肖 靜,莫書平,林尤文,謝衛(wèi)寧

(海南省水文水資源勘測局,海南 ?？?570203)

第五次評估綜合報(bào)告指出,極端天氣和氣候事件自1950年以來已有變化,極端氣候愈發(fā)頻繁。從全球尺度評估,強(qiáng)降水發(fā)生的頻率、強(qiáng)度和(或)降水量增加,干旱的強(qiáng)度和(或)干旱期增加。在全球持續(xù)變暖的趨勢下,到21世紀(jì)末,中緯度大部分陸地區(qū)域與熱帶區(qū)域的濕區(qū),極端降水事件將很可能更劇烈并更頻繁[1-2]。對于極端降水及極端降水事件,目前還未有統(tǒng)一的定義及標(biāo)準(zhǔn)[3]。國內(nèi)部分學(xué)者采用的是世界氣象組織及其他氣象技術(shù)委員會(huì)共同推薦的極端降水指標(biāo),對國內(nèi)部分區(qū)域做了極端氣候研究[4-11]。龍妍妍等[12]、武文博等[13]指出華南區(qū)極端降水呈增加趨勢。肖靜等[14]指出萬泉河流域極端降水指標(biāo)長期呈增加趨勢但不顯著,指標(biāo)年際波動(dòng)變化較大,長期變化存在很大的不確定性。牛路嶺水庫位于萬泉河流域上游,對下游的博鰲亞洲論壇、博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)等重要基礎(chǔ)設(shè)施有顯著調(diào)洪保護(hù)作用。現(xiàn)進(jìn)一步研究牛路嶺水庫流域極端降水指標(biāo)變化,為防洪抗旱決策提供支持。

1 研究區(qū)域

牛路嶺水庫位于海南省第三大河流萬泉河南源(也稱樂會(huì)水或乘坡河)的上游,東經(jīng)110°7″～110°11″,北緯18°42″～19°04″,在瓊海市會(huì)山鄉(xiāng)上游20 km處,牛路嶺水庫壩址上游集雨面積為1 236 km2,占萬泉河流域面積的1/3。牛路嶺水庫為大(2)型水利樞紐,以發(fā)電為主,兼有調(diào)洪、供水等綜合利用效益。水庫大壩上游流域?qū)僦械蜕絽^(qū),上游河段迂回彎曲,水流湍急,跌水礁灘較多,兩岸群山環(huán)抱,森林茂密,植被良好,間有被侵蝕造成的溝谷小盆地。流域?qū)贌釒Ш蛠啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候,受季風(fēng)影響大,四季不明顯,日照充足,熱量豐富,降雨集中,干濕季分明,是海南島的暴雨中心,是全島降雨最豐沛的區(qū)域。為研究牛路嶺水庫流域極端降水的變化規(guī)律,本文選取流域內(nèi)降水資料完整、空間分布較為均勻的11個(gè)站點(diǎn)1979—2020年逐日降水資料,資料使用前已進(jìn)行異常值處理。流域及具體站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 牛路嶺水庫流域及雨量站點(diǎn)分布

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 研究內(nèi)容

流域極端降水指標(biāo)是利用ArcGIS對11個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行空間插值所得。本文研究選取ETCCDI定義的與極端降水緊密相關(guān)的8個(gè)極端降水指標(biāo)來分析流域極端降水變化特征,所選指標(biāo)的定義及表示方式見表1。這些指標(biāo)允許用于年、季、月等不同時(shí)間尺度,但基于本文主要研究近42 a來極端降水的時(shí)空格局變化,因此,選取年際尺度來研究流域內(nèi)的極端降水變化更為合理[14]。

表1 極端降水指標(biāo)定義

2.2 研究方法

采用線性趨勢法和滑動(dòng)平均法對8個(gè)降水指標(biāo)序列進(jìn)行趨勢分析,再采用MK檢驗(yàn)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)進(jìn)行序列趨勢和突變分析[14]。本文給定置信值ɑ=0.05,MK檢驗(yàn)置信值±1.96,t檢驗(yàn)置信值±3.34。若UF(k)和UB(k) 2條曲線超過置信區(qū)間,則說明該序列具有明顯的上升或下降趨勢,且把超過臨界線的范圍視為該序列出現(xiàn)突變的時(shí)間范圍,如果2條曲線相交且交點(diǎn)在置信區(qū)間之間,那么認(rèn)為交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻為突變開始時(shí)刻[14]。

采用小波分析降水周期性。小波分析發(fā)展于傅里葉分析,由于小波分析能在時(shí)域和頻域上對序列進(jìn)行分析的優(yōu)點(diǎn),發(fā)展迅速,成為科學(xué)研究中常用的分析手段。本研究采用的小波母函數(shù)為morlet函數(shù),小波方差圖揭示了小波方差與時(shí)間尺度的關(guān)系,因此可以確定時(shí)間序列存在的主要時(shí)間尺度,即主周期[15-16]。

