近60 a灘坑流域極端降水的氣候變化特征分析*

史珩瑜 任晨平 朱占云 王菊芬 方楠 丁雨鑫

(1.浙江省預(yù)警信息發(fā)布中心，浙江 杭州 310017；2.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017；3.浙江浙能北海水利發(fā)電有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引 言

隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率及強(qiáng)度不斷增大[1]，有研究表明，這些現(xiàn)象與降水特別是極端強(qiáng)降水事件時(shí)空分布發(fā)生變異有著密切的關(guān)系[2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告(AR5)指出[3]，自1950年左右以來，已經(jīng)觀測到了許多極端天氣和氣候事件的變化，其中包括一些區(qū)域強(qiáng)降水事件數(shù)量的增加。Alexander[4]等進(jìn)一步指出20世紀(jì)，特別在北半球的中高緯度區(qū)域，即使在平均降水減少的地區(qū)，極端降水的頻率和強(qiáng)度也在顯著增加。因此，掌握區(qū)域極端降水事件的特征，了解其變化及發(fā)展規(guī)律，對(duì)于合理制定應(yīng)對(duì)極端天氣氣候事件所引發(fā)災(zāi)害的措施是十分必要的。

有學(xué)者[5-7]研究認(rèn)為極端降水強(qiáng)度在中國東南部強(qiáng)于西北部，與年降水量密切相關(guān)。通過對(duì)一系列中小尺度地形的研究發(fā)現(xiàn)[8-16]，大尺度的區(qū)域氣候變化特點(diǎn)和趨勢(shì)雖然具有較高的一致性，但不同區(qū)域的降水變化特點(diǎn)和規(guī)律存在較大的時(shí)空差異。例如黃河流域極端降水量、降水頻數(shù)、降水強(qiáng)度在53 a間均呈微弱下降趨勢(shì)[17]，而西寧各極端降水指標(biāo)整體上均呈增加趨勢(shì)[18]。因此不同地區(qū)的仍需開展更為詳盡、細(xì)致的工作。

灘坑水庫位于浙江省南部地區(qū)，坐落在浙江八大水系之一的甌江，壩址以上流域面積3330 km2，是浙江省庫容最大的水庫之一，流域受亞熱帶季風(fēng)影響，雨量充沛但年際變化較大。本文利用近60 a的逐日降水資料研究灘坑流域極端降水的變化特征，為水庫防洪抗旱、決策調(diào)度等提供了理論支撐。

1. 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

本文使用的資料為灘坑水庫15個(gè)雨量站1959—2018年的日降水?dāng)?shù)據(jù)，雨量站的分布情況如圖1所示。該序列數(shù)據(jù)經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測控制及錯(cuò)誤值修正，對(duì)于缺測值的插補(bǔ)方法為采用同日周邊站點(diǎn)的數(shù)值，按照比例法進(jìn)行插補(bǔ)，以確保得到的降水時(shí)間序列完整性好且真實(shí)可靠。

1.2 極端降水指數(shù)介紹

世界氣象組織(WMO)氣候委員會(huì)曾在氣候變化監(jiān)測會(huì)議中提出了一套極端氣候指數(shù)，本文采用其中的6個(gè)極端降水指標(biāo)(表1)以研究灘坑流域的極端降水變化，這些指標(biāo)綜合考慮了降水事件的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，可以從不同方面刻畫極端降水的特征。

圖1 灘坑流域雨量站分布示意圖

表1 極端降水指標(biāo)

指標(biāo)縮寫定義單位年降水量PRCPTOT年內(nèi)日降水量大于等于1mm的累積降水量mm最大連續(xù)雨日CWD日降水量大于等于1mm的連續(xù)日數(shù)最大值d暴雨日數(shù)R50mm日降水量大于等于50mm的日數(shù)d極端降水量R95日降水量大于多年平均的第95個(gè)百分位數(shù)的總降水量mm5d最大降水量Rx5day連續(xù)5d最大降水總量mm日降水強(qiáng)度SDⅡ日降水量大于等于1mm的總降水量與降水日數(shù)的比值mm/d

1.3 平均降水量計(jì)算方法介紹

本文采用泰森多邊形法計(jì)算灘坑流域的平均降水量。泰森多邊形法又稱為垂直平分法或加權(quán)平均法，是由美國氣候?qū)W家Alfred H.Thiessen提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站降雨量來計(jì)算平均降雨量的方法。

具體方法為，首先通過連接相鄰雨量站點(diǎn)，把區(qū)域劃分為大量的銳角三角形，接著在三角形的每一邊作垂直平分線，每一站點(diǎn)周圍的相互的垂直平分線形成一個(gè)多邊形，計(jì)算該多邊形面積與流域面積之比，作為各多邊形上的降雨權(quán)重系數(shù)，最后用各站點(diǎn)雨景與該站所占面積權(quán)重相乘后累加即可，公式如下：

