第31卷第5期2020年10月
水资源与水工程学报
Journal of Water Resources ＆Water Engineering
Vol．31No．5Oct ．，2020
收稿日期：2020-02-10；修回日期：2020-05-26
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0405603、
2017YFC0405606）；国家自然科学基金项目（51709151）；水电工程水文气象重大关键技术应用研究项目（DJ －ZDZX －2016－02）
作者简介：董钊煜（1999-），男，山西晋中人，本科生，主要从事水文与水资源方面的研究。通讯作者：彭涛（1973-），男，湖南保靖人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事水文水资源与生态水文方面的研究。
DOI ：10．11705/j．issn．1672－643X．2020．05．14
国外育儿经董钊煜1，彭涛
1，2，3，董晓华1，2，3，刘冀1，2，3，常文娟1，2，3，林青霞1，2，3
（1．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；2．水资源安全保障湖北省协同创新中心，
湖北武汉430072；3．三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北宜昌443002）
摘
要：利用三峡库区20个气象站1960－2016年的逐日降水资料，应用线性倾向估计、
Mann －Kendall 突变分析法、
小波分析法和克里金插值法，分析库区极端降水事件的时空变化特征。结果表明：1960－2016年，三峡库区极端降水事件总体上呈现减少的趋势，其中Rx5day 、CWD 减少趋势显著，而SDII 、Rx1day 、R99p 等指数表现为不显著增加趋势，这可能是由于PRCPTOT 减少速率小于CWD 而造成了雨量再分配；极端降水指数突变多发生于1990年前后；PRCPTOT 、R10、R95p 的气候倾向率在三峡库区中部地区均表现为明显下降趋势，而CWD 则在东北和西南部呈增加趋势， 表明三峡库区极端降水存在均化的趋势；三峡库区极端降水指数的变化主周期相似，大多数为4 6a 的短周期，仅R10与R25存在12 16a 的中周期，表明三峡库区极端降水事件正在向强度大、周期短的方向演化；气候因子均对极端降水指数有较大影响，太阳黑子相对数与极端降水指数呈正相关关系，其他则为负相关，在时序性上，表现为PRCPTOT 滞后于大多数气候因子。该研究可为三峡库区极端气候变化的模拟预测及防灾减灾提供参考。
关键词：极端降水事件；极端降水指数；时空变化；小波分析；三峡库区
中图分类号：TV12；P426．61+
4
文献标识码：A 文章编号：1672-643X （2020）05-0093-09
Spatiotemporal variation characteristics of extreme precipitation events in the
Three Gorges Reservoir area during 1960－2016
DONG Zhaoyu 1，PENG Tao 1，2，3，DONG Xiaohua 1，2，3，LIU Ji 1，2，3，CHANG Wenjuan 1，2，3，LIN Qingxia 1，
2，3
（1．College of Hydraulic and Environmental Engineering ，China Three Gorges University ，Yichang 443002，China ；2．Hubei Provincial
Collaborative Innovation Center for Water Resources Security ，Wuhan 430072，China ；3．Engineering Research Center of
Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region ，Ministry of Education ，Yichang 443002，China ）
Abstract ：Daily precipitation data from 20meteorological stations in the Three Gorges Reservoir area （TGRA ）from 1960to 2016was used to analyze the spatiotemporal variation characteristics of extreme precipitation events with the methods of linear tendency estimation ，Mann －Kendall test ，wavelet analy-sis ，and kriging interpolation．The results show that the extreme precipitation in the TGRA generally showed a decreasing trend in the past 57years ，among which Rx5day and CWD decreased significantly ，whereas SDII ，Rx1day ，and R99p increased insignificantly．The reason for this phenomenon could be that PRCPTOT decreased at a slower rate than CWD ，
