劉曉冉，程炳巖，楊 茜，郭 渠，張?zhí)煊?/p>

(1:重慶市氣候中心，重慶401147)

(2:中國科學院大氣物理研究所，北京100029)

(3:重慶市氣象科學研究所，重慶401147)

近50 a三峽庫區(qū)汛期極端降水事件的時空變化*

劉曉冉1，2，程炳巖1，楊 茜3，郭 渠1，張?zhí)煊?

(1:重慶市氣候中心，重慶401147)

(2:中國科學院大氣物理研究所，北京100029)

(3:重慶市氣象科學研究所，重慶401147)

利用三峽庫區(qū)35個臺站1961－2010年汛期(5－9月)的逐日降水量資料，首先定義不同臺站的極端降水量閾值，統(tǒng)計各站近50 a逐年汛期極端降水事件的發(fā)生頻次，進而分析其時空變化特征.結(jié)果表明:三峽庫區(qū)汛期極端降水事件發(fā)生頻次的最主要空間模態(tài)是主體一致性，同時存在東西和南北相反變化的差異.三峽庫區(qū)汛期極端降水事件發(fā)生頻次具有較大的空間差異，可分為具有不同變化特點的5個主要異常區(qū).滑動t檢驗表明，三峽庫區(qū)西南部區(qū)代表站巴南的極端降水事件在1974年后發(fā)生了一次由偏多轉(zhuǎn)為偏少的突變，北部區(qū)代表站北碚在1981年后和1993年后分別發(fā)生了由偏少轉(zhuǎn)為偏多和由偏多到偏少的突變，中部區(qū)代表站武隆在1984年后發(fā)生了一次由偏多轉(zhuǎn)為偏少的突變.結(jié)合最大熵譜和功率譜分析表明，近50 a來各分區(qū)汛期極端降水事件發(fā)生頻次的周期振蕩不太一致，三峽庫區(qū)東北部區(qū)代表站宜昌、北部區(qū)代表站北碚和中部區(qū)代表站武隆分別存在5、2.4和8.3 a的顯著周期.

三峽庫區(qū);極端降水事件;時空變化;旋轉(zhuǎn)主成分

近年來，高溫、干旱、洪澇、臺風、暴雪等極端氣候事件對社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成影響和危害越來越大，全球變暖背景引發(fā)的極端氣候事件增多增強趨勢已成為各國政府和社會各界關(guān)注的焦點.尤其是極端降水事件，其頻率和強度的變化是導致洪澇災(zāi)害的主要因素，往往造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會危害，受到專家學者和社會的普遍關(guān)注［1-3］.有研究表明強降水事件在歐洲［4］、美國［5］、印度［6］等國家和地區(qū)有所增加.Gao等［7］對東亞地區(qū)的氣候模擬表明在二氧化碳倍增的情況下，暴雨雨日將增加［7］.

許多學者對近50 a中國的極端降水變化進行分析研究，認為中國的極端降水變化態(tài)勢與全球的態(tài)勢基本一致，但表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性［8-10］和季節(jié)變化［11］特點.在全球變暖背景下中國的微量雨日普遍減少，但大暴雨日事件增多［12-14］.鮑名等［15］對中國暴雨年代際變化的研究發(fā)現(xiàn)，長江流域暴雨有增多的趨勢，華北地區(qū)暴雨則有減少的趨勢.翟盤茂等［16］提出了定義極端值和極端閾值的方法，研究中國北方近50年溫度和降水極端事件的變化.翟盤茂等［17-18］還指出中國降水強度普遍趨于增強，長江流域及以南地區(qū)、西北地區(qū)的極端強降水事件增多趨勢明顯，華北地區(qū)雖然極端降水事件頻數(shù)明顯減少，但極端降水量占總降水量的比例仍有所增加.Tang等［19］研究了中國持續(xù)強降水事件的氣候特征，對其頻數(shù)、強度和雨帶等進行歸類.閔屾等［20］分析了中國極端降水事件區(qū)域性和持續(xù)性特征，發(fā)現(xiàn)長江以南地區(qū)夏季極端降水的區(qū)域性與持續(xù)性均較好，容易導致區(qū)域性洪澇災(zāi)害發(fā)生.王志福等［21］分析了中國不同持續(xù)時間的極端降水事件的變化特征，指出持續(xù)2 d以上極端降水事件在長江中下游流域、江南地區(qū)和高原東部有顯著增多和增強的趨勢，而在華北和西南地區(qū)有減少和減弱趨勢.還有很多學者著重研究了我國各流域的極端降水事件的變化特征［22-26］.

