Spatio-temporal variation of precipitation in the Three Gorges Reservoir Area from 1960 to 2016
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摘要: 全球变暖背景下，区域极端降水变化明显，对生态环境产生重要影响。利用三峡库区及周边23个气象站逐日降水量数据，采用线性倾向率、Mann-Kendall（MK）趋势检验和空间插值法研究了库区11个极端降水指标变化特征。结果表明：三峡库区11个极端降水指标中有6个指标具有下降倾向，分别为：PRCPTOT（年降水量）、CDD（最长连续无雨日数）、CWD（最长连续有雨日数）、R10（日降水量≥10 mm的日数）、R20（日降水量≥20 mm的日数）、RX5day（最大连续5 d降水量），其中CWD呈显著的下降趋势，下降速率为0.20 d/（10 a）；5个指标呈不显著上升趋势，分别为：R50（日降水量≥50 mm的日数）、R95p（日降水量≥95%分位数的总降水量）、R99p（日降水量≥99%分位数的总降水量）、RX1day（最大连续1 d降水量）和SDⅡ（全年平均降水强度）。空间上，PRCPTOT、R10、R20、R50和RX5day呈中部大、西南和东北部小的分布格局；CDD和SDⅡ呈自西南向东北部逐渐增大趋势，CWD、R95p、R99p和RX1day空间格局特征不明显。与1960—2003年相比，2004—2016年R50、R95p、R99p、RX1day、RX5day和SDⅡ等极端降水指标变化幅度大于其他降水指标。Abstract: Under the background of global warming, regional precipitation changes obviously, which has an important impact on the ecological environment. this paper investigated the change characteristics of 11 precipitation indexes by using linear trend rate, MK trend test and spatial interpolation methods, based on the daily precipitation data of 23 weather stations in the Three Gorges Reservoir area and its surrounding areas. The results showed that six precipitation indexes (PRCPTOT, CDD, CWD, R10, R20 and RX5day) in the Three Gorges Reservoir area showed a decreasing trend, and CWD showed a significant decreasing trend with a decreasing rate of 0.20 d/(10 a). Five precipitation indexes (R50, R95p, R99p, RX1day and SDⅡ) showed no significant upward trend. The spatial distribution pattern of PRCPTOT, R10, R20, R50 and RX5day showed a high value in the central part and low in the southwest and northeast part. CDD and SDⅡ gradually increased from southwest to northeast, while the spatial pattern of CWD, R95p, R99p and RX1day was not obvious. Compared with 1960-2003, the variation range in extreme precipitation indexes such as R50, R95p, R99p, RX1day, RX5day and SDⅡ from 2004 to 2016 was greater than that of the other indexes.
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0. 引言
气候变化及其影响已成为全球科学领域备受关注的议题。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出[1-2]，1850—1900年，全球地表平均温度已上升约1 ℃，预计未来20年全球升温将达到或超过1.5 ℃。气候变化不仅对人类生存环境构成威胁，还对区域经济、社会发展产生深远影响[3-5]。地表气温上升加剧了高温干旱和暴雨洪涝等极端气候事件的频发，严重影响人类的正常生产和生活[6-8]。据估计，过去40年因极端气候事件造成的经济损失增长了10倍，如何有效应对气候变化已成为21世纪人类所面临的一项重大挑战[9-10]。
