（自然地理学专业论文）近48年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析.pdf

摘要 全球变暖，频发的极端气候事件已经成为国际社会关注的重大问 题。探索区域极端强降水事件的时空分布状况及产生的原因是十分必 要的。 基于湘江流域4 4 个气象站1 9 6 0 , - 一2 0 0 7 年的逐日降水资料，定义 了不同台站极端强降水事件的阈值，对该流域极端强降水事件的时空 特征及年内非均匀性分布特征进行研究。首先对湘江流域年降水进行 了分析，结果发现该流域的年降水量呈增加趋势，而年雨日却有减少 趋势。进而探讨了湘江流域极端强降水的变化规律，并进一步对暴雨 事件进行了统计分析。结论如下： 1 ) 湘江流域极端强降水事件的阈值介于3 2 6 - - - - 4 2 7 m m d 之间， 明显超出国家气象局制定的大雨标准( 2 5 r a m d ) 。东南、西南山地的 阈值均超过流域的平均阈值( 3 5 7 r a m d ) ，南岳站更是高达4 2 5 m m d 这说明极端强降水事件的阈值与海拔呈正相关。 2 ) 湘江流域近4 8 年来极端强降水量、极端强降水日数、极端强 降水强度、极端强降水指数和日最大降水量均呈增加趋势。其中，极 端降水指数的增幅较小，少数几站无增长甚至负增长。其它几个指标 的增幅较大。 3 ) 东南、西南山地及南岳站是年均极端强降水事件发生最多的 地区，也是日最大降水量增加最显著的地区。永兴站的日最大降水增 加趋势最显著，趋势系数达1 4 7 m m l o a ，且通过o 0 1 的显著性检验。 西北地区的极端强降水事件相对较少。株洲、湘潭等偏北的几站最大 日降水近4 8 年来有所减弱。 4 ) 湘江流域极端强降水事件的总体特征是：1 9 7 0 s 前多大雨事 件，1 9 7 0 s 一- - 1 9 8 0 s 各类极端降水事件均相对偏少，进入1 9 9 0 s 开始 明显增加，尤其是暴雨和大暴雨事件显著增多。事实上，2 0 世纪9 0 年代后，暴雨事件不仅显著增多，影响范围也明显扩大。从季节分布 看，暴雨、大暴雨事件均集中在5 8 月，年总次数最大值出现在2 0 世纪9 0 年代后。在极端强降水事件中，暴雨、持续性暴雨事件较一 致地发生在东部和南部山地，且以增加趋势为主，呈减少趋势的站点 多集中在中部和中西部。其中，南岳和桂东两站发生持续性暴雨次数 最多。 5 ) 湘江流域年极端强降水事件集中度自北往南有所减弱，集中 期自西北向东南表现为“低一高一低一高”的分布特点。各区域集中度 与集中期的变化特征差异明显：西北部是极端强降水集中度相对最强 且不易发生异常的地区。西南地区则是集中期最早、集中度相对最差 且易发生异常的地区。东南山地是该流域集中时间最迟且较易发生异 常的区域。 6 ) 湘江流域年极端强降水事件集中度和集中期均呈波动上升。 在1 9 7 0 - - 1 9 7 9 年、1 9 9 0 2 0 0 7 年两个时段内，该流域年极端强降水 事件比较集中：集中期在1 2 9 1 8 5 之间变化，也就是说湘江流域的年 极端强降水事件较集中的出现在5 月、6 月和7 月。 关键词：湘江流域，极端强降水，时空特征，集中度和集中期 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fg l o b a lw a r m i n g ，f r e q u e n te x t r e m e w e a t h e r e v e n t sh a v eb e c o m eam a j o rc o n c e r no ft h ei n t e r n a t i o n a l c o m m u n i t y e x p l o r i n gt h es p a t i a l 、t e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fr e g i o n a le x t r e m er a i n f a l l e v e n t sa n dt h ec a u s e si sn e c e s s a r y b a s e do nt h ed a i l yp r e c i p i t a t i o nd a t ao f4 4s t a t i o n sf r o m19 6 0t o 2 0 0 7o v e rx i a n g j i a n gr i v e rb a s i n ，t h ee x t r e m ep r e c i p i t a t i o nt h r e s h o l df o r e v e r y s t a t i o ni sd e f i n e da n d t e m p o r a l 、s p a t i a lc h a r a c t e r i s t i ca n d i n t e r - a n n u a l i n h o m o g e n e i t i e so fa n n u a le x t r e m eh e a v yp r e c i p i t a t i