《Atmosphere》：Spatio-Temporal Characteristics of Extreme Precipitation in the Zhangye Region on the Northern Slope of the Qilian Mountains, 1960–2023
编辑推荐：
基于1960年至2023年张掖地区六个国家气象站的逐日降水观测数据，本研究使用ETCCDI（气候变化检测与指数专家组）推荐的四个指数（SDII（简单日强度指数）、R10mm（≥10毫米降水日数）、R95p（湿日降水第95百分位总量）和RX1day（最大1日降水
基于1960年至2023年张掖地区六个国家气象站的逐日降水观测数据，本研究使用ETCCDI（气候变化检测与指数专家组）推荐的四个指数（SDII（简单日强度指数）、R10mm（≥10毫米降水日数）、R95p（湿日降水第95百分位总量）和RX1day（最大1日降水量））考察了极端降水的时空演变及可能驱动因素。趋势通过线性回归和Mann–Kendall（M-K）非参数检验评估，并采用Sen’s斜率估计。结果表明，极端降水的频率和强度均呈显著增加趋势（p < 0.05），模式从低强度、低频次向高强度、高变率转变。在时间上，所有指数在2000年左右出现阶梯式激增，进入高值振荡期，强El Ni?o年份极端特征被放大。在空间上，六个站点呈现明显的“南高北低”格局，南部祁连山区为主要贡献区，中部平原呈双峰分布，反映西风槽和局地强对流的联合调制。增强与大气水汽增加、东亚夏季风北移及地形抬升有关。这一趋势虽缓解了干旱压力，但显著增加了山区山洪和泥石流风险。需注意，空间格局基于六个站点，应视为站点间比较而非连续空间场。
在全球变暖背景下，极端降水事件频发已成为关键气候挑战，威胁区域生态安全和社会经济可持续发展。IPCC第六次评估报告指出，全球地表温度上升显著加剧了水文循环，导致全球大部分地区极端降水事件的频率、强度和空间范围明显增加。极端降水作为典型极端天气现象，具有突发性强、破坏性大，易引发山洪、泥石流和城市内涝等次生灾害，对区域生态系统、农业生产和人民生命财产构成重大风险。因此，系统研究区域尺度极端降水的时空格局，不仅关乎气候变化机制的关键科学问题，也为区域防灾减灾、水资源管理和可持续发展规划提供基础。
现有研究为理解极端降水时空变率提供了理论支持，方法上已形成以ETCCDI指数为核心的成熟分析框架，常用技术包括线性趋势分析、Mann–Kendall非参数检验、Sen’s斜率估计、相关分析和小波分析等。ETCCDI指标体系因其简洁性、强可比性和明确生态意义而成为主流工具。近年来，国内外学者广泛开展极端降水趋势研究，如Frich等首次应用极端气候指数评估全球变化，发现20世纪后半叶强降水事件增加；Alexander等基于站点数据全面评估1951–2003年全球极端温度和降水指数，指出全球大部分湿润地区极端降水强度和频率增强。区域研究显示欧洲强降水普遍增加，但连续干日等指标存在显著空间差异；美国和加拿大大部分地区极端降水事件更频繁；亚洲季风区极端降水呈“湿区更湿、干区更干”格局；非洲撒哈拉以南部分地区出现增强迹象但结论不确定。中国海河流域过去67年总体下降但21世纪初反弹，长江流域呈极化格局（轻降水减少、强降水增加），导致强降水指数高度波动和洪水风险升高。全球研究一致表明，极端降水增强趋势比平均降水变化更稳健，尤其在中高纬度和湿润地区。
尽管已有研究涉及中国西北、河西走廊和祁连山，但本研究具有独特贡献：第一，覆盖1960–2023年共64年，长于多数此前研究（如Yang等用1961–2020年；Wang等用1961–2018年），捕捉了最近加速暖湿化阶段；第二，整合Pettitt变点检验识别约2000年相位转变，揭示从低强度/低频到高强度/高变率模式的阶梯式激增，这是张掖地区此前未记录的动态转变；第三，通过对比山区站点（民乐、肃南、山丹）和平原站点（张掖、临泽、高台），量化了极端降水的海拔依赖性放大，并提供西风槽、局地对流和东亚夏季风北移耦合调制的初步证据。这些发现补充了黑河流域和祁连山研究，从站点尺度细化了祁连山与河西走廊过渡带特征。
张掖地区位于河西走廊中段，典型温带大陆性干旱半干旱气候，降水少、蒸发强、昼夜温差大，年均降水120–431毫米，集中于6–9月，占全年70–80%。地形复杂，西南高、东北低，海拔1300–4800米，这种独特地形和气候特征使张掖成为研究干旱区极端降水时空变化的代表性区域。本研究利用六个国家气象站1960–2023年逐日降水数据，选取四个ETCCDI极端降水指数，应用线性趋势分析、Mann–Kendall检验、Sen’s斜率估计和Pettitt变点检验，系统刻画极端降水时空演变，旨在为理解区域暖湿化转型提供理论依据，并为防洪减灾、生态保护和优化水资源配置提供科学支持。
