高 冰，任依清（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

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鄱陽(yáng)湖流域1961—2010年極端降水變化分析

高 冰，任依清
（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

摘要：基于鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)國(guó)家氣象站1961—2010年的日降水量數(shù)據(jù)，采用百分位法定義閾值，識(shí)別極端降水事件；采用線性回歸方法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)鄱陽(yáng)湖流域1961—2010年極端降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，相比年降水，流域極端降水的變化趨勢(shì)更為明顯；1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域極端強(qiáng)降水強(qiáng)度呈顯著增大趨勢(shì)而極端強(qiáng)降水天數(shù)顯著減?。粯O端降水強(qiáng)度增大的區(qū)域主要分布在贛江流域和撫河流域。1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域大部分站點(diǎn)極端降水不存在突變，降水在時(shí)間上有分布更加集中的趨勢(shì)。鄱陽(yáng)湖流域極端降水的上述變化，對(duì)流域水資源管理提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：鄱陽(yáng)湖流域；極端降水；氣候變化；極端降水強(qiáng)度；趨勢(shì)分析

鄱陽(yáng)湖流域位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，人口眾多，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)；鄱陽(yáng)湖區(qū)不僅能夠?qū)﹂L(zhǎng)江干流洪水起到調(diào)節(jié)作用，也是許多重要物種的棲息地。近20年來(lái)流域洪水、干旱頻發(fā)，由此引發(fā)的水資源問(wèn)題及湖區(qū)生態(tài)問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注。已有學(xué)者對(duì)鄱陽(yáng)湖流域降水的變化特征進(jìn)行了分析。彭銳等[3]采用距平分析等統(tǒng)計(jì)方法研究了鄱陽(yáng)湖區(qū)1959—2003年的降水變化年尺度周期性特征；郭華等[4]分析了1961—2003年間鄱陽(yáng)湖流域降水變化趨勢(shì)，認(rèn)為鄱陽(yáng)湖流域年降水在1990年發(fā)生突變，繼而呈顯著上升趨勢(shì)。霍雨等[5]采用統(tǒng)計(jì)方法分析了鄱陽(yáng)湖流域1950—2005年的降水變化特征，認(rèn)為鄱陽(yáng)湖流域各站年降水量呈上升趨勢(shì)，春秋兩季呈不明顯的下降趨勢(shì)，而夏冬兩季降水逐年增加。Su等[6]基于1951—2002年51個(gè)氣象站的實(shí)測(cè)降水資料，采用統(tǒng)計(jì)方法分析了長(zhǎng)江流域降水的變化規(guī)律，認(rèn)為總體而言1951—2002年鄱陽(yáng)湖流域暴雨出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度有增大趨勢(shì)。

已有研究對(duì)鄱陽(yáng)湖流域年、季節(jié)降水變化特征有比較充分的研究，但對(duì)于流域極端降水的時(shí)空變化特征及規(guī)律的研究較少。本文收集了鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)國(guó)家氣象站的日降水?dāng)?shù)據(jù)，并采用適當(dāng)?shù)拈撝底R(shí)別極端降水事件，分析極端降水強(qiáng)度和頻率的變化特征，研究結(jié)果可以流域水資源管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1. 1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

鄱陽(yáng)湖流域是長(zhǎng)江中下游重要的子流域，流域面積16. 2萬(wàn)km2，地勢(shì)東、西、南高而北低，流域主要包括鄱陽(yáng)湖區(qū)及上游贛江、撫河、信江、修水、饒河等“五水”水系。鄱陽(yáng)湖區(qū)與長(zhǎng)江干流連通，其水位既受到干流流量過(guò)程的影響，也受到上游“五水”流域降水產(chǎn)流的影響；流域內(nèi)降水變化對(duì)鄱陽(yáng)湖湖泊水位有較大影響。鄱陽(yáng)湖流域地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在3—8月，其降水總量占全年的70%左右[5]，月降水最大值通常出現(xiàn)在5月或6月，月降水最小值通常出現(xiàn)在12月。流域極端降水大部分出現(xiàn)在3—8月，尤以5月或6月出現(xiàn)頻率最大，短時(shí)強(qiáng)降水是造成流域極端洪水的重要原因。

本研究所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)國(guó)家氣象站1961—2010年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。研究選用的氣象站點(diǎn)名稱及其空間分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布

1. 2 研究方法

對(duì)于極端降水的識(shí)別，目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法，大多數(shù)研究者采用閾值指數(shù)法[7]，即采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分析，選定某一閾值，大于該閾值的事件，識(shí)別為極端降水事件。本文采用較為常用的百分位法定義閾值，即將日降水量序列按升序排列，分別取日降水量大于或等于0. 1 mm的子樣本的第95及第99個(gè)百分位數(shù)，定義為兩個(gè)不同的極端降水閾值，作為識(shí)別極端降水事件的標(biāo)準(zhǔn)。

