郭廣芬，杜良敏，肖 鶯，高雅琦，吳 瑤

(武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074)

引 言

長江流域橫跨我國東部、中部和西部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)，流域人口達(dá)4.59億，其在國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來，伴隨全球氣候的持續(xù)增暖，長江流域旱澇等災(zāi)害事件頻發(fā)，20世紀(jì)90年代汛期多雨帶和洪澇有60%發(fā)生在長江流域[1]，特別是1998年的全流域特大洪水，受災(zāi)面積2120萬hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1700多億元人民幣，1999年長江流域再度發(fā)生嚴(yán)重洪澇[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，長江重要支流嘉陵江、岷江、沱江、漢江頻繁出現(xiàn)旱澇災(zāi)害[3-6]。由于長江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高、人口密度較大，旱澇災(zāi)害更易造成經(jīng)濟(jì)損失，其損失約占該流域全部氣象災(zāi)害損失的78%。因此，開展長江流域旱澇研究對防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

近年來，在全球干旱加劇的同時(shí)，全球強(qiáng)降水事件也明顯增加[7]，其中中國的極端降水事件也呈增加趨勢[8-9]，在全球氣候變暖背景下中國各區(qū)域極端降水的時(shí)空演變特征及成因仍為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[10]。通常，采用單站日降水量百分位法確定極端降水事件[11-14]，通過區(qū)域性降水過程或其累積效應(yīng)反映極端降水強(qiáng)度及影響[15-16]，以帕爾默指數(shù)、SPI等干旱指數(shù)為指標(biāo)[17-18]，研究極端降水事件發(fā)生頻率、強(qiáng)度、空間范圍、持續(xù)時(shí)間等特征，采用主成分分析等方法進(jìn)行降水空間分型或氣候分區(qū)，進(jìn)而探討極端降水的空間差異。面雨量作為描述整個(gè)區(qū)域或流域內(nèi)單位面積上平均降水量的物理量，比站點(diǎn)雨量更能客觀反映整個(gè)區(qū)域或流域降水情況。

長江流域汛期降水年際變率大，汛期降水趨勢預(yù)測一直是各級(jí)政府和相關(guān)部門最為關(guān)注的問題，弄清該流域汛期極端降水的時(shí)空分布特征是做好降水預(yù)測的前提。目前，長江流域夏季旱澇研究多集中在長江中下游地區(qū)[19-24]，而長江上游地形獨(dú)特、高差懸殊、氣候多樣，降水成因更為復(fù)雜[25-26]。2003年三峽樞紐工程投入運(yùn)行后，長江上游大型水電建設(shè)迅速展開，隨著上游水庫群規(guī)模的增加，對上游降水時(shí)空分布特征及預(yù)測的需求更大。為此，本文重點(diǎn)針對長江上游，基于各子流域面雨量，分析長江各子流域汛期極端降水事件的時(shí)空分布特征，揭示汛期極端降水事件不同流域間的空間配置關(guān)系，尤其是長江上游，以期為長江流域汛期降水預(yù)測以及上游水庫群調(diào)度和流域防汛抗旱提供一定參考。

1 資料與方法

1.1 資料及流域分區(qū)方案

所用資料為1961—2017年長江流域700個(gè)氣象臺(tái)站夏季(6—8月)逐日降水量資料和長江流域水系分區(qū)[27]資料，站點(diǎn)分布和流域分區(qū)見圖1。采用泰森多邊形法計(jì)算各子流域面雨量[28]。

圖1 長江流域分區(qū)和氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 The division in the Yangtze River basin and spatial distribution of meteorological stations

根據(jù)長江流域水系分區(qū)和三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度服務(wù)需求，將長江流域劃分為3級(jí)分區(qū)[29]：一級(jí)是長江全流域；二級(jí)是將長江流域劃分為3個(gè)子流域，分別是金沙江流域(簡稱“金沙江”，包括石鼓以上和石鼓以下)、長江傳統(tǒng)上游(簡稱“傳統(tǒng)上游”，包括岷沱江、嘉陵江、烏江、宜賓—重慶、重慶—宜昌)、長江中下游(簡稱“中下游”，包括漢江及中下游干流和兩湖)；三級(jí)是將長江流域細(xì)分為9個(gè)子流域，分別是金沙江流域石鼓以上(簡稱“金沙江石鼓以上”)、金沙江流域石鼓以下(簡稱“金沙江石鼓以下”)、岷沱江流域(簡稱“岷沱江”)、嘉陵江流域(簡稱“嘉陵江”)、烏江流域(簡稱“烏江”)、宜賓至重慶區(qū)間(簡稱“宜賓—重慶”)、重慶至宜昌區(qū)間(簡稱“重慶—宜昌”)、漢江流域及長江中游干流區(qū)間(簡稱“漢江—中游干流”)、兩湖流域(簡稱“兩湖”)。

