长江流域夏季极端降水时空分布特征

郭广芬，杜良敏，肖 莺，高雅琦，吴 瑶

(武汉区域气候中心，湖北 武汉 430074)

引 言

长江流域横跨我国东部、中部和西部三大经济区，流域人口达4.59亿，其在国民经济社会发展中发挥着重要作用。近年来，伴随全球气候的持续增暖，长江流域旱涝等灾害事件频发，20世纪90年代汛期多雨带和洪涝有60%发生在长江流域[1]，特别是1998年的全流域特大洪水，受灾面积2120万hm2，直接经济损失达1700多亿元人民币，1999年长江流域再度发生严重洪涝[2]。进入21世纪以来，长江重要支流嘉陵江、岷江、沱江、汉江频繁出现旱涝灾害[3-6]。由于长江流域社会经济发展水平较高、人口密度较大，旱涝灾害更易造成经济损失，其损失约占该流域全部气象灾害损失的78%。因此，开展长江流域旱涝研究对防灾减灾有重要意义。

近年来，在全球干旱加剧的同时，全球强降水事件也明显增加[7]，其中中国的极端降水事件也呈增加趋势[8-9]，在全球气候变暖背景下中国各区域极端降水的时空演变特征及成因仍为当前研究热点[10]。通常，采用单站日降水量百分位法确定极端降水事件[11-14]，通过区域性降水过程或其累积效应反映极端降水强度及影响[15-16]，以帕尔默指数、SPI等干旱指数为指标[17-18]，研究极端降水事件发生频率、强度、空间范围、持续时间等特征，采用主成分分析等方法进行降水空间分型或气候分区，进而探讨极端降水的空间差异。面雨量作为描述整个区域或流域内单位面积上平均降水量的物理量，比站点雨量更能客观反映整个区域或流域降水情况。

长江流域汛期降水年际变率大，汛期降水趋势预测一直是各级政府和相关部门最为关注的问题，弄清该流域汛期极端降水的时空分布特征是做好降水预测的前提。目前，长江流域夏季旱涝研究多集中在长江中下游地区[19-24]，而长江上游地形独特、高差悬殊、气候多样，降水成因更为复杂[25-26]。2003年三峡枢纽工程投入运行后，长江上游大型水电建设迅速展开，随着上游水库群规模的增加，对上游降水时空分布特征及预测的需求更大。为此，本文重点针对长江上游，基于各子流域面雨量，分析长江各子流域汛期极端降水事件的时空分布特征，揭示汛期极端降水事件不同流域间的空间配置关系，尤其是长江上游，以期为长江流域汛期降水预测以及上游水库群调度和流域防汛抗旱提供一定参考。

1 资料与方法

1.1 资料及流域分区方案

所用资料为1961—2017年长江流域700个气象台站夏季(6—8月)逐日降水量资料和长江流域水系分区[27]资料，站点分布和流域分区见图1。采用泰森多边形法计算各子流域面雨量[28]。

图1 长江流域分区和气象站点空间分布Fig.1 The division in the Yangtze River basin and spatial distribution of meteorological stations

根据长江流域水系分区和三峡水利枢纽梯级调度服务需求，将长江流域划分为3级分区[29]：一级是长江全流域；二级是将长江流域划分为3个子流域，分别是金沙江流域(简称“金沙江”，包括石鼓以上和石鼓以下)、长江传统上游(简称“传统上游”，包括岷沱江、嘉陵江、乌江、宜宾—重庆、重庆—宜昌)、长江中下游(简称“中下游”，包括汉江及中下游干流和两湖)；三级是将长江流域细分为9个子流域，分别是金沙江流域石鼓以上(简称“金沙江石鼓以上”)、金沙江流域石鼓以下(简称“金沙江石鼓以下”)、岷沱江流域(简称“岷沱江”)、嘉陵江流域(简称“嘉陵江”)、乌江流域(简称“乌江”)、宜宾至重庆区间(简称“宜宾—重庆”)、重庆至宜昌区间(简称“重庆—宜昌”)、汉江流域及长江中游干流区间(简称“汉江—中游干流”)、两湖流域(简称“两湖”)。