三峽庫區(qū)位于四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，西起重慶江津，東至湖北宜昌，全長600 km，為跨長江兩岸數(shù)公里的狹長區(qū)域.長江三峽水利樞紐工程舉世矚目，三峽庫區(qū)是長江中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境屏障和西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點，三峽庫區(qū)的區(qū)域氣候變化及其影響成為人們?nèi)找骊P(guān)注的科學問題［27］.近些年在全球變暖背景下，三峽庫區(qū)的氣候變化規(guī)律方面研究取得了一些進展，學者們對三峽庫區(qū)的基本氣候特征［28-29］、氣象災(zāi)害變化趨勢［30］以及未來21世紀庫區(qū)的氣候變化預(yù)估［31-32］等方面進行了研究，這對開展三峽庫區(qū)的氣候變化適應(yīng)措施具有重要的借鑒意義.但目前對三峽庫區(qū)極端降水事件的變化規(guī)律還缺乏深入認識，本文利用百分位閾值定義三峽庫區(qū)極端降水事件，并分析其發(fā)生頻次的時空變化特征，這對于三峽庫區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化具有參考意義.

1 資料與方法

在我國通常把日降水量超過50 mm的降水事件稱為暴雨，日降水量超過25 mm的降水事件稱為大雨.事實上，不同地區(qū)氣候的地域差異明顯，這類絕對閾值在各個地區(qū)之間缺乏可比性.目前，國際上氣候極值變化研究通常選擇某個百分位作為閾值定義極端氣候事件［2-6］.

本文利用三峽庫區(qū)35個臺站1961－2010年的逐日降水量資料，首先把各站逐年汛期5－9月的日降水量序列第95個百分位值的平均值定義為該站極端降水事件的閾值，當該站某日降水量超過這一閾值時，稱該站發(fā)生極端降水事件［16］.降水量第95個百分位值的計算方法采用Bonsal概率法［3］，即把降水量序列按升序排列為:

某個值小于或等于xm的概率為:

式中，m為xm的序號，n為降水量序列(含無降水日)的長度，第95個百分位值就是指P=95%所對應(yīng)xm的值.

在確定各站極端降水事件閾值的基礎(chǔ)上，計算三峽庫區(qū)各站1961－2010年逐年的汛期極端降水事件發(fā)生頻次，并采用主成分分析(PCA)和旋轉(zhuǎn)主成分分析(RPCA)［33］法分析三峽庫區(qū)汛期極端降水事件的整體異常空間分布和局地異常敏感區(qū).利用滑動t檢驗、最大熵譜和功率譜等方法［33］分析各異常區(qū)極端降水事件的變化特征.

2 極端降水事件的空間分布特征

2.1 基本分布特征

三峽庫區(qū)東、西部地區(qū)極端降水量閾值分布存在明顯差異，庫區(qū)東部地區(qū)的閾值相對較大，大部分地區(qū)在32.5 mm以上，最大值位于湖北的鶴峰，達40.7 mm;庫區(qū)西部閾值相對較小，均在30 mm以下，最小值位于重慶的豐都，僅26.6 mm(圖1a).三峽庫區(qū)各站極端降水量閾值均小于暴雨的標準閾值50 mm/d.

