張 群

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

受氣候變化影響，區(qū)域極端降雨頻發(fā)，造成的損失也越來(lái)越大[1]，極端降水引發(fā)的山區(qū)洪澇災(zāi)害已經(jīng)成為社會(huì)公眾關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)[2]。為此，國(guó)際氣象組織針對(duì)氣候變化引起的極端氣候構(gòu)建27個(gè)指數(shù)進(jìn)行分析[3]，其中10個(gè)為極端降水指數(shù)。近些年來(lái)，區(qū)域極端降水指數(shù)研究逐步得到國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[4- 9]，各成果通過對(duì)極端降水指數(shù)時(shí)空變化分析來(lái)指導(dǎo)區(qū)域防洪減災(zāi)規(guī)劃[10]。當(dāng)前，極端降水事件頻發(fā)的原因逐步得到國(guó)內(nèi)外氣象水文學(xué)者的關(guān)注，通過建立大氣環(huán)流指數(shù)和極端降水指數(shù)之間的相關(guān)性，從而分析影響極端降水指數(shù)的大氣環(huán)流影響因子[11- 14]。遼寧東南部山區(qū)屬于極端降水易發(fā)區(qū)域，受氣候變化影響，其極端降水引發(fā)的洪澇災(zāi)害損失已經(jīng)成為其主要的災(zāi)害之一[15]，為科學(xué)指導(dǎo)遼寧東南部山區(qū)防洪減災(zāi)規(guī)劃，需要對(duì)區(qū)域極端降水指數(shù)時(shí)空變化進(jìn)行重點(diǎn)分析，并對(duì)其主要影響的大氣環(huán)流因子進(jìn)行研究。為此本文結(jié)合10項(xiàng)極端降水指數(shù)，分別應(yīng)用趨勢(shì)檢驗(yàn)以及Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)遼寧東南部山區(qū)極端降水指數(shù)及其余大氣環(huán)流的相關(guān)性進(jìn)行重點(diǎn)分析，成果可用于防洪減災(zāi)規(guī)劃。

1 研究方法

1.1 極端降水指數(shù)選取

在國(guó)際氣象組織推薦的27個(gè)極端氣候指數(shù)中選取10個(gè)極端降水指數(shù)，選取結(jié)果見表1。結(jié)合泰森多邊形法對(duì)其面降水極端指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表1 10項(xiàng)選取的極端降水指數(shù)

1.2 趨勢(shì)檢驗(yàn)的方法

該方法通過設(shè)定檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)變量序列(x1，x2，…，xn)為獨(dú)立且來(lái)自同一個(gè)樣本總體的數(shù)據(jù)，應(yīng)用變量統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，其變量統(tǒng)計(jì)方程為：

(1)

xi>xj(1≤j≤i)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中，S—檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量；xi、xj—分別為來(lái)自同一個(gè)樣本總體的不同樣本數(shù)據(jù)系列；σs—樣本檢驗(yàn)的方差值；sign—計(jì)算符號(hào)；n—總體樣本的個(gè)數(shù)；Z—樣本檢驗(yàn)的水平，Z>0，表示為檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)系列呈現(xiàn)遞增變化，Z<0，則表示為檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)系列呈現(xiàn)遞減變化，但檢驗(yàn)水平的絕對(duì)值分別大于或者等于2.32、1.64、1.28，表示其檢驗(yàn)水平分別達(dá)到99%、95%、90%。

2 研究結(jié)果

2.1 區(qū)域概況

本文以本溪地區(qū)為研究區(qū)域，區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懠撅L(fēng)性氣候，多年平均降水量主要為800～1000mm，50%以上的降水主要集中6—8月，降水年際變化差異性較大，年降水呈現(xiàn)遞減變化趨勢(shì)，但趨勢(shì)顯著性較弱。區(qū)域內(nèi)降水站點(diǎn)分布較為廣泛，布設(shè)降水站點(diǎn)35個(gè)，各降水站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域降水站點(diǎn)分布

2.2 極端降水指數(shù)時(shí)間變化特征

結(jié)合遼寧東南部山區(qū)35個(gè)站點(diǎn)1955—2016年降水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了區(qū)域近64年各極端降水指數(shù)的時(shí)間變化特征，結(jié)果如圖2所示。結(jié)合非線性趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)各指數(shù)的趨勢(shì)變化進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 各極端降水指數(shù)非線性顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