1.2 夏季極端降水事件確定方法

長江流域夏季降水服從Γ分布[30]，統(tǒng)計(jì)分析前需要將其轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布序列，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)具有明顯統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢[31]。因此，利用Box-Cox變換將原始序列轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布序列，用以探究降水極值分布擬合問題[32-33]，其優(yōu)于其他常用的廣義極值(GEV)等分布。針對Box-Cox變換后的面雨量序列，采用百分位法，以排序第10%和90%分位為閾值，分別計(jì)算各子流域10%和90%的面雨量值，再反算對應(yīng)的原始面雨量值，其概率密度函數(shù)等于10%對應(yīng)的面雨量定義為極端少雨事件的閾值，小于該閾值的年份為極端少雨年，而概率密度函數(shù)等于90%對應(yīng)的面雨量定義為極端多雨事件的閾值，大于該閾值的年份是極端多雨年。

1961—2017年長江全流域夏季476.6 mm的面雨量出現(xiàn)頻次最多，相對于平均值469 mm明顯左偏[圖2(a)]，而Box-Cox變換后的序列頻次分布滿足正態(tài)分布[圖2(b)]。從圖2(c)看出，Box-Cox變換后的序列未改變原始面雨量序列的走勢。根據(jù)前面的定義，選取變換后擬合序列10%和90%分位處反算極端降水氣候事件閾值，得到長江全流域極端少雨、多雨事件的閾值分別為403.9 mm和535.3 mm。

2 長江流域夏季極端降水事件時(shí)間特征

根據(jù)夏季極端降水事件的定義，確定長江不同子流域的極端降水閾值和極端多雨年及少雨年(表1)?？梢钥闯?，長江流域極端多雨事件的閾值空間差異較大，呈現(xiàn)西少東多、北少南多的分布特征，兩湖流域閾值最大為673.8 mm，金沙江石鼓以上閾值最小為349.6 mm；極端少雨事件閾值的最大值和最小值均出現(xiàn)在金沙江流域，金沙江石鼓以下閾值最大為433.7 mm，金沙江石鼓以上閾值最小為249.4 mm。可見，金沙江上、下游夏季極端降水量級(jí)差異較大，而長江全流域、傳統(tǒng)上游、中下游和兩湖差異不大，都在400 mm左右。

自1961年以來，每個(gè)子流域夏季發(fā)生4～7次極端多雨事件，3～8次極端少雨事件(表1)，且極端多雨、少雨事件具有明顯的年代際特征(圖3)。就全流域而言，長江流域夏季極端多雨事件共發(fā)生5次，有4次發(fā)生在20世紀(jì)90年代，占極端多雨年總數(shù)的80%，1998年面雨量極值623.0 mm，為歷史最大值，比第二位的1999年(571.6 mm)多出約50 mm，還有1次發(fā)生在1980年，位居歷史第三位，面雨量為567 mm。烏江、長江中下游和兩湖流域極端多雨事件多發(fā)生在20世紀(jì)90年代，岷沱江主要發(fā)生在20世紀(jì)60年代和80年代前期，金沙江石鼓以上均發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后，其他流域多發(fā)生在20世紀(jì)80年代及之后。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近57 a長江流域夏季發(fā)生大范圍(至少3個(gè)子流域)極端多雨事件的年份有4 a(表2)，其中1998年除岷沱江外其他流域面雨量均達(dá)到極端降水閾值，屬于全流域范圍的極端多雨事件，1980年發(fā)生在上游和中游干流，1996年發(fā)生在中下游，1983年發(fā)生在流域中北部。

圖2 1961—2017年長江流域夏季面雨量(a)和Box-Cox變換后(b) 的序列頻次分布以及原始面雨量序列與Box-Cox轉(zhuǎn)換后序列(c)Fig.2 The frequency distribution of areal precipitation in summer (a) and transformed areal precipitation by Box-Cox (b), and annual series of original and transformed areal precipitation (c) in the Yangtze River basin during 1961-2017

表1 1961—2017年長江各子流域夏季極端降水事件閾值及出現(xiàn)年份Tab.1 The thresholds and occurrence years of summer extreme precipitation events in each sub-zone of the Yangtze River basin during 1961-2017

圖3 1961—2017年長江各子流域夏季極端降水事件分布Fig.3 Distribution of summer extreme precipitation events in each sub-zone of the Yangtze River basin during 1961-2017

