鄱阳湖流域1961—2010年极端降水变化分析

高 冰，任依清（中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083）



鄱阳湖流域1961—2010年极端降水变化分析

高 冰，任依清
（中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083）

摘要：基于鄱阳湖流域14个国家气象站1961—2010年的日降水量数据，采用百分位法定义阈值，识别极端降水事件；采用线性回归方法进行趋势检验，进而对鄱阳湖流域1961—2010年极端降水的时空变化特征进行分析。结果表明，相比年降水，流域极端降水的变化趋势更为明显；1961—2010年鄱阳湖流域极端强降水强度呈显著增大趋势而极端强降水天数显著减小；极端降水强度增大的区域主要分布在赣江流域和抚河流域。1961—2010年鄱阳湖流域大部分站点极端降水不存在突变，降水在时间上有分布更加集中的趋势。鄱阳湖流域极端降水的上述变化，对流域水资源管理提出了更加严峻的挑战。

关键词：鄱阳湖流域；极端降水；气候变化；极端降水强度；趋势分析

鄱阳湖流域位于长江中下游地区，人口众多，农业发达；鄱阳湖区不仅能够对长江干流洪水起到调节作用，也是许多重要物种的栖息地。近20年来流域洪水、干旱频发，由此引发的水资源问题及湖区生态问题得到了广泛关注。已有学者对鄱阳湖流域降水的变化特征进行了分析。彭锐等[3]采用距平分析等统计方法研究了鄱阳湖区1959—2003年的降水变化年尺度周期性特征；郭华等[4]分析了1961—2003年间鄱阳湖流域降水变化趋势，认为鄱阳湖流域年降水在1990年发生突变，继而呈显著上升趋势。霍雨等[5]采用统计方法分析了鄱阳湖流域1950—2005年的降水变化特征，认为鄱阳湖流域各站年降水量呈上升趋势，春秋两季呈不明显的下降趋势，而夏冬两季降水逐年增加。Su等[6]基于1951—2002年51个气象站的实测降水资料，采用统计方法分析了长江流域降水的变化规律，认为总体而言1951—2002年鄱阳湖流域暴雨出现的频率和强度有增大趋势。

已有研究对鄱阳湖流域年、季节降水变化特征有比较充分的研究，但对于流域极端降水的时空变化特征及规律的研究较少。本文收集了鄱阳湖流域14个国家气象站的日降水数据，并采用适当的阈值识别极端降水事件，分析极端降水强度和频率的变化特征，研究结果可以流域水资源管理提供参考。

1 数据来源和研究方法

1. 1 研究区域及数据来源

鄱阳湖流域是长江中下游重要的子流域，流域面积16. 2万km2，地势东、西、南高而北低，流域主要包括鄱阳湖区及上游赣江、抚河、信江、修水、饶河等“五水”水系。鄱阳湖区与长江干流连通，其水位既受到干流流量过程的影响，也受到上游“五水”流域降水产流的影响；流域内降水变化对鄱阳湖湖泊水位有较大影响。鄱阳湖流域地处东亚季风气候区，降水年内分配不均，主要集中在3—8月，其降水总量占全年的70%左右[5]，月降水最大值通常出现在5月或6月，月降水最小值通常出现在12月。流域极端降水大部分出现在3—8月，尤以5月或6月出现频率最大，短时强降水是造成流域极端洪水的重要原因。

本研究所采用的基础数据为鄱阳湖流域14个国家气象站1961—2010年的逐日降水数据。数据来源于国家气象数据共享服务网。研究选用的气象站点名称及其空间分布如图1所示。

图1 研究区域气象站点分布

1. 2 研究方法

对于极端降水的识别，目前尚无统一的方法，大多数研究者采用阈值指数法[7]，即采用统计方法对时间序列进行分析，选定某一阈值，大于该阈值的事件，识别为极端降水事件。本文采用较为常用的百分位法定义阈值，即将日降水量序列按升序排列，分别取日降水量大于或等于0. 1 mm的子样本的第95及第99个百分位数，定义为两个不同的极端降水阈值，作为识别极端降水事件的标准。