三峽庫區(qū)近50 a平均極端降水事件發(fā)生頻次的空間分布表明，發(fā)生頻次自西北向東增加，大體呈東多西少的分布特征，庫區(qū)西北部極端降水事件發(fā)生頻次在7.0 d/a以下，最少為重慶的梁平，為6.8 d/a.庫區(qū)東部極端降水事件發(fā)生頻次較高在7.2 d/a以上，最多為湖北的秭歸，達8.0 d/a(圖1b).

圖1 1961－2010年三峽庫區(qū)汛期極端降水量閾值(a)和發(fā)生頻次(b)分布Fig.1 Spatial distribution of the mean extreme precipitation threshold(a)and frequency(b)in flood season over the Three Gorges Reservoir area from 1961 to 2010

2.2 異常分布特征

通過對三峽庫區(qū)35個臺站1961－2010年的汛期極端降水事件發(fā)生頻次進行主成分和旋轉(zhuǎn)主成分分析，得到的載荷向量(LV)和旋轉(zhuǎn)載荷向量(RLV)能夠較好地反映三峽庫區(qū)極端降水事件的空間異常分布特征.旋轉(zhuǎn)前后主成分和旋轉(zhuǎn)主成分的方差貢獻率表明，旋轉(zhuǎn)后各分量的方差貢獻比旋轉(zhuǎn)前要均勻分散，除第1個分量的方差貢獻減小外，其它分量旋轉(zhuǎn)后均增加，同時某些分量方差貢獻大小的順序也發(fā)生了變化，這是因為旋轉(zhuǎn)后各分量的物理意義著重表現(xiàn)空間的相關(guān)性分布特征，相應(yīng)的方差貢獻只集中在某一較小的區(qū)域，使其它區(qū)域的方差貢獻盡量減小，著重把整個計算范圍的方差貢獻集中到前幾個主成分上(表1).

表1 前5個主成分和旋轉(zhuǎn)主成分對總方差的貢獻率Tab.1 The contribution percentages of the first five principal components and rotated principal components to the total variance

下面給出前3個載荷向量場，它們對應(yīng)主成分的累積方差貢獻率為53.40%，以揭示三峽庫區(qū)汛期極端降水事件的整體空間異常結(jié)構(gòu).第一載荷向量場(圖2a)在整個三峽庫區(qū)為同一符號的正值區(qū)，而且這一空間異常分布對應(yīng)的主成分對總體方差的貢獻達35.48%，庫區(qū)東南部為載荷向量的高值區(qū)，其中心最大值位于湖北的宣恩，達0.76，而庫區(qū)西南部為低值區(qū)，其中心最小值位于重慶的南川，僅為0.35.這表明盡管三峽庫區(qū)地形復(fù)雜，但汛期極端降水事件變化的空間分布還是具有較好的一致性，最主要的空間模態(tài)是主體一致性.

第二載荷向量場(圖2b)揭示了三峽庫區(qū)極端降水事件在庫區(qū)東、西部反位相變化的分布特征，108°30'E以東的庫區(qū)東部為載荷向量正值區(qū)，中心位于湖北的長陽，為0.48;庫區(qū)西部為負值區(qū)，中心位于重慶的巴南，為－0.65.這種分布突出反映了三峽庫區(qū)東部極端降水事件偏多(少)，則西部極端降水事件偏少(多)的特點.

第三載荷向量場(圖2c)反映了三峽庫區(qū)的極端降水事件變化的南北差異.庫區(qū)南部為正值區(qū)，中心位于重慶的黔江，為0.51;庫區(qū)北部為負值區(qū)，中心位于重慶的云陽，為－0.43.這種分布突出反映了三峽庫區(qū)的南部極端降水事件偏多(少)，則北部極端降水事件偏少(多)的特點.

