黃柏河流域近40年極端降水變化特性分析

黃珂珂 董曉華 陳 亮 張 清 嚴東英

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430072)

極端降水事件與洪澇災(zāi)害密切相關(guān)[1],其引發(fā)的災(zāi)害給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活、自然生態(tài)造成巨大的損失[2-5].系統(tǒng)地研究極端降水事件的時空演變特征對減少極端降水事件的危害有非常重要的意義.近年來,越來越多的專家學(xué)者開始關(guān)注極端降水事件.孫軍[6]等人利用中國2 000多個站點50年以上的日降水資料提取6個極端降水指數(shù),結(jié)果表明極端降水與年總降水趨勢不完全一致,但與夏季總降水有更加一致的趨勢性;畢寶貴[7]等人將2016年的強對流和極端降水天氣特征與1981年以來的同期天氣對比分析,發(fā)現(xiàn)超強厄爾尼諾事件結(jié)束當(dāng)年,極端降水和強對流天氣發(fā)生頻次明顯較多;時光訓(xùn)[8]等人利用長江流域131個氣象站數(shù)據(jù),分析了長江流域極端降水的時空變化特征,結(jié)果表明長江流域主要強降水指數(shù)變化呈增加趨勢,降水過程不穩(wěn)定,容易發(fā)生洪澇災(zāi)害;潘欣[9]等人采用長江流域內(nèi)1960～2010年逐日降水資料,分析了長江流域極端降水特性,結(jié)果表明未來極端降水將繼續(xù)以上升趨勢為主,流域洪澇災(zāi)害風(fēng)險加大.周蘭庭[10]等人采用了云物元模型對極端降雨事件增多地區(qū)的土石壩進行安全評價.

宜昌市河網(wǎng)密集、水量豐富,多年平均降水量1 220 mm,4～9月降水量占全年降水總量的70%～80%,洪澇災(zāi)害頻發(fā)[11-12].黃柏河是宜昌市重要的水源地[13],為夷陵區(qū)等共7個縣市區(qū)200萬人口及100萬畝農(nóng)田供水.因此,分析黃柏河流域的極端降水事件變化規(guī)律對宜昌市的可持續(xù)發(fā)展意義重大.本文利用極端降水指數(shù)對黃柏河流域的極端降水事件進行研究,有助于初步把握黃柏河流域的降水變化特征,全面分析黃柏河流域極端降水事件變化規(guī)律和趨勢,為預(yù)防黃柏河流域的洪澇災(zāi)害,保障宜昌市用水安全,加強黃柏河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

黃柏河位于宜昌市城區(qū)西北部、長江三峽南津關(guān)下游北岸,全長162 km,流域面積1 902 km2(如圖1所示),是長江的一級支流,分東、西兩條支流,在夷陵區(qū)黃花鄉(xiāng)兩河口匯合,于葛洲壩樞紐三江船閘上游引航道匯入長江.黃柏河流域東支上有尚家河、天福廟、西北口、玄廟觀4座水庫,總庫容約3.2億m3,經(jīng)過幾十年的開發(fā)建設(shè),形成了以防洪、供水、發(fā)電為主的水資源調(diào)配工程體系.

圖1 研究區(qū)流域概況

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文基于黃柏河流域上游的天福廟水庫雨量站和下游的尚家河水庫雨量站1978～2016年逐日降水?dāng)?shù)據(jù),分析該流域極端降水指數(shù)序列的趨勢性和突變性.世界氣象組織氣候?qū)W委員會成立的氣候變化檢測指數(shù)專家組(ETCCDMI)為了定量研究極端氣候事件,提出了27個極端氣候指數(shù),在極端氣候變化研究中得到廣泛應(yīng)用[14-16].本文選取了其中幾個與極端降水相關(guān)的指數(shù)進行分析,包括大雨日數(shù)、年降水強度、異常降水總量、連續(xù)無雨日數(shù)、連續(xù)降水日數(shù)、年降水量.這些指數(shù)用于表征研究區(qū)的極端降水的強度、持續(xù)時間及降水量等方面的變化.本文基于這些極端降水指數(shù)(見表1),分析黃柏河流域極端降水事件的變化特性.

