珠江流域極端降雨時(shí)空演變特征分析*

彭俊臺(tái)，張強(qiáng)，陳曉宏，陳永勤

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣東廣州510275;2.中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510275;3.香港中文大學(xué)地理與資源管理系，香港沙田)

氣候環(huán)境變化及其對(duì)人類(lèi)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境的影響已成為全球各國(guó)關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題之一。全球氣候變暖導(dǎo)致水循環(huán)加劇，降水時(shí)空分布發(fā)生變化，極端降水事件明顯增多，從而導(dǎo)致旱澇災(zāi)害事件增多，給人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)重要影響［1－3］。由此，研究極端降水的時(shí)空演變特征對(duì)于全面而系統(tǒng)地了解洪澇災(zāi)害的時(shí)空變化特征，減少極端降水事件對(duì)人類(lèi)社會(huì)的影響具有重要意義。

珠江流域(102°14'～115°53'E，21°31'～26°49'N)屬亞熱帶氣候，溫和多雨。流域大部分地區(qū)年平均氣溫在20℃以上，年際變化不大。各地多年平均雨量為1 000～2 200 mm，西部云貴高原降雨較少，流域的東部降雨則較多。近些年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)珠江流域降雨進(jìn)行了諸多研究。張強(qiáng)等［4］利用珠江流域1960－2005年42個(gè)雨量站的日降雨資料，分析了降雨集中度的時(shí)空變化特征，指出流域的西北部、南部和東南部的降水集中指數(shù)高，流域的東北部和西南部的降雨集中程度較低。王兆禮等［5］對(duì)近40年來(lái)珠江流域降水量的時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為流域總降水量呈微弱的增加趨勢(shì)，且具有明顯的11年主周期振蕩，但不存在突變現(xiàn)象。而Wang等［6］則利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法研究了珠江流域中東江的最大降雨的趨勢(shì)變化，得出年極端降雨沒(méi)有顯著變化，但月份降雨有些有顯著變化。黃增明［7］則研究了珠江流域降雨的基本特征，認(rèn)為流域內(nèi)降水東多西少、干濕季分明、旱澇較頻繁，南部夏秋季還受到臺(tái)風(fēng)雨水侵襲;降水和暴雨的成因復(fù)雜，變化較大，需進(jìn)一步研究。

總結(jié)以往的研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)去的研究多集中在年、季降雨量時(shí)空變化上，對(duì)極端降雨的研究較少，而極端降水的變化與旱澇災(zāi)害的發(fā)生有著密切聯(lián)系，因此，為合理利用水資源，降低洪澇災(zāi)害帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于極端降水事件的時(shí)空演變特征的研究尤顯必要。基于此，本文將通過(guò)分析珠江流域日降水量數(shù)據(jù)，闡述極端降水的時(shí)空變化特征，為區(qū)域自然災(zāi)害研究以及珠江流域?qū)θ驓夂蜃兓膮^(qū)域響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理

本文所采用的數(shù)據(jù)是珠江流域(圖1)1960－2005年42個(gè)站逐日降雨量資料。結(jié)合南方的具體情況，以日降雨量P≥1mm作為降雨天，定義了3個(gè)極端降水指標(biāo):最大連續(xù)降雨量(MCP)、最大連續(xù)降雨天數(shù)(MCD)以及最大連續(xù)降雨強(qiáng)度(MCI)(表1)。

圖1 珠江流域雨量站點(diǎn)分布圖

表1 珠江流域極端降水指標(biāo)及相應(yīng)的定義與單位

2 研究方法

2.1 突變分析

本文的突變分析運(yùn)用的是Mann-Kendall法［8－9］，該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，Sneyers發(fā)展了這種方法，Goossens和Berger在Sneyers的發(fā)展基礎(chǔ)上將這一方法應(yīng)用到反序列中，從而得到了一種能檢測(cè)突變現(xiàn)象的新方法［10］。已經(jīng)有眾多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者［11－14］用此法檢測(cè)突變現(xiàn)象。由于版面限制，計(jì)算方法［15］在此文略。本文取顯著性水平為0.05。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化

為了使數(shù)據(jù)無(wú)量綱化和消除相關(guān)性，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使它們處于同一標(biāo)準(zhǔn)之后才進(jìn)行相應(yīng)的分析。另外，為了消除相鄰數(shù)據(jù)的相關(guān)性，也可以運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化的處理方法。常用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法有最大值法、最小值法、標(biāo)準(zhǔn)差法等。本文采用z-score標(biāo)準(zhǔn)化法，公式如下

式中:Zi表示標(biāo)準(zhǔn)化后的序列要素值的時(shí)間序列;xi是未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間序列;x是要素序列的均值;s為要素序列的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 綜合指數(shù)Z指