采用線性回歸方法對(duì)極端降水的強(qiáng)度及頻率（文中用極端降水天數(shù)表示降水頻率）進(jìn)行分析，并采用施能等[8-9]提出的方法計(jì)算極端降水特征量的趨勢(shì)系數(shù)和傾向率。趨勢(shì)系數(shù)定義為n個(gè)時(shí)刻的變量序列與自然數(shù)序列（1，2，…，n）的相關(guān)系數(shù)，其中n為研究時(shí)段總年數(shù)。傾向率為變量序列對(duì)時(shí)間的線性回歸方程的斜率。趨勢(shì)系數(shù)大于零表示增加，小于零表示減少。研究中還采用Mann-Kendall方法[10]對(duì)極端降水特征量進(jìn)行了突變分析。研究中統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)采用的顯著性水平α＝0. 05。

神人獸面紋與鳥(niǎo)紋在這面鉞上分別置于刃角的上下方，它們是有不同的功能的。神人獸面紋是族徽或者說(shuō)墓主人個(gè)人的標(biāo)志。而鳥(niǎo)紋很可能才是真正的神，是歷代良渚人共同的信仰。這種鳥(niǎo)紋在玉琮中不獨(dú)立出現(xiàn)了，它被整合到神人獸面紋之中，而在這兒出現(xiàn)了。它說(shuō)明，雖然鳥(niǎo)圖騰的意識(shí)在這個(gè)時(shí)候已經(jīng)淡化，但并沒(méi)有消除。

2 年降水變化分析

基于14個(gè)氣象站日降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算得到14個(gè)站點(diǎn)的年降水，通過(guò)泰森多邊形法插值得到流域平均年降水值。1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域年降水的變化如圖2所示，從圖2可以看出，鄱陽(yáng)湖流域年降水變化并不顯著，僅存在微弱的上升趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算年降水的趨勢(shì)系數(shù)為0. 10，未通過(guò)顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，傾向率為1. 7 mm/ a。從圖2可以看出年降水存在一定的年際變化，1991—2010年流域年降水波動(dòng)較大，1991—2000年流域降水較多，為顯著的豐水期，但2000年之后流域年降水偏少。

圖2 1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域年降水變化

3 極端降水變化特征分析

采用線性回歸方法，分別對(duì)1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)氣象站的單站和站點(diǎn)平均極端降水特征量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)。所研究的特征量包括95%和99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端強(qiáng)降水強(qiáng)度和極端強(qiáng)降水天數(shù)。表1和表2給出了各站點(diǎn)趨勢(shì)系數(shù)和傾向率的計(jì)算結(jié)果。圖3給出了根據(jù)站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果插值得到的鄱陽(yáng)湖極端降水特征量趨勢(shì)系數(shù)的空間分布（空間插值方法為距離反比法）。由于計(jì)算得到的99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端降水天數(shù)的趨勢(shì)系數(shù)趨近于零，因此在圖3中未畫(huà)出。

表1 鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)氣象站點(diǎn)極端降水特征量趨勢(shì)系數(shù)

表2 鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)氣象站點(diǎn)極端降水特征量?jī)A向率

圖3 極端降水特征量趨勢(shì)系數(shù)空間分布等值線

從表1、表2及圖3可以看出，極端強(qiáng)降水的強(qiáng)度和天數(shù)的變化存在一定的空間變異性。由表1和圖3（a）可以看出，大多數(shù)站點(diǎn)95%分位數(shù)極端強(qiáng)降水強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，其中廬山、樟樹(shù)、南城、廣昌、景德鎮(zhèn)5個(gè)站點(diǎn)正趨勢(shì)顯著，其趨勢(shì)系數(shù)通過(guò)了顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；而僅有貴溪、修水2個(gè)站點(diǎn)呈微弱的減小趨勢(shì)，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。此外，吉安和南昌2個(gè)站點(diǎn)趨勢(shì)系數(shù)較大，為0. 27，接近顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)臨界值（0. 28），且具有較大的氣候傾向率（表2）。這表明，極端降水強(qiáng)度增大的地區(qū)主要在鄱陽(yáng)湖流域中部和東部，即贛江流域下游及撫河流域。由圖3（b）和表1可以看出各站趨勢(shì)系數(shù)均小于零，這表明各站95%分位數(shù)極端降水天數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中修水、宜春、吉安、景德鎮(zhèn)、玉山、南城、廣昌7個(gè)站點(diǎn)極端降水天數(shù)減少趨勢(shì)顯著，其趨勢(shì)系數(shù)通過(guò)了顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。表1和圖3（c）表明大部分站點(diǎn)99%分位數(shù)極端降水強(qiáng)度呈不顯著的增大趨勢(shì)，僅景德鎮(zhèn)站有顯著的增大，其趨勢(shì)系數(shù)為0. 40；而修水、樟樹(shù)2個(gè)站點(diǎn)99%分位數(shù)極端降水強(qiáng)度則呈微弱減小趨勢(shì)（趨勢(shì)系數(shù)小于零）。99%分位數(shù)極端降水天數(shù)并沒(méi)有明顯變化（表1和表2）。