采用线性回归方法对极端降水的强度及频率（文中用极端降水天数表示降水频率）进行分析，并采用施能等[8-9]提出的方法计算极端降水特征量的趋势系数和倾向率。趋势系数定义为n个时刻的变量序列与自然数序列（1，2，…，n）的相关系数，其中n为研究时段总年数。倾向率为变量序列对时间的线性回归方程的斜率。趋势系数大于零表示增加，小于零表示减少。研究中还采用Mann-Kendall方法[10]对极端降水特征量进行了突变分析。研究中统计检验采用的显著性水平α＝0. 05。

神人兽面纹与鸟纹在这面钺上分别置于刃角的上下方，它们是有不同的功能的。神人兽面纹是族徽或者说墓主人个人的标志。而鸟纹很可能才是真正的神，是历代良渚人共同的信仰。这种鸟纹在玉琮中不独立出现了，它被整合到神人兽面纹之中，而在这儿出现了。它说明，虽然鸟图腾的意识在这个时候已经淡化，但并没有消除。

2 年降水变化分析

基于14个气象站日降水数据，计算得到14个站点的年降水，通过泰森多边形法插值得到流域平均年降水值。1961—2010年鄱阳湖流域年降水的变化如图2所示，从图2可以看出，鄱阳湖流域年降水变化并不显著，仅存在微弱的上升趋势。经计算年降水的趋势系数为0. 10，未通过显著性水平α＝0. 05的统计检验，倾向率为1. 7 mm/ a。从图2可以看出年降水存在一定的年际变化，1991—2010年流域年降水波动较大，1991—2000年流域降水较多，为显著的丰水期，但2000年之后流域年降水偏少。

图2 1961—2010年鄱阳湖流域年降水变化

3 极端降水变化特征分析

采用线性回归方法，分别对1961—2010年鄱阳湖流域14个气象站的单站和站点平均极端降水特征量进行趋势检验。所研究的特征量包括95%和99%分位数对应的极端强降水强度和极端强降水天数。表1和表2给出了各站点趋势系数和倾向率的计算结果。图3给出了根据站点计算结果插值得到的鄱阳湖极端降水特征量趋势系数的空间分布（空间插值方法为距离反比法）。由于计算得到的99%分位数对应的极端降水天数的趋势系数趋近于零，因此在图3中未画出。

表1 鄱阳湖流域14个气象站点极端降水特征量趋势系数

表2 鄱阳湖流域14个气象站点极端降水特征量倾向率

图3 极端降水特征量趋势系数空间分布等值线

从表1、表2及图3可以看出，极端强降水的强度和天数的变化存在一定的空间变异性。由表1和图3（a）可以看出，大多数站点95%分位数极端强降水强度呈增大趋势，其中庐山、樟树、南城、广昌、景德镇5个站点正趋势显著，其趋势系数通过了显著性水平α＝0. 05的统计检验；而仅有贵溪、修水2个站点呈微弱的减小趋势，未通过显著性检验。此外，吉安和南昌2个站点趋势系数较大，为0. 27，接近显著性水平α＝0. 05的统计检验临界值（0. 28），且具有较大的气候倾向率（表2）。这表明，极端降水强度增大的地区主要在鄱阳湖流域中部和东部，即赣江流域下游及抚河流域。由图3（b）和表1可以看出各站趋势系数均小于零，这表明各站95%分位数极端降水天数均呈现减少趋势，其中修水、宜春、吉安、景德镇、玉山、南城、广昌7个站点极端降水天数减少趋势显著，其趋势系数通过了显著性水平α＝0. 05的统计检验。表1和图3（c）表明大部分站点99%分位数极端降水强度呈不显著的增大趋势，仅景德镇站有显著的增大，其趋势系数为0. 40；而修水、樟树2个站点99%分位数极端降水强度则呈微弱减小趋势（趋势系数小于零）。99%分位数极端降水天数并没有明显变化（表1和表2）。

