渭河流域極端降水特性指標分析

張海寧, 周 旗, 毛雨唯, 馬元森, 丁鵬程, 文彥君

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬實驗室, 陜西 寶雞 721013)

IPCC第五次全球氣候評估公告指出：1880—2012年全球地表平均溫度升高約0.85℃，全球變暖成為毋庸置疑的事實[1]。極端氣候事件對氣候變化的響應極為敏感[2]，日益加劇的極端氣候事件引起專家學者及政府決策者的高度重視。我國學者關于不同流域極端降水時空分布和氣候變化的研究，從極端降水時空演變規律到強度特征、區域差異及季節變化均有涉及。研究表明，我國年降水總量變化趨勢不顯著，但極端降水強度和頻率總體增加[3-4]；我國主要河流流域降水時空分布特征主要表現為北方流域降水量少且年際變化大，南方流域以降水量增多為主[5-6]。長江流域[7-9]極端強降水增加顯著；黃河流域[10-13]降水具有明顯的地區性和季節差異性，極端降水強度變化趨勢穩定。珠江流域[14-15]年降水總量呈減少趨勢，但強降水量和極端降水量呈增加趨勢，降水強度有所增大；淮河流域[16-18]年降水總量、強降水日數呈下降趨勢，降水強度呈上升趨勢，極端降水發生時間在流域內由西南向東北推遲。

20世紀60年代以來，國內學者開始對渭河流域極端降水時空分布特征進行研究。渭河流域降水量季節分配差異較大，主要集中于夏、秋兩季，降水量在時間上呈減少趨勢，春、秋兩季減小趨勢更為顯著[19-20]；流域降水量空間分布表現為“東南多、西北少”的趨勢，上游減少趨勢較中下游顯著[21]；極端降水閾值由南向北階梯狀遞減，流域降水特征向不均衡、極端化發展[22-24]。因此，厘清氣候變化異常背景下渭河流域降水時空分布特征演化規律，進一步明晰流域當前極端降水概率變化特征，不僅對提高渭河流域應對極端氣候事件及其次生災害的能力具有現實意義，也為周邊區域極端氣候事件發生規律及可預測性提供基礎性研究，從而為區域氣候變化研究提供有力證據。

1 研究區概況

渭河是黃河流域第一大支流，主干流全長約818 km，總面積約13.48萬km2。流域支流眾多，北岸有涇河和北洛河兩大支流，控制流域面積分別為2.70萬km2，4.54萬km2，共占渭河流域總面積的53.7%。渭河流域地勢西高東低，西部為黃土丘陵溝壑區，北部為陜北黃土高原區，東部為河谷沖積平原區——關中平原，南部為秦嶺山區(圖1)。渭河流域位于半干旱半濕潤地區，地形和海拔等因素導致渭河流域降水空間分布不均；典型的大陸性季風氣候使其冬季氣候寒冷干燥，夏季炎熱多雨，降水量年際變化存在較大差異，降水主要集中于7—10月的強降水。

圖1 渭河流域分區示意圖

2 資料與方法

2.1 數據來源

本文所需逐日氣象資料來源于陜西、甘肅兩省氣候中心，并通過中國氣象數據網(https:∥data.cma.cn/)進行檢驗補充。為保證氣象數據序列的完整性和時間一致性，選取渭河流域內氣候要素完備、建站時間長、空間分布均勻且時間序列完整的41個氣象臺站(圖1)，逐日降水數據時段取在1961—2016年。為減小渭河流域地形起伏和氣象臺站空間分布不均勻性的影響，基于ArcGIS 10.5構建泰森多邊形[25]，估算各氣象臺站所控制的流域面積并計算其比例(泰森多邊形面積分割見圖1)；同時對流域臺站降水閾值進行加權平均，確定流域的極端降水閾值。

2.2 極端降水閾值確定

渭河流域降水空間分布極不均勻，因此不能簡單利用絕對值等級(例：50 mm/d)作為區域統一降水閾值。本文基于逐日降水數據定義各自氣象臺站的極端降水閾值，即將某臺站1961—2016年日降水量≥0.1 mm的降水量升序排列，將第95個百分位值的降水量定義為該臺站極端降水閾值，當該站某日降水量大于該閾值時，就稱該站出現極端降水事件[2]。

