极端降水事件突发性强, 常会引发严重的自然灾害, 对社会、经济和人类活动造成严重的影响和损失, 受到气象工作者及政府部门的高度重视(Omondi et al, 2014; 李明刚等, 2012; 李志等, 2010; 曹瑜等, 2017)。在全球变暖的背景下, 气候异常现象频繁, 极端降水事件也显著增多(欧阳琳等, 2017; 翟盘茂等, 2003)。如2003年初美国和俄罗斯的暴风雪, 2004年3月韩国的暴雪(陈洪滨等, 2007), 2008年1月中国的暴雪以及2012年7月21日北京的特大暴雨等事件。

2006年, Alexander et al(2006)分析了全球年降水变化情况, 表明在20世纪80年代以后的强降水频数呈增加趋势, You et al(2011)对1961-2003年的中国极端降水事件进行了分析, 得出我国极端降水变化趋势存在着区域差异, 西北地区呈现增加趋势, 华东、黄河流域呈现减少趋势。翟盘茂等(2003)利用1951-1999年739个测站的日降水量集, 分析了我国北方降水极端事件变化的情况, 得出华北地区强降水事件趋于减少, 西北地区强降水事件趋于增多。杨莲梅等(2003)通过1961-2000年55个新疆气象台站的日降水观测资料, 分析新疆极端降水的变化特征和空间分布规律, 结果表明年极端降水量在1980年发生了突变, 主要是由夏半年极端降雨量和频次增多所导致。陈海山等(2009)利用中国419个测站1958-2007年逐日的降水资料, 分析了极端降水事件的季节性变化特征, 结果表明年降水极端事件存在明显的区域季节性差异。然而, 这种季节性极端降水对于水文水资源过程的影响已经成为水文方向的前沿研究领域, 极端降水导致的洪水灾害事件已经引起了广泛关注(Marques et al, 2007)。根据《西北内陆河区水旱灾害》统计资料, 西北内陆河区在1950-1990年的41年中, 累计受灾面积291×10⁴ hm², 其中成灾面积133×10⁴ hm²; 受灾人口910万, 死亡2 240人, 倒塌房屋28. 5万间, 损失粮食2. 5×10⁴ kg。1950-1990年的41年间, 发生特大洪水的有1958, 1975和1987年, 平均约14年出现一次特大洪水灾害。1987年6月10-12日, 甘肃河西走廊金昌市发生特大暴雨洪水灾害, 最大点降水量达269. 8 mm, 发生在天生坑, 最大24 h降水量达232 mm。黄玉霞等(2017)通过研究东亚季风变化特征对甘肃夏季暴雨日数的影响, 结果表明东南季风盛行时, 西太平洋副热带高压西伸北抬使冷暖空气汇积于甘肃中部, 孟加拉湾西南水汽输送在河东西南部辐合, 使河西一带暴雨日数增多。

敦煌及其周边地区位于内陆东南季风的强弩之末与西部新疆西风带影响的尾段, 而敦煌和瓜州已属暖温带干旱区。敦煌是“丝绸之路经济带”上的一座世界历史文化名城, 走廊高平原界于南部海拔高达4 000 m以上的祁连山、阿尔金山与北部2 500 m左右马鬃山之间, 每年汛期受到来自祁连山北坡肃北和阿克塞暴雨洪水威胁。如在2011年6月16日, 敦煌市发生了百年一遇的特大洪水, 洪水造成大泉河、党河、西土沟等多处防洪堤决堤, 多个乡镇发生严重洪灾。党河水库入库洪峰流量达到412. 3 m³·s^-1, 水库最高水位达到1 430. 91 m, 超过汛限水位2. 91 m, 莫高窟大泉河洪水瞬时最大流量达到700 m³·s^-1。同时敦煌也处于西北干旱区, 如何将雨洪资源进行再度利用, 雨洪资源该如何定义, 多大的降雨量会造成洪水灾害等一系列问题。为了解决这些问题, 首先必须对当地的降水特征及变化规律有一定的把握。本研究选取敦煌及周边邻近地区1958-2015年6个气象台站逐日降水资料, 分析敦煌地区极端降水事件的时空变化特征, 旨在为水资源利用和灾害防控提供一定的数据支撑和理论依据。

