西北干旱区极端降水的时空分布及变化特征分析

中文摘要：利用西北干旱区1961-2009年76个台站日降水量和环流指数资料,通过百分位法、M-K突变检验等现代统计诊断方法,研究了我国西北干旱区年、季节降水量和极端降水量的时空分布特征和长期变化；研究极端降水量与年降水量的比重，及环流指数对极端降水的影响,研究发现:
(1) 在各区域年降水量的变化趋势中，北疆地区和天山山区的上升趋势较明显，南疆地区的年降水量总体呈现微弱的较为持续的上升趋势，这三个区域的年降水量均于20世纪80年代发生显著突变；河西-阿拉善的东部地区的年降水量则呈极为微弱的上升趋势，且突变不显著。
(2) 在季节变化中，春季、夏季平均年降水量最大区域是天山山区，秋季年均降水量最大区域是北疆地区，只有河西-阿拉善地区（30.81mm）秋季的年均降水量大于春季，冬季年均降水量最大区域是北疆地区。七年滑动平均表明各区域四季年均降水量均呈波动上升的趋势。
(3) 年降水量的空间分布中，降水量较高的区域主要集中在天山山区西部，祁连山北部，其次是准噶尔西部山地，阿尔泰山山区及南疆地区西部；年降水量较低的区域主要为南疆中部和南部。不同季节降水量的空间分布与年均降水量分布特点基本一致，北疆地区的季节分配比较均匀,其他区域的季节降水量分配不均匀。
(4)各区域极端降水量的变化趋势中，北疆地区和天山山区的上升趋势较明显；西北干旱区年均极端降水量于20世纪80年代中期的增加是一突变现象，具体是从1982年开始的。与年均降水量突变对比，发现二者的变化趋势基本一致，但年均极端降水发生突变的时间较年均降水的突变时间较早，表明在气候变化的反馈上, 年均降水则表现滞后性的特征，而极端降水事件表现得更加积极。
(5) 年均极端降水频率与年均极端降水强度变化趋势基本一致，但从区域差异上来看，增加的程度是不同的。在极端降水频率和强度空间分部上，新疆区域与地形有极大的联系，主要表现为山区高，盆地低的特点；河西-阿拉善地区极端降水频率与强度在空间上具有一致性，从东南向西北递减。
(6) 对年极端降水量与年降水量的比重分析，得出极端降水量与年降水量具有较强的相关性；极端降水量对年降水量的贡献也从侧面反映出极端降水量增加是西北干旱区气候发生由“暖干向暖湿”转型的一个可能的客观原因。
(7) 在环流指数的相关分析中，西太平洋副高面积指数和西太平洋副高强度指数与极端降水量的相关关系最为显著。在80年代中期，春季和冬季西太平洋副高面积和强度指数呈波动上升的趋势，这与极端降水的突变变化趋势一致，有很好的对应关系。
关键字：极端降水；时空分布；西北干旱区
1 引言
在全球变暖的气候背景中，区域性大面积的洪涝、干旱、飓风、高温等极端天气事件日益加重，尤其是20世纪80年代以来，世界范围内逐渐增多的极端气候事件给生态、经济发展和人民生活造成严重的损失和影响。极端气候事件的发生、发展及其变化规律问题已经成为气候学研究领域的热点。已有的研究包括：极端气候事件的观测事实的发现、发生规律的摸索、模式模拟的建立和影响机制的设定等的研究，又有关于极端气候事件成因与极值理论的讨论。研究方法既有统计学的原理又涵盖大气动力学的方法，经过前人的努力，极端气候事件的研究取得了较大的进步。
水资源是制约社会经济发展的命脉和影响生态环境变化的关键要素，在气候变暖的背景下，以山区冰雪融水补给为主要基础的干旱区水资源系统更为脆弱和敏感，冰雪融水和降水变化正改变着水循环过程和水资源时空分布，极端水文事件发生频率和强度不断增加，水资源供需矛盾日益突出成为制约区域经济、社会和生态环境可持续发展的瓶颈。西北干旱区也是多条国际河流的发源地，气候变化导致的水资源不稳定性正在引发中亚邻国间新的矛盾，不断的因水发生冲突以及气候变化对水循环的影响正成为国际关注的焦点。极端降水虽然作为降水过程中发生概率较小的事件，但对流域地区的年降水量的贡献却是及其重要的。
1.1选题背景
1.1.1选题来源
本题来自导师中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所杨青研究员主持的全球变化国家重大科学研究计划项目课题（973）“干旱区气候水文要素变化特征及归因”（2010CB951001）支持资助完成。
1.1.2研究意义
IPCC（2007）[1]第四次评估报告指出，近百年来，全球气候正经历一次已变暖为主要特征的显著变化，1906-2005年全球地表温度升高了约0.74℃。在全球变暖背景下，中国极端天气气候事件发生频率增加，例如2002年东北低温冻害、2008年南方冻雨，2010年夏季南方酷暑，2013年夏季东部沿海上海、浙江等省持续高温。另外，全球气候变暖，使得地表蒸发加剧，大气保持水分的能力增加，全球和区域水循环加剧，势必造成部分地区降水增多[2]，例如1998年、2008年南方特大洪水事件。其中，极端降水事件是极端天气气候变化的一个重要表现，是衡量极端天气气候的主要指标之一，根据频率分布，降水多的地区相应的极端降水出现的概率就增大，即发生极端降水事件增多，进而引发洪涝灾害；部分地区极端降水状况出现频数偏少，可能发生旱灾。