2.3 極端降水特性指標選取

根據世界氣象組織氣候委員會(WMO-CCL)推薦的極端氣候指數，結合閔屾和錢永甫的研究[26]，分別從極端和非常極端兩個級別，量、頻率、強度、貢獻率4個角度，選定R95P，RD95，RI95，RC95共4個中國極端降水事件的區域性和持續性研究指標，對渭河流域的極端降水序列進行時空變化特征分析(表1)。

表1 極端降水特性指標定義

2.4 研究方法

涇河和北洛河兩大支流交匯于渭河下游，為考慮干流、涇河和北洛河對渭河下游的影響，按照水系結構特征將渭河流域進一步細分為渭河干流、涇河、北洛河及渭河下游4個區域(圖1)。時間序列上采用氣候傾向率和累計距平法進行年際變化分析，累計距平法[27]可以更明顯地反映長期演變趨勢，累計距平曲線持續上升，表示距平值為正值，氣象要素處于增加階段；累計距平曲線持續下降，表示距平值為負值，氣候要素處于減少階段。 空間上采用普通克里金法(Kriging)對極端降水特性指標進行空間插值，分析其空間變化規律。

3 結果與分析

3.1 極端降水閾值分析

渭河流域1961—2016年極端降水閾值分布見圖2A所示，與年降水總量(圖2B)空間分布具有較好的一致性，均表現為東南高西北低，與年降水總量的相關系數為0.698，通過0.01的顯著性水平檢驗。渭河流域極端降水閾值變化范圍介于16.40～26.29 mm，超過17%的臺站閾值達到大雨(25.0 mm)以上量級，主要分布于渭河下游地區。

圖2 極端降水閾值及年降水總量空間分布

3.2 極端降水特性指標分析

3.2.1 極端降水特性指標空間分布特征 R95P隨緯度升高而減少(圖3A)，與年降水總量空間分布具有空間一致性。R95P的變化范圍介于127.81～201.41 mm；高值中心均為渭河干流東部和下游，流域各臺站極端降水量均在140 mm以上；涇河北部和北洛河北部兩個量指標則相對較小；尤其是藍田站、千陽站和寶雞站等氣象臺站，極端降水量達到流域最大值。1961—2016年渭河流域極端降水量呈增加趨勢的臺站主要集中在渭河流域干流東部和下游。

渭河流域RD95介于4.16～5.84 d(圖3B)，與極端降水量的相關系數為0.408，通過0.01顯著性水平檢驗。其中渭河干流和涇河流域頻數相對較大，下游和北洛河流域較少。結合圖2，圖3A可知，寶雞站、千陽站、藍田站、長安站等地區極端降水閾值、R95P，RD95均為高值中心，此地區極端降水發生的頻率較大。1961—2016年渭河流域RD95呈減少趨勢的氣象臺站分布于整個渭河流域，只有張家川站通過0.05顯著性水平檢驗；呈增加趨勢的氣象臺站僅有11個且變化趨勢不顯著，主要集中在渭河流域東南部。

渭河流域RI95的變化范圍在24.37～39.81 mm/d (圖3C)，幾乎所有臺站極端降水強度都達到大雨以上量級，高強度中心為渭河干流東部、下游和北洛河流域，藍田站極端降水強度最大，為39.81 mm/d；RI95與R95P的相關系數為0.683，通過0.01顯著性水平檢驗，表明降水量越大的地區降水強度相對越高，極端降水災害風險越高(表2)。

降水貢獻率表征降水量占總降水量的比值，通過降水貢獻率可以分析極端降水量對總降水量的指示作用。RC95與緯度的相關系數為0.594，通過0.01顯著性水平檢驗，表明貢獻率與緯度變化有較好的相關性，緯度越高，極端降水貢獻率越大。渭河流域RC95的變化范圍在28.37%～33.42%(圖3D)，具體為西北高東南低的空間特征，涇河西部較高，渭河下游為低值中心；其中華亭站、涇川站和崆峒站貢獻率較高，這些地區年降水總量中超過30.0%的降水來自于極端降水量。