1.2 夏季极端降水事件确定方法

长江流域夏季降水服从Γ分布[30]，统计分析前需要将其转换为正态分布序列，转换后的数据具有明显统计优势[31]。因此，利用Box-Cox变换将原始序列转换为正态分布序列，用以探究降水极值分布拟合问题[32-33]，其优于其他常用的广义极值(GEV)等分布。针对Box-Cox变换后的面雨量序列，采用百分位法，以排序第10%和90%分位为阈值，分别计算各子流域10%和90%的面雨量值，再反算对应的原始面雨量值，其概率密度函数等于10%对应的面雨量定义为极端少雨事件的阈值，小于该阈值的年份为极端少雨年，而概率密度函数等于90%对应的面雨量定义为极端多雨事件的阈值，大于该阈值的年份是极端多雨年。

1961—2017年长江全流域夏季476.6 mm的面雨量出现频次最多，相对于平均值469 mm明显左偏[图2(a)]，而Box-Cox变换后的序列频次分布满足正态分布[图2(b)]。从图2(c)看出，Box-Cox变换后的序列未改变原始面雨量序列的走势。根据前面的定义，选取变换后拟合序列10%和90%分位处反算极端降水气候事件阈值，得到长江全流域极端少雨、多雨事件的阈值分别为403.9 mm和535.3 mm。

2 长江流域夏季极端降水事件时间特征

根据夏季极端降水事件的定义，确定长江不同子流域的极端降水阈值和极端多雨年及少雨年(表1)。可以看出，长江流域极端多雨事件的阈值空间差异较大，呈现西少东多、北少南多的分布特征，两湖流域阈值最大为673.8 mm，金沙江石鼓以上阈值最小为349.6 mm；极端少雨事件阈值的最大值和最小值均出现在金沙江流域，金沙江石鼓以下阈值最大为433.7 mm，金沙江石鼓以上阈值最小为249.4 mm。可见，金沙江上、下游夏季极端降水量级差异较大，而长江全流域、传统上游、中下游和两湖差异不大，都在400 mm左右。

自1961年以来，每个子流域夏季发生4～7次极端多雨事件，3～8次极端少雨事件(表1)，且极端多雨、少雨事件具有明显的年代际特征(图3)。就全流域而言，长江流域夏季极端多雨事件共发生5次，有4次发生在20世纪90年代，占极端多雨年总数的80%，1998年面雨量极值623.0 mm，为历史最大值，比第二位的1999年(571.6 mm)多出约50 mm，还有1次发生在1980年，位居历史第三位，面雨量为567 mm。乌江、长江中下游和两湖流域极端多雨事件多发生在20世纪90年代，岷沱江主要发生在20世纪60年代和80年代前期，金沙江石鼓以上均发生在20世纪90年代以后，其他流域多发生在20世纪80年代及之后。统计发现，近57 a长江流域夏季发生大范围(至少3个子流域)极端多雨事件的年份有4 a(表2)，其中1998年除岷沱江外其他流域面雨量均达到极端降水阈值，属于全流域范围的极端多雨事件，1980年发生在上游和中游干流，1996年发生在中下游，1983年发生在流域中北部。

图2 1961—2017年长江流域夏季面雨量(a)和Box-Cox变换后(b) 的序列频次分布以及原始面雨量序列与Box-Cox转换后序列(c)Fig.2 The frequency distribution of areal precipitation in summer (a) and transformed areal precipitation by Box-Cox (b), and annual series of original and transformed areal precipitation (c) in the Yangtze River basin during 1961-2017

表1 1961—2017年长江各子流域夏季极端降水事件阈值及出现年份Tab.1 The thresholds and occurrence years of summer extreme precipitation events in each sub-zone of the Yangtze River basin during 1961-2017

图3 1961—2017年长江各子流域夏季极端降水事件分布Fig.3 Distribution of summer extreme precipitation events in each sub-zone of the Yangtze River basin during 1961-2017

