孫桂凱，杜媞，楊愛萍，劉思怡，莫崇勛*，阮俞理

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著全球變暖日益嚴重，極端降水事件及其導(dǎo)致的滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)[1]。近年來學(xué)者們開展了許多研究，如KAILASH等[2]研究得到美國的強降水呈現(xiàn)顯著增加的態(tài)勢，且空間分布十分不均；盧珊等[3]研究了中國近56年來全國降水事件，發(fā)現(xiàn)我國極端降水事件明顯增加；周旗等[4]對渭河流域極端降水事件的研究表明，渭河流域上、中、下游地區(qū)及整個流域的年總降水量呈下降趨勢，但降水強度、強降水總量和極端降水總量在整體上均呈上升趨勢，且極端降水總量的上升趨勢高于強降水總量；魯菁等[5]采用Mann-Kendall進行突變分析、氣象傾向率和累積距平法對三江平原的極端指數(shù)進行分析，得到其整體處于減少的趨勢，并利用Hurst指數(shù)得到極端降水處于增加趨勢；張丹丹等[6]對烏江中下游的分析表明，極端降水頻數(shù)和強度總體處于上升趨勢；柴素盈等[7]利用Mann-Kendall及小波分析法得到強降水量和強降水量呈現(xiàn)顯著或極顯著減小趨勢；莫崇勛等[8]利用線性趨勢分析法、Mann-Kendall和小波分析法得到澄碧河流域未來一段時間內(nèi)極端降水仍處于增加趨勢；孫桂凱等[9]對廣西極端降水在時間上的變化進行了研究，表明廣西極端連續(xù)降水仍處于增長趨勢。

廣西地處中國南部，年降水量豐沛，但由于巖溶發(fā)育和石林多的原因?qū)е陆邓植紭O不均勻，極端降水也造成了重大的經(jīng)濟損失[10]。目前對于廣西極端降水的研究存在研究站點選取少、空間分布研究成果不多和采用指標較少等不足，故有必要對廣西開展更精細的多指標、多方法的極端降水突變、多重周期變化趨勢、空間變化特征及其內(nèi)在演變規(guī)律的研究。鑒于此，筆者選取了廣西82個站點，采用強降水量(R95p)、頻數(shù)、平均強度3個指標對廣西極端降水的時空分布特征和變化趨勢進行分析，有助于在氣候變化的大背景下更好地了解廣西極端降水的變化特征, 并為有關(guān)部門在研究極端降水方面提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

廣西簡稱“桂”，位于20°54′N～26°23′N，104°28′E～112°04′E，陸地面積為2.376×105km2。本文基于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，選取了廣西82個站點1961—2016年的逐日降水數(shù)據(jù)來進行研究，廣西的地形和各站點分布如圖1所示。

圖1 廣西氣象站站點與地形圖

1.2 研究方法

1.2.1 時間序列變化規(guī)律分析方法

① 突變和趨勢分析。利用Mann-Kendall 檢驗法[11]對極端降水的3個指標(R95p、頻數(shù)和平均強度)進行突變性檢驗,其中Mann-Kendall 檢驗法用于突變檢驗時，由公式(1)得出UFk：

(1)

式中，Sk為極端降水時間序列X構(gòu)造的秩序列;E(Sk)代表降水秩序列Sk的均值;VAR(sk)代表Sk的方差。

求得的UFk的值構(gòu)成一條曲線UF，再將時間序按逆序排列，重復(fù)上述計算過程，得到曲線UB，若UF和UB兩條曲線的交點在置信區(qū)間內(nèi)，則確定該點為突變點。

② 多時間尺度分析。利用小波分析法研究不同時間尺度下廣西極端降水的變化規(guī)律[12]；將強降水量(R95p)占總降水量的比值構(gòu)成貢獻率，采用線性趨勢法分析極端降水的變化規(guī)律；同時利用R/S分析法計算Hurst指數(shù)[12]來預(yù)測廣西極端降水未來的變化趨勢。

(2)

式中，Wf(a,b)為小波變換系數(shù)的二元函數(shù)；參數(shù)a為小波周期長度的尺度因子；參數(shù)b為時間平移的時間因子；f(t)為水文時間序列。

1.2.2 空間變化規(guī)律分析方法

利用ArcGIS對極端降水閾值和3個指標進行空間插值，并通過反距離權(quán)重法和經(jīng)驗正交分解(empirical orthogonal function, EOF)對廣西的年極端降水進行空間分布的研究[13]。由于篇幅限制，本文對上述方法不再贅述。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西極端降水時間變化特征

