肖 靜,張 鷺,林尤文

(海南省水文水資源勘測局，海南 ?？?570203)

IPCC(International Panel on Climate Change)第五次評估綜合報告指出，極端天氣和氣候事件自1950年以來已有變化，極端氣候亦發(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；熱帶氣旋活動增強(qiáng)。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)[3-4]。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)委員會共同推薦的極端降水指數(shù)，對國內(nèi)部分區(qū)域做了極端氣候研究[5-11]。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。本文開展海南島萬泉河流域極端降水指數(shù)變化研究，以期為萬泉河流域防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

萬泉河流域(圖1)屬熱帶和亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，受季風(fēng)影響大，四季不明顯，氣溫高，熱量豐富，日照充足，降雨集中，干濕季分明，雨量充沛。降水年內(nèi)分配不均，每年5—11月降水量約占全年的84%以上。本流域熱帶氣旋多發(fā)，登陸的熱帶氣旋每年約有4～6次。萬泉河為海南省第三大河流，分有南北兩源，均發(fā)源于瓊中縣五指山風(fēng)門嶺，南北源匯合于瓊海市合口咀。萬泉河向東或東北向流經(jīng)瓊中、屯昌、定安、文昌、萬寧等市縣，至瓊海市博鰲港入南海。南源稱乘坡河(也稱樂會水)為萬泉河干流，長度103 km，落差573 m，集水面積 1 387 km2；北源定安河(又稱大邊河)為萬泉河最大的一級支流，河長88 km，落差803 m，坡降2.89‰，集水面積1 222 km2。干流全長156.6 km，集水面積3 693 km2，總落差523.0 m，干流坡降1.12‰。萬泉河發(fā)育在五指山山脈東部以及向東北輻射的濱海平原地帶。地形西南高，東北低，由西南內(nèi)陸向東北沿海逐漸降低。流域內(nèi)下游有博鰲亞洲論壇、博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)等重要基礎(chǔ)設(shè)施及加積引用水源地等，萬泉河惠民作用顯著，極端降水研究十分必要。

圖1 萬泉河流域及選用站點(diǎn)

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 資料數(shù)據(jù)

為研究萬泉河流域極端氣候事件的變化規(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22個站點(diǎn)1979—2016年逐日降水資料，資料使用前已進(jìn)行異常值處理，其中南源含11個站點(diǎn)、北源含9個站點(diǎn)、中下流干流含2個站點(diǎn)，具體站點(diǎn)分布見圖1。流域極端降水指數(shù)是利用ArcGIS對22個站點(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個極端降水指標(biāo)來分析萬泉河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、月等不同時間尺度，但基于本文主要研究近38年來極端降水的時空格局變化，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。此外，這些指標(biāo)還能夠反映出極端降水在不同方面的變化，從而綜合反映極端降水的時空變化。

2.2 研究方法

利用線性趨勢法和滑動平均法對降水指數(shù)序列初步進(jìn)行趨勢分析，再利用Mann-Kendall[14-16]檢驗(yàn)法、滑動t檢驗(yàn)進(jìn)行序列趨勢和突變分析。本文給定顯著性水平α=0.05，MK檢驗(yàn)置信值±1.96，t檢驗(yàn)置信值±3.34。若UFk和 UBk兩條曲線超過置信區(qū)間，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域，若UFk和UBk出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在置信區(qū)間之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。如果UFk和UBk2條曲線交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線外，或出現(xiàn)多個交點(diǎn)，將進(jìn)一步采用滑動t檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。t值曲線超過置信區(qū)間視為發(fā)生突變。2種方法均有一定的局限性，需辯證使用。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水指數(shù)年均值的空間變化

