1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)極端降水事件時(shí)空變化特征

董釗煜，彭 濤,2,3, 董曉華,2,3, 劉 冀,2,3, 常文娟,2,3, 林青霞,2,3

(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, 湖北 武漢 430072； 3.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

全球變暖是當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)之一。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提出，近百年來全球平均氣溫已上升0.85℃，如果不采取干預(yù)措施，預(yù)計(jì)全球平均氣溫最早在2030年之前將超過工業(yè)化前水平的1.5℃[1]。氣候要素的細(xì)微變化對(duì)極端氣候事件的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響[2-3]。全球變暖導(dǎo)致地氣、海氣系統(tǒng)的能量收支不平衡，進(jìn)而深刻影響全球水循環(huán)過程，加快全球降水量再分配的過程[4]，導(dǎo)致全球季風(fēng)區(qū)極端降水增強(qiáng)尤為顯著[5-7]。近年來，極端降水事件的頻繁發(fā)生對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成了巨大影響[8-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在極端降水領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多研究成果。Alexander等[11]指出，20世紀(jì)以來全球年降水日數(shù)有明顯上升的趨勢(shì)；Griffiths等[12]研究表明，20世紀(jì)美國(guó)東北部的極端降水指數(shù)總體表現(xiàn)為持續(xù)上升態(tài)勢(shì)；Groisman等[13]的研究結(jié)果表明，在美國(guó)、澳大利亞、中國(guó)等國(guó)家，強(qiáng)降水事件呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，可見中國(guó)的極端氣候事件的增多趨勢(shì)與世界是同步的。閔屾等[14]研究認(rèn)為，我國(guó)極端氣候事件的強(qiáng)度與頻率均有所增加，這一結(jié)論在楊金虎等[15]以及Zhang等[16]的研究中也得以證實(shí)；任正果等[17]利用全國(guó)格點(diǎn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)南方地區(qū)年降水量與各極端降水指數(shù)間存在良好的相關(guān)性；Zhai等[18]研究結(jié)果顯示, 我國(guó)北方地區(qū)年降水量呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì), 而西部地區(qū)、長(zhǎng)江流域和東南沿海地區(qū)則呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)，全國(guó)大部分地區(qū)的年降水日數(shù)有顯著的減少趨勢(shì)?？傊?，已有的研究成果表明我國(guó)極端降水事件有極化的趨勢(shì)，并存在顯著的區(qū)域差異[19-24]。

三峽庫(kù)區(qū)是一個(gè)特殊的地理單元和長(zhǎng)江流域重要的生態(tài)功能區(qū)，也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。由于地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，降水年內(nèi)和年際變化大，且地形以山地為主，陡坡比例較高，暴雨沖刷極易造成區(qū)域性洪澇災(zāi)害。由于人類活動(dòng)的影響，庫(kù)區(qū)生物的適生生境不斷退化，生物生存空間縮小，生物多樣性不斷下降或喪失，三峽庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分脆弱[25]。已有研究多集中于三峽庫(kù)區(qū)降水的時(shí)空分布方面[26-27]，對(duì)極端降水事件特征及影響因素等方面深入研究較少。鑒于此，本文選用三峽庫(kù)區(qū)20個(gè)氣象站1960-2016年逐日降水觀測(cè)資料，研究三峽庫(kù)區(qū)極端降水的時(shí)空分布特征與周期特性，并進(jìn)一步探究氣候因子指數(shù)與各極端降水指數(shù)的相關(guān)性，有助于深入理解三峽庫(kù)區(qū)極端降水的變化趨勢(shì)，為三峽庫(kù)區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)和三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度提供決策參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