三峡库区位于长江上游与中、下游的交汇处，是长江上游经济带的关键组成部分[11-12]。该区域地形复杂、山高坡陡，且频繁出现暴雨，是长江上游地区水土流失问题严重的区域之一[13-15]。根据1985年的水土流失遥感调查报告，三峡库区水土流失面积达到3.88万km2，平均土壤侵蚀模数为3 995 t/（km2·a）[16]。水土流失不仅破坏了土地资源，还导致大量泥沙淤积河道，破坏水利设施，影响水质，现已成为影响三峡库区生态环境的关键因素[17]。另外，极端降水极易引起水土流失，进一步加剧区域生态环境的破坏[18-19]。2003年三峡大坝建成蓄水后，库区气候变化也颇受关注[20-22]。同时，随着《中华人民共和国长江保护法》的颁布实施及长江经济带高质量发展的推进，库区的生态保护力度也在不断加大。因此，对三峡库区降水的时空变化特征进行分析具有重要意义[23]。
本文基于三峡库区及周边23个气象站1960—2016年逐日降水数据，研究了库区11个极端降水指标时空变化特征，为三峡库区暴雨洪水灾害防治、生态环境治理及降低气候风险提供了重要的科学依据和理论支撑。
1. 资料与方法
1.1 研究区域
三峡库区是指受长江三峡工程淹没的地区，其地理位置位于北纬28°31′—31°44′，东经105°50′—111°40′，如图 1所示。三峡库区东起湖北宜昌市、西至重庆江津区，包括湖北省4个县和重庆市18个区（县），总面积约5.8×104 km2。该地区的地貌类型主要包括山地、丘陵、台地、平坝等，以中低山为主，属亚热带季风湿润气候，多年平均气温18 ℃，多年平均降水量约1 150 mm，降水集中在6—10月，多年平均年径流量约401.8亿m3；土壤以紫色土、石灰土、黄壤、黄棕壤、水稻土为主，主要植被类型为常绿与落叶阔叶混交林、落叶阔叶与常绿针叶混交林、针叶林和灌草丛等。由于人口密度高，人地矛盾尖锐，三峡库区的土地垦殖率较高。耕地主要以旱坡地为主，多分布在长江干、支流两岸。坡耕地土壤侵蚀已成为三峡库区水土流失的主要源头和入库泥沙的主要来源[24-25]。
1.2 资料与统计指标
本文采用三峡库区及周边23个气象站1960—2016年逐日降水数据，计算极端降水指标，气象站的分布情况如图 1所示。所有资料均来自中国气象数据共享服务网(http://data.cma.gov.cn)。11个极端降水指标见表 1。
表 1 极端降水指标定义及分类指标 定义 单位 PRCPTOT 年降水量 mm R10 日降水量≥25 mm的日数 d R20 日降水量≥20 mm的日数 d CDD 最长连续日降水量 < 1 mm的日数 d CWD 最长连续日降水量≥1 mm的日数 d R50 日降水量≥50 mm的日数 d R95p 日降水量≥95%分位数的总降水量 mm R99p 日降水量≥99%分位数的总降水量 mm RX1day 最大1 d降水量 mm RX5day 最大连续5 d降水量 mm SDII 全年平均降水强度（降水量/降水日数） mm/d 1.3 方法
研究采用一元线性回归模型中线性趋势项的10倍作为极端降水指标10年的气候倾向率，以便定量分析气象要素变化的线性趋势[26]。采用反距离加权（IDW）对极端降水指标变化进行空间分析[27]。采用Mann-Kendall（MK）秩相关检验极端降水指标时间变化趋势[28-29]，MK法检验统计量（Zmk）为正，表示时间序列呈增加趋势，为负表示时间序列呈减少趋势，显著性水平为0.05和0.01时的Zmk临界值分别为±1.96和±2.58，其计算方法详见文献[30]。
2. 结果与分析
2.1 极端降水指标时间变化特征
1960—2016年三峡库区降水指标年际变化、变化特征分别如图 2、表 2所示。分析可知，1960—2016年三峡库区多年平均降水量1 100.2 mm，PRCPTOT有上升倾向，上升速率为1.76 mm/（10 a）；多年平均CDD为27.10 d，年际变化呈显著下降趋势，下降速率为0.46 d/（10 a）；多年平均CWD为6.71 d，有下降倾向，下降速率为0.20 d/（10 a）；多年平均R10、R20和R50分别为32.52 d、15.39 d和2.92 d，其中R10有下降倾向，下降速率为0.27 d/（10 a），R20和R50变化率接近于0；多年平均R95p、R99p分别为306.80 mm、98.04 mm，均有上升倾向，上升速率分别为6.42 mm/（10 a）、4.59 mm/（10 a）；多年平均RX1day、RX5day分别为86.44 mm、136.88 mm，其中RX1day有上升倾向，上升速率为0.74 mm/（10 a），RX5day有下降倾向，下降速率为0.28 mm/（10 a）；多年平均SDⅡ为10.93 mm/d，有上升倾向，上升速率为0.07 mm·d-1/（10 a）。
表 2 1960—2016年三峡库区降水指标变化特征指标 PRCPTOT CDD CWD R10 R20 R50 R95p R99p RX1day RX5day SDⅡ 均值 1100.17 mm 27.10 d 6.71 d 32.52 d 15.39 d 2.92 d 306.80 mm 98.04 mm 86.44 mm 136.88 mm 10.93 mm/d MK检验 -0.207 -0.971 -2.492** -1.019 -0.110 0.578 0.998 1.659 1.177 -0.571 0.427 线性倾向率（均值/（10 a）） 1.76 -0.46 -0.20 -0.27 0.02 0.04 6.42 4.59 0.74 -0.28 0.07 注：**表示达0.01显著性水平，未标表示不显著。 表 3为1960—2016年三峡库区降水指标相关系数。三峡库区PRCPTOT与CDD显著负相关，与其他极端降水指标均显著正相关，相关系数为0.300~0.938。CDD和CWD与其他降水指标相关性较低。CDD和R10、R95p、R99p呈显著负相关，CWD与R10显著正相关。R10、R20、R50、R95p、R99p、RX1day、RX5day和SDⅡ之间的相关系数为0.465~0.932，均达0.01显著性水平。
