川滇農(nóng)牧交錯帶極端降水的時空演變及突變分析

周 麗，張 彬，吳 彬

1. 內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641112；2. 內(nèi)江市東興區(qū)氣象局，四川 內(nèi)江 641100

在世界許多地區(qū)，極端降水是最重要的氣候變量之一[1]，降水對自然和社會環(huán)境有著實質(zhì)性的影響． 政府間氣候變化專門委員會(IPCC)認(rèn)為，由于氣候變化和人類活動，極端降水事件的數(shù)量和強度將繼續(xù)增加[2-3]． 例如，2000-2019年，國際災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(EM-DAT：The Emergency Events Database)報告全球共發(fā)生3 174起洪水災(zāi)害，遠遠超過1960-1999年報告的1 807起洪水災(zāi)害． 顯然，在地形復(fù)雜的地區(qū)，極端降水強度的增加會導(dǎo)致更多的地貌災(zāi)害，如山洪、水土流失、山體滑坡、泥石流等． 因此，對極端降水事件的空間分布和趨勢進行評價是十分重要和迫切的． 極端降水事件引起了科學(xué)界越來越多的關(guān)注． 在過去幾十年中，極端降水事件的增加趨勢已在氣候較溫暖的大多數(shù)地區(qū)得到了檢測[4]． 然而，全球各地極端降水的空間格局有很大的差異[5]． 以往研究表明，極端降水對氣候變暖具有高敏感性，尤其是在山地和高原地區(qū)[6]，這種趨勢在極端降水事件較為常見的中國西南地區(qū)最為明顯[7]．

川滇農(nóng)牧交錯帶位于中國西南部，東經(jīng)98°08′-104°58′，北緯26°28′-34°19′，包括川西36個縣和滇西北7個縣[8]，除少數(shù)縣的部分地區(qū)外，43個縣大部分屬于青藏高原． 川滇農(nóng)牧交錯帶地形復(fù)雜，以高原和高山峽谷為主要地貌類型，包括3個地貌單元：松潘高原、四川西部高原和橫斷山脈(圖1)． 南部的橫斷山脈表現(xiàn)為南北向高山與縱谷交錯分布[9]，大多數(shù)河流由北向南流動． 橫斷山脈阻擋了東西向的東亞季風(fēng)，為南北向的南亞季風(fēng)提供了通道[10]． 川西高原和松潘高原分別位于中部和北部地區(qū)． 川滇農(nóng)牧交錯帶是青藏高原到云貴高原和四川盆地的主要過渡地帶，是中國滑坡、山洪、泥石流的主要發(fā)生地區(qū)，極端降水在這些地貌災(zāi)害中起著重要作用[11-12]．

目前針對西南地區(qū)極端降水的時空變化特點，國內(nèi)外學(xué)者做了許多工作[13-15]，研究區(qū)包括四川省[16-18]、云南省[19]． 但以上研究區(qū)域范圍較大，對極端強降水反應(yīng)敏感的川滇農(nóng)牧交錯帶研究甚少，而對中國北方農(nóng)牧交錯帶的研究較多[20-21]． 因此，本文擬研究近45年來川滇農(nóng)牧交錯帶極端降水的時空演變及趨勢，對理解研究區(qū)與極端降水相關(guān)的災(zāi)害和制定適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)和緩解戰(zhàn)略至關(guān)重要．

審圖號：GS(2016)2884號，下同．圖1 川滇農(nóng)牧交錯帶各氣象站點分布

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

川滇農(nóng)牧交錯帶DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云 (http：//www.gscloud.cn/)，氣候數(shù)據(jù)是由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn)提供的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)序列． 選取1971-2015年川滇農(nóng)牧交錯帶20個分布均勻、無缺測情況的站點(圖1)． 采用氣候變化檢測和指數(shù)專家小組定義的極端降水指數(shù)中的4個指標(biāo)(表1)，對川滇農(nóng)牧交錯帶極端降水事件近45年來的時空變化特征進行分析．

