盤龍河流域極端降水時空變化特征分析*

付 奔，李代華，雷騰云，王 葵，高 瑞

(1.云南省水文水資源局文山分局，云南 文山 663000；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

全球氣候變暖使得地表蒸、散發(fā)加劇，水循環(huán)加快，導(dǎo)致水資源時空格局發(fā)生巨大變化，極端降水事件逐年增加，旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，對人類社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重大影響[1-3]。中國的極端強降水平均強度和降水量均呈增加趨勢，極端強降水事件也趨于增多[4]。近年來，對于極端降水事件的研究越來越多，也取得了一系列成果。楊金虎等[5]探討分析了中國的極端降水分布規(guī)律，認(rèn)為中國極端降水在時空分布上存在著明顯的地域差異；蔡敏等[6]剖析中國東部地區(qū)極端降水的變化規(guī)律，了解到近50年來中國東部地區(qū)極端降水雖無明顯的變化趨勢，但時空差異較大；王昊等[7]研究了中國西南地區(qū)雨季極端降水的變化特征，認(rèn)為西南地區(qū)雨季降水占比的變化趨勢具有很強的區(qū)域特征，且極端降水事件受海拔影響明顯。前人研究表明：中國極端降水事件在不同地區(qū)表現(xiàn)出明顯的差異性，其中極端降水量級、頻率、強度與洪澇災(zāi)害關(guān)系密切，因此，研究區(qū)域極端降水事件的時空格局，掌握極端降水的發(fā)生頻率和強度變化規(guī)律對于全面了解洪澇災(zāi)害時空變化特征、加強災(zāi)害監(jiān)測和提高預(yù)測預(yù)報能力具有重要意義。目前，鮮有系統(tǒng)分析盤龍河流域極端降水時空變化趨勢的研究，本研究利用盤龍河流域近40年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，選擇能夠反映盤龍河局部暴雨特征的3個指標(biāo)(極端降水總量、極端降水時間和極端降水強度)，并進一步分析各指標(biāo)的時空變化特征，為流域水資源規(guī)劃和災(zāi)害風(fēng)險管理提供借鑒和支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

盤龍河流域位于云南省東南邊陲，地理坐標(biāo)為N22°46′～23°57′，E103°40′～104°51′，流域東鄰單獨出境的南利河，西鄰紅河支流南溪河，北鄰南盤江水系，屬熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16.0～19.4 ℃；夏秋之季，暖濕多雨，冬春季節(jié)多為晴天少雨，流域多年平均降水量1 152 mm，年降水量由南向北逐漸遞減。流域人口密集，是紅河流域人口密度最大的地區(qū)，歷史上多發(fā)水災(zāi)。

本研究以云南省水文水資源局文山分局提供的盤龍河流域19個雨量站1978—2016年的逐日降水資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。流域范圍及各雨量站分布見圖1。

圖1 盤龍河流域高程模型和雨量站分布圖Fig.1 The DEM and location of precipitation stations in Panlong River Basin

1.2 計算指標(biāo)及方法

極端降水在年降水中所占比重在一定意義上反映了極端降水事件對洪澇的貢獻率[8]。參照世界氣象組織氣候委員會(WMO/CCI)推薦使用的極端降水指標(biāo)，采用傳統(tǒng)百分位數(shù)法，將第95個百分位數(shù)定義為臺站的極端降水閾值[9]，詳細(xì)算法參考文獻[10]。當(dāng)某年某日降水超過該閾值，就認(rèn)為發(fā)生1次極端降水事件，將每年超過極端降水閾值的雨量相加即為該年的極端降水總量，每年極端降水發(fā)生的次數(shù)相加即為極端降水時間，極端降水總量與極端降水時間的比值即為極端降水強度[9]。采用線性回歸和滑動平均分析盤龍河流域極端降水量、降水時間和降水強度的變化趨勢；采用Mann-Kendall分析其突變特征；采用母小波函數(shù)(Morlet小波)分析其周期特征[11]。采用經(jīng)驗正交函數(shù)分析法(EOF)并應(yīng)用ArcGIS插值分析其空間特征，具體步驟見文獻[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水的時間變化特征分析

