20 世紀(jì)后半期以來贛江流域極端降水事件分析

鄒雄媛，劉燕萍，萬 丹，吳 霞，鄭 康，趙軍凱

(九江學(xué)院旅游與地理學(xué)院，江西 九江 332005)

近年來，在人類活動(dòng)和自然因素的雙重驅(qū)動(dòng)下，極端天氣事件頻繁發(fā)生[1]，對(duì)人類財(cái)產(chǎn)和生命產(chǎn)生了威脅，引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[2-3]。 中國近60 年來極端降水事件的頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)[4]。 長江流域自2000 年以來正處在由少雨向多雨轉(zhuǎn)變中[5]，多年平均極端降水量與年降水量從下游到上游逐漸遞減[6]。

江西省極端降水事件發(fā)生的日數(shù)明顯增加，平均極端降水頻率和強(qiáng)度大致呈現(xiàn)出由西南向東北遞增的趨勢(shì)[7]。 潘國艷等[8]基于贛江流域1964—2013 年13 個(gè)水文站的日降水資料，采用AM抽樣和POT抽樣相結(jié)合的方法，選取4 個(gè)極端降水指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)RX1、R95 和RD95 均表現(xiàn)出一定的增加趨勢(shì)，但RI95 變化不大，沒有明顯的趨勢(shì)性，各指標(biāo)在研究時(shí)段內(nèi)均沒有發(fā)生顯著突變。 王永文等[9]對(duì)贛江流域8 個(gè)極端降水指數(shù)分析后認(rèn)為突變主要集中在1990s和2000s，1991 年突變次數(shù)最多。 劉裕輝等[10]以日降水資料為基礎(chǔ)對(duì)贛江上游章水流域，選用12 個(gè)極端降水指數(shù)分析，結(jié)果顯示章水流域極端降水的變化趨勢(shì)可能會(huì)增強(qiáng)，這與吳丹瑞等[11]2017 年贛南地區(qū)極端降水變化研究結(jié)果類似。 可見，由于極端降水的影響因素復(fù)雜，各學(xué)者對(duì)極端降水指標(biāo)選取也不盡相同，所得贛江流域極端降水變化的研究結(jié)果并不一致，突變分析結(jié)果也有分歧。 故贛江流域極端降水規(guī)律、時(shí)空變化特征及其原因等問題還需要進(jìn)一步研究。 本文側(cè)重于對(duì)贛江流域極端降水事件的趨勢(shì)性、突變性以及空間變化分析的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，以期對(duì)贛江流域防洪減災(zāi)和水資源合理開發(fā)利用提供參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

贛江流域在24°29′～29°11′N，113°30′～116°40′E(圖1)。 贛江全長823 km，流域面積約為82 800 km2，多年平均徑流量為683.4 ×108m3，是江西省最長的河流。 贛江流域東倚雩山、武夷山脈，西倚羅霄山脈，南靠大庾嶺，北通鄱陽湖和長江，呈現(xiàn)山地丘陵為主體的地貌格局。 流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量約為1 580 mm，其中4—9月降水量占全年的68.6%，年平均氣溫在11.6 ～19.6 ℃，無霜期長達(dá)240 ～307 d。

圖1 贛江流域及氣象站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

由于收集到的氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列參差不齊，本文選用氣象數(shù)據(jù)時(shí)間區(qū)間為1963—2013 年，數(shù)據(jù)來源為中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。選取贛江流域的吉安、寧都、宜春、龍南、南昌、贛縣、遂川等7 個(gè)氣象站(圖1)進(jìn)行研究。

2.2 主要研究方法

本文選用了極端降水閾值(EPT)、極端降水量(R95)、極端降水天數(shù)(RD95)、極端降水強(qiáng)度(RI95)、連續(xù)五日最大降水量(RX5day)、一日最大降水量(RX1day)等極端降水指數(shù)對(duì)贛江流域的極端降水事件進(jìn)行分析見表1。 文中用百分位閾值法確定流域內(nèi)各站點(diǎn)的極端降水閾值，用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法進(jìn)行各極端降水指數(shù)的趨勢(shì)分析，并用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法確定各極端降水指數(shù)的突變情況，同時(shí)在Arcgis10.2 平臺(tái)上利用Kriging空間插值法對(duì)各極端降水指數(shù)進(jìn)行空間分析。