圖4 1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域極端降水強(qiáng)度及極端降水天數(shù)的時(shí)間序列

圖4給出了1961—2010年流域站點(diǎn)平均的95%及99%分位數(shù)極端降水強(qiáng)度及95%分位數(shù)極端降水天數(shù)的時(shí)間序列，可知這50年內(nèi)95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端強(qiáng)降水天數(shù)平均值為7. 0 d。從圖4可以看出，流域站點(diǎn)95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端降水強(qiáng)度呈顯著增大趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算其趨勢(shì)系數(shù)為0. 35，通過(guò)了顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；而流域站點(diǎn)95%分位數(shù)極端強(qiáng)降水天數(shù)呈顯著的減少趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算其趨勢(shì)系數(shù)為-0. 33，同樣通過(guò)了顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，這與表1、表2、圖3的結(jié)果是一致的。以上分析表明1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域極端強(qiáng)降水強(qiáng)度呈顯著增大趨勢(shì)而強(qiáng)降水頻率呈顯著減小趨勢(shì)。從圖4可以看出，以99%分位數(shù)為閾值的極端降水強(qiáng)度雖然有所增大，但趨勢(shì)并不顯著，經(jīng)計(jì)算其趨勢(shì)系數(shù)為0. 17，未通過(guò)顯著性水平α＝0. 05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。這表明鄱陽(yáng)湖流域特大暴雨強(qiáng)度變化并不顯著，只略有增加。極端強(qiáng)降水多發(fā)生在鄱陽(yáng)湖流域汛期，極端降水強(qiáng)度的增大趨勢(shì)如果在未來(lái)持續(xù)下去，將增大流域極端洪水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比圖2與圖4可以看出，盡管流域年降水量未發(fā)生顯著變化，但流域極端降水強(qiáng)度和頻率卻存在顯著變化趨勢(shì)，這表明相比年降水量，鄱陽(yáng)湖流域極端降水對(duì)氣候的變化可能更為敏感。此外，對(duì)3—8月降水量在年降水量中所占比例進(jìn)行了趨勢(shì)分析，結(jié)果表明，除貴溪和贛州2站3—8月降水量在年降水量中所占比例的趨勢(shì)系數(shù)小于零外，其余站點(diǎn)趨勢(shì)系數(shù)均大于零，其中7個(gè)站點(diǎn)趨勢(shì)系數(shù)大于0. 25，這從一個(gè)側(cè)面反映了流域降水在時(shí)間上存在分布更加集中的趨勢(shì)。

表3給出了1961—2010年極端降水特征量的突變分析結(jié)果，從表3可以看出1961—2010年流域大多數(shù)站點(diǎn)極端降水特征量不存在顯著突變。對(duì)于95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端降水強(qiáng)度而言，吉安和景德鎮(zhèn)2站在1991年和1992年左右發(fā)生突變，樟樹(shù)站在1998年發(fā)生突變，貴溪站在1979年發(fā)生突變，其余站點(diǎn)均未檢測(cè)到明顯突變。對(duì)于95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端降水強(qiáng)度而言，只有景德鎮(zhèn)站1個(gè)站點(diǎn)在1979年檢測(cè)到突變。而99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的極端降水強(qiáng)度也只有2個(gè)站點(diǎn)在1997年左右檢測(cè)到突變。綜上所述，整體而言，鄱陽(yáng)湖流域極端降水在1961—2010年間不存在顯著突變。

表3 鄱陽(yáng)湖流域14個(gè)氣象站點(diǎn)極端降水特征量突變分析結(jié)果

郭華等[4]研究認(rèn)為1961—2003年鄱陽(yáng)湖流域極端降水強(qiáng)度和頻率均有所增加；Su等[6]研究也認(rèn)為1961—2002年間鄱陽(yáng)湖流域暴雨強(qiáng)度和天數(shù)均呈增加趨勢(shì)。這與本文研究結(jié)果存在一定差異。可能原因是文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]研究中采用日降水50 mm/ d作為閾值來(lái)識(shí)別極端降水事件，與本研究中識(shí)別極端降水事件的閾值不同；另外文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]的研究時(shí)段與本研究也不相同，這些都導(dǎo)致了其研究結(jié)果與本文研究結(jié)果不一致。

