中國(guó)西南部區(qū)域雨季極端降水指數(shù)時(shí)空變化特征*

王 昊，姜 超，王鶴松，孫建新

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中國(guó)西南部區(qū)域雨季極端降水指數(shù)時(shí)空變化特征*

王 昊，姜 超**，王鶴松，孫建新

（北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083）

基于1971?2013年中國(guó)西南部區(qū)域7省市477個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降水觀測(cè)資料，選取11個(gè)極端降水指數(shù)，運(yùn)用線性傾向法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法分析了西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)的時(shí)空分布及變化特征，并探究極端降水指數(shù)多年平均以及變化趨勢(shì)與海拔高度的關(guān)系。結(jié)果表明：（1）近43a來(lái)，西南部地區(qū)雨季PRCPTOT、CWD、R1mm、R10mm以及SDII分別以12.6mm·10a?1、0.23d·10a?1、1.57d·10a?1、0.49d·10a?1和0.31mm·d?1·10a?1的速率下降（P＜0.05），CDD上升速率為0.37d·10a?1（P＜0.05），而Rx1day、Rx5day、R95、R99以及R20mm的變化不顯著。（2）雨季CDD、R1mm、Rx1day的突變集中發(fā)生在20世紀(jì)80年代，而PRCPTOT、R10mm、Rx5day和SDII的突變主要發(fā)生在2003年前后；PRCPTOT、CDD、R1mm、R10mm、Rx1day和SDII在突變年份以前表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，而在突變年份以后則會(huì)發(fā)生顯著的上升或下降趨勢(shì)。（3）從變化趨勢(shì)空間分布的角度看并非所有地區(qū)均表現(xiàn)出干旱化趨勢(shì)，云南、貴州及廣西三省交界處雨季干旱化程度較嚴(yán)重，廣西東南部地區(qū)雨季發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大，而橫斷山脈地區(qū)雨季更加濕潤(rùn)。（4）從貢獻(xiàn)率變化的角度，西南部地區(qū)雨季降水占比的變化趨勢(shì)具有很強(qiáng)的區(qū)域特征，四川北部和西藏地區(qū)雨季指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率逐年下降，而廣西東南部地區(qū)雨季指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率逐漸上升。（5）綜合11個(gè)指數(shù)與海拔高度的關(guān)系來(lái)看，一方面，西南高海拔地區(qū)R1mm較高，降水以中小雨為主，并且PRCPTOT、R1mm、R10mm以及R20mm的多年平均值均表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)。因此，43a來(lái)西南高海拔地區(qū)變得更加濕潤(rùn)。另一方面，低海拔地區(qū)R1mm較低，而R95、R99、Rx1day、Rx5day以及SDII均較高，并且在低海拔地區(qū)CWD和CDD均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因此，雨季低海拔地區(qū)面臨洪澇及干旱的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

極端降水指數(shù)；雨季降水；西南地區(qū)；降水日數(shù)；降水強(qiáng)度

人類步入工業(yè)化社會(huì)以來(lái)，全球氣候發(fā)生了前所未有的變化，溫室氣體濃度不斷增加，海洋和大氣逐漸變暖，積雪和冰量逐漸減少，海平面不斷上升[1?2]。與此同時(shí)，極端降水事件發(fā)生的頻次、范圍以及強(qiáng)度也在不斷增加[3]，近幾年來(lái)由極端降水事件引發(fā)的洪澇、干旱等災(zāi)害已經(jīng)對(duì)世界各地的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等諸多方面造成了巨大影響[4]，嚴(yán)重威脅人類正常的生產(chǎn)生活，因此，極端降水事件愈來(lái)愈受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。Alexander等[5]利用全球600個(gè)降水站點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)50年代以來(lái)，全球降水日數(shù)增加趨勢(shì)較為明顯；Zolina等[6]發(fā)現(xiàn)，在北歐、中歐以及俄羅斯持續(xù)降水時(shí)間顯著增長(zhǎng)，在冬季這種增長(zhǎng)趨勢(shì)尤為明顯；Griffiths等[7]研究表明，近50a來(lái)北美地區(qū)極端降水呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)。中國(guó)學(xué)者對(duì)極端降水事件也進(jìn)行了一系列研究，武文博等[8]利用中國(guó)602個(gè)氣象站點(diǎn)對(duì)中國(guó)極端降水事件的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明中國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，多數(shù)極端降水指數(shù)都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，整體上中國(guó)極端降水事件明顯增多；陳靜等[9]利用1961?2014年華北平原52個(gè)氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)干旱事件特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)1961?2014年華北平原干旱中心由南向北逐漸遷移；曹祥會(huì)等[10]發(fā)現(xiàn)1961?2010年河北省降水強(qiáng)度呈現(xiàn)東南到西北逐漸降低的趨勢(shì)，整體上河北省有干旱化的趨勢(shì)。任正果等[11]利用全國(guó)0.5°×0.5°逐日降水量數(shù)據(jù)集以及氣象站點(diǎn)日降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)南方極端降水事件的變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1961?2011年中國(guó)南方極端降水事件明顯增多；劉勤等[12]基于黃河流域102個(gè)氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，研究了黃河流域干旱的時(shí)空分布特征，結(jié)果表明黃河流域在全年尺度上處于特旱狀態(tài)，并且上游旱情相對(duì)較重?，F(xiàn)有研究已經(jīng)指出，極端降水事件具有較強(qiáng)的敏感性，氣候平均態(tài)的微小波動(dòng)可能引起極端降水事件頻次以及強(qiáng)度的強(qiáng)烈變化[13]，因此，合理運(yùn)用描述極端降水事件的替代指數(shù)[14]，對(duì)于研究區(qū)域降水和極端降水事件時(shí)空變化特點(diǎn)非常必要。

