万泉河流域极端降水时空变化特征分析

肖 静,张 鹭,林尤文

(海南省水文水资源勘测局，海南 海口 570203)

IPCC(International Panel on Climate Change)第五次评估综合报告指出，极端天气和气候事件自1950年以来已有变化，极端气候亦发频繁。从全球尺度评估：强降水发生的频率、强度和(或)降水量增加；干旱的强度和(或)干旱期增加；热带气旋活动增强。在全球持续变暖的趋势下，到21世纪末，中纬度大部分陆地区域与热带区域的湿区，极端降水事件将很可能更剧烈并更频繁[1-2]。对于极端降水及极端降水事件，目前还未有统一的定义及标准[3-4]。国内部分学者采用的是世界气象组织及其他气象技术委员会共同推荐的极端降水指数，对国内部分区域做了极端气候研究[5-11]。龙妍妍等[12]、武文博等[13]指出华南区极端降水呈增加趋势。本文开展海南岛万泉河流域极端降水指数变化研究，以期为万泉河流域防灾减灾工作提供理论支持。

1 研究区概况

万泉河流域(图1)属热带和亚热带海洋性季风气候，受季风影响大，四季不明显，气温高，热量丰富，日照充足，降雨集中，干湿季分明，雨量充沛。降水年内分配不均，每年5—11月降水量约占全年的84%以上。本流域热带气旋多发，登陆的热带气旋每年约有4～6次。万泉河为海南省第三大河流，分有南北两源，均发源于琼中县五指山风门岭，南北源汇合于琼海市合口咀。万泉河向东或东北向流经琼中、屯昌、定安、文昌、万宁等市县，至琼海市博鳌港入南海。南源称乘坡河(也称乐会水)为万泉河干流，长度103 km，落差573 m，集水面积 1 387 km2；北源定安河(又称大边河)为万泉河最大的一级支流，河长88 km，落差803 m，坡降2.89‰，集水面积1 222 km2。干流全长156.6 km，集水面积3 693 km2，总落差523.0 m，干流坡降1.12‰。万泉河发育在五指山山脉东部以及向东北辐射的滨海平原地带。地形西南高，东北低，由西南内陆向东北沿海逐渐降低。流域内下游有博鳌亚洲论坛、博鳌乐城国际医疗旅游先行区等重要基础设施及加积引用水源地等，万泉河惠民作用显著，极端降水研究十分必要。

图1 万泉河流域及选用站点

2 研究内容及方法

2.1 资料数据

为研究万泉河流域极端气候事件的变化规律，本文选取流域内降水资料完整、空间分布较为均匀的22个站点1979—2016年逐日降水资料，资料使用前已进行异常值处理，其中南源含11个站点、北源含9个站点、中下流干流含2个站点，具体站点分布见图1。流域极端降水指数是利用ArcGIS对22个站点进行空间插值所得。本文研究选取ETCCDI定义的与极端降水紧密相关的8个极端降水指标来分析万泉河流域极端降水变化特征，所选指标的定义及表示方式见表1。这些指标允许用于年、季、月等不同时间尺度，但基于本文主要研究近38年来极端降水的时空格局变化，因此，选取年际尺度来研究流域内的极端降水变化更为合理。此外，这些指标还能够反映出极端降水在不同方面的变化，从而综合反映极端降水的时空变化。

2.2 研究方法

利用线性趋势法和滑动平均法对降水指数序列初步进行趋势分析，再利用Mann-Kendall[14-16]检验法、滑动t检验进行序列趋势和突变分析。本文给定显著性水平α=0.05，MK检验置信值±1.96，t检验置信值±3.34。若UFk和 UBk两条曲线超过置信区间，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围为出现突变的时间区域，若UFk和UBk出现交点且交点在置信区间之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。如果UFk和UBk2条曲线交点出现在临界线外，或出现多个交点，将进一步采用滑动t检验方法进行检验。t值曲线超过置信区间视为发生突变。2种方法均有一定的局限性，需辩证使用。