which caused the rainfall redistribution．Most of the abrupt changes of extreme precipitation indices occurred around 1990．The climatic tendency rates of PRCPTOT ，R10，and R95p all showed a significant downward trend in the central part of the TGRA ，ex-cept that CWD showed an increasing trend in the northeast and southwest of the TGRA ，indicating a ho-mogenizing trend of extreme precipitation in the area．The extreme precipitation indices had similar main changing cycles in the TGRA ，most of them had a short cycle of 4－6a ，with the exception of R10and R25，which had a medium cycle of 12－16a ，indicating that the extreme precipitation events in the
TGRA were evolving in the direction of high intensity and short cycles．Climatic factors had a great im-pact on extreme precipitation indices，among which relative sunspot number was positively correlated with the extreme precipitation indices，whereas the other factors were all negatively correlated with them．In terms of time sequence，PRCPTOT lagged behind from most climatic factors．This study can provide a reference for the prediction of extreme climate changes and the prevention and reduction of disasters in the TGRA．
Key words：extreme precipitation event；extreme precipitation index；spatiotemporal variation；wavelet analysis；the Three Gorges Reservoir Area（TGRA）
1研究背景
全球变暖是当今世界面临的重大挑战之一。IPCC第五次评估报告提出，近百年来全球平均气温已上升0．85ħ，如果不采取干预措施，预计全球平均气温最早在2030年之前将超过工业化前水平的1．5ħ［1］。气候要素的细微变化对极端气候事件的发展有深远影响［2－3］。全球变暖导致地气、海气系统的能量收支不平衡，进而深刻影响全球水循环过程，加快全球降水量再分配的过程［4］，导致全球季风区极端降水增强尤为显著［5－7］。近年来，极端降水事件的频繁发生对我国的经济社会发展和生态环境造成了巨大影响［8－10］。
国内外学者在极端降水领域已经取得了许多研究成果。Alexander等［11］指出，20世纪以来全球年降水日数有明显上升的趋势；Griffiths等［12］研究表明，20世纪美国东北部的极端降水指数总体表现为持续上升态势；Groisman等［13］的研究结果表明，在美国、澳大利亚、中国等国家，强降水事件呈现增多趋势，可见中国的极端气候事件的增多趋势与世界是同步的。闵屾等［14］研究认为，我国极端气候事件的强度与频率均有所增加，这一结论在杨金虎等［15］以及Zhang等［16］的研究中也得以证实；任正果等［17］利用全国格点数据研究发现中国南方地区年降水量与各极端降水指数间存在良好的相关性；Zhai等［18］研究结果显示，我国北方地区年降水量呈现显著的减少趋势，而西部地区、长江流域和东南沿海地区则呈现显著的增加趋势，全国大部分地区的年降水日数有显著的减少趋势。总之，已有的研究成果表明我国极端降水事件有极化的趋势，并存在显著的区域差异［19－24］。