表1 本研究所采用的極端降水指數(shù)

1.2 研究方法

采用泰森多邊形法[22]和一元線性回歸方程計算各極端降水系列的氣候傾向率[23]，并利用Mann-Kendall[24]和滑動T檢驗[25]對極端降水指數(shù)時間序列的突變特性進行分析；運用反距離權(quán)重空間插值法(IDW)對川滇農(nóng)牧交錯帶極端降水進行空間分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水的時間變化特征

通過泰森多邊形法賦予研究區(qū)各個站點不同的權(quán)重系數(shù)，分別計算川滇農(nóng)牧交錯帶全區(qū)域以及松潘高原、川西高原和橫斷山區(qū)的極端降水指數(shù)． 圖2-3分別顯示了4個極端降水指數(shù)的年際變化序列．

2.1.1 強降水量和強降水日數(shù)

由圖2a可以發(fā)現(xiàn)，川滇農(nóng)牧交錯帶全區(qū)域R95pTOT有微弱上升趨勢，經(jīng)檢驗達到0.1顯著性水平． 松潘高原、川西高原和橫斷山區(qū)R95pTOT均有較弱的上升趨勢，其中川西高原上升趨勢相對最大，經(jīng)檢驗達到0.1顯著性水平，說明川滇農(nóng)牧交錯帶強降水量在增加，更易發(fā)生山洪、泥石流等災(zāi)害． 全區(qū)域R95pTOT多年均值達到144.56 mm，松潘高原、川西高原和橫斷山區(qū)R95pTOT多年均值分別為143.69，130.27，182.45 mm，橫斷山區(qū)R95pTOT比松潘高原和川西高原高27.00%和40.06%． 因此，大于95%分位數(shù)的強降水占該區(qū)域降水的比例在19.23%～21.69%，其中橫斷山區(qū)和松潘高原在年降水總量呈下降趨勢的前提下，強降水量仍表現(xiàn)出上升趨勢． 由圖2b可見，川滇農(nóng)牧交錯帶全區(qū)域(經(jīng)檢驗達到0.1顯著性水平)、松潘高原、川西高原以及橫斷山區(qū)的R95pD均表現(xiàn)出波動上升趨勢． 其中，松潘高原R95pD多年均值和氣候傾向率均為最大． 橫斷山區(qū)R95pD多年均值和氣候傾向率均為最小，同時，橫斷山區(qū)R95pTOT為最大，揭示出橫斷山區(qū)是研究區(qū)強降水量最大且在時間上最集中的區(qū)域，是川滇農(nóng)牧交錯帶最易發(fā)生山洪、泥石流等災(zāi)害的區(qū)域．

圖2 強降水量(a)和強降水日數(shù)(b)的年際變化

2.1.2 一日最大降水量和五日最大降水量

由圖3可見，川滇農(nóng)牧交錯帶全區(qū)域、松潘高原、川西高原和橫斷山區(qū)RX1day均呈上升趨勢，且川西高原上升幅度最大，經(jīng)檢驗達到0.05顯著性水平；同時，橫斷山區(qū)RX1day多年均值最大，高于川西高原43.25%，加之氣候傾向率為正，導(dǎo)致該區(qū)域一日最大降水量仍為全區(qū)域最高． 全區(qū)域、松潘高原和川西高原RX5day均呈波動上升趨勢，且川西高原上升幅度最大，而橫斷山區(qū)則呈波動下降趨勢． 因此川滇農(nóng)牧交錯帶短歷時的極端降水呈上升趨勢，且橫斷山區(qū)在時間上的集中性比其他區(qū)域表現(xiàn)得更為明顯．

圖3 一日最大降水量(a)和五日最大降水量(b) 的年際變化

2.2 極端降水的空間變化特征

運用反距離權(quán)重空間插值法將各站點極端降水指數(shù)的氣候傾向率進行可視化，如圖4-5所示．

2.2.1 強降水量和強降水日數(shù)