中國(guó)西南部區(qū)域地形較為復(fù)雜，海拔高低起伏[15?16]，其主要?dú)夂蝾愋蜑閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，受到季風(fēng)環(huán)流的影響，該地區(qū)降水季節(jié)差異性較大，干濕季分明[17]。西南部區(qū)域原本是一個(gè)降水充足的地區(qū)，但其降水時(shí)空分布不均勻，降水多集中在雨季[17?20]。隨著氣候變暖現(xiàn)象的不斷加劇，西南部區(qū)域的干濕差異性更加明顯，即干旱地區(qū)將會(huì)更加干旱，而濕潤(rùn)地區(qū)將會(huì)更加濕潤(rùn)[17,21]。因此，在全球變暖的背景下，中國(guó)西南部區(qū)域遭遇極端降水與極端干旱事件的風(fēng)險(xiǎn)較大。觀測(cè)記錄也表明，近幾年來(lái)中國(guó)西南部區(qū)域洪澇災(zāi)害與干旱災(zāi)害頻發(fā)，如2001年廣西的特大洪澇災(zāi)害[22]，2006年四川和重慶的特大旱災(zāi)以及2009?2012年云南貴州的旱災(zāi)[23]等。很多學(xué)者對(duì)中國(guó)西南部地區(qū)極端降水展開(kāi)了研究，董謝瓊等[24]利用76個(gè)基本站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)西南地區(qū)1951?1995年降水變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明西南地區(qū)降水空間分布不均，區(qū)域差異較大，其中地形因素是影響西南地區(qū)降水分布的重要因素，整體上降水量呈現(xiàn)由東南向西北逐漸減少的趨勢(shì)；羅玉等[25]進(jìn)一步證明了西南地區(qū)極端降水變化趨勢(shì)地域差異較大，具有由東向西或由西北向東南梯度變化的特征。Liu等[26]利用1951?2010年西南地區(qū)33個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用M?K突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)以及變化趨勢(shì)分析等方法對(duì)西南地區(qū)全年極端降水指數(shù)變化進(jìn)行時(shí)空分析，其結(jié)果表明西南地區(qū)降水更為集中，極端降水情況更為嚴(yán)重，這在Liu等[27]的研究中也得到了證實(shí)。Li等[28?29]發(fā)現(xiàn)在氣候變暖的背景下西南地區(qū)極端降水占全年降水比重不斷增多。楊金虎等[30]探討了近60a來(lái)西南地區(qū)旱澇的持續(xù)性特征，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)持續(xù)性干旱事件的持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率以及發(fā)生強(qiáng)度均有增加的趨勢(shì)，尹晗等[31?32]的研究均證實(shí)了這一結(jié)論。

綜上所述，雖然許多學(xué)者對(duì)西南部地區(qū)年極端降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，但對(duì)于西南部地區(qū)雨季極端降水的時(shí)空變化特征的研究相對(duì)較少；研究?jī)?nèi)容上國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)西南部地區(qū)極端降水變化特征的研究主要集中在全年極端降水指數(shù)的時(shí)間變化、空間分布以及突變分析上，而對(duì)雨季極端降水指數(shù)的變化特征、雨季極端降水指數(shù)的海拔效應(yīng)、突變檢測(cè)以及雨季對(duì)全年極端降水指數(shù)的貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)的研究較少。此外，前人使用的數(shù)據(jù)站點(diǎn)密度較小，在西南部地區(qū)分布較稀疏，在海拔高低起伏、地形復(fù)雜的西南部地區(qū)運(yùn)用少量站點(diǎn)不能十分精準(zhǔn)地描述局地極端降水狀況；同時(shí)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告中也指出，缺乏充足的降水資料會(huì)降低分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[33]，所以需要運(yùn)用更多站點(diǎn)的降水資料對(duì)西南地區(qū)極端降水狀況進(jìn)行分析。因此，在全球變暖的大背景下，運(yùn)用更多的氣象站點(diǎn)探討西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

