松辽流域1961-2017年极端降水变化特征

袭祝香, 杨雪艳, 刘玉汐, 纪玲玲, 饶维平

(1.吉林省气象台, 长春 130062; 2.吉林省气候中心, 长春 130062)

近年来，在气候变暖的大背景下，极端天气气候事件呈多发的态势[1]，极端天气气候事件突发性强、危害性大，虽然是一种小概率事件，但往往对人类社会以及生态环境有着重大而深刻的影响，极端降水作为极端天气气候事件的一种，往往易引发洪涝、内涝、渍涝及泥石流和水土流失等，极端降水也是流域洪水发生的主要致灾因子[2]，例如，受极端强降水影响，2010年第二松花江出现了历史罕见的特大洪水灾害，仅吉林省受灾人口就达512.1万人，直接经济损失达451亿元。同时流域极端降水的时空分布与变化也影响着流域农业经济与生态环境的健康发展，关系到流域水资源的合理开发与利用，因此，对流域极端降水分布及演变规律进行研究，对于流域防灾减灾，科学防控洪涝，确保经济可持续发展具有重要意义。

对于极端降水，不少专家和学者都进行了研究，相关研究表明，近50 a来，中国的极端降水事件强度和频次均有增加的趋势[3-4],极端降水事件的年际和年代际变化特征显著，且区域性特征和季节性差异明显[5]，极端强降水及其频数在华北趋于减少，而在长江及以南地区趋于增多，强度增强[6]，此外，对于其他流域极端降水，研究也较为广泛[7-11]。对于松辽流域，一些学者对水资源、降水，干旱的发生规律进行了研究[12-16]，而对于极端降水特征及规律方面的研究较少,松辽流域极端降水的分布、变化规律怎样？在气候变暖的大背景下如何演变？本文在这些方面进行分析和研究，以揭示松辽流域极端降水的时空变化规律，以期在气候变化的情况下有的放矢地防御流域洪涝灾害提供有力的科学依据。

1 资料、研究区域和方法

1.1 资料和研究区域

松辽流域大致位于40°—53°N,116°—133°E，位于我国东北部，涉及辽宁省、吉林省、黑龙江省三省和蒙东地区(内蒙古自治区的东四盟)，松辽流域总面积123.80万km2。西、北、东三面环山，南部濒临渤海和黄海，中、南部形成宽阔的辽河平原、松嫩平原，东北部为三江平原。松辽流域处于北纬高空盛行西风带，具有较多的西风带天气和气候特色，为温带大陆性季风气候区。冬季严寒漫长，夏季温湿而多雨，部分地区属寒温带气候。松辽流域主要河流有辽河、松花江、黑龙江、乌苏里江、绥芬河、图们江、鸭绿江以及独流入海河流等。其中黑龙江、乌苏里江、绥芬河、图们江、鸭绿江为国际河流。

气象资料采用1961—2017年研究区域196个气象站逐日降水资料。站点选取考虑到资料连续、资料序列长、站点分布均匀，且在流域内等因素。研究区域及站点分布见图1。

图1 松辽流域站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 极端降水的定义 松辽流域辽阔，气候差异较大，因此，本文采用国际上通常使用的百分位方法定义极端降水阈值[17]，将1961—2017年每个测站的逐日降水量资料按升序排列，取日降水量≥0.1 mm的子样本的第95 个百分位值定义为该测站的极端降水事件阈值,在此基础上，定义4个极端降水指数(见表1)，以此来分析松辽流域的极端降水特征，极端降水量为每年极端降水事件的降水量总和，极端降水量越大，极端降水频率越高，极端降水强度越强，危害越大。

表1 松辽流域极端降水指数

1.2.2 分析方法 采用Mann-Kendall[18]和距平累积方法分析气候变化的突变性和阶段性，距平累积计算公式如下：

(1)

采用线性气候倾向率[19]和变差系数[20]分析灾害或事件的变化特征，气候倾向率能反映上升与下降趋势，变差系数能够表征某一要素值偏离其平均状态的程度。

某要素的趋势变化通常用一元线性回归方程：

yt=a+bt

(2)

式中：t表示时间；yt表示要素逐年值；a是常数；b定义为气候倾向率，计算公式如下：

b=r·σx/σt

(3)

式中：r是yt和t序列的相关系数；σx，σt分别是yt和序列的均方差。

变差系数方法如下：

(4)