表1 極端降水指數(shù)及其含義

a)百分位閾值法。 通常將日降水量超過某一百分位來定義降水極值[9]。 該方法是把每年各個(gè)站點(diǎn)大于0.1 mm的逐日降水量數(shù)據(jù)按升序進(jìn)行排列，本文把位于95 分位的降水量定義為年極端降水量閾值，依次計(jì)算各站點(diǎn)各年份的極端降水閾值，以多年極端降水量閾值的平均值作為該站點(diǎn)的最終極端降水閾值，日降水量超過這個(gè)閾值即認(rèn)為發(fā)生了一次極端降水事件。

b)M-K檢驗(yàn)法。 Mann-Kendall檢驗(yàn)法是目前較常用的水文變量趨勢(shì)性檢驗(yàn)方法，是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法，簡稱M-K法[13-14]。 該方法優(yōu)點(diǎn)是變量不需要服從一定的分布，適合于水文變量的趨勢(shì)檢驗(yàn)。對(duì)于有n 個(gè)樣本的序列x1，x2，…，xn，M-K法定義了統(tǒng)計(jì)量s:

式中，sign()為取符號(hào)函數(shù)；xj、xk分別為j、k對(duì)應(yīng)的變量值。 Var(s)為統(tǒng)計(jì)量s的方差，計(jì)算公式如下:

式中，Z為一個(gè)服從正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量，Z＞0表明原序列可能有上升趨勢(shì)，Z＜0 表示原序列可能有下降趨勢(shì)。 當(dāng)Z的絕對(duì)值大于或等于1.96 和2.56 時(shí)，分別表示通過了α=0.05 和0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)。

式(5)遵從自由度為v=n1+n2-2 的t分布[16]。

此方法需要反復(fù)改變子序列長度進(jìn)行試驗(yàn)比較，以提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。 故本文中選取的樣本長度分別是10 a或5 a。 給定顯著性水平α，查t分布表可得到臨界值tα/2。 若|ti|＜tα/2，則認(rèn)為基準(zhǔn)點(diǎn)前后的2 個(gè)序列均值無顯著差異，否則認(rèn)為在基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)刻有突變發(fā)生。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水指數(shù)趨勢(shì)分析

利用M-K趨勢(shì)分析法對(duì)EPT與RD95 等6 個(gè)極端降水指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果見表2。 從表2中發(fā)現(xiàn)贛江流域多數(shù)站點(diǎn)極端降水指數(shù)趨勢(shì)都呈不顯著上升趨勢(shì)，僅有少數(shù)站點(diǎn)呈不顯著下降趨勢(shì)。首先，各站的R95、EPT和RD95 都呈上升趨勢(shì)。 其中，龍南站的R95 上升趨勢(shì)最大，贛縣站反之最小；吉安站的EPT和RD95 上升趨勢(shì)最大，其Z值分別為0.67 和0.45。 其次，多數(shù)站點(diǎn)的RI95、RX1day和RX5day都呈上升趨勢(shì)，僅有少數(shù)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，但是其趨勢(shì)均不顯著。 其中，贛縣站的RI95、RX1day及南昌站的RX5day呈上升趨勢(shì)，而龍南站的RI95、南昌的RI95 和RX1day以及吉安站的RI95、RX1day、RX5day都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表2 贛江流域極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)

3.2 極端降水指數(shù)突變分析

采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)突變年份進(jìn)行檢驗(yàn)，取樣本長度為5 a，取α=0.05，相應(yīng)的|tα/2|=2.31，tmax＞0，代表該點(diǎn)是趨向減少的突變點(diǎn)，tmin＜0 則是代表趨向增加的突變點(diǎn)[16]。 計(jì)算結(jié)果見表3。 EPT在1984 年出現(xiàn)趨向減少突變，在1991 年出現(xiàn)趨向增大的突變。 各站RD95 在1984 年發(fā)生趨向減少的顯著突變；RX1day在1989 年發(fā)生趨向增加的顯著突變；RX5day在20 世紀(jì)80 年代末和90 年代初發(fā)生突變；RI95 突變點(diǎn)集中在1980 年前后，且是趨向增加的突變；R95 突變點(diǎn)在1984 年前后較多，是顯著減少的突變點(diǎn)(表3)。