為了表征極端降雨事件的整體發(fā)生狀況，本文推出一個(gè)綜合指數(shù)Z來(lái)反映極端降雨事件在流域的綜合分布情況。本文的綜合指數(shù)Z以MCP、MCD、MCI為基礎(chǔ)，首先分別對(duì)MCP、MCD、MCI三個(gè)序列按式(6)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化序列ZMCP、ZMCD、ZMCI，最后將三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化序列進(jìn)行相加得到綜合指數(shù)。這里的綜合指數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，為了方便研究比較，可在此基礎(chǔ)上加個(gè)大值M，使綜合指數(shù)為正數(shù)，如下式:

3 空間分布特征

利用反距離加權(quán)法對(duì)珠江流域全年、夏季(6－8月)、冬季(12－2月)的MCP、MCD、MCI三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行空間插值，并對(duì)這三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，疊加得到綜合指數(shù)Z，它綜合了三個(gè)指標(biāo)的性質(zhì)，用來(lái)說(shuō)明極端降雨事件的發(fā)生情況(圖2)。圖2a是全年MCP值的空間分布圖，由圖2a可以看出廣東省所在的丘陵區(qū)MCP值較高，廣西所在的丘陵區(qū)MCP值次之，云貴高原區(qū)MCP值最低。這也與降雨由東到西遞減的總體規(guī)律一致，也與所在地形一致。廣東省所在丘陵區(qū)與廣西省所在丘陵之間隔著大桂山、云開(kāi)大山、云霧山等山脈，這些山脈群構(gòu)成了兩廣極端降雨的分界線，而云貴高原則成了另一道分界線。廣東省地區(qū)特別是珠三角地帶的MCP值很大，這可能與城市化的加劇有很大的關(guān)系，導(dǎo)致了城市化區(qū)域暴雨頻繁出現(xiàn)，這也是近些年來(lái)城市市區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)的重要原因;值得注意的是桂林市附近的MCP值也較高，主要是因?yàn)檫@里周?chē)h(huán)繞著諸如天平山、九萬(wàn)大山、海洋山等山脈，為降雨創(chuàng)造了重要條件。

從圖2b可以看出，年MCD在空間分布上也是從東到西依次遞減，只是變化不是很大;圖2c顯示年MCI值僅在幾個(gè)局部地區(qū)出現(xiàn)較高值:以廣州為中心的珠江三角洲地區(qū)、以桂林市為中心的丘陵地區(qū)，以及以百色市為中心的丘陵地帶。圖2d顯示代表降雨集中程度的綜合指數(shù)Z的空間分布圖，該值越高代表降雨的強(qiáng)度越大、時(shí)間越長(zhǎng)、雨量越大，可以用來(lái)辨別易發(fā)生洪災(zāi)的地區(qū)。由圖2d可以看出，珠江三角洲和桂林的Z值較高，是洪水災(zāi)害易發(fā)區(qū)。同樣，圖2e～圖2h分別是夏季的MCP、MCD、MCI和Z值的空間分布圖，這4個(gè)指標(biāo)的空間分布基本和年變化一致，因?yàn)橹榻饔虻慕涤曛饕性谙募?，所以夏季降水可以代表全年的降水空間變化趨勢(shì)。夏季MCP值在珠江三角洲和桂林較大值，整體上從東到西遞減;夏季MCD值在百色出現(xiàn)高值，表明崇左夏季易出現(xiàn)連續(xù)降雨天;夏季MCI值除整體上呈東高西低的趨勢(shì)，在珠三角、桂林、百色等地也出現(xiàn)較高值，表明這些地區(qū)夏季降雨強(qiáng)度偏大。而圖2i～2l顯示冬季MCP、MCD、MCI和Z值的空間分布圖，由圖可以看出，冬季MCP、MCD、MCI值整體較小，其分布趨勢(shì)從東到西依次遞減，但變化不明顯，無(wú)明顯高峰值區(qū)。而Z值在韶關(guān)出現(xiàn)高值，說(shuō)明韶關(guān)冬季較其他地區(qū)更易出現(xiàn)集中降雨情況。

圖2 降雨指標(biāo)空間分布圖

4 時(shí)間分布特征

運(yùn)用式(1)將MCP、MCD、MCI三個(gè)指標(biāo)的序列值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再加權(quán)平均得到整個(gè)流域區(qū)域平均MCP、MCD、MCI值，運(yùn)用線性回歸和Mann-Kendall法分析其趨勢(shì)與突變特征。由于這三個(gè)指標(biāo)是獨(dú)立分布的，因此可不考慮序列自相關(guān)性，結(jié)果如圖3所示。圖3表明MCP值的年際趨勢(shì)變化不明顯，UF和UB曲線在臨界值±1.96(α=0.05)之間沒(méi)有交點(diǎn)，即不存在突變點(diǎn);而年MCD呈下降趨勢(shì)，也不存在突變點(diǎn);年MCI值則略有上升，雖在置信區(qū)間內(nèi)有交點(diǎn)，但沒(méi)有超出臨界值線，所以其突變點(diǎn)不顯著。圖4表明夏季MCP、MCD、MCI變化趨勢(shì)和突變情況與其年變化特征，在此不再贅述。由圖5可以看出，冬季MCP呈下降趨勢(shì)，但不存在突變點(diǎn);冬季MCD與MCI值均呈上升趨勢(shì)，但也不存在突變點(diǎn)。