3 結(jié)果分析

3.1 極端降水指標(biāo)年均值的空間變化

流域PRCPTOT年均值為2 513 mm,PRCPTOT年均值整體呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增加的分布,各站點(diǎn)年均值在2 174～2 974 mm波動(dòng),波動(dòng)差800 mm;牛路嶺站PRCPTOT最大,為2 974 mm,其次為南茂站2 880 mm。流域CWD年均值為11.2 d,空間分布差異性大,流域上游、水庫庫區(qū)持續(xù)濕潤指數(shù)大,中游持續(xù)濕潤指數(shù)小;什仍站12.1 d為最大,南茂站12.0 d次之。流域SDII、R50、R100的年均值分別為19.2 mm/d、12.2 d、3.7 d,3個(gè)指標(biāo)的年均值空間分布與PRCPTOT年均值空間分布基本一致,從上游到下游逐漸增加,SDII、R50、R100的最大值站點(diǎn)均為牛路嶺站,分別為21.5 mm/d、15.4 d、4.9 d,次大值站均為南茂站。流域年均值Rx1day、Rx3day、R99PTOT分別為202、345、365 mm,3個(gè)指標(biāo)空間分布相似但無顯著規(guī)律,空間分布差異性較大;Rx1day最大值及次大值站為新安站、中平站,Rx3day最大值及次大值站為牛路嶺站、中平站,R99PTOT最大值及次大值站為新安站、牛路嶺站,見圖2。

e)R100

3.2 極端降水指標(biāo)變化趨勢

流域PRCPTOT呈增加趨勢,增加速率19.8 mm/10a,11個(gè)站點(diǎn)中9個(gè)站點(diǎn)呈正增長,站點(diǎn)增加率81.8%;其中牛路嶺站以67.2 mm/10a的速率增加,為站點(diǎn)增加最多,羅反站以25.1 mm/10a的速率減少,為站點(diǎn)減少最多。流域CWD以0.44 d/10a的速率呈增加趨勢,全部站點(diǎn)均呈增加趨勢。流域SDII、R50、R100趨勢分化,R50以0.21 d/10a的速率增加,站點(diǎn)增加率為81.8%;SDII、R100分別以0.48(mm/d)/10a、0.25 d/10a的速率減少,全部站點(diǎn)均呈減少趨勢。流域Rx1day以2.22 mm/10a的速率減少,8個(gè)站點(diǎn)呈減少趨勢。Rx3day呈減少趨勢,速率為9.3 mm/10a,全部站點(diǎn)呈減少趨勢。R99PTOT呈增加趨勢,速率為15.3 mm/10a,全部站點(diǎn)均呈增加趨勢。流域的8個(gè)極端降水指標(biāo)均未通過MK趨勢顯著性檢驗(yàn),SDII中霖田站、R99PTOT牛路嶺站通過了0.05的顯著性檢驗(yàn),表明牛路嶺流域的極端降水事件長期的變化趨勢仍有很大的不確定性,見圖3。

a)PRCPTOT

c)SDII

3.3 極端降水指標(biāo)突變分析

流域PRCPTOT的MK突變檢驗(yàn)表明,在1982、1988—1990、2008、2017—2019年該極端指標(biāo)的UF、UB均出現(xiàn)交點(diǎn),結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果,確定2008年為流域PRCPTOT突變點(diǎn),在2008年以前,流域PRCPTOT緩慢減少,2008年以后降水突然增多。同理,確定CWD在1999年發(fā)生突變,在1999年前緩慢減小,在1999年后突然增大,且增大趨勢延續(xù)至今。流域SDII、R50、R100與流域PRCPTOT相似,突變點(diǎn)也在2008年左右。流域Rx1day的2條曲線在1983—1988、1991—1993、1999、2003—2004、2015—2017年出現(xiàn)交點(diǎn),結(jié)合t檢驗(yàn),確定流域Rx1day在1998年發(fā)生突變。而Rx3day在2006年發(fā)生突變。R99PTOT分別在1998、2015年發(fā)生2次突變。具體見圖4。

