松遼流域1961-2017年極端降水變化特征

襲祝香, 楊雪艷, 劉玉汐, 紀玲玲, 饒維平

(1.吉林省氣象臺, 長春 130062; 2.吉林省氣候中心, 長春 130062)

近年來，在氣候變暖的大背景下，極端天氣氣候事件呈多發的態勢[1]，極端天氣氣候事件突發性強、危害性大，雖然是一種小概率事件，但往往對人類社會以及生態環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，往往易引發洪澇、內澇、漬澇及泥石流和水土流失等，極端降水也是流域洪水發生的主要致災因子[2]，例如，受極端強降水影響，2010年第二松花江出現了歷史罕見的特大洪水災害，僅吉林省受災人口就達512.1萬人，直接經濟損失達451億元。同時流域極端降水的時空分布與變化也影響著流域農業經濟與生態環境的健康發展，關系到流域水資源的合理開發與利用，因此，對流域極端降水分布及演變規律進行研究，對于流域防災減災，科學防控洪澇，確保經濟可持續發展具有重要意義。

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

1 資料、研究區域和方法

1.1 資料和研究區域

松遼流域大致位于40°—53°N,116°—133°E，位于我國東北部，涉及遼寧省、吉林省、黑龍江省三省和蒙東地區(內蒙古自治區的東四盟)，松遼流域總面積123.80萬km2。西、北、東三面環山，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帶，具有較多的西風帶天氣和氣候特色，為溫帶大陸性季風氣候區。冬季嚴寒漫長，夏季溫濕而多雨，部分地區屬寒溫帶氣候。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、鴨綠江為國際河流。

氣象資料采用1961—2017年研究區域196個氣象站逐日降水資料。站點選取考慮到資料連續、資料序列長、站點分布均勻，且在流域內等因素。研究區域及站點分布見圖1。

圖1 松遼流域站點分布

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年每個測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 個百分位值定義為該測站的極端降水事件閾值,在此基礎上，定義4個極端降水指數(見表1)，以此來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，極端降水強度越強，危害越大。

表1 松遼流域極端降水指數

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，距平累積計算公式如下：

(1)

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

某要素的趨勢變化通常用一元線性回歸方程：

yt=a+bt

(2)

式中：t表示時間；yt表示要素逐年值；a是常數；b定義為氣候傾向率，計算公式如下：

b=r·σx/σt

(3)

式中：r是yt和t序列的相關系數；σx，σt分別是yt和序列的均方差。

變差系數方法如下：

(4)

近年來，Kriging差值方法在許多領域都有廣泛的應用，本文采用Kriging差值方法對松遼流域的極端降水進行了空間差值。

2 結果與分析

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 極端降水閾值呈西北小，南部大的分布趨勢(附圖3A)，額爾古納河附近在18 mm以下，最小出現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，最大出現在鴨綠江的丹東，達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系，計算了松遼流域極端降水閾值和各地年平均降水量的相關系數，達0.551 6(樣本數為196個)，通過0.000 1極顯著檢驗。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，在400 mm以下，最小出現在新巴爾虎右旗，只有236.1 mm；鴨綠江、渾太河以及第二松花江南部為高值區，在600 mm以上，最大出現在鴨綠江的草河口，達1 061.6 mm；其他地方在400～600 mm。可見松遼流域各地降水差異十分明顯。

2.1.2 極端降水指數的空間分布特征 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，最大出現在草河口，達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律(附圖4B)，額爾古納河東部、黑龍江東南部，第二松花江南部在6 d以上，最多出現在第二松花江流域的東崗，達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，最小出現在西遼河的開魯，只有3.1 d；其他地方介于4～6 d。

極端降水強度呈中南部大、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，最大出現在鴨綠江的鳳城，達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，最大出現在鴨綠江的鳳城，達38%；圖們江、大小凌河、渾太河附近在31%以下，最小出現在渾太河的燈塔，只有28.1%；其他地方在31%～36%。

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

2.2 極端降水的時間分布

2.2.1 極端降水各月分布 計算松遼流域各月出現極端降水的總數，然后進行1961—2017年平均，得到松遼流域各月極端降水平均出現次數(圖2)，由圖2可見，極端降水主要出現在夏季的6—8月，占出現總次數的81.8%，5月、9月明顯減少，占出現總次數的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，不足1%。

圖2 松遼流域各月平均極端降水次數分布

2.2.2 極端降水指數年際變化特點 圖3為松遼流域4項極端降水指數的年際變化曲線和距平累積曲線，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)。

極端降水強度和極端降水量的階段分布規律完全一致，1961—1966年、1983—1998年、2010—2017年處于偏強階段；1966—1982年、1999—2009年極端降水強度處于偏弱階段(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 極端降水指數年際變化及距平累積曲線

從上述分析可以看出，松遼流域極端降水各項指數的階段變化基本一致，分析上述指數各階段平均情況，可以看出差異明顯(表2)，極端降水量在偏多階段達200 mm以上，最多階段的1983—1998年達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；極端降水強度偏強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 極端降水指數階段變化情況

2.2.3 極端降水指數突變分析 對極端降水指數進行了M-K突變分析，可以看出(圖4)，4項極端降水指數變化情況類似，UF和UB在95%信度線內相交于1962年前后，20世紀60 年代至80 年代中期UF 線呈下降狀態并超過了95%信度線，說明極端降水各項指數在80 年代中期之前是呈顯著下降的趨勢，1962年前后為突變的開始時間；80 年代中期以后極端降水指數開始增強，自90 年代后期以來，UF 線呈平穩擺動，UF和UB在95%信度線內雖也有相交，但UF始終沒有超過95%信度線。

2.2.4 氣溫突變前后極端降水指數變化特點 孫鳳華等[21]對東北區的氣溫突變情況進行了分析，認為東北區在1988年前后氣溫發生了突變，考慮到所選的區域與松遼流域接近且同一氣候區氣溫的變化趨勢總體一致，因此，可以認為松遼流域在1988年前后氣溫發生了突變，在此對氣溫突變前后極端降水指數氣候傾向率、變差系數等進行了計算和分析(見表3)。

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

圖4 松遼流域極端降水指數M-K 曲線

表3 松遼流域極端降水指數氣溫突變前后特點

3 結 論

(1) 松遼流域極端降水閾值呈西北小，南部大的分布趨勢，這種分布和松遼流域各地年降水分布關系密切，相關系數達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，極端降水強度呈中南部大、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，極端降水強度在松花江附近為上升趨勢，其他大部分地方為下降的趨勢。

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

(3) 目前松遼流域處于極端降水偏強階段，極端降水量大，頻率高，強度及比率大，且突變后極端降水指數變差系數增大，不穩定增強，極端降水過程或事件發生的幾率增加。因此，應引起高度重視，加強對極端降水事件的監測、預警和研究，增強對極端降水災害的防范和應對能力，將極端降水事件造成的損失降到最低。