鲁达 摘 要：
针对全球气候变化下不同区域极端气候事件显著增加问题，为了揭示横断山区极端气候变化的时空演变规律，基于横断山区129个气象站点1970—2019年的逐日降水和气温数据，分析了横断山区27个极端气候指数的时空变化特征，利用广义极值分布揭示了部分极端指数的频率特征，并对比分析与其他地区极端气候指数变化的规律。研究表明：(1)近50年来横断山区大部分区域的各极端降水指数变化趋势不明显，北部极端降水事件的发生频次和强度低于南部。横断山区南部和西部边缘地区发生极端降水事件的频次和强度较大。(2)横断山区内90%以上站点的极端气温暖指数显著上升，极端气温冷指数显著下降。南北气温差异显著，以青藏高原为界，北部气温日较差大，平均在13.83℃,几乎无热夜日数，南部气温日较差小，平均为11.38℃,南部平均的冰冻日数在1 d左右。极端高温较普遍的发生在南部和东部的干旱河谷中，且发生强度有增加的趋势。(3)随着重现期的增加，持续干燥期(CDD)大于110 d的区域逐渐由西部扩大到金沙江下游流域；在不同重现期下，持续降雨期(CWD)和年降水总量(PRCPTOT)的高值区集中在西部和南部的边缘；北部的日最大降水量(RX1day)在不同重现期下变化不显著，在60 mm以下；最低气温极小值(TNn)和最高气温极大值(TXx)在空间分布上北低南高，40℃以上的高温普遍发生在南部的干旱河谷。
关键词：
极端降水指数;极端气温指数;重现期;时空特征;横断山区;气候变化;降水;
作者简介：
卞耀劲(1997—),男，硕士研究生，主要从事气象水文学方面工作。
*孙鹏(1986—),男，教授，博士研究生导师，博士，主要从事气象水文学和水土保持方面研究工作。
基金：
第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0906);
国家重点研发计划项目“不同温升情景下区域气象灾害风险评估”(2019YFA0606900);
安徽省自然科学基金优青项目(2108085Y13);
高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2021094);
安徽高校协同创新项目(GXXT 2019047);
引用：
卞耀劲，孙鹏，张强，等． 横断山区极端气候变化的时空格局［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 9) : 1-15.
BIAN Yaojin，SUN Peng，ZHANG Qiang，et al． Spatial distribution characteristics of extreme climatic events in the Hengduan Mountains Region［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 9) : 1-15
0 引 言
气候条件是人类社会和自然界赖以存在的基础，气候变化越来越成为人类共同关注的问题，联合国下署政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次报告中指出，自1880年以来全球陆地及海洋表面的平均温度上升了0.85 ℃。2018年10月8日，IPCC发布的《IPCC全球升温1.5 ℃特别报告》预计全球平均气温在未来10～20 a间就会比工业化之前高1.5 ℃。在全球气候变暖的全球大背景下，相比气候平均状态的变化，极端气侯事件对气候变化的响应更为敏感,同时，极端气候事件的发生具有一定的突发性和难以预测性[5],极端气候的频繁发生毋庸置疑的会对经济社会发展和自然生态环境造成一定的影响和损失。研究表明，极端气温事件可能会引发高温热浪及干旱、寒潮，造成粮食减产，威胁粮食安全，极端降水事件可能会引发山洪、滑坡和泥石流等自然灾害，更是直接对人民的生产和生活造成难以忽视的影响。