3 结果与分析

3.1 极端降水指数年均值的空间变化

万泉河流域极端降水指数年均值的空间分布见图2。流域PRCPTOT年均值为2 369 mm，各站点年均值在2 000～2 972 mm之间波动。北源(除思河站外)及中下游干流各站点PRCPTOT年均值在2 000～2 459 mm之间，相对波动较小；思河站PRCPTOT年均值为2 743 mm，差异性较大。南源各站点PRCPTOT年均值基本呈现从上游到下游逐渐增加的分布，在2 174～2 972 mm之间波动，波动差798 mm；牛路岭站PRCPTOT最大，为2 972 mm，其次为南茂站2 869 mm。流域CWD年均值为10.6 d，与其他7个指标相比，CWD年均值空间分布在南源表现出更多的差异性，什仍站12.2 d为最大，南茂站12.1 d次之。流域SDII、R50、R100的年均值分别为18.5 mm/d、11.3 d、3.2 d，3个指标的年均值空间分布与PRCPTOT年均值空间分布基本一致，SDII、R50、R100的最大值站点均为牛路岭站，分别为21.7 mm/d、15.3 d、4.9 d，次大值站均为南茂站。流域年均值Rx1day、Rx3day、R99PTOT分别为191、320、329 mm，3个指标空间分布相似但无显著规律，北源及中下游干流均值空间分布与PRCPTOT年均值空间分布基本一致，但南源分布差异性较大；与PRCPTOT、SDII、R50、R100等4个指标不同，最大值及次大值站为新安站、中平站。

a)PRCPTOT

总之，8个指标年均值空间分布有较多的相似性，北源(除思河站外)及中下游干流为低值区，各站点年均值波动相对较小。而南源各站点的极端降水指数年均值整体波动较大，空间分布有更多的差异性；PRCPTOT、SDII、R50、R100基本呈现从上游到下游逐渐增加的分布；Rx1day、Rx3day、R99PTOT空间分布相似但无显著规律；CWD空间分布有更多的差异性。

3.2 极端降水指数变化趋势的空间分布

采用线性趋势法进行极端降水指数趋势分析，并进行MK趋势显著性检验(图3)。流域PRCPTOT呈增加趋势，增加速率58.0 mm/10a，站点增加率81.8%；中下游干流增加明显，速率为85.3 mm/10a；南源增加较少，速率为35.6 mm/10a，11个站点中3个站点呈负增长，其中罗反站以244.1 mm/10a的速率减少，为流域减少最大；北源增加趋势与整个流域基本一致，其中木色站以135.3 mm/10a的速率增加，为流域增加最大。流域CWD以0.35 d/10a的速率呈增加趋势，除中下游干流琼海站以0.01 d/10a的速率下降外，南源、北源分别以0.53、0.41 d/10a的速率增加，站点增加率达95.5%。流域SDII、R50、R100均呈增加趋势，分别以0.05(mm/d)/10a、0.29 d/10a、0.11 d/10a的速率增加，站点增加率分别为45.5%、72.7%、54.5%；3个指标在北源、中下游干流分布相似，均呈增加趋势；南源SDII、R50、R100趋势分化，R50以0.23 d/10a的速率增加，SDII、R100分别以0.34(mm/d)/10a、0.12 d/10a的速率减少。流域Rx1day、Rx3day、R99PTOT均呈增加趋势，增加速率分别为4.9、5.8、6.4 mm/10a，站点增加率分别为59.1%、36.4%、45.5%；南源表现出较多的分化，Rx1day呈增加趋势，Rx3day、R99PTOT呈减少趋势，速率分别为0.9、-5.3、-4.5 mm/10a；北源3个指标与流域趋势基本一致；中下游干流增加明显，增加速率分别为9.9、21.7、19.3 mm/10a。

a)PRCPTOT

总的来说，万泉河流域8个指标均呈增加趋势，说明万泉河流域极端降水呈增加趋势。而南源、北源、中下游干流长期变化趋势分化。南源PRCPTOT、CWD、R100、Rx1day增加，SDII、R50、Rx3day、R99PTOT减少，南源极端降水事件趋势存在不确定性。北源、中下游干流各项指标均呈增加趋势，表明极端降水事件在增强。万泉河流域8个极端降水指标未通过显著性检验，仅有极个别站点的个别指标通过了0.05的显著性检验，表明该流域的极端降水事件长期的变化趋势仍有很大的不确定性。

3.3 极端降水指数的时间演化

图4显示了万泉河流域极端降水指数随时间的变化。PRCPTOT在21世纪之前大多为负距平，在正常范围内波动；21世纪以后年代际变化明显，开始大起大落，2004年前呈减小趋势，2005—2010年逐渐增加，2011年之后又逐渐减小，整体距平波动变大；2010、1989年为正距平大值(偏多689、681 mm，29.1%、28.8%)，为湿润年份；2004、1987年为负距平大值(偏少996、826 mm，-42%、-35%)，为干旱年份。CWD呈现明显的年代际变化，20世纪80年代中期至90年代初一直处于负距平偏少状态，其中1991、1989年为负距平大值；90年代中期以后多为正距平，整体呈增加趋势，1996年突然增多为正距平最大值，后逐渐减少呈波动周期变化。SDII、R50、R100变化趋势与PRCPTOT变化趋势同步，基本一致，整体在正常范围内波动，SDII、R100正距平大值均为2010、1989年，R50正距平大值为2009、1989年，3个指标负距平大值均为2004、1987年，与PRCPTOT年份一样；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%，年际波动最大。Rx1day、Rx3day、R99PTOT的变化趋势与PRCPTOT变化趋势一致性同样较高，Rx1day、R99PTOT正负距平大值年份与PRCPTOT年份一样；Rx3day正距平大值为2010、1983年(偏多374、211 mm，117%、66%)，负距平大值为2004、1987年(偏少172、129 mm，-54%、-40%)，波动较PRCPTOT明显偏大。

