萬泉河流域極端降水時空變化特征分析

肖 靜,張 鷺,林尤文

(海南省水文水資源勘測局，海南 海口 570203)

IPCC(International Panel on Climate Change)第五次評估綜合報告指出，極端天氣和氣候事件自1950年以來已有變化，極端氣候亦發頻繁。從全球尺度評估：強降水發生的頻率、強度和(或)降水量增加；干旱的強度和(或)干旱期增加；熱帶氣旋活動增強。在全球持續變暖的趨勢下，到21世紀末，中緯度大部分陸地區域與熱帶區域的濕區，極端降水事件將很可能更劇烈并更頻繁[1-2]。對于極端降水及極端降水事件，目前還未有統一的定義及標準[3-4]。國內部分學者采用的是世界氣象組織及其他氣象技術委員會共同推薦的極端降水指數，對國內部分區域做了極端氣候研究[5-11]。龍妍妍等[12]、武文博等[13]指出華南區極端降水呈增加趨勢。本文開展海南島萬泉河流域極端降水指數變化研究，以期為萬泉河流域防災減災工作提供理論支持。

1 研究區概況

萬泉河流域(圖1)屬熱帶和亞熱帶海洋性季風氣候，受季風影響大，四季不明顯，氣溫高，熱量豐富，日照充足，降雨集中，干濕季分明，雨量充沛。降水年內分配不均，每年5—11月降水量約占全年的84%以上。本流域熱帶氣旋多發，登陸的熱帶氣旋每年約有4～6次。萬泉河為海南省第三大河流，分有南北兩源，均發源于瓊中縣五指山風門嶺，南北源匯合于瓊海市合口咀。萬泉河向東或東北向流經瓊中、屯昌、定安、文昌、萬寧等市縣，至瓊海市博鰲港入南海。南源稱乘坡河(也稱樂會水)為萬泉河干流，長度103 km，落差573 m，集水面積 1 387 km2；北源定安河(又稱大邊河)為萬泉河最大的一級支流，河長88 km，落差803 m，坡降2.89‰，集水面積1 222 km2。干流全長156.6 km，集水面積3 693 km2，總落差523.0 m，干流坡降1.12‰。萬泉河發育在五指山山脈東部以及向東北輻射的濱海平原地帶。地形西南高，東北低，由西南內陸向東北沿海逐漸降低。流域內下游有博鰲亞洲論壇、博鰲樂城國際醫療旅游先行區等重要基礎設施及加積引用水源地等，萬泉河惠民作用顯著，極端降水研究十分必要。

圖1 萬泉河流域及選用站點

2 研究內容及方法

2.1 資料數據

為研究萬泉河流域極端氣候事件的變化規律，本文選取流域內降水資料完整、空間分布較為均勻的22個站點1979—2016年逐日降水資料，資料使用前已進行異常值處理，其中南源含11個站點、北源含9個站點、中下流干流含2個站點，具體站點分布見圖1。流域極端降水指數是利用ArcGIS對22個站點進行空間插值所得。本文研究選取ETCCDI定義的與極端降水緊密相關的8個極端降水指標來分析萬泉河流域極端降水變化特征，所選指標的定義及表示方式見表1。這些指標允許用于年、季、月等不同時間尺度，但基于本文主要研究近38年來極端降水的時空格局變化，因此，選取年際尺度來研究流域內的極端降水變化更為合理。此外，這些指標還能夠反映出極端降水在不同方面的變化，從而綜合反映極端降水的時空變化。

2.2 研究方法

利用線性趨勢法和滑動平均法對降水指數序列初步進行趨勢分析，再利用Mann-Kendall[14-16]檢驗法、滑動t檢驗進行序列趨勢和突變分析。本文給定顯著性水平α=0.05，MK檢驗置信值±1.96，t檢驗置信值±3.34。若UFk和 UBk兩條曲線超過置信區間，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍為出現突變的時間區域，若UFk和UBk出現交點且交點在置信區間之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。如果UFk和UBk2條曲線交點出現在臨界線外，或出現多個交點，將進一步采用滑動t檢驗方法進行檢驗。t值曲線超過置信區間視為發生突變。2種方法均有一定的局限性，需辯證使用。

3 結果與分析

3.1 極端降水指數年均值的空間變化

萬泉河流域極端降水指數年均值的空間分布見圖2。流域PRCPTOT年均值為2 369 mm，各站點年均值在2 000～2 972 mm之間波動。北源(除思河站外)及中下游干流各站點PRCPTOT年均值在2 000～2 459 mm之間，相對波動較小；思河站PRCPTOT年均值為2 743 mm，差異性較大。南源各站點PRCPTOT年均值基本呈現從上游到下游逐漸增加的分布，在2 174～2 972 mm之間波動，波動差798 mm；牛路嶺站PRCPTOT最大，為2 972 mm，其次為南茂站2 869 mm。流域CWD年均值為10.6 d，與其他7個指標相比，CWD年均值空間分布在南源表現出更多的差異性，什仍站12.2 d為最大，南茂站12.1 d次之。流域SDII、R50、R100的年均值分別為18.5 mm/d、11.3 d、3.2 d，3個指標的年均值空間分布與PRCPTOT年均值空間分布基本一致，SDII、R50、R100的最大值站點均為牛路嶺站，分別為21.7 mm/d、15.3 d、4.9 d，次大值站均為南茂站。流域年均值Rx1day、Rx3day、R99PTOT分別為191、320、329 mm，3個指標空間分布相似但無顯著規律，北源及中下游干流均值空間分布與PRCPTOT年均值空間分布基本一致，但南源分布差異性較大；與PRCPTOT、SDII、R50、R100等4個指標不同，最大值及次大值站為新安站、中平站。