o n e v e n t sa lea n a l y z e d f i r s t l y , y e a r l yr a i n f a l lo v e r x i a n g ji a n gr i v e rb a s i ni s s i m p l ya n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a ty e a r l yp r e c i p i t a t i o ni si n c r e a s e d , b u tr a i n d a y sa r ed e c r e a s e d s e c o n d l y , r e g u l a t i o n so ft h ee x t r e m e p r e c i p i t a t i o na r ed i s c u s s e df r o mm u l t i a s p e c t , a n dt h er a i n s t o r me v e n t s a r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d 蛐e r t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ee x t r e m e p r e c i p i t a t i o nt h r e s h o l di nx i a n g j i a n gr i v e rb a s i ni s b e t w e e n3 2 6a n d4 2 6 m m d , w h i c hi s s i g n i f i c a n t l yo v e rt h eh e a v yr a i n s t a n d a r d ( 2 5 m m d ) m a d eb ys t a t em e t e o r o l o g i c a la d m i n i s t r a t i o n a l lo f t h en o r t h e a s t 、s o u t h e a s ta n ds o u t h w e s t 7 st h r e s h o l da r eo v e rt h eb a s i n r s a v e r a g e ( 3 5 7 m m d ) ，n a n y u es t a t i o n i su pt o4 2 5 m m d i tm e a n st h a t e x t r e m ep r e c i p i t a t i o nt h r e s h o l dh a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t he l e v a t i o n i nf a c t , c o r r e l a t i o na n a l y s i sp r o v e st h a tv i e w 2 ) e x t r e m ep r e c i p i t a t i o n 、e x t r e m er a i nd a y s 、i n t e n s i t yo fe x t r e m e p r e c i p i t a t i o n 、e x t r e m ep r e c i p i t a t i o ni n d i c e sa n do n e d a ym a x i m u m p r e c i p i t a t i o na l lt e n dt oi n c r e a s ei nr e c e n t4 8y e a r so v e rx i a n g i i a n gr i v e r b a s i n a m o n g a l lt h ei n d e x e s ，e x t r e m e p r e c i p i t a t i o ni n d i c e s 7a m p l i f i c a t i o n i ss l i g h t ，f e ws t a t i o n so ft h a th a v en og r o w t ho rn e g a t i v eg r o w t h t h e o t h e ri n d e x e sr i s em a r k e d l y n 1 3 ) t h ea n n u a le x t r e m ep r e c i p i t a t i o n e v e n t so c c u rm o s t l ym s o u ：t 1 1 e a s t 、s o u t h w e s tm o u n t a i na n dn a n y u es t a t i o nw h e r et h ed a i l y m a x i m u mp r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e do b v i o u s l y t h ed a i l