三峽庫(kù)區(qū)是指三峽大壩建成后蓄水淹沒并有移民任務(wù)涉及的地區(qū)。庫(kù)區(qū)總面積約為5.8×104km2，位于28°31′N～31°44′N、105°50′E～111°40′E之間，海拔高程范圍為-22～2 991 m。三峽庫(kù)區(qū)地處四川盆地與長(zhǎng)江中下游平原的結(jié)合部，逾越鄂中山區(qū)峽谷及川東嶺谷地帶，西起重慶江津，東至湖北宜昌，北屏大巴山、南依川鄂高原。研究區(qū)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季雨量占全年降水量的60%以上。年平均氣溫18℃，年降水量1 000～1 800 mm，氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁。受地形的影響與特殊的地理?xiàng)l件約束，地震、崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。三峽庫(kù)區(qū)及氣象站點(diǎn)分布見圖1。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心(https://www.nmic.cn/)中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集，選取三峽庫(kù)區(qū)及周邊20個(gè)分布均勻、基本無缺測(cè)資料的站點(diǎn)。逐日降水?dāng)?shù)據(jù)序列為1960-2016年，采用雨日閾值為0.1 mm。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程中，對(duì)個(gè)別站點(diǎn)短時(shí)段缺測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段線性插值，對(duì)長(zhǎng)時(shí)段缺測(cè)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)進(jìn)行剔除。

2.3 研究方法

2.3.1 極端降水指數(shù) 世界氣象組織氣象委員會(huì)(WMO-CCI)共推薦了27個(gè)核心極端氣候指數(shù)作為氣候變化研究的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文選取了其中具有代表性的10個(gè)極端降水指數(shù)，如表1所示。10個(gè)極端降水指數(shù)可以分為4類，且相互之間存在著密切聯(lián)系。

2.3.2 分析方法 本文采用線性傾向估計(jì)法和滑動(dòng)平均法分析各極端降水指數(shù)的年際變化趨勢(shì)；為提高突變檢驗(yàn)的可靠性，運(yùn)用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)法[28]與滑動(dòng)T檢驗(yàn)法綜合檢測(cè)突變點(diǎn)；利用交叉小波和相干小波變換[29]分析各極端降水指數(shù)間的周期相關(guān)性；應(yīng)用克里金插值法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)極端降水指數(shù)的空間分布特征進(jìn)行分析；采用相關(guān)分析法探討極端降水指數(shù)與氣候因子指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水指數(shù)的時(shí)間變化特征

3.1.1 極端降水指數(shù)的變化趨勢(shì) 三峽庫(kù)區(qū)極端降水指數(shù)年際和年代際變化差異明顯。1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)各極端降水指數(shù)年際變化及5 a滑動(dòng)平均值如圖2所示。由圖2可知，極端降水指數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，但只有CWD通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其氣候傾向率為-0.25 d/10a，其余6個(gè)指數(shù)PRCPTOT、R10、R25、Rx5day和R95p則均有不顯著減小的趨勢(shì)，而SDII、Rx1day、R99p和CDD表現(xiàn)為不顯著增加的趨勢(shì)。CWD的顯著減小(圖2(i))和CDD的不顯著增加(圖2(j))說明三峽庫(kù)區(qū)連續(xù)降水日數(shù)減少，而SDII、Rx1day和R99p的不顯著增加則反映了三峽庫(kù)區(qū)極端降水事件強(qiáng)度的增加。由5 a滑動(dòng)平均值的變化可以看出，三峽庫(kù)區(qū)PRCPTOT、SDII、R10、R25、Rx5day、R95p、R99p、CWD在20世紀(jì)70年代末有明顯的震蕩變化。由5 a滑動(dòng)平均可以將這8個(gè)極端降水指數(shù)總體分為5個(gè)階段：1970年以前、1970-1975、1975-1985、1985-1998年和1998年以后，這5個(gè)階段分別表現(xiàn)為“下降-上升-下降-上升-下降”的趨勢(shì)，其中Rx1day與CDD呈現(xiàn)出較明顯的豐枯交替特征。各極端降水指數(shù)均在1998年表現(xiàn)為極大值，這可能與1998年區(qū)域特大暴雨有關(guān)。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