近年来，Kriging差值方法在许多领域都有广泛的应用，本文采用Kriging差值方法对松辽流域的极端降水进行了空间差值。

2 结果与分析

2.1 极端降水的空间分布

2.1.1 极端降水阈值的空间分布特点 极端降水阈值呈西北小，南部大的分布趋势(附图3A)，额尔古纳河附近在18 mm以下，最小出现在额尔古纳河的新巴尔虎左旗，只有14 mm；大小凌河及鸭绿江附近在30 mm以上，最大出现在鸭绿江的丹东，达46 mm；其他地方在18～30 mm。

极端降水阈值的这种分布和年降水分布有一定关系，计算了松辽流域极端降水阈值和各地年平均降水量的相关系数，达0.551 6(样本数为196个)，通过0.000 1极显著检验。附图3B是松辽流域各地年平均降水量的分布图，可以看出，松辽流域年降水由西北到东南逐渐增大，额尔古纳河和西辽河附近为低值区，在400 mm以下，最小出现在新巴尔虎右旗，只有236.1 mm；鸭绿江、浑太河以及第二松花江南部为高值区，在600 mm以上，最大出现在鸭绿江的草河口，达1 061.6 mm；其他地方在400～600 mm。可见松辽流域各地降水差异十分明显。

2.1.2 极端降水指数的空间分布特征 松辽流域极端降水量由西北向东南增加(附图4A)，额尔古纳河、西辽河、嫩江流域附近在160 mm以下，最少出现在新巴尔虎右旗，只有90 mm；鸭绿江附近、浑太河南部、第二松花江南部在240 mm以上，最大出现在草河口，达402.3 mm；其他地方介于160～240 mm。

极端降水频率呈由西南到东北增加的规律(附图4B)，额尔古纳河东部、黑龙江东南部，第二松花江南部在6 d以上，最多出现在第二松花江流域的东岗，达7.9 d；额尔古纳河西部、西辽河、大小凌河、辽河干流、嫩江附近在4 d以下，最小出现在西辽河的开鲁，只有3.1 d；其他地方介于4～6 d。

极端降水强度呈中南部大、北部、西部、东部少的分布(附图4C)；浑太河南部、鸭绿江在50 mm/d以上，最大出现在鸭绿江的凤城，达83.1 mm/d；额尔古纳河、西辽河西部、和龙江东部及绥芬河附近在30 mm/d以下，最小出现在额尔古纳河的牙克石，仅为23.7 mm/d；其他地方介于30～50 mm/d。

极端降水比率分布稍显零散(附图4D)，大致由西北向东南降低，额尔古纳河及鸭绿江附近比率较大，在36%以上，最大出现在鸭绿江的凤城，达38%；图们江、大小凌河、浑太河附近在31%以下，最小出现在浑太河的灯塔，只有28.1%；其他地方在31%～36%。

2.1.3 极端降水指数的空间趋势分布 采用线性倾向率来分析57 a年来松辽流域各地极端降水指数的空间变化趋势。极端降水基本呈西南部下降，东北部上升的趋势，108站为上升趋势，88站为下降趋势(附图5A)；极端降水频率也表现为西南部下降，东北部上升的分布趋势，100站为上升趋势，96站为下降趋势(附图5B)；极端降水强度的趋势分布较为分散，在松花江附近为上升趋势，其他大部分地方为下降趋势，108站为上升趋势，其他88站为下降趋势(附图5C)；极端降水比率也呈东北部上升，西南部下降的趋势分布，96站为上升趋势，100站为下降趋势(附图5D)。

2.2 极端降水的时间分布

2.2.1 极端降水各月分布 计算松辽流域各月出现极端降水的总数，然后进行1961—2017年平均，得到松辽流域各月极端降水平均出现次数(图2)，由图2可见，极端降水主要出现在夏季的6—8月，占出现总次数的81.8%，5月、9月明显减少，占出现总次数的13.8%，4月和10月则更少，只占3.9%，其他月份极端降水很少出现，不足1%。

图2 松辽流域各月平均极端降水次数分布

2.2.2 极端降水指数年际变化特点 图3为松辽流域4项极端降水指数的年际变化曲线和距平累积曲线，可以看出，极端降水量1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年处于偏多阶段；1967—1982年、1999—2009年极端降水量处于偏少阶段(图3A)。

极端降水频率和极端降水量的阶段分布基本一致，1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年处于偏多阶段；1966—1982年、1999—2009年极端降水频率处于偏少阶段(图3B)。