長江流域夏季極端少雨事件各年代均有發(fā)生(圖3)，以20世紀(jì)70年代最多，全流域極端少雨事件共有3次，其中2次發(fā)生在20世紀(jì)70年代；金沙江和傳統(tǒng)上游多發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后，而長江中下游則發(fā)生在20世紀(jì)80年代之前。大范圍極端少雨事件有7 a(表2)，其中1972、2006年為全流域范圍，1978年發(fā)生在長江中下游，其他4 a都發(fā)生在長江上游，這意味著大范圍極端少雨事件發(fā)生的概率上游明顯大于中下游。

總體來說，20世紀(jì)60年代和70年代長江流域極端少雨事件頻發(fā)，20世紀(jì)80年代至90年代長江中下游以極端多雨事件為主，上游以極端少雨事件為主，21世紀(jì)以來以大范圍極端少雨事件為主，但金沙江石鼓以上易發(fā)生極端多雨事件。

3 長江流域夏季極端降水事件空間特征

3.1 長江各流域夏季降水協(xié)同關(guān)系

對長江流域1961—2017年標(biāo)準(zhǔn)化夏季降水距平百分率進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)，發(fā)現(xiàn)第一空間模態(tài)呈全流域大部一致型[圖4(a)]，即岷沱江東部、嘉陵江北部、兩湖南部與其他大部流域位相相反。該空間分布型對應(yīng)的解釋方差為19.8%，其時(shí)間系數(shù)在20世紀(jì)60年代至70年代為負(fù)值，20世紀(jì)80年代至90年代以正值為主，21世紀(jì)年際變化特征明顯[圖4(c)]。第二空間模態(tài)表現(xiàn)為流域南北反位相型[圖4(b)]，即長江以南與以北區(qū)域存在明顯相反的空間分布，南邊少、北邊多，反之亦然。該空間分布型對應(yīng)的解釋方差為11.8%，其時(shí)間系數(shù)在20世紀(jì)60年代中期至70年代、20世紀(jì)90年代中后期為正值，而在20世紀(jì)80年代至90年代初、21世紀(jì)00年代為負(fù)值[圖4(d)]。

表2 1961—2017年長江流域夏季大范圍極端多雨和少雨事件發(fā)生年份及分布Tab.2 The occurrence years and distributions of wide-range extreme rainy and rainless events in summer in the Yangtze River basin during 1961-2017

圖4 1961—2017年長江流域標(biāo)準(zhǔn)化夏季降水距平百分率場EOF分解的第一(a、c)、 第二(b、d)模態(tài)空間分布(a、b)及對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(c、d)Fig.4 Spatial distribution patterns (a, b) and corresponding time series (c, d) of the first (a, c) and the second (b, d) modes of standardized summer precipitation anomaly percentage fields decomposed by EOF in the Yangtze River basin during 1961-2017

采用相關(guān)分析方法，計(jì)算長江及各子流域兩兩之間面雨量序列的相關(guān)系數(shù)，探討各子流域夏季降水協(xié)同情況。從圖5看出，相互包含的流域之間的面雨量普遍有較好的相關(guān)性，空間位置越鄰近的流域之間面雨量相關(guān)性越好。對于全流域面雨量而言，長江中下游的面雨量貢獻(xiàn)最大，除了與岷沱江相關(guān)性不顯著外，與其他子流域的相關(guān)性均通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中與嘉陵江和金沙江的相關(guān)系數(shù)較低，分別為0.26和0.41，而與其他9個(gè)子流域的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上(通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn))。金沙江除了與其包含的子流域相關(guān)關(guān)系較好外，還與傳統(tǒng)上游和宜賓—重慶的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，但由于金沙江地處青藏高原，地理位置特殊，與長江中下游、漢江—中游干流和兩湖的相關(guān)性較弱。岷沱江與長江上游、嘉陵江、宜賓—重慶呈顯著正相關(guān)，而與其他流域呈不顯著負(fù)相關(guān)。長江中下游與漢江、兩湖以及上游的烏江、宜賓—重慶、重慶—宜昌呈顯著正相關(guān)，而與岷沱江和嘉陵江呈負(fù)相關(guān)，與金沙江相關(guān)性不顯著。

圖5 1961—2017年長江流域及各子流域之間 夏季面雨量的相關(guān)性示意圖 (由深至淺的彩色陰影分別通過α=0.001、0.01、0.05 的顯著性檢驗(yàn)，實(shí)線、虛線圈分別表示正、負(fù)相關(guān))Fig.5 The correlation sketch map of summer areal precipitation between each sub-zone of the Yangtze River basin during 1961-2017 (The color shadows from dark to light pass the significance tests with 0.001,0.01,0.05 confidence levels, respectively, and the circles with solid and dotted line represent positive and negative correlations, respectively)