2.1.1 廣西極端降水突變性

廣西極端降水的R95p、頻數(shù)、平均強度的Mann-Kendall突變性檢測結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知，R95p指標在1961—1996年內(nèi)呈下降趨勢，其余年份呈上升趨勢，在2015年發(fā)生了突變；頻數(shù)在1961—1967年、1971—1981年、1983年和1985—1997年年內(nèi)呈下降趨勢，其余時段內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢，在2014發(fā)生突變[圖2(b)]；平均強度在1961—1999年和2001年呈現(xiàn)下降趨勢，其余年份呈上升趨勢，在2016年發(fā)生突變[圖2(c)]。

(a)R95p

2.1.2 廣西降水多尺度周期性

為研究廣西極端降水量在多時間尺度上的周期性，本文采用Morlet小波分析法進行分析，得到極端降水的R95p、頻數(shù)和平均強度的小波系數(shù)等值線，如圖3所示。圖3中的正相位表示降雨偏多期，負相位為偏少期。由圖3可知：

① 廣西極端降水的強降水量主要以3～5年，10～15年和17～25年進行周期演變，其中以約21年為中心尺度的周期變換貫穿全年，交替變化強烈，在1965—1974年、1980—1985年、1995—2000年和2010—2016年處于偏多期，其余時段處于偏少期；此外，強降水量以10～15年(發(fā)生在1961—1985年)交替同樣明顯[圖3(a)]。

② 廣西極端降水的頻數(shù)呈現(xiàn)的規(guī)律與強降水量基本一致，主要以3～6年，10～15年和16～23年進行周期演變，其中以約21年為中心尺度的周期變換貫穿全年，交替變化強烈，在1965—1974年、1980—1985年、1995—2000年和2010—2016年處于偏多期，其余時段處于偏少期；此外，強降水量以10-15年(發(fā)生在1961—1985年)交替同樣明顯[圖3(b)]。

③ 廣西極端降水的平均強度主要呈現(xiàn)3～5年，10～15年和17～25年的周期演變，其中以約20年為中心尺度的周期變換基本貫穿全年，交替變化強烈，在1965—1975年、1982—1986年、1996—2002年和2010—2016年處于偏多區(qū)，其余時段處于偏少期；此外，頻數(shù)以10～15年(1961—1995年)交替同樣明顯[圖3(c)]。

(a)R95p

廣西極端降水的R95p、頻數(shù)和平均強度3個指標右側(cè)均未完全閉合，且處于正相位變化中，表明未來一段時間內(nèi)極端降水的3個指標將處于偏多向偏少過渡階段。

最后，采用小波方差圖確定了極端降水各指標的主周期：R95p的主周期依次為21、5、13 a；頻次的主周期為21、6、13 a；平均強度的主周期依次為20、12、7 a。

2.1.3 極端降水貢獻率

為分析廣西極端降水結(jié)構(gòu)的時間變化規(guī)律，采用線性趨勢分析法對廣西極端降水R95p各年的貢獻率進行了分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，各年R95的貢獻率在0.2～0.59，處于較高值，且R95p貢獻率的變化趨勢為0.9 %/10 a，處于弱增長狀態(tài)。R95p貢獻率越大，出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性越大，而研究結(jié)果表明R95p的貢獻率處于增長狀態(tài)且各年貢獻率均處于較高值，因此需加強對廣西極端降水造成的洪澇災(zāi)害的防控。

圖4 廣西極端降水量的R95p貢獻率年際變化

2.1.4 極端降水變化趨勢

為研究廣西未來極端降水的變化趨勢，利用R/S分析法計算了廣西極端降水的R95p、頻數(shù)和平均強度的Hurst指數(shù)，結(jié)果如圖5所示。由圖5結(jié)果可知，廣西極端降水的R95p、頻數(shù)和平均強度的Hurst指數(shù)分別為0.748 6，0.633 2，0.718 1，均大于0.5，表明未來極端降水的R95p、頻次和平均強度未來仍保持增長狀態(tài)，這種態(tài)勢將會增加廣西洪澇災(zāi)害和降水分布不均情況出現(xiàn)。