從三峽庫區(qū)極端降水事件發(fā)生頻次的總體空間異常結(jié)構(gòu)可以看出，庫區(qū)極端降水變化比較復(fù)雜，存在著明顯的東西或南北差異.為了進一步研究庫區(qū)各地域極端降水事件的局地特點，在上述主成分分析的基礎(chǔ)上，取前5個主成分(其累積方差貢獻率達到63.21%)及對應(yīng)的載荷向量進行旋轉(zhuǎn)，按旋轉(zhuǎn)載荷向量(RLV)絕對值＞0.5的高載荷區(qū)基本布滿全區(qū)來考慮，得到三峽庫區(qū)極端降水事件的5個主要空間異常區(qū).

三峽庫區(qū)東北部區(qū)，主要包括湖北的西北部，旋轉(zhuǎn)載荷向量RLV1的中心在湖北的宜昌，為0.77(圖3a);三峽庫區(qū)西南部區(qū)，主要包括重慶的西南部，旋轉(zhuǎn)載荷向量RLV2的中心在重慶的巴南，達－0.81(圖3b);三峽庫區(qū)東南部區(qū)，主要包括重慶的東南部和湖北的西南部，旋轉(zhuǎn)載荷向量RLV3的中心在湖北的來鳳，達0.83(圖3c);三峽庫區(qū)北部區(qū)，主要包括重慶的中北部和東北部，旋轉(zhuǎn)載荷向量RLV4的中心在重慶的北碚，為－0.66(圖3d);三峽庫區(qū)中部區(qū)主要包括重慶的中南部，旋轉(zhuǎn)載荷向量RLV5的中心在重慶的武隆，為0.74(圖3e).

旋轉(zhuǎn)載荷大值區(qū)基本沒有重疊之處，它們將三峽庫區(qū)汛期極端降水發(fā)生頻次基本分為5個區(qū)域(圖3).這5個區(qū)是三峽庫區(qū)極端降水事件異常最敏感的區(qū)域，做好上述幾個類型區(qū)域極端降水事件的分析，就抓住了三峽庫區(qū)極端降水事件長期變化的關(guān)鍵.

圖2 三峽庫區(qū)汛期極端降水事件頻次的第一(a)、二(b)、三(c)載荷向量場Fig.2 The first(a)，second(b)，third(c)loading vector fields of the extreme precipitation event frequency in flood season over Three Gorges Reservoir area

3 極端降水事件的時間變化特征

某空間點的旋轉(zhuǎn)載荷向量RLV值實際上表示對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)主成分與該點要素之間的相關(guān)程度，同屬于某一高載荷區(qū)內(nèi)點具有較高的相關(guān)，而屬于不同類型區(qū)的點之間的相關(guān)性則較差，因此可以取各異常區(qū)RLV值最大的站為代表站分析該異常型的時間變化特征.

3.1 變化趨勢

各代表站汛期極端降水事件發(fā)生頻次的逐年變化表明(圖4)，三峽庫區(qū)東北部區(qū)代表站宜昌的極端降水事件發(fā)生頻次的年際波動明顯，在1970s前期、1970s后期至1980s前期、1990s中期至2010s處于相對偏多期，其它時段整體處于相對偏少期，1990s以來有增加趨勢.近50 a，宜昌汛期極端降水事件最多發(fā)生在1973 年達 14 d，1966、1977、1981、1991、2001 年相對較少，均為 2 d.

三峽庫區(qū)西南部區(qū)代表站巴南的極端降水事件在1970s前期、1980s中期和1990s中期處于相對偏多期，其他時段整體處于相對偏少期，尤其是1990s后期以來呈減少趨勢，極端降水事件最多發(fā)生在1998年，達16 d，2006 年最少，為2 d.

三峽庫區(qū)東南部區(qū)代表站來鳳的極端降水事件在1960s前期、1960s后期到1980s中期和1990s后期處于相對偏多期，其他時段整體處于相對偏少期，1990s后期以來呈減少趨勢，極端降水事件最多發(fā)生在1983年達20 d，1961和1985年最少，均為2 d.

