渭河流域极端降水特性指标分析

张海宁, 周 旗, 毛雨唯, 马元森, 丁鹏程, 文彦君

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟实验室, 陕西 宝鸡 721013)

IPCC第五次全球气候评估公告指出：1880—2012年全球地表平均温度升高约0.85℃，全球变暖成为毋庸置疑的事实[1]。极端气候事件对气候变化的响应极为敏感[2]，日益加剧的极端气候事件引起专家学者及政府决策者的高度重视。我国学者关于不同流域极端降水时空分布和气候变化的研究，从极端降水时空演变规律到强度特征、区域差异及季节变化均有涉及。研究表明，我国年降水总量变化趋势不显著，但极端降水强度和频率总体增加[3-4]；我国主要河流流域降水时空分布特征主要表现为北方流域降水量少且年际变化大，南方流域以降水量增多为主[5-6]。长江流域[7-9]极端强降水增加显著；黄河流域[10-13]降水具有明显的地区性和季节差异性，极端降水强度变化趋势稳定。珠江流域[14-15]年降水总量呈减少趋势，但强降水量和极端降水量呈增加趋势，降水强度有所增大；淮河流域[16-18]年降水总量、强降水日数呈下降趋势，降水强度呈上升趋势，极端降水发生时间在流域内由西南向东北推迟。

20世纪60年代以来，国内学者开始对渭河流域极端降水时空分布特征进行研究。渭河流域降水量季节分配差异较大，主要集中于夏、秋两季，降水量在时间上呈减少趋势，春、秋两季减小趋势更为显著[19-20]；流域降水量空间分布表现为“东南多、西北少”的趋势，上游减少趋势较中下游显著[21]；极端降水阈值由南向北阶梯状递减，流域降水特征向不均衡、极端化发展[22-24]。因此，厘清气候变化异常背景下渭河流域降水时空分布特征演化规律，进一步明晰流域当前极端降水概率变化特征，不仅对提高渭河流域应对极端气候事件及其次生灾害的能力具有现实意义，也为周边区域极端气候事件发生规律及可预测性提供基础性研究，从而为区域气候变化研究提供有力证据。

1 研究区概况

渭河是黄河流域第一大支流，主干流全长约818 km，总面积约13.48万km2。流域支流众多，北岸有泾河和北洛河两大支流，控制流域面积分别为2.70万km2，4.54万km2，共占渭河流域总面积的53.7%。渭河流域地势西高东低，西部为黄土丘陵沟壑区，北部为陕北黄土高原区，东部为河谷冲积平原区——关中平原，南部为秦岭山区(图1)。渭河流域位于半干旱半湿润地区，地形和海拔等因素导致渭河流域降水空间分布不均；典型的大陆性季风气候使其冬季气候寒冷干燥，夏季炎热多雨，降水量年际变化存在较大差异，降水主要集中于7—10月的强降水。

图1 渭河流域分区示意图

2 资料与方法

2.1 数据来源

本文所需逐日气象资料来源于陕西、甘肃两省气候中心，并通过中国气象数据网(https:∥data.cma.cn/)进行检验补充。为保证气象数据序列的完整性和时间一致性，选取渭河流域内气候要素完备、建站时间长、空间分布均匀且时间序列完整的41个气象台站(图1)，逐日降水数据时段取在1961—2016年。为减小渭河流域地形起伏和气象台站空间分布不均匀性的影响，基于ArcGIS 10.5构建泰森多边形[25]，估算各气象台站所控制的流域面积并计算其比例(泰森多边形面积分割见图1)；同时对流域台站降水阈值进行加权平均，确定流域的极端降水阈值。

2.2 极端降水阈值确定

渭河流域降水空间分布极不均匀，因此不能简单利用绝对值等级(例：50 mm/d)作为区域统一降水阈值。本文基于逐日降水数据定义各自气象台站的极端降水阈值，即将某台站1961—2016年日降水量≥0.1 mm的降水量升序排列，将第95个百分位值的降水量定义为该台站极端降水阈值，当该站某日降水量大于该阈值时，就称该站出现极端降水事件[2]。

