長江流域極端降雨事件時空分布特征

張 俊1，高 雅 琦，徐 衛(wèi) 立1，熊 開 國，杜 良 敏

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133； 2.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074)

長江流域是我國洪澇災(zāi)害發(fā)生最頻繁、抗災(zāi)費(fèi)用最高的地區(qū)，而極端氣候的發(fā)生對于長江流域的影響極為嚴(yán)重[1-4]。長江流域跨越我國地勢的三級階梯，流域內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，既有號稱“世界屋脊”的青藏高原，又有不同高度的山脈，還有高中低的盆地、形態(tài)各異的丘陵和海拔很低的平原[5]。在氣候特征上，長江流域既受太平洋的影響，又受到印度洋西南季風(fēng)的影響。受復(fù)雜的地形地貌和多變的季風(fēng)氣候的影響，長江流域的降雨氣候預(yù)測研究顯得尤為復(fù)雜[6]。

全球氣候變暖加劇了極端天氣、氣候事件的發(fā)生[7-8]。近年來有許多學(xué)者對中國的極端降雨進(jìn)行研究，取到了大量成果。翟盤茂等[9-10]對中國極端降雨的研究中指出，全國降雨總量的時間變化趨勢并不明顯，但是降雨的強(qiáng)度在增強(qiáng)。劉小寧等[11]也發(fā)現(xiàn)全國暴雨日數(shù)明顯增加，降雨強(qiáng)度變大。對于長江流域極端降雨的研究多集中在日時間尺度強(qiáng)降雨事件，如王蒙等[12]研究近52 a長江中下游地區(qū)最大日降雨的時空變化情況，潘欣等[13]采用多種表征極端降雨的參數(shù)來研究長江流域極端降雨過程的時間變化。從長江流域旱澇年基礎(chǔ)上開展不同區(qū)域極端降雨分布特征來判斷極端氣候事件的研究較少。

本文對1961～2016年長江流域不同子流域的年時間尺度的極端降雨情況進(jìn)行統(tǒng)計，分析極端多雨/少雨降雨氣候事件的時間變化特征，以及不同子流域間極端事件的相關(guān)關(guān)系，以期望為后續(xù)極端氣候事件成因診斷以及氣候預(yù)測奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為三峽工程電力生產(chǎn)、防洪抗旱等工作提供決策服務(wù)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用資料為1961～2017年長江流域700個氣象臺站逐年降雨量資料，利用泰森多邊形法[14-17]將站點(diǎn)降雨轉(zhuǎn)化為分區(qū)面雨量。

1.2 子流域分區(qū)

將長江流域空間分區(qū)按照3個層次劃分，首先是一級分區(qū)，即整個長江流域作為一個分區(qū)；其次是二級分區(qū)，將長江流域分為3個區(qū)域，分別為金沙江流域(簡稱金沙江)、長江上游傳統(tǒng)五大流域(簡稱傳統(tǒng)上游)和長江中下游(簡稱中下游)；最后是三級分區(qū)，將長江流域細(xì)分為9個區(qū)域，金沙江流域石鼓以上(簡稱石鼓以上)、金沙江流域石鼓以下(簡稱石鼓以下)、岷沱江流域(簡稱岷沱江)、嘉陵江流域(簡稱嘉陵江)、宜賓-重慶區(qū)間(簡稱宜賓-重慶)、重慶-宜昌區(qū)間(簡稱重慶-宜昌)、烏江流域(簡稱烏江)、漢江流域及中游干流(簡稱漢江及中游干流)和兩湖流域(簡稱兩湖)，見圖1。

圖1 長江流域分區(qū)示意Fig.1 Yangtze River Basin Zoning

1.3 極端降雨閾值的確定

利用Lilliefors檢驗(yàn)方法對各個子流域進(jìn)行年面雨量降雨的正態(tài)性檢驗(yàn)。 Lilliefors檢驗(yàn)是對Kolmogorov—Smirnov檢驗(yàn)的一種改進(jìn)，該方法樣本標(biāo)準(zhǔn)化避免了在正態(tài)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)之前對分布參數(shù)的估計，因此該方法可在小樣本條件下使用[18-20]。