a)PRCPTOT

3.4 極端降水指標(biāo)周期性分析

流域8個(gè)極端降水指標(biāo)在研究時(shí)期(1979—2020年)存在1～3個(gè)周期。PRCPTOT在15—16、28—30年周期表現(xiàn)穩(wěn)定而強(qiáng)烈,在1979—2000年存在5—6、8—10年2個(gè)時(shí)間尺度周期信號,在2000年之后,5—6、8—10年2個(gè)時(shí)間尺度周期信號合成為5—6年1個(gè)時(shí)間尺度周期信號。SDII、R100、Rx3day在整個(gè)時(shí)間域上有3個(gè)穩(wěn)定且強(qiáng)烈的周期信號,其中SDII周期信號由小到大排列分別是5—9、14—15、27—28年時(shí)間尺度,R100為5—6、13—15、27—30年,Rx3day為5—6、10—15、28—30年。R50、R99PTOT在1979—2020年研究期間存在2個(gè)較穩(wěn)定的時(shí)間尺度周期信號,其中R50周期信號為15—16、25—28年,而R99PTOT為5—6、15—16年,其中25—28年時(shí)間尺度隨時(shí)間后移有減小趨勢,而15—16年時(shí)間尺度隨時(shí)間后移變化不大。CWD、Rx1day在整個(gè)時(shí)間域上只有1個(gè)穩(wěn)定的周期信號,其中CWD為20—24年、Rx1day為28—30年。牛路嶺水庫流域極端降水指標(biāo)Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部等值線見圖5。

a)PRCPTOT

小波系數(shù)實(shí)部等值線圖是得到流域降水周期性的定性方法,即結(jié)合小波系數(shù)方差,可以得到流域降水周期性的定量信息。繪制8個(gè)極端降水指標(biāo)小波系數(shù)方差圖,以確定極端降水指標(biāo)的時(shí)間周期。由圖6,可以確定各個(gè)極端降水指標(biāo)小波變換系數(shù)的第一周期、第二周期時(shí)間尺度,見表2。

表2 極端降水指標(biāo)小波變換系數(shù)第一、二周期 單位：a

根據(jù)每個(gè)極端降水指標(biāo)小波變換系數(shù)的第一、第二周期,可以進(jìn)一步得到其在時(shí)間上的分布規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)極端降水指標(biāo)的時(shí)間序列經(jīng)過小波變換后,被分解為了第一周期和第二周期,即極端降水指標(biāo)的時(shí)間序列是其第一、第二周期性時(shí)間序列的疊加。繪制各極端降水指標(biāo)小波變換第一、第二主周期系數(shù),見圖7,由于篇幅有限,本文僅展示PRCPTOT、R100和R99PTOT。經(jīng)分析,除R100和R99PTOT以外,其他極端降水指標(biāo)在第一主周期上數(shù)值大小隨時(shí)間變化的平均周期為19 a左右,大約經(jīng)歷了2個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期;而在第二周期時(shí)間尺度上,平均變化周期為14 a左右,大約3個(gè)周期的豐-枯變化。R100和R99PTOT在第一主周期上降水量變化的平均周期為10 a左右,大約經(jīng)歷了3個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期;而在第二周期時(shí)間尺度上,平均變化周期為19 a左右,大約2個(gè)周期的豐-枯變化。

a)PRCPTOT第一主周期

f)R99PTOT第二主周期

4 結(jié)論

a)流域PRCPTOT年均值整體呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增加的分布,SDII、R50、R100的年均值空間分布與PRCPTOT年均值空間分布基本一致;CWD流域上游、水庫庫區(qū)持續(xù)濕潤指標(biāo)大,中游持續(xù)濕潤指標(biāo)小;Rx1day、Rx3day、R99PTOT空間分布相似但無顯著規(guī)律。

b)8個(gè)極端降水指標(biāo)趨勢分化,均未通過MK趨勢顯著性檢驗(yàn),極個(gè)別站點(diǎn)指標(biāo)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。流域PRCPTOT、CWD、R50、R99PTOT呈增加趨勢,全部站點(diǎn)CWD、R99PTOT均呈增加趨勢;流域SDII、R100、Rx1day、Rx3day呈減少趨勢,全部站點(diǎn)SDII、R100、Rx3day均呈減少趨勢。牛路嶺流域的極端降水事件長期的變化趨勢仍有很大的不確定性。

c)流域PRCPTOT的MK突變2008年為突變點(diǎn),2008年以前緩慢減少,2008年以后降水突然增多。流域CWD在1999年左右發(fā)生突變,1999年前緩慢減小,在1999年后突然增大,且增大趨勢延續(xù)至今。而流域SDII、R50、R100的變化與流域PRCPTOT相似。流域Rx1day、Rx3day分別在1998、2006年發(fā)生突變。R99PTOT在1998、2015年發(fā)生2次突變。

d)流域8個(gè)極端降水指標(biāo)均存在2個(gè)或3個(gè)周期信號。其中,除了R100和R99PTOT,其余6個(gè)極端降水指標(biāo)時(shí)間尺度第一、第二周期平均周期分別為19、14 a,R100、R99PTOT第一、第二周期平均周期分別為10、19 a。

總之,牛路嶺水庫流域8個(gè)極端降水指標(biāo)空間分布規(guī)律性不一致,時(shí)間變化趨勢分化但未通過顯著性檢驗(yàn),突變年份與周期性也同樣存在差異。降水指標(biāo)變化的背后是全球氣候的變化,而氣候變化對于局部區(qū)域的影響尚需進(jìn)一步探討。