表3 贛江流域極端降水指標(biāo)突變點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)

贛江流域7 個(gè)氣象站RD95 指標(biāo)的滑動(dòng)t檢驗(yàn)情況見圖2。 圖2 顯示，1970 年是吉安站趨向減少的突變點(diǎn)，即在1970—1978 年呈下降趨勢(shì)。 贛縣、吉安、寧都站在1984 年發(fā)生趨向減少的突變。 吉安和贛縣站是在1979、1991 年前后發(fā)生趨向增加的突變，且在1979—1984 年出現(xiàn)了較大增長，而在1991—2008 年期間出現(xiàn)了小波動(dòng)增長。

圖2 贛江流域極端降水日年份數(shù)序列突變性滑動(dòng)t檢驗(yàn)

由圖2 還可以看出，各站RD95 指數(shù)的變化曲線在1984 年走勢(shì)比較接近，寧都、吉安和贛縣站都呈現(xiàn)出顯著減少的突變；1991 年左右各站RD95 指數(shù)突變曲線較為分散，吉安、贛縣兩站的突變尤為突出。 多數(shù)站點(diǎn)的突變集中于1984 年前后，但宜春、南昌兩站并未發(fā)生突變，可能是因宜春和南昌位于贛江下游，距鄱陽湖較近，降水變化受到鄱陽湖水面蒸發(fā)的影響，故水汽充足，降水形成的條件比較容易達(dá)到[8]。

突變點(diǎn)相對(duì)集中在20 世紀(jì)90 年代初期和1984 年前后，其原因可能是該時(shí)期人類活動(dòng)增加，對(duì)環(huán)境改造的作用明顯增強(qiáng)，致使全球氣候變化在局地的響應(yīng)出現(xiàn)差異。 從地形上看，各項(xiàng)指標(biāo)突變較多的站點(diǎn)主要分布在流域中游的西部及整個(gè)流域邊緣的山區(qū)，故極端降水的突變受到地形影響較大。贛江流域周圍的山區(qū)降水量比流域中部盆地的降水量更大，源于其與贛江下游鄱陽湖區(qū)相比，蒸發(fā)量較小，水汽量不足、來源不穩(wěn)定，因此發(fā)生突變的可能性增加。

3.3 極端降水指數(shù)空間分布特征

贛江流域7 個(gè)站點(diǎn)的極端降水指數(shù)空間分布情況見圖3。 由圖3a、表4 可知，贛江流域RX1day的多年均值為100.0 mm；RX1day的高值中心在贛江流域東北區(qū)域的南昌站附近，多年均值為118.5 mm，最高值達(dá)289 mm(1973 年4 月25 日)，寧都站為次高值中心，多年均值為109.2 mm，最高值達(dá)218.1 mm(1984 年6 月1 日)；低值中心在贛江流域西南區(qū)域的遂川站附近，其多年均值為83.1 mm，最小值達(dá)35.7 mm(1982 年5 月28 日)；贛縣的RX1day也相對(duì)較低，其多年均值為88.2 mm，最小值為52.8 mm(1991 年8 月17 日)。 可見，RX1day總體上呈現(xiàn)出從東北向西南遞減的分布規(guī)律。 同樣，由圖3a、3b、3c、3f和表4 可知贛江流域各站點(diǎn)RI95、RX5day、R95 的空間分布和RX1day的分布大致相同，也呈現(xiàn)東北向西南遞減的趨勢(shì)。

表4 贛江流域極端降水指數(shù)多年平均值

圖3 贛江流域極端降水指數(shù)空間變化

續(xù)圖3 贛江流域極端降水指數(shù)空間變化

由表4 知，贛江流域EPT的變化范圍為33.7 ～44.1 mm，其平均值為38.7 mm。 EPT的高值中心出現(xiàn)在流域東部的寧都站，多年均值達(dá)44.1 mm；同時(shí)，南昌站是次高值中心，多年均值達(dá)43.0 mm。EPT的低值中心則出現(xiàn)在流域西端的遂川站，多年均值達(dá)33.7 mm，與寧都站EPT相差10.4 mm；另外，宜春站和贛縣站EPT也相對(duì)較小，其多年均值分別為36.3、36.0 mm。 3 站在流域西端構(gòu)成一個(gè)明顯的低值帶(圖3d)。 可見，贛江流域EPT空間變化有大致呈從東向西遞減的趨勢(shì)。