西南部地區(qū)是中國(guó)重要的糧油產(chǎn)區(qū)，主要種植水稻、冬小麥、春玉米、油菜、烤煙、甘蔗等，地處21?35°N，78?112°E，地形較為復(fù)雜，河流、峽谷分布廣泛，主要地貌有高原、山地、河谷、盆地以及喀斯特地貌等，海拔高低起伏較大。西南部地區(qū)主要處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季分明，全年降水量分配極不均勻[17?20]，雨季降水對(duì)植被生長(zhǎng)有著重要的影響。由于極端降水能夠?qū)е轮参锔禑o(wú)氧呼吸增多，進(jìn)而產(chǎn)生乙醛、乙醇等對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育有害的物質(zhì)[34]，因此，極端降水對(duì)植物及植物群落造成的影響比降水更大[35]。因此，把握雨季極端降水的時(shí)空變化規(guī)律能夠讓決策者更好地管理農(nóng)作物的種植，對(duì)于推動(dòng)和保障西南部地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。鑒于此，本研究利用西南地區(qū)477個(gè)站點(diǎn)提供的逐日降水觀測(cè)資料，借助線性傾向法、反距離加權(quán)插值法（IDW）、Mann-Kendal突變檢驗(yàn)法以及滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)1971?2013年西南地區(qū)雨季極端降水指數(shù)的時(shí)空變化特征進(jìn)行了詳盡分析，旨在為揭示西南地區(qū)雨季極端降水狀況的獨(dú)特時(shí)空變化特征，科學(xué)防范極端降水事件帶來(lái)的自然災(zāi)害以及合理調(diào)控西南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 極端降水指數(shù)的選取與資料來(lái)源

研究區(qū)域包括四川省、云南省、貴州省、重慶市、廣西壯族自治區(qū)、西藏東部地區(qū)以及青海南部地區(qū)（圖1）。所用資料為國(guó)家氣象中心所提供的西南部地區(qū)477個(gè)地面氣象站的逐日降水序列，觀測(cè)時(shí)段為1971?2013年，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制并且完整性較好。目前從事極端氣候研究主要采用氣候變化檢測(cè)監(jiān)測(cè)和指標(biāo)專家小組（ETCCDMI）推薦使用的27個(gè)極端氣候指數(shù)，綜合考慮西南部地區(qū)干濕分明的氣候條件以及極端降水指數(shù)的定義，選取11個(gè)極端降水指數(shù)來(lái)描述極端降水事件，11個(gè)極端降水指數(shù)可以分為兩大類[36]：第一類指數(shù)表示極端降水頻次以及干濕狀況的持續(xù)時(shí)間，包括降水日數(shù)（R1mm）、中雨日數(shù)（R10mm）、大雨日數(shù)（R20mm）、連續(xù)干日數(shù)（CDD）以及連續(xù)濕日數(shù)（CWD）；第二類指數(shù)反映了極端降水的數(shù)量級(jí)特征以及強(qiáng)度，包括濕日總降水量（PRCPTOPT）、降水強(qiáng)度（SDII）、1日最大降水量（Rx1day）、5日最大降水量（Rx5day）、強(qiáng)降水量（R95）以及極端強(qiáng)降水量（R99）（表1）。根據(jù)《中國(guó)西南區(qū)域雨季開(kāi)始和結(jié)束日期劃分標(biāo)準(zhǔn)研究》[37]，用一年內(nèi)72候的平均候降水量的變化作為判定雨季開(kāi)始和結(jié)束日期的雨量標(biāo)準(zhǔn)較合理，得到的西南區(qū)域多年平均雨季開(kāi)始日期為5月第3候（27候），結(jié)束日期為10月第3候（57 候），研究進(jìn)一步利用季節(jié)更替期間高低層環(huán)流的突變特征證明了這一結(jié)論的合理性，因此，將西南地區(qū)雨季劃定為5月第3候（27候）?10月第3候（57候）。

圖1 西南地區(qū)477個(gè)氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

首先運(yùn)用線性傾向率[38]描述極端降水指數(shù)時(shí)間序列變化特征以及極端降水指數(shù)隨海拔高度變化特征，西南部地區(qū)極端降水指數(shù)區(qū)域平均值為所有站點(diǎn)極端降水指數(shù)的算術(shù)平均；其次利用反距離加權(quán)插值法（IDW）進(jìn)行空間插值，分析西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)及其對(duì)全年貢獻(xiàn)率的變化趨勢(shì)空間分布特征，其中雨季極端降水指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率為雨季指數(shù)與全年指數(shù)的比值，繪圖軟件選用ArcGIS 10.3；最后運(yùn)用Mann-Kendall法（M-K）結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)[39]。

