长江流域极端降雨事件时空分布特征

张 俊1，高 雅 琦，徐 卫 立1，熊 开 国，杜 良 敏

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133； 2.武汉区域气候中心，湖北 武汉 430074)

长江流域是我国洪涝灾害发生最频繁、抗灾费用最高的地区，而极端气候的发生对于长江流域的影响极为严重[1-4]。长江流域跨越我国地势的三级阶梯，流域内地貌类型复杂多样，既有号称“世界屋脊”的青藏高原，又有不同高度的山脉，还有高中低的盆地、形态各异的丘陵和海拔很低的平原[5]。在气候特征上，长江流域既受太平洋的影响，又受到印度洋西南季风的影响。受复杂的地形地貌和多变的季风气候的影响，长江流域的降雨气候预测研究显得尤为复杂[6]。

全球气候变暖加剧了极端天气、气候事件的发生[7-8]。近年来有许多学者对中国的极端降雨进行研究，取到了大量成果。翟盘茂等[9-10]对中国极端降雨的研究中指出，全国降雨总量的时间变化趋势并不明显，但是降雨的强度在增强。刘小宁等[11]也发现全国暴雨日数明显增加，降雨强度变大。对于长江流域极端降雨的研究多集中在日时间尺度强降雨事件，如王蒙等[12]研究近52 a长江中下游地区最大日降雨的时空变化情况，潘欣等[13]采用多种表征极端降雨的参数来研究长江流域极端降雨过程的时间变化。从长江流域旱涝年基础上开展不同区域极端降雨分布特征来判断极端气候事件的研究较少。

本文对1961～2016年长江流域不同子流域的年时间尺度的极端降雨情况进行统计，分析极端多雨/少雨降雨气候事件的时间变化特征，以及不同子流域间极端事件的相关关系，以期望为后续极端气候事件成因诊断以及气候预测奠定基础，进而为三峡工程电力生产、防洪抗旱等工作提供决策服务依据。

1 数据与方法

1.1 数据资料

本文所用资料为1961～2017年长江流域700个气象台站逐年降雨量资料，利用泰森多边形法[14-17]将站点降雨转化为分区面雨量。

1.2 子流域分区

将长江流域空间分区按照3个层次划分，首先是一级分区，即整个长江流域作为一个分区；其次是二级分区，将长江流域分为3个区域，分别为金沙江流域(简称金沙江)、长江上游传统五大流域(简称传统上游)和长江中下游(简称中下游)；最后是三级分区，将长江流域细分为9个区域，金沙江流域石鼓以上(简称石鼓以上)、金沙江流域石鼓以下(简称石鼓以下)、岷沱江流域(简称岷沱江)、嘉陵江流域(简称嘉陵江)、宜宾-重庆区间(简称宜宾-重庆)、重庆-宜昌区间(简称重庆-宜昌)、乌江流域(简称乌江)、汉江流域及中游干流(简称汉江及中游干流)和两湖流域(简称两湖)，见图1。

图1 长江流域分区示意Fig.1 Yangtze River Basin Zoning

1.3 极端降雨阈值的确定

利用Lilliefors检验方法对各个子流域进行年面雨量降雨的正态性检验。 Lilliefors检验是对Kolmogorov—Smirnov检验的一种改进，该方法样本标准化避免了在正态拟合优度检验之前对分布参数的估计，因此该方法可在小样本条件下使用[18-20]。

图2给出了长江全流域年面雨量的分布曲线，检验结果表明，年面雨量都不能拒绝正态分布的假设检验。将原始的面雨量序列做正态分布拟合后，计算出各年面雨量在正态分布中所占百分比，取10%和90%百分比反算出对应的面雨量值作为阈值。本文定义10%对应的面雨量值为极端少雨气候事件阈值，90%则为极端多雨气候事件阈值。变换后的面雨量小于少雨阈值的年份定义为发生极端少雨事件、面雨量大于多雨阈值的年份定义为发生极端多雨事件。

图2 长江全流域年面雨量分布拟合Fig.2 The distribution of annual surface rainfall in the Yangtze River Basin

1.4 长江流域不同分区极端降雨阈值和极端气候年份

根据极端降雨气候事件的定义，确定了年时间尺度上，不同空间分区的极端降雨的阈值(见表1)和极端降雨气候年份(见表2)。长江流域面积大，降雨时空分布不均，呈现出西少东多，北少南多。极端多雨气候事件的阈值与降雨量的时空分布特征对应，两湖阈值最大，为1 746.6 mm，而金沙江阈值最小，为706.1 mm。极端少雨气候事件的阈值也呈现出相同的空间分布，两湖阈值最大，为1 261.6 mm,而金沙江阈值最小，为585.0 mm。

