松遼流域1961-2017年極端降水變化特征

襲祝香, 楊雪艷, 劉玉汐, 紀(jì)玲玲, 饒維平

(1.吉林省氣象臺(tái), 長(zhǎng)春 130062; 2.吉林省氣候中心, 長(zhǎng)春 130062)

近年來(lái)，在氣候變暖的大背景下，極端天氣氣候事件呈多發(fā)的態(tài)勢(shì)[1]，極端天氣氣候事件突發(fā)性強(qiáng)、危害性大，雖然是一種小概率事件，但往往對(duì)人類(lèi)社會(huì)以及生態(tài)環(huán)境有著重大而深刻的影響，極端降水作為極端天氣氣候事件的一種，往往易引發(fā)洪澇、內(nèi)澇、漬澇及泥石流和水土流失等，極端降水也是流域洪水發(fā)生的主要致災(zāi)因子[2]，例如，受極端強(qiáng)降水影響，2010年第二松花江出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的特大洪水災(zāi)害，僅吉林省受災(zāi)人口就達(dá)512.1萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)451億元。同時(shí)流域極端降水的時(shí)空分布與變化也影響著流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展，關(guān)系到流域水資源的合理開(kāi)發(fā)與利用，因此，對(duì)流域極端降水分布及演變規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)于流域防災(zāi)減災(zāi)，科學(xué)防控洪澇，確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

對(duì)于極端降水，不少專(zhuān)家和學(xué)者都進(jìn)行了研究，相關(guān)研究表明，近50 a來(lái)，中國(guó)的極端降水事件強(qiáng)度和頻次均有增加的趨勢(shì)[3-4],極端降水事件的年際和年代際變化特征顯著，且區(qū)域性特征和季節(jié)性差異明顯[5]，極端強(qiáng)降水及其頻數(shù)在華北趨于減少，而在長(zhǎng)江及以南地區(qū)趨于增多，強(qiáng)度增強(qiáng)[6]，此外，對(duì)于其他流域極端降水，研究也較為廣泛[7-11]。對(duì)于松遼流域，一些學(xué)者對(duì)水資源、降水，干旱的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了研究[12-16]，而對(duì)于極端降水特征及規(guī)律方面的研究較少,松遼流域極端降水的分布、變化規(guī)律怎樣？在氣候變暖的大背景下如何演變？本文在這些方面進(jìn)行分析和研究，以揭示松遼流域極端降水的時(shí)空變化規(guī)律，以期在氣候變化的情況下有的放矢地防御流域洪澇災(zāi)害提供有力的科學(xué)依據(jù)。

1 資料、研究區(qū)域和方法

1.1 資料和研究區(qū)域

松遼流域大致位于40°—53°N,116°—133°E，位于我國(guó)東北部，涉及遼寧省、吉林省、黑龍江省三省和蒙東地區(qū)(內(nèi)蒙古自治區(qū)的東四盟)，松遼流域總面積123.80萬(wàn)km2。西、北、東三面環(huán)山，南部瀕臨渤海和黃海，中、南部形成寬闊的遼河平原、松嫩平原，東北部為三江平原。松遼流域處于北緯高空盛行西風(fēng)帶，具有較多的西風(fēng)帶天氣和氣候特色，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季溫濕而多雨，部分地區(qū)屬寒溫帶氣候。松遼流域主要河流有遼河、松花江、黑龍江、烏蘇里江、綏芬河、圖們江、鴨綠江以及獨(dú)流入海河流等。其中黑龍江、烏蘇里江、綏芬河、圖們江、鴨綠江為國(guó)際河流。

氣象資料采用1961—2017年研究區(qū)域196個(gè)氣象站逐日降水資料。站點(diǎn)選取考慮到資料連續(xù)、資料序列長(zhǎng)、站點(diǎn)分布均勻，且在流域內(nèi)等因素。研究區(qū)域及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 松遼流域站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 極端降水的定義 松遼流域遼闊，氣候差異較大，因此，本文采用國(guó)際上通常使用的百分位方法定義極端降水閾值[17]，將1961—2017年每個(gè)測(cè)站的逐日降水量資料按升序排列，取日降水量≥0.1 mm的子樣本的第95 個(gè)百分位值定義為該測(cè)站的極端降水事件閾值,在此基礎(chǔ)上，定義4個(gè)極端降水指數(shù)(見(jiàn)表1)，以此來(lái)分析松遼流域的極端降水特征，極端降水量為每年極端降水事件的降水量總和，極端降水量越大，極端降水頻率越高，極端降水強(qiáng)度越強(qiáng)，危害越大。