三峡库区是一个特殊的地理单元和长江流域重要的生态功能区，也是典型的生态脆弱区。由于地处亚热带季风区，降水年内和年际变化大，且地形以山地为主，陡坡比例较高，暴雨冲刷极易造成区域性洪涝灾害。由于人类活动的影响，库区生物的适生生境不断退化，生物生存空间缩小，生物多样性不断下降或丧失，三峡库区的生态环境十分脆弱［25］。已有研究多集中于三峡库区降水的时空分布方面［26－27］，对极端降水事件特征及影响因素等方面深入研究较少。鉴于此，本文选用三峡库区20个气象站1960－2016年逐日降水观测资料，研究三峡库区极端降水的时空分布特征与周期特性，并进一步探究气候因子指数与各极端降水指数的相关性，有助于深入理解三峡库区极端降水的变化趋势，为三峡库区的防灾减灾和三峡水库优化调度提供决策参考。
2数据来源与研究方法
2．1研究区域概况
三峡库区是指三峡大坝建成后蓄水淹没并有移民任务涉及的地区。库区总面积约为5．8ˑ104 km2，位于28ʎ31'N 31ʎ44'N、105ʎ50'E 111ʎ40'E 之间，海拔高程范围为－22 2991m。三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，逾越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，西起重庆江津，东至湖北宜昌，北屏大巴山、南依川鄂高原。研究区属亚热带大陆性季风气候，雨热同期，夏季雨量占全年降水量的60%以上。年平均气温18ħ，年降水量1000 1800mm，气象灾害发生频繁。受地形的影响与特殊的地
理条件约束，地震、崩塌、滑坡、泥石流等灾害时有发生，水土流失现象严重。三峡库区及气象站点分布见图1。
2．2数据来源
本文所用数据来源于中国气象局国家气象信息中心（https：//www．nmic．cn/）中国地面国际交换站气候资料日值数据集，选取三峡库区及周边20个分布均匀、基本无缺测资料的站点。逐日降水数据序列为1960－2016年，采用雨日阈值为0．1mm。在数据统计过程中，对个别站点短时段缺测的数据进行分段线性插值，对长时段缺测数据的站点进行剔除。
2．3研究方法
2．3．1极端降水指数世界气象组织气象委员会
49水资源与水工程学报2020年
（WMO－CCI）共推荐了27个核心极端气候指数作为气候变化研究的统一标准。本文选取了其中具有代表性的10个极端降水指数，如表1所示。10个极端降水指数可以分为4类，且相互之间存在着密切联系。
2．3．2分析方法本文采用线性倾向估计法和滑动平均法分析各极端降水指数的年际变化趋势；为提高突变检验的可靠性，运用Mann－Kendall（M－K）突变检验法［28］与滑动T检验法综合检测突变点；利用交叉小波和相干小波变换［29］分析各极端降水指数间的周期相关性；应用克里金插值法对三峡库区极端降水指数的空间分布特征进行分析；采用相关分析法探讨极端降水指数与气候因子指数之间的相关关系。
3结果与分析
3．1极端降水指数的时间变化特征
3．1．1极端降水指数的变化趋势三峡库区极端降水指数年际和年代际变化差异明显。1960－2016年三峡库区各极端降水指数年际变化及5a滑动平均值如图2所示。由图2可知，极端降水指数总体呈减少趋势，但只有CWD通过了0．01水平的显著性检验，其气候倾向率为－0．25d/10a，其余6个指数PRCPTOT、R10、R25、Rx5day和R95p则均有不显著减小的趋势，而SDII、Rx1day、R99p和CDD表现为不显著增加的趋势。CWD的显著减小（图2（i））和CDD的不显著增加（图2（j））说明三峡库区连续降水日数减少，而SDII、Rx1day和R99p的不显著增加则反映了三峡库区极端降水事件强度的增加。由5a滑动平均值的变化可以看出，三峡库区PRCP-TOT、SDII、R10、R25、Rx5day、R95p、R99p、CWD在20世纪70年代末有明显的震荡变化。由5a滑动平均可以将这8个极端降水指数
总体分为5个阶段：1970年以前、1970－1975、1975－1985、1985－1998年和1998年以后，这5个阶段分别表现为“下降－上升－下降－上升－下降”的趋势，其中Rx1day与CDD呈现出较明显的丰枯交替特征。各极端降水指数均在1998年表现为极大值，这可能与1998年区域特大暴雨有关
。
图1三峡库区及气象站点分布
表110个极端降水指数及其定义
指标类别代码指数名称/单位指数定义
绝对指标R10中雨日数/d日降水量≥10mm的日数R25大雨日数/d日降水量≥25mm的日数
相对指标R95p强降水量/mm日降水量＞95%分位值的总降水量R99p极强降水量/mm日降水量＞99%分位值的总降水量
持续指标CDD持续干期/d最长连续无降水日数CWD持续湿期/d最长连续降水日数Rx1day日最大降水量/mm年最大的1d降水量钝化膜
强度指标Rx5day5d最大降水量/mm连续5d最大降水总量PRCPTOT年降水量/mm≥1mm降水日累积量SDII降水强度/（mm·d－1）年降水量/降水日数