3.2 極端多雨年夏季降水異常分布特征

針對長江不同子流域夏季極端降水事件空間分布采用單站夏季降水量正距平頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，是指在該流域發(fā)生極端降水事件的年份中，某氣象站夏季降水正距平出現(xiàn)的次數(shù)占極端降水事件總年數(shù)的百分比，并采用徑向基函數(shù)法進(jìn)行空間插值。

圖6是長江及子流域極端多雨年夏季降水正距平頻次空間分布，發(fā)現(xiàn)多雨年夏季降水空間分布格局大致有4類：當(dāng)長江全流域、中下游、漢江及中游干流(圖略)和兩湖(圖略)夏季極端多雨時(shí)，長江流域大部夏季多雨，僅漢江上游、嘉陵江東部、兩湖流域南部夏季降水偏少；當(dāng)傳統(tǒng)上游、重慶—宜昌和嘉陵江(圖略)夏季極端多雨時(shí)，金沙江中下游和兩湖地區(qū)夏季降水偏少，其他大部流域夏季降水偏多；當(dāng)金沙江、泯沱江、石鼓以上(圖略)和石鼓以下(圖略)夏季極端多雨時(shí)，金沙江中下游、泯沱江、嘉陵江和宜賓—重慶大部夏季降水偏多，其他大部流域夏季降水偏少；當(dāng)宜賓—重慶和烏江夏季極端多雨時(shí)，多雨區(qū)主要出現(xiàn)在沿江干流，而泯沱江、嘉陵江和漢江上游夏季降水偏少。可見，極端多雨年長江流域夏季降水空間差異較大。

圖6 長江及子流域極端多雨年夏季降水正距平頻次合成Fig.6 Composite of positive anomaly frequency of summer precipitation in extreme rainy years in the Yangtze River basin and sub-zones

3.3 極端少雨年夏季降水異常分布特征

圖7是長江流域及各分區(qū)極端少雨年夏季降水正距平頻次合成，發(fā)現(xiàn)其空間分布格局大致分為3類：全流域一致型，當(dāng)長江和金沙江(圖略)夏季極端少雨時(shí)，長江流域大部地區(qū)夏季降水偏少；岷沱江和嘉陵江與流域其他地區(qū)呈反位相型，當(dāng)烏江、重慶—宜昌、宜賓—重慶、漢江及中游干流和兩湖(圖略)夏季極端少雨時(shí)，岷沱江南部至嘉陵江北部夏季降水偏多，流域其他大部地區(qū)一致偏少；兩湖南部與流域其他大部地區(qū)呈反位相型，當(dāng)岷沱江、石鼓以上、傳統(tǒng)上游、嘉陵江(圖略)夏季極端少雨時(shí)，兩湖流域夏季降水偏多，流域其他大部地區(qū)夏季降水一致偏少?？傮w來說，當(dāng)長江流域夏季極端少雨時(shí)，其空間一致性較高，僅在岷沱江和嘉陵江或者兩湖流域南部會(huì)出現(xiàn)夏季降水偏多的可能。

4 結(jié) 論

(1)長江流域夏季極端降水事件存在明顯的年代際變化特征，20世紀(jì)60年代和70年代極端少雨事件頻發(fā)，20世紀(jì)80年代至90年代中下游以極端多雨事件為主，上游以極端少雨事件為主，21世紀(jì)以來以大范圍極端少雨事件為主，且多發(fā)生在上游，但金沙江石鼓以上易出現(xiàn)極端多雨事件。

(2)長江流域夏季極端降水前2個(gè)模態(tài)空間分布表現(xiàn)為：流域大部一致型，即岷沱江、嘉陵江及兩湖南部夏季極端降水與流域其他地區(qū)呈反位相；南北反位相型，即長江以南與以北地區(qū)夏季極端降水空間分布相反。

(3)相互包含的流域之間面雨量普遍有較好的相關(guān)性，空間位置越鄰近的流域之間面雨量相關(guān)性越好。長江各流域間夏季極端降水協(xié)同發(fā)生情況有3種：一是金沙江與傳統(tǒng)上游和宜賓—重慶夏季降水相關(guān)系數(shù)較高，而與長江中下游、漢江—中游干流和兩湖的相關(guān)性較弱；二是岷沱江與長江上游、嘉陵江、宜賓—重慶夏季降水呈顯著正相關(guān)，而與其他流域呈不顯著負(fù)相關(guān)；三是長江中下游與漢江和兩湖以及上游的烏江、宜賓—重慶、重慶—宜昌夏季降水具有顯著正相關(guān)。

(4)夏季極端多雨時(shí)，長江流域夏季降水的空間差異較大，空間分布格局大致有4類，但以沿江干流偏多為主；夏季極端少雨時(shí)，長江流域夏季降水空間一致性較高，以全流域大部偏少為主，僅岷沱江和嘉陵江或者兩湖南部偏多。