许多研究表明[3, 4]，从全球区域上，陆地上大部分地区极端降水事件发生的频率和强度都有增强的趋势，给社会、经济和人类生活造成了严重的影响和损失，已经严重影响和制约着人类社会和经济的发展，越来越引起各国政府和国际机构的重视。例如，从1998年至2001年在亚洲中部和南部地区的持续干旱，严重危害伊朗、阿富汗和巴基斯坦等广大地区的农业生产；1998年中国长江中下游的特大洪水造成了上千人伤亡和上千亿人民币的损失[5]。另外，由极端强降水所引发的次生灾害[6-8]:山体滑坡，泥石流等，也给当地人民的生活、经济、交通造成影响。
目前，我国西北地区对气候变化有诸多的争议。早在1998年杨青[9]就揭示了1987—1996年间新疆地区明显增暖增湿的事实。2002年施雅风等[10]研究西北地区气候变化时，认为西北气候转型首先出现在西风环流降水区，提出西北气候可能正由暖干向暖湿转型的科学推断。柳媛普等[11]用最新资料进一步分析了近20年来新疆中部明显增湿的事实。胡汝骥等[12]研究新疆气候变化时，揭示从1987年起新疆出现了气候转向暖湿的信号，天山西部地区尤为强劲。而陈豫英、钱正安等[13, 14]分析中蒙干旱半干旱区气候变化时，发现西北地区东部和蒙古国大部分地区的降水总体呈减少趋势，同时西北区西部的内蒙古中、西部降水也呈减少趋势，似乎不存在西北地区全区域尺度变湿的趋势。
鉴于极端天气气候事件与气候变化的密切关系及其对人类经济社会及自然环境的重要影响，其研究已经成为当今气候变化科学的前沿问题之一[15, 16]。西北干旱区地处中亚腹地，是全球变化响应最敏感地区之一[17-20]。在全球变化大背景下，西北干旱区水循环系统的稳定性和水资源的可再生性降低，不确定性加大，极端水文事件的频次和强度增大、重现期缩短，极端水文事件发生频繁发生。降雨极端事件是造成西北干旱区自然灾害频发及水资源不平衡分配的重要原因[21]。深入开展极端降水事件变化的研究，可以使我们弄清楚极端降水事件变化的规律，弄清楚这种变化是由于气候系统内部因子还是外部因子，弄清楚这种变化是自然变率的一部分还是人类活动带来的结果，进而达到掌握未来极端降水事件的变化规律，降低极端降水事件影响的脆弱性，为制定国家和地区防御自然灾害规划和可持续发展战略措施等提供科学依据。
1.1.3 研究内容
由以上回顾可知，国际上有关极端降水事件的研究已具相当高的水平，虽然中国在这个领域的研究也取得了一些有意义的结论，但有关西北干旱区的研究相对还是比较薄弱。为了促进西北干旱区极端降水事件变化规律研究的进展，提供极端气候事件区域变化的重要证据，从而与国际相关研究接轨，本文系统地利用西北干旱区1961年-2009年的76个台站的逐日降水观测资料，采用目前国际上利用较多的极端降水事件的定义方法—百分位，研究分析了：
（1）年、季节降水量的时空分布变化特征及分析；
（2）不同极端降水指数的时空分布特征及分析；
（3）年、季节降水量与年、季节极端降水量变化的关系；
（4）环流指数对极端降水的影响。
1.2极端降水事件的研究现状
对于降水而言[22-24]，随着全球的变暖，降水量增多,全球陆地年降水量场有明显的变化趋势，其中许多热带地区降水量增多,副热带大部降水量减少,高纬度地区降水量趋于增多，不同的地方都可能发生更为频繁的干旱和洪涝；中国陆地地形复杂,受季风的影响显著,每年都可能会遭受不同程度的干旱与洪涝。研究发现[25, 26],我国年降水量没有发生明显的变化趋势,但却存在着明显的区域差异,长江中下游和西部降水量呈增长趋势,其中西北增长最为明显[27],而西南一些地区呈减少趋势；冬季降水量普遍增多,秋季大部分地区降水量则趋于减少[28]。另外，我国年、季节的雨日天数呈明显的减少趋势,且雨日天数减少的范围远大于降水量减少的范围[29]。
极端降水是极端天气气候变化的重要指标，研究其时空分布特征对于正确认识全球气候变暖背景下的极端天气气候过程具有重要意义。关于降水的研究过去主要集中在降水量和早涝气候变化等[30-33]方面。随着极端降水事件对人类影响的加剧,人们逐渐认识到研究极端降水事件的重要性，国内外的一些学者针对不同的极端降水指数对此做了大量的研究,并且揭示了极端降水变化的一些基本特点。
6.2讨论
本文统计诊断了西北干旱区的极端降水事件，文中首先对年均降水的时空分布特征进行描写，然后利用不同的极端降水指数对西北干旱区1961-2009年极端降水的时空分布特征进行了详细分析，再对年均降水量与极端降水量之间的关系进行研究，在简单选取的几个环流特征指数中发现西太平洋副高面积指数对极端降水影响较大。尽管结论具有一定的独立创新性及实际应用价值，但也存在一定的问题及有待继续研究之处：
(1)本文选取的极端降水指数是较为常用的，但选取的极端降水指数数目较少，没有更全面的表现极端降水的时空分布规律。
(2)对西北干旱区极端降水时空特征的分析，从年代际、季节、空间分布进行了探讨，有必要进一步研究典型区域的极端降水趋势特征。
(3) 对西北干旱区分区来说，把新疆区域分为三个区域较为合理，但河西-阿拉善地区区域类型多样，降水规律不存在统一的变化，从时间变化研究来说，分析结论不精确，故对河西-阿拉善地区的分区有待进一步细化。
(4)本文最后仅从统计意义上分析了环流指数对极端降水的影响，其具体的物理机制，仍需要利用数值模式等手段进行深入研究。且西北干旱区极端降水趋势的影响也有待进一步深入分析。