ym a x i m u m p r e c i p i t a t i o no fy o n g x i n gi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , t r e n dc o e f f i c i e n t i su p t o14 7 m m 10 aa n dh a sp a s s e dt h es i g n i f i c a n c et e s t i n go f9 9 t h e e x t r e m ep r e c i p i t a t i o ne v e n t sa r er e l a t i v e l yl o w s o m en o r t hs t a t i o n s d a i l y i o i t a t i o n z h u z h o ux i a n t a t i o nw eakenedmaximum p r e c i p i t a t i o ns u c ha sz h u z l a o u , x 1 a n g t a ns l a t l o n s l i g h t l yi nr e c e n t4 8y e a r s 4 ) t h eo v e r a l l c h a r a c t e r i s t i co fe x t r e m ep r e c i p - i t a t i o n o v e r x i a n g ii a n gr i v e rb a s i ni st h a tt h eh e a v yr a i ne v e n t sw e r em o r ef r e q u e n t b e f o r e19 7 0 s ，b u te a c hg r a d er a i ne v e n tw a si nar e l a t i v e l yw e a ks t a g e d u r i n gt h e19 7 0 sa n d 19 8 0 s ，a l lh a v eo b v i o u s l yi n c r e a s e ds i n c et h e19 9 0 s e s p e c i a l l yt h er a i n s t o r ma n dh e a v yr a i n s t o r me v e n t s i nf a c t , n o to n l y t 1 1 e r a i l l s t 0 旺ne v e n t si n c r e a s e do b v i o u s l yb u ta l s o t h ea f f e c t e dr a n g ei s e x t e n d e ds i g n i f i c a n t l y j u d g i n g f r o mt h es e a s o n a ld i s t r i b u t i o n ，t h e r a i n s t o r me v e n t sc o n c e n t r a t ed u r i n gm a y - - a u g u s ta n dt h em a x i m u m v a l u eo fa n n u a lt o t a lf r e q u e n c yo c c u r sa f t e r19 9 0 s a m o n gt h ee x t r e m e p r e c i p i t a t i o ne v e n t s ，t h er a i n s t o r ma n dp e r s i s t e n tr a i n s t o r me v e n t so v e r x i a n g ii a n gr i v e rb a s i nc o n s i s t e n t l yo c c u ri nt h ee a s t 、s o u t hh i l l ya r e a a n dm o s ts h o wa ni n c r e a s i n gt r e n d , t h es t a t i o n sw i t hd e c r e a s i n gt r e n d m o s tc o n c e n t r a t ei nt h em i d d l ea n dm i d w e s to fx i a n g i i a n gr i v e r b a s i n 1 1 1a l lm es t a t i o n s ，n a n y u ea n dg u i d o n gs t a t i o na r ew h e r ep e r s i s t e n t r a i n s t o r mo c c u r sm o s t l y 5 ) f r o mt h ea v e r a g es p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，t h ea n n u a le x t r e m eh e