表1 極端降水指數(shù)定義

2 結(jié)果與分析

2.1 西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)時(shí)間序列變化特征

由圖2可見(jiàn)，西南部地區(qū)雨季11個(gè)極端降水指數(shù)區(qū)域平均多年變化趨勢(shì)，除Rx1day（1日最大降水量）、Rx5day（5日最大降水量）、R95 （強(qiáng)降水量）、R99（極端強(qiáng)降水量）以及R20mm（大雨日數(shù)）外，其余指數(shù)的變化均通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表明這些指數(shù)的變化趨勢(shì)十分顯著。其中，濕日總降水量PRCPTOT（圖2a）、連續(xù)濕日數(shù)CWD（圖2c）、降水日數(shù)R1mm（圖2d）、中雨日數(shù)R10mm（圖2e）以及降水強(qiáng)度SDII（圖2i）均呈現(xiàn)不同程度顯著下降趨勢(shì)，下降速率分別為12.6mm·10a?1、0.23d·10a?1、1.57d·10a?1、0.49d·10a?1和0.31mm·d?1·10a?1；而連續(xù)干日數(shù)CDD（圖2b）呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，其上升速率為0.37d·10a?1。說(shuō)明1971?2013年西南部地區(qū)雨季降水量有所下降，連續(xù)降水日數(shù)減少而連續(xù)干旱日數(shù)增多；雨天日數(shù)減少，降水強(qiáng)度下降，整體來(lái)說(shuō)西南部地區(qū)雨季向干旱化發(fā)展的態(tài)勢(shì)明顯。值得注意的是，對(duì)比雨季R1mm、R10mm以及R20mm的變化趨勢(shì)不難發(fā)現(xiàn)，R1mm的下降幅度要明顯高于R10mm的下降幅度，而R10mm的下降幅度也明顯大于R20mm的下降幅度，表明在不同級(jí)別降水日數(shù)減少的情況來(lái)看，中小雨的降水日數(shù)減少最為明顯，而大雨日數(shù)減少并不明顯。

圖2 1971?2013年西南部地區(qū)平均雨季極端降水指數(shù)的變化過(guò)程及其線性趨勢(shì)

2.2 西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)序列的突變特征

根據(jù)11個(gè)極端降水指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)一步對(duì)西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)進(jìn)行突變分析，結(jié)果見(jiàn)圖3，其中UF、UB分別代表正序列統(tǒng)計(jì)量和逆序列統(tǒng)計(jì)量。由圖可知，部分指數(shù)的UF（正序列）和UB（逆序列）曲線在一些年份存在多個(gè)交點(diǎn)，說(shuō)明存在一定的干擾點(diǎn)；為了排除虛假突變，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)來(lái)判斷突變年份（表2）。由圖3a可見(jiàn)，西南部地區(qū)雨季PRCPTOT指數(shù)的UF與UB曲線有3個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)可知，PRCPTOT在2003年前后可能發(fā)生了突變。CDD（圖3b）和CWD（圖3c）的UF、UB曲線存在多個(gè)交點(diǎn)，經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)驗(yàn)證，CDD在1978年前后發(fā)生突變，而CWD沒(méi)有明顯突變點(diǎn)。R1mm（圖3d）、R10mm（圖3e）和R20mm（圖3f）的UF、UB曲線存在多個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)可知，R1mm和R10mm分別在1988年和2003年前后發(fā)生突變，而R20mm沒(méi)有找到明顯的突變點(diǎn)。Rx1day（圖3g）以及Rx5day（圖3h）在時(shí)間序列內(nèi)UF、UB曲線也存在多個(gè)交點(diǎn)，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)可知，Rx1day和Rx5day的突變時(shí)間分別為1983年和2003年。SDII（圖3i）的UF和UB曲線在2002年存在一個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)可知，SDII在2002年前后發(fā)生了突變。R95（圖3j）以及R99（圖3k）的UF、UB曲線雖然存在多個(gè)交點(diǎn)，但經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，R95和R99均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，CDD、Rx1day、R95以及R99在20世紀(jì)70年代呈下降趨勢(shì)，80年代之后表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，而其它指數(shù)整體上均表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)。從顯著性水平看，PRCPTOT、CDD、CWD、R1mm、R10mm、Rx1day以及SDII的UF曲線均超過(guò)了0.05水平下的臨界值線，表明這些極端降水指數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)均發(fā)生過(guò)顯著的上升或下降的趨勢(shì)。

圖3 1971?2013年西南部地區(qū)平均極端降水指數(shù)的M-K突變檢驗(yàn)