2.3 极端降水特性指标选取

根据世界气象组织气候委员会(WMO-CCL)推荐的极端气候指数，结合闵屾和钱永甫的研究[26]，分别从极端和非常极端两个级别，量、频率、强度、贡献率4个角度，选定R95P，RD95，RI95，RC95共4个中国极端降水事件的区域性和持续性研究指标，对渭河流域的极端降水序列进行时空变化特征分析(表1)。

表1 极端降水特性指标定义

2.4 研究方法

泾河和北洛河两大支流交汇于渭河下游，为考虑干流、泾河和北洛河对渭河下游的影响，按照水系结构特征将渭河流域进一步细分为渭河干流、泾河、北洛河及渭河下游4个区域(图1)。时间序列上采用气候倾向率和累计距平法进行年际变化分析，累计距平法[27]可以更明显地反映长期演变趋势，累计距平曲线持续上升，表示距平值为正值，气象要素处于增加阶段；累计距平曲线持续下降，表示距平值为负值，气候要素处于减少阶段。 空间上采用普通克里金法(Kriging)对极端降水特性指标进行空间插值，分析其空间变化规律。

3 结果与分析

3.1 极端降水阈值分析

渭河流域1961—2016年极端降水阈值分布见图2A所示，与年降水总量(图2B)空间分布具有较好的一致性，均表现为东南高西北低，与年降水总量的相关系数为0.698，通过0.01的显著性水平检验。渭河流域极端降水阈值变化范围介于16.40～26.29 mm，超过17%的台站阈值达到大雨(25.0 mm)以上量级，主要分布于渭河下游地区。

图2 极端降水阈值及年降水总量空间分布

3.2 极端降水特性指标分析

3.2.1 极端降水特性指标空间分布特征 R95P随纬度升高而减少(图3A)，与年降水总量空间分布具有空间一致性。R95P的变化范围介于127.81～201.41 mm；高值中心均为渭河干流东部和下游，流域各台站极端降水量均在140 mm以上；泾河北部和北洛河北部两个量指标则相对较小；尤其是蓝田站、千阳站和宝鸡站等气象台站，极端降水量达到流域最大值。1961—2016年渭河流域极端降水量呈增加趋势的台站主要集中在渭河流域干流东部和下游。

渭河流域RD95介于4.16～5.84 d(图3B)，与极端降水量的相关系数为0.408，通过0.01显著性水平检验。其中渭河干流和泾河流域频数相对较大，下游和北洛河流域较少。结合图2，图3A可知，宝鸡站、千阳站、蓝田站、长安站等地区极端降水阈值、R95P，RD95均为高值中心，此地区极端降水发生的频率较大。1961—2016年渭河流域RD95呈减少趋势的气象台站分布于整个渭河流域，只有张家川站通过0.05显著性水平检验；呈增加趋势的气象台站仅有11个且变化趋势不显著，主要集中在渭河流域东南部。

渭河流域RI95的变化范围在24.37～39.81 mm/d (图3C)，几乎所有台站极端降水强度都达到大雨以上量级，高强度中心为渭河干流东部、下游和北洛河流域，蓝田站极端降水强度最大，为39.81 mm/d；RI95与R95P的相关系数为0.683，通过0.01显著性水平检验，表明降水量越大的地区降水强度相对越高，极端降水灾害风险越高(表2)。

降水贡献率表征降水量占总降水量的比值，通过降水贡献率可以分析极端降水量对总降水量的指示作用。RC95与纬度的相关系数为0.594，通过0.01显著性水平检验，表明贡献率与纬度变化有较好的相关性，纬度越高，极端降水贡献率越大。渭河流域RC95的变化范围在28.37%～33.42%(图3D)，具体为西北高东南低的空间特征，泾河西部较高，渭河下游为低值中心；其中华亭站、泾川站和崆峒站贡献率较高，这些地区年降水总量中超过30.0%的降水来自于极端降水量。