表1 松遼流域極端降水指數(shù)

1.2.2 分析方法 采用Mann-Kendall[18]和距平累積方法分析氣候變化的突變性和階段性，距平累積計(jì)算公式如下：

(1)

采用線(xiàn)性氣候傾向率[19]和變差系數(shù)[20]分析災(zāi)害或事件的變化特征，氣候傾向率能反映上升與下降趨勢(shì)，變差系數(shù)能夠表征某一要素值偏離其平均狀態(tài)的程度。

某要素的趨勢(shì)變化通常用一元線(xiàn)性回歸方程：

yt=a+bt

(2)

式中：t表示時(shí)間；yt表示要素逐年值；a是常數(shù)；b定義為氣候傾向率，計(jì)算公式如下：

b=r·σx/σt

(3)

式中：r是yt和t序列的相關(guān)系數(shù)；σx，σt分別是yt和序列的均方差。

變差系數(shù)方法如下：

(4)

近年來(lái)，Kriging差值方法在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，本文采用Kriging差值方法對(duì)松遼流域的極端降水進(jìn)行了空間差值。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水的空間分布

2.1.1 極端降水閾值的空間分布特點(diǎn) 極端降水閾值呈西北小，南部大的分布趨勢(shì)(附圖3A)，額爾古納河附近在18 mm以下，最小出現(xiàn)在額爾古納河的新巴爾虎左旗，只有14 mm；大小凌河及鴨綠江附近在30 mm以上，最大出現(xiàn)在鴨綠江的丹東，達(dá)46 mm；其他地方在18～30 mm。

極端降水閾值的這種分布和年降水分布有一定關(guān)系，計(jì)算了松遼流域極端降水閾值和各地年平均降水量的相關(guān)系數(shù)，達(dá)0.551 6(樣本數(shù)為196個(gè))，通過(guò)0.000 1極顯著檢驗(yàn)。附圖3B是松遼流域各地年平均降水量的分布圖，可以看出，松遼流域年降水由西北到東南逐漸增大，額爾古納河和西遼河附近為低值區(qū)，在400 mm以下，最小出現(xiàn)在新巴爾虎右旗，只有236.1 mm；鴨綠江、渾太河以及第二松花江南部為高值區(qū)，在600 mm以上，最大出現(xiàn)在鴨綠江的草河口，達(dá)1 061.6 mm；其他地方在400～600 mm。可見(jiàn)松遼流域各地降水差異十分明顯。

2.1.2 極端降水指數(shù)的空間分布特征 松遼流域極端降水量由西北向東南增加(附圖4A)，額爾古納河、西遼河、嫩江流域附近在160 mm以下，最少出現(xiàn)在新巴爾虎右旗，只有90 mm；鴨綠江附近、渾太河南部、第二松花江南部在240 mm以上，最大出現(xiàn)在草河口，達(dá)402.3 mm；其他地方介于160～240 mm。

極端降水頻率呈由西南到東北增加的規(guī)律(附圖4B)，額爾古納河?xùn)|部、黑龍江東南部，第二松花江南部在6 d以上，最多出現(xiàn)在第二松花江流域的東崗，達(dá)7.9 d；額爾古納河西部、西遼河、大小凌河、遼河干流、嫩江附近在4 d以下，最小出現(xiàn)在西遼河的開(kāi)魯，只有3.1 d；其他地方介于4～6 d。

極端降水強(qiáng)度呈中南部大、北部、西部、東部少的分布(附圖4C)；渾太河南部、鴨綠江在50 mm/d以上，最大出現(xiàn)在鴨綠江的鳳城，達(dá)83.1 mm/d；額爾古納河、西遼河西部、和龍江東部及綏芬河附近在30 mm/d以下，最小出現(xiàn)在額爾古納河的牙克石，僅為23.7 mm/d；其他地方介于30～50 mm/d。