表1 长江流域各分区极端降雨阈值Tab.1 The threshold of extreme precipitation event in the Yangtze River Basin mm

2 极端降雨气候事件时间分布特征

从长江各流域年极端降雨气候事件时间分布图(见表2和图3)来看，长江全流域近56 a共发生极端降雨事件11次，其中极端多雨事件5次，多雨极值出现在2016年，其面雨量为1 202.6 mm；极端少雨事件6次，少雨极值出现在1978年，其面雨量为868.6 mm。长江全流域降雨较为集中地出现在20世纪80～90年代，近10 a处在由少雨向多雨转变的年代际背景中。

表2 长江流域极端降雨年份Tab.2 The years with extreme precipitation event in the Yangtze River Basin

金沙江近56 a中极端降雨事件有12次，主要集中在20世纪60～70年代和1990～2000年代，其中1998年为历史排位第1的极端多雨年，年面雨量为766.00 mm；极端少雨极值年为2011年，年面雨量为555.9 mm。传统上游极端多雨的7 a中有5 a发生在20世纪80年代中叶前，降雨偏多的极值年是1967年，年面雨量达1 108.7 mm；极端少雨年有4次，均发生在20世纪80年代中叶后期，其中极值发生在2006年，该年的年面雨量为808.5 mm。中下游极端降雨年份有13 a，其中极端多雨5 a，年面雨量极大值为1 632.7 mm，出现在2016年；极端少雨年有8 a，年面雨量极小值为986.7 mm，出现在1978年。

金沙江降雨的一致性较好，即石鼓以上和石鼓以下不会出现旱涝并重的情况。而传统上游降雨的区域性较强，会出现旱涝并重的情况，例如1966，1981，1996，2013年，在这4 a中均是乌江与嘉陵江，或者岷沱江出现反位相关系。

中下游年面雨量呈现明显的准2 a振荡特征，极端多雨事件和极端少雨事件也是交替发生，且降雨的区域一致较好。但是在1963，1966，1996，2002，2012年中下游与上游出现降雨反位相的情况。

总体来看，20世纪60年代上游极端多雨事件频发，70年代以全流域极端少雨为主，80年代极端多雨事件中心转移至中下游，90年代上游变为极端少雨事件中心；2000年以来，上游除金沙江极端多雨事件偏多，其他区域极端少雨事件偏多，与此同时，中下游极端多雨事件也偏多。

3 极端降雨年的空间分布特征

3.1 各区域之间年雨量相关性

利用1961～2016年面雨量序列，采用相关分析法计算每两个流域面雨量之间的相关系数(见图4)。结果显示：相互包含的流域之间的年雨量普遍有较好的相关性；此外，发现汉江-中游干流和重庆-宜昌，乌江与宜宾-重庆、重庆-宜昌、汉江-中游干流相关系数超过0.5，且通过0.05信度检验，地理位置越接近的子流域之间相关性越好。

图3 长江各流域年极端降雨气候事件历史分布Fig.3 Distribution of the years with extreme precipitation climate events in the Yangtze River basins

注：实线边框通过0.05信度检验。图4 不同流域年面雨量相关系数分布Fig.4 The correlation coefficient of annual surface rainfalls in different watersheds

3.2 极端多雨年空间特征

按照表2中统计各分区的极端多雨年，分别进行了极端多雨年正距平频次合成，见图5。从图5分析发现，当长江全流域发生极端多雨事件时，除长江上游北部外，其他大部降雨均显著偏多。当金沙江流域发生极端多雨事件时，宜宾-重庆、乌江南部降雨也同时异常偏多。当传统上游发生极端多雨事件时，整个长江中游降雨均出现异常偏多，但石鼓以上降雨异常偏少。中,下游发生极端多雨事件时，包括上游东部在内的地区降雨均异常偏多，仅石鼓以上降雨偏少。分析中发现金沙江往往与其他流域出现相反情况，可能的原因有金沙江上游属横断山脉地区，地理、地势环境复杂，观测站点少，降雨信息获取不足，该流域既受东南季风和西南季风影响，又受青藏高原影响，加之地形的影响，降雨影响系统与中下游地区也并不完全相同。