随着气候变暖，极端暖事件增多，极端冷事件减少，极端降水的强度和频率有一定增多的趋势。在国际上诸多学者做了大量的研究，ALEXANDER等通过CMIP5模型研究澳大利亚极端气候指数的变化，预测到本世纪末澳大利亚气温极小值将大幅减小，气温极大值将大幅增加，极端降水强度有增加的趋势；BROWN等在美国东部的研究中发现，随着暖事件发生的频率增加，气温强烈变暖，极端降水指数则没有明显的变化趋势；ABADI等在东非埃塞俄比亚的研究认为，极端暖指数上升趋势显著，极端降水指数则有显著的下降趋势。在国内的研究中，学者对我国的淮河流域，南盘江流域，长江中下游流域，秦岭等地区的极端气温和极端降水指数进行了研究和分析,结果表明，这些流域和地区极端暖指数呈上升趋势，极端冷指数呈下降趋势，而且冷指数的下降幅度往往要大于暖指数的上升幅度，极端降水指数的变化趋势不显著，区域差异明显，部分研究区域呈现暖干的趋势。
横断山区位于青藏高原、云贵高原和四川盆地的交界地带，区域内地貌组合多样，地质条件复杂，是我国地形第一阶梯和第二阶梯的过渡地带。全年受到冬夏季季风环流控制，气候环境成因复杂，区域差异明显，气温和降水的时空差异显著。在横断山区的气候变化问题上，徐飞等分析了横断山区降水和气温的时空变化特征，发现横断山区气候呈现暖干趋势；丁文荣等发现横断山区干旱河谷平均气温总体上升，河谷内的降水和相对湿度普遍减小；张克新等分析了横断山区水分盈亏量的时空变化，发现横断山区水分盈亏量从南到北有减小的趋势，且与海拔呈负相关。相关的研究说明横断山区升温趋势显著，降水有一定减小的趋势。针对不同的研究需要，人们研究的侧重点有所不同，但是上述研究对横断山区极端气候事件的关注较少，极端气候在横断山区时空分布规律还需要进一步的深入研究，同时，还需要进一步的对比分析横断山区与其他区域的极端气候的变化规律。
基于此，本研究将通过分析横断山区极端气候指数及其重现期的空间分布和时间变化，研究极端气候事件在横断山区的变化规律。本文基于129个气象站点1970—2019年逐日数据，分析了横断山区极端气候指数的空间分布特征和变化趋势。利用广义极值分布揭示不同气候类型下的极端气候重现期的时空分布格局，在应对未来可能发生的由气候变化引发的极端气候事件上有着重要的意义。
1 数据来源及研究方法
1.1 数据来源及预处理
本文选取了由中国气象局国家气候中心提供的横断山区范围内的129个气象站点1970年1月1日—2019年12月31日的逐日降水和气温数据，使用线性内插的方法对异常值和缺测值进行了处理。为了使研究结果更加的准确可靠，本文所选用的气象站点满足以下条件：(1)每一年缺失和异常数据的比例未超过10%;(2)整体数据缺失比例未超过1%。研究区地理概况和具体的站点分布如图1所示。
图1 横断山区站点分布
1.2 研究方法
世界气象组织气候变化监测与极端气候事件指标专家组提出了一套极端气候事件的指标，作为研究气候变化的统一准则。本文采用IPCC(2007)第四次报告中重新定义的27个极端气候事件核心指标，使用基于R语言的RClimDex程序包分析并计算了横断山区129个站点的极端气候指数。本文选取了全部27个极端气候指数，将极端降水指数分为极端降水的强度、相对性、绝对性和持续性四个大的类型。将极端气温指数分成了极端气温的强度、相对性、绝对性、极值和持续性五个大的类型,这些指数在一定程度上能够反映极端降水和极端气温事件发生的强度和频次。指数具体的名称、类型和定义如表1—表3所列。本文采用ArcGIS10.7软件的径向基函数插值法来分析极端气候指数的均值和斜率，以及部分极端气候指数的重现期的空间分布规律。在站点数据的处理上，为了表示变化率的大小，本文定义了6个等级，具体如表1所列，指数具体的名称、类型和定义如表2和表3所列。
2 结果分析
2.1 极端降水指数均值和变化率的空间分布