表 3 1960—2016年三峡库区降水指标相关系数指标 PRCPTOT CDD CWD R10 R20 R50 R95p R99p RX1day RX5day SDⅡ PRCPTOT 1** CDD -0.309* 1** CWD 0.300* -0.161 1** R10 0.924 -0.285* 0.32* 1** R20 0.938 -0.247 0.237 0.888** 1** R50 0.811 -0.198 0.008 0.639** 0.800** 1** R95p 0.854 -0.265* 0.019 0.683** 0.851** 0.971** 1** R99p 0.712 -0.321* -0.032 0.515** 0.594** 0.809** 0.834** 1** RX1day 0.639 -0.264 -0.134 0.465** 0.543** 0.793** 0.795** 0.932** 1** RX5day 0.732 -0.142 -0.043 0.564** 0.669** 0.841** 0.852** 0.847** 0.860** 1** SDⅡ 0.792 -0.148 0.032 0.706** 0.874** 0.825** 0.882** 0.654** 0.624** 0.689** 1** 注：*表示达0.05显著性水平，**表示达0.01显著性水平。 2.2 极端降水指标空间变化特征
三峡库区多年平均PRCPTOT为1 068.7~1 262.1 mm，高值区主要分布在中部的丰都、万州等地（图 3（a））。CDD为22.5~31.4 d，呈现从西南部向东北部增大的分布格局（图 3（b））。CWD为5.8~7.6 d，高值区主要分布在丰都、奉节、巴东和兴山等地（图 3（c））。R10为29.7~38.5 d、R20为12.9~19.7 d、R50为2.1~4.3 d，均呈中部高、西南部和东南部低的分布格局（图 3（d）、图 3（e）、图 3（f））。R95p和R99p分别为254.9~379.1 mm和77.4~136.5 mm，空间变化规律不明显（图 3（g）、图 3（h））。RX1day和RX5day分别为75.5~107.7 mm和113.7~173.6 mm，呈西南和东南低、中部高的分布格局（图 3（i）、图 3（j））。SDⅡ为9.4~12.5 mm/d，呈自西南向东南逐渐增大的分布格局（图 3（k））。
三峡库区各站点PRCPTOT年际变化均不显著（图 4（a），其中8个（34.8%）站点呈不显著上升趋势，15个（65.2%）站点呈不显著下降趋势（图 4（a））。除CWD外，其他降水指标普遍呈不显著的变化趋势（图 4（b）至图 4（k））。CWD中，有8个（34.8%）站点呈显著下降趋势，3个（13%）站点呈不显著上升趋势，12个（52.2%）站点呈不显著下降趋势。
2.3 三峡工程运行前后各极端降水指标时间变化特征
表 4为1960—2003年（三峡工程运行前）和2004—2016年（三峡工程运行后）三峡库区各极端降水指标变化情况。与1960—2003年相比，2004—2016年三峡库区多年平均PRCPTOT减少5.8 mm，减幅为0.5%；CDD、CWD、R10和R20也有所降低，减幅为1.9%~10.1%，R50、R95p、R99p、RX1day、RX5day和SDⅡ均有所增大，增幅为2.7%~23.3%。
表 4 1960—2003年和2004—2016年三峡库区各极端降水指标变化项目 PRCPTOT CDD CWD R10 R20 R50 R95p R99p RX1day RX5day SDⅡ 1960—2003年 1101.5 mm 27.4 d 6.9 d 32.9 d 15.5 d 2.9 d 301.7 mm 93.1 mm 85.1 mm 136.0 mm 10.9 mm/d 2004—2016年 1095.7 mm 26.2 d 6.2 d 31.4 d 15.2 d 3.0 d 324.1 mm 114.8 mm 91.0 mm 139.7 mm 11.2 mm/d 变化值 -5.8 mm -1.2 d -0.7 d -1.5 d -0.3 d 0.1 d 22.3 mm 21.7 mm 5.9 mm 3.7 mm 0.3 mm/d 变幅 -0.5% -4.4% -10.1% -4.6% -1.9% 3.4% 7.4% 23.3% 6.9% 2.7% 2.8% 图 5为2004—2016年相对1960—2003年三峡库区各站点降水指标变化情况。与1960—2003年相比，2004—2016年库区各站点极端降水指标变化幅度为-45.7%（荆州R99p）~87.2%（达州R99p）（图 5）。11个极端降水指标中，PRCPTOT为-15.5%~10.3%，CDD为-22.8%~11.9%，CWD为-23.7%~54.8%，R10为-18%~7.8%，R20为-19%~26.6%，R50为-15.6%~46%，R95p为-17.5%~53.9%，R99p为-45.7%~87.2%，RX1day为-9.2%~28.4%，RX5day为-20.1%~39.3%，SDⅡ为-6%~26.8%。整体上R50、R95p、R99p、RX1day、RX5day和SDⅡ等极端降水指标变化幅度大于其他指标。