选取敦煌地区及邻近周边共计6个气象站点(敦煌、瓜州、玉门、马鬃山和酒泉为1958-2015年、祁连为1958-2013年)的逐日降水[20:00(北京时, 下同)至次日20:00的降水量]数据系列进行分析, 站点分布情况如表 1。根据世界气象组织(WMO)推荐的极端气候指数及敦煌地区长期处于高温干旱、降水少的气候特点, 结合相关文献(李志等, 2010; 姜德娟等, 2011; 袁文德等, 2014; 李运刚等, 2012)选取有关极端降水的指数和具体定义(表 2)。

表 1(Table 1)

表 1 研究区气象站点分布情况信息表 Table 1 The information of the meteorological stations distribution in the study area 代码 站名 纬度/°N 经度/°E 高程/m 52418 敦煌 40. 15 94. 68 1 139. 0 52424 瓜州 40. 53 95. 77 1 170. 9 52533 酒泉 39. 77 98. 48 1 477. 2 52323 马鬃山 41. 80 97. 03 1 770. 4 52436 玉门 40. 27 97. 03 1 526. 0 52657 祁连 38. 18 100. 25 2 787. 4

表 1 研究区气象站点分布情况信息表 Table 1 The information of the meteorological stations distribution in the study area

表 1(Table 1)

表 2 极端降水指数和定义 Table 2 Extreme precipitation index and definition 代码 名称 定义 单位 PRCPTOT 年降水量 ≥0. 1 mm降水日累计量 mm Rx1day 日最大降水量 每年中的最大日降水量 mm R95t 极端降水阈值 日降水量≥研究时段内有效降水日(≥0. 1 mm)95%分位点值 mm R95n 极端降水频次 日降水量≥ R95t的天数 d·a-1 R95p 累积极端降水总量 日降水量≥ R95t的降水总量 mm R95i 极端降水强度 R95p/R95n mm·d-1

表 2 极端降水指数和定义 Table 2 Extreme precipitation index and definition

西北地区的极端降水与南方地区不同, 国内通常规定日降水量大于等于50 mm的降水事件记为暴雨, 日降水量在25~50 mm的降水事件称为大雨。对于不同的地区不能简单采用这种划分标准, 为了更好地表征敦煌地区极端降水的时空变化特征, 确定极端降水事件阈值采用百分位相对指数法(Easterling et al, 2000; 杨志刚等, 2014), 将敦煌、瓜州、玉门、马鬃山和酒泉1958-2015年及祁连1958-2013年的逐日有效(日降水量≥0. 1 mm)降水量进行升序排列。利用Matlab函数prctile计算出第95个百分位值的多年平均值, 此值定义为极端降水事件阈值, 当日降水量超过该阈值后, 即发生一次极端降水事件。

采用线性趋势分析(高西宁等, 2016), Mann-Kendall方法(曾波等, 2016), 小波分析(邱海军等, 2011)和Kriging插值方法, 对选取的极端降水系列指标进行分析。线性趋势分析以线性回归方程$\hat y = ax + b $来拟合, 并提取各种极端降水系列的年际变化趋势, 其中a为线性倾向率。Mann-Kendall方法是一种不要求所分析时间序列服从特定的概率型分布, 基于Kendall秩相关的不受少数异常值干扰的趋势检验法(李运刚等, 2012); 而小波分析是一种基于傅里叶变换的周期特征分析方法。通过运用以上方法对基础资料的分析, 旨在揭示极端降水事件的时空变化特征。

