年汉中市年最大日降水量的变化(图1-a)来看，自1951年至今，汉中市年最大日降水量总体变化不大，略有下降趋势，平均为69.7 mm。其中最大值出现在2008年(118.7 mm)，最小值出现在1960年(33.9 mm)。20世纪50年代滑动平均值都为正距平；60年代滑动平均值基本为负距平，1960年达到最低点；70年代初期到80年代中期又升到平均线以上，80年代末期开始到21世纪初5年又下降到平均线以下，自2006年又开始增加，到2008年达到1951年以来的最高值，呈现出明显的“高-低-高-低-高”年际波动变化趋势。最近一次波谷出现在80年代末期开始到21世纪初5年，之后明显上升，进入新一轮波峰期。以x表示年份，y表示年最大日降水量，对汉中市1951-2012年年最大日降水量的变化趋势进行拟合，结果为y=-0.053 1x+174.9。图1-b为62年间汉中市年最大日降水量的M-K突变检验结果,从近62年来的时间尺度来看，UF曲线和UB曲线共有5个交点，分别出现在1957-1959年、2011-2012年，前者为下降转折，后者为上升转折，但都尚未达到显著变化水平。

总体来看，1951-2012年汉中市年最大日降水量的线性变化不大，但在2006年以后，汉中市年最大日降水量随时间的变化有明显的增多趋势，这是从20世纪80年代末到21世纪初5年低谷期的基础上开始增多的，且这段时期距离现在比较近，对近期的降水事件影响比较大，因此为了更好地分析这一时期汉中市降水量的变化情况，从1987年开始重新进行降水量的变化趋势分析及M-K突变检验，结果见图2。

图1 1951-2012年汉中市年最大日降水量随时间的变化及其突变检验
Fig.1 Changes of daily maximum precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

图2 1987-2012年汉中市年最大日降水量随时间的变化及其突变检验
Fig.2 Changes of daily maximum precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

从图2-a可以看到，1987-2012年汉中市年最大日降水量总体呈增加趋势(R2=0.110 1，相关系数尚未达到显著水平)，增加速率为0.95 mm/年。其中在1987-1991年有下降趋势，于1991年下降到最低点，后又开始表现出波动性上升趋势，到2008年达到1987年以来的最高值。以x表示年份，y表示年最大日降水量，对汉中市1987-2012年年最大日降水量的变化趋势进行似合，结果为：y=0.945 5x-1 823.5。对汉中市1987-2012年年最大日降水量进行的M-K突变检验(图2-b)表明，UF与UB曲线有3个交点，均发生在2007-2009年，且UF曲线在2009年之后达到了显著性水平的临界值，说明从近26年的时间尺度来看，汉中市年最大日降水量在2007-2009年间发生了显著增多突变。

3.2 年极端降水量

由图3-a可以看出，近62年来，汉中市年极端降水量总体上略有减少趋势，平均降低速率为-0.5 mm/年。以x表示年份，y表示年极端降水量，对汉中市1951-2012年年极端降水量随时间的变化趋势进行拟合，结果为：y=-0.500 8x+1 132.6。从5年滑动平均曲线来看，20世纪50年代至60年代中期基本处于正距平；60年代中期至70年代中后期基本处于负距平；70年代中后期至80年代中后期又升高至平均值以上，其中1983年达到最高值499.6 mm，较多年平均值增加了359.3 mm；80年代中后期至21世纪初7年为明显的波谷期，之后年极端降水量上升，进入新一轮波峰期，呈现明显年代际波动变化。

从图3-b的UF曲线可以看出，1951-1965年汉中市年极端降水量波动性较大，UF和UB曲线在1954-1957年出现多个交点，反复出现上升和下降变化；2011年UF和UB曲线再次出现交点，说明年极端降水量出现了明显的增多转折。

对1987-2012年近26年来汉中市年极端降水量的变化趋势进行分析，并进行M-K突变检验，结果见图4。

图3 1951-2012年汉中市年极端降水量随时间的变化及其突变检验
Fig.3 Changes of annual extreme precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

图4 1987-2012年汉中市年极端降水量随时间的变化及其突变检验
Fig.4 Changes of annual extreme precipitation and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

对图4-a的线性趋势分析可知，汉中市年极端降水量自1987年以来随时间的变化有显著增加，增加速率为7.52 mm/年。以x表示年份，y表示年极端降水量，对汉中市1987-2012年年极端降水量随时间的变化趋势进行拟合，结果为：y=7.523 5x-14 933，R2=0.272 9，相关系数超过了显著性水平。由图4-bUF曲线的变化来看，汉中市年极端降水量的增加始于1991年，到2008年与UB曲线相交，2011年超过了显著性水平0.05的临界线，即汉中市1987年后的年极端降水量从1991年开始增多，于2008年出现了高值突变，至2011年高值达到显著水平。