總體來看R95pTOT變化的空間分布(圖4a)，川滇農(nóng)牧交錯帶中東部升高，西北、西南兩側(cè)降低；川西高原表現(xiàn)為以上升趨勢為主，高值區(qū)位于川西高原東部的小金和康定附近；松潘高原仍以上升趨勢為主，橫斷山區(qū)西南部和東南部主要呈下降趨勢． R95pD與R95pTOT有較相似的空間分布(圖4b)，上升的高值區(qū)分布在川西高原東部的小金和康定以及橫斷山區(qū)東部的木里，經(jīng)檢驗均達到0.05或0.1顯著性水平． 下降大值區(qū)分布在橫斷山區(qū)西部的貢山． 川滇農(nóng)牧交錯帶東部地區(qū)R95pTOT與R95pD均呈現(xiàn)顯著上升趨勢，說明該地區(qū)受極端降水的影響在加大．

圖4 川滇農(nóng)牧交錯帶強降水量(a)和強降水日數(shù)(b)變化的空間分布

2.2.2 一日最大降水量和五日最大降水量

由圖5可見，RX5day較RX1day的下降區(qū)有明顯擴大，上升區(qū)則有明顯縮小． 全區(qū)域大部分站點的RX1day呈上升趨勢，松潘高原和川西高原呈上升趨勢的站點分別占各區(qū)域的66.67%和72.73%，僅橫斷山區(qū)以下降趨勢為主，約66.67%的站點表現(xiàn)為下降趨勢． RX5day 空間變化差異明顯，松潘高原和橫斷山區(qū)以下降趨勢為主，約占各所在區(qū)域站點總數(shù)的66.67%和83.33%，而川西高原主要表現(xiàn)為上升趨勢，約占川西高原站點總數(shù)的81.82%． 整體來說，RX1day，RX5day 以上升趨勢為主，表明川滇農(nóng)牧交錯帶極端強降水的量和強度均呈上升趨勢，且極端強降水事件的發(fā)生在較短歷時的情況下增加更為顯著．

圖5 川滇農(nóng)牧交錯帶一日最大降水量(a)和五日最大降水量(b)變化的空間分布

2.3 極端降水的突變分析

極端降水的顯著變化趨勢對川滇農(nóng)牧交錯帶洪災(zāi)風(fēng)險有可能造成重要影響，因此，通過Mann-Kendall檢驗，選取有顯著變化趨勢的木里、理塘兩個典型站點，對其極端降水情況做突變檢驗． 圖6-7為近45年川滇農(nóng)牧交錯帶4個極端降水指標(biāo)典型站點的M-K檢驗，UF和UB分別為按順序和逆序時間序列計算的統(tǒng)計量序列[13]． 若UF(UB)大于0，表示序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢． 圖中紅色虛線為臨界線，臨界值為±1.96，即達到0.05的顯著性水平，絕對值大于1.96的UF(UB)表示下降或上升趨勢顯著． 當(dāng)UF和UB在臨界線之間出現(xiàn)唯一交點，則交點對應(yīng)的時刻為突變開始時間；當(dāng)UF和UB出現(xiàn)多個交點，利用滑動T檢驗法做進一步顯著性檢驗，能通過檢驗的交點對應(yīng)的年份為序列發(fā)生突變的年份[26]；當(dāng)UF或UB超過臨界線，超過臨界線的范圍則為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域．

2.3.1 強降水量和強降水日數(shù)

