1960-2016年三峽庫區極端降水事件時空變化特征

董釗煜，彭 濤,2,3, 董曉華,2,3, 劉 冀,2,3, 常文娟,2,3, 林青霞,2,3

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2.水資源安全保障湖北省協同創新中心, 湖北 武漢 430072； 3.三峽庫區生態環境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

全球變暖是當今世界面臨的重大挑戰之一。IPCC第五次評估報告提出，近百年來全球平均氣溫已上升0.85℃，如果不采取干預措施，預計全球平均氣溫最早在2030年之前將超過工業化前水平的1.5℃[1]。氣候要素的細微變化對極端氣候事件的發展有深遠影響[2-3]。全球變暖導致地氣、海氣系統的能量收支不平衡，進而深刻影響全球水循環過程，加快全球降水量再分配的過程[4]，導致全球季風區極端降水增強尤為顯著[5-7]。近年來，極端降水事件的頻繁發生對我國的經濟社會發展和生態環境造成了巨大影響[8-10]。

國內外學者在極端降水領域已經取得了許多研究成果。Alexander等[11]指出，20世紀以來全球年降水日數有明顯上升的趨勢；Griffiths等[12]研究表明，20世紀美國東北部的極端降水指數總體表現為持續上升態勢；Groisman等[13]的研究結果表明，在美國、澳大利亞、中國等國家，強降水事件呈現增多趨勢，可見中國的極端氣候事件的增多趨勢與世界是同步的。閔屾等[14]研究認為，我國極端氣候事件的強度與頻率均有所增加，這一結論在楊金虎等[15]以及Zhang等[16]的研究中也得以證實；任正果等[17]利用全國格點數據研究發現中國南方地區年降水量與各極端降水指數間存在良好的相關性；Zhai等[18]研究結果顯示, 我國北方地區年降水量呈現顯著的減少趨勢, 而西部地區、長江流域和東南沿海地區則呈現顯著的增加趨勢，全國大部分地區的年降水日數有顯著的減少趨勢。總之，已有的研究成果表明我國極端降水事件有極化的趨勢，并存在顯著的區域差異[19-24]。

三峽庫區是一個特殊的地理單元和長江流域重要的生態功能區，也是典型的生態脆弱區。由于地處亞熱帶季風區，降水年內和年際變化大，且地形以山地為主，陡坡比例較高，暴雨沖刷極易造成區域性洪澇災害。由于人類活動的影響，庫區生物的適生生境不斷退化，生物生存空間縮小，生物多樣性不斷下降或喪失，三峽庫區的生態環境十分脆弱[25]。已有研究多集中于三峽庫區降水的時空分布方面[26-27]，對極端降水事件特征及影響因素等方面深入研究較少。鑒于此，本文選用三峽庫區20個氣象站1960-2016年逐日降水觀測資料，研究三峽庫區極端降水的時空分布特征與周期特性，并進一步探究氣候因子指數與各極端降水指數的相關性，有助于深入理解三峽庫區極端降水的變化趨勢，為三峽庫區的防災減災和三峽水庫優化調度提供決策參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區域概況

三峽庫區是指三峽大壩建成后蓄水淹沒并有移民任務涉及的地區。庫區總面積約為5.8×104km2，位于28°31′N～31°44′N、105°50′E～111°40′E之間，海拔高程范圍為-22～2 991 m。三峽庫區地處四川盆地與長江中下游平原的結合部，逾越鄂中山區峽谷及川東嶺谷地帶，西起重慶江津，東至湖北宜昌，北屏大巴山、南依川鄂高原。研究區屬亞熱帶大陸性季風氣候，雨熱同期，夏季雨量占全年降水量的60%以上。年平均氣溫18℃，年降水量1 000～1 800 mm，氣象災害發生頻繁。受地形的影響與特殊的地理條件約束，地震、崩塌、滑坡、泥石流等災害時有發生，水土流失現象嚴重。三峽庫區及氣象站點分布見圖1。