表1 10個(gè)極端降水指數(shù)及其定義

3.1.2 極端降水指數(shù)的突變特征 對(duì)三峽庫(kù)區(qū)1960-2016年各極端降水指數(shù)進(jìn)行突變分析，其中PRCPTOT、SDII、Rx1day和Rx5day 4個(gè)極端降水指數(shù)的M-K曲線圖如圖3所示(其他極端降水指數(shù)M-K曲線圖從略)。圖3(a)顯示，PRCPTOT的UF曲線在1960-1977年間基本處于零線以上；1978-1984年呈折線上升的趨勢(shì)；1985年后則呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，表明三峽庫(kù)區(qū)的年降水量經(jīng)歷了減少-增大-減少的發(fā)展變化。同時(shí)，PRCPTOT的UF與UB曲線有6個(gè)交點(diǎn)，經(jīng)過滑動(dòng)T檢驗(yàn)(滑動(dòng)年數(shù)為5 a)，僅1988、1998與2002年出現(xiàn)的降水增加突變是可信的，但UF線沒有超過α= 0.05信度水平，表明PRCPTOT的突變不顯著。圖3(b)顯示，在1960-1968年間，SDII 的UF曲線在零線附近波動(dòng)；1969-1990年基本在零線以上；1990以后有急劇下降的趨勢(shì)，1995年后一直在零線下保持波動(dòng)。SDII的UF與UB曲線有5個(gè)交點(diǎn)，經(jīng)過滑動(dòng)T檢驗(yàn)，僅1966年出現(xiàn)的降水增加突變是可信的，但UF曲線沒有超過α=0.05信度線，說明SDII的突變沒有達(dá)到95%的顯著性水平。

圖2 1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)各極端降水指數(shù)年際變化及5 a滑動(dòng)平均值

圖3 1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)極端降水指數(shù)M-K突變檢驗(yàn)

分析表明，在95%的顯著性水平下，三峽庫(kù)區(qū)的R10、R25、R95p、R99p、Rx1day等5個(gè)指數(shù)均存在不顯著突變現(xiàn)象，Rx5day、CWD發(fā)生顯著突變現(xiàn)象，CDD沒有發(fā)生突變。

3.1.3 極端降水指數(shù)的周期特征 采用Morlet小波分析方法研究三峽庫(kù)區(qū)8個(gè)極端降水指數(shù)的周期變化特征，并構(gòu)建全局小波譜進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，三峽庫(kù)區(qū)8種極端降水指數(shù)的變化主周期相似，普遍存在4～6 a的短周期，僅R10與R25存在12～16 a的中周期。具體分析如下：

在1995年以前，PRCPTOT、SDII、R10和R25均沒有表現(xiàn)出明顯的周期特征；在1996-2006年，PRCPTOT、SDII、R10、R25、R95p和R99p均存在4～6 a的顯著周期；PRCPTOT與SDII、R10、R25、R95p和R99p等5個(gè)指數(shù)具有較大的相關(guān)性。從全局小波譜可以看出，6個(gè)指數(shù)均存在4 a左右周期，其中大多數(shù)指數(shù)還存在12 a左右周期，但6個(gè)指數(shù)的全局小波譜顯示僅4 a左右的振蕩周期通過了0.05顯著性水平的檢驗(yàn)，因此PRCPTOT、SDII、R10、R25、R95p與R99p的主周期為4 a左右，這表明各極端降水指數(shù)與年降水量具有良好的相關(guān)關(guān)系。CWD與CDD均在1975年存在顯著的2 a左右短周期，結(jié)合全局小波譜可見，CWD與CDD的能量譜呈交替出現(xiàn)峰值的情況。對(duì)比R95p與R99p的不顯著能量峰值，可以發(fā)現(xiàn)R99p比R95p具有更短的振蕩周期。從R99p和CWD的全局小波譜可知，三峽庫(kù)區(qū)的極端降水事件正在向周期短、強(qiáng)度大的方向演變。