长江流域夏季极端少雨事件各年代均有发生(图3)，以20世纪70年代最多，全流域极端少雨事件共有3次，其中2次发生在20世纪70年代；金沙江和传统上游多发生在20世纪90年代以后，而长江中下游则发生在20世纪80年代之前。大范围极端少雨事件有7 a(表2)，其中1972、2006年为全流域范围，1978年发生在长江中下游，其他4 a都发生在长江上游，这意味着大范围极端少雨事件发生的概率上游明显大于中下游。

总体来说，20世纪60年代和70年代长江流域极端少雨事件频发，20世纪80年代至90年代长江中下游以极端多雨事件为主，上游以极端少雨事件为主，21世纪以来以大范围极端少雨事件为主，但金沙江石鼓以上易发生极端多雨事件。

3 长江流域夏季极端降水事件空间特征

3.1 长江各流域夏季降水协同关系

对长江流域1961—2017年标准化夏季降水距平百分率进行经验正交函数分解(EOF)，发现第一空间模态呈全流域大部一致型[图4(a)]，即岷沱江东部、嘉陵江北部、两湖南部与其他大部流域位相相反。该空间分布型对应的解释方差为19.8%，其时间系数在20世纪60年代至70年代为负值，20世纪80年代至90年代以正值为主，21世纪年际变化特征明显[图4(c)]。第二空间模态表现为流域南北反位相型[图4(b)]，即长江以南与以北区域存在明显相反的空间分布，南边少、北边多，反之亦然。该空间分布型对应的解释方差为11.8%，其时间系数在20世纪60年代中期至70年代、20世纪90年代中后期为正值，而在20世纪80年代至90年代初、21世纪00年代为负值[图4(d)]。

表2 1961—2017年长江流域夏季大范围极端多雨和少雨事件发生年份及分布Tab.2 The occurrence years and distributions of wide-range extreme rainy and rainless events in summer in the Yangtze River basin during 1961-2017

图4 1961—2017年长江流域标准化夏季降水距平百分率场EOF分解的第一(a、c)、 第二(b、d)模态空间分布(a、b)及对应的时间系数(c、d)Fig.4 Spatial distribution patterns (a, b) and corresponding time series (c, d) of the first (a, c) and the second (b, d) modes of standardized summer precipitation anomaly percentage fields decomposed by EOF in the Yangtze River basin during 1961-2017

采用相关分析方法，计算长江及各子流域两两之间面雨量序列的相关系数，探讨各子流域夏季降水协同情况。从图5看出，相互包含的流域之间的面雨量普遍有较好的相关性，空间位置越邻近的流域之间面雨量相关性越好。对于全流域面雨量而言，长江中下游的面雨量贡献最大，除了与岷沱江相关性不显著外，与其他子流域的相关性均通过α=0.05的显著性检验，其中与嘉陵江和金沙江的相关系数较低，分别为0.26和0.41，而与其他9个子流域的相关系数均在0.5以上(通过α=0.001的显著性检验)。金沙江除了与其包含的子流域相关关系较好外，还与传统上游和宜宾—重庆的相关性较高，相关系数均在0.5以上，但由于金沙江地处青藏高原，地理位置特殊，与长江中下游、汉江—中游干流和两湖的相关性较弱。岷沱江与长江上游、嘉陵江、宜宾—重庆呈显著正相关，而与其他流域呈不显著负相关。长江中下游与汉江、两湖以及上游的乌江、宜宾—重庆、重庆—宜昌呈显著正相关，而与岷沱江和嘉陵江呈负相关，与金沙江相关性不显著。

图5 1961—2017年长江流域及各子流域之间 夏季面雨量的相关性示意图 (由深至浅的彩色阴影分别通过α=0.001、0.01、0.05 的显著性检验，实线、虚线圈分别表示正、负相关)Fig.5 The correlation sketch map of summer areal precipitation between each sub-zone of the Yangtze River basin during 1961-2017 (The color shadows from dark to light pass the significance tests with 0.001,0.01,0.05 confidence levels, respectively, and the circles with solid and dotted line represent positive and negative correlations, respectively)

