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.浙江省預警信息發布中心，浙江 杭州 310017；2.浙江省氣象服務中心，浙江 杭州 310017；3.浙江浙能北海水利發電有限公司，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生的頻率及強度不斷增大[1]，有研究表明，這些現象與降水特別是極端強降水事件時空分布發生變異有著密切的關系[2]。IPCC第五次評估報告(AR5)指出[3]，自1950年左右以來，已經觀測到了許多極端天氣和氣候事件的變化，其中包括一些區域強降水事件數量的增加。Alexander[4]等進一步指出20世紀，特別在北半球的中高緯度區域，即使在平均降水減少的地區，極端降水的頻率和強度也在顯著增加。因此，掌握區域極端降水事件的特征，了解其變化及發展規律，對于合理制定應對極端天氣氣候事件所引發災害的措施是十分必要的。

有學者[5-7]研究認為極端降水強度在中國東南部強于西北部，與年降水量密切相關。通過對一系列中小尺度地形的研究發現[8-16]，大尺度的區域氣候變化特點和趨勢雖然具有較高的一致性，但不同區域的降水變化特點和規律存在較大的時空差異。例如黃河流域極端降水量、降水頻數、降水強度在53 a間均呈微弱下降趨勢[17]，而西寧各極端降水指標整體上均呈增加趨勢[18]。因此不同地區的仍需開展更為詳盡、細致的工作。

灘坑水庫位于浙江省南部地區，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、決策調度等提供了理論支撐。

1. 數據與方法

1.1 數 據

本文使用的資料為灘坑水庫15個雨量站1959—2018年的日降水數據，雨量站的分布情況如圖1所示。該序列數據經過了嚴格的質量檢測控制及錯誤值修正，對于缺測值的插補方法為采用同日周邊站點的數值，按照比例法進行插補，以確保得到的降水時間序列完整性好且真實可靠。

1.2 極端降水指數介紹

世界氣象組織(WMO)氣候委員會曾在氣候變化監測會議中提出了一套極端氣候指數，本文采用其中的6個極端降水指標(表1)以研究灘坑流域的極端降水變化，這些指標綜合考慮了降水事件的強度和持續時間，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

指標縮寫定義單位年降水量PRCPTOT年內日降水量大于等于1mm的累積降水量mm最大連續雨日CWD日降水量大于等于1mm的連續日數最大值d暴雨日數R50mm日降水量大于等于50mm的日數d極端降水量R95日降水量大于多年平均的第95個百分位數的總降水量mm5d最大降水量Rx5day連續5d最大降水總量mm日降水強度SDⅡ日降水量大于等于1mm的總降水量與降水日數的比值mm/d

1.3 平均降水量計算方法介紹

本文采用泰森多邊形法計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平均法，是由美國氣候學家Alfred H.Thiessen提出了一種根據離散分布的氣象站降雨量來計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，把區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，每一站點周圍的相互的垂直平分線形成一個多邊形，計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重系數，最后用各站點雨景與該站所占面積權重相乘后累加即可，公式如下：

2. 結果與分析

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，在整個研究時段上，PRCPTOT整體在波動中呈上升趨勢，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，說明PRCPTOT在1959—2018年期間的增加趨勢是顯著的。

從圖2可以發現，近60 a來PRCPTOT變化有很強的不規則性。PRCPTOT的最大值為2300.0 mm，出現在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持續偏少最長的一段時間；2012—2018年PRCPTOT連續偏多，是流域持續時間最長的一段豐水期；1969—2011年PRCPTOT偏多偏少交替出現，其中1969—1977年整體呈降水量偏多的態勢，1978—1988年降水量由前期的整體偏多轉為整體偏少，1989—1999年降水量轉為偏多，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分析

極端降水事件的變化趨勢一直是學者們關心的熱點問題，已有研究[5,19]指出20世紀60年代以來，中國南方地區的極端降水事件主要呈現出增多趨勢，但在不同的區域有不同的干、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年各指標存在明顯的波動變化。從整個研究序列上看，CWD的線性擬合曲線呈現中增加的趨勢，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，這表明在1959—2018年期間灘坑水庫CWD呈現出顯著的增加趨勢變化。R95、R50mm、Rx5day和SDⅡ在整個研究時段內震蕩顯著，但沒有明顯的增加或減少的趨勢。