3.2 極端降水指數(shù)的空間分布

選擇PRCPTOT、R10、R95p和CWD 4個(gè)極端降水指數(shù)，分別計(jì)算1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)各氣象站點(diǎn)極端降水指數(shù)的平均值，利用克里金法進(jìn)行空間插值得到4個(gè)極端降水指數(shù)的空間分布特征，如圖5所示。由圖5可以看出，1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)PRCPTOT整體呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率呈現(xiàn)中部減少、東西增加的空間格局(圖5(a))，這可能是由于川鄂高原的阻隔，使中部地區(qū)降水量減少所致。傾向率增加的站點(diǎn)有6個(gè)，增幅為1.3～10.4 mm/10a；呈現(xiàn)減少趨勢(shì)的有14個(gè)站點(diǎn)，但僅桐梓站的下降趨勢(shì)通過了顯著性檢驗(yàn)，合川站PRCPTOT增幅最大，為10.43 mm/10a，五峰站減幅最大，為-25.78 mm/10a；R10傾向率的絕對(duì)值空間分布呈現(xiàn)西南低，東北高的格局(圖5(b))，傾向率增加的站點(diǎn)有4個(gè)，增幅為0.09～0.6 d/10a；呈減少趨勢(shì)的有16個(gè)站點(diǎn)，桐梓站的減少趨勢(shì)通過了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)，奉節(jié)、五峰兩站的減少趨勢(shì)則通過了0.05顯著性水平的檢驗(yàn)，沙坪壩站R10增幅最大，為0.55 d/10a；五峰站減幅最大，為-1.16 d/10a；R95p的傾向率絕對(duì)值分布呈現(xiàn)中部高，東西低的格局(圖5(c))，20個(gè)站點(diǎn)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，中部減小幅度最大，代表站點(diǎn)為恩施站，傾向率為-0.6 mm/10a，但20站點(diǎn)的減少趨勢(shì)均不顯著；與PRCPTOT的空間分布類似，CWD的氣候傾向率分布也呈現(xiàn)東西增加，中部減少的狀態(tài)(圖5(d))，傾向率增加的站點(diǎn)有12個(gè)，其中有3個(gè)站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，占比25%，增幅為0.1～12.15 d/10a；呈現(xiàn)減少趨勢(shì)的有8個(gè)站點(diǎn)，其中5個(gè)通過顯著性檢驗(yàn)，占比62.5%，其中恩施站通過了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)，宜昌站CWD增幅最大，為12.15 d/10a；萬州站減幅最大，為-8.12 d/10a。綜合分析表明，年降水量與其他極端降水指數(shù)具有較好的相關(guān)性，且呈現(xiàn)空間均化的趨勢(shì)。CWD顯著減少，且減少速率大于年降水量的減少速率，這可能是造成三峽庫(kù)區(qū)極端降水事件強(qiáng)度增大的原因。

3.3 極端降水指數(shù)與氣候因子指數(shù)的關(guān)系

對(duì)東亞夏季風(fēng)指數(shù)(EASMI)、太陽黑子相對(duì)數(shù)(WOLFER)、南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)和ENSO指數(shù)(SST)4種氣候因子指數(shù)與10種極端降水指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。由表2可知，東亞夏季風(fēng)與SDII和R25存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；而太陽黑子相對(duì)數(shù)與各極端降水指數(shù)呈不顯著正相關(guān)關(guān)系，與吳夢(mèng)初等[30]的研究結(jié)果相似；南方濤動(dòng)指數(shù)與各極端降水指數(shù)呈不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而ENSO指數(shù)與絕大多數(shù)極端降水指數(shù)呈不顯著的正相關(guān)關(guān)系，僅與PRCPTOT和R10存在不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