萬泉河流域極端降水指數(shù)年均值的空間分布見圖2。流域PRCPTOT年均值為2 369 mm，各站點(diǎn)年均值在2 000～2 972 mm之間波動。北源(除思河站外)及中下游干流各站點(diǎn)PRCPTOT年均值在2 000～2 459 mm之間，相對波動較小；思河站PRCPTOT年均值為2 743 mm，差異性較大。南源各站點(diǎn)PRCPTOT年均值基本呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增加的分布，在2 174～2 972 mm之間波動，波動差798 mm；牛路嶺站PRCPTOT最大，為2 972 mm，其次為南茂站2 869 mm。流域CWD年均值為10.6 d，與其他7個指標(biāo)相比，CWD年均值空間分布在南源表現(xiàn)出更多的差異性，什仍站12.2 d為最大，南茂站12.1 d次之。流域SDII、R50、R100的年均值分別為18.5 mm/d、11.3 d、3.2 d，3個指標(biāo)的年均值空間分布與PRCPTOT年均值空間分布基本一致，SDII、R50、R100的最大值站點(diǎn)均為牛路嶺站，分別為21.7 mm/d、15.3 d、4.9 d，次大值站均為南茂站。流域年均值Rx1day、Rx3day、R99PTOT分別為191、320、329 mm，3個指標(biāo)空間分布相似但無顯著規(guī)律，北源及中下游干流均值空間分布與PRCPTOT年均值空間分布基本一致，但南源分布差異性較大；與PRCPTOT、SDII、R50、R100等4個指標(biāo)不同，最大值及次大值站為新安站、中平站。

a)PRCPTOT

總之，8個指標(biāo)年均值空間分布有較多的相似性，北源(除思河站外)及中下游干流為低值區(qū)，各站點(diǎn)年均值波動相對較小。而南源各站點(diǎn)的極端降水指數(shù)年均值整體波動較大，空間分布有更多的差異性；PRCPTOT、SDII、R50、R100基本呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增加的分布；Rx1day、Rx3day、R99PTOT空間分布相似但無顯著規(guī)律；CWD空間分布有更多的差異性。

3.2 極端降水指數(shù)變化趨勢的空間分布

采用線性趨勢法進(jìn)行極端降水指數(shù)趨勢分析，并進(jìn)行MK趨勢顯著性檢驗(yàn)(圖3)。流域PRCPTOT呈增加趨勢，增加速率58.0 mm/10a，站點(diǎn)增加率81.8%；中下游干流增加明顯，速率為85.3 mm/10a；南源增加較少，速率為35.6 mm/10a，11個站點(diǎn)中3個站點(diǎn)呈負(fù)增長，其中羅反站以244.1 mm/10a的速率減少，為流域減少最大；北源增加趨勢與整個流域基本一致，其中木色站以135.3 mm/10a的速率增加，為流域增加最大。流域CWD以0.35 d/10a的速率呈增加趨勢，除中下游干流瓊海站以0.01 d/10a的速率下降外，南源、北源分別以0.53、0.41 d/10a的速率增加，站點(diǎn)增加率達(dá)95.5%。流域SDII、R50、R100均呈增加趨勢，分別以0.05(mm/d)/10a、0.29 d/10a、0.11 d/10a的速率增加，站點(diǎn)增加率分別為45.5%、72.7%、54.5%；3個指標(biāo)在北源、中下游干流分布相似，均呈增加趨勢；南源SDII、R50、R100趨勢分化，R50以0.23 d/10a的速率增加，SDII、R100分別以0.34(mm/d)/10a、0.12 d/10a的速率減少。流域Rx1day、Rx3day、R99PTOT均呈增加趨勢，增加速率分別為4.9、5.8、6.4 mm/10a，站點(diǎn)增加率分別為59.1%、36.4%、45.5%；南源表現(xiàn)出較多的分化，Rx1day呈增加趨勢，Rx3day、R99PTOT呈減少趨勢，速率分別為0.9、-5.3、-4.5 mm/10a；北源3個指標(biāo)與流域趨勢基本一致；中下游干流增加明顯，增加速率分別為9.9、21.7、19.3 mm/10a。

a)PRCPTOT

總的來說，萬泉河流域8個指標(biāo)均呈增加趨勢，說明萬泉河流域極端降水呈增加趨勢。而南源、北源、中下游干流長期變化趨勢分化。南源PRCPTOT、CWD、R100、Rx1day增加，SDII、R50、Rx3day、R99PTOT減少，南源極端降水事件趨勢存在不確定性。北源、中下游干流各項(xiàng)指標(biāo)均呈增加趨勢，表明極端降水事件在增強(qiáng)。萬泉河流域8個極端降水指標(biāo)未通過顯著性檢驗(yàn)，僅有極個別站點(diǎn)的個別指標(biāo)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明該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。

