1960—2018年嫩江流域極端降水事件時空變化特征

王建中，高 鵬，劉翠杰，張 蓉

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

0 引言

根據IPCC第5次評估報告，受人類活動等因素影響，氣候變暖已成為毋庸置疑的事實，從1880年到2012年，全球地表平均溫度大約升高了0.85℃[1]。隨著全球氣候變暖，極端水文氣象事件將更為頻繁。據統計，我國在21世紀前10年由極端降水事件引發的洪澇、滑坡、泥石流事件發生頻次約為20世紀最后10年的2倍，直接經濟損失亦顯著增加[2]。因此，研究極端水文氣象事件的特征和規律，提出相應的對策建議，已成為保障國家糧食安全生產和廣大人民群眾生命財產安全的迫切任務。

嫩江流域地處我國東北地區，橫跨黑龍江、內蒙古、吉林3個省（自治區），流域面積為29.85萬km2。流域地處溫帶半濕潤季風氣候區，大陸性氣候特征明顯，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽短促，冬季寒冷漫長。流域上游是著名的大興安嶺林區，中下游分布有大慶油田和廣闊的黑土地，是我國重要的農業基地和工業基地，維系著國家的糧食安全、生態安全和能源安全。

近年來，我國學者對極端降水事件進行了大量研究，取得了豐碩的成果[3,4]，但針對嫩江流域極端降水規律的研究還比較少見。為此，選取嫩江流域12個水文氣象站點的觀測數據，通過線性回歸、Mann-Kendall檢驗、小波分析、R/S分析等方法研究嫩江流域1960—2018年間極端降水事件的時空變化特征和未來發展趨勢。

1 數據與方法

1.1 數據

本文數據來源于國家氣象信息中心和松遼水利委員會水文局（信息中心）。為了保證數據的連續性和統一性，共選取嫩江流域12個分布均勻、具有1960—2018年連續觀測數據的水文氣象站點。研究選取4個世界氣象組織（WMO）推薦的極端降水指數表征嫩江流域的極端降水事件，各極端降水指數定義：年降水量（PRCPTOT），日降水量不小于1mm的降雨日累積降水量，mm；大雨日數（R25），日降水量不小于25mm的日數，d；日最大降水量（Rxlday），最大1d降水量，mm；強降水量（R95p），日降水量大于95%分位值的累積降水量，mm。

1.2 方法

首先基于嫩江流域1960—2018年逐日降水數據分別計算各站的4個極端降水指數時間序列；其次采用線性回歸法分析流域平均各極端降水指數的時間變化趨勢，并采用Mann-Kendall法[5]檢驗各指數變化趨勢的顯著性；然后采用小波分析法[6]對各指數時間序列進行多時間尺度分析；接著基于反距離權重插值法對各站極端降水指數的平均值與線性變化速率進行空間插值,分析兩者的空間分布特征；最后采用R/S分析法[7]預測各站極端降水指數的未來變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 極端降水指數時間變化

2.1.1 年際變化

采用泰森多邊形法計算流域平均各極端降水指數時間序列。各極端降水指數的時間序列變化見圖1，各指數的Mann-Kendall趨勢檢驗結果見表1。

圖1 極端降水指數年際變化

表1 極端降水指數變化趨勢檢驗結果

由圖1可知，研究時段內嫩江流域的PRCPTOT，R25，Rx1day和R95p雖然波動較大，但總體均呈現出微弱的上升趨勢，線性上升速率分別為0.587 mm/a，0.011d/a，0.042mm/a，0.430mm/a，4個極端降水指數均在1998年達到最大。

從表1可以看出，4個極端降水指數都呈現出上升趨勢，但均未通過α=0.05顯著性水平檢驗（統計量大于1.96），上升趨勢不顯著。相對而言，R25上升趨勢最為明顯，R95p次之，Rx1day最不明顯。