圖3 三峽庫存區(qū)汛期極端降水事件頻次的第一(a)、二(b)、三(c)、四(d)、五(e)旋轉(zhuǎn)載荷向量場Fig.3 The first(a)，second(b)，third(c)，forth(d)，fifth(e)rotated loading vector fields of the extreme precipitation event frequency in flood season over Three Gorges Reservoir area

圖4 各代表站汛期極端降水事件頻次的時間變化曲線Fig.4 Change curves of the extreme precipitation event frequency of the representative stations in flood season

三峽庫區(qū)北部區(qū)代表站北碚的極端降水事件在1960s中期、1980s到1990s前期和2010s中期處于相對偏多期，其他時段整體處于相對偏少期，極端降水事件最多發(fā)生在1985年，為13 d，1961和1975年最少，均為2 d.

三峽庫區(qū)中部區(qū)代表站武隆的極端降水事件具有明顯的年代際變化，1960s中期到1980s中期以及2010s中期處于相對偏多期，1980s后期以及2010s前期處于相對偏少期，極端降水事件最多發(fā)生在1975年，達16 d，1986、1993 和2002 年最少，均為2 d.

為了進一步了解近50 a各分區(qū)代表站極端降水事件發(fā)生頻次的長期變化趨勢，分別計算其氣候傾向率和趨勢系數(shù)(表2).宜昌和北碚表現(xiàn)為增多趨勢，增多的氣候傾向率分別為0.32 d/10 a和0.23 d/10 a;巴南和來鳳均表現(xiàn)為很弱的減少趨勢，減少率分別為 －0.08 d/10 a和 －0.06 d/10 a，武隆減小趨勢比較明顯，減少率為0.41 d/10 a.

由此可見，盡管各異常區(qū)極端降水事件發(fā)生頻次的年際變化特征不太一致，從長期變化趨勢來看，三峽庫區(qū)東北部區(qū)代表站宜昌和北部區(qū)代表站北碚表現(xiàn)為很弱的增加趨勢，三峽庫區(qū)西南部區(qū)代表站巴南和東南部區(qū)代表站來鳳表現(xiàn)為很弱的減少趨勢，三峽庫區(qū)中部區(qū)代表站武隆則表現(xiàn)為相對較大的減少趨勢.

表2 各代表站汛期極端降水事件頻次的氣候傾向率和趨勢系數(shù)*Tab.2 Climate trend and trend coefficient of the extreme precipitation event frequency of the representative stations in flood season

3.2 突變檢驗

利用滑動t檢驗法(子序列長度n1=n2=10 a)對各代表站汛期極端降水事件頻次進行突變檢驗(圖5)，宜昌與來鳳沒有檢測出突變點(圖略)，巴南極端降水事件t統(tǒng)計量在1974年的正值達到0.05顯著性水平，說明1974年以前極端降水事件偏多，1974年以后偏少，在1974年后發(fā)生了一次由偏多轉(zhuǎn)為偏少的突變.北碚極端降水事件t統(tǒng)計量在1981年的負值和1993年的正值達到了0.05顯著性水平，說明1981年后發(fā)生了由偏少轉(zhuǎn)為偏多的突變，在1993年后又發(fā)生了由偏多到偏少的突變.武隆極端降水事件t統(tǒng)計量在1984年的正值遠超過0.05顯著性水平，說明1984年后發(fā)生了一次由偏多轉(zhuǎn)為偏少的突變.

圖5 各代表站汛期極端事件頻次的滑動t統(tǒng)計量曲線 (┈ ┈為0.05顯著性水平臨界值)Fig.5 The moving t-statistic curves of the extreme precipitation event frequency of the representative stations in flood season