利用敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山和玉门5个气象站1958-2015年和祁连1958-2013年的逐日降水数据, 将这58年和56年的日降水数据大于等于0. 1 mm的数据进行筛选按升序进行排列, 取其第95个百分位数作为每个站点极端降水事件的阈值, 计算结果依次为9. 07, 9. 00, 9. 03, 8. 76, 8. 50和13. 2 mm, 超过极端降水事件阈值, 即出现一次极端降水事件, 6个站点出现的极端降水频次的统计情况及变化趋势如图 1所示。从所研究范围的长时间序列(图 1)来看, 除了马鬃山的极端降水频次呈现减少趋势外, 其他站点均呈现增长趋势。敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山、玉门和祁连极端降水频次的倾斜率依次为0. 127, 0. 072, 0. 138, -0. 063, 0. 104和0. 638 d· (10a)^-1。马鬃山虽然总体趋势呈现下降状态, 但极端降水事件发生的最大频次仅次于祁连和酒泉, 高达5次, 在研究时段内马鬃山出现最大频次的年份为1979年; 祁连发生极端降水事件的频次最大为13次, 出现最大频次的年份有1998年和2008年; 酒泉发生极端降水事件的频次最大为6次, 出现最大频次的年份为1987年; 敦煌最大频次为3次, 出现最大频次的年份有1971, 1979, 1995, 2007和2012年; 瓜州最大频次为4次, 出现最大频次的年份有1973, 1979和2013年; 玉门最大频次为4次, 出现最大频次的年份有1979, 1984和2007年。

图 1(Figure 1)

图 1 1958-2015年敦煌及其周边地区(a~f)极端降水频次变化趋势 Figure 1 The trend of extreme precipitation frequency in Dunhuang and surrounding areas (a~f) from 1958 to 2015

根据敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山和玉门1958-2015年及祁连1958-2013年的日降水资料序列, 提取每年的日最大降水量, 从统计结果(图 2)可以明显看出, 祁连的日最大降水量平均水平高于其他5个站点, 玉门的日最大降水量平均水平最低。敦煌日最大降水量最大值为30. 8 mm, 出现在2002年, 其次是1971年的27. 1 mm, 日最大降水量多年均值为10. 51 mm; 瓜州日最大降水量超过20 mm的共计5次, 出现时间依次为1971, 1979, 1985, 2005和2012年, 日最大降水量分别为21. 8, 22. 8, 30. 7, 23. 4和20. 8 mm; 酒泉日最大降水量超过35 mm的年份有1964, 1967和1983年, 日最大降水量分别为39, 36. 8和44. 2 mm; 马鬃山日最大降水量超过35 mm的年份有1984年和1992年, 日最大降水量分别为42. 5 mm和38. 3 mm; 玉门2012年的日最大降水量为79. 5 mm, 超过了70 mm, 而最小的日最大降水量仅为4. 6 mm; 祁连日最大降水量超过35 mm的有5次, 分别出现于1976, 1990, 1995, 1998和2009年, 日最大降水量依次为35. 8, 37. 5, 40. 5, 40. 3和35. 8 mm。

图 2(Figure 2)

图 2 1958-2015年敦煌及其周边地区(a~f)日最大降水量统计 Figure 2 Daily maximum precipitation statistics inDunhuang and surrounding areas (a~f) from 1958 to 2015