a v y p r e c i p i t a t i o ne v e n t sc o n c e n t r a t i o nd e g r e eo v e rx i a n g i i a n gr i v e rb a s i n w ea ：i n sf r o mn o r t h t o s o u t h , i t s c o n c e n t r a t i o np e r i o d s h o w s “l o w - h i g h 1 0 w - h i g h c h a r a c t e r i s t i c t h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e c o n c e n t r a t i o nd e g r e ea n dc o n c e n t r a t i o np e r i o de x i s tc l e a rd i f f e r e n c ei n s u b r e g i o i l s ：n o r t h w e s ti sw h e r et h ee x t r e m ep r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t i o n d e g r e ei sr e l a t i v e l ys t r o n ga n dh a r dt ob ea b n o r m a l s o u t h w e s ti sw h e r e i v t h ec o n c e n t r a t i o np e r i o dc o m e se a r l i e s ta n dt h ec o n c e n t r a t i o nd e g r e ei s r e l a t i v e l yw e a ka n de a s i l yt ob ea b n o r m a l s o u t h e a s tm o u n t a i ni sw h e r e t h ec o n c e n t r a t i o np e r i o dc o m e sl a t e s ta n de a s i l yb e c o m ea b n o r m a l 6 ) b o t ht h ee x t r e m ep r e c i p i t a t i o ne v e n t sc o n c e n t r a t i o nd e g r e ea n d c o n c e n t r a t i o np e r i o dh a v eu n d u l a t e l yr i s e n i n s i d e ，c o n c e n t r a t i o nd e g r e e o c c u r sm a i n l yb e t w e e n1 9 7 0 , - 一1 9 7 9a n d1 9 9 0 - - - 2 0 0 7 ；c o n c e n t r a t i o n p e r i o dc h a n g e sf r o m12 9t o 18 5 ，w h i c hm e a n st h a tt h ee x t r e m e p r e c i p i t a t i o no v e rx i a n g ji a n gr i v e rb a s i nm a i n l yc o n c e n t r a t ei nm a y 、 j u n e 、j u l y k e yw o r d s ：x i a n g j i a n gr i v e rb a s i n ，e x t r e m eh e a v yp r e c i p i t a t i o n , t e m p o r a l 、s p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c ，c o n c e n t r a t i o nd e g r e ea n dc o n c e n t r a t i o n p e r i o d v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 极彬卅d 年，月弓f 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阗。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 丧半纱日期：劬年，月；日 导师签名：一一靓y 日期：年月日 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 1 1 研究背景 1 绪论 在过去，许多对气候变化的研究主要集中于平均气温和年均降水 量两方面。2 0 世纪以来，越来越多的学者注重对极端气候事件的研 究。i p c c ( 1 9 9 5 ) 第二次科学评估报告指出，对极端气候事件的变化 研究具有重要意义，并试图回答“气候是否更易变化或更加极端化 了? ”这一难题。