a)PRCPTOT

總之，8個指標年均值空間分布有較多的相似性，北源(除思河站外)及中下游干流為低值區，各站點年均值波動相對較小。而南源各站點的極端降水指數年均值整體波動較大，空間分布有更多的差異性；PRCPTOT、SDII、R50、R100基本呈現從上游到下游逐漸增加的分布；Rx1day、Rx3day、R99PTOT空間分布相似但無顯著規律；CWD空間分布有更多的差異性。

3.2 極端降水指數變化趨勢的空間分布

采用線性趨勢法進行極端降水指數趨勢分析，并進行MK趨勢顯著性檢驗(圖3)。流域PRCPTOT呈增加趨勢，增加速率58.0 mm/10a，站點增加率81.8%；中下游干流增加明顯，速率為85.3 mm/10a；南源增加較少，速率為35.6 mm/10a，11個站點中3個站點呈負增長，其中羅反站以244.1 mm/10a的速率減少，為流域減少最大；北源增加趨勢與整個流域基本一致，其中木色站以135.3 mm/10a的速率增加，為流域增加最大。流域CWD以0.35 d/10a的速率呈增加趨勢，除中下游干流瓊海站以0.01 d/10a的速率下降外，南源、北源分別以0.53、0.41 d/10a的速率增加，站點增加率達95.5%。流域SDII、R50、R100均呈增加趨勢，分別以0.05(mm/d)/10a、0.29 d/10a、0.11 d/10a的速率增加，站點增加率分別為45.5%、72.7%、54.5%；3個指標在北源、中下游干流分布相似，均呈增加趨勢；南源SDII、R50、R100趨勢分化，R50以0.23 d/10a的速率增加，SDII、R100分別以0.34(mm/d)/10a、0.12 d/10a的速率減少。流域Rx1day、Rx3day、R99PTOT均呈增加趨勢，增加速率分別為4.9、5.8、6.4 mm/10a，站點增加率分別為59.1%、36.4%、45.5%；南源表現出較多的分化，Rx1day呈增加趨勢，Rx3day、R99PTOT呈減少趨勢，速率分別為0.9、-5.3、-4.5 mm/10a；北源3個指標與流域趨勢基本一致；中下游干流增加明顯，增加速率分別為9.9、21.7、19.3 mm/10a。

a)PRCPTOT

總的來說，萬泉河流域8個指標均呈增加趨勢，說明萬泉河流域極端降水呈增加趨勢。而南源、北源、中下游干流長期變化趨勢分化。南源PRCPTOT、CWD、R100、Rx1day增加，SDII、R50、Rx3day、R99PTOT減少，南源極端降水事件趨勢存在不確定性。北源、中下游干流各項指標均呈增加趨勢，表明極端降水事件在增強。萬泉河流域8個極端降水指標未通過顯著性檢驗，僅有極個別站點的個別指標通過了0.05的顯著性檢驗，表明該流域的極端降水事件長期的變化趨勢仍有很大的不確定性。

3.3 極端降水指數的時間演化

圖4顯示了萬泉河流域極端降水指數隨時間的變化。PRCPTOT在21世紀之前大多為負距平，在正常范圍內波動；21世紀以后年代際變化明顯，開始大起大落，2004年前呈減小趨勢，2005—2010年逐漸增加，2011年之后又逐漸減小，整體距平波動變大；2010、1989年為正距平大值(偏多689、681 mm，29.1%、28.8%)，為濕潤年份；2004、1987年為負距平大值(偏少996、826 mm，-42%、-35%)，為干旱年份。CWD呈現明顯的年代際變化，20世紀80年代中期至90年代初一直處于負距平偏少狀態，其中1991、1989年為負距平大值；90年代中期以后多為正距平，整體呈增加趨勢，1996年突然增多為正距平最大值，后逐漸減少呈波動周期變化。SDII、R50、R100變化趨勢與PRCPTOT變化趨勢同步，基本一致，整體在正常范圍內波動，SDII、R100正距平大值均為2010、1989年，R50正距平大值為2009、1989年，3個指標負距平大值均為2004、1987年，與PRCPTOT年份一樣；R100在2010、1989年偏多4.0、2.8 d，偏多百分比125%、88%，在2004、1987年偏少2.7、2.3 d，偏少百分比-84%、-73%，年際波動最大。Rx1day、Rx3day、R99PTOT的變化趨勢與PRCPTOT變化趨勢一致性同樣較高，Rx1day、R99PTOT正負距平大值年份與PRCPTOT年份一樣；Rx3day正距平大值為2010、1983年(偏多374、211 mm，117%、66%)，負距平大值為2004、1987年(偏少172、129 mm，-54%、-40%)，波動較PRCPTOT明顯偏大。