表1 極端降水指數(shù)

為分析極端降水指數(shù)在空間上的分布特征,計算 兩雨量站極端降水指數(shù)多年平均值(見表2).除年降水量(PRCPTOT)相差較大(相差20 mm左右),其他極端降水指數(shù)多年平均值均相差不大.

表2 極端降水指數(shù)多年平均值

2.2 研究方法

由于目前對于極端降水突變現(xiàn)象的物理機制尚不明確,不同檢驗方法可能會導(dǎo)致不同的結(jié)果,本文采用多種方法對極端降水指數(shù)進行突變和趨勢性分析,研究黃柏河流域極端降水事件的變化特性.

利用滑動平均法[17]和Sen's法[18-19]對極端降水指數(shù)進行趨勢性分析,Kendall秩次相關(guān)檢驗[17]進行趨勢檢驗,取顯著性水平為0.05.滑動平均法可以消除周期變動和隨機波動對時間序列的影響,顯示出事件的發(fā)展方向與趨勢.Sen's法可以計算時間序列的平均變化斜率,顯示出存在明顯上升或下降的時間序列的線性趨勢.

為了分析極端降水指數(shù)的突變特性,采用Pettitt檢驗法和Mann-Kendall法(簡稱M-K法)對極端降水指數(shù)進行突變性分析.M-K法是水文序列中廣泛使用的一種趨勢檢驗方法[20-21].該方法是無參數(shù)的,很少受數(shù)據(jù)序列中異常值的干擾,允許在不進行任何特定分布假設(shè)時調(diào)查數(shù)據(jù)的長期趨勢.Pettitt檢驗法[22]是一種與M-K法類似的非參數(shù)檢驗方法,直接利用秩序列檢測突變點,時間序列中的突變現(xiàn)象不僅能夠判斷出突變點的位置及數(shù)量,還可判斷這些變點在統(tǒng)計意義上是否顯著.

3 結(jié)果及分析

3.1 趨勢性分析

用滑動平均法和Sen's法分析尚家河水庫雨量站和天福廟水庫雨量站1978～2016年的極端降水指數(shù)變化趨勢,利用Kendall秩次相關(guān)檢驗對變化趨勢進行檢驗.其中滑動平均法取滑動長度為5,并繪制5年滑動平均變化曲線.

1)滑動平均法

計算并繪制極端降水指數(shù)五年滑動平均變化曲線并進行分析.

圖2 尚家河水庫雨量站極端降水指數(shù)變化趨勢

由圖2可知,尚家河水庫雨量站大雨日數(shù)Rr25、年降水強度SDII、異常降水總量R95P、連續(xù)無雨日數(shù)CDD、連續(xù)降水日數(shù)CWD、年降水量PRCPTOT的最大值和最小值分別為20 d和5 d、15.48 mm/d和9.21 mm/d、931.8 mm 和457.2 mm、65 d和17 d、10 d和4 d、1 385 mm和737 m.極端降水指數(shù)變化曲線都呈下降趨勢,Rr25下降趨勢不明顯,CWD變化曲線波動幅度逐漸減小.

圖3 天福廟水庫雨量站極端降水指數(shù)變化趨勢

由圖3可知,尚家河水庫雨量站年降水強度SDII、連續(xù)無雨日數(shù)CDD、連續(xù)降水日數(shù)CWD變化曲線都呈下降趨勢,CDD變化曲線下降趨勢明顯.大雨日數(shù)Rr25、異常降水總量R95P、年降水量PRCPTOT變化曲線呈輕微上升趨勢.Rr25、SDII、R95P、CDD、CWD、PRCPTOT的最大值和最小值分別為18 d和4 d、15.06 mm/d和8.44 mm/d、951.7 mm 和379 mm、68 d和16 d、15 d和3 d、1532 mm和591 mm.

