近50年东江流域极端降水事件时空变化特征分析

近50年东江流域极端降水事件时空变化特征分析

1极端降水事件在我国表现为年、季变化、年日降水量、年降雨、年增在世界气候变化背景下，频繁发生的极端气候事件，如高温、干旱、降雨和洪水，对社会、经济和人类生活产生了严重影响和损失。因此，对极端气候事件变化的研究已成为国内外科学家的中心主题。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出,强降水事件发生的频率在陆地中高纬地区呈增加趋势。Alexander等研究指出,1951年-2003年全球范围内的极端降水事件明显增加。You等对我国1961年-2003年的极端气候变化研究发现,近50年来极端降水事件的变化趋势在我国存在明显的区域差异,在华东地区、西北地区及长江流域表现为明显的增加趋势,而在我国北方地区及黄河流域则表现为减少趋势。陈峪等对1956年-2008年我国松花江、辽河、海河、黄河、西北诸河、淮河、长江、东南诸河、珠江、西南诸河等十大流域年最大日降水量、年暴雨日数变化趋势的研究表明,年日最大降水量及暴雨日数在南方流域多呈上升趋势,北方流域呈减少趋势。东江流域地跨广东、江西两省,是珠江流域第三大水系,流域总面积约为3.5万km2,属亚热带季风气候,为约4000万人提供生产和生活水源,并担负着向香港、广州以及深圳等重要城市部分供水重任。降水的变化会导致流域径流和可用水量发生变化,对流域水资源的利用具有重要影响。目前,有关东江流域降水的研究多集中于降水的年、季变化,而对于极端降水事件的研究尚不多见。因此,本文选取东江流域及邻近共12个气象站点1960年-2009年逐日降水资料,分析东江流域极端降水事件变化的时空特征,旨在揭示近50年来东江流域极端降水的规律和特点,以期服务于区域水资源形势评价及水资源合理利用。2数据与研究方法2.1体现为气象站点的降水数据本文使用的1960年-2009年东江流域及邻近12个气象站点(图1)近50年的逐日降水数据由国家气象信息中心气象资料室(中国气象科学数据共享服务网/)提供。2.2极端事件的年际变化特征本文选取世界气象组织(WMO)气象学委员会(CCL)及气候变率和可预报性研究计划(CLLVAR)推荐的极端降水指数中的6个指标(表1)对东江流域极端降水事件近50年来的变化特征进行分析。2.3极端降水指数时间序列计算本文采用Mann-Kendall非参数检验法检验东江流域极端降水指数变化趋势的显著性(置信水平p<0.1);采用线性倾向估计法分析极端降水指数的变化趋势,计算采用最小二乘法,用其线性倾向值来分析估计要素的年际变化率;利用滑动T检验法和Morlet小波分析法,分别分析极端降水指数时间序列的突变特性及周期变化。空间插值采用反距离权重插值法(IDW)。3结果与分析3.1极端降水事件的空间变化特征3.1.1流域降水与连续干气动态变化图2为东江流域极端降水指数多年平均值的空间分布,可以看出1日和5日最大降水量的空间分布格局相似,呈现出由东北向西南方向逐渐增大的分布特征(图2a、图2b)。1日和5日最大降水量流域均值分别为134.0mm和239.7mm,5日最大降水量是1日最大降水量的近2倍。1日和5日最大降水量高值中心出现在流域下游的深圳地区,分别为168mm和300mm;低值中心出现在上游的寻乌地区,分别为108mm和200mm。从强降水日数多年平均值空间分布(图2c)来看,自东北向西南方向呈“少-多-少”的分布格局。强降水日数最大值出现在流域中下游的东源及增城地区,为23.4d,最小值出现在寻乌地区,为18.9d。流域极端降水量与强降水日数的空间分布格局并不完全一致(图2d),呈现出从上游到下游逐渐增大的分布特征。最大值位于以深圳为中心的下游地区,为595mm;流域上游寻乌地区为低值中心,为420mm。流域连续干日数多年平均值呈现出由西北向东南方向逐渐增加的空间格局(图2e)。低值出现在寻乌、连平地区,为37.5d;高值出现在惠阳以东的下游地区,为45d。连续湿日数的空间分布与连续干日数的空间格局刚好相反,表现为从西北向东南逐渐减少的趋势(图2f),高值出现在连平、东源地区,为10.8d;流域下游的深圳为低值地区,为8.8d。3.1.2极端降水、降水量的时空变化格局法图3为近50年来东江流域极端降水指数变化趋势的空间分布格局。其中1日最大降水量变化趋势在空间分布上存在一定的区域差异(图3a),流域中、下游多表现出增加趋势,最大增幅出现在增城、惠阳地区,大于2.01mm/10a;位于流域上、下游两端的寻乌、深圳为增幅最小的地区,出现了大于3mm/10a的负增长。5日最大降水量变化趋势的空间格局与1日降水量并不一致,流域上、中流地区出现减少趋势,下游地区呈现出增加趋势(图3b)。以寻乌、东源为中心的区域降幅最大,变化率大于-3.5mm/10a。位于下游的增城地区出现了增幅最大值,大于7.01mm/10a,通过了90%的显著性检验。从强降水日数变化趋势的空间分布(图3c)看,除上游寻乌局部地区外,整个流域都表现出增加趋势,变化幅度在(0.01~1.05)d/10a之间。流域下游地区增幅更为显著,惠阳和增城地区表现为显著地增加趋势(分别通过了90%和95%的显著性检验),变化幅度分别大于0.51d/10a和0.76d/10a。