CWD在波動中整體呈現出上升趨勢，其中在20世紀90年代后期之前，CWD上升趨勢不顯著，在90年代后期進入顯著的上升階段。Rx5day在研究時段內表現為“雙峰型”特征，這2個峰值分別為20世紀60年代后期到70年代中期和20世紀90年代期間。R95和R50mm變化曲線相似，分別在1973年、1983年和1999年出現了3個極值點，可見灘坑流域的極端強降水與ENSO事件不無關系，相關研究將在后續工作中展開。SDⅡ在研究時段內大致呈“增加-減少”的變化趨勢，從20世紀50年代末至90年代末，整體呈波動上升趨勢，21世紀初至今，指標在波動中下降。

綜上所述，CWD呈上升趨勢且通過了0.05置信水平的顯著性檢驗；Rx5day、R95、R50mm和SDⅡ震蕩明顯，20世紀60年代后期到70年代中期和20世紀90年代處于偏強時期，在進入21世紀后，各指標減弱。

圖3 灘坑水庫1959—2018年5個極端降水指標年際變化曲線

2.3 極端降水指標的相關性分析

有學者研究表明極端降水事件與PRCPTOT之間存在密切的關系[20,21]。計算1959—2018年灘坑流域各極端降水指標序列之間的簡單相關系數，并對相關系數進行t檢驗，結果如表2所示。由表2可知，PRCPTOT與R95、SDⅡ、R50mm、Rx5day、CWD的簡單相關系數分別為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，這表明總降水量最能反映極端降水情況，其增加或減少，會引起其他極端降水指標的增加或減少，與前人的研究結論相符。

注：*通過0.01水平顯著性檢驗

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

2.4 極端降水量對PRCPTOT貢獻率的變化分析

前面已經分析了PRCPTOT對極端降水情況有很好的指示性，這里詳細分析灘坑流域各極端降水量對PRCPTOT貢獻的變化情況。圖4反映的是1959—2018年各極端降水量對年總降水量的貢獻，黑色曲線表示貢獻率的變化情況。由圖可知，最大連續雨日總降水量、50 mm以上總降水量、R95和Rx5day對PRCPTOT的貢獻率分別在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較大，貢獻率也相對較高。比如，20世紀60年代后期到70年代中期和20世紀90年代是各極端降水量對PRCPTOT貢獻較高的兩段時期，同時也是PRCPTOT整體偏多的時期；而20世紀70年代后期到80年代后期PRCPTOT整體偏少，各極端降水量對PRCPTOT的貢獻率也相對較低。進入21世紀10年代后，盡管PRCPTOT是明顯偏多的，但是各極端降水量的貢獻率并沒有明顯上升趨勢，與21世紀00年代的貢獻率相近。

圖4 各極端降水量對總降水量貢獻率的變化情況

3 結 語

本文基于灘坑水庫1959—2018年的日降水數據，分析了CWD、PRCPTOT、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ這6個極端降水指標以及極端降水量對PRCPTOT貢獻率的變化特征，主要得到以下結論。

1)PRCPTOT在1959—2018年期間的增加趨勢是顯著的，整體經歷了“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多”的變化過程，其中，1960—1968年PRCPTOT持續偏少，是流域持續時間最長的一段枯水期；2012—2018年持續偏多，是流域持續時間最長的一段豐水期。

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

3)PRCPTOT對極端降水情況有指示性，其與其他極端降水指標之間存在顯著的正相關。20世紀60年代后期到70年代中期和20世紀90年代期間，各極端降水量對PRCPTOT貢獻較高，20世紀70年代后期到80年代后期各極端降水量貢獻率較低，進入21世紀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率和SDⅡ并沒有增加趨勢，說明灘坑流域弱降水日數增多。

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