表2 1971?2013年西南部地區(qū)平均極端降水指數(shù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)的突變年份

總體來(lái)說(shuō)，雨季CDD、R1mm、Rx1day的突變集中發(fā)生在20世紀(jì)80年代，而PRCPTOT、R10mm、Rx5day和SDII的突變主要發(fā)生在2003年前后。43a西南部地區(qū)雨季降水呈下降趨勢(shì)，包括PRCPTOT、CWD、R1mm、R10mm、R20mm以及SDII在內(nèi)的6個(gè)指數(shù)均出現(xiàn)不同程度的下降；表示極端降水事件的R95、R99、Rx1day以及Rx5day在20世紀(jì)80年代以后呈上升趨勢(shì)；表示連續(xù)干旱的指數(shù)CDD也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。表明西南部地區(qū)雨季干旱化趨勢(shì)較嚴(yán)重，并且極端降水量逐漸增大，極端降水事件越來(lái)越嚴(yán)重。PRCPTOT、CDD、CWD、R1mm、R10mm、Rx1day以及SDII在2000年以后的上升或下降趨勢(shì)顯著，表明進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，西南部地區(qū)雨季整體干旱化、降水極端化的趨勢(shì)更加明顯。

2.3 西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)空間格局變化特征

在多年平均空間分布方面，除SDII以外，西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)高低值的區(qū)域分布較明顯，其中PRCPTOT、R10mm、R20mm、R95、R99、Rx1day以及Rx5day多年平均空間分布均呈現(xiàn)由西北到東南逐漸升高的變化特點(diǎn)；CDD多年平均空間分布呈現(xiàn)中部低東西高；而R1mm呈現(xiàn)西高東低的分布規(guī)律（圖略）。

圖4為西南部地區(qū)雨季11個(gè)極端降水指數(shù)43a變化趨勢(shì)的空間分布結(jié)果。由圖可知，雨季PRCPTOT在西南絕大多數(shù)地區(qū)也都呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，僅在橫斷山脈（四川、云南西部以及西藏東部）的少數(shù)站點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，最大上升幅度達(dá)到50.4mm·10a?1（圖4a）。雨季CDD變化趨勢(shì)空間分布特征十分明顯，在絕大部分地區(qū)均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，其中云南、貴州與廣西三省交界處增幅較大，最大達(dá)到了2.5d·10a?1（圖4b），并且多數(shù)站點(diǎn)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。雨季CWD在廣西東南部地區(qū)部分站點(diǎn)呈顯著上升趨勢(shì)，最大增幅為0.8d·10a?1（圖4c）。雨季R1mm、R10mm和R20mm在西南大部分地區(qū)站點(diǎn)都呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，部分站點(diǎn)通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其中降幅最大的地區(qū)均為云南、廣西和貴州三省交界處。值得注意的是，雨季R10mm在橫斷山脈地區(qū)部分站點(diǎn)上升趨勢(shì)明顯且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，最大增幅為1.6d·10a?1（圖4d、圖4e和圖4f）。雨季Rx1day在西南部地區(qū)絕大多數(shù)站點(diǎn)都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，在云南西部部分站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，而在四川中部少數(shù)站點(diǎn)下降趨勢(shì)較明顯（圖4g）。雨季Rx5day變化趨勢(shì)有較明顯的區(qū)域差異，在西藏、青海地區(qū)、四川東部以及廣西的部分站點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，增幅為2.5～17.6mm·10a?1，其中廣西地區(qū)部分站點(diǎn)上升趨勢(shì)最明顯（圖4h）。雨季SDII在西南絕大部分地區(qū)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中下降幅度最大的地區(qū)為云南、廣西和貴州三省交界處，且大多數(shù)站點(diǎn)都通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，降幅達(dá)到了0.6～9.8mm·d·10a?1（圖4i）。西南部地區(qū)雨季R95和R99具有大致相同的變化趨勢(shì)和空間分布，且空間分布較為復(fù)雜，雨季R95和R99均僅有少數(shù)站點(diǎn)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其中雨季R95在橫斷山脈地區(qū)部分站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，最大上升幅度達(dá)到了40.6mm·10a?1（圖4j、圖4k）。