4 結(jié) 論

a. 1961—2010年鄱陽(yáng)湖流域年降水的變化趨勢(shì)并不顯著，但極端強(qiáng)降水存在顯著變化，極端強(qiáng)降水強(qiáng)度存在顯著增大趨勢(shì)，而極端強(qiáng)降水頻率存在顯著減小趨勢(shì)。降水強(qiáng)度顯著增大的區(qū)域主要分布在贛江流域和撫河流域。極端降水并不存在突變。上述變化表明流域降水在時(shí)間上存在分布更加集中的趨勢(shì)。相比年降水或季節(jié)平均降水，鄱陽(yáng)湖流域極端降水對(duì)氣候的變化更為敏感。極端降水的上述變化，將導(dǎo)致流域極端洪水的風(fēng)險(xiǎn)增大，防洪減災(zāi)面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

b.研究極端降水事件變化時(shí)，用于識(shí)別極端降水的閾值對(duì)研究結(jié)果有一定影響，今后研究中應(yīng)進(jìn)一步研究合適的閾值確定方法，并分析影響閾值變化的可能因素。

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?簡(jiǎn)訊?

本刊“工程技術(shù)”欄目被評(píng)為“2015年中國(guó)高校技術(shù)類期刊優(yōu)秀欄目”

2015年12月本刊“工程技術(shù)”欄目被中國(guó)高?？萍计诳芯繒?huì)技術(shù)類期刊專委會(huì)評(píng)為“2015年中國(guó)高校技術(shù)類期刊優(yōu)秀欄目”。該欄目主要報(bào)道工程規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、管理中創(chuàng)新性的技術(shù)和方法，涉及學(xué)科方向包括：①水資源利用、配置、節(jié)約和保護(hù)。②大江大河的綜合治理。③水利工程建設(shè)與運(yùn)行管理。④水環(huán)境與水生態(tài)保護(hù)。⑤河湖治理及海岸防護(hù)。⑥水管理及水利信息化。

該欄目知名度高，影響力大，受到各大水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院、工程局、水利局、施工單位及科研工作者的歡迎，表現(xiàn)為論文下載量大，社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益顯著：2009—2013河海期刊文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（http：/ / kkb. hhu. edu. cn/ zyjs/）中下載量最多的10篇論文有5篇為本刊“工程技術(shù)”欄目論文，截至2015年12月，這5篇論文合計(jì)下載量達(dá)16407次，篇均下載量達(dá)3281次。多篇論文在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，如《高壓噴射灌漿技術(shù)在云南病險(xiǎn)水庫(kù)加固工程中的應(yīng)用》一文應(yīng)用于4項(xiàng)水庫(kù)工程，總計(jì)經(jīng)濟(jì)效益2135. 8萬(wàn)元。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該專欄另有7篇論文榮獲省市級(jí)政府部門(mén)、省級(jí)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)。（本刊編輯部供稿）

Changes of extreme precipitation events in Poyang Lake Basin from 1961 to 2010/ /

GAO Bing，REN Yiqing（School of Water Resources and Environment，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：Based on the daily precipitation records at 14 national meteorological stations in Poyang Lake Basin from 1961 to 2010，extreme precipitation events were identified using a threshold determined with the percentile method. The spatial and temporal changes of extreme precipitation were analyzed，and the trends were examined through linear regression. The results show that，during the period from 1961 to 2010，extreme precipitation showed larger changes than annual precipitation. The intensity of extreme heavy precipitation showed a significantly increasing trend，while the duration of extreme heavy precipitation events showed a significantly decreasing trend. The areas showing a significantly increasing trend were mainly located in the Ganjiang Basin and Fuhe Basin. Extreme precipitation in most stations in the Poyang Lake Basin did not show abrupt change. The extreme precipitation events showed a more concentrated trend on a temporal scale. These changes of extreme precipitation events will lead to more serious challenges for water resources management in the Poyang Lake Basin.

Key words：Poyang Lake Basin；extreme precipitation；climatic change；intensity of extreme precipitation；trend analysis

收稿日期：（2015 10 11 編輯：駱超）

作者簡(jiǎn)介：高冰（1984—），男，講師，博士，主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail：gb03@ cugb. edu. cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51309205）；教育部博士點(diǎn)基金（20130022120004）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2652013023）

中圖分類號(hào)：P426. 61＋4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006 7647（2016）01 0031 05