3. 结论
利用三峡库区及周边23个气象站逐日降水量数据，采用线性倾向率、MK趋势检验和空间插值法研究了11个极端降水指标变化特征。结果显示，三峡库区11个极端降水指标中仅CWD呈显著下降趋势，下降速率为0.2 d/（10 a）。空间上，PRCPTOT、R10、R20、R50和RX5day呈中部大、西南和东北部小的分布格局，CDD和SDⅡ呈自西南向东北部逐渐增大趋势，CWD、R95p、R99p和RX1day空间格局特征不明显。与1960—2003年相比，2004—2016年库区极端降水指标整体变化稳定，但部分站点R50、R95p、R99p、RX1day、RX5day、SDⅡ等极端降水指标变化相对较大，应加强区域极端降水研究，做好极端降水灾害防控。
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表 1 极端降水指标定义及分类
指标 定义 单位 PRCPTOT 年降水量 mm R10 日降水量≥25 mm的日数 d R20 日降水量≥20 mm的日数 d CDD 最长连续日降水量 < 1 mm的日数 d CWD 最长连续日降水量≥1 mm的日数 d R50 日降水量≥50 mm的日数 d R95p 日降水量≥95%分位数的总降水量 mm R99p 日降水量≥99%分位数的总降水量 mm RX1day 最大1 d降水量 mm RX5day 最大连续5 d降水量 mm SDII 全年平均降水强度（降水量/降水日数） mm/d 
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表 2 1960—2016年三峡库区降水指标变化特征
指标 PRCPTOT CDD CWD R10 R20 R50 R95p R99p RX1day RX5day SDⅡ 均值 1100.17 mm 27.10 d 6.71 d 32.52 d 15.39 d 2.92 d 306.80 mm 98.04 mm 86.44 mm 136.88 mm 10.93 mm/d MK检验 -0.207 -0.971 -2.492** -1.019 -0.110 0.578 0.998 1.659 1.177 -0.571 0.427 线性倾向率（均值/（10 a）） 1.76 -0.46 -0.20 -0.27 0.02 0.04 6.42 4.59 0.74 -0.28 0.07 注：**表示达0.01显著性水平，未标表示不显著。
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表 3 1960—2016年三峡库区降水指标相关系数
指标 PRCPTOT CDD CWD R10 R20 R50 R95p R99p RX1day RX5day SDⅡ PRCPTOT 1** CDD -0.309* 1** CWD 0.300* -0.161 1** R10 0.924 -0.285* 0.32* 1** R20 0.938 -0.247 0.237 0.888** 1** R50 0.811 -0.198 0.008 0.639** 0.800** 1** R95p 0.854 -0.265* 0.019 0.683** 0.851** 0.971** 1** R99p 0.712 -0.321* -0.032 0.515** 0.594** 0.809** 0.834** 1** RX1day 0.639 -0.264 -0.134 0.465** 0.543** 0.793** 0.795** 0.932** 1** RX5day 0.732 -0.142 -0.043 0.564** 0.669** 0.841** 0.852** 0.847** 0.860** 1** SDⅡ 0.792 -0.148 0.032 0.706** 0.874** 0.825** 0.882** 0.654** 0.624** 0.689** 1** 注：*表示达0.05显著性水平，**表示达0.01显著性水平。
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表 4 1960—2003年和2004—2016年三峡库区各极端降水指标变化
项目 PRCPTOT CDD CWD R10 R20 R50 R95p R99p RX1day RX5day SDⅡ 1960—2003年 1101.5 mm 27.4 d 6.9 d 32.9 d 15.5 d 2.9 d 301.7 mm 93.1 mm 85.1 mm 136.0 mm 10.9 mm/d 2004—2016年 1095.7 mm 26.2 d 6.2 d 31.4 d 15.2 d 3.0 d 324.1 mm 114.8 mm 91.0 mm 139.7 mm 11.2 mm/d 变化值 -5.8 mm -1.2 d -0.7 d -1.5 d -0.3 d 0.1 d 22.3 mm 21.7 mm 5.9 mm 3.7 mm 0.3 mm/d 变幅 -0.5% -4.4% -10.1% -4.6% -1.9% 3.4% 7.4% 23.3% 6.9% 2.7% 2.8%
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