1 9 9 7 年6 月，c l i v a r ( c l i m a t ev a r i a b i l i t ya n d p r e d i c t a b i l i t y ) ，g c o s ( g l o b a lc l i m a t eo b s e r v i n gs y s t e m ) 和w m o 支持召开了“气候极值变化指数和指标研讨会阻1 。2 0 0 1 年i p c c 发 布第三次评估报告，确认了气候变化的真实性，并指出气候变化的相 关问题将不断扩大，将从经济、社会和环境等方面对可持续发展产生 重大影响。i p c c ( 2 0 0 7 ) 第一工作组第四次评估报告表明，近百年来 地球气候正经历以全球变暖为特征的显著变化。i p c c 第二工作组第四 次评估报告强调，全球气候变暖，对自然生态和人类生存环境产生显著 影响，并将对未来自然生态和经济社会发展产生长期的影响。这给人类 社会提出严峻挑战。中国是发展中大国，也是受全球气候变化影响国家 之一。在全球气候变暖背景下，和世界其他地区一样，中国主要极端天 气气候事件发生的频率和强度明显增大。也导致部分地区水资源短缺加 剧，自然生态环境变差，粮食安全压力增大，海平面持续上升，沿海经 济社会发展受到严重威胁。气候变化已经成为中国经济社会的问题。全 球气候变暖使得水循环加快，极端降水事件对全球气候变化的响应十 分敏感曙刊，引起了广泛的关注。与平均气候相比，极端气候事件随 机性更大，突发性更强，成因更为复杂，预测也就更为困难。降水是 气候系统的一个重要因子，极端降水事件对社会、环境都可能产生直 接的影响：持续长时间的强降水可能造成洪涝灾害；而降水强度过小， 时间过短又可能造成干旱灾害。 硕士学位论文 暴雨是我国主要的气象灾害，具有突发性，持续性，集中性的特 点，极易造成低洼地区的涝灾，山地的洪灾及泥石流，滑坡等地质灾 害，危及人民的生命财产安全。尤其是低概率、高强度、长持续的暴 雨事件极易造成大范围严重洪涝。如1 9 9 6 年7 月洞庭湖流域暴雨持 续4 天1 ，1 9 9 8 年6 月江南发生持续1 0 天以上暴雨口1 ，1 9 9 9 年6 月 长江中下游暴雨持续9 天阳 ，均造成当地较大的洪涝灾害。 同时，现在所用的工程防洪标准过低，应对照近些年来的极端强 降水事件重新制定。越来越多的资料证实，近十几年来，世界各地因 极端降水事件所造成的直接经济损失呈指数上升趋势。因此对极端 降水事件的研究具有重要的社会经济意义和科学研究价值。 1 2 国内外研究现状 降水作为气候的基本要素之一，近些年一直是研究的重要对象。 研究者们也已经得出了一些重要结论。翟盘茂等阳，指出，中国东北中 部、长江中下游地区及东南沿海一带降水明显增多，而华北大部、东 北东部及西南东部却有明显的下降趋势。王颖等n 对中国的雨日研究 发现，中国年雨日已经明显减少。事实上，许多学者的研究已经表明 了雨日和降水量呈不同步变化。文献n 表明，浙江省近5 0 年来的年 总降水量与年总雨日数的趋势变化在空间分布上相反。张剑明等n 幻 对19 6 0 - 2 0 0 5 年湖南省的降水研究表明，湖南省年降水量在研究时间 内有增加趋势。 极端气候事件是指在统计意义上的低概率事件。通常人们根据气 候要素采用不同分布型的边缘值来确定气候极值。如我国把日降水量 超过l o m m 的降水事件定义为中雨，超过2 5 m m 的降水事件定义为大雨， 超过5 0 m m 的降水事件定义为暴雨，超过l o o m m 的定义为大暴雨。而 实际上，在不同地区，极端强降水事件不能用全国统一的标准简单定 义。如在干旱、半干旱的西北地区，中雨事件就可被认为是极端强降 水事件。而在我国东部的季风气候区，中雨事件只是很普通的降水事 件。所以近年来国际上多使用百分位值法来定义极端降水事件，也就 是根据不同台站的日降水，采用某个百分位值作为极端值的阈值，超 过这个阈值就被认为是发生了极端降水事件。近些年来，许多气象 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 工作者都利用此方法对极端降水状况做出了很多的研究，也找到了不 少的规律。 k a r ln 3 1 、h a y l o c k n 劓、k l e i n n 朝、b r u n e t tin 们分别对美国、澳大 利亚、欧洲及意大利的极端强降水做了研究，发现极端强降水事件都 在增加。随着全球变暖，在总降水量增加的地区，极端强降水事件极 有可能以更大比例增加n 7 。捌。国内关于极端强降水事件的研究也做了 大量工作。翟盘茂等阳儿2 4 3 分析了中国降水极值变化，指出我国总降水 量变化趋势不明显，而极端降水强度在增强；中国东部，降水日数趋 于减少，平均降水强度极值出现的范围趋于扩大。刘小宁晗5 ，对我国暴 雨极值事件进行了研究，指出江南地区、华北、东北区暴雨异常年份 增多，强度增大。刘学华等乜阳的研究发现，我国强降水日指数和强降 水比率指数的的整体线性变化为上升趋势。孙风华乜7 ，等在对东北地区 降水的分析中得出：该区2 0 世纪8 0 年代中期之前多小雨事件，8 0 年代中期之后多中雨以上强度的降水，特别是在9 0 年代中期之后多 暴雨事件，且强度明显增强。