2.2 數據來源

本文所用數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心(https://www.nmic.cn/)中國地面國際交換站氣候資料日值數據集，選取三峽庫區及周邊20個分布均勻、基本無缺測資料的站點。逐日降水數據序列為1960-2016年，采用雨日閾值為0.1 mm。在數據統計過程中，對個別站點短時段缺測的數據進行分段線性插值，對長時段缺測數據的站點進行剔除。

2.3 研究方法

2.3.1 極端降水指數 世界氣象組織氣象委員會(WMO-CCI)共推薦了27個核心極端氣候指數作為氣候變化研究的統一標準。本文選取了其中具有代表性的10個極端降水指數，如表1所示。10個極端降水指數可以分為4類，且相互之間存在著密切聯系。

2.3.2 分析方法 本文采用線性傾向估計法和滑動平均法分析各極端降水指數的年際變化趨勢；為提高突變檢驗的可靠性，運用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗法[28]與滑動T檢驗法綜合檢測突變點；利用交叉小波和相干小波變換[29]分析各極端降水指數間的周期相關性；應用克里金插值法對三峽庫區極端降水指數的空間分布特征進行分析；采用相關分析法探討極端降水指數與氣候因子指數之間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 極端降水指數的時間變化特征

3.1.1 極端降水指數的變化趨勢 三峽庫區極端降水指數年際和年代際變化差異明顯。1960-2016年三峽庫區各極端降水指數年際變化及5 a滑動平均值如圖2所示。由圖2可知，極端降水指數總體呈減少趨勢，但只有CWD通過了0.01水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率為-0.25 d/10a，其余6個指數PRCPTOT、R10、R25、Rx5day和R95p則均有不顯著減小的趨勢，而SDII、Rx1day、R99p和CDD表現為不顯著增加的趨勢。CWD的顯著減小(圖2(i))和CDD的不顯著增加(圖2(j))說明三峽庫區連續降水日數減少，而SDII、Rx1day和R99p的不顯著增加則反映了三峽庫區極端降水事件強度的增加。由5 a滑動平均值的變化可以看出，三峽庫區PRCPTOT、SDII、R10、R25、Rx5day、R95p、R99p、CWD在20世紀70年代末有明顯的震蕩變化。由5 a滑動平均可以將這8個極端降水指數總體分為5個階段：1970年以前、1970-1975、1975-1985、1985-1998年和1998年以后，這5個階段分別表現為“下降-上升-下降-上升-下降”的趨勢，其中Rx1day與CDD呈現出較明顯的豐枯交替特征。各極端降水指數均在1998年表現為極大值，這可能與1998年區域特大暴雨有關。

圖1 三峽庫區及氣象站點分布

表1 10個極端降水指數及其定義

3.1.2 極端降水指數的突變特征 對三峽庫區1960-2016年各極端降水指數進行突變分析，其中PRCPTOT、SDII、Rx1day和Rx5day 4個極端降水指數的M-K曲線圖如圖3所示(其他極端降水指數M-K曲線圖從略)。圖3(a)顯示，PRCPTOT的UF曲線在1960-1977年間基本處于零線以上；1978-1984年呈折線上升的趨勢；1985年后則呈現急劇下降的趨勢，表明三峽庫區的年降水量經歷了減少-增大-減少的發展變化。同時，PRCPTOT的UF與UB曲線有6個交點，經過滑動T檢驗(滑動年數為5 a)，僅1988、1998與2002年出現的降水增加突變是可信的，但UF線沒有超過α= 0.05信度水平，表明PRCPTOT的突變不顯著。圖3(b)顯示，在1960-1968年間，SDII 的UF曲線在零線附近波動；1969-1990年基本在零線以上；1990以后有急劇下降的趨勢，1995年后一直在零線下保持波動。SDII的UF與UB曲線有5個交點，經過滑動T檢驗，僅1966年出現的降水增加突變是可信的，但UF曲線沒有超過α=0.05信度線，說明SDII的突變沒有達到95%的顯著性水平。