2.1.2 周期性變化

據王紅瑞等[8]研究，采用距平值序列進行小波分析，能夠比原始序列更好地反映小波系數的波動細節。因此本文先將嫩江流域各極端降水指數時間序列轉換為各指數距平值時間序列，再利用Morlet小波分析各指數距平值時間序列的周期性變化。各極端降水指數距平值時間序列的小波變換結果表明：

1）PRCPTOT時間序列存在2～6年和11～32年兩個比較明顯的時間尺度。2～6年時間尺度在1995—2005年之間最為強烈，其余時段表現較弱，其中心時間尺度為5年。11～32年時間尺度中存在15年和29年兩個中心；15年時間尺度相對較弱；29年時間尺度在整個研究時段都極為強烈，為PRCPTOT時間序列第一主周期。各時間尺度的小波變換系數實部正負位相交替出現，表明在不同時間尺度下PRCPTOT呈周期性地上下波動。

2）R25時間序列存在2～6年和10～32年兩個較為明顯的時間尺度。2～6年時間尺度的中心為4年，該時間尺度在1996—2003年期間表現極為強烈，其余時段亦比較明顯。10～30年時間尺度存在14年和29年兩個中心。14年時間尺度在1986年之后較為明顯，在此之前不甚明顯。29年時間尺度在1960—2018年期間均非常強烈，為R25時間序列第一主周期。

3）Rx1day時間序列存在2～5年和7～19年、20～32年三個明顯的時間尺度。2～5年時間尺度的中心為4年，在1974—1981，1994—2005年期間非常明顯，其余時段亦較為明顯。7～19年時間尺度的中心為11年，在1983—2005年之間較為強烈，其余時段相對較弱。20～32年時間尺度的中心為29年，該時間尺度在整個研究時段內均非常強烈，為Rx1day時間序列第一主周期。

4）R95p時間序列存在2～6年和9～18年、22～32三個明顯的時間尺度。2～6年時間尺度的中心為4年，該時間尺度在1997—2003年期間極為強烈，其余時段也較為明顯。9～18年時間尺度的中心為13年，該時間尺度在1960—1981年相對較弱，1982之后則非常明顯。22～32年時間尺度的中心為30年，該時間尺度貫穿整個研究時段，為R95p時間序列第一主周期。

總體而言，嫩江流域4個極端降水指數時間序列的時間尺度在時間域上分布不均勻，具有顯著的局部化特征，但在時域上的分布相似性較強，均存在4～5年、11～15年和29～30年3個明顯的時間尺度。29～30年時間尺度波動最為強烈，為4個極端降水指數的第一主周期，4～5年時間尺度也比較明顯，為第二主周期，11～15年時間尺度相對較弱。

2.2 極端降水指數空間變化

2.2.1 空間分布

分別計算嫩江流域12個站點各極端降水指數時間序列的多年平均值，然后采用反距離權重法將各站的極端降水指數平均值進行空間插值，即可得到其空間分布情況。結果表明：

1）嫩江流域PRCPTOT呈現出北高南低、東西兩側高中部低的趨勢，空間差異明顯。PRCPTOT最高的區域為嫩江源頭及其支流多布庫里河、甘河的源頭區，PRCPTOT高達505～520mm；PRCPTOT最低的區域分布在嫩江下游的白城和泰來一帶，PRCPTOT介于370～385mm之間。

2）流域內R25高值區主要分布在齊齊哈爾偏北的大興安嶺東坡一帶，嫩江右側支流雅魯河上的扎蘭屯站R25高達4.5d；R25低值區主要有3處，分別出現在嫩江上游左側支流固固河、下游右岸支流霍林河上游以及流域東南部的泰來、安達、乾安一帶，其中泰來站的R25最小，僅為3.1d。

3）Rx1day在流域內有2個高值區，分別位于支流雅魯河上的扎蘭屯和流域東南部的安達、乾安一帶，其中扎蘭屯站Rx1day高達58mm；Rx1day低值區主要分布在嫩江縣以北的大興安嶺林區和流域西南部霍林河、洮兒河上游區。