2.1.1 變化趨勢分析

盤龍河流域極端降水量的貢獻率為47%，極端降水時間的貢獻率僅為7%，表明該流域在1978—2016年的極端降水強度較大，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

由圖2可知：盤龍河流域年極端降水量、降水時間和降水強度均呈上升趨勢，趨勢變化率分別為9.12 mm/10 a、0.054 d/10 a和0.407 mm/10 a，三者均未通過顯著性檢驗，說明變化趨勢不明顯；5年滑動平均曲線表明：極端降水量、降水時間及降水強度的年際變化不大且具有一致性。

圖2 極端降水的變化趨勢分析Fig.2 Variation trend analysis of extreme precipitation

2.1.2 突變分析

由圖3可知：盤龍河流域的極端降水量、降水時間和降水強度均在臨界直線以內(nèi)，2條曲線的交點均發(fā)生在2012年，可判斷極端降水事件的突變點為2012年，但突變不顯著。

圖3 極端降水的Mann-Kendall檢驗Fig.3 Mann-Kendall test of extreme precipitation

2.1.3 周期分析

由圖4可知：盤龍河流域極端降水量存在約6 a、9 a和15 a的周期變化，由于小波方差在15 a尺度上出現(xiàn)最大值，說明15 a為主周期；極端降水時間同樣也存在約6 a、9 a和15 a的周期，15 a為主周期；而極端降水強度存在7 a和15～17 a的周期，15 a為主周期?？傮w來說，盤龍河流域極端降水量、降水時間和降水強度均存在15 a的主周期變化。

圖4 極端降水小波系數(shù)實部的時頻分布圖及方差圖Fig.4 Time-frequency distribution of wavelet coefficients and variance of extreme precipitation

2.2 極端降水的空間變化特征分析

經(jīng)驗正交函數(shù)分析法(EOF)結(jié)果顯示：只有前4個特征值通過North顯著性檢驗，故前4個模態(tài)能夠很好地解釋盤龍河流域近40年極端降水量、降水時間和降水強度的主要時空分布特征(表1)，3個指標(biāo)的前4個模態(tài)累計方差貢獻率分別為74.9%、68.8%和70.0%。

表1 各物理量前4個EOF模態(tài)的貢獻率Tab.1 Contribution rate of the first four EOF modes of each index %

圖5為盤龍河流域極端降水量EOF分解后的4個空間模態(tài)。模態(tài)1特征向量的方差貢獻率為36.3%，代表盤龍河流域極端降水量的主要空間分布特征，其值均為正值，表明1978—2017年該流域的極端降水量變化趨勢具有高度的一致性，即整個流域的極端降水量變化同步，變率中心位于東南地區(qū)天保和勐硐一帶，反映該地區(qū)極端降水量變化大。模態(tài)2特征向量的方差貢獻率為22.4%，以南溫河和豆豉店為界，西北向為負(fù)值區(qū)，東南向為正值區(qū)，表明區(qū)域降水在2個方向呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律；特征向量值西北部和東南部大而中部小，說明極端降水量呈東南—中部、南北—中部遞減的變化特征。模態(tài)3特征向量的方差貢獻率為9.9%，以戈革為界，西南向為正值區(qū)，其余為負(fù)值，即戈革站西南向與其他地區(qū)的極端降雨量呈現(xiàn)相反的變化趨勢。模態(tài)4特征向量的方差貢獻率為6.3%，正值中心出現(xiàn)在勐硐，負(fù)值中心出現(xiàn)在秉烈，表明流域不同區(qū)域極端降水量呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

圖5 極端降水量EOF展開的前4個模態(tài)特征向量空間分布Fig.5 Spatial distribution of eigenvectors of the first four modes in EOF of extreme precipitation

由圖6可知：在第1、3模態(tài)上，極端降水時間與極端降水量的變化同步。就第1模態(tài)而言，除秉烈站外表現(xiàn)為全區(qū)一致型，說明盤龍河流域極端降水時間一致的偏多或偏少，高值中心位于天保站附近，說明極端降水時間由南向北逐漸減少。第2模態(tài)除天保站外均為正值，正值中心位于秉烈站附近，表明極端降水時間以秉烈往西北和東南遞減。第3模態(tài)以戈革為界，西南向為正值區(qū)，其余為負(fù)值，即戈革站西南向與其他地區(qū)的極端降水時間呈現(xiàn)相反的變化特征。第4模態(tài)以古木站為界呈相反的變化特征，即呈東南多(少)西北少(多)的變化規(guī)律。