由圖6a可知，UF與UB在1984-1985年和1991年出現(xiàn)3次交點，均落在臨界線內(nèi)，且UF值大于0，說明木里站R95pTOT可能的突變發(fā)生在1984-1985和1991年左右，且R95pTOT呈上升趨勢，因此有必要對突變年份進行進一步確定，對UF和UB曲線的3個交點進行滑動T檢驗，僅1984年的交點通過顯著性檢驗，說明1984年木里站R95pTOT出現(xiàn)了突然上升的過程． 圖6b中，UF與UB在1976年存在1個交點，且交點落在臨界線之間，說明木里站R95pD在1976年前后發(fā)生了1次突變，且在1976年之后UF值大于0，表明在1976-2015年有持續(xù)增加趨勢，1984年開始增加趨勢通過0.05的顯著性水平檢驗，說明木里站R95pD在1976年發(fā)生了1次明顯的突變后呈增長趨勢，并在1984年后呈明顯的持續(xù)增長． 從圖6可知，木里站R95pTOT突變比 R95pD 突變發(fā)生晚，且R95pD上升趨勢較R95pTOT顯著．

圖6 川滇農(nóng)牧交錯帶典型站點強降水量(a)和強降水日數(shù)(b)的Mann-Kendall檢驗

2.3.2 一日最大降水量和五日最大降水量

由圖7a可知，木里站RX1day于1971-1986年期間處于上升—下降持續(xù)波動狀態(tài)，1986年開始出現(xiàn)穩(wěn)定上升(UF>0)，且在1997年先后出現(xiàn)顯著上升． 理塘站RX5day(圖7(b))在1979年發(fā)生突變后，持續(xù)上升(UF>0)，并于1989年出現(xiàn)顯著上升．

圖7 川滇農(nóng)牧交錯帶典型站點一日最大降水量(a)和五日最大降水量(b)的Mann-Kendall檢驗

從川滇農(nóng)牧交錯帶兩個典型站點4個極端降水指標(biāo)的M-K突變檢測可知，木里站和理塘站發(fā)生突變的時間較接近，整體來看，突變的時間大致發(fā)生在20世紀(jì)70-80年代．

3 結(jié)論與討論

(1) 川滇農(nóng)牧交錯帶全區(qū)域的平均極端降水指數(shù)中，R95pTOT，R95pD，RX1day，RX5day均呈上升趨勢；松潘高原R95pD為各區(qū)域最高，而橫斷山區(qū)除R95pD外，其他各極端降水指數(shù)均大于松潘高原和川西高原；同時，川西高原各指數(shù)年際變化比松潘高原和橫斷山區(qū)更劇烈．

(2) R95pTOT與R95pD的空間分布相似，上升的大值區(qū)均集中在川西高原東部和橫斷山區(qū)東部，下降大值區(qū)均分布在橫斷山區(qū)西南部． 同時，RX1day，RX5day以上升趨勢為主，且隨著持續(xù)時間的延長，極端降水量的上升區(qū)有明顯的縮小，下降區(qū)有明顯的擴大，說明極端強降水事件的發(fā)生在較短歷時的情況下增加更為顯著．

(3) 近45年來川滇農(nóng)牧交錯帶典型站點極端降水指數(shù)突變的時間大致發(fā)生在20世紀(jì)70-80年代． R95pD，RX5day發(fā)生突變的時間最早，分別發(fā)生在1976年和1979年左右；其次為R95pTOT，RX1day，突變依次發(fā)生1984年和1986年． 需要強調(diào)的是，以上4個指標(biāo)均發(fā)生突變上升趨勢． 同時，兩個典型站點發(fā)生突變的時間較接近．

研究過程中發(fā)現(xiàn)，川滇農(nóng)牧交錯帶極端降水強度有增大的趨勢，且較短歷時強降水事件增加更明顯． 因此，川滇農(nóng)牧交錯帶在未來極端降水指數(shù)保持上升趨勢的情況下，對顯著變化的站點須做深入研究，將極端降水強度指標(biāo)與坡度、坡向、植被覆蓋等因子相結(jié)合，綜合分析該區(qū)域地貌災(zāi)害的致災(zāi)因子及等級． 另外，該區(qū)域由于地形復(fù)雜，降水具有典型的局地性特征，應(yīng)在強降水事件高發(fā)區(qū)域增加雨量觀測站的空間密度，使其觀測數(shù)據(jù)更具代表性，以便更好地因地制宜實施防災(zāi)減災(zāi)措施，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)．