苏布达等乜8 1 的研究表明1 9 8 6 年以来， 长江流域的极端强降水事件显著增加，突出表现在中下游地区，而其 增加既是极端降水强度，也是极端降水事件显著增加的结果。 自2 0 世纪7 0 年代起，陶诗言等睁驯对我国的暴雨进行了较系统 的研究，应用个例分析从天气学的角度研究了历史上暴雨的成因。陶 诗言和丁一汇玎从气候学方面研究了我国2 0 世纪5 0 7 0 年代暴雨的 分布，指出我国的暴雨、大暴雨主要出现在华南、华北、长江流域三 个纬向分布带上。鲍名和黄荣辉呤2 1 的研究也表明长江中下游地区是暴 雨发生集中的区域。湖南是暴雨洪涝灾害高发区，9 0 以上年份都有 不同程度的暴雨洪涝灾害发生，。 湘江流域地处长江中下游，属亚热带季风气候区。降水分布不均 匀，年际变化较大，旱涝灾害发生频率高，其中尤以暴雨洪劳灾害最 多。有人对湖南省历史上7 5 3 年次的洪灾按流域划分，计算出了各流 域洪水年所占总年次的百分比，其中湘江流域为4 9 1 ；资水流域 1 4 3 ；沅江流域2 4 4 ；澧水流域和湘西北地区的洪灾占1 2 2 口钔。 湘江流域主要自然灾害有洪涝、干旱、山洪、泥石流、滑坡等。 典型干旱年有1 9 6 3 年全省、1 9 9 8 年、2 0 0 3 年湘南大旱；洪涝灾害典 硕士学位论文 型年有1 9 5 4 年、1 9 9 8 年、2 0 0 6 年。其中，2 0 0 6 年7 月郴州、衡阳 两市洪水和山洪灾害给当地人民生命财产造成重大损失。在诸多的灾 害中，湘江流域尤以暴雨洪涝灾害最多。自1 9 世纪至2 0 世纪以来， 尤以持续性大雨，暴雨等极端降水造成的洪灾为主嘶1 。 毛德华、李景保等汹1 在湖南省洪涝灾害研究一书中阐明了暴 雨是影响我省四水灾害洪水的形成与发展的直接因素。受全球气候持 续变暖的影响，湖南高强度暴雨出现的频率呈增多趋势，灾害程度也 有所加重m 1 。现今城镇的防洪标准采用的仍是城市排水工程规划规 范( g b 5 0 3 1 8 - - 2 0 0 0 ) 规定的治涝标准，即城郊及农村部分采用1 0 年一遇3 日暴雨3 日末排至作物耐淹深度；排湖：一般为1 0 年一遇 1 5 日降雨1 5 日末排至内湖控制水位。对于高强度降水频发的今天， 防洪标准已远远过低。流域中上游山丘区城市小部分在重要城区虽建 有堤防，但无完整封闭的防洪保护圈，抗洪能力差，大部分城市仍未 设防，依靠自然地形挡洪，基本无防洪能力，稍遇大水即遭灾。 罗伯良等口刀虽对湖南极端强降水事件进行了气候变化趋势和突 变特征的分析，但从整体上来说，对湖南降水极值的研究还是缺乏一 个更全面的研究。所以本文选取湖南境内最大的流域湘江流域， 从年极端强降水量、极端降水日、日最大降水量、极端降水指数等方 面对其进行较全面的分析，旨在为湘江流域的防洪标准提供一定的理 论基础，以提高其抗御极端强降水事件的能力。 1 3 研究内容 本文根据1 9 6 0 2 0 0 7 年实测日降水资料，对湘江流域极端强降 水事件的时空特征和年内非均匀分配特征进行了分析。 本文主要从以下几方面详细研究极端强降水事件的特征： ( 1 ) 从极端强降水雨日、降水强度、降水频次、年最大日降水、 年极端强降水指数5 个方面分别建立降水极值统计序列来研究降水 极值变化的区域分布特征，年代际变化特征及降水极值的突变等；并 就湘江流域极端强降水的持续时间进行了分析。 ( 2 ) 基于湘江流域洪水主要由暴雨径流形成，本文对该流域日降 水量大于等于5 0 m m 的暴雨事件进行了时间与空间两方面的分析。时 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 间上主要分析了年际变化与月变化，并对暴雨事件频发出现的时间成 因做出解释；空间上主要对4 8 年来各台站的暴雨总次数及其变化趋 势进行了分析。 ( 3 ) 利用集中度和集中期对湘江流域极端强降水事件的年内非均 匀性分布特征进行研究。研究内容主要包括该流域极端强降水的集中 时间和集中程度的时空分布特征，集中期、集中度的异常特征。 1 4 采用资料和研究方法 1 4 1 采用资料 本文选取湘江流域湖南境内4 4 个气象站( 图1 ) 1 9 6 0 - - 2 0 0 7 年 的逐日降水资料，资料由湖南省气象台提供；流域的高程资料通过在 g o o g l ee a r t h 中输入经纬度获取。该流域空间平均海拔约1 8 7 m ，其 中3 1 个台站低于平均海拔。海拔最高的站点是南岳( 约8 9 6 m ) ，其 次是桂东站( 8 3 3 m ) 。根据文献汹3 ，永州以上为湘江上游；永州至衡 阳段为中游；衡阳以下为下游。 图1 - 1湘江流域站点分布 f i g 1 1t h ed i s t r i b u t i o no fs t a t i o n si nx i a n g j i a n gr i v e rb a s i n 硕士学位论文 1 4 2 极端强降水事件的定义 首先，我们定义了各测站极端强降水事件的阈值阳3 。具体方法是： 将1 9 6 0 - - 2 0 0 7 年大于或等于0 1 m m 的逐年日降水序列的第9 5 个百分 位值进行多年平均。该平均值即为极端强降水事件的阈值。