由图2可知：极端降水多数指标呈现北低南高的空间分布特征，低值区域基本在北部青藏高原区，高值区分布在云贵高原西南部以及东部的四川盆地边缘。在整个区域内，88.37%(95.35%)的站点RX1day(RX5day)变化趋势不显著，澜沧江以东区域RX1day上升的站点较多。同样，SDII在大部分区域有着不显著的上升趋势。然而，R95p和R99p主要以增加趋势为主，但是增加趋势不显著。北部青藏高原的大部分区域R25 mm、R20 mm和R10 mm接近于0。PRCPTOT尽管在横断山区北部较小，但普遍呈上升趋势，南部呈现不显著减小趋势。由图2(i)和图2(j)可知，青藏高原以南大部分站点，CWD呈显著减少的趋势，CDD在整个横断山区以增加为主，但是90.70%站点的变化趋势不显著。总的来看，整体上横断山区北部青藏高原区发生降水较少，但是北部雅砻江流域和金沙江上游流域发生降水的持续性强。金沙江下游流域的降水量较高，但持续性不强。
图2 1970—2019年横断山区极端降水指数空间变化趋势
横断山区西部和南部边缘地区降水量和持续性高，其发生由极端降水引发的灾害事件的可能较大。横断山区西部的青藏高原南麓降水少且持续无降水日数长，相较于其他地区发生干旱的风险可能较大。
2.2 极端气温指数均值和变化趋势的空间分布特征
如图3所示，DTR呈现自北向南减小的变化趋势，青藏高原大部分地区的气温日较差大，DTR以下降为主，部分站点下降极显著。TX90P(93.80%站点)和TN90P(90.70%站点)均呈显著增加趋势，而TX10P(76.74%站点)和TN10P(90.70%站点)却呈显著减小趋势，相对指数均值的空间差异不显著。SU25和TR20在空间分布呈现自北向南增加的变化趋势北部的暖昼日数和热夜日数普遍为0,75.97%站点的SU25极显著增加，TR20在南部的上升趋势极显著。FD0在横断山区北部边缘的极高值区可能达到309 d, 而南部的FD0普遍为0值或在0值附近，96.12%站点的FD0有减小的趋势。大部分站点的ID0下降趋势极显著，横断山区南部无冰冻日数。在青藏高原以南大部分区域，GSL能达到365 d, 在北部和中部的GSL有极显著的上升趋势。TXx和TNx在空间分布上十分相似，在横断山区内绝大部分区域都有增加的趋势，57.36%站点的TXx和72.09%站点的TNx极显著增加。TXn和TNn的高值区域广泛的分布在青藏高原以南地区，TXn仅在东北部的上升趋势极显著，TNn在横断山区内普遍上升，96.90%站点的TNn有增加的趋势。WSDI在横断山区内几乎都是呈增加的趋势。CSDI在横断山区内大部分地区呈减小的趋势，中部和南部的多数站点的下降趋势极显著。
图3 1970—2019年横断山区极端气温指数空间变化趋势
分析极端气温指数的变化，可见横断山区有着显著变暖的趋势，极端暖事件的发生频率和强度在整个区域内普遍上升。极值指数和持续性指数的南北差异显著，极端高易发生在横断山区南部，南部的干旱河谷，年蒸发量往往大于年降水量，生态脆弱，人类活动频繁,极端高温事件的发生，可能会加剧干旱河谷的生态风险。
2.3 极端气候指数重现期空间分布特征
大量研究证明GEV分布能够很好地对降水极值进行拟合，并在极端气候拟合中广泛应用。本文基于广义极值分布，计算并分析了2 a一遇、5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇和100 a一遇的重现期下CDD、CWD、PRCPTOT、RX1day、TNn、TXx在横断山区的空间分布情况。
如图4所示，随着重现期的增加，CDD的高值区域逐渐由中西部扩大到东部的金沙江下游流域。在横断山区的大部分区域，CDD由正常情况下的20～80 d, 增加到10 a至20 a一遇时的80～140 d, 在100 a一遇情况下，普遍在140 d以上。CDD的极高值在50 a一遇和100 a一遇时出现在金沙江下游流域，达到了260 d以上。随着重现期的增加，CWD的高值区总是在南部和西部边缘，并且在东北部逐渐形成新的高值区域(见图5)。区域内CWD普遍在2 a一遇的5 d以内，增大到50 a和100 a一遇时的15 d以上。在正常情况下，横断山区大部分地区很少会发生持续20 d以上的降水，但是在100 a一遇的情况下最高值从可能在南部和西部边缘达到50 d以上。