a)PRCPTOT

综上所述，万泉河流域极端降水指数除CWD外的7个指标随时间变化相似性较高。21世纪之前多为负距平，距平波动相对较小；21世纪之后年代际变化明显，2004年前呈减小趋势，2005—2010年逐渐增加，2011年后又逐渐减小；距平最大值年份集中在2009、2010年，距平最小值年份集中在2004年。CWD年代际变化明显，20世纪80年代中期至90年代初处于负距平偏少状态；90年代中期以后呈增加趋势，1996年为最大值，后逐渐减少呈周期波动变化。

3.4 极端降水指数突变分析

结合滑动平均及MK突变检验、滑动t检验对万泉河流域极端降水指数进行分析(图5)。流域PRCPTOT的MK突变检验中UF、UB在1980—1982、2008年出现多个交点；滑动t检验在1995、2006—2008年超出置信区间；最终确定2008年为突变点，2008年以后降水突然增多，2015年突变结束。流域CWD在MK显著性检验中1982—1983、1986—1994年超过置信值，2003—2005年出现交点；滑动t检验发现1983—1984、1989—1993年超过置信值；综合表明CWD在1985年发生突变，突然减小，1994年突变结束。流域SDII、R50、R100的MK检验和滑动t检验中UF、UB及T曲线变化有高度的相似性；UF、UB在1980—1981、1989—1990、2007—2008年内多次相交；1980—1981、1989—1990年内UF、UB相交是指数突然增多导致，4个年份均为突变点；SDII、R100的滑动t检验中在2006年超过置信值，最终确定3个指标均在1980—1981、1989—1990年突变，SDII、R100还在2006年发生突变，突然增大。流域Rx1day、R99PTOT两指标的MK和滑动t检验曲线变化有高度的相似性，2个指标的UF、UB曲线在2007、2015年有交点，除此之外Rx1day在2000、2005年UF、UB有交点；Rx1day的t检验在1996、1998年超过置信值，R99PTOT在1998年超过置信值；Rx1day较R99PTOT有更多的波动性；最终确定Rx1day、R99PTOT在2007、2015年突变。综合MK及滑动t检验结果，Rx3day在1984年突变，突然增多；在1989—1994年突变，突然减少。

a)PRCPTOT

c)SDII

4 结论与展望

a)万泉河流域8个极端降水指标年均值在北源(除思河站外)及中下游干流空间分布相似，站点年均值波动相对较小，无明显规律。南源8个指标年均值空间分布差异性较大，年均值整体波动较大；PRCPTOT、SDII、R50、R100呈现从上游到下游逐渐增加的分布；Rx1day、Rx3day、R99PTOT空间分布相似但无显著规律；CWD空间分布有更多的差异性。

b)万泉河流域极端降水指数长期变化均呈增加趋势，但未通过显著性检验，仅有极个别站点的个别指标通过了0.05的显著性检验，说明极端降水呈增加趋势但不显著。而南源、北源、中下游干流长期变化趋势分化；北源、中下游干流各项指标均呈增加趋势；南源PRCPTOT、CWD、R100、Rx1day增加，SDII、R50、Rx3day、R99PTOT减少(主要受CWD增加影响)，说明南源降水在时间分布趋于均匀。

c)万泉河极端降水指数呈现一定的年际和年代际规律。除CWD外的7个指标在21世纪之前多为负距平，在正常范围内波动；21世纪后年代际变化明显，起落显著，整体距平波动变大。CWD在20世纪80年代中期至90年代初处于负距平偏少状态；90年代中期以后呈增加趋势，1996年为最大值，后逐渐减少呈波动周期变化。

d)万泉河流域极端降水指数突变年份差异性较大。PRCPTOT在2008年发生突变，降水突然增多，2015年突变结束。CWD在1985年发生突变，突然减小，1994年突变结束。SDII、R50、R100均在1980—1981、1989—1990年突变，大小急转；SDII、R100还在2006年发生突变，突然增大。Rx1day、R99PTOT在2007、2015年突变。Rx3day在1984年突变，突然增多；在1989—1994年突变，突然减少。

总之，万泉河流域极端降水长期呈增加趋势但不显著，极端降水指标年际波动变化较大，存在很大的不确定性。由于极端降水本身的特殊性和复杂性，本文对于引发极端降水的物理成因及机制并未进行深入探讨，这将是未来我们需要深入研究的方面。