從表2中可看出，最大1日、5日、雨強(qiáng)及極強(qiáng)降水4項(xiàng)指數(shù)呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，其余各指數(shù)呈現(xiàn)遞減變化。各指數(shù)變化具有相似性，其中最大1日以及極強(qiáng)降水指數(shù)的趨勢(shì)顯著性達(dá)到90%。從圖2中可看出，近64年，遼寧東南部山區(qū)中雨和大雨日數(shù)有所下降，下降傾斜率均值分別為-1.45d/10a和-0.41d/10a。強(qiáng)降水和極強(qiáng)降水呈現(xiàn)遞增變化，其中極強(qiáng)降水的變化最為顯著，其非線性顯著性水平達(dá)到90%。而從其持續(xù)干旱變化可看出，持續(xù)干期遞減明顯，主要遼東南部區(qū)域?qū)儆诮邓枯^為充沛的地區(qū)，而持續(xù)濕期變化顯著性較低，主要是其降水持續(xù)天數(shù)較短。最大1日和極強(qiáng)降水變化較為相似，均通過90%的顯著性檢驗(yàn)，遞增變化趨勢(shì)十分明顯。受到持續(xù)干期和濕期影響，區(qū)域年降水總量呈現(xiàn)一定的遞減變化，但遞減顯著性較弱。從降水強(qiáng)度變化特征可看出，受氣候變化影響，區(qū)域降水強(qiáng)度呈現(xiàn)較為明顯的上升變化，其強(qiáng)度有所加劇。

2.3 極端降水指數(shù)空間變化特征

對(duì)各區(qū)域極端降水指數(shù)傾斜率空間變化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，空間上，除干濕變化特征外，其余8項(xiàng)極端降水指數(shù)在空間上呈現(xiàn)由南到北逐步遞減變化規(guī)律，從其各極端降水指數(shù)空間分布可看出，其空間變化存在一定的差異性。R10mm呈現(xiàn)遞減變化的降水站點(diǎn)的數(shù)目比重為60%，主要分布在區(qū)域南部和中部，而80%的R20mm呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化，主要分布在中部區(qū)域，和R20mm空間變化較為相似，45%的R95p站點(diǎn)數(shù)遞減顯著性變化可達(dá)到90%的檢驗(yàn)水平。43%的R99p站點(diǎn)數(shù)呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)，但空間變化趨勢(shì)性較低。CDD遞減變化顯著的站點(diǎn)比例達(dá)到65%，且遞減顯著性明顯高于其他指標(biāo)。CWD指數(shù)中有35%的站點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但總體趨勢(shì)顯著性變化不強(qiáng)。RX1day和RX5day變化具有相似性，分別有75%和73%的站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著上升的變化，52%的PRCPTOT站點(diǎn)呈現(xiàn)一定的下降變化，而62%的SDII站點(diǎn)通過顯著性為90%的遞增變化檢驗(yàn)。

圖2 遼寧東南部山區(qū)1955—2018年各極端降水指數(shù)時(shí)間變化特征

圖3 1955—2018年遼寧東南部山區(qū)極端降水指數(shù)傾斜率空間分布特征

2.4 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流的相關(guān)性分析

在各極端降水指數(shù)時(shí)空分布特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合5種模式下的大氣環(huán)境因子，分析極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流的相關(guān)性，分析結(jié)果見表3—7。

表3 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子MEI的相關(guān)性分析結(jié)果

注：*和**分別表示顯著水平達(dá)0.05和0.01。

表4 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子AO的相關(guān)性分析結(jié)果

注：*表示顯著水平達(dá)0.01。

表5 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子NAO的相關(guān)性分析結(jié)果

注：*表示顯著水平達(dá)0.05。

表6 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子PDO的相關(guān)性分析結(jié)果

注：*表示顯著水平達(dá)0.05。

表7 極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子SOI的相關(guān)性分析結(jié)果

注：*和**分別表示顯著水平達(dá)0.05和0.01。

從各降水指數(shù)和大氣環(huán)流的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，各極端降水指數(shù)均與北極濤動(dòng)(AO)相關(guān)程度最高，其相關(guān)系數(shù)大都可達(dá)到0.05的顯著性變化水平。而RX1day和RX5day與北極濤動(dòng)(AO)也具有較好的相關(guān)性，可見北極濤動(dòng)(AO)是影響遼寧東南部山區(qū)極端降水指數(shù)變化的最為明顯的因素。CWD與AO、NAO的相關(guān)性可達(dá)到0.05的顯著性變化水平，說(shuō)明這兩項(xiàng)指標(biāo)也是區(qū)域持續(xù)濕期變化的主要影響因素。PDO指數(shù)與R99p、RX1day以及SDII的相關(guān)性水平也可達(dá)到0.01的檢驗(yàn)水平，也可表明太平洋年代際振蕩對(duì)遼寧東部山區(qū)的降水極端指數(shù)也呈現(xiàn)一定程度的影響。

3 主要結(jié)論

(1)從2000年以后，遼寧東南部山區(qū)極端降水指數(shù)上升趨勢(shì)均較為明顯，尤其是應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合RX1day和RX5day變化趨勢(shì)進(jìn)行防洪規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的提升。

(2)遼寧東南部各極端降水指數(shù)50%～70%的上升趨勢(shì)明顯的站點(diǎn)均分布在其南部和北部山區(qū)，應(yīng)盡量向這一區(qū)域的山洪及中小河流治理規(guī)劃進(jìn)行相應(yīng)的傾斜。

(3)本文只探討了極端降水指數(shù)與大氣環(huán)流因子之間的相關(guān)性，未來(lái)還需針對(duì)其影響內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行深入研究。