2. 結(jié)果與分析

2.1 灘坑流域年降水量變化特征

圖2反映了1959—2018年灘坑流域的年降水總量(PRCPTOT)的變化情況，由圖1可知，在整個(gè)研究時(shí)段上，PRCPTOT整體在波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)，線性擬合線的年際傾向率為6.2 mm/d，并通過了0.05置信水平的顯著性檢驗(yàn)，說明PRCPTOT在1959—2018年期間的增加趨勢(shì)是顯著的。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，近60 a來PRCPTOT變化有很強(qiáng)的不規(guī)則性。PRCPTOT的最大值為2300.0 mm，出現(xiàn)在2016年，最小值為1978年的972.9 mm，相差兩倍之多。具體來看，1960—1968年是流域歷史上PRCPTOT持續(xù)偏少最長的一段時(shí)間；2012—2018年P(guān)RCPTOT連續(xù)偏多，是流域持續(xù)時(shí)間最長的一段豐水期；1969—2011年P(guān)RCPTOT偏多偏少交替出現(xiàn)，其中1969—1977年整體呈降水量偏多的態(tài)勢(shì)，1978—1988年降水量由前期的整體偏多轉(zhuǎn)為整體偏少，1989—1999年降水量轉(zhuǎn)為偏多，2000—2011年降水量整體偏少。

圖2 1959—2018年灘坑流域年降水總量(PRCPTOT)變化曲線

2.2灘坑流域極端降水年際變化趨勢(shì)分析

極端降水事件的變化趨勢(shì)一直是學(xué)者們關(guān)心的熱點(diǎn)問題，已有研究[5,19]指出20世紀(jì)60年代以來，中國南方地區(qū)的極端降水事件主要呈現(xiàn)出增多趨勢(shì)，但在不同的區(qū)域有不同的干、濕傾向，那么灘坑流域的極端降水在近60 a間是如何變化的呢？

灘坑流域1959—2018年期間的極端降水指標(biāo)年際變化如圖3所示。在1959—2018年期間，灘坑流域CWD、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ的最大值分別為21 d(2014年)、11 d(1999年)、1390.1 mm(1983年)、387.7 mm(1996年)和16.4 mm(1983年)；各指標(biāo)的最小值分別為5 d(1981年)、0 d(2005年和2011年)、300.3 mm(1978年)、89.4 mm(1978年)和8.2 mm(2011年)。

從圖3可知，1959—2018年各指標(biāo)存在明顯的波動(dòng)變化。從整個(gè)研究序列上看，CWD的線性擬合曲線呈現(xiàn)中增加的趨勢(shì)，年際傾向率為0.09 d/a，且通過了0.05置信水平的顯著性檢驗(yàn)，這表明在1959—2018年期間灘坑水庫CWD呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)變化。R95、R50mm、Rx5day和SDⅡ在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)震蕩顯著，但沒有明顯的增加或減少的趨勢(shì)。

CWD在波動(dòng)中整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中在20世紀(jì)90年代后期之前，CWD上升趨勢(shì)不顯著，在90年代后期進(jìn)入顯著的上升階段。Rx5day在研究時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)為“雙峰型”特征，這2個(gè)峰值分別為20世紀(jì)60年代后期到70年代中期和20世紀(jì)90年代期間。R95和R50mm變化曲線相似，分別在1973年、1983年和1999年出現(xiàn)了3個(gè)極值點(diǎn)，可見灘坑流域的極端強(qiáng)降水與ENSO事件不無關(guān)系，相關(guān)研究將在后續(xù)工作中展開。SDⅡ在研究時(shí)段內(nèi)大致呈“增加-減少”的變化趨勢(shì)，從20世紀(jì)50年代末至90年代末，整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，21世紀(jì)初至今，指標(biāo)在波動(dòng)中下降。

綜上所述，CWD呈上升趨勢(shì)且通過了0.05置信水平的顯著性檢驗(yàn)；Rx5day、R95、R50mm和SDⅡ震蕩明顯，20世紀(jì)60年代后期到70年代中期和20世紀(jì)90年代處于偏強(qiáng)時(shí)期，在進(jìn)入21世紀(jì)后，各指標(biāo)減弱。

圖3 灘坑水庫1959—2018年5個(gè)極端降水指標(biāo)年際變化曲線

2.3 極端降水指標(biāo)的相關(guān)性分析

有學(xué)者研究表明極端降水事件與PRCPTOT之間存在密切的關(guān)系[20,21]。計(jì)算1959—2018年灘坑流域各極端降水指標(biāo)序列之間的簡單相關(guān)系數(shù)，并對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，PRCPTOT與R95、SDⅡ、R50mm、Rx5day、CWD的簡單相關(guān)系數(shù)分別為0.738、0.662、0.632、0.546、0.375，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，這表明總降水量最能反映極端降水情況，其增加或減少，會(huì)引起其他極端降水指標(biāo)的增加或減少，與前人的研究結(jié)論相符。