当石鼓以上或石鼓以下发生极端多雨事件时，上游以降雨偏多为主，下游以降雨偏少为主，但是在岷沱江会出现降雨偏少中心。当岷沱江或嘉陵江发生极端多雨事件时，降雨偏多异常中心也位于此地区，其他流域降雨偏少。当宜宾-重庆发生极端多雨事件的同时，石鼓以下及乌江降雨容易偏多，降雨偏多的中心偏向于上游；重庆-宜昌极端多雨情况与宜宾-重庆相反，当重庆-宜昌区间发生极端多雨事件时，降雨偏多的中心偏向于长江中下游。乌江与重庆-宜昌极端多雨情况类似。当汉江及中游干流发生极端多雨事件时，长江上、中、下游干流区间降雨容易偏多，而岷沱江和两湖流域降雨容易偏少，呈现长江流域西北部和东南少，中间降雨多；当两湖发生极端多雨事件时，上游东部至中下游大部地区降雨异常偏多，呈现出东多西少的降雨形态。

图5 各流域极端多雨年正距平频次合成Fig.5 Positive anomaly frequency composition of extreme rainy events in different watersheds

3.3 极端少雨年空间特征

同理，从长江流域各子流域极端少雨降雨事件合成图上(见图6)分析发现，极端少雨情况与极端多雨情况并不相同，当子流域发生极端少雨事件时，其他流域大部也是以降雨偏少为主，空间的一致性较好。但是子流域发生极端多雨时，存在大部分地区少雨的情况。

当金沙江发生极端少雨事件时，两湖南部有降雨偏多情况。无论是石鼓以上还是石鼓以下降雨偏少的情况下，降雨异常少的中心出现在汉江。当传统上游发生极端少雨事件时，除石鼓以下和两湖南部降雨偏多外，长江流域大部降雨异常偏少。岷沱江和嘉陵江情况类似，流域大部分降雨偏少，仅仅在长江流域南部有降雨偏多的情况。当乌江发生极端少雨事件时，除岷沱江和嘉陵江的北部容易降雨偏多外，整个长江大部降雨容易偏少，宜宾-重庆极端少雨与乌江类似。重庆-宜昌和汉江极端少雨情况类似，出现极端少雨年份较为一致，说明两者空间性一致。当重庆-宜昌和汉江极端少雨时，长江大部分地区降雨偏少，仅仅在岷沱江和金沙江南部容易出现降雨偏多情况。两湖降雨偏少时，长江以大部偏少为主，降雨偏多的可能性出现在金沙江上游、嘉陵江北部和重庆-宜昌。

图6 各流域极端少雨年正距平频次合成Fig.6 Positive anomaly frequency compose of extreme rainless events in different watersheds

4 结果与讨论

通过分析长江流域及其子流域1961～2016年年极端降雨事件的时空分布特征，揭示了长江流域极端多雨和极端少雨事件的时空分布特征和一些变化特点，得到以下结论。

(1) 20世纪60年代长江上游极端多雨事件频发，70年代以全流域极端少雨为主，80年代极端多雨事件中心转移至长江中下游，90年代长江上游多发生极端少雨事件；2000年以来，长江流域处在由少雨向多雨转变的年代际背景中。

(2) 长江流域相互包含的区域之间年面雨量普遍有较好相关性，此外，地理位置越接近的子流域之间相关性越好。

(3) 当子流域发生极端少雨事件时，其他流域大部也是以降雨偏少为主，空间的一致性较好。但是子流域发生极端多雨时，存在大部分地区少雨的情况。其中，值得关注的是当长江上游大部地区或中下游发生极端多雨事件时，金沙江流域往往与其他流域出现相反情况，可能的原因有金沙江上游属横断山脉地区，地理、地势环境复杂，观测站点少，降雨信息获取不足。

本文对长江流域的极端多雨和少雨气候事件进行了分析，其中有很多现象值得关注，例如当传统上游流域发生极端少雨事件时，长江流域大部降雨异常偏少，在石鼓以下和两湖南部降雨偏多。从气候预测的角度来看，当考虑长江流域上游降雨偏少时，往往会认为一致偏少，就会忽略石鼓以下多雨的可能情况，这对气候预测来说非常困难。然而，金沙江下游水电资源丰富，水电工程多，降雨的预测又至关重要。后期我们将围绕长江流域极端降雨气候成因诊断以及气候预测方法开展工作。