3.3 極端降水指數(shù)的時間演化

圖4顯示了萬泉河流域極端降水指數(shù)隨時間的變化。PRCPTOT在21世紀(jì)之前大多為負(fù)距平，在正常范圍內(nèi)波動；21世紀(jì)以后年代際變化明顯，開始大起大落，2004年前呈減小趨勢，2005—2010年逐漸增加，2011年之后又逐漸減小，整體距平波動變大；2010、1989年為正距平大值(偏多689、681 mm，29.1%、28.8%)，為濕潤年份；2004、1987年為負(fù)距平大值(偏少996、826 mm，-42%、-35%)，為干旱年份。CWD呈現(xiàn)明顯的年代際變化，20世紀(jì)80年代中期至90年代初一直處于負(fù)距平偏少狀態(tài)，其中1991、1989年為負(fù)距平大值；90年代中期以后多為正距平，整體呈增加趨勢，1996年突然增多為正距平最大值，后逐漸減少呈波動周期變化。SDII、R50、R100變化趨勢與PRCPTOT變化趨勢同步，基本一致，整體在正常范圍內(nèi)波動，SDII、R100正距平大值均為2010、1989年，R50正距平大值為2009、1989年，3個指標(biāo)負(fù)距平大值均為2004、1987年，與PRCPTOT年份一樣；R100在2010、1989年偏多4.0、2.8 d，偏多百分比125%、88%，在2004、1987年偏少2.7、2.3 d，偏少百分比-84%、-73%，年際波動最大。Rx1day、Rx3day、R99PTOT的變化趨勢與PRCPTOT變化趨勢一致性同樣較高，Rx1day、R99PTOT正負(fù)距平大值年份與PRCPTOT年份一樣；Rx3day正距平大值為2010、1983年(偏多374、211 mm，117%、66%)，負(fù)距平大值為2004、1987年(偏少172、129 mm，-54%、-40%)，波動較PRCPTOT明顯偏大。

a)PRCPTOT

綜上所述，萬泉河流域極端降水指數(shù)除CWD外的7個指標(biāo)隨時間變化相似性較高。21世紀(jì)之前多為負(fù)距平，距平波動相對較??；21世紀(jì)之后年代際變化明顯，2004年前呈減小趨勢，2005—2010年逐漸增加，2011年后又逐漸減?。痪嗥阶畲笾的攴菁性?009、2010年，距平最小值年份集中在2004年。CWD年代際變化明顯，20世紀(jì)80年代中期至90年代初處于負(fù)距平偏少狀態(tài)；90年代中期以后呈增加趨勢，1996年為最大值，后逐漸減少呈周期波動變化。