研究人员开展了以下研究：基于中国气象科学数据共享服务平台获取六个国家气象站（民乐、肃南、山丹、张掖、临泽、高台）的逐日降水数据，时段为1960–2023年。数据质量评估显示缺测率0.3%–2.1%，采用反距离加权插值（≤31天缺测）和逐步线性回归（≤93天缺测）填补缺测数据，并通过交叉验证（RMSE 0.8–2.1 mm/day）和敏感性分析（指数差异<±5%）确保可靠性。使用RHtestsV4软件进行均一性检验，未检测到显著人为不连续点。计算四个ETCCDI指数（SDII、R10mm、R95p、RX1day），用线性回归、Mann-Kendall检验、Sen’s斜率估计和Pettitt检验分析趋势和变点。主要结论：所有指数呈显著上升趋势（p<0.05），2000年为显著变点，空间上呈“南高北低”格局，山区增幅大于平原，且与海拔相关。研究意义在于揭示干旱区极端降水对暖湿化的响应机制，为防灾提供科学依据。论文发表在《Atmosphere》期刊。
技术方法方面，研究人员使用以下关键方法：从中国气象科学数据共享服务平台获取六个国家气象站逐日降水数据（1960–2023年），缺测值用反距离加权插值（≤31天）和逐步线性回归（≤93天）填补，并用RHtestsV4进行均一性检验。计算ETCCDI四个指数（SDII、R10mm、R95p、RX1day），趋势分析采用线性回归、Mann-Kendall检验和Sen’s斜率估计，变点检测用Pettitt检验。所有分析在Python 3.12中完成。样本队列来源为六个国家气象站，未涉及其他队列。
研究结果部分，保留原文小标题并简述：
3.1 SDII特征：通过小提琴图分析，SDII空间分布呈“中部平原低、南北山区高”特征，民乐站SDII最高（9.0–10.0 mm/d），呈右偏单峰分布，高值事件贡献大；肃南和山丹近似正态，稳定性高；高台和临泽呈双峰分布，反映两种降水机制；张掖略右偏。年降水日数整体呈波动上升趋势，2000年后高降水日数年份增多，波动加剧。
3.2 R10mm指数特征：R10mm和对应降水总量均显著增加（M-K检验p<0.05，Sen’s斜率=0.28天/10年），Pettitt检验确认2000年为显著变点。分三阶段：1960–1980年低值稳定期，1981–2000年调整过渡期，2001–2023年活跃激增期。民乐站R10mm从8天增至14天，2016年峰值18天，对应降水量达350毫米。
3.3 R95p指数特征：R95p频率显著上升（p<0.01，Sen’s斜率=0.15天/10年），热力图显示早期低频区多，后期高频区增加。南部祁连山（山丹、民乐、肃南）为高值区，频率2–5倍于区域平均，波动大；中部平原（张掖、临泽、高台）为低值区。R95p降水量呈三阶段变化：1960–1980年高值波动，1981–1995年低谷期，1996–2023年快速增加期，2000年后平均增加30–50%，波动加剧。
3.4 RX1day指数特征：RX1day总体上升，但空间差异大。南部山区增幅显著（民乐8.8%，山丹10.0%），平原区较弱（高台2.8%），呈“南高北低”梯度。山丹增幅最大（1.8 mm/10年），为高台四倍半。时间上分三阶段：1960–1980年低值波动期，1981–2000年激增平台期，2001–2023年高位振荡期。山区站（民乐、山丹）在2010和2016年出现峰值，但2018–2020年下降。
讨论部分，研究人员指出张掖地区极端降水增加趋势与河西走廊和祁连山其他研究一致，山区增幅符合海拔依赖性放大效应，RX1day增幅与全球每度升温7–12%的估计相当，符合克劳修斯-克拉佩龙关系。平原区弱趋势与海河流域和长三角不同，可能反映地形对大尺度环流响应的调制。局限性包括：仅六个站点难以捕捉细尺度空间变率，归因基于定性推理，缺乏定量相关分析，以及数据可能存有均一性问题。未来研究建议整合CMIP6模式预测、高分辨率对流允许模拟（如WRF≤3公里）和复合极端事件分析。
结论部分翻译如下：本研究检验了张掖地区六个气象站1960–2023年四个ETCCDI极端降水指数（SDII、R10mm、R95p和RX1day）的趋势，主要发现如下：（1）极端降水强度和频率均显著增加，并呈阶段性演变。所有指数均呈上升趋势（M-K检验，p < 0.05），SDII区域平均速率0.12 mm·day
?1/10年，R10mm为0.28天/10年，R95p为0.15天/10年，RX1day为0.9毫米/10年。Pettitt检验确定2000年为显著变点，此后指数从低强度、低频模式转为高强度、高变率模式。（2）空间格局呈“南高北低”异质性分布。南部祁连山区（民乐、肃南、山丹）极端降水强度和频率最高，归因于地形抬升和对流过程；中部平原（张掖、高台、临泽）均值较低、年际变率更大。（3）极端降水变化对海拔梯度敏感。山区站RX1day增幅（1.0–1.8毫米/10年）是平原站（0.4–0.8毫米/10年）的2–4.5倍，表明高海拔地区对气候变暖响应更强。但需强调，这些空间格局基于六个站点，应视为站点间比较而非连续空间分布。未来研究纳入高分辨率网格数据可验证和细化这些格局。