极端降水强度和极端降水量的阶段分布规律完全一致，1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年处于偏强阶段；1966—1982年、1999—2009年极端降水强度处于偏弱阶段(图3C)。

极端降水比率和极端降水量的阶段分布也基本一致，1961—1966年、1983—1998年、2015—2017年处于偏强阶段；1966—1982年、1999—2014年极端降水比率处于偏弱阶段(图3D)。

图3 极端降水指数年际变化及距平累积曲线

从上述分析可以看出，松辽流域极端降水各项指数的阶段变化基本一致，分析上述指数各阶段平均情况，可以看出差异明显(表2)，极端降水量在偏多阶段达200 mm以上，最多阶段的1983—1998年达213.8 mm，偏少阶段在170 mm以下，最少阶段的1999—2009年为164.9 mm，相差30 mm以上；极端降水频率偏多阶段和偏少阶段相差1 d左右；极端降水强度偏强阶段和偏弱阶段相差2 mm/d左右；极端降水比率偏多和偏少阶段相差3%左右。

表2 极端降水指数阶段变化情况

2.2.3 极端降水指数突变分析 对极端降水指数进行了M-K突变分析，可以看出(图4)，4项极端降水指数变化情况类似，UF和UB在95%信度线内相交于1962年前后，20世纪60 年代至80 年代中期UF 线呈下降状态并超过了95%信度线，说明极端降水各项指数在80 年代中期之前是呈显著下降的趋势，1962年前后为突变的开始时间；80 年代中期以后极端降水指数开始增强，自90 年代后期以来，UF 线呈平稳摆动，UF和UB在95%信度线内虽也有相交，但UF始终没有超过95%信度线。

2.2.4 气温突变前后极端降水指数变化特点 孙凤华等[21]对东北区的气温突变情况进行了分析，认为东北区在1988年前后气温发生了突变，考虑到所选的区域与松辽流域接近且同一气候区气温的变化趋势总体一致，因此，可以认为松辽流域在1988年前后气温发生了突变，在此对气温突变前后极端降水指数气候倾向率、变差系数等进行了计算和分析(见表3)。

由表3可见，1961—2017年极端降水量及极端降水频率呈上升的趋势，上升的幅度分别为0.18 mm/10 a和0.16 d/10 a,极端降水强度和极端降水比率则呈下降的趋势,10 a下降的幅度分别为-0.25 mm/d，-0.48%。气温突变前，上述四项极端降水指数的气候倾向率趋势和1961—2017年一致，除极端降水量的上升趋势略有降低外，其他指数上升或下降趋势明显增大；气候突变后，极端降水指数都呈下降的趋势。在气温突变前后，极端降水指数的平均值接近。气温突变后，极端降水指数的变差系数都大于突变前，即突变后，极端降水不稳定性增强，有可能导致一些年份极端降水量增多，频率加大，强度增强，比率偏大。

图4 松辽流域极端降水指数M-K 曲线

表3 松辽流域极端降水指数气温突变前后特点

3 结 论

(1) 松辽流域极端降水阈值呈西北小，南部大的分布趋势，这种分布和松辽流域各地年降水分布关系密切，相关系数达0.551 6；极端降水量和极端降水频率都是由西北向东南增加的趋势，极端降水强度呈中南部大、北部、西部、东部少的分布，极端降水比率则由西北向东南降低；极端降水量、极端降水频率、极端降水比率都呈西南部下降、东北部上升的变化趋势，极端降水强度在松花江附近为上升趋势，其他大部分地方为下降的趋势。

(2) 极端降水主要出现在夏季，占总次数的81.8%；极端降水指数1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年处于偏多(强)阶段；其他时段处于偏少(弱)阶段，目前处于偏强阶段；在二十世纪60年代初期开始极端降水指数存在由强转弱的突变，80年代中期以后极端降水指数开始增大，增强；1961—2017年及突变前极端降水量及降水频率呈上升的趋势，极端降水强度和比率则呈下降的趋势，气温突变后极端降水指数都呈下降的趋势，变差系数增大。

(3) 目前松辽流域处于极端降水偏强阶段，极端降水量大，频率高，强度及比率大，且突变后极端降水指数变差系数增大，不稳定增强，极端降水过程或事件发生的几率增加。因此，应引起高度重视，加强对极端降水事件的监测、预警和研究，增强对极端降水灾害的防范和应对能力，将极端降水事件造成的损失降到最低。