圖2給出了長江全流域年面雨量的分布曲線，檢驗(yàn)結(jié)果表明，年面雨量都不能拒絕正態(tài)分布的假設(shè)檢驗(yàn)。將原始的面雨量序列做正態(tài)分布擬合后，計算出各年面雨量在正態(tài)分布中所占百分比，取10%和90%百分比反算出對應(yīng)的面雨量值作為閾值。本文定義10%對應(yīng)的面雨量值為極端少雨氣候事件閾值，90%則為極端多雨氣候事件閾值。變換后的面雨量小于少雨閾值的年份定義為發(fā)生極端少雨事件、面雨量大于多雨閾值的年份定義為發(fā)生極端多雨事件。

圖2 長江全流域年面雨量分布擬合Fig.2 The distribution of annual surface rainfall in the Yangtze River Basin

1.4 長江流域不同分區(qū)極端降雨閾值和極端氣候年份

根據(jù)極端降雨氣候事件的定義，確定了年時間尺度上，不同空間分區(qū)的極端降雨的閾值(見表1)和極端降雨氣候年份(見表2)。長江流域面積大，降雨時空分布不均，呈現(xiàn)出西少東多，北少南多。極端多雨氣候事件的閾值與降雨量的時空分布特征對應(yīng)，兩湖閾值最大，為1 746.6 mm，而金沙江閾值最小，為706.1 mm。極端少雨氣候事件的閾值也呈現(xiàn)出相同的空間分布，兩湖閾值最大，為1 261.6 mm,而金沙江閾值最小，為585.0 mm。

表1 長江流域各分區(qū)極端降雨閾值Tab.1 The threshold of extreme precipitation event in the Yangtze River Basin mm

2 極端降雨氣候事件時間分布特征

從長江各流域年極端降雨氣候事件時間分布圖(見表2和圖3)來看，長江全流域近56 a共發(fā)生極端降雨事件11次，其中極端多雨事件5次，多雨極值出現(xiàn)在2016年，其面雨量為1 202.6 mm；極端少雨事件6次，少雨極值出現(xiàn)在1978年，其面雨量為868.6 mm。長江全流域降雨較為集中地出現(xiàn)在20世紀(jì)80～90年代，近10 a處在由少雨向多雨轉(zhuǎn)變的年代際背景中。

表2 長江流域極端降雨年份Tab.2 The years with extreme precipitation event in the Yangtze River Basin

金沙江近56 a中極端降雨事件有12次，主要集中在20世紀(jì)60～70年代和1990～2000年代，其中1998年為歷史排位第1的極端多雨年，年面雨量為766.00 mm；極端少雨極值年為2011年，年面雨量為555.9 mm。傳統(tǒng)上游極端多雨的7 a中有5 a發(fā)生在20世紀(jì)80年代中葉前，降雨偏多的極值年是1967年，年面雨量達(dá)1 108.7 mm；極端少雨年有4次，均發(fā)生在20世紀(jì)80年代中葉后期，其中極值發(fā)生在2006年，該年的年面雨量為808.5 mm。中下游極端降雨年份有13 a，其中極端多雨5 a，年面雨量極大值為1 632.7 mm，出現(xiàn)在2016年；極端少雨年有8 a，年面雨量極小值為986.7 mm，出現(xiàn)在1978年。

金沙江降雨的一致性較好，即石鼓以上和石鼓以下不會出現(xiàn)旱澇并重的情況。而傳統(tǒng)上游降雨的區(qū)域性較強(qiáng)，會出現(xiàn)旱澇并重的情況，例如1966，1981，1996，2013年，在這4 a中均是烏江與嘉陵江，或者岷沱江出現(xiàn)反位相關(guān)系。

中下游年面雨量呈現(xiàn)明顯的準(zhǔn)2 a振蕩特征，極端多雨事件和極端少雨事件也是交替發(fā)生，且降雨的區(qū)域一致較好。但是在1963，1966，1996，2002，2012年中下游與上游出現(xiàn)降雨反位相的情況。