图4 1961—2010年鄱阳湖流域极端降水强度及极端降水天数的时间序列

图4给出了1961—2010年流域站点平均的95%及99%分位数极端降水强度及95%分位数极端降水天数的时间序列，可知这50年内95%分位数对应的极端强降水天数平均值为7. 0 d。从图4可以看出，流域站点95%分位数对应的极端降水强度呈显著增大趋势，经计算其趋势系数为0. 35，通过了显著性水平α＝0. 05的统计检验；而流域站点95%分位数极端强降水天数呈显著的减少趋势，经计算其趋势系数为-0. 33，同样通过了显著性水平α＝0. 05的统计检验，这与表1、表2、图3的结果是一致的。以上分析表明1961—2010年鄱阳湖流域极端强降水强度呈显著增大趋势而强降水频率呈显著减小趋势。从图4可以看出，以99%分位数为阈值的极端降水强度虽然有所增大，但趋势并不显著，经计算其趋势系数为0. 17，未通过显著性水平α＝0. 05的统计检验。这表明鄱阳湖流域特大暴雨强度变化并不显著，只略有增加。极端强降水多发生在鄱阳湖流域汛期，极端降水强度的增大趋势如果在未来持续下去，将增大流域极端洪水发生的风险。对比图2与图4可以看出，尽管流域年降水量未发生显著变化，但流域极端降水强度和频率却存在显著变化趋势，这表明相比年降水量，鄱阳湖流域极端降水对气候的变化可能更为敏感。此外，对3—8月降水量在年降水量中所占比例进行了趋势分析，结果表明，除贵溪和赣州2站3—8月降水量在年降水量中所占比例的趋势系数小于零外，其余站点趋势系数均大于零，其中7个站点趋势系数大于0. 25，这从一个侧面反映了流域降水在时间上存在分布更加集中的趋势。

表3给出了1961—2010年极端降水特征量的突变分析结果，从表3可以看出1961—2010年流域大多数站点极端降水特征量不存在显著突变。对于95%分位数对应的极端降水强度而言，吉安和景德镇2站在1991年和1992年左右发生突变，樟树站在1998年发生突变，贵溪站在1979年发生突变，其余站点均未检测到明显突变。对于95%分位数对应的极端降水强度而言，只有景德镇站1个站点在1979年检测到突变。而99%分位数对应的极端降水强度也只有2个站点在1997年左右检测到突变。综上所述，整体而言，鄱阳湖流域极端降水在1961—2010年间不存在显著突变。

表3 鄱阳湖流域14个气象站点极端降水特征量突变分析结果

郭华等[4]研究认为1961—2003年鄱阳湖流域极端降水强度和频率均有所增加；Su等[6]研究也认为1961—2002年间鄱阳湖流域暴雨强度和天数均呈增加趋势。这与本文研究结果存在一定差异。可能原因是文献[4]和文献[6]研究中采用日降水50 mm/ d作为阈值来识别极端降水事件，与本研究中识别极端降水事件的阈值不同；另外文献[4]和文献[6]的研究时段与本研究也不相同，这些都导致了其研究结果与本文研究结果不一致。

4 结 论

a. 1961—2010年鄱阳湖流域年降水的变化趋势并不显著，但极端强降水存在显著变化，极端强降水强度存在显著增大趋势，而极端强降水频率存在显著减小趋势。降水强度显著增大的区域主要分布在赣江流域和抚河流域。极端降水并不存在突变。上述变化表明流域降水在时间上存在分布更加集中的趋势。相比年降水或季节平均降水，鄱阳湖流域极端降水对气候的变化更为敏感。极端降水的上述变化，将导致流域极端洪水的风险增大，防洪减灾面临更严峻的考验。

b.研究极端降水事件变化时，用于识别极端降水的阈值对研究结果有一定影响，今后研究中应进一步研究合适的阈值确定方法，并分析影响阈值变化的可能因素。

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•简讯•

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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 编辑：骆超）

作者简介：高冰（1984—），男，讲师，博士，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：gb03@ cugb. edu. cn

基金项目：国家自然科学基金（51309205）；教育部博士点基金（20130022120004）；中央高校基本科研业务费专项（2652013023）

中图分类号：P426. 61＋4

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0031 05