3.2.2 极端降水特性指标年际变化特征 1961—2016年渭河流域极端降水特性指标的年际变化与突变检验见图4。R95P和RD95均表现为波动下降趋势，线性系数分别为-1.508 mm/10 a和-0.098 d/10 a，累计距平持续增加阶段为1961—1968年、2009—2014年，此时极端降水量和极端降水频数均高于平均水平，1969—1984年保持在平均水平；1985—2000年累计距平持续减小，极端降水量和极端降水频数低于平均水平。M-K突变检验显示，R95P的UF-UB曲线共存在4个交点，其中2010年交点通过0.05显著性水平检验且经过Pettitt检验验证，结合累计距平曲线知2010年极端降水量发生增多突变。

图3 极端降水-量-频数-强度-贡献率空间特征

表2 极端降水-量-频次-强度-贡献率相关系数(空间特征)

RI95呈上升趋势，线性趋势为0.320 mm/(d·10 a)，通过0.05显著性水平检验；主要可分为两个变化阶段，1961—1986年变化平稳，1987年后上升趋势显著，强度增大。由于极端降水频数变化较小，因此极端降水强度增强的主要原因是极端降水量增加。RC95呈轻度上升趋势，1961—2016年渭河流域年降水总量中极端降水量和非常极端降水量的比重增大，累计距平曲线显示2000年后降水贡献率高于平均值，结合降水量和降水频数年际变化可知2000年后年降水总量主要来自于几场大量级的极端降水。

3.3 极端降水频率分析

渭河流域洪涝灾害频发，当流域发生大范围高强度降水时，子流域降水汇聚于干流，导致干流及下游河道压力倍增，流域洪涝灾害风险升高，因此研究渭河流域极端降水时必须考虑渭河干流、泾河、北洛河对渭河下游的汇流影响。

3.3.1 不同区域极端降水频次年际变化及频率特征 为研究不同区域极端降水特征，规定若某区域超过30%的气象台站发生极端降水，定义为极端降水事件；超过半数气象台站发生极端降水，定义为区域性极端降水事件。分别对渭河流域4个区域极端降水事件发生频次、频率进行计算，结果见图5。

1961—2016年4个区域极端降水事件变化趋势均不显著，但不同年代间存在较大变化差异。综合分析发现，4个区域极端降水事件在1981—1984年、2003—2005年发生频次较高，除北洛河外，均在1983年达到频次最高值，干流次数最多为20次；此阶段区域极端降水事件的发生次数也处于高值，干流达到了10次。1991—1995年极端降水事件频次较少；2000年之后频次增多，2011—2014年再次出现极端降水事件频次小峰值，流域内干流和泾河流域增多最为明显。

1961—2016年，极端降水事件发生频次最高的区域为渭河干流，频率高达3.45%；干流区域性降水事件发生频率也最高为1.90%，共217次。渭河流域中下游地势较低、河网密集程度较高、河道排水泄洪能力有限，因此高频率的极端降水极易引发洪灾。

图4 极端降水-量-频数-强度-贡献率年际变化

3.3.2 多区域极端降水频次年际变化及频率特征 渭河流域多区域降水事件发生频次年际变化见图6，多区域同时发生极端降水事件的频次变化趋势均不显著，但年际变化波动较大。

1961—2016年，渭河流域单个区域发生极端降水事件的频次变化趋势不显著。两个区域同时发生极端降水事件的频次表现为轻微下降趋势，1961—1970年、1981—1984年极端降水事件发生较多，其中1983年极端降水发生频次最多，高达11次，其中有3次为区域性极端降水事件；1989—1999年发生频次较少，均在4次左右；2000年后极端降水事件发生频次增多显著，增加速率为0.81 d/10 a。3个区域同时发生极端降水事件的年际变化趋势波动较大，1975—1984年频次高于均值，1983年发生频次最高为6次；1984—1995年频次减少趋势明显；1998—2012年频次较高，2011年极端降水事件高达5次。