圖2 1960-2016年三峽庫區各極端降水指數年際變化及5 a滑動平均值

圖3 1960-2016年三峽庫區極端降水指數M-K突變檢驗

分析表明，在95%的顯著性水平下，三峽庫區的R10、R25、R95p、R99p、Rx1day等5個指數均存在不顯著突變現象，Rx5day、CWD發生顯著突變現象，CDD沒有發生突變。

3.1.3 極端降水指數的周期特征 采用Morlet小波分析方法研究三峽庫區8個極端降水指數的周期變化特征，并構建全局小波譜進行檢驗，結果如圖4所示。由圖4可知，三峽庫區8種極端降水指數的變化主周期相似，普遍存在4～6 a的短周期，僅R10與R25存在12～16 a的中周期。具體分析如下：

在1995年以前，PRCPTOT、SDII、R10和R25均沒有表現出明顯的周期特征；在1996-2006年，PRCPTOT、SDII、R10、R25、R95p和R99p均存在4～6 a的顯著周期；PRCPTOT與SDII、R10、R25、R95p和R99p等5個指數具有較大的相關性。從全局小波譜可以看出，6個指數均存在4 a左右周期，其中大多數指數還存在12 a左右周期，但6個指數的全局小波譜顯示僅4 a左右的振蕩周期通過了0.05顯著性水平的檢驗，因此PRCPTOT、SDII、R10、R25、R95p與R99p的主周期為4 a左右，這表明各極端降水指數與年降水量具有良好的相關關系。CWD與CDD均在1975年存在顯著的2 a左右短周期，結合全局小波譜可見，CWD與CDD的能量譜呈交替出現峰值的情況。對比R95p與R99p的不顯著能量峰值，可以發現R99p比R95p具有更短的振蕩周期。從R99p和CWD的全局小波譜可知，三峽庫區的極端降水事件正在向周期短、強度大的方向演變。

3.2 極端降水指數的空間分布

選擇PRCPTOT、R10、R95p和CWD 4個極端降水指數，分別計算1960-2016年三峽庫區各氣象站點極端降水指數的平均值，利用克里金法進行空間插值得到4個極端降水指數的空間分布特征，如圖5所示。由圖5可以看出，1960-2016年三峽庫區PRCPTOT整體呈下降趨勢，氣候傾向率呈現中部減少、東西增加的空間格局(圖5(a))，這可能是由于川鄂高原的阻隔，使中部地區降水量減少所致。傾向率增加的站點有6個，增幅為1.3～10.4 mm/10a；呈現減少趨勢的有14個站點，但僅桐梓站的下降趨勢通過了顯著性檢驗，合川站PRCPTOT增幅最大，為10.43 mm/10a，五峰站減幅最大，為-25.78 mm/10a；R10傾向率的絕對值空間分布呈現西南低，東北高的格局(圖5(b))，傾向率增加的站點有4個，增幅為0.09～0.6 d/10a；呈減少趨勢的有16個站點，桐梓站的減少趨勢通過了0.01顯著性水平的檢驗，奉節、五峰兩站的減少趨勢則通過了0.05顯著性水平的檢驗，沙坪壩站R10增幅最大，為0.55 d/10a；五峰站減幅最大，為-1.16 d/10a；R95p的傾向率絕對值分布呈現中部高，東西低的格局(圖5(c))，20個站點均呈現減少趨勢，中部減小幅度最大，代表站點為恩施站，傾向率為-0.6 mm/10a，但20站點的減少趨勢均不顯著；與PRCPTOT的空間分布類似，CWD的氣候傾向率分布也呈現東西增加，中部減少的狀態(圖5(d))，傾向率增加的站點有12個，其中有3個站點通過了顯著性檢驗，占比25%，增幅為0.1～12.15 d/10a；呈現減少趨勢的有8個站點，其中5個通過顯著性檢驗，占比62.5%，其中恩施站通過了0.01顯著性水平的檢驗，宜昌站CWD增幅最大，為12.15 d/10a；萬州站減幅最大，為-8.12 d/10a。綜合分析表明，年降水量與其他極端降水指數具有較好的相關性，且呈現空間均化的趨勢。CWD顯著減少，且減少速率大于年降水量的減少速率，這可能是造成三峽庫區極端降水事件強度增大的原因。