当某站日 降水量超过了该站极端强降水事件的阈值时，就称该日出现了极端强 降水事件，记该站发生极端强降水事件一次。在降水量相同的情况下， 台站的阈值越大，意味着越难发生极端强降水事件。 文中提到的极端强降水事件各指标定义如下： 年极端降水量是指逐年极端降水量总和( 单位：m a ) ；年极端降 水日指逐年发生极端强降水事件的总日数( 单位：d ) ；极端降水强度 等于某一时段的极端降水总量同时期的极端降水总日数( 单位： m d ) ，反映单位时间内的降水量；极端降水指数等于某一时段的极 端降水量同时期的降水总量，反映极端降水量占总降水量的比重； 日最大降水量指逐年中最大日降水( 单位：m d ) ； 本文对强降水极值的统计分析主要采用以下方法。 1 4 3 线性回归 五表示样本量为朋的某一气候变量，岛表示对应的时间，毛与之间 的一元线性回归模型为： 屯= 口o + 口l ( f = 1 , 2 ，刀) ( 1 1 ) 口0 = i 一口l 于 ( 卜2 ) 铲塾二垫幽 m 3 ， i = i 砰一寺国j 其中： 拈吉善而扛吉善( 1 - 4 ) 时间t ，与变量毛之间的相关系数为，。计算公式如下： 6 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 驴n 糖，) 2 争工? 一! f ，争x 、1 2 ( 1 - 5 ) b = a l xl o 作为气候要素倾向率。当b o 时，说明气候变量随时 间芒呈上升的趋势，b 吮， 则表明序列存在明显的趋势变化。 按时间序列x 逆序，书，而，重复上述过程，同时使u b k = 册：， k = 刀，疗一l ，1 ，u b i20 。给定显著性水平：q = o 0 5 ，临界线为1 9 6 ( 两条虚线) 。若晒或u b 值大于0 ，则表明序列呈上升的趋势，小于 0 则表明呈下降趋势。当统计曲线超过临界线时，表明上升或下降趋 势显著。如果统计曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻就 硕士学位论文 是突变开始的时间。 1 4 5 相似系数 相似系数用来定量表示二幅空间分布图的相似程度，公式如下： c o s 乳赫z x , y f ( 1 - 1 0 ) 其中册、乃分别表示两幅图中第j 站的要素值；c o s p 是二幅图相 似程度的定量指标。该系数等于1 0 ( - 1 o ) 表明两幅图完全相同( 完 全相反) ，等于0 则为完全不相似。 1 4 6 集中度与集中期 张录军等陋蜘把一年内各月降水量均看作向量，一年1 2 个月看作 一个圆周( 3 6 0 。) ，将某月降水量作为该月降水矢量的模，该月月序 ( 从0 算起) 与3 0 。的积作为该月降水矢量的方向，定义了表征单 站降水时间分配特征的降水集中度和集中期。根据同样原理，本文将 某月极端强降水事件作为该月极端强降水矢量的模，该月月序与3 0 。的积作为该月极端强降水事件矢量的方向，引入了表征单站极端强 降水事件年内时间分配的参数一极端强降水事件集中度和集中期。 e c d i = 三+ 刍， ( 1 1 1 ) e c p p a r c t a n ( 虬w ) ( 卜1 2 ) 1 2 n , i 万扩s i l l q ： ( 卜1 3 ) j = i 1 2 n ，t = c 0 哆 ( 卜1 4 ) 产l 式中j 为年份，为月序：e c d , 和嬲已分别为某台站第j 年的极 端强降水事件集中度和集中期；乃为第月对应的矢量角度，彤为某 台站第1 年内总极端强降水量，为某台站第j 年第j 月内总极端强 降水量。由公式可知，肋能够反映极端强降水事件在研究时段内各 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 月的集中程度。如果在研究时段内，极端强降水事件集中在某一个月， 它们合成向量的模与总极端强降水事件之比则为1 ，即e c d 为极大值； 如果每个月的极端强降水事件均相同，则它们各个分量累加后为0 ， 即e c d 为极小值。e c p 是合成向量的方位角，它指示每个月极端强降 水事件合成后的总体效应，也就是向量全盛后重心所指示的角度，反 映了一年中最大月极端强降水事件出现在哪一个时段内。 表1 - 1 集中期与月份的对应关系 t a b l e l - it h er e l a t i o nb e t w e e nc o n c e n t r a t i o np c d o da n dm o n t h 硕士学位论文 2 1 地理概况 2 研究区域的基本概况 湘江发源于广西灵川县海洋山，是洞庭湖水系中最大一条河流， 总面积为9 4 6 6 0 k m 2 ，干流河长8 5 6 1 m ，流域内水系发育，支流众多， 湖南境内集水面积大于1 0 0 0 k m 2 的支流有1 6 条，大于1 0 0 0 0 k m 2 的支 流有潇水、洙水、耒水共3 条；流域包括长沙、湘潭、株洲、衡阳的 全部，郴州、永州的大部分及娄底的小部分及邵阳、岳阳的极少部分。 湘江流域的地形地势有以下特点：东、西、南较高，中部和北部 低平，南有南岭山脉，主干为近东西走向，支脉越城岭、都庞岭、萌 渚岭为近南北走向，构成长江水系和珠江水系的分水岭。