将每个站点每年逐日降水量超过极端降水阈值的日降水量累加, 得到每个站点年累计极端降水总量, 图 3为年累计极端降水量的趋势分析结果。从图 3可以看出, 年累计极端降水总量趋势变化与极端降水频次的趋势变化较为一致, 除马鬃山呈现微弱的减少趋势外, 其他站点均表现为增长趋势。敦煌年累计极端降水总量趋势倾斜率为6. 171 mm·(10a)^-1, 年累计极端降水量最大值为51. 7 mm, 出现在1971年, 2000年以后较大出现年份有2002, 2007和2012年, 分别为44. 2, 38. 4和38. 2 mm; 瓜州年累计极端降水总量趋势倾斜率为0. 888 mm·(10a)^-1, 最大值出现在1979年, 年累计极端降水总量为60. 6 mm, 2000年以后出现的最大值为42 mm, 发生于2013年; 酒泉年累计极端降水总量趋势倾斜率为0. 983 mm·(10a)^-1, 最大值是1979年出现的88. 3 mm降水量, 2000年以后出现最大值的年份为2012年, 降水量为71. 2 mm; 马鬃山年累计极端降水总量趋势倾斜率为-0. 336 mm·(10a)^-1, 最大年累计极端降水量为74. 8 mm, 发生于1979年, 2000年后出现的最大极端降水量为2014年的42. 2 mm; 玉门年累计极端降水总量趋势倾斜率为1. 917 mm·(10a)^-1, 年累计极端降水总量最大值为102. 1 mm, 发生于2012年; 祁连年累积极端降水总量趋势倾斜率为11. 279 mm·(10a)^-1, 年累积极端降水总量最大值为261. 2 mm, 发生于1998年, 2000年后出现的最大极端降水量为2003年的227. 3 mm, 是6个站点中年累计极端降水总量值最大的一个站点。

图 3(Figure 3)

图 3 1958-2015年敦煌及其周边地区(a~f)累计极端降水总量变化趋势 Figure 3 The trend of total extreme precipitation in Dunhuang and surrounding areas (a~f) from 1958 to 2015

敦煌及周边地区6个站点极端降水强度统计量曲线(图 4)显示, 马鬃山的UF统计量变化较为平缓, 敦煌、瓜州、酒泉和玉门的UF统计量总体呈现倒“V”型, 说明极端降水强度可分为两个阶段, 即增加和下降的两个变化过程。敦煌、酒泉和玉门的变化较为一致, 分界点为1980年前后, 瓜州的变化趋势稍有延迟, 在1990年前后。根据UF和UB统计量曲线交点位置, 敦煌极端降水量强度突变始于2004年, 2004年后变化趋势呈现小幅度锯齿型波动, 且波动不显著; 瓜州极端降水强度突变始于1983年, 之后呈现增加趋势, 但较为平缓; 酒泉的突变年份为1977年, 此后呈现下降趋势, 到1997年后保持平稳变化, 于2010年左右再次出现突变; 马鬃山的变化趋势持平稳态势, 突变发生于1993年; 玉门UF和UB统计量曲线交点共有3个, 分别在1967, 1992和2007年出现, 每一个交点前后的变化都呈现相反的小幅度波动态势; 祁连UF和UB统计量曲线交点共达8个之多, 2000年以后交点出现于2009年。总体而言, 6个站点的极端降水强度变化趋势较为平稳, 变化也不是十分显著。年累计极端降水总量突变特征和极端降水强度突变特征变化一致且具有同步性, 这里就不再赘述。

图 4(Figure 4)

图 4 1958-2015年敦煌及其周边地区(a~f)极端降水强度Manner-Kendall统计量曲线 Figure 4 Manner-Kendall statistic curve of extreme precipitation intensity in Dunhuang and surrounding areas (a~f) from 1958 to 2015

从年累积极端降水总量的周期特征分析结果(图 5)可以看出, 敦煌年累积极端降水总量40~60年时间尺度特征明显, 存在着2个强弱的周期变化, 在1958-1980年为一个周期, 1980年以后为另一个周期; 10~15年时间尺度特征变化频繁, 交替出现7次之多, 但较为稳定, 占据了很大的研究时间范围; 瓜州15~30年时间尺度特征明显, 存在强-弱交替的4次周期变化, 从1978年后, 其中夹杂着10年左右的时间尺度特征; 40~60年时间尺度特征跨域很大, 但不是很明显, 1985年是这个时间尺度的一个划分时间。酒泉在30~60年时间尺度特征变化明显, 存在2个周期的强弱振荡变化, 具有全域性, 1985年是这个周期的划分年限, 但周期变化特征不是严格意义上的振荡, 划分后30~40年尺时间度特征较强, 而40~60年时间尺度较弱。马鬃山在45~60年时间尺度特征上存在1. 5个强弱变化的周期振荡, 在1978-1998年, 贯穿着一个10~60年长时间尺度特征, 到50~60年尺度特征时, 其变化强度明显减弱。玉门存在着30~60, 10~30和10~15年3类时间尺度特征, 其中30~60年时间尺度特征变化明显, 但覆盖年份较广, 总体呈现着强-弱-强的趋势变化特征, 后两类时间尺度特征覆盖了从1958-1993年大部分研究时段。祁连40~60年时间尺度特征明显, 存在着1. 5个强弱的周期变化, 1958-1993年为一个完整变化周期, 1968-1978年10~40年时间尺度特征明显, 此后, 随着年份的推进短时间尺度特征稳定交替变化。小波方差图(图 6)显示, 敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山、玉门和祁连最大峰值依次对应的是53, 22, 36, 56, 53和58年时间尺度。在主周期分析中, 6个站点的主控周期不具有同步性, 祁连第一主控周期振荡强烈, 除酒泉和瓜州外, 其余站点的第一主控周期都出现在30年时间尺度特征以后。