4）R95p的空間分布趨勢與PRCPTOT基本一致，呈現出北高南低、東西兩側高中部低的趨勢。R95p最高的站點為嫩江右岸支流甘河上的阿里河站，其多年平均值達127mm以上，白城和泰來的R95p則在100mm左右。

總體而言，嫩江流域各站多年平均R95p約占PRCPTOT的1/4，兩者的空間分布趨勢基本一致，均由流域上游至下游逐漸遞減。R25和Rx1day的分布趨勢有所不同，但兩者的高值區——暴雨中心均出現在嫩江中游右岸支流雅魯河上。

2.2.2 變率空間分布

分別計算嫩江流域12站點各極端降水指數1960—2018年期間的線性變化速率，然后采用反距離權重法將各站的極端降水指數線性變化速率進行空間插值，即可得到流域各極端降水指數變率空間分布情況。結果表明：

1）嫩江流域多數區域的PRCPTOT均呈現出上升趨勢，僅流域南部的索倫—乾安一線以南地區出現了下降趨勢。流域上游的甘河源頭區PRCPTOT上升速率最快，達到了1.7mm/a以上。流域南部的白城市下降速率最快，達0.9mm/a。

2）R25變率的空間分布趨勢與PRCPTOT變率較為接近，多數地區的R25表現為上升趨勢，僅在流域南部的白城一帶和東部的訥莫爾河與烏裕爾河源頭區表現出下降趨勢。R25上升速率最快的甘河上游阿里河站增速達0.041d/a；在下降速率最快的白城市，降速則為0.018d/a。

3）流域Rx1day變率的分布趨勢為阿里河—小二溝—齊齊哈爾—安達一線最高，往兩側則逐漸降低。多數區域的Rx1day均呈現出上升趨勢，僅索倫、白城一帶和石灰窯、克山一帶變率下降。Rx1day上升速率最快的為安達站，其增速達0.48 mm/a；下降速率最快的石灰窯與克山降速則約為0.15mm/a。

4）R95p變率分布趨勢與PRCPTOT變率較為相似，多數地區的R95p變率均為正值，僅流域南部的白城、乾安等地R95p變率為負數。流域上游的甘河源頭區R95p上升速率最快，達到了1.18mm/a；流域南部的白城市下降速率最快，達1.00mm/a。

總體而言，4個極端降水指數在嫩江流域的多數地區均表現為正增長，表明在研究時段內流域多數地區極端降水的總量和強度均有上升趨勢。

2.3 極端降水指數未來趨勢

采用R/S分析法計算嫩江流域各站極端降水指數的Hurst指數，以此分析流域未來極端降水事件的發展趨勢，結果如表2所示。

表2 嫩江流域各極端降水指數的Hurst指數

從表2可知，嫩江流域各站PRCPTOT與R25的Hurst值均大于0.5，表明兩者均具有較好的正持續性，未來將繼續保持當前的趨勢。除乾安站RX1d與克山站R95p的Hurst值低于0.5外，其余各站的Rx1day與R95p的Hurst值也均大于0.5，表明流域未來絕大多數地區的Rx1day與R95p仍將保持當前趨勢。考慮到研究時段內多數地區各極端降水指數均表現出上升趨勢，可知在未來一段時間內，嫩江流域多數地區各極端降水指數的變化趨勢仍將以上升為主，暴雨洪澇災害也會隨之加劇。

3 結語

1）嫩江流域的PRCPTOT，R25，Rx1day與R95p均呈上升趨勢，但趨勢不顯著。

2）4個極端降水指數時間序列的第一主周期為29—30年，第二主周期為4—5年。

3）PRCPTOT與R95p的空間分布趨勢均為由流域上游至下游逐漸遞減，流域暴雨中心出現在支流雅魯河上。各極端降水指數在嫩江流域的多數地區均表現為正增長。

4）未來嫩江流域多數地區各極端降水指數的變化趨勢仍將以上升為主。