近60 a滩坑流域极端降水的气候变化特征分析*

史珩瑜 任晨平 朱占云 王菊芬 方楠 丁雨鑫

(1.浙江省预警信息发布中心，浙江 杭州 310017；2.浙江省气象服务中心，浙江 杭州 310017；3.浙江浙能北海水利发电有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引 言

随着全球气候变暖，极端天气气候事件发生的频率及强度不断增大[1]，有研究表明，这些现象与降水特别是极端强降水事件时空分布发生变异有着密切的关系[2]。IPCC第五次评估报告(AR5)指出[3]，自1950年左右以来，已经观测到了许多极端天气和气候事件的变化，其中包括一些区域强降水事件数量的增加。Alexander[4]等进一步指出20世纪，特别在北半球的中高纬度区域，即使在平均降水减少的地区，极端降水的频率和强度也在显著增加。因此，掌握区域极端降水事件的特征，了解其变化及发展规律，对于合理制定应对极端天气气候事件所引发灾害的措施是十分必要的。

有学者[5-7]研究认为极端降水强度在中国东南部强于西北部，与年降水量密切相关。通过对一系列中小尺度地形的研究发现[8-16]，大尺度的区域气候变化特点和趋势虽然具有较高的一致性，但不同区域的降水变化特点和规律存在较大的时空差异。例如黄河流域极端降水量、降水频数、降水强度在53 a间均呈微弱下降趋势[17]，而西宁各极端降水指标整体上均呈增加趋势[18]。因此不同地区的仍需开展更为详尽、细致的工作。

滩坑水库位于浙江省南部地区，坐落在浙江八大水系之一的瓯江，坝址以上流域面积3330 km2，是浙江省库容最大的水库之一，流域受亚热带季风影响，雨量充沛但年际变化较大。本文利用近60 a的逐日降水资料研究滩坑流域极端降水的变化特征，为水库防洪抗旱、决策调度等提供了理论支撑。

1. 数据与方法

1.1 数 据

本文使用的资料为滩坑水库15个雨量站1959—2018年的日降水数据，雨量站的分布情况如图1所示。该序列数据经过了严格的质量检测控制及错误值修正，对于缺测值的插补方法为采用同日周边站点的数值，按照比例法进行插补，以确保得到的降水时间序列完整性好且真实可靠。

1.2 极端降水指数介绍

世界气象组织(WMO)气候委员会曾在气候变化监测会议中提出了一套极端气候指数，本文采用其中的6个极端降水指标(表1)以研究滩坑流域的极端降水变化，这些指标综合考虑了降水事件的强度和持续时间，可以从不同方面刻画极端降水的特征。

图1 滩坑流域雨量站分布示意图

表1 极端降水指标

指标缩写定义单位年降水量PRCPTOT年内日降水量大于等于1mm的累积降水量mm最大连续雨日CWD日降水量大于等于1mm的连续日数最大值d暴雨日数R50mm日降水量大于等于50mm的日数d极端降水量R95日降水量大于多年平均的第95个百分位数的总降水量mm5d最大降水量Rx5day连续5d最大降水总量mm日降水强度SDⅡ日降水量大于等于1mm的总降水量与降水日数的比值mm/d

1.3 平均降水量计算方法介绍

本文采用泰森多边形法计算滩坑流域的平均降水量。泰森多边形法又称为垂直平分法或加权平均法，是由美国气候学家Alfred H.Thiessen提出了一种根据离散分布的气象站降雨量来计算平均降雨量的方法。

具体方法为，首先通过连接相邻雨量站点，把区域划分为大量的锐角三角形，接着在三角形的每一边作垂直平分线，每一站点周围的相互的垂直平分线形成一个多边形，计算该多边形面积与流域面积之比，作为各多边形上的降雨权重系数，最后用各站点雨景与该站所占面积权重相乘后累加即可，公式如下：

2. 结果与分析

2.1 滩坑流域年降水量变化特征

图2反映了1959—2018年滩坑流域的年降水总量(PRCPTOT)的变化情况，由图1可知，在整个研究时段上，PRCPTOT整体在波动中呈上升趋势，线性拟合线的年际倾向率为6.2 mm/d，并通过了0.05置信水平的显著性检验，说明PRCPTOT在1959—2018年期间的增加趋势是显著的。

从图2可以发现，近60 a来PRCPTOT变化有很强的不规则性。PRCPTOT的最大值为2300.0 mm，出现在2016年，最小值为1978年的972.9 mm，相差两倍之多。具体来看，1960—1968年是流域历史上PRCPTOT持续偏少最长的一段时间；2012—2018年PRCPTOT连续偏多，是流域持续时间最长的一段丰水期；1969—2011年PRCPTOT偏多偏少交替出现，其中1969—1977年整体呈降水量偏多的态势，1978—1988年降水量由前期的整体偏多转为整体偏少，1989—1999年降水量转为偏多，2000—2011年降水量整体偏少。

图2 1959—2018年滩坑流域年降水总量(PRCPTOT)变化曲线

2.2滩坑流域极端降水年际变化趋势分析

极端降水事件的变化趋势一直是学者们关心的热点问题，已有研究[5,19]指出20世纪60年代以来，中国南方地区的极端降水事件主要呈现出增多趋势，但在不同的区域有不同的干、湿倾向，那么滩坑流域的极端降水在近60 a间是如何变化的呢？

滩坑流域1959—2018年期间的极端降水指标年际变化如图3所示。在1959—2018年期间，滩坑流域CWD、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ的最大值分别为21 d(2014年)、11 d(1999年)、1390.1 mm(1983年)、387.7 mm(1996年)和16.4 mm(1983年)；各指标的最小值分别为5 d(1981年)、0 d(2005年和2011年)、300.3 mm(1978年)、89.4 mm(1978年)和8.2 mm(2011年)。