2)Sen's斜率估計

計算尚家河水庫和天福廟水庫極端降水指數(shù)的斜率,結(jié)果見表3.由表3可知,尚家河水庫雨量站多年的年降水強度、異常降水總量、連續(xù)無雨日數(shù)、年降水量呈現(xiàn)減小趨勢;大雨日數(shù)、連續(xù)降水日數(shù)趨勢不明顯.天福廟水庫雨量站的多年來年降水量呈上升趨勢;年降水強度、異常降水總量、連續(xù)無雨日數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢;大雨日數(shù)、連續(xù)降水日數(shù)變化趨勢不明顯.

表3 極端降水指數(shù)變化斜率

3)Kendall秩次相關(guān)檢驗法

利用Kendall秩次相關(guān)檢驗法對尚家河水庫雨量站和天福廟水庫雨量站的6個極端降水指數(shù)進行分析,檢驗其趨勢性是否顯著.取信度水平α為0.05,Uα/2的值為1.96.各極端降水量指數(shù)計算結(jié)果見表4.

表4 Kendall秩次相關(guān)檢驗法統(tǒng)計量

由表4可知,尚家河水庫雨量站的連續(xù)降水日數(shù)以及天福廟水庫雨量站的連續(xù)降水日數(shù)、連續(xù)無雨日數(shù)的統(tǒng)計量|U|＞1.96,其多年變化趨勢在0.05置信水平下顯著,其他極端降水指數(shù)變化趨勢不明顯.

滑動平均法和Sen's法對極端降水指數(shù)變化趨勢檢驗結(jié)果大部分是一致的,由于不同方法的原理不同,有個別極端降水指數(shù)變化趨勢不一致.這個主要是由于滑動平均法可以排除周期變動和隨機波動對時間序列的影響,顯示出時間序列的發(fā)展方向與趨勢,而Sen's法適用于存在明顯上升或下降線性趨勢的時間序列.所以對于沒有明顯線性趨勢的時間序列,以滑動平均法的檢驗結(jié)果為準.

3.2 突變性分析

利用Pettitt法和M-K法對尚家河水庫雨量站和天福廟水庫雨量站的極端降水指數(shù)進行突變性分析,分析過程如下所示.

1)Pettitt法

利用Pettitt法對尚家河水庫雨量站和天福廟水庫雨量站1978～2016年6個極端降水指數(shù)進行突變性分析.計算結(jié)果見表5.

表5 Pettitt法統(tǒng)計量

由表5可知,兩雨量站極端降水指數(shù)突變年份主要在2005年和2012年到2016年間.極端降水指數(shù)除天福廟水庫的大雨日數(shù)外,突變不顯著.

2)Mann-Kendall法

繪制尚家河水庫雨量站和天福廟水庫雨量站極端降水指數(shù)M-K突變檢驗曲線并進行變化特性分析.

由圖4可知,尚家河水庫雨量站大雨日數(shù)Rr25、年降水強度SDII、異常降水總量R95P、連續(xù)無雨日數(shù)CDD、連續(xù)降水日數(shù)CWD、年降水量PRCPTOT的UF線在1978～1994年間處于零線以下或附近(Rr25的UF線于1989年為0.08、CDD的UF線于1998年為0.01、PRCPTOT的UF線于1989年為0.13和1993年為0.003)、臨界直線內(nèi),6個極端降水指數(shù)呈減少的趨勢,趨勢不顯著;除CWD的UF曲線于1991～1994年和1996～2000年UF線在零線以上,臨界線以內(nèi),整體上呈現(xiàn)上升趨勢外,其他計算降水指數(shù)在1994年后整體上變化趨勢不明顯;Rr25、SDII、R95P、CDD、CWD、PRCPTOT的 UF和UB線在兩臨界線間存在交點,可能突變年份分別為2004年、2005年和2012年、2006年、2003年和2011年、1995年、2006年和2014年,突變顯著.