图 5(Figure 5)

图 5 1958-2015年敦煌及其周边地区(a~f)年累积极端降水总量小波系数实部等值线分布 Figure 5 The wavelet contour of total extreme precipitation in Dunhuang and surrounding areas (a~f) from 1958 to 2015

图 6(Figure 6)

图 6 敦煌及其周边地区年累积极端降水总量的小波方差 Figure 6 The wavelet variance diagram of total extreme precipitation in Dunhuang and surrounding areas

通过1958-2015年敦煌及其周边地区极端降水事件指标的空间分布特征(图 7)可以看出, 日最大降水量、年累计极端降水总量和极端降水强度3个指标呈现的空间分布特征较为一致, 从西到东呈现梯度增加趋势, 日最大降水量和极端降水总量空间分布特征可划分为96°E以西、96°E-99°E之间和99°E以东3个变化梯度。96°E以西日最大降水量小于13 mm, 96°E-99°E之间日最大降水量为13~20 mm, 99° E以东日最大降水量超过20 mm; 年累计极端降水总量3个变化梯度的值依次为25 mm, 25~65 mm和大于65 mm; 1958-2015年6个站点日最大降水量均值为15. 15 mm, 出现在96. 5°E附近, 处于第二变化梯度, 年累计极端降水总量均值为32. 48 mm, 出现位置和日最大降水量均值出现位置较为一致。日最大降水量、年累计极端降水总量和极端降水强度最大值均出现在研究区东南方向, 空间分布特征呈现出西北至东南方向的递增趋势, 可划分出3个变化阶梯, 即96°E以西、96°E-99°E之间和99°E以东; 在99°E以东区域, 可以根据40°N纬线划分为南北两部分, 日最大降水量、年累计极端降水总量和极端降水强度临界线分别为20. 5, 60和15 mm, 6个站点极端降水强度年均值为11. 21 mm·d^-1。

图 7(Figure 7)

图 7 1958-2015年敦煌及周边地区极端降水事件(a~c)的空间分布特征 Figure 7 The spatial distribution characteristics of extreme precipitation events (a~c) in Dunhuang and surrounding areas from 1958 to 2015

在极端降水指标趋势分析中, 极端降水频次除了马鬃山呈现减少趋势外, 敦煌、瓜州、酒泉、玉门和祁连均呈现增长趋势, 翟盘茂等(2003, 2007)和杨金虎等(2008)的研究结果表明中国极端降水事件存在明显的区域性和时间趋势, 其中西北地区强降水事件趋于增多, 本文研究结果与此结论较为一致。敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山、玉门和祁连极端降水频次的年倾斜增率依次为0. 127, 0. 072, 0. 138, -0. 063, 0. 104和0. 638 d·(10a)^-1; 极端降水发生的年最大频次依次为3, 4, 6, 5, 4和13次, 出现时间距2015年最近的年份依次为2012, 2013, 1987, 1979, 2007和2008年。年累计极端降水总量趋势变化与极端降水频次的趋势变化较为一致, 年倾斜率最大的是祁连, 为11. 279 mm·(10a)^-1, 马鬃山的年倾斜率最小, 为-0. 336 mm·(10a)^-1; 年累计极端降水总量最大的站点是祁连站, 总量为261. 2 mm, 最小的站点是敦煌站, 总量为51. 7 mm, 这也验证了Zhai et al(2005)的研究结论, 总降水上升是由频率和强度变化共同决定, 祁连站也尤为明显, 祁连位于南部山区, 在西北风和平直西风的影响下气流形成山风环流, 影响降水(马学谦等, 2011), 祁连1990年日最大降水量超过35 mm, 程瑛等(2008)研究表明1990年祁连山植被覆盖度最大, 表明降水影响着植被覆盖度。