从图3可知，1959—2018年各指标存在明显的波动变化。从整个研究序列上看，CWD的线性拟合曲线呈现中增加的趋势，年际倾向率为0.09 d/a，且通过了0.05置信水平的显著性检验，这表明在1959—2018年期间滩坑水库CWD呈现出显著的增加趋势变化。R95、R50mm、Rx5day和SDⅡ在整个研究时段内震荡显著，但没有明显的增加或减少的趋势。

CWD在波动中整体呈现出上升趋势，其中在20世纪90年代后期之前，CWD上升趋势不显著，在90年代后期进入显著的上升阶段。Rx5day在研究时段内表现为“双峰型”特征，这2个峰值分别为20世纪60年代后期到70年代中期和20世纪90年代期间。R95和R50mm变化曲线相似，分别在1973年、1983年和1999年出现了3个极值点，可见滩坑流域的极端强降水与ENSO事件不无关系，相关研究将在后续工作中展开。SDⅡ在研究时段内大致呈“增加-减少”的变化趋势，从20世纪50年代末至90年代末，整体呈波动上升趋势，21世纪初至今，指标在波动中下降。

综上所述，CWD呈上升趋势且通过了0.05置信水平的显著性检验；Rx5day、R95、R50mm和SDⅡ震荡明显，20世纪60年代后期到70年代中期和20世纪90年代处于偏强时期，在进入21世纪后，各指标减弱。

图3 滩坑水库1959—2018年5个极端降水指标年际变化曲线

2.3 极端降水指标的相关性分析

有学者研究表明极端降水事件与PRCPTOT之间存在密切的关系[20,21]。计算1959—2018年滩坑流域各极端降水指标序列之间的简单相关系数，并对相关系数进行t检验，结果如表2所示。由表2可知，PRCPTOT与R95、SDⅡ、R50mm、Rx5day、CWD的简单相关系数分别为0.738、0.662、0.632、0.546、0.375，且均通过了0.01水平的显著性检验，这表明总降水量最能反映极端降水情况，其增加或减少，会引起其他极端降水指标的增加或减少，与前人的研究结论相符。

注：*通过0.01水平显著性检验

由相关分析结果还可看出，CWD仅与PRCPTOT存在显著正相关，与R95、R50mm、SDⅡ和Rx5day的相关性都不显著，而R95、R50mm、SDⅡ和Rx5day四者之间均呈正相关，且都通过了0.01水平的显著性检验，说明其之间有很好的一致性。

2.4 极端降水量对PRCPTOT贡献率的变化分析

前面已经分析了PRCPTOT对极端降水情况有很好的指示性，这里详细分析滩坑流域各极端降水量对PRCPTOT贡献的变化情况。图4反映的是1959—2018年各极端降水量对年总降水量的贡献，黑色曲线表示贡献率的变化情况。由图可知，最大连续雨日总降水量、50 mm以上总降水量、R95和Rx5day对PRCPTOT的贡献率分别在2%～26%、0～38%、7%～43%和8%～16%之间分布，年际差异较大。

一般来说，年总降水量大的年份，各极端降水量值也相对较大，贡献率也相对较高。比如，20世纪60年代后期到70年代中期和20世纪90年代是各极端降水量对PRCPTOT贡献较高的两段时期，同时也是PRCPTOT整体偏多的时期；而20世纪70年代后期到80年代后期PRCPTOT整体偏少，各极端降水量对PRCPTOT的贡献率也相对较低。进入21世纪10年代后，尽管PRCPTOT是明显偏多的，但是各极端降水量的贡献率并没有明显上升趋势，与21世纪00年代的贡献率相近。

图4 各极端降水量对总降水量贡献率的变化情况

3 结 语

本文基于滩坑水库1959—2018年的日降水数据，分析了CWD、PRCPTOT、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ这6个极端降水指标以及极端降水量对PRCPTOT贡献率的变化特征，主要得到以下结论。

1)PRCPTOT在1959—2018年期间的增加趋势是显著的，整体经历了“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多”的变化过程，其中，1960—1968年PRCPTOT持续偏少，是流域持续时间最长的一段枯水期；2012—2018年持续偏多，是流域持续时间最长的一段丰水期。

2)近60 a来，滩坑流域CWD呈上升趋势且通过了0.05置信水平的显著性检验，并在20世纪90年代后期进入显著的上升阶段；其他极端降水指标Rx5day、R95、R50mm和SDⅡ在研究时段内震荡明显，没有明显的变化趋势，其中20世纪60年代后期到70年代中期和20世纪90年代处于偏强时期，进入21世纪之后，各指标处于偏弱时期。

3)PRCPTOT对极端降水情况有指示性，其与其他极端降水指标之间存在显著的正相关。20世纪60年代后期到70年代中期和20世纪90年代期间，各极端降水量对PRCPTOT贡献较高，20世纪70年代后期到80年代后期各极端降水量贡献率较低，进入21世纪10年代后，这种变化的一致性被打破，PRCPTOT整体偏多，但极端降水量的贡献率和SDⅡ并没有增加趋势，说明滩坑流域弱降水日数增多。

本文使用PRCPTOT、CWD、R50mm、R95、Rx5day和SDⅡ这6个极端降水指标，对滩坑水库流域的极端降水的气候变化特征进行了分析，但其变化的影响因素及归因问题尚未涉及，相关研究指出东亚季风和厄尔尼诺事件对我国降水的分布和强度[22-24]有重要影响，有关滩坑极端降水的影响因素将在后续研究中开展。