1960—2013年昭通市極端降雨時空演變規(guī)律研究

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(1.云南省水文水資源局 昭通分局，云南 昭通　657000；2.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州　434020；3.長江科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢　430010)

1　研究背景

我國屬于大陸性季風(fēng)氣候，降雨的時空分布極為不均，在時間上集中在5—10月份的汛期，在空間上集中于南部和東部，這就導(dǎo)致我國夏季暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅社會經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。而21世紀(jì)以來，以全球變暖為主要標(biāo)志的氣候變化導(dǎo)致世界上許多區(qū)域極端暴雨的發(fā)生頻率和量級增加，已得到了大量的研究證實[3-4]。在我國，翟盤茂等[5]研究表明，近50 a我國北方降雨強(qiáng)度普遍趨于增加，除西北地區(qū)外降水日數(shù)普遍顯著減少；Qu等[6]的研究結(jié)果則表明，西北地區(qū)、黃河上游和珠江流域降雨量明顯增加，而其他地區(qū)則存在較大的空間變異性；Chen等[7]研究表明，云南省年降雨量有明顯下降趨勢，但各季節(jié)趨勢差異較大。此外，還有一些學(xué)者[8-9]對中國不同區(qū)域的極端降雨進(jìn)行了研究，各區(qū)域極端降雨演變規(guī)律不盡相同。對區(qū)域降雨特別是極端暴雨變化的研究，對于區(qū)域洪澇災(zāi)害防御具有重要的參考意義。因此，在極端降雨時空變異性較大的背景下，有針對性地開展具體區(qū)域的極端降雨演變規(guī)律分析，十分必要[10]。

昭通市是自然災(zāi)害頻發(fā)的地市之一，近年來頻頻遭受極端強(qiáng)降雨帶來的洪澇災(zāi)害[11-12]，僅2017年以來，已發(fā)生7月2—4日和8月24—25日的2次極端暴雨洪澇災(zāi)害，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。有關(guān)研究采用日尺度降雨直接分析降雨時空演變格局較多，采用極端降雨指數(shù)分析區(qū)域極端降雨演變規(guī)律相對較少。本文基于極端降雨指數(shù)對昭通市極端降雨的時空演變規(guī)律進(jìn)行分析，有助于加深對該區(qū)域極端降雨發(fā)生規(guī)律的認(rèn)識，為區(qū)域防洪減災(zāi)和水資源管理提供參考。

2　數(shù)據(jù)來源及分析方法

2.1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

昭通市位于云、貴、川三省結(jié)合處，是云南省的北大門，總面積23 021 km2；處在四川盆地向云貴高原抬升的過渡地帶，地勢南高北低。在氣候上屬于大陸性季風(fēng)氣候，降雨時空分布極為不均，主要集中在汛期5—10月份[13]。

本研究采用的數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。為了盡可能全面地反映昭通市的降雨狀況，選取了昭通市及其周圍共計21個站點，經(jīng)過整理，剔除數(shù)據(jù)不完整和缺測數(shù)據(jù)較多的站點5個，最終選擇16個站點的氣象數(shù)據(jù)作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。氣象站點的相關(guān)基本信息如表1所示，其空間分布如圖1所示。

表1　昭通市及其周圍16個氣象站點基本信息

圖1　昭通市邊界位置、高程及氣象站點分布

2.2　極端降雨指標(biāo)體系

世界氣象組織(WMO)及氣候變化和可預(yù)測性研究計劃(CLIVAR)聯(lián)合推薦了氣候變化檢測指數(shù)(ETCCDI)[14]。該指數(shù)集共有27項氣候指數(shù)，主要涉及氣溫和降雨等方面。本文選取其中的6個降雨指數(shù)，用以表征極端降雨，進(jìn)行地區(qū)極端降雨的時空演變規(guī)律分析，各指數(shù)的名稱和定義見表2。表2中的6項指數(shù)，前4項指數(shù)是反映極端降雨量級的，后2項指數(shù)則主要是反映極端降雨發(fā)生頻率的，6項指數(shù)整體上構(gòu)成一個相對完善的評價指標(biāo)體系，反映了極端降雨的主要特征，可對區(qū)域極端降雨進(jìn)行綜合評價[15]。

表2　極端降雨指數(shù)選取及定義

極端降雨指數(shù)的計算采用基于R語言的RClimDex1.0軟件。RClimDex1.0軟件(http:∥etccdi.pacificclimate.org/software.shtml)是一款專門用于極端氣候指數(shù)計算的R語言軟件包，由Climate Research Branch of the Meteorological Service of Canada開發(fā)，在極端氣候和氣候變化研究中被廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行極端降雨指數(shù)計算前，先對降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，包括人工檢查和RClimDex1.0計算時的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，剔除質(zhì)量不合格的數(shù)據(jù)。

區(qū)域面上平均的降雨數(shù)據(jù)基于ArcGIS10.2利用泰森多邊形法進(jìn)行面積權(quán)重計算得到，并同16個站點數(shù)據(jù)一起采用RClimDex1.0進(jìn)行指數(shù)計算。趨勢分析采用線性趨勢分析和Mann-Kendll法[16]，突變分析采用滑動t檢驗[17]，這些方法均為水文氣象研究中常用的方法，其原理不再贅述；各指數(shù)的空間分布采用ArcGIS 10.2基于反距離插值法(IDW)得到。