圖6 極端降水時間EOF展開的前4個模態(tài)特征向量空間分布Fig.6 Spatial distribution of eigenvectors of the first four modes in EOF of precipitation times

由圖7可知：第1模態(tài)是極端降水強度的主要空間分布形式，除稼依和新街外均為正值，正值中心位于天保，表明極端降水強度由東南向西北遞減。第2、3模態(tài)特征向量均為負(fù)值，中心位于文山黃草壩等地區(qū)，顯示極端降水強度由東南向、西北向逐漸減??；第3模態(tài)表現(xiàn)為極端降水強度沿東南向逐漸減小、西北向逐漸增大的變化特征。第4模態(tài)顯示：東南邊天保和豆豉店以及西北邊稼依和硯山新寨為正值，其余地區(qū)均為負(fù)值，說明天保、豆豉店、稼依和硯山新寨等地的極端降水強度與該流域其他地區(qū)的極端降水強度呈相反的變化規(guī)律。

圖7 極端降水強度EOF展開的前4個模態(tài)特征向量空間分布Fig.7 Spatial distribution of eigenvectors of the first four modes in EOF of precipitation intensity

3 討論

本研究針對盤龍河流域全年的極端降水事件時空特征進行分析，發(fā)現(xiàn)過去40年該流域的極端降水量貢獻率較高，這與王志福等[11]對中國極端降水量的研究結(jié)果一致，表明研究區(qū)洪澇災(zāi)害的發(fā)生主要由該地區(qū)的極端降水量造成。此外，王志福等[11]認(rèn)為：1951—2004年全國降雨量無明顯變化但極端降雨時間呈上升趨勢，故極端降水平均強度呈顯著下降的趨勢。這與本研究結(jié)果存在差異，其原因在于研究區(qū)空間尺度大小及數(shù)據(jù)系列長度不同。本研究進一步將時段劃分為1978—2004年和2004—2017年，并分析了各時段的極端降水，發(fā)現(xiàn)2004年前后的極端降水量、降水時間和降水強度變化不一致，極端降水量在2004年前后的趨勢變化率分別為-22.24和62.62 mm/10 a，極端降水時間的變化率分別為-0.46和0.71 d/10 a，極端降水強度的變化率分別為0.63和2.98 mm/10 a，顯然2004年后的極端降水較2004年前更顯著、強度更強，說明21世紀(jì)以來盤龍河流域極端降水總量和降水強度的量級更強。張弛等[12]研究表明：西南地區(qū)極端降水最主要的水汽來源是西南季風(fēng)，大氣環(huán)流也顯示1998年由于太平洋副熱帶高壓向西南延伸，導(dǎo)致西南季風(fēng)的水汽輸送異常強勁，從而造成極端降水量和降水強度呈上升趨勢，在今后的研究中將持續(xù)加大數(shù)據(jù)長度以更好地反映全球氣候變暖新背景下區(qū)域極端降水的變化特征。由于本研究只分析了持續(xù)1 d極端降水的變化特征，前人研究表明高持續(xù)性極端降水事件發(fā)生次數(shù)很少，但強度更大，加上持續(xù)時間長，帶來的降水量也越多，對社會經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)的危害同樣不容忽視，故針對流域內(nèi)不同持續(xù)時間的極端降水事件也有待于進一步探討和分析。

4 結(jié)論

受太平洋副熱帶高壓影響，盤龍河流域的極端降水量、降水時間和降水強度呈上升趨勢，三者在空間上具有同步性，強度大的極端降水位于流域下游，且降水時間越長，強度越大，即在未來該流域的洪澇災(zāi)害會更加嚴(yán)峻，尤以其南邊最為嚴(yán)重，給盤龍河流域的防洪減災(zāi)帶來挑戰(zhàn)，需進一步提高災(zāi)害風(fēng)險管理和應(yīng)對氣候變化的能力。