3.2 极端多雨年夏季降水异常分布特征

针对长江不同子流域夏季极端降水事件空间分布采用单站夏季降水量正距平频次进行统计，是指在该流域发生极端降水事件的年份中，某气象站夏季降水正距平出现的次数占极端降水事件总年数的百分比，并采用径向基函数法进行空间插值。

图6是长江及子流域极端多雨年夏季降水正距平频次空间分布，发现多雨年夏季降水空间分布格局大致有4类：当长江全流域、中下游、汉江及中游干流(图略)和两湖(图略)夏季极端多雨时，长江流域大部夏季多雨，仅汉江上游、嘉陵江东部、两湖流域南部夏季降水偏少；当传统上游、重庆—宜昌和嘉陵江(图略)夏季极端多雨时，金沙江中下游和两湖地区夏季降水偏少，其他大部流域夏季降水偏多；当金沙江、泯沱江、石鼓以上(图略)和石鼓以下(图略)夏季极端多雨时，金沙江中下游、泯沱江、嘉陵江和宜宾—重庆大部夏季降水偏多，其他大部流域夏季降水偏少；当宜宾—重庆和乌江夏季极端多雨时，多雨区主要出现在沿江干流，而泯沱江、嘉陵江和汉江上游夏季降水偏少。可见，极端多雨年长江流域夏季降水空间差异较大。

图6 长江及子流域极端多雨年夏季降水正距平频次合成Fig.6 Composite of positive anomaly frequency of summer precipitation in extreme rainy years in the Yangtze River basin and sub-zones

3.3 极端少雨年夏季降水异常分布特征

图7是长江流域及各分区极端少雨年夏季降水正距平频次合成，发现其空间分布格局大致分为3类：全流域一致型，当长江和金沙江(图略)夏季极端少雨时，长江流域大部地区夏季降水偏少；岷沱江和嘉陵江与流域其他地区呈反位相型，当乌江、重庆—宜昌、宜宾—重庆、汉江及中游干流和两湖(图略)夏季极端少雨时，岷沱江南部至嘉陵江北部夏季降水偏多，流域其他大部地区一致偏少；两湖南部与流域其他大部地区呈反位相型，当岷沱江、石鼓以上、传统上游、嘉陵江(图略)夏季极端少雨时，两湖流域夏季降水偏多，流域其他大部地区夏季降水一致偏少。总体来说，当长江流域夏季极端少雨时，其空间一致性较高，仅在岷沱江和嘉陵江或者两湖流域南部会出现夏季降水偏多的可能。

4 结 论

(1)长江流域夏季极端降水事件存在明显的年代际变化特征，20世纪60年代和70年代极端少雨事件频发，20世纪80年代至90年代中下游以极端多雨事件为主，上游以极端少雨事件为主，21世纪以来以大范围极端少雨事件为主，且多发生在上游，但金沙江石鼓以上易出现极端多雨事件。

(2)长江流域夏季极端降水前2个模态空间分布表现为：流域大部一致型，即岷沱江、嘉陵江及两湖南部夏季极端降水与流域其他地区呈反位相；南北反位相型，即长江以南与以北地区夏季极端降水空间分布相反。

(3)相互包含的流域之间面雨量普遍有较好的相关性，空间位置越邻近的流域之间面雨量相关性越好。长江各流域间夏季极端降水协同发生情况有3种：一是金沙江与传统上游和宜宾—重庆夏季降水相关系数较高，而与长江中下游、汉江—中游干流和两湖的相关性较弱；二是岷沱江与长江上游、嘉陵江、宜宾—重庆夏季降水呈显著正相关，而与其他流域呈不显著负相关；三是长江中下游与汉江和两湖以及上游的乌江、宜宾—重庆、重庆—宜昌夏季降水具有显著正相关。

(4)夏季极端多雨时，长江流域夏季降水的空间差异较大，空间分布格局大致有4类，但以沿江干流偏多为主；夏季极端少雨时，长江流域夏季降水空间一致性较高，以全流域大部偏少为主，仅岷沱江和嘉陵江或者两湖南部偏多。