圖3 MCP、MCD與MCI的年變化趨勢(shì)與突變分析結(jié)果

圖4 夏季MCP、MCD與MCI的年變化趨勢(shì)與突變分析結(jié)果

圖5 冬季MCP、MCD與MCI的年變化趨勢(shì)與突變分析結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)研究結(jié)果得出如下結(jié)論。

(1)珠江流域全年、夏季、冬季MCP、MCD、MCI和Z值總體上呈東大西小，這一空間分布特征表明珠江流域下游易發(fā)生強(qiáng)降水，因而發(fā)生洪災(zāi)的可能性較珠江流域中上游為大。相比較而言，廣西丘陵區(qū)比云貴高原區(qū)易發(fā)生強(qiáng)降水，因而其發(fā)生洪災(zāi)的可能性也較大。

(2)珠江流域近42年極端降雨沒(méi)有出現(xiàn)顯著突變;就極端降水指標(biāo)的年變化及其在夏季與冬季的變化特征來(lái)看，極端降雨總量無(wú)明顯變化，雖然極端降雨強(qiáng)度均略有上升，但突變特征不明顯。

(3)極端降雨事件與地形有很大關(guān)系，極端強(qiáng)降水多發(fā)地區(qū)往往是周?chē)猩矫}或高大地形的地區(qū)，如珠三角西側(cè)有云開(kāi)大山、云霧山，桂林西側(cè)有天平山，百色則與云貴高原接壤，崇左市有十萬(wàn)大山、大青山、西大明山環(huán)繞。這些區(qū)域地形起伏較大，且易發(fā)生強(qiáng)降水，因而這些區(qū)域往往也是暴雨山洪多發(fā)區(qū)域。

［1］IPCC．Contribution of working group II to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change:climate change 2007:Impacts，adaptation and vulnerability［M］．Cambridge，UKandNewYork，USA:Cambridge University Press，2007．

［2］江志紅．21世紀(jì)中國(guó)極端降水事件預(yù)估［J］．氣候變化研究進(jìn)展，2007，3(4):202－207．

［3］McBean G．Climate change and extreme weather:A basis for action［J］．Natural Hazards，2004，31(1):177－190．

［4］Zhang Q，Xu C-y，Gemmer M，et al．Changing properties of precipitation concentration in the Pearl River basin，China［J］．Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2009，23(3):377－385．

［5］王兆禮，陳曉宏，張靈，等．近40年來(lái)珠江流域降水量的時(shí)空演變特征［J］．水文，2006，26(6):71－75．

［6］Wang W，Chen X，Shi P，et al．Detecting changes in extreme precipitation and extreme stream flow in the Dongjiang River Basin in southern China［J］．Hydrology and Earth System Sciences，2008，12(1):207－221．

［7］黃增明．珠江流域的降水特征［J］．人民珠江，1982(1):18－26．

［8］Mann H B．Nonparametric tests against trend［J］．Econometrica，1945，13(3):245－259．

［9］Kendall M，Gibbons J．Rank correlation methods［M］．A Charles Griffin Title，1975．

［10］Zhao F F，Xu Z X，Huang J X，et al．Monotonic trend and abrupt changes for major climate variables in the headwater catchment of the Yellow River basin［M］．Chichester，ROYAUMEUNI:Wiley，2008:13．

［11］Jiang J M，You X T．Where and when did an abrupt climatic change occur in China during the last 43 years?［J］．Theoretical and Applied Climatology，1996，55(1):33－39．

［12］Zhang Q，Xu C Y，Becker S，et al．Trends and abrupt changes of precipitation maxima in the Pearl River basin，China［J］．Atmospheric Science Letters，2009，10(2):132－144．

［13］Yang Y H，Tian F．Abrupt change of runoff and its major driving factors in Haihe River Catchment，China［J］．Journal of Hydrology，2009，374(3/4):373－383．

［14］Shi N，Zhu Q．An abrutp change in the intensity of the east asian summer monsoon index and its relationship with temperature and precipitation over east china［J］．International Journal of Climatology，1996，16(7):757－764．

［15］魏鳳英．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷預(yù)測(cè)技術(shù)［M］．北京:氣象出版社，1999．