(a)R95p

2.2 廣西極端降水空間分布特征

2.2.1 廣西極端降水閾值及3個指標空間分布

廣西極端降水各指標的年際空間分布如圖6所示。由圖6可知，廣西各站點極端降水閾值總體呈從東南向西北逐漸減少的趨勢，極端降水閾值高值區(qū)位于桂南的東興、欽州和潿洲島區(qū)域，次高值區(qū)為桂東北地區(qū)，低值區(qū)位于桂西的鳳蘭、隆林和鳳山區(qū)域[圖6(a)]；廣西的R95p總體呈現(xiàn)從東南向西北遞減，在桂南出現(xiàn)高值區(qū)、在桂東北和桂中有次高值區(qū)[圖6(b)]；廣西的極端降水頻數(shù)呈現(xiàn)從東北向西南遞減的規(guī)律，在桂東北和桂西南的東興區(qū)域出現(xiàn)高值區(qū)[圖6(c)]；極端降水的平均強度分布較不均勻，主要呈現(xiàn)以桂中區(qū)域為中心向外遞減的趨勢，在桂中地方出現(xiàn)高值區(qū)，在桂南的北海和潿洲島地區(qū)出現(xiàn)次高值區(qū)[圖6(d)]。

(a)閾值

綜上可知，廣西的東興、潿洲島等沿海地區(qū)的極端降水的閾值、R95p、頻數(shù)和平均強度均處于高值區(qū)，表明廣西南部區(qū)域受極端降水影響較大，需做好防洪減災(zāi)措施。

2.2.2 廣西極端降水的分布類型

為分析廣西極端降水在空間上的分布類型，利用EOF(經(jīng)驗正交函數(shù))對各年各站點的R95p序列進行分析，得到模態(tài)1至模態(tài)4各特征向量的方差貢獻率見表1。由表1可知，前4個模態(tài)的累積方差貢獻率達到了76.23 %，根據(jù)North準則，表明廣西R95p EOF的4個模態(tài)較好地反映了極端降水R95p指標的空間分布類型；其中模態(tài)1的方差貢獻率為47.81 %，最能代表R95p的空間分布特征，其余3個模態(tài)的貢獻率分別為13.82 %、7.52 %和7.08 %，方差貢獻率較小。

表1 廣西R95p EOF各特征向量方差貢獻率

廣西極端降水的EOF前4個模態(tài)的空間分布如圖7所示。由圖7(a)可知，模態(tài)1的分布值除小部分地區(qū)為正值外其余均為負值，表明極端降水的分布類型主要為局部旱(澇)型，其中在宜州和昭平兩地的變化率最大，則這兩地附近最易出現(xiàn)旱(澇)的情況；模態(tài)2的分布值主要呈現(xiàn)由東南向西北遞減的狀態(tài)(東南-西北反向型)，高值區(qū)在陸川和博白所處的桂東南地區(qū)[圖7(b)]；模態(tài)3的分布值大部分均為負值只有少部分出現(xiàn)正值，表明降雨為全區(qū)旱(澇)型[圖7(c)]；模態(tài)4中廣西中部的空間分布值為負值，且整體由南部沿海向北部的內(nèi)陸地區(qū)遞減，高值區(qū)出現(xiàn)在東興、博白和陸川，表明降雨為南北反向型[圖7(d)]。

(a)模態(tài)1

3 結(jié)論

① 從時間上看，廣西極端降水指標均在2014—2016年間發(fā)生突變；未來一段時間內(nèi)R95p將處于偏多向偏少過渡的階段；同時R95p的貢獻率一直處于較高值，未來處于緩慢增長狀態(tài)；3個指標的Hurst指數(shù)顯示未來的R95p、頻數(shù)和平均強度均大于0.5，未來極端降水仍處于增加狀態(tài)，洪澇災(zāi)害和降水分布不均問題仍會加劇，相關(guān)部門應(yīng)做好相應(yīng)的防洪抗災(zāi)措施。

② 從空間上看，廣西極端降水的閾值和R95p均呈現(xiàn)從東南向西北遞減的趨勢，高值區(qū)主要位于東興附近沿海區(qū)域以及桂林附近；頻數(shù)基本呈現(xiàn)由東北向西南遞減的趨勢，高值區(qū)主要位于桂東北和桂西南的東興區(qū)域；平均強度主要呈現(xiàn)以桂中區(qū)域為中心向外遞減的趨勢，高值區(qū)位于桂中區(qū)域，上述高值區(qū)域防洪防汛壓力較大；EOF分解得到廣西年極端降水主要成局部旱(澇)型、東南-西北反向型、全區(qū)旱(澇)型和南北反向型這四種分布類型。

③ 本文采用了3個指標來分析廣西極端降水時空變化規(guī)律，今后還可選取最大5日降水、大雨日數(shù)、中雨日數(shù)和小雨日數(shù)等指標來分析廣西的降水結(jié)構(gòu)，以更好地了解廣西極端降水的演變規(guī)律，為洪澇、滑坡和泥石流等災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警提供理論依據(jù)。