圖2　1960—2013年昭通市6項極端降雨指數(shù)演變情況

3　結(jié)果與討論

3.1　昭通市極端降雨的時間演變分析

昭通市面上平均6項極端降雨指數(shù)由基于ArcGIS10.2利用泰森多邊形法進(jìn)行面積權(quán)重計算得到的降雨數(shù)據(jù)計算而來，其時間演變結(jié)果如圖2和表3所示，各站點6項極端降雨指數(shù)的線性傾向率(/10 a)計算結(jié)果如表4所示。在圖2中，實折線為各指數(shù)的長系列年度值，菱形點代表各指代的各年代(1960s—2010s)平均值，其中2010s平均值為2010—2013年的平均值，實直線代表長系列值的線性趨勢。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，各項指數(shù)的變化趨勢及幅度相互間存在較大差異。

表3　昭通市極端降雨指數(shù)時間變化趨勢和突變檢驗匯總

注：*表示該趨勢通過了0.05的顯著性檢驗

表4　不同站點極端降雨指數(shù)線性傾向率

昭通市多年(1960—2013年)平均PRCPTOT為831.9 mm, 1960—2013年最大PRCPTOT為 1 035.9 mm，出現(xiàn)在1968年，最小PRCPTOT為526.0 mm，出現(xiàn)在2011年。1960—2013年昭通市PRCPTOT總體上呈不顯著的下降趨勢，下降的線性傾向率為-0.91 mm/a。從PRCPTOT年代演變來看，從1960s—2010s(按2010—2013統(tǒng)計)基本上處于整體微弱下降的趨勢，2010s相對于前幾個年代下降較為明顯，該結(jié)論與文獻(xiàn)[13]初步分析結(jié)論一致，即昭通市極端降雨近50 a來有緩慢下降的趨勢。平均日降雨強(qiáng)度SDII多年平均值為6.2 mm/d，總體上呈現(xiàn)出不顯著的上升趨勢，上升的線性傾向率為0.003 (mm/d)/a，由于降雨總量在下降，因此可知降雨天數(shù)有上升趨勢。

RX5day是評價5 d最大降雨量的指數(shù)，反映了降雨的集中度。昭通市RX5day多年(1960—2013年)平均值為49.5mm，呈顯著上升趨勢，線性傾向率為0.10 mm/a， 說明昭通市降雨的集中度有所增加。

R95p是評價極端強(qiáng)降雨的指數(shù)，表征強(qiáng)降雨量，昭通市R95p指數(shù)的多年平均值為58.0 mm，占多年平均降雨總量7.0%。昭通市R95p在1960—2013年期間均呈不顯著的上升趨勢，線性傾向率為0.19 mm/a，說明近50 a來昭通市極端強(qiáng)降雨的總量有增加的趨勢。

R10mm表征一年中降雨量>10 mm的天數(shù)，兩者反映了較強(qiáng)降雨發(fā)生的頻率，從圖2和表3可知， R10mm呈現(xiàn)出顯著下降趨勢，其線性傾向率為-0.03 d/a。此外，R10mm指數(shù)在2001年發(fā)生了突變。

CWD表征一年中的連續(xù)有雨天數(shù)，反映了區(qū)域的總體濕潤態(tài)勢。從圖2和表3可知， CWD呈現(xiàn)出下降趨勢，其線性傾向率為-0.05 d/a。此外，1960—2013年期間，昭通市CWD指數(shù)發(fā)生了突變，突變年份為1985年。

圖3　昭通市6項極端降雨指數(shù)空間分布

3.2　昭通市極端降雨空間分布格局分析

圖3為昭通市6項極端降雨指數(shù)的空間分布，該圖是根據(jù)各指數(shù)的多年(1960—2013年)平均值采用IDW空間插值得到的，它能夠反映昭通市不同區(qū)域極端降雨的空間分布情況。

從PRCPTOT的空間分布圖可以看出，昭通市PRCPTOT最小的區(qū)域集中在昭通城區(qū)及其周圍，約為650 mm，而PRCPTOT最大的區(qū)域則主要為巧家縣西部和鹽津縣，約1 100 mm，其他區(qū)域則居于二者之間,總體上看昭通市PRCPTOT空間分布極不均勻。昭通市SDII空間分布則恰與PRCPTOT有著大致相反的特征，SDII較小的區(qū)域主要為昭通市東側(cè)鎮(zhèn)雄縣，約7.5mm/d，其次是威信縣和市區(qū)，而SDII最大的區(qū)域為大關(guān)縣和彝良縣，約9.2 mm。

昭通市RX5day指數(shù)在北部鹽津縣、水富縣和巧家縣等地區(qū)較高，而昭通城區(qū)和永善縣等地區(qū)較低，而西部鎮(zhèn)雄縣和威信縣則居中。RX5day的高值和低值分別為326.2 mm和152.4 mm，可見高值和低值差別較大，昭通市RX5day指數(shù)空間分布不均勻。