總體來看，20世紀(jì)60年代上游極端多雨事件頻發(fā)，70年代以全流域極端少雨為主，80年代極端多雨事件中心轉(zhuǎn)移至中下游，90年代上游變?yōu)闃O端少雨事件中心；2000年以來，上游除金沙江極端多雨事件偏多，其他區(qū)域極端少雨事件偏多，與此同時，中下游極端多雨事件也偏多。

3 極端降雨年的空間分布特征

3.1 各區(qū)域之間年雨量相關(guān)性

利用1961～2016年面雨量序列，采用相關(guān)分析法計算每兩個流域面雨量之間的相關(guān)系數(shù)(見圖4)。結(jié)果顯示：相互包含的流域之間的年雨量普遍有較好的相關(guān)性；此外，發(fā)現(xiàn)漢江-中游干流和重慶-宜昌，烏江與宜賓-重慶、重慶-宜昌、漢江-中游干流相關(guān)系數(shù)超過0.5，且通過0.05信度檢驗(yàn)，地理位置越接近的子流域之間相關(guān)性越好。

圖3 長江各流域年極端降雨氣候事件歷史分布Fig.3 Distribution of the years with extreme precipitation climate events in the Yangtze River basins

注：實(shí)線邊框通過0.05信度檢驗(yàn)。圖4 不同流域年面雨量相關(guān)系數(shù)分布Fig.4 The correlation coefficient of annual surface rainfalls in different watersheds

3.2 極端多雨年空間特征

按照表2中統(tǒng)計各分區(qū)的極端多雨年，分別進(jìn)行了極端多雨年正距平頻次合成，見圖5。從圖5分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長江全流域發(fā)生極端多雨事件時，除長江上游北部外，其他大部降雨均顯著偏多。當(dāng)金沙江流域發(fā)生極端多雨事件時，宜賓-重慶、烏江南部降雨也同時異常偏多。當(dāng)傳統(tǒng)上游發(fā)生極端多雨事件時，整個長江中游降雨均出現(xiàn)異常偏多，但石鼓以上降雨異常偏少。中,下游發(fā)生極端多雨事件時，包括上游東部在內(nèi)的地區(qū)降雨均異常偏多，僅石鼓以上降雨偏少。分析中發(fā)現(xiàn)金沙江往往與其他流域出現(xiàn)相反情況，可能的原因有金沙江上游屬橫斷山脈地區(qū)，地理、地勢環(huán)境復(fù)雜，觀測站點(diǎn)少，降雨信息獲取不足，該流域既受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，又受青藏高原影響，加之地形的影響，降雨影響系統(tǒng)與中下游地區(qū)也并不完全相同。

當(dāng)石鼓以上或石鼓以下發(fā)生極端多雨事件時，上游以降雨偏多為主，下游以降雨偏少為主，但是在岷沱江會出現(xiàn)降雨偏少中心。當(dāng)岷沱江或嘉陵江發(fā)生極端多雨事件時，降雨偏多異常中心也位于此地區(qū)，其他流域降雨偏少。當(dāng)宜賓-重慶發(fā)生極端多雨事件的同時，石鼓以下及烏江降雨容易偏多，降雨偏多的中心偏向于上游；重慶-宜昌極端多雨情況與宜賓-重慶相反，當(dāng)重慶-宜昌區(qū)間發(fā)生極端多雨事件時，降雨偏多的中心偏向于長江中下游。烏江與重慶-宜昌極端多雨情況類似。當(dāng)漢江及中游干流發(fā)生極端多雨事件時，長江上、中、下游干流區(qū)間降雨容易偏多，而岷沱江和兩湖流域降雨容易偏少，呈現(xiàn)長江流域西北部和東南少，中間降雨多；當(dāng)兩湖發(fā)生極端多雨事件時，上游東部至中下游大部地區(qū)降雨異常偏多，呈現(xiàn)出東多西少的降雨形態(tài)。