圖4 尚家河水庫雨量站極端降水指數(shù)M-K曲線

由圖5可知,天福廟水庫雨量站大雨日數(shù)Rr25、年降水強度SDII、異常降水總量R95P、連續(xù)無雨日數(shù)CDD、連續(xù)降水日數(shù)CWD、年降水量PRCPTOT的UF線分別于1978～2004年(1996、1997年都為0.19)、1978～1995年(1992年為0.006)、1978～1995年(1993年為0.03)、1978～1989年、1978～1996年(1987年為0.33)、1978～2004年(2000年為0.33)處于零線以下或附近、臨界直線內(nèi),呈減少趨勢,趨勢不顯著;分別于2005年、2005年、2004年、1989年、1996年、2004年后處于零線以上,整體上呈上升趨勢.Rr25、SDII、R95P、CDD、CWD、PRCPTOT的UF和UB線在兩臨界線間存在交點,可能突變年份分別為2004年、2004年(顯著)、2004年、2003年和2013年(顯著)、2003年(顯著)、2004年.

圖5 天福廟水庫雨量站極端降水指數(shù)M-K曲線

4 結(jié) 論

本文基于黃柏河流域1978～2016年逐日降水量資料,計算了大雨日數(shù)Rr25、年降水強度SDII、異常降水總量R95P、連續(xù)無雨日數(shù)CDD、連續(xù)降水日數(shù)CWD、年降水量PRCPTOT,利用滑動平均法、Sen's斜率估計、Kendall秩次相關(guān)檢驗法、Pettitt法和Mann-Kendall法分析了各指數(shù)的趨勢性和突變性,研究黃柏河流域極端降水變化特性.主要結(jié)果如下：

1)兩雨量站極端降水指數(shù)多年平均值除PRCPTOT相差較大外,其他極端降水指數(shù)多年平均值均相差不大.

2)多年來兩雨量站Rr25變化趨勢不明顯,尚家河水庫雨量站PRCPTOT呈現(xiàn)下降趨勢,天福廟水庫雨量站PRCPTOT呈現(xiàn)上升趨勢,其變化趨勢與尚家河水庫雨量站R95P呈下降趨勢,天福廟水庫雨量站R95P呈上升趨勢相對應(yīng).

3)兩雨量站的CDD、CWD和SDII整體上呈下降趨勢,且CDD和CWD下降趨勢在置信水平0.05內(nèi)顯著.

4)兩雨量站極端降水指數(shù)在1978～1990年左右呈下降趨勢.天福廟水庫雨量站大部分極端降水指數(shù)在2000年以后呈上升趨勢.尚家河水庫雨量站Rr25、SDII、R95P、CDD、CWD、PRCPTOT 分別在2004年、2012年、2006 年、2011 年、1995 年、2014 年發(fā)生突變.天福廟水庫雨量站極端降水指數(shù)分別在2005年、2004年、2005 年、2003 年、2003 年、2005 年左右發(fā)生突變.

上述結(jié)果表明黃柏河流域極端降水指數(shù)多年平均值在空間上變化不大,這是由于黃柏河流域面積較小,位于上游的尚家河水庫和下游的天福廟水庫氣候條件基本相同;年降水量的變化和異常降水總量的變化有關(guān),兩者變化趨勢相同,這是由于異常降水總量是年內(nèi)日降水量高于95%閾值降水量之和,在年降水量中所占比例較大;多年降水年內(nèi)分布逐漸均勻,發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性減小;尚家河水庫雨量站和天福廟水庫雨量站極端降水指數(shù)在1978～1990年左右都呈下降趨勢,兩雨量站大部分極端降水指數(shù)在2003～2006和2011～2014年左右發(fā)生突變,這可能是受到近年來全球氣候變化及人類活動的影響.