昭通市R95p指數(shù)空間分布表現(xiàn)為:高值集中在鹽津縣、水富縣、綏江縣和巧家縣等區(qū)域，約為375 mm;低值則主要集中在昭通市城區(qū)及其周圍，約為160 mm;該項指數(shù)具有較大的空間變異性。

昭通市R10mm空間分布特征與其他指數(shù)迥異。R10mm較高的區(qū)域主要分布在鹽津縣、大關(guān)縣、魯?shù)榭h和巧家縣，約29 d，而R10mm較低的區(qū)域則主要分布在昭通城區(qū)、彝良縣和永善縣，約20 d。

昭通市CWD空間分布特征為：CWD較高的區(qū)域主要為鹽津縣、大關(guān)縣、魯?shù)榭h和巧家縣等區(qū)域，約為8 d，而低值主要集中在永善縣、綏江縣和水富縣等區(qū)域，約為5 d，盡管空間上數(shù)值分布差異較大，但高值和低值相差較小，總體上空間差異性不大。

總體來看，昭通市6項極端降雨指數(shù)均具有較高的空間異質(zhì)性，東北部降雨量級和頻率較高，中部趨緩，而西南總體上相對較低。極端降雨的空間分布格局的分析結(jié)果與文獻(xiàn)[13]的結(jié)果基本一致，即昭通市極端降雨的空間變異性較大，且總降雨量PRCPTOT由北向南逐步遞減，但SDII,R10mm和CWD這3項指標(biāo)的空間分布特征則與PRCPTOT不同，這也表明昭通市極端降雨強(qiáng)度和頻率與降雨總量表現(xiàn)出不同的空間分布特征。

圖4　昭通市6項極端降雨指數(shù)與高程的關(guān)系

3.3　昭通市極端降雨與高程的關(guān)系分析

極端降雨的發(fā)生有極強(qiáng)的空間變異性，受到大氣環(huán)流和下墊面等多種因素的共同影響，由于其形成機(jī)制復(fù)雜且機(jī)理暫不明確，通過顯式的數(shù)學(xué)關(guān)系來預(yù)測極端降雨的產(chǎn)生和發(fā)展仍然十分困難。因此，通過相關(guān)分析找到影響某項指標(biāo)發(fā)生的重要影響因素是國際上通行的做法[7]。表5給出了昭通市不同極端降雨指標(biāo)間相關(guān)性分析，從表5可以看出，大部分指標(biāo)與PRCPTOT呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，僅CWD與PRCPTOT呈不顯著的正相關(guān)關(guān)系，這表明，極端降雨與降雨總量有著密切的關(guān)系。其他指標(biāo)也有許多呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，如SDII與R95p相關(guān)系數(shù)達(dá)0.807，且通過了0.01顯著性水平的顯著性檢驗。

表5　昭通市不同極端降雨指標(biāo)間相關(guān)性分析

注：**表示0.01顯著性水平下顯著

一些研究表明，在地形起伏較大的山區(qū)，極端降雨指數(shù)與高程呈現(xiàn)出重要的關(guān)聯(lián)性[18-19]。由于昭通市地處云貴高原與四川盆地的交接處，地形變化較大，16個站點的高程在100～2 461 m之間。本文對昭通地區(qū)16個站點的6項極端降雨指數(shù)的多年平均值與其相應(yīng)的站點高程進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，SDII基本不隨高程而變化；而PRCPTOT，R10mm，CWD則隨高程的上升呈現(xiàn)出緩慢的上升趨勢，即對昭通市而言，高程越高的地區(qū)，PRCPTOT，R10mm，CWD這3項極端降雨指數(shù)數(shù)值越高，該結(jié)果表明昭通地區(qū)山區(qū)整體上相對低海拔地區(qū)更加濕潤； RX5day和R95p這2項指標(biāo)則表現(xiàn)出與其他指標(biāo)不同的特征，均與高程呈較為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即其量級隨高程的增加而減小，而這2項指標(biāo)分別表征最大5d降雨量和強(qiáng)降雨量，這說明昭通地區(qū)極端降雨主要發(fā)生在低海拔地區(qū)。

4　討論與結(jié)論

本文基于昭通市及其周圍16個氣象站點1960—2013年的長系列實測降雨資料，選用世界氣象組織推薦的6個極端降雨指數(shù)，采用線性趨勢分析、Mann-Kendll法、滑動T檢驗和反距離插值(IDW)等方法，對昭通市的極端降雨時空演變規(guī)律進(jìn)行了初步分析。分析結(jié)果表明:在時間演變規(guī)律方面，昭通市降雨量級有上升趨勢，但降雨頻率有下降趨勢；在空間分布格局方面,東北部降雨量級和頻率較高，中部趨緩，西南總體上相對較低；相關(guān)分析表明，極端降雨主要發(fā)生在低海拔地區(qū)。研究結(jié)果有助于深化對昭通市極端降雨演變規(guī)律的認(rèn)識，對該區(qū)域防洪減災(zāi)和水資源管理有一定參考意義。