圖5 各流域極端多雨年正距平頻次合成Fig.5 Positive anomaly frequency composition of extreme rainy events in different watersheds

3.3 極端少雨年空間特征

同理，從長江流域各子流域極端少雨降雨事件合成圖上(見圖6)分析發(fā)現(xiàn)，極端少雨情況與極端多雨情況并不相同，當(dāng)子流域發(fā)生極端少雨事件時，其他流域大部也是以降雨偏少為主，空間的一致性較好。但是子流域發(fā)生極端多雨時，存在大部分地區(qū)少雨的情況。

當(dāng)金沙江發(fā)生極端少雨事件時，兩湖南部有降雨偏多情況。無論是石鼓以上還是石鼓以下降雨偏少的情況下，降雨異常少的中心出現(xiàn)在漢江。當(dāng)傳統(tǒng)上游發(fā)生極端少雨事件時，除石鼓以下和兩湖南部降雨偏多外，長江流域大部降雨異常偏少。岷沱江和嘉陵江情況類似，流域大部分降雨偏少，僅僅在長江流域南部有降雨偏多的情況。當(dāng)烏江發(fā)生極端少雨事件時，除岷沱江和嘉陵江的北部容易降雨偏多外，整個長江大部降雨容易偏少，宜賓-重慶極端少雨與烏江類似。重慶-宜昌和漢江極端少雨情況類似，出現(xiàn)極端少雨年份較為一致，說明兩者空間性一致。當(dāng)重慶-宜昌和漢江極端少雨時，長江大部分地區(qū)降雨偏少，僅僅在岷沱江和金沙江南部容易出現(xiàn)降雨偏多情況。兩湖降雨偏少時，長江以大部偏少為主，降雨偏多的可能性出現(xiàn)在金沙江上游、嘉陵江北部和重慶-宜昌。

圖6 各流域極端少雨年正距平頻次合成Fig.6 Positive anomaly frequency compose of extreme rainless events in different watersheds

4 結(jié)果與討論

通過分析長江流域及其子流域1961～2016年年極端降雨事件的時空分布特征，揭示了長江流域極端多雨和極端少雨事件的時空分布特征和一些變化特點(diǎn)，得到以下結(jié)論。

(1) 20世紀(jì)60年代長江上游極端多雨事件頻發(fā)，70年代以全流域極端少雨為主，80年代極端多雨事件中心轉(zhuǎn)移至長江中下游，90年代長江上游多發(fā)生極端少雨事件；2000年以來，長江流域處在由少雨向多雨轉(zhuǎn)變的年代際背景中。

(2) 長江流域相互包含的區(qū)域之間年面雨量普遍有較好相關(guān)性，此外，地理位置越接近的子流域之間相關(guān)性越好。

(3) 當(dāng)子流域發(fā)生極端少雨事件時，其他流域大部也是以降雨偏少為主，空間的一致性較好。但是子流域發(fā)生極端多雨時，存在大部分地區(qū)少雨的情況。其中，值得關(guān)注的是當(dāng)長江上游大部地區(qū)或中下游發(fā)生極端多雨事件時，金沙江流域往往與其他流域出現(xiàn)相反情況，可能的原因有金沙江上游屬橫斷山脈地區(qū)，地理、地勢環(huán)境復(fù)雜，觀測站點(diǎn)少，降雨信息獲取不足。

本文對長江流域的極端多雨和少雨氣候事件進(jìn)行了分析，其中有很多現(xiàn)象值得關(guān)注，例如當(dāng)傳統(tǒng)上游流域發(fā)生極端少雨事件時，長江流域大部降雨異常偏少，在石鼓以下和兩湖南部降雨偏多。從氣候預(yù)測的角度來看，當(dāng)考慮長江流域上游降雨偏少時，往往會認(rèn)為一致偏少，就會忽略石鼓以下多雨的可能情況，這對氣候預(yù)測來說非常困難。然而，金沙江下游水電資源豐富，水電工程多，降雨的預(yù)測又至關(guān)重要。后期我們將圍繞長江流域極端降雨氣候成因診斷以及氣候預(yù)測方法開展工作。