全流域同时发生极端降水事件的变化趋势平稳，有17 a的极端降水事件频次超过56 a均值， 1976年、2003年较高均为5次；2000年后渭河流域极端降水事件发生频次增多，尤其是2011年，3次均为区域性极端降水事件。考虑到子区域极端降水的叠加效应，此时渭河干流河道和下游汇流处的压力将远超过部分台站降水的汇流压力，流域洪涝灾害风险升高。

1961—2016年，渭河全流域发生极端降水事件共67次，频率为0.51%，其中有23次为一半以上气象台站的降水超过极端降水阈值；3个区域同时产生区域性极端降水共12次，频率为0.9‰。

通过对渭河流域暴雨洪灾资料调查发现渭河流域洪灾形成原因复杂多样，不同子流域的极端降水、连续降水等都会导致洪灾，主要分为4种情况：局部极端降水导致洪灾、上游极端降水导致洪灾、连续阴雨叠加极端降水导致洪灾和多流域极端降水叠加导致洪灾[28]。水文年鉴资料显示，渭河流域1961—2016年多次洪水灾害。1981年8月中旬至9月初长时段极端降水导致渭河流域林家村和中下游支流高量级来水，从而引发流域性洪水；2003年8月26日至10月12日，渭河流域发生1981年以来高水位、大洪量洪水。同年8月下旬至10月上旬，渭河流域共发生6次大范围、高强度极端降水事件，其中8月28日、9月19日和10月10日共3次全流域极端降水。2011年9月3日以来，渭河流域先后出现三次较强降水过程，造成渭河秦岭北麓支流水位猛涨，汇入渭河干流后与干流洪水形成首尾相连的秋淋洪水过程[29-30]。2011年9月18日，渭河全流域发生了极端降水事件。

图5 渭河流域降水事件频次

图6 渭河流域多区域降水事件频次

通过参考水文年鉴发现几次流域性洪水均伴随极端降水，尤其是渭河流域干流下游，小范围极端降水也多导致中常洪水量级的洪涝灾害。因此研究极端降水事件时，应充分考虑多个不同区域降水对干流河道和干支流汇流处的压力，及时降低灾害风险。

4 结 论

(1) 渭河流域极端降水阈值呈从西北至东南增多的趋势，与年降水总量空间分布一致；极端降水阈值变化范围介于16.40～26.29 mm，超过17%的台站达到大雨(25.0 mm)以上量级，主要分布于渭河下游地区。

(2) R95P变化范围介于127.81～201.41 mm，随纬度升高而减少，流域东部和下游较高，此区域内各气象台站主要呈增加趋势；上游、泾河、北洛河北部较低，上游各气象台站主要呈减少趋势。RD95变化范围介于4.16～5.84 d，干流和泾河流域较高，下游和北洛河流域较低；流域内多数气象台站RD95呈减少趋势。

(3) RI95变化范围介于24.37～39.81 mm/d，与R95P的空间分布相关性较好，降水量越大的地区降水强度越高；干流东部、下游和北洛河流域强度较高。RC95与纬度有较好的相关性，纬度越高，贡献率也越高；其中泾河西部年降水总量主要来自于几场极端降水。

(4)1961—2016年渭河流域4个极端降水指标的年际变化趋势整体平稳，仅R95P在2010年发生增多突变；56 a内极端降水强度有所增强，主要是降水量增加导致。RC95呈增加趋势，极端降水占年降水总量的比重增大，2000年后极端降水占比增加显著。

(5)渭河下游区域性极端降水事件发生频率最高；极端降水事件主要发生于20世纪80年代初期和21世纪初期；渭河流域的几次洪灾均伴随着极端降水，未来应考虑多区域极端降水对干流及下游河道的叠加作用，降低灾害风险。