極端降水比率分布稍顯零散(附圖4D)，大致由西北向東南降低，額爾古納河及鴨綠江附近比率較大，在36%以上，最大出現(xiàn)在鴨綠江的鳳城，達(dá)38%；圖們江、大小凌河、渾太河附近在31%以下，最小出現(xiàn)在渾太河的燈塔，只有28.1%；其他地方在31%～36%。

2.1.3 極端降水指數(shù)的空間趨勢(shì)分布 采用線(xiàn)性?xún)A向率來(lái)分析57 a年來(lái)松遼流域各地極端降水指數(shù)的空間變化趨勢(shì)。極端降水基本呈西南部下降，東北部上升的趨勢(shì)，108站為上升趨勢(shì)，88站為下降趨勢(shì)(附圖5A)；極端降水頻率也表現(xiàn)為西南部下降，東北部上升的分布趨勢(shì)，100站為上升趨勢(shì)，96站為下降趨勢(shì)(附圖5B)；極端降水強(qiáng)度的趨勢(shì)分布較為分散，在松花江附近為上升趨勢(shì)，其他大部分地方為下降趨勢(shì)，108站為上升趨勢(shì)，其他88站為下降趨勢(shì)(附圖5C)；極端降水比率也呈東北部上升，西南部下降的趨勢(shì)分布，96站為上升趨勢(shì)，100站為下降趨勢(shì)(附圖5D)。

2.2 極端降水的時(shí)間分布

2.2.1 極端降水各月分布 計(jì)算松遼流域各月出現(xiàn)極端降水的總數(shù)，然后進(jìn)行1961—2017年平均，得到松遼流域各月極端降水平均出現(xiàn)次數(shù)(圖2)，由圖2可見(jiàn)，極端降水主要出現(xiàn)在夏季的6—8月，占出現(xiàn)總次數(shù)的81.8%，5月、9月明顯減少，占出現(xiàn)總次數(shù)的13.8%，4月和10月則更少，只占3.9%，其他月份極端降水很少出現(xiàn)，不足1%。

圖2 松遼流域各月平均極端降水次數(shù)分布

2.2.2 極端降水指數(shù)年際變化特點(diǎn) 圖3為松遼流域4項(xiàng)極端降水指數(shù)的年際變化曲線(xiàn)和距平累積曲線(xiàn)，可以看出，極端降水量1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年處于偏多階段；1967—1982年、1999—2009年極端降水量處于偏少階段(圖3A)。

極端降水頻率和極端降水量的階段分布基本一致，1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年處于偏多階段；1966—1982年、1999—2009年極端降水頻率處于偏少階段(圖3B)。

極端降水強(qiáng)度和極端降水量的階段分布規(guī)律完全一致，1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年處于偏強(qiáng)階段；1966—1982年、1999—2009年極端降水強(qiáng)度處于偏弱階段(圖3C)。

極端降水比率和極端降水量的階段分布也基本一致，1961—1966年、1983—1998年、2015—2017年處于偏強(qiáng)階段；1966—1982年、1999—2014年極端降水比率處于偏弱階段(圖3D)。

圖3 極端降水指數(shù)年際變化及距平累積曲線(xiàn)

從上述分析可以看出，松遼流域極端降水各項(xiàng)指數(shù)的階段變化基本一致，分析上述指數(shù)各階段平均情況，可以看出差異明顯(表2)，極端降水量在偏多階段達(dá)200 mm以上，最多階段的1983—1998年達(dá)213.8 mm，偏少階段在170 mm以下，最少階段的1999—2009年為164.9 mm，相差30 mm以上；極端降水頻率偏多階段和偏少階段相差1 d左右；極端降水強(qiáng)度偏強(qiáng)階段和偏弱階段相差2 mm/d左右；極端降水比率偏多和偏少階段相差3%左右。

表2 極端降水指數(shù)階段變化情況

2.2.3 極端降水指數(shù)突變分析 對(duì)極端降水指數(shù)進(jìn)行了M-K突變分析，可以看出(圖4)，4項(xiàng)極端降水指數(shù)變化情況類(lèi)似，UF和UB在95%信度線(xiàn)內(nèi)相交于1962年前后，20世紀(jì)60 年代至80 年代中期UF 線(xiàn)呈下降狀態(tài)并超過(guò)了95%信度線(xiàn)，說(shuō)明極端降水各項(xiàng)指數(shù)在80 年代中期之前是呈顯著下降的趨勢(shì)，1962年前后為突變的開(kāi)始時(shí)間；80 年代中期以后極端降水指數(shù)開(kāi)始增強(qiáng)，自90 年代后期以來(lái)，UF 線(xiàn)呈平穩(wěn)擺動(dòng)，UF和UB在95%信度線(xiàn)內(nèi)雖也有相交，但UF始終沒(méi)有超過(guò)95%信度線(xiàn)。