3.3 年极端降水日数

从图5-a的线性趋势可知，汉中市年极端降水日数自1951年以来总体线性变化不大，但略有下降趋势。以x表示年份，y表示年极端降水日数，对汉中市1951-2012年年极端降水日数随时间的变化趋势进行拟合，结果为：y=-0.004 8x+11.479。通过图5-a的5年滑动平均来看，汉中市年极端降水日数在20世纪50年代至60年代中期基本为正距平，60年代中期到70年代中后期基本为负距平，70年代末至80年代中期回升到均值以上，1983年上升到最高点(7 d)，80年代中期到21世纪初7年又下降到均值以下，为典型的波谷期，自2006年开始汉中市年极端降水日数再次上升，到2009年超过均值线，2011年再次达到最高点(7 d)。

从图5-b的UF曲线来看，1951-1971年汉中市年极端降水日数呈减少趋势，1971-1984年表现为上升趋势，1984-2006年呈明显的减少趋势，1992年之后这种减少趋势超过了显著性水平0.05的临界线，2007年再次上升。UF和UB曲线在显著性水平0.05临界线之间没有交点，这说明汉中市年极端降水日数在此期间的变化未达到突变程度。

1987-2012年汉中市年极端降水日数的变化趋势及突变检验结果见图6。由图6-a可以看出，汉中市年极端降水日数在1987-2012年呈现显著增加趋势，增加速率为0.1 d/年。以x表示年份，y表示年极端降水日数，对汉中市1987-2012年年极端降水日数随时间的变化趋势进行拟合，结果为：y=0.101 5x-201.37。从图6-a中的3年滑动平均来看，汉中市年极端降水日数自20世纪80年代末期到21世纪初7年都处于均值以下，2007年开始增加，且在2008年超过均值线，到2011年增加到最高点。对1987年以来年极端降水日数进行的M-K检验结果(图6-b)表明，1987-1997年UF值逐渐减小，年极端降水日数呈减少趋势，且在1991年达到显著性水平；1997-2012年UF值逐渐增大，年极端降水日数呈增加趋势，UF曲线与UB曲线在2010年出现交点，年极端降水日数出现明显增多转折，但在研究时间尺度内尚未与0.05显著性水平线出现交点，因此还不能判定其变化是否达到突变程度。

图5 1951-2012年汉中市年极端降水日数随时间的变化及其突变检验
Fig.5 Changes of annual extreme precipitation days and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

图6 1987-2012年汉中市年极端降水日数随时间的变化及其突变检验
Fig.6 Changes of annual extreme precipitation days and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

3.4 年极端降水强度

对汉中市1951-2012年年极端降水强度随时间的变化过程及其M-K突变检验分析结果见图7。由图7-a可知，1951-2012年汉中市年极端降水强度总体变化不大，线性趋势线几乎与均值线相持平，仅有极微弱的减弱趋势，下降速率为-0.05 mm/年。对年极端降水强度随时间的变化趋势进行拟合，结果为：y=-0.054 1x+162.23，其中x表示年份，y表示年极端降水强度。从5年滑动平均可以看出，汉中市年极端降水强度在1951-1959年基本为正距平，1960-1970年为负距平，1971-1984年为正距平， 1985-2005年又下降到均值以下，自2006年开始汉中市年极端降水强度明显增加，到2008年超过均值线。

从图7-b的M-K检验结果来看，UF和UB曲线在1953-1957年于显著性水平0.05临界值之间有3个交点，说明该时期年极端降水强度波动性较大;1988-1995年UF值减小，且达到了显著性水平0.05临界线，年极端降水强度减少趋势显著；1995-2007年UF值在显著性水平临界线附近波动，2007年以后UF值又呈增加趋势。

图7 1951-2012年汉中市年极端降水强度随时间的变化及其突变检验
Fig.7 Changes of annual extreme precipitation intensity and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1951 to 2012

对1987-2012年近26年来汉中市年极端降水强度的变化趋势进行分析，并进行M-K突变检验，结果见图8。

图8 1987-2012年汉中市年极端降水强度随时间的变化及其突变检验
Fig.8 Changes of annual extreme precipitation intensity and the Mann-Kendall test in Hanzhong from 1987 to 2012