3.4 極端降水指數(shù)突變分析

結(jié)合滑動平均及MK突變檢驗(yàn)、滑動t檢驗(yàn)對萬泉河流域極端降水指數(shù)進(jìn)行分析(圖5)。流域PRCPTOT的MK突變檢驗(yàn)中UF、UB在1980—1982、2008年出現(xiàn)多個交點(diǎn)；滑動t檢驗(yàn)在1995、2006—2008年超出置信區(qū)間；最終確定2008年為突變點(diǎn)，2008年以后降水突然增多，2015年突變結(jié)束。流域CWD在MK顯著性檢驗(yàn)中1982—1983、1986—1994年超過置信值，2003—2005年出現(xiàn)交點(diǎn)；滑動t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1983—1984、1989—1993年超過置信值；綜合表明CWD在1985年發(fā)生突變，突然減小，1994年突變結(jié)束。流域SDII、R50、R100的MK檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)中UF、UB及T曲線變化有高度的相似性；UF、UB在1980—1981、1989—1990、2007—2008年內(nèi)多次相交；1980—1981、1989—1990年內(nèi)UF、UB相交是指數(shù)突然增多導(dǎo)致，4個年份均為突變點(diǎn)；SDII、R100的滑動t檢驗(yàn)中在2006年超過置信值，最終確定3個指標(biāo)均在1980—1981、1989—1990年突變，SDII、R100還在2006年發(fā)生突變，突然增大。流域Rx1day、R99PTOT兩指標(biāo)的MK和滑動t檢驗(yàn)曲線變化有高度的相似性，2個指標(biāo)的UF、UB曲線在2007、2015年有交點(diǎn)，除此之外Rx1day在2000、2005年UF、UB有交點(diǎn)；Rx1day的t檢驗(yàn)在1996、1998年超過置信值，R99PTOT在1998年超過置信值；Rx1day較R99PTOT有更多的波動性；最終確定Rx1day、R99PTOT在2007、2015年突變。綜合MK及滑動t檢驗(yàn)結(jié)果，Rx3day在1984年突變，突然增多；在1989—1994年突變，突然減少。

a)PRCPTOT

c)SDII

4 結(jié)論與展望

a)萬泉河流域8個極端降水指標(biāo)年均值在北源(除思河站外)及中下游干流空間分布相似，站點(diǎn)年均值波動相對較小，無明顯規(guī)律。南源8個指標(biāo)年均值空間分布差異性較大，年均值整體波動較大；PRCPTOT、SDII、R50、R100呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增加的分布；Rx1day、Rx3day、R99PTOT空間分布相似但無顯著規(guī)律；CWD空間分布有更多的差異性。

b)萬泉河流域極端降水指數(shù)長期變化均呈增加趨勢，但未通過顯著性檢驗(yàn)，僅有極個別站點(diǎn)的個別指標(biāo)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明極端降水呈增加趨勢但不顯著。而南源、北源、中下游干流長期變化趨勢分化；北源、中下游干流各項(xiàng)指標(biāo)均呈增加趨勢；南源PRCPTOT、CWD、R100、Rx1day增加，SDII、R50、Rx3day、R99PTOT減少(主要受CWD增加影響)，說明南源降水在時間分布趨于均勻。

c)萬泉河極端降水指數(shù)呈現(xiàn)一定的年際和年代際規(guī)律。除CWD外的7個指標(biāo)在21世紀(jì)之前多為負(fù)距平，在正常范圍內(nèi)波動；21世紀(jì)后年代際變化明顯，起落顯著，整體距平波動變大。CWD在20世紀(jì)80年代中期至90年代初處于負(fù)距平偏少狀態(tài)；90年代中期以后呈增加趨勢，1996年為最大值，后逐漸減少呈波動周期變化。

d)萬泉河流域極端降水指數(shù)突變年份差異性較大。PRCPTOT在2008年發(fā)生突變，降水突然增多，2015年突變結(jié)束。CWD在1985年發(fā)生突變，突然減小，1994年突變結(jié)束。SDII、R50、R100均在1980—1981、1989—1990年突變，大小急轉(zhuǎn)；SDII、R100還在2006年發(fā)生突變，突然增大。Rx1day、R99PTOT在2007、2015年突變。Rx3day在1984年突變，突然增多；在1989—1994年突變，突然減少。

總之，萬泉河流域極端降水長期呈增加趨勢但不顯著，極端降水指標(biāo)年際波動變化較大，存在很大的不確定性。由于極端降水本身的特殊性和復(fù)雜性，本文對于引發(fā)極端降水的物理成因及機(jī)制并未進(jìn)行深入探討，這將是未來我們需要深入研究的方面。