3.3 極端降水指數與氣候因子指數的關系

對東亞夏季風指數(EASMI)、太陽黑子相對數(WOLFER)、南方濤動指數(SOI)和ENSO指數(SST)4種氣候因子指數與10種極端降水指數進行相關分析，結果見表2。由表2可知，東亞夏季風與SDII和R25存在顯著的負相關關系；而太陽黑子相對數與各極端降水指數呈不顯著正相關關系，與吳夢初等[30]的研究結果相似；南方濤動指數與各極端降水指數呈不顯著的負相關關系，而ENSO指數與絕大多數極端降水指數呈不顯著的正相關關系，僅與PRCPTOT和R10存在不顯著的負相關關系。

采用交叉小波變換(XWT)方法，進一步分析極端降水指數與氣候因子指數之間的關系。現以PRCPTOT為例，分析該極端降水指數與4個氣候因子指數的時頻變化關系，其交叉小波相關性分析見圖6。由圖6可知，年降水量在2 a(1980年左右)尺度上，相較于東亞夏季風落后1/4周期，即落后0.5 a，而在10 a(1975年左右)尺度上超前東亞夏季風2.5 a，在1995年前后，在1 a尺度上存在年降水量與東亞夏季風的顯著的負相關關系。對太陽黑子相對數而言，PRCPTOT在1980年左右表現出了顯著的落后了1/4個周期，均在2～3.5 a之間，并都有強烈震蕩的正相關性。在2000年前后的5 a內，ENSO指數與南方濤動指數均對PRCPTOT產生了顯著影響，PRCPTOT在時序上落后了ENSO指數1 a，超前于南方濤動指數約1 a，年降水量與ENSO指數呈現顯著負相關關系，南方濤動指數則與降水量展現了顯著的正相關關系。

注： “V”型實線包圍區域為小波邊界效應影響區域；粗實線區域表示通過0.05的顯著性檢驗，紅色虛線為0.05的紅噪聲標準譜。

圖5 1960-2016年三峽庫區各氣象站點4個極端降水指數變化趨勢空間分布及顯著性檢驗

注： “V”型實線包圍區域為小波邊界效應影響區域；粗實線區域表示通過0.05的顯著性檢驗。

表2 1960-2016年三峽庫區極端降水指數與氣候因子相關分析

4 結 論

本文采用10個極端降水指數研究了1960-2016年三峽庫區極端降水事件的變化趨勢、突變特性、周期特征、空間分布以及氣候因子對極端降水事件的影響，得出以下主要結論：

(1)1960-2016年三峽庫區極端降水總體上呈現減少趨勢，其中Rx5day、CWD顯著減少，而SDII、Rx1day、CDD等指數則呈增加趨勢，這可能由PRCPTOT減少速率小于CWD造成的雨量再分配所致；除Rx1day、CDD外8個指數均在1976年左右發生明顯突變。三峽庫區10個極端降水指數的變化主周期相似，大多數存在4～6 a的短周期，僅R10與R25存在12～16 a的中周期。

(2)三峽庫區極端降水指數在空間上具有明顯的差異。年降水量與其他極端降水指數具有較好的相關性，4種指數均呈現出整體下降的趨勢。PRCPTOT、R95p傾向率的空間分布均為庫區中部強、東、西部弱，R10與R95p整體均呈下降趨勢，R10在庫區東北部的下降傾向強于西南部，CWD則表現為中部下降，東、西部上升的趨勢，在空間上整體表現為均化的趨勢。

(3)三峽庫區的PRCPTOT與東亞夏季風、南方濤動指數和ENSO指數均呈現負相關關系，而與太陽黑子相對數則呈現正相關關系，在短周期上，除南方濤動指數外的其他3種氣候因子均在時序性上超前于PRCPTOT，而在中周期上，PRCPTOT的變化則超前于東亞夏季風。