3.2.2 極端降水特性指標年際變化特征 1961—2016年渭河流域極端降水特性指標的年際變化與突變檢驗見圖4。R95P和RD95均表現為波動下降趨勢，線性系數分別為-1.508 mm/10 a和-0.098 d/10 a，累計距平持續增加階段為1961—1968年、2009—2014年，此時極端降水量和極端降水頻數均高于平均水平，1969—1984年保持在平均水平；1985—2000年累計距平持續減小，極端降水量和極端降水頻數低于平均水平。M-K突變檢驗顯示，R95P的UF-UB曲線共存在4個交點，其中2010年交點通過0.05顯著性水平檢驗且經過Pettitt檢驗驗證，結合累計距平曲線知2010年極端降水量發生增多突變。

圖3 極端降水-量-頻數-強度-貢獻率空間特征

表2 極端降水-量-頻次-強度-貢獻率相關系數(空間特征)

RI95呈上升趨勢，線性趨勢為0.320 mm/(d·10 a)，通過0.05顯著性水平檢驗；主要可分為兩個變化階段，1961—1986年變化平穩，1987年后上升趨勢顯著，強度增大。由于極端降水頻數變化較小，因此極端降水強度增強的主要原因是極端降水量增加。RC95呈輕度上升趨勢，1961—2016年渭河流域年降水總量中極端降水量和非常極端降水量的比重增大，累計距平曲線顯示2000年后降水貢獻率高于平均值，結合降水量和降水頻數年際變化可知2000年后年降水總量主要來自于幾場大量級的極端降水。

3.3 極端降水頻率分析

渭河流域洪澇災害頻發，當流域發生大范圍高強度降水時，子流域降水匯聚于干流，導致干流及下游河道壓力倍增，流域洪澇災害風險升高，因此研究渭河流域極端降水時必須考慮渭河干流、涇河、北洛河對渭河下游的匯流影響。

3.3.1 不同區域極端降水頻次年際變化及頻率特征 為研究不同區域極端降水特征，規定若某區域超過30%的氣象臺站發生極端降水，定義為極端降水事件；超過半數氣象臺站發生極端降水，定義為區域性極端降水事件。分別對渭河流域4個區域極端降水事件發生頻次、頻率進行計算，結果見圖5。

1961—2016年4個區域極端降水事件變化趨勢均不顯著，但不同年代間存在較大變化差異。綜合分析發現，4個區域極端降水事件在1981—1984年、2003—2005年發生頻次較高，除北洛河外，均在1983年達到頻次最高值，干流次數最多為20次；此階段區域極端降水事件的發生次數也處于高值，干流達到了10次。1991—1995年極端降水事件頻次較少；2000年之后頻次增多，2011—2014年再次出現極端降水事件頻次小峰值，流域內干流和涇河流域增多最為明顯。

1961—2016年，極端降水事件發生頻次最高的區域為渭河干流，頻率高達3.45%；干流區域性降水事件發生頻率也最高為1.90%，共217次。渭河流域中下游地勢較低、河網密集程度較高、河道排水泄洪能力有限，因此高頻率的極端降水極易引發洪災。

圖4 極端降水-量-頻數-強度-貢獻率年際變化

3.3.2 多區域極端降水頻次年際變化及頻率特征 渭河流域多區域降水事件發生頻次年際變化見圖6，多區域同時發生極端降水事件的頻次變化趨勢均不顯著，但年際變化波動較大。

1961—2016年，渭河流域單個區域發生極端降水事件的頻次變化趨勢不顯著。兩個區域同時發生極端降水事件的頻次表現為輕微下降趨勢，1961—1970年、1981—1984年極端降水事件發生較多，其中1983年極端降水發生頻次最多，高達11次，其中有3次為區域性極端降水事件；1989—1999年發生頻次較少，均在4次左右；2000年后極端降水事件發生頻次增多顯著，增加速率為0.81 d/10 a。3個區域同時發生極端降水事件的年際變化趨勢波動較大，1975—1984年頻次高于均值，1983年發生頻次最高為6次；1984—1995年頻次減少趨勢明顯；1998—2012年頻次較高，2011年極端降水事件高達5次。