东部有幕阜 山、连云山、九岭山、武功山、诸广山等，大体呈北北东向雁行错列， 构成湘水与赣水的分水岭。西以董家山、雷公岭与资水分野，北接洞 庭湖。干流在永州萍岛( 支流潇水河口) 以上为上游，萍岛至衡阳市 为中游，衡阳以下为下游。中部多为丘陵性盆地，主要有衡阳盆地、 株洲盆地、湘潭盆地、长沙盆地、永兴茶陵盆地、攸县盆地等。盆地 沿河两岸常有河流冲积平原，是湖南省重要的居住区和农业区。 受地理环境的影响，湘江流域南厦及西南面山岭的右岸支流长， 水量大，而源于西面山岭的左岸支流一般短小，水量相对较小，构成 不对称性羽毛状水系形状。湘江流域不对称的羽毛状水系，在降水丰 富的夏秋季，水位往往同步上涨，极易形成灾害性洪水，对河流两岸 的生活、生产造成威胁。 2 2 水文气候特点 湘江流域属亚热带湿润地区，具有降水年内年际变化大、气候类 型多样等特征。该流域降水丰沛，年均降水量1 2 0 0 1 7 0 0 m m ，主要 集中在4 、5 、6 三个月。降水年际分配极不均匀，丰水年为枯水年的 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 2 3 倍；地域上的分布也不均匀，如湘东南的桂东、汝城一带，年 降水量达1 5 0 0 - , 1 7 0 0 m m ，而湘中的衡邵盆地，年降水量为1 3 0 0 m m 左 右。 湘江流域的洪水主要由暴雨形成。洪水时空变化特性与暴雨特性 一致。干流湘潭以下河段，7 - - 9 月受洞庭湖洪水项托影响，该站多 年平均径流量为6 4 9 亿m 3 。1 9 5 1 - - - 2 0 0 3 年实测湘潭水文站最大洪水 量为2 0 8 0 0m 3 s ( 1 9 9 4 年6 月) 。该流域泥沙主要来自降水对表土的 冲蚀，干流的含沙量多年平均值自上游往下游加大。所以，流域一旦 发生长时间的强降水，植被覆盖率低的地区就极易发生泥石流或滑坡 等地质灾害。 硕士学位论文 3 湘江流域近4 8 年来年降水量及年降水日的时空变化特征 3 1 年降水量及年降水日的时间序列分析 3 0 0 勺 壶2 0 0 * 逝 薜1 0 0 0 一年降水日年降水量- 线性趋势 2 2 0 0 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 1 9 6 01 9 6 51 9 7 01 9 ，31 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 0z u 0 5 年7 y 图3 - 1 湘江流域年降水量及年降水日的时频特征 f i g 3 - 1t i m es e r i e sc h a r a c t e r i s t i co f y e a r l yr a i n f a l la n dr a i n yd a y si nx i a n g j i a n gr i v e rb a s i n 图3 - 1 是湘江流域4 4 站年均降水量和降水日数随时间的变化。 可以看出，湘江流域年降水量虽呈波动变化，但总体上表现为增加趋 势。该流域多年平均降水量在1 0 9 4 - 1 9 7 3 m m 之间，最小值出现在1 9 7 1 年，为1 0 9 4 3 3 m m ；最大值发生在2 0 0 2 年，达1 9 7 2 4 2 m ，两者相差 约9 0 0 r a m 。年降水日曲线表明，整体而言，湘江流域的降水日有减少 趋势，趋势系数为- i 3 6 d l o a 。该流域的年降水日数在1 7 5 - 2 7 5 d 之 间变化，多年平均值为2 1 2 d 。最大值出现在1 9 7 0 年，达2 4 6 d 。自 2 0 世纪8 0 年代中期后，降水日数呈减少趋势，尤其以2 l 世纪来减 少最为明显。在2 0 0 0 - - 2 0 0 7 年间，仅2 0 0 0 年和2 0 0 2 年的降水日达 平均值以上，其它6 年的降水日数均小于多年平均值，2 0 0 7 年降水 日仅为1 7 7 d 。 3 2 湘江流域年降水量及年降水日趋势系数的空间分布 从整体上来看，湘江流域的年降水量和年降水日分别呈增加和减 少趋势，但各地变化却又不尽相同。为了揭示这种区域差异性，我们 基赢萎廿 近4 8 年来湘江流域极端强降水事件的时空特征分析 先计算逐站年降水量和降水日的趋势系数，并做出趋势系数的空间分 布图( 图3 2 ) 。 图3 - 2 湘江流域年降水量( a ) 及年降水日变化趋势( b ) 的空间分布 f i g 3 - 2d i s t r i b u t i o no f c h a n g i n gt r e n da b o u ty e a r l yr a i n f a l l s ( a ) a n dr a i n yd a y s ( b ) i nx i a n g j i a n g r i v e rb a s i n 从图3 - 2 a 可以看出，湘江流域降水相当丰沛，多年平均降水量 分布在1 2 5 0 ，- - 1 7 2 0 m m 之间。湘江流域的降水量有自东南往西北减少 的分布特点。其中，南岳由于高大地势的抬升作用，多年平均降水量 达