注：*通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)

由相關(guān)分析結(jié)果還可看出，CWD僅與PRCPTOT存在顯著正相關(guān)，與R95、R50mm、SDⅡ和Rx5day的相關(guān)性都不顯著，而R95、R50mm、SDⅡ和Rx5day四者之間均呈正相關(guān)，且都通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明其之間有很好的一致性。

2.4 極端降水量對(duì)PRCPTOT貢獻(xiàn)率的變化分析

前面已經(jīng)分析了PRCPTOT對(duì)極端降水情況有很好的指示性，這里詳細(xì)分析灘坑流域各極端降水量對(duì)PRCPTOT貢獻(xiàn)的變化情況。圖4反映的是1959—2018年各極端降水量對(duì)年總降水量的貢獻(xiàn)，黑色曲線表示貢獻(xiàn)率的變化情況。由圖可知，最大連續(xù)雨日總降水量、50 mm以上總降水量、R95和Rx5day對(duì)PRCPTOT的貢獻(xiàn)率分別在2%～26%、0～38%、7%～43%和8%～16%之間分布，年際差異較大。

一般來說，年總降水量大的年份，各極端降水量值也相對(duì)較大，貢獻(xiàn)率也相對(duì)較高。比如，20世紀(jì)60年代后期到70年代中期和20世紀(jì)90年代是各極端降水量對(duì)PRCPTOT貢獻(xiàn)較高的兩段時(shí)期，同時(shí)也是PRCPTOT整體偏多的時(shí)期；而20世紀(jì)70年代后期到80年代后期PRCPTOT整體偏少，各極端降水量對(duì)PRCPTOT的貢獻(xiàn)率也相對(duì)較低。進(jìn)入21世紀(jì)10年代后，盡管PRCPTOT是明顯偏多的，但是各極端降水量的貢獻(xiàn)率并沒有明顯上升趨勢(shì)，與21世紀(jì)00年代的貢獻(xiàn)率相近。

圖4 各極端降水量對(duì)總降水量貢獻(xiàn)率的變化情況

3 結(jié) 語

本文基于灘坑水庫1959—2018年的日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了CWD、PRCPTOT、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ這6個(gè)極端降水指標(biāo)以及極端降水量對(duì)PRCPTOT貢獻(xiàn)率的變化特征，主要得到以下結(jié)論。

1)PRCPTOT在1959—2018年期間的增加趨勢(shì)是顯著的，整體經(jīng)歷了“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多”的變化過程，其中，1960—1968年P(guān)RCPTOT持續(xù)偏少，是流域持續(xù)時(shí)間最長的一段枯水期；2012—2018年持續(xù)偏多，是流域持續(xù)時(shí)間最長的一段豐水期。

2)近60 a來，灘坑流域CWD呈上升趨勢(shì)且通過了0.05置信水平的顯著性檢驗(yàn)，并在20世紀(jì)90年代后期進(jìn)入顯著的上升階段；其他極端降水指標(biāo)Rx5day、R95、R50mm和SDⅡ在研究時(shí)段內(nèi)震蕩明顯，沒有明顯的變化趨勢(shì)，其中20世紀(jì)60年代后期到70年代中期和20世紀(jì)90年代處于偏強(qiáng)時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)之后，各指標(biāo)處于偏弱時(shí)期。

3)PRCPTOT對(duì)極端降水情況有指示性，其與其他極端降水指標(biāo)之間存在顯著的正相關(guān)。20世紀(jì)60年代后期到70年代中期和20世紀(jì)90年代期間，各極端降水量對(duì)PRCPTOT貢獻(xiàn)較高，20世紀(jì)70年代后期到80年代后期各極端降水量貢獻(xiàn)率較低，進(jìn)入21世紀(jì)10年代后，這種變化的一致性被打破，PRCPTOT整體偏多，但極端降水量的貢獻(xiàn)率和SDⅡ并沒有增加趨勢(shì)，說明灘坑流域弱降水日數(shù)增多。

本文使用PRCPTOT、CWD、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ這6個(gè)極端降水指標(biāo)，對(duì)灘坑水庫流域的極端降水的氣候變化特征進(jìn)行了分析，但其變化的影響因素及歸因問題尚未涉及，相關(guān)研究指出東亞季風(fēng)和厄爾尼諾事件對(duì)我國降水的分布和強(qiáng)度[22-24]有重要影響，有關(guān)灘坑極端降水的影響因素將在后續(xù)研究中開展。