圖3e和表4 可知，RD95 最大值出現(xiàn)在流域最西端的宜春站，共計(jì)430.0 d，其次是遂川站共計(jì)424.0 d，二者構(gòu)成了流域西端的2 個(gè)高值中心。RD95 最小值出現(xiàn)在南昌站，共計(jì)365.0 d。 此外，從各站RD95 的多年平均值來看，最小值出現(xiàn)在南昌站(7.3 d)，最大值出現(xiàn)在宜春站(8.6 d)。 由此可見，RD95 的空間分布趨勢(shì)與其他指數(shù)的趨勢(shì)相反，呈現(xiàn)出從西向東遞減的趨勢(shì)。

觀察圖3a、3b、3c，發(fā)現(xiàn)RX1day、RI95、RX5day在空間分布上具有較高的一致性，其空間分布規(guī)律為:整體空間分布呈自東北向西南遞減的趨勢(shì)，且流域內(nèi)都存在一個(gè)高值中心與低值中心，它們的高值中心均在南昌一帶；除了RX5day的低值中心有2個(gè)(贛縣和遂川)外，RX1day、RI95 的低值中心均在遂川，并且遂川-贛縣一帶為明顯低值區(qū)域。 觀察圖3d、3f，發(fā)現(xiàn)EPT與R95 的空間分布有相似之處，它們的高值中心都在寧都站附近，而低值區(qū)域都在遂川-贛縣一帶。 再觀察圖3d、3e，發(fā)現(xiàn)EPT與RD95 的空間分布規(guī)律上相反，EPT呈現(xiàn)從東向西遞減的趨勢(shì)，與之相反，RD95 呈現(xiàn)出從西向東遞減。由此可知，本文選取的6 個(gè)極端降水指標(biāo)的空間分布規(guī)律存在一定的趨同性和反相性，這與贛江流域東部和西部所處的地形地勢(shì)、地理位置和水汽輸送方向有關(guān)。

4 結(jié)論

a)贛江流域所選7 個(gè)站點(diǎn)極端降水指數(shù)趨勢(shì)性研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)站點(diǎn)極端降水指數(shù)變化呈不顯著上升趨勢(shì)；各站的R95、EPT和RD95 都呈上升趨勢(shì)，吉安站的EPT和RD95 上升趨勢(shì)最大，其Z值分別為0.67 和0.45；僅有少數(shù)站點(diǎn)RI95、RX1day和RX5day呈不顯著下降趨勢(shì)。

b)贛江流域各站點(diǎn)的極端降水指數(shù)的突變均達(dá)到顯著水平(α=0.05)，較多站點(diǎn)如吉安的EPT、RD95、R95，贛縣的EPT、RD95、RX5day、R95，寧都的RX1day、RX5day，宜春、遂川的RX5day的極端降水指數(shù)突變達(dá)到非常顯著(α=0.01)；突變點(diǎn)相對(duì)集中在20 世紀(jì)90 年代初期和1984 年前后，其中1984 年是突變發(fā)生的集中年份，其次為1979 年。這些突變的變化趨勢(shì)，對(duì)研究贛江流域極端降水變化有一定指示意義。

c)通過對(duì)贛江流域各極端降水指標(biāo)的空間分析，得到了贛江流域內(nèi)各極端降水指數(shù)的多年平均值(除RD95 外)都呈現(xiàn)大致從東向西遞減的空間分布規(guī)律，與之相反，RD95 則呈現(xiàn)自西向東遞減的趨勢(shì)。 其中，RX1day、RI95、RX5day和R95 呈現(xiàn)由東北向西南遞減的趨勢(shì)。 因此，在贛江流域極端降水預(yù)測中，結(jié)合極端降水變化趨勢(shì)和空間分布規(guī)律，可為預(yù)防極端降水衍生災(zāi)害，減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，以及水資源開發(fā)利用提供一定的參考價(jià)值。

致謝：在研究過程中得到九江學(xué)院張力老師指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝！