近60年渭河流域极端降水和洪水演变特征.pdf

引用格式：刘吉峰，靳莉君，张永生 近 年渭河流域极端降水和洪水演变特征 山地学报，（）：，（）：山 地 学 报 文章编号：（）：收稿日期（）：；改回日期（）：基金项目（）：国家重点研发计划项目专题（）。（）作者简介（）：刘吉峰（），男，山东聊城人，博士，教授级高工，主要研究方向：黄河流域水文预报。（），：近 年渭河流域极端降水和洪水演变特征刘吉峰，靳莉君，张永生（黄河水利委员会水文局，郑州 ）摘要：渭河流域地处中国西北地区东部，是气候敏感区和生态环境脆弱区，极端降水事件往往引发洪水、泥石流等灾害。现有研究主要集中在降水引发的流域径流变化，而极端降水和洪水变化规律有待挖掘。本文基于 年气象水文资料，选用 个极端降水指数、个代表水文站年最大洪峰流量，采用百分位阈值法、空间插值法、线性回归法、滑动平均法、小波分析法，分析了渭河流域极端降水和洪水时空演变特征、周期特征以及 年极端降水和洪水特性。结果表明：（）近 年渭河流域极端降水总量和暴雨频次显著增加的同时，极端降水强度亦有所增强，而弱降水事件减少。极端洪水整体呈不显著减少趋势。极端降水和洪水均在 年以后显著增加，特别是极端降水总量和暴雨频次较多年均值偏多 ，并且各极端降水指数极大值均出现在 年以后。（）极端降水和洪水年内分布不均，前者主要集中在 月和 月，后者除“七下八上”期外，月也是多发期。（）各极端降水指数均呈现由上游向下游递增的分布，中游南部极端降水普遍强于北部。流域内大部分站点极端降水指数呈增加趋势，显著增加地区位于中游周至临潼区间以及长武宁县。（）极端降水和洪水存在多个周期变化特征，且极端洪水周期年代际特征显著。（）年渭河流域极端降水强度、大雨以上降雨日数均为近 年来之最，华县站出现 年以来最大洪水过程，咸阳站出现 年有实测资料以来 月份同期最大洪水。研究结果可为渭河流域水旱灾害防御以及治理规划提供参考依据。关键词：极端降水；年最大洪峰流量；趋势分析；小波分析；时空变化；渭河流域中图分类号：文献标志码：以气候变暖为典型特征的全球气候变化引发各地极端气候事件频发，对社会可持续发展及人民生产生活造成严重影响 。其中，极端降水导致的洪水灾害直接影响区域水资源多寡，威胁国家防洪安全、供水安全以及生态环境安全 。近年来，西北地区极端降水和洪水事件频发 。渭河流域地处西北地区东部，是气候敏感区和生态环境脆弱区，少数几场极端降水事件往往就能引发洪水、泥石流等灾害 。相关研究表明：渭河极端降水自 年以后年际波动明显增大，同时上游极端降水上升趋势高于中下游 ；该区域年径流量呈减少趋势 ，且与极端降水密切相关 。已有研究主要集中在该区域降水引发的径流 演 变 趋 势、突 变 年 份 及 周 期 性 特 征 等 方面 ，对极端降水和洪水变化特征研究相对不足。年，渭河发生有实测资料以来最强秋汛 ，使极端降水特征更加凸显。本文以 渭河流域气象水文数据为基础，通过构建极端降水和洪水指标，对该区域极端降水和洪水的时空演变趋势、周期特征进行分析，并进一步探讨 年该区极端降水和洪水特性，深入挖掘该地极端降水与洪水的变化规律，以期为流域治理规划和水旱图 渭河流域水文和气象站点分布 灾害防御决策提供依据。研究区概况渭河是黄河第一大支流，发源于甘肃省渭源县，流经甘肃、宁夏、陕西三省，在陕西省潼关县注入黄河，干流全长 。流域内地貌复杂，北部为黄土高原，南部为秦岭山脉，受大陆性季风气候影响，降水时空分布不均，呈现出东南向西北递减的变化特征。年均降水量 ，年均天然径流量 。泾河是黄河的二级支流，也是渭河最大支流。张家山水文站位于泾河下游，集水面积 ，占泾河流域面积的 ，是泾河重要把口站 。咸阳、临潼、华县水文站位于渭河干流的中下游，集水面积分别为 、，是渭河干流重要控制站 。资料与方法?资料来源（）国家气象信息中心提供的渭河流域 个气象站 年逐日降水数据，数据序列经过初步质量控制，缺测较少，对个别缺测值采用反距离权重法插补；（）在极端降水成因分析中，使用 提供的空间分辨率为 的全球格点再分析资料；（）张家山、咸阳、临潼、华县水文站年最大洪峰流量来源于水文年鉴黄河流域水文部门，其中临潼站数据序列为 年，其余为 年。站点具体位置如图 所示。?研究方法考虑各极端降水指数特点，参考国内外相关文献 ，从世界气象组织（）气候变化监测指数专家组（）推荐的 个极端气候指数（：）中选取 个极端降水指数，定量分析渭河流域极端降水变化特征（表 ）。其中，百分位阈值的界定参考 等 工作，将每年逐日降水数据（日降水量 ）按升序排列，某个值小于或等于 的概率为：（）式中，为降水数据个数。，近 年渭河流域极端降水和洪水演变特征与采用某一固定的降水量定义阈值法以及拟合经验曲线函数定义阈值法相比，百分位阈值法更能反映极端降水的长期变化趋势，更具有统计学意义 。表 极端降水指数及其定义 指数名称定义单位 年内日最大降水量 年内连续 日最大降水总量 年降水总量 降水日数（日降水量 ）年内日降水量 的总日数 年内日降水量 的总日数 年内日降水量 的总日数 日降水量 百分位日降水量的降水总量 日降水量 百分位日降水量的降水总量 表 不同时期渭河流域极端降水指数特征值 时间各极端降水指数特征值 （）年 年 年 年 采用 插值法对各极端降水指数进行空间插值分析；采用线性回归法并借助 检验分析各极端降水指数的年际变化；采用九点滑动平均法分析各极端降水指数的年代际特征；采用 小波分析法识别各极端降水指数的周期变化。对极端洪水的分析采用年最大洪峰流量作为特征量，趋势及周期分析与极端降水分析方法相同。结果与分析?极端降水特征分析 极端降水指数时域特征图 和表 为利用线性回归和九点滑动平均法对极端降水指数序列进行处理，得到的渭河流域极端降水指数变化趋势图以及年代际特征值统计结果。年，除 呈减少趋势外，其余指数均呈增加趋势。其中 通过 信度检验，、通过 信度检验，均呈显著增加趋势，这四个指标的变化预示着渭河流域极端降水总量以及暴雨的强度和频次的显著增加。、总体增加但不显著（），表明渭河流域极端降水强度、大雨事件不显著增加的同时，弱降水事件（）减少。从九点滑动平均曲线上看，各极端降水指数具有典型的年代际振荡特征。其中 、呈现“增加减少增加”的阶段性变化趋势，则表现为“减少增加减少增加”的多波型变化趋势。总体来看，渭河流域极端降水大致可以分为三个阶段，年为波动增加阶段，年为持续减少阶段，年为急剧增加阶段，目前仍然处于增加趋势中。从表 也可以看出，年平均极端降水指数明显高于 年和 年，特别是表征暴雨和极端降水总量的 、分别达 、和 ，较多年均值偏多 。另外从逐年变化曲线上也可以看出，各指数极大值多发生在 年以后。以 为例，从极端降水发生频率年内分布来看（图 ），月为极端降水多发期，极端降水频率约占全年的 ，其中 月和 月占 ，最大月为 月，约占全年的 。极端降水集中于盛夏的特征十分显著。进一步统计发现，极端降水主要集中在 月上旬、月下旬以及 月中下旬，并且各旬之间发生频率差别不大。极端降水指数空间分布渭河流域 个极端降水指数空间分布大致相山地学报 卷 第 期3040506070801960197019801990200020102020Rx1day/mmy=0.106x-159.84p0.055070901101301960197019801990200020102020Rx5day/mmy=0.047x-9.24Rx5day9$4CRx1day9$4C678910111960197019801990200020102020SDII/(mm d-1)y=0.006x-3.63SDII9$4C61014182226301960197019801990200020102020R10/dy=-0.027x+70.36R109$4C1357911131960197019801990200020102020R20/dy=0.006x-6.34R209$4C4C00.20.40.60.811.21.41.61960197019801990200020102020R50/dy=0.004x-6.58p0.1R509$3060901201501802102402701960197019801990200020102020R95pTOT/mmy=0.499x-860.71p0.1R95pTOT9$4C0204060801001201960197019801990200020102020R99pTOT/mmy=0.284x-522.26p0.1R99pTOT9$4C(a)Rx1day(b)Rx5day(c)SDII(d)R10(e)R20(f)R50(g)R95pTOT(h)R99pTOT图 渭河流域极端降水指数变化趋势 ，近 年渭河流域极端降水和洪水演变特征0102030405045678910N)/%L%Rx1day图 极端降水与极端洪水的年内变化 :(p0.05):(p0.1):(p0.05):(p0.1)(a)Rx1day(b)Rx5day(c)SDII(d)R10(e)R20(f)R50(g)R95pTOT(h)R99pTOT图 渭河流域极端降水指数空间分布及变化趋势 同，均呈现自上游向下游递增的分布态势（图 ）。各指数最大值均出现在渭河下游蓝田站，最小值多出现在渭河上游武山、通渭、陇西之间，但 、最小值出现在泾河上游麻黄山环县，说明泾河上游极端降水总量不及渭河干流上游。仅渭河中游而言，南部极端降水普遍强于北部，极端降水日数以及极端降水总量的大值区位于宝鸡、千阳、凤翔附近，宜君、铜川附近为次大值区，两者之间为明显的低值区。从多年变化趋势来看，除 外，大部分站点山地学报 卷 第 期极端降水指数呈现增多趋势，特别是 、呈增多趋势的站点超过 ，而超过 的站点 呈现减少趋势。极端降水显著增多的区域主要集中在渭河中游周至临潼区间以及长武宁县，上述站点极端降水强度以及降水总量增加非常明显，特别是秦都和宁县站，前者 、均达到 显著性水平，后者 、均达到 显著性水平。另外，渭河上游特别是张家川以上以及下游的铜川富平渭南华县一带，极端降水指/a(c)SDII/a(d)R10/a(a)Rx1day1960197019801990200020102020196019701980199020002010202019601970198019902000201020201960197019801990200020102020/a(b)Rx5day403224168403224168403224168403224168151296301.51.20.90.60.305432102520151050数呈不显著减少趋势、呈不显著增加趋势。总体而言，极端降水强度及总量的高、低值区分别位于下游临潼以下和上游张家川以上，长期变化均呈现为不显著减少，中游极端降水增加并且以周至临潼区间以及长武宁县增加最为显著，因此要特别防范上述地区极端降水增多带来的影响。极端降水指数周期特征小波分析可以体现指标在研究时域内针对不同时间尺度的周期性特征，结合小波模可以反映波动能量随年尺度分布情况，进而确定主周期。由图 可以看出，除 、外，其余极端降水指数均存在 和 两类周期，其中，前者贯穿整个研究时域，大致出现 次震荡；后者主要出现在 年 以 后 并 伴 随 次 震 荡。、存 在 、和 三类周期，其中 周期主要出现在 年之前（）和 年以后（），周期存在于 年，之后转为 长周期。小波模结果显示，大部分极端降水指数表现出 为第一主周期，为第二主周期的特征，、第一主周期不变、第二主周期为 。?极端洪水特征分析 极端洪水时域特征由泾河张家山站及渭河干流咸阳、临潼、华县站极端洪水指数变化趋势（图 ）可知，四站极端洪水均呈小幅减小趋势，年际变化倾向率分别为 、和 （），均未通过 显著性检验。从九点滑动平均曲线上看，张家山站极端洪水流量在 年较其他时段明显偏高，年流量显著减少，年流量波动增加，年之后流量再次减少。咸阳站 年流量最大，之后流量呈波动减少持续至 年左右，年以后流量增加。临潼和华县站年最大流量变化趋势与咸阳站类似。从表 也可以看出，张家山站极端洪水呈现出“减小增大减小”的多 ，近 年渭河流域极端降水和洪水演变特征/a(g)R95pTOT/a(h)R99pTOT/a(e)R20/a(f)R5019601970198019902000201020201960197019801990200020102020196019701980199020002010202019601970198019902000201020204032241684032241684032241684032241682.52.01.51.00.500.600.480.360.240.120756045301504032241680图 渭河流域极端降水指数的小波分析 01000200030004000500060001960197019801990200020102020y=-30.80 x+639800100020003000400050006000700080001960197019801990200020102020y=-34.57x+71971010002000300040005000600070001960197019801990200020102020y=-22.74x+47460#G9$4C0100020003000400050006000700080001960197019801990200020102020#G/(m3s-1)#G/(m3s-1)#G/(m3s-1)#G/(m3s-1)y=-27.95x+57226(a)(b)(c)(d)图 渭河极端洪水变化趋势图 山地学报 卷 第 期波型变化趋势，咸阳、临潼、华县站极端洪水呈现出/a/a/a(a)(b)L(c)%(d)197019801990200020102020403224168403224168/a4032241684032241682500200015001000500025002000150010005000200015001000500025002000150010005000196019701980199020002010202019601970198019902000201020201960197019801990200020102020图 渭河流域极端降水指数的小波分析 “减少增加”的变化趋势。表 不同时期渭河流域极端洪水特征值 时间各水文站极端洪水特征值（）张家山咸阳临潼华县 年 年 年 年 年 年 对 年渭河极端洪水统计分析发现，年内最早极端洪水出现在 年 月 日（华县站），最晚出现在 年 月 日（华县站）。从洪水发生频率年内分布来看（图 ），月极端洪水占 ，其中张家山站、临潼站发生频率最多的月份为 月，咸阳站、华县站发生频率最多的月份为月。进一步统计发现，月下旬极端洪水出现频率最高，占 ，其次是 月下旬（占 ）和 月中旬（占 ）。可见，除“七下八上”盛夏期外，秋季也是渭河洪水发生频率较高的时段。极端洪水周期特征从图 可以看出，张家山站极端洪水主要表现为 周期，且贯穿整个时域，其他时间尺度的周期不显著且不连续。咸阳站极端洪水在 和 、的时间尺度上信号较为强烈，周期的年代际特征显著，其中 年主要为 周期，年为 周期，年以后为 周期。临潼站极端洪水主要为 和 周期，其中 周期十分明显，贯穿整个时域，周期在 年未出现，其他时段显著。华县站与临潼站类似。小波模结果显示，咸阳、临潼、华县站极端洪水第一主周期均为 并且 年以后该周期有所增强，为第二主周期，张家山站极端洪水仅存在 周期。?年极端降水与洪水特征 年汛期（月），渭河流域总降水 ，相当于该地年平均降水量（），近 年渭河流域极端降水和洪水演变特征较常年同期偏多 ，其中 月降水接近同期，月和 月偏少 ，月偏多 倍，秋雨特征十分显著。对本年极端降水统计发现：、分别有 站、站突破历史极值达到近 年来最大，表现出极端降水强度强、大雨日数多的特点，另外，、也分别有 站、站、站突破历史极值。突破极值站点主要集中在渭河中游的秦都渭南区间以及泾河下游宜君铜川蒲城一带。以长安站为例，、多年均值分别为 、，年 月高达 、，较年均值偏多 ，降水的异常性、极端性可见一斑。此外，从整个流域的平均极端降水指数来看，、为近 年来最大，仅次于 年，因此 年极端降水强度之强、大雨以上降雨日数之多均为历史罕见。受极端降雨影响，渭河共发生 次明显洪水过程，历时 ，其中以第 次洪水为最大，历时长达 。受 月 日持续长时间降雨过程影响，咸阳站 月 日最大流量 （为 年有实测资料以来 月份同期最大洪水），比多年平均极值流量偏高 ；渭河临潼站 月 日最大流量 ，比多年平均极值流量偏高 ；华县站 月 日最大流量 （为 年以来最大洪水），比多年平均极值流量偏高 ，临潼至华县洪峰流量削减率 。讨论研究结果表明，渭河流域极端降水整体增加，尤其是极端降水总量（、）、暴雨强度（）与频次（）显著增加，这与前人的研究结论基本一致 ，。极端洪水则呈不显著下降，虽然二者长期变化趋势不一致，但 年以后均增加，并且通过计算 个极端降水指数与华县站极端洪水的相关系数发现，二者之间呈显著正相关。结合目前关于水文情势演变归因的研究以及渭河 年、年 洪 灾 与 极 端 降 水 关 系 的 分析 ，说明极端降水对洪水有重要影响，但并非是导致极端洪水的唯一因素，人类活动、土壤蓄水量、植被覆盖等都可能影响极端洪水，这也是今后研究工作需要考虑的内容。各极端降水的空间分布体现出聚集性分布特征 ，同时存在空间差异，比如渭河中游周至临潼以及长武宁县这两个区间极端降水强度以及降水总量显著增加，而下游临潼以下和上游张家山以上极端降水呈减少趋势。另外，极端降水和洪水年内分布具有不均匀性，除防范“七下八上”极端事件外，还应防范 月中旬极端洪水，这提醒流域主管部门在制定极端事件防御政策时需要统筹考虑。通过对 年渭河极端降水以及洪水特性的分析得出，该年度极端降水及洪水发生时间之晚以及指数之强实属罕见。该年度黄河中下游 内连续出现 场编号洪水，其中渭河潼关站编号 次并在 号洪水期间出现 年以来最大洪水，多座水库突破建库以来最高蓄水位 。由此可见，全球变暖背景下，极端降水及其引发的洪涝灾害影响越来越大，这对流域水资源管理及水旱灾害防御部门提出了新的挑战，如果不加以重视和防范，“黑天鹅”事件将在增加趋势的继续发展下给人类社会带来严重灾难。考虑到极端事件的复杂性，本研究仅从极端降水和洪水变化特征的角度进行了分析，未来还需进一步深入研究其影响因素和物理机制，探索气象水文规律，以期为今后出现相似年份时保证有效应对洪水风险提供决策依据。结论（）年以来渭河流域极端降水总量、暴雨频次增加，极端降水强度有所增强，弱降水事件减少。极端降水变化大致可以分为三个阶段，年为波动增加阶段，年为持续减少阶段，年至今为急剧增加阶段，各指数极大值均出现在 年以后。渭河极端洪水整体呈不显著减少趋势，以 年为变异点，年以后，极端洪水呈增加趋势。极端降水与极端洪水年内分布不均匀，前者主要集中在 月和 月，后者除“七下八上”期外，秋季也是多发期。（）各极端降水指数均呈现出自上游向下游逐渐增加的分布态势，并且中游南部极端降水指数普遍大于北部。同时，从变化趋势空间分布上看，大部分站点极端降水指数均呈增多趋势，但 呈减少趋势，极端降水显著增加地区主要位于中游周至山地学报 卷 第 期临潼区间以及长武宁县，下游临潼以下和上游张家川以上地区为不显著减少。（）极端降水指数存在 、和 尺度的变化周期，第一主周期为 ，第二主周期为 （、为 ）。极端洪水存在 、多种尺度的变化周期，且周期的年代际特征显著。咸阳、临潼、华县站极端洪水第一主周期均为 并且 年以后该周期有所增强，为第二主周期，张家山站极端洪水仅存在 周期。（）年渭河流域 、均为近 年来最大，仅次于 年，极端降水强度之强、大雨以上降雨日数之多均为历史罕见。受其影响，渭河华县站出现 年以来最大洪水过程，咸阳站出现 年有实测资料以来 月份同期最大洪水。参考文献（），：，（）：李莹，赵珊珊 年中国洪涝灾害损失与致灾危险性研究 气候变化研究进展，（）：，（）：尹家波，郭生练，顾磊，等中国极端降水对气候变化的热力学响应机理及洪水效应 科学通报，（）：，（）：齐月，陈海燕，房世波，等 年西北地区极端气候事件变化特征 干旱气象，（）：，（）：（）赵庆云，张武，王式功，等西北地区东部干旱半干旱区极端降水事件的变化 中国沙漠，（）：，（）：汪宝龙，张明军，魏军林，等西北地区近 气温和降水极端事件的变化特征 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