總體而言，西南雨季PRCPTOT、CWD、R1mm、R10mm以及SDII整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，而CDD呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，表明西南部地區(qū)雨季降水量逐漸降低，降水日數(shù)減少，降水強(qiáng)度下降，持續(xù)無(wú)雨日數(shù)增加，因此，近43a來(lái)西南部地區(qū)雨季總體偏干。但從區(qū)域角度來(lái)說(shuō)，并不是西南所有的地區(qū)雨季都表現(xiàn)出干旱化的趨勢(shì)。橫斷山脈地區(qū)雖然雨季降水多年平均值較低，但其降水量漲幅較大，并且雨季極端降水量增多；廣西東南部地區(qū)雨季總降水量較多，大雨日數(shù)增加，并且極端降水量增多；云南、貴州、廣西三省交界處雨季整體偏干且持續(xù)無(wú)雨日數(shù)增加，降水日數(shù)減少，有向干旱化發(fā)展的趨勢(shì)。除橫斷山區(qū)和青藏高原地區(qū)外，西南地區(qū)雨季PRCPTOT、R1mm、R95、R99、Rx1day以及Rx5day的變化趨勢(shì)空間分布與多年平均空間分布之間具有一定的匹配關(guān)系，即指數(shù)多年平均值較高的地區(qū)其指數(shù)多年變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而指數(shù)多年平均值較低的地區(qū)其指數(shù)多年變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這種匹配關(guān)系在站點(diǎn)上雖然沒(méi)有完全對(duì)應(yīng)，但在大值中心的角度上來(lái)看，基本可以總結(jié)出這一特征。說(shuō)明除橫斷山脈地區(qū)和青藏高原以外，西南其它地區(qū)雨季存在“干者更干，濕者更濕”的特點(diǎn)。

圖4 1971?2013年西南部地區(qū)各站點(diǎn)雨季極端降水指數(shù)線性變化趨勢(shì)的空間分布

為進(jìn)一步了解西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)的變化特點(diǎn)，對(duì)雨季極端降水指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。CDD、CWD、Rx1day、Rx5day以及SDII在全年以及雨季的值不存在占比關(guān)系，因此，選用其余6個(gè)指數(shù)來(lái)進(jìn)行探討。圖5為西南部地區(qū)雨季6個(gè)極端降水指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)空間分布，由圖可以看出，6個(gè)指數(shù)貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)的空間分布規(guī)律都較為復(fù)雜。整體上雨季PRCPTOT、R1mm、R10mm、R20mm、R95以及R99對(duì)全年貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)在西南部地區(qū)多數(shù)站點(diǎn)均未通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，僅在局部地區(qū)少數(shù)站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著變化趨勢(shì)。雨季PRCPTOT貢獻(xiàn)率在四川北部以及青藏高原部分站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)（圖5a）；而雨季R1mm貢獻(xiàn)率在四川北部以及貴州北部少數(shù)站點(diǎn)下降幅度較大，并通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)（圖5b）；雨季R10mm貢獻(xiàn)率在廣西部分站點(diǎn)顯著增加，在四川中部和重慶北部地區(qū)下降幅度較大（圖5c）；雨季R20mm貢獻(xiàn)率與R95貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)空間分布大致相同，在西南大部分地區(qū)呈下降趨勢(shì)，僅在廣西東南部地區(qū)顯著上升（圖5d，圖5e）；雨季R99貢獻(xiàn)率在西南大部分地區(qū)也表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，僅在四川東部以及云南南部地區(qū)下降趨勢(shì)顯著（圖5f）。

圖5 1971?2013年西南地區(qū)各站雨季極端降水指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率線性變化趨勢(shì)的空間分布

2.4 西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)與海拔高度之間的關(guān)系

圖6為1971?2013年西南部地區(qū)477個(gè)站點(diǎn)雨季極端降水指數(shù)多年平均值隨海拔的變化趨勢(shì)，由圖可見(jiàn)，11個(gè)指數(shù)均通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。其中PRCPTOT（圖6a）的下降速率達(dá)到7.8mm·100m?1，而R1mm（圖6d）上升速率為0.49d·100m?1，表明西南部地區(qū)雨季降水量雖然隨著海拔的升高而下降，但降水日數(shù)卻隨著海拔的升高而增加；CDD（圖6b）隨海拔的升高而下降，而CWD（圖6c）隨海拔的升高而上升，說(shuō)明隨海拔升高雨季連續(xù)無(wú)雨日數(shù)逐漸減少并且連續(xù)降雨日數(shù)逐漸增多；R10mm（圖6e）、R20mm（圖6f）、Rx1day（圖6g）、Rx5day（圖6h）、SDII（圖6i）R95（圖6j）以及R99（圖6k）均隨海拔的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，反映了雨季極端降水事件主要發(fā)生在低海拔地區(qū)。整體上1971?2013年西南部地區(qū)雨季極端降水指數(shù)多年平均值受海拔的影響較大，高海拔地區(qū)降水以中小雨為主，降水日數(shù)較多且以連續(xù)降水為主；而低海拔地區(qū)雨季呈現(xiàn)降水日數(shù)少，降水強(qiáng)度高，極端降水量多的特點(diǎn)，容易發(fā)生極端降水事件，這一結(jié)果也反映了雨季西南部地區(qū)區(qū)域降水的復(fù)雜性。