极端降水强度的突变分析可知, UF统计量总体呈现增加和下降的两个变化过程, 即倒“V”型变化, 发生转折的时间点为1980年前后, 而瓜州站点的趋势变化比其他站点的延迟出现。根据UF和UB统计量曲线的交点位置判断发生开始突变的年份, 敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山、玉门和祁连开始发生突变的年份依次为2004, 1983, 1977, 1993, 1967和1963年。贾文雄等(2014)通过研究祁连山极端降水的时空变化, 表明极端降水变化的突变性与东亚季风、南亚季风和西风环流系统等大尺度环流系统变化关系密切。

根据小波分析, 敦煌极端降水强度存在着40~60年和10~15年时间尺度特征, 其中40~60年时间尺度特征明显; 瓜州15~30年时间尺度特征明显, 但40~60年时间尺度特征跨域较大; 酒泉存在着2个周期振荡变化的30~60年时间尺度特征; 马鬃山在45~60年时间尺度特征上有着1. 5个周期振荡变化, 而玉门存在着30~60年、10~30年和10~15年3类时间尺度特征, 以30~60年时间尺度特征变化最为明显; 祁连存在着1. 5个40~60年时间尺度特征的周期变化, 10~40年时间尺度特征在1968-1978年较明显。

从空间分布特征来看, 日最大降水量、年累计极端降水总量和极端降水强度都呈现出从西到东的梯度增加趋势, 且最大值出现区域较为一致, 因都位于研究区南部的祁连山区, 祁连山区年平均降水量450 mm左右, 降水丰沛, 属于水源涵养区, 形成了局部小气候区域。同时汇积每年汛期阿尔金山沟谷出流的洪水泥石流流向敦煌方向, 对敦煌地区的生态可持续发展造成了严重影响, 为了减少对敦煌地区造成洪水灾害, 提高干旱区水资源利用效率, 可考虑在山前雨水充沛的水源涵养区采取工程措施, 对水资源进行拦蓄。在总体上可以将极端降水事件指标空间变化特征划分为96°E以西、96°E-99°E之间和99°E以东3个变化梯度, 这种空间变化的差异是气候、地形和人为活动等共同作用的结果, 本文的研究结果仅是敦煌地区极端降水事件的变化趋势规律, 有研究表明西北地区气候由暖干向暖湿变化(施雅风等, 2003), 在此种气候模式下敦煌地区的极端降水如何变化, 其主要原因还需进一步研究。

(1) 在极端降水指标趋势分析中, 极端降水频次基本呈现增加趋势; 极端降水频次的年倾斜增率基本为正, 表明呈现增加趋势, 而年累计极端降水总量趋势变化和极端降水频次的趋势变化较为一致。

(2) 极端降水强度的突变发生转折的时间点为1980年前后, 而瓜州站点的趋势变化比其他站点的延迟出现。总体来说, 6个站点的极端降水强度变化趋势较为平稳, 变化不是十分显著。敦煌、瓜州、酒泉、马鬃山、玉门和祁连控制极端降水强度有53, 22, 36, 56和58年时间尺度的主控周期。

(3) 从空间分布特征来看, 极端降水事件发生呈现阶梯变化趋势, 发生区域间具有邻近效应。