极端降水量变化趋势的空间格局与强降水日数有所差异(图3d),以连平、东源、寻乌为中心的上、中游地区呈减少趋势,以增城、惠阳为中心的下游地区呈增加趋势,其中增城地区增幅超过了37.51mm/10a,通过了95%的显著性检验。流域连续干日数变化趋势呈现出从西北向东南逐渐增大的空间格局(图3e),除连平地区外,整个流域都呈增加趋势,变化幅度在(0.01~2.86)d/10a之间。增幅最大值出现在流域下游的深圳、惠阳地区,升幅大于2.26d/10a;上游的寻乌地区上升趋势通过了90%的显著性检验。连续湿日数变化趋势的空间分布呈现出上、中游减少,下游增加的趋势(图3f)。寻乌、东源地区出现了大于0.50d/10a的负增长,增幅最大值出现在增城地区,超过了0.26d/10a,通过了95%的显著性检验。上述分析可以发现除连续干日数,东江流域极端降水指数在流域下游都表现出相对明显的增加趋势,其中以增城为中心的地区升幅尤为明显,而上、中游的极端降水指数变化幅度相对较小。东江流域极端降水指数变化趋势的这种空间分布差异可能与东江流域年降水量变化趋势密切相关,董满宇等在研究近46年来东江流域降水变化趋势时发现,处于东江流域西南部的下游地区,1959年-2004年降水量表现出明显的上升趋势,增幅速率大于38.1mm/10a,而流域上、中游地区增加趋势不明显或出现减少趋势。3.2极端降水事件的时间变化特征3.2.1江流域极端降水特征东江流域1日和5日最大降水量变化曲线(图4a、图4b及表2)表明,近50年来两者未发生明显变化,变化率分别为0.42mm/10a和0.57mm/10a。从9年滑动平均曲线可以看出,1日最大降水量20世纪70年代以前呈现小幅下降,70年代-90年代中期为稳定波动变化,之后又表现为小幅波动升高。5日最大降水量60年代-80年代出现一个先降低后上升大幅波动,之后变化相对平稳。从图4c可以看出,近50年来东江流域强降水日数呈现出弱的上升趋势,增幅速率为0.37d/10a。60年代-70年代末表现出快速的上升,之后为平稳的波动变化。极端降水量近50年来上升趋势不显著(图4d),变化速率为9.98mm/10a,9年滑动平均曲线呈现出相对稳定的波动变化。图4e呈现了东江流域连续干日数的年际变化,如图可见,近50年连续干日数呈现出上升趋势,但未达到显著性水平,其增幅速率为1.83d/10a。9年滑动平均曲线表明,从60年代到90年代末,连续干日数逐渐升高,之后表现出小幅降低后再升高的趋势,1965年和2005年出现了超过70d的极端连续干旱。近50年流域连续湿日数呈不显著的降低趋势(图4f),递减率为-0.17d/10a,在60年代、70年代、90年代中期及21世纪10年代中期,流域连续湿日数较高。基于上述分析,可以发现,近50年来东江流域极端降水指数的变化趋势并不是很明显(未通过显著性检验)。Jiang等对1961年-2007年珠江流域极端降水事件变化特征的研究发现,整个珠江流域(90%以上气象站点)1日和5日最大降水量、强降水日数及极端强降水量等年极端降水指数变化趋势都不明显,与本文的研究结果相一致。图5呈现了东江流域极端降水指数与年降水量相关关系,可以看到除了连续干日数外,其他极端降水指数与东江流域年降水量都呈极显著线性相关关系,从决定系数(R2)比较来看,强降水日数>极端降水量>连续湿日数>5日最大降水量>1日最大降水量。据此,东江流域年降水量与极端降水密切相关,即东江流域极端降水的变化显著影响着年降水量的多少。Jiang等研究近50年来环渤海地区极端气温、降水变化趋势,发现该地区极端降水指数与年降水量密切相关,与本文研究结果相一致。3.2.2降水量突变的年际变化利用滑动T检验方法对1960年-2009年东江流域极端降水指数突变特征进行检验(表3),可以看出,近50年6种极端降水指数变化发生突变的年份并不一致。在P<0.05显著水平上,1日最大降水量与极端降水量突变特征不明显。5日最大降水量在1984年-1985年前后发生了突变;强降水日数、连续干日数及连续湿日数发生突变的年份分别为1973年、2005年及1978年。DavidChen等在研究1956年-2002年东江流域降水变化趋势时,发现东江流域年降水在1975年和1985年前后发生了突变,与本文近50年来东江流域极端降水指数发生的突变年份较为吻合。3.2.3日最大降水量、强降水周期及极端干周期图5给出了Morlet小波分析结果,可以看出东江流域1日最大降水量主周期为23a(图6、表4),同时还存在7a的次周期。7年周期在20世纪70年代-80年代、80年代中期到21世纪初表现明显。从表4可以看到(图略),5日最大降水量、强降水日数、极端降水量、连续湿日数分别存在着7~8a、22~23a的变化周期;连续干日数变化的主周期为23a,次周期为4a。不难看出,近50年来东江流域极端降水事件变化,普遍存在着22~23a左右的主周期和7~8a左右的次周期。陆虹等对华南地区1961年-2008年夏季极端降水频次变化研究发现,极端降水频次变化也存在21~23a左右的长周期,与本文所得结果较一致。4极端降水的时空变化格局变化,主要影响在年(1)近50年来,东江流域极端降水事件的整体变化趋势不显著。除连续湿日数出现减少外,其他极端降水指数都表现出一定的增加趋势。东江流域极端降水与年降水量密切相关,极端降水的变化对流域年降水量有着重要影响。(2)东江流域极端降水指数多年平均值及变化