圖7為通過(guò)顯著性檢驗(yàn)站點(diǎn)的雨季指數(shù)變化趨勢(shì)與海拔高度之間的關(guān)系，其中R1mm（圖7d）、Rx1day（圖7g）、Rx5day（圖7h）、SDII（圖7i）、R95（圖7j）和R99（圖7k）沒(méi)有通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。從圖中可以看出，PRCPTOT（圖7a）和R10mm（圖7e）的變化趨勢(shì)隨海拔升高而增大，因此隨著海拔的升高雨季降水量增速將加快，降水日數(shù)增幅將變大，且降水強(qiáng)度增幅也逐年增加，表明在雨季西南高海拔地區(qū)將會(huì)變得更加濕潤(rùn)。CDD（圖7b）和CWD（圖7c）變化趨勢(shì)隨海拔升高而減小，而R20mm變化趨勢(shì)（圖7f）隨著海拔的降低也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，說(shuō)明在雨季西南低海拔地區(qū)持續(xù)降水日數(shù)與持續(xù)無(wú)雨日數(shù)都會(huì)進(jìn)一步增加，大雨日數(shù)增速較快，雨季低海拔地區(qū)面臨洪澇及干旱的風(fēng)險(xiǎn)都相對(duì)較大。此外，雖然高海拔地區(qū)持續(xù)降水日數(shù)多年平均值較高，但其線性趨勢(shì)值為負(fù)，即高海拔站點(diǎn)連續(xù)降水日數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

圖6 西南部地區(qū)1971?2013年不同海拔的極端降水指數(shù)多年平均值

3 結(jié)論與討論

（1）時(shí)間序列變化上，西南部地區(qū)雨季PRCPT- OT、CWD、R1mm、R10mm以及SDII的區(qū)域平均值都呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)，而CDD呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，表明近43a來(lái)西南部地區(qū)雨季整體有變干的趨勢(shì)。這一結(jié)論與Liu等[26]對(duì)西南地區(qū)全年極端降水指數(shù)的研究結(jié)果相比有一定差異，Liu等的結(jié)果顯示，西南地區(qū)全年CDD呈不顯著下降趨勢(shì)。整體上，本研究結(jié)果與前人結(jié)果均表現(xiàn)出西南地區(qū)降水減少且更加集中的特征，因此，西南部地區(qū)雨季極端降水區(qū)域平均多年變化與全年極端降水相比具有一定的一致性，但同時(shí)也應(yīng)該看到，雨季極端降水有其獨(dú)特的變化特點(diǎn)。

（2）西南部地區(qū)雨季CDD、R1mm、Rx1day的突變集中發(fā)生在20世紀(jì)80年代，而PRCPTOT、R10mm、Rx5day和SDII的突變主要發(fā)生在2003年前后。這一結(jié)果與前人研究的全年極端降水指數(shù)突變檢驗(yàn)結(jié)果相比差異較大[26]。值得注意的是，PRCPTOT、CDD、R1mm、R10mm、Rx1day以及SDII在突變年份以前的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出相對(duì)的穩(wěn)定性，在突變年份以后則表現(xiàn)出顯著的上升或下降趨勢(shì)，并且這些極端降水指數(shù)發(fā)生顯著變化趨勢(shì)的時(shí)間大都集中在2000年之后，表明進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，西南部地區(qū)雨季整體干旱化、降水極端化的趨勢(shì)更加明顯。

圖7 西南部地區(qū)1971?2013年不同海拔的極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)

（3）從11個(gè)指數(shù)的多年變化趨勢(shì)空間分布來(lái)看，并不是所有的區(qū)域都表現(xiàn)出一致的干旱化趨勢(shì)。在云南、貴州和廣西三省交界處雨季降水減少，連續(xù)干日數(shù)增加，因此該地區(qū)干旱化程度將更加嚴(yán)重；橫斷山脈地區(qū)雖然總降水量較低，但總降水量與強(qiáng)降水量上升趨勢(shì)較為明顯，因此橫斷山脈地區(qū)雨季變得更加濕潤(rùn)；廣西東南部地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降水的頻次增加，極端降水量增多，因此發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)將越來(lái)越大。西南部地區(qū)雨季部分極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布與多年平均空間分布之間存在一定的匹配關(guān)系，即雨季存在“干者更干，濕者更濕”的特點(diǎn)。前人對(duì)西南地區(qū)全年極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布進(jìn)行了分析[29]，結(jié)果表明，11個(gè)全年極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布較為復(fù)雜，并且多數(shù)站點(diǎn)沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。前人全年的結(jié)果與本研究針對(duì)雨季的結(jié)果存在一定差異，在大值中心上與本研究雨季指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布結(jié)果也不存在匹配關(guān)系，因此，雨季指數(shù)變化趨勢(shì)在空間分布上較全年相比存在不一致性。