图8-a表明，汉中市年极端降水强度自1987年以来呈波动上升趋势，上升速率为0.58 mm/d。以x表示年份，y表示年极端降水强度，对汉中市1987-2012年年极端降水强度随时间的变化趋势进行拟合，结果为：y=0.583 5x-1 112.7，R2=0.030 6，相关系数未超过显著性水平。从图8-b的UF曲线可以看出，1987-1992年汉中市年极端降水强度呈明显下降趋势，1993年以后又呈上升趋势，2006，2008和2011年UF与UB曲线多次出现交点，表明这段时间内极端降水强度的波动性较大，反复出现上升、下降变化，但总体上仍呈上升趋势，并在2012年达到显著性水平0.05临界值。

4 结论与讨论

本研究采用M-K非参数检验方法对汉中市1951-2012年逐日降水量的4个极端降水指数进行了趋势分析和突变检验，结果表明：1951-2012年的62年间，汉中市年最大日降水量、年极端降水量、年极端降水日数、年极端降水强度的变化情况基本一致，总体变化不大，但有微弱的减小趋势，因此1951-2012 年汉中市极端降水呈微小减少趋势，这与蔡新玲等[27]关于陕西地区降水量呈下降趋势的研究结果大体一致，也与杨金虎等[28]中国西北东部地区极端降水事件呈减少趋势的研究结果大体相同，只是在汉中市这种减少趋势十分微弱，各项极端降水指数的线性趋势线几乎与均值线相持平。如果时间尺度进一步加大，可能会发现这种减少趋势并不存在，而年际波动现象更为明显，呈现明显的“高-低-高-低-高”年际波动变化。本研究还表明，汉中市各项极端降水指标在20世纪50年代基本为正距平；60年代至70年代初为负距平；70年代初期到80年代中期又升高到平均线以上；在20世纪80年代中期至21世纪初，各项极端降水指标均处于波谷期，极端降水明显减少。但在2006-2008年前后至今，汉中市的年极端降水日数、年极端降水量、年极端降水强度均明显或显著上升，进入了新一轮的极端降水波峰期。

短期内极端降水的迅速增加容易引发洪水、泥石流、城市内涝等自然灾害，严重的暴雨洪水可能会造成大面积的农田作物淹毁，致使农作物减产甚至绝收。近年来，汉中市极端降水事件引发自然灾害的风险有所增大。因此，必须高度重视汉中地区洪涝灾害的防范，加强预防和治理洪涝灾害的能力，并有效调控极端降水，以保证当地人民生产生活和南水北调工程的顺利进行。

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Change in extreme precipitation during past 62 years in Hanzhong

WANG Meng,YIN Shu-yan

(CollegeofTourismandEnvironmentalSciences,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

【Objective】 The tendency of extreme precipitation in Hanzhong was studied to help local flood control,disaster mitigation and water resources regulation.【Method】 Based on the daily precipitation in Hanzhong from 1951 to 2012,the changes of extreme precipitation events were investigated using percentile threshold to group extreme precipitation events and through methods of moving average,Mann-Kendall test,and trend analysis.【Result】 In the past 62 years,the extreme precipitation and extreme precipitation days in Hanzhong fluctuated with a downward trend of -0.5 mm/year.But after 1987,various indexes of extreme precipitation showed increasing trends and annual extreme precipitation and extreme precipitation days increased significantly.The annual extreme precipitation increased linearly with the rate of 7.52 mm/year.During 2006-2008,annual maximum daily precipitation,annual extreme precipitation and extreme precipitation intensity in Hanzhong increased significantly.【Conclusion】 In the 21 century,the natural disaster in Hanzhong showed increasing tendency due to increase of extreme precipitation events.Thus,regulation and measures should be taken to prevent disaster.

precipitation;extreme precipitation;changes tendency;Mann-Kendall test;Hanzhong

2013-12-07

国家社会科学基金重点项目“历史时期汉江上游极端性气候水文事件及其社会影响研究”(11AZS009)；国家自然科学基金项目(41030637,41271108,41371029，41471071)；教育部博士点基金优先发展领域项目(20110202130002)；中央高校基本科研业务费创新团队项目(GK201301003)

王 蒙(1989-),女(蒙古族),河北秦皇岛人,在读硕士,主要从事环境变化与自然灾害研究。 E-mail：252373005@qq.com

殷淑燕(1970-),女,黑龙江木兰人,教授,博士,博士生导师,主要从事环境变化与自然灾害研究。 E-mail：yinshy@snnu.edu.cn

时间:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.015

P426.61+4

A

1671-9387(2015)05-0208-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.015.html