3.3 周期分析

最大熵譜分析方法對時間序列的周期信號具有分辨率高的優(yōu)點，尤其適用于短時間序列.下面采用最大熵譜結(jié)合功率譜分析的方法分析三峽庫區(qū)各分區(qū)汛期極端降水事件發(fā)生頻次的變化周期，當最大熵譜分析提取出的周期與功率譜方法分析的周期一致時，則認為該周期是其主要周期且是可信的.各代表站汛期極端降水事件的最大熵譜和功率譜密度變化曲線表明(圖6)，宜昌極端降水事件最大熵譜存在5.0 a的主峰值和2.1 a的次峰值，功率譜的主周期為5 a且超過了0.05顯著性水平的白噪聲標準譜，這表明宜昌極端降水事件存在顯著的5 a周期的變化，而功率譜的2.1 a的次周期沒有通過顯著性水平檢驗.巴南汛期極端降水事件最大熵譜存在2 a的峰值，但功率譜沒有通過顯著性水平檢驗，說明周期不明顯.來鳳極端降水事件最大熵譜存在3.8 a的峰值，但也不顯著.北碚極端降水事件最大熵譜存在5 a的主峰值和2.4 a的次峰值，而功率譜分析表明5 a的周期不顯著，2.4 a的周期通過了0.05的顯著性水平檢驗.武隆極端降水事件最大熵譜存在8.3 a的主峰值，以及4.2 a和2.4 a的次峰值，功率譜分析表明8.3 a周期通過了0.05顯著性水平檢驗，其他周期不顯著.

因此，近50 a來各異常區(qū)極端降水事件發(fā)生頻次的周期振蕩不太一致，宜昌、北碚和武隆分別存在5、2.4和 8.3 a的顯著周期.

圖6 各代表站汛期極端降水事件頻次的最大熵譜和功率譜分析Fig.6 Maximum Entropy Spectral and Power Spectral analysis of the extreme precipitation event frequency of the representative stations in flood season

4 結(jié)論

在全球變暖的大背景下，近50 a三峽庫區(qū)極端降水事件的增減趨勢不如長江中下游地區(qū)明顯，但因其特殊的地理位置和復(fù)雜的地形特征，極端強降水事件的變化存在明顯的區(qū)域差異.因此，今后仍需要探討庫區(qū)極端降水事件變化與氣候變化的關(guān)聯(lián)，研究流域極端降水變化的成因機制.

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Temporal and spatial variation of extreme precipitation events in flood season over Three Gorges Reservoir area in recent 50 a

LIU Xiaoran1，2，CHENG Bingyan1，YANG Qian3，GUO Qu1＆ ZHANG Tianyu1
(1:Chongqing Climate Center，Chongqing 401147，P.R.China)
(2:Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，P.R.China)
(3:Chongqing Institute of Meteorological Sciences，Chongqing 401147，P.R.China)

Based on the daily precipitation data in flood season(from May to September)in 1961－2010 from 35 stations over Three Gorges Reservoir area，the extreme precipitation threshold value for all stations are determined firstly，then the frequency of extreme precipitation event in the flood season are counted and their temporal and spatial characteristics are analyzed.Consistent anomaly distribution is the main spatial model of extreme precipitation event frequency in flood season over Three Gorges Reservoir area.The spatial distribution of extreme precipitation event frequency is complex with anomaly difference between in the south and west，and in the east and west of Three Gorges Reservoir area，which can be divided into five main regions.The moving t-test analysis shows that there are abrupt changes of Banan in 1974，Beibei in 1981 and 1993，and Wulong in 1984 for the extreme precipitation event frequency.The Maximum Entropy Spectral and Estimation Power Spectral analysis shows that the periodic oscillations of these regions are not consistent in recent 50 a.The distinct periodic oscillation of the extreme precipitation event frequency of Yichang，Beibei and Wulong is 5，2.4 and 8.3 a，respectively.

Three Gorges Reservoir area;extreme precipitation event;temporal and spatial variation;rotated principal component

* 重慶市氣象局重點業(yè)務(wù)建設(shè)項目(2010)“氣候變化對三峽庫區(qū)水資源的影響評估研究”資助.2011－10－15收稿;2011－12－18收修改稿.劉曉冉，男，1982年生，博士研究生，工程師;E-mail:liuxiaoran8283@126.com.