全流域同時發生極端降水事件的變化趨勢平穩，有17 a的極端降水事件頻次超過56 a均值， 1976年、2003年較高均為5次；2000年后渭河流域極端降水事件發生頻次增多，尤其是2011年，3次均為區域性極端降水事件。考慮到子區域極端降水的疊加效應，此時渭河干流河道和下游匯流處的壓力將遠超過部分臺站降水的匯流壓力，流域洪澇災害風險升高。

1961—2016年，渭河全流域發生極端降水事件共67次，頻率為0.51%，其中有23次為一半以上氣象臺站的降水超過極端降水閾值；3個區域同時產生區域性極端降水共12次，頻率為0.9‰。

通過對渭河流域暴雨洪災資料調查發現渭河流域洪災形成原因復雜多樣，不同子流域的極端降水、連續降水等都會導致洪災，主要分為4種情況：局部極端降水導致洪災、上游極端降水導致洪災、連續陰雨疊加極端降水導致洪災和多流域極端降水疊加導致洪災[28]。水文年鑒資料顯示，渭河流域1961—2016年多次洪水災害。1981年8月中旬至9月初長時段極端降水導致渭河流域林家村和中下游支流高量級來水，從而引發流域性洪水；2003年8月26日至10月12日，渭河流域發生1981年以來高水位、大洪量洪水。同年8月下旬至10月上旬，渭河流域共發生6次大范圍、高強度極端降水事件，其中8月28日、9月19日和10月10日共3次全流域極端降水。2011年9月3日以來，渭河流域先后出現三次較強降水過程，造成渭河秦嶺北麓支流水位猛漲，匯入渭河干流后與干流洪水形成首尾相連的秋淋洪水過程[29-30]。2011年9月18日，渭河全流域發生了極端降水事件。

圖5 渭河流域降水事件頻次

圖6 渭河流域多區域降水事件頻次

通過參考水文年鑒發現幾次流域性洪水均伴隨極端降水，尤其是渭河流域干流下游，小范圍極端降水也多導致中常洪水量級的洪澇災害。因此研究極端降水事件時，應充分考慮多個不同區域降水對干流河道和干支流匯流處的壓力，及時降低災害風險。

4 結 論

(1) 渭河流域極端降水閾值呈從西北至東南增多的趨勢，與年降水總量空間分布一致；極端降水閾值變化范圍介于16.40～26.29 mm，超過17%的臺站達到大雨(25.0 mm)以上量級，主要分布于渭河下游地區。

(2) R95P變化范圍介于127.81～201.41 mm，隨緯度升高而減少，流域東部和下游較高，此區域內各氣象臺站主要呈增加趨勢；上游、涇河、北洛河北部較低，上游各氣象臺站主要呈減少趨勢。RD95變化范圍介于4.16～5.84 d，干流和涇河流域較高，下游和北洛河流域較低；流域內多數氣象臺站RD95呈減少趨勢。

(3) RI95變化范圍介于24.37～39.81 mm/d，與R95P的空間分布相關性較好，降水量越大的地區降水強度越高；干流東部、下游和北洛河流域強度較高。RC95與緯度有較好的相關性，緯度越高，貢獻率也越高；其中涇河西部年降水總量主要來自于幾場極端降水。

(4)1961—2016年渭河流域4個極端降水指標的年際變化趨勢整體平穩，僅R95P在2010年發生增多突變；56 a內極端降水強度有所增強，主要是降水量增加導致。RC95呈增加趨勢，極端降水占年降水總量的比重增大，2000年后極端降水占比增加顯著。

(5)渭河下游區域性極端降水事件發生頻率最高；極端降水事件主要發生于20世紀80年代初期和21世紀初期；渭河流域的幾次洪災均伴隨著極端降水，未來應考慮多區域極端降水對干流及下游河道的疊加作用，降低災害風險。