（4）貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)空間分布上，雖然西南部地區(qū)整體上降水分配極不均勻，且主要集中在雨季[17?20]，但從雨季極端降水指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)空間分布上看，四川北部和西藏東部地區(qū)雨季部分指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率逐年下降，降水逐漸向非雨季集中；而廣西東南部地區(qū)雨季部分指數(shù)對(duì)全年貢獻(xiàn)率逐漸上升，表明更多的降水被分配到雨季，因此，西南部地區(qū)雨季降水占比的變化趨勢(shì)具有很強(qiáng)的區(qū)域特征。

（5）綜合11個(gè)指數(shù)與海拔高度的關(guān)系來(lái)看，西南高海拔地區(qū)降水日數(shù)較多，降水以中小雨為主，并且隨著海拔的升高PRCPTOT以及R10mm均表現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，因此，43a來(lái)西南高海拔地區(qū)變得更加濕潤(rùn)；而在低海拔地區(qū)降水日數(shù)少，極端降水量大，降水強(qiáng)度較高，并且連續(xù)濕日數(shù)和連續(xù)干日數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因此，雨季低海拔地區(qū)面臨洪澇及干旱的風(fēng)險(xiǎn)都相對(duì)較大。因此，西南部地區(qū)不同海拔高度雨季降水與極端降水狀況有較大不同，在全球變暖的大背景下，中國(guó)西南部地區(qū)極端降水指數(shù)對(duì)海拔高度具有較高的敏感性[28]，這也側(cè)面反映了該地區(qū)雨季降水的復(fù)雜性。

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Spatial and Temporal Variation of Extreme Precipitation Indices in Southwestern China in the Rainy Season

WANG Hao, JIANG Chao, WANG He-song, SUN Jian-xin

(College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Based on the daily precipitation data of 477 meteorological stations from 1971 to 2013 in southwestern China, the spatial distribution and variation features of 11 extreme precipitation indices were analyzed by using the linear regression, Mann-Kendall test and moving t test. Besides, the relationship among the multi-year average of extreme precipitation indices，variation trend and altitude were also discussed. The results were as follows: (1) in the past 43 years, the decline rates of PRCPTOT, CWD, R1mm, R10mm and SDII in the rainy season of southwest China were 12.6mm·10y?1, 0.23d·10y?1, 1.57d·10y?1, 0.49d·10y?1and 0.31mm·d?1·10y?1(P<0.05) respectively, the growth rate of CDD is 0.37d·10y?1(P<0.05), while the changes in Rx1day, Rx5day, R95, R99, and R20mm were not significant. (2) The mutations of CDD, R1mm, and Rx1day in the rainy season occurred in the 1980s intensively, while the mutations of PRCPTOT, R10mm, Rx5day, and SDII occurred mainly around 2003. RCPTOT, CDD, R1mm, R10mm, Rx1day, and SDII showed certain stability before mutation year and a significant increase or decrease trend after mutation year. (3) From the perspective of spatial distribution, not all regions showed the tendency of drought. The extent of drought in rainy season at the junction of Yunnan, Guizhou and Guangxi provinces was more serious, the risk of heavy rain and flood disaster in the rainy season in southeastern Guangxi was greater, while rainy season in the Hengduan Mountains was more humid. (4) In terms of the contribution rate, variation trend of precipitation proportion in rainy season in southwestern had a strong regional characteristic: the contribution rate of rainy season indices for the whole year in northern Sichuan and Tibet had declined year by year, while in southeastern Guangxi it had gradually increased. (5) Judging from the relationship between the 11 indices and altitude, in high altitude regions of southwestern, the R1mm value was higher and the precipitation was mainly moderate and light rain. Besides, the multi-year average values of PRCPTOT, R1mm, R10mm and R20mm showed different degrees of upward trend. Therefore, the climate had become more humid in the past 43 years. On the other hand, in low altitude regions, R1mm was lower, while R95, R99, Rx1day, Rx5day, and SDII were higher and CWD, CDD showed an upward trend. Therefore, the risk of flooding and drought in the low altitude regions during the rainy season was relatively larger.

Extreme precipitation index; Rainy season precipitation; Southwestern China；Precipitation days；Precipitation intensity

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.01.001

收稿日期：2018?07?11

通訊作者。E-mail：jiangchao@bjfu.edu.cn

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0502104）

王昊（1994?），碩士生，主要研究方向?yàn)槿蜃兓鷳B(tài)學(xué)。E-mail：wh260012@163.com

王昊,姜超,王鶴松,等.中國(guó)西南部區(qū)域雨季極端降水指數(shù)時(shí)空變化特征[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(1):1?14