a)PRCPTOT

綜上所述，萬泉河流域極端降水指數除CWD外的7個指標隨時間變化相似性較高。21世紀之前多為負距平，距平波動相對較小；21世紀之后年代際變化明顯，2004年前呈減小趨勢，2005—2010年逐漸增加，2011年后又逐漸減小；距平最大值年份集中在2009、2010年，距平最小值年份集中在2004年。CWD年代際變化明顯，20世紀80年代中期至90年代初處于負距平偏少狀態；90年代中期以后呈增加趨勢，1996年為最大值，后逐漸減少呈周期波動變化。

3.4 極端降水指數突變分析

結合滑動平均及MK突變檢驗、滑動t檢驗對萬泉河流域極端降水指數進行分析(圖5)。流域PRCPTOT的MK突變檢驗中UF、UB在1980—1982、2008年出現多個交點；滑動t檢驗在1995、2006—2008年超出置信區間；最終確定2008年為突變點，2008年以后降水突然增多，2015年突變結束。流域CWD在MK顯著性檢驗中1982—1983、1986—1994年超過置信值，2003—2005年出現交點；滑動t檢驗發現1983—1984、1989—1993年超過置信值；綜合表明CWD在1985年發生突變，突然減小，1994年突變結束。流域SDII、R50、R100的MK檢驗和滑動t檢驗中UF、UB及T曲線變化有高度的相似性；UF、UB在1980—1981、1989—1990、2007—2008年內多次相交；1980—1981、1989—1990年內UF、UB相交是指數突然增多導致，4個年份均為突變點；SDII、R100的滑動t檢驗中在2006年超過置信值，最終確定3個指標均在1980—1981、1989—1990年突變，SDII、R100還在2006年發生突變，突然增大。流域Rx1day、R99PTOT兩指標的MK和滑動t檢驗曲線變化有高度的相似性，2個指標的UF、UB曲線在2007、2015年有交點，除此之外Rx1day在2000、2005年UF、UB有交點；Rx1day的t檢驗在1996、1998年超過置信值，R99PTOT在1998年超過置信值；Rx1day較R99PTOT有更多的波動性；最終確定Rx1day、R99PTOT在2007、2015年突變。綜合MK及滑動t檢驗結果，Rx3day在1984年突變，突然增多；在1989—1994年突變，突然減少。

a)PRCPTOT

c)SDII

4 結論與展望

a)萬泉河流域8個極端降水指標年均值在北源(除思河站外)及中下游干流空間分布相似，站點年均值波動相對較小，無明顯規律。南源8個指標年均值空間分布差異性較大，年均值整體波動較大；PRCPTOT、SDII、R50、R100呈現從上游到下游逐漸增加的分布；Rx1day、Rx3day、R99PTOT空間分布相似但無顯著規律；CWD空間分布有更多的差異性。

b)萬泉河流域極端降水指數長期變化均呈增加趨勢，但未通過顯著性檢驗，僅有極個別站點的個別指標通過了0.05的顯著性檢驗，說明極端降水呈增加趨勢但不顯著。而南源、北源、中下游干流長期變化趨勢分化；北源、中下游干流各項指標均呈增加趨勢；南源PRCPTOT、CWD、R100、Rx1day增加，SDII、R50、Rx3day、R99PTOT減少(主要受CWD增加影響)，說明南源降水在時間分布趨于均勻。

c)萬泉河極端降水指數呈現一定的年際和年代際規律。除CWD外的7個指標在21世紀之前多為負距平，在正常范圍內波動；21世紀后年代際變化明顯，起落顯著，整體距平波動變大。CWD在20世紀80年代中期至90年代初處于負距平偏少狀態；90年代中期以后呈增加趨勢，1996年為最大值，后逐漸減少呈波動周期變化。

d)萬泉河流域極端降水指數突變年份差異性較大。PRCPTOT在2008年發生突變，降水突然增多，2015年突變結束。CWD在1985年發生突變，突然減小，1994年突變結束。SDII、R50、R100均在1980—1981、1989—1990年突變，大小急轉；SDII、R100還在2006年發生突變，突然增大。Rx1day、R99PTOT在2007、2015年突變。Rx3day在1984年突變，突然增多；在1989—1994年突變，突然減少。

總之，萬泉河流域極端降水長期呈增加趨勢但不顯著，極端降水指標年際波動變化較大，存在很大的不確定性。由于極端降水本身的特殊性和復雜性，本文對于引發極端降水的物理成因及機制并未進行深入探討，這將是未來我們需要深入研究的方面。