3．1．2极端降水指数的突变特征对三峡库区1960－2016年各极端降水指数进行突变分析，其中PRCPTOT、SDII、Rx1day和Rx5day4个极端降水指数的M－K曲线图如图3所示（其他极端降水指数M－K曲线图从略）。图3（a）显示，PRCPTOT的UF 曲线在1960－1977年间基本处于零线以上；1978－1984年呈折线上升的趋势；1985年后则呈现急剧下降的趋势，表明三峡库区的年降水量经历了减少－增大－减少的发展变化。同时，PRCPTOT的UF与UB曲线有6个交点，经过滑动T检验（滑动年数为5
59
第5期董钊煜，等：1960－2016年三峡库区极端降水事件时空变化特征
a ），仅1988、
1998与2002年出现的降水增加突变是可信的，
但UF 线没有超过α=0．05信度水平，表明PRCPTOT 的突变不显著。图3（b ）显示，
在1960－1968年间，
SDII 的UF 曲线在零线附近波动；1969－1990年基本在零线以上；1990以后有急剧下降的
神经卡压综合征
趋势，
1995年后一直在零线下保持波动。SDII 的UF 与UB 曲线有5个交点，经过滑动T 检验，仅1966年出现的降水增加突变是可信的，但UF 曲线
没有超过α=0．05信度线，说明SDII 的突变没有达到95%的显著性水平
。
图21960－2016年三峡库区各极端降水指数年际变化及5a 滑动平均值
69水资源与水工程学报2020年假声唱法
图31960－2016年三峡库区极端降水指数M －K 突变检验
分析表明，在95%的显著性水平下，三峡库区
的R10、
R25、R95p 、R99p 、Rx1day 等5个指数均存在不显著突变现象，
Rx5day 、CWD 发生显著突变现象，
CDD 没有发生突变。3．1．3极端降水指数的周期特征采用Morlet 小波分析方法研究三峡库区8个极端降水指数的周期变
化特征，
并构建全局小波谱进行检验，结果如图4所示。由图4可知，
三峡库区8种极端降水指数的变化主周期相似，
京师同文
普遍存在4 6a 的短周期，仅R10与R25存在12 16a 的中周期。具体分析如下：
在1995年以前，
PRCPTOT 、SDII 、R10和R25均没有表现出明显的周期特征；在1996－2006年，PRCPTOT 、SDII 、R10、R25、R95p 和R99p 均存在4 6a 的显著周期；PRCPTOT 与SDII 、
R10、R25、R95p 和R99p 等5个指数具有较大的相关性。从全局小
波谱可以看出，
6个指数均存在4a 左右周期，其中大多数指数还存在12a 左右周期，
但6个指数的全局小波谱显示仅4a 左右的振荡周期通过了0．05
显著性水平的检验，因此PRCPTOT 、
SDII 、R10、R25、R95p 与R99p 的主周期为4a 左右，这表明各极端降水指数与年降水量具有良好的相关关系。CWD 与CDD 均在1975年存在显著的2a 左右短周期，结
合全局小波谱可见，
CWD 与CDD 的能量谱呈交替出现峰值的情况。对比R95p 与R99p 的不显著能
量峰值，
可以发现R99p 比R95p 具有更短的振荡周期。从R99p 和CWD 的全局小波谱可知，
三峡库区的极端降水事件正在向周期短、
强度大的方向演变。3．2极端降水指数的空间分布
选择PRCPTOT 、
R10、R95p 和CWD 4个极端降水指数，分别计算1960－2016年三峡库区各气象站
点极端降水指数的平均值，
利用克里金法进行空间插值得到4个极端降水指数的空间分布特征，如图5所示。由图5可以看出，1960－2016年三峡库区PRCPTOT 整体呈下降趋势，气候倾向率呈现中部减少、
东西增加的空间格局（图5（a ）），这可能是由于川鄂高原的阻隔，
使中部地区降水量减少所致。倾向率增加的站点有6个，
增幅为1．3 10．4mm /10a ；呈现减少趋势的有14个站点，但仅桐梓站的下降趋势通过了显著性检验，
合川站PRCPTOT 增幅最大，为10．43mm /10a ，五峰站减幅最大，为－25．78mm /10a ；R10倾向率的绝对值空间分布呈现西南低，东北高的格局（图5（b ）），倾向率增加的站点有4个，
深圳定制公交增幅为0．09 0．6d /10a ；呈减少趋势的有16个站点，
桐梓站的减少趋势通过了0．01显著性水平的检验，
奉节、五峰两站的减少趋势则通过了0．05显著性水平的检验，
沙坪坝站R10增幅最大，
为0．55d /10a ；五峰站减幅最大，为－1．16d /10a ；R95p 的倾向率绝对值分布呈现中部高，东西低的格局（图5（c ）），
20个站点均呈现减少趋势，中部减小幅度最大，
代表站点为恩施站，倾向率为－0．6mm /10a ，但20站点的减少趋势均不显著；与PRCPTOT 的空间分布类似，CWD 的气候倾向率分布也呈现东西增加，
中部减少的状态（图5（d ）），倾向率增加的站点有12个，
其中有3个站点通过了显著性检验，占比25%，增幅为0．1 12．15d /10a ；呈现减少趋势的有8个站点，
其中5个通过显著性检验，
占比62．5%，其中恩施站通过了0．01显著性水7
9第5期董钊煜，等：1960－2016年三峡库区极端降水事件时空变化特征
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