2.2.4 氣溫突變前后極端降水指數(shù)變化特點(diǎn) 孫鳳華等[21]對(duì)東北區(qū)的氣溫突變情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為東北區(qū)在1988年前后氣溫發(fā)生了突變，考慮到所選的區(qū)域與松遼流域接近且同一氣候區(qū)氣溫的變化趨勢(shì)總體一致，因此，可以認(rèn)為松遼流域在1988年前后氣溫發(fā)生了突變，在此對(duì)氣溫突變前后極端降水指數(shù)氣候傾向率、變差系數(shù)等進(jìn)行了計(jì)算和分析(見(jiàn)表3)。

由表3可見(jiàn)，1961—2017年極端降水量及極端降水頻率呈上升的趨勢(shì)，上升的幅度分別為0.18 mm/10 a和0.16 d/10 a,極端降水強(qiáng)度和極端降水比率則呈下降的趨勢(shì),10 a下降的幅度分別為-0.25 mm/d，-0.48%。氣溫突變前，上述四項(xiàng)極端降水指數(shù)的氣候傾向率趨勢(shì)和1961—2017年一致，除極端降水量的上升趨勢(shì)略有降低外，其他指數(shù)上升或下降趨勢(shì)明顯增大；氣候突變后，極端降水指數(shù)都呈下降的趨勢(shì)。在氣溫突變前后，極端降水指數(shù)的平均值接近。氣溫突變后，極端降水指數(shù)的變差系數(shù)都大于突變前，即突變后，極端降水不穩(wěn)定性增強(qiáng)，有可能導(dǎo)致一些年份極端降水量增多，頻率加大，強(qiáng)度增強(qiáng)，比率偏大。

圖4 松遼流域極端降水指數(shù)M-K 曲線(xiàn)

表3 松遼流域極端降水指數(shù)氣溫突變前后特點(diǎn)

3 結(jié) 論

(1) 松遼流域極端降水閾值呈西北小，南部大的分布趨勢(shì)，這種分布和松遼流域各地年降水分布關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.551 6；極端降水量和極端降水頻率都是由西北向東南增加的趨勢(shì)，極端降水強(qiáng)度呈中南部大、北部、西部、東部少的分布，極端降水比率則由西北向東南降低；極端降水量、極端降水頻率、極端降水比率都呈西南部下降、東北部上升的變化趨勢(shì)，極端降水強(qiáng)度在松花江附近為上升趨勢(shì)，其他大部分地方為下降的趨勢(shì)。

(2) 極端降水主要出現(xiàn)在夏季，占總次數(shù)的81.8%；極端降水指數(shù)1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年處于偏多(強(qiáng))階段；其他時(shí)段處于偏少(弱)階段，目前處于偏強(qiáng)階段；在二十世紀(jì)60年代初期開(kāi)始極端降水指數(shù)存在由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱的突變，80年代中期以后極端降水指數(shù)開(kāi)始增大，增強(qiáng)；1961—2017年及突變前極端降水量及降水頻率呈上升的趨勢(shì)，極端降水強(qiáng)度和比率則呈下降的趨勢(shì)，氣溫突變后極端降水指數(shù)都呈下降的趨勢(shì)，變差系數(shù)增大。

(3) 目前松遼流域處于極端降水偏強(qiáng)階段，極端降水量大，頻率高，強(qiáng)度及比率大，且突變后極端降水指數(shù)變差系數(shù)增大，不穩(wěn)定增強(qiáng)，極端降水過(guò)程或事件發(fā)生的幾率增加。因此，應(yīng)引起高度重視，加強(qiáng)對(duì)極端降水事件的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和研究，增強(qiáng)對(duì)極端降水災(zāi)害的防范和應(yīng)對(duì)能力，將極端降水事件造成的損失降到最低。