采用交叉小波變換(XWT)方法，進(jìn)一步分析極端降水指數(shù)與氣候因子指數(shù)之間的關(guān)系?，F(xiàn)以PRCPTOT為例，分析該極端降水指數(shù)與4個(gè)氣候因子指數(shù)的時(shí)頻變化關(guān)系，其交叉小波相關(guān)性分析見圖6。由圖6可知，年降水量在2 a(1980年左右)尺度上，相較于東亞夏季風(fēng)落后1/4周期，即落后0.5 a，而在10 a(1975年左右)尺度上超前東亞夏季風(fēng)2.5 a，在1995年前后，在1 a尺度上存在年降水量與東亞夏季風(fēng)的顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)太陽黑子相對(duì)數(shù)而言，PRCPTOT在1980年左右表現(xiàn)出了顯著的落后了1/4個(gè)周期，均在2～3.5 a之間，并都有強(qiáng)烈震蕩的正相關(guān)性。在2000年前后的5 a內(nèi)，ENSO指數(shù)與南方濤動(dòng)指數(shù)均對(duì)PRCPTOT產(chǎn)生了顯著影響，PRCPTOT在時(shí)序上落后了ENSO指數(shù)1 a，超前于南方濤動(dòng)指數(shù)約1 a，年降水量與ENSO指數(shù)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，南方濤動(dòng)指數(shù)則與降水量展現(xiàn)了顯著的正相關(guān)關(guān)系。

注： “V”型實(shí)線包圍區(qū)域?yàn)樾〔ㄟ吔缧?yīng)影響區(qū)域；粗實(shí)線區(qū)域表示通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，紅色虛線為0.05的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜。

圖5 1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)各氣象站點(diǎn)4個(gè)極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布及顯著性檢驗(yàn)

注： “V”型實(shí)線包圍區(qū)域?yàn)樾〔ㄟ吔缧?yīng)影響區(qū)域；粗實(shí)線區(qū)域表示通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。

表2 1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)極端降水指數(shù)與氣候因子相關(guān)分析

4 結(jié) 論

本文采用10個(gè)極端降水指數(shù)研究了1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)極端降水事件的變化趨勢(shì)、突變特性、周期特征、空間分布以及氣候因子對(duì)極端降水事件的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)1960-2016年三峽庫(kù)區(qū)極端降水總體上呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中Rx5day、CWD顯著減少，而SDII、Rx1day、CDD等指數(shù)則呈增加趨勢(shì)，這可能由PRCPTOT減少速率小于CWD造成的雨量再分配所致；除Rx1day、CDD外8個(gè)指數(shù)均在1976年左右發(fā)生明顯突變。三峽庫(kù)區(qū)10個(gè)極端降水指數(shù)的變化主周期相似，大多數(shù)存在4～6 a的短周期，僅R10與R25存在12～16 a的中周期。

(2)三峽庫(kù)區(qū)極端降水指數(shù)在空間上具有明顯的差異。年降水量與其他極端降水指數(shù)具有較好的相關(guān)性，4種指數(shù)均呈現(xiàn)出整體下降的趨勢(shì)。PRCPTOT、R95p傾向率的空間分布均為庫(kù)區(qū)中部強(qiáng)、東、西部弱，R10與R95p整體均呈下降趨勢(shì)，R10在庫(kù)區(qū)東北部的下降傾向強(qiáng)于西南部，CWD則表現(xiàn)為中部下降，東、西部上升的趨勢(shì)，在空間上整體表現(xiàn)為均化的趨勢(shì)。

(3)三峽庫(kù)區(qū)的PRCPTOT與東亞夏季風(fēng)、南方濤動(dòng)指數(shù)和ENSO指數(shù)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與太陽黑子相對(duì)數(shù)則呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在短周期上，除南方濤動(dòng)指數(shù)外的其他3種氣候因子均在時(shí)序性上超前于PRCPTOT，而在中周期上，PRCPTOT的變化則超前于東亞夏季風(fēng)。