图4 横断山区不同重现期下CDD的空间分布
图5 横断山区不同重现期下CWD的空间分布
如图6所示，在不同重现期下，横断山区北部高原区的PRCPTOT普遍在500～1 100 mm, 即使在100 a一遇情况下，也没有超过1 100 mm。随着重现期增加，在20 a至100 a一遇情况下横断山区南部的PRCPTOT普遍在1 100 mm以上。在南部和西部边缘，PRCPTOT的极高值在50 a和100 a一遇情况下，能达到2 900 mm以上。同样，横断山区北部高原区的RX1day在不同重现期下普遍在60 mm以下，随着重现期增加，RX1day也难以达到60 mm以上(见图7),而南部RX1day的普遍在60 mm以上，在20 a至100 a一遇情况下，南部的RX1day普遍在90～150 mm。可见横断山区北部高原降水少且稳定，南部降水较丰富。
图6 横断山区不同重现期下PRCPTOT的空间分布
图7 横断山区不同重现期下RX1day的空间分布
如图8和图9所示，在不同重现期下，TNn和TXx均自北向南增加。在横断山区北部高原，TNn(TXx)普遍在-15 ℃以下(15～33 ℃),在南部TNn(TXx)普遍在-5 ℃以上(33 ℃以上)。可见，气温极值指数在不同重现期下的空间分布差距不大，随着重现期的增加气温极值会上升，金沙江下游和元江下游在100 a一遇情况下，可能会出现45 ℃以上的高温。
图8 横断山区不同重现期下TNn的空间分布
图9 横断山区不同重现期下TXx的空间分布
3 讨 论
横断山区是个比较典型的季风气候区，区域内的水汽输送有着明显的季节变化，不同季节的水汽来源有着显著的差异，而降水比较集中的发生在夏季。受到青藏高原大地形和横断山区纵向山岭等下垫面因素的影响，西南气流受到纵向山岭的阻隔，以及高原南部山脉的焚风效应，造就了横断山区西南地区降水多，横断山区内的青藏高原区域降水少的总体格局。本文就横断山区内极端降水均值和变化趋势的空间分布做了相关的研究，发现横断山区西部和南部降水丰富且降水持续性强，总体上与已有的研究相符合，如果降水强度大和持续性强处于年内分布上的同一时期，势必会影响极端降水事件发生的强度。曹晴等、顾西辉等在我国极端降水事件上的研究表明我国大部分地区的极端降水事件变化趋势不显著，季风区的降水有增加趋势。这与本文对横断山区的研究有相似的结论。就横断山区来说，极端降水指数很少通过显著性检验，变化趋势不显著，但是南部季风区，以干旱河谷为主，降水量却有减小的趋势。如表4所列，除了CWD,南部极端降水指数的均值普遍大于北部，南部CWD减少的变化率也要大于北部，北部总降水量有增加的趋势，南部总降水量则呈减小的趋势。可见横断山区南部的降水量和降水持续性都在减小，有变干的趋势。
对极端气温事件的研究说明了气候变暖的普遍趋势(见表5),只是不同区域对于全球变暖的响应在时间上和变化幅度上有所不同。如表5所列，横断山区呈现变暖的趋势，极端气温暖指数呈上升趋势，与极端气温冷指数呈下降趋势，多数站点的变化趋势极显著，气温的极值指数在空间上有明显的南北差异和一定的纬度地带性。而且高原区的气温日较差比较大。相关的研究表明，横断山区南北地势差异与区域内气温的分布有一定关联，纬度越高升温趋势越显著，纵向山岭的地形条件对气温的变化率有一定的影响。TXx往往分布在横断山区南部的干旱河谷中，随着纬度和海拔的升高干旱河谷的暖干化程度会更加突出,本文研究也说明横断山区东部的金沙江下游流域极端高温事件发生的程度和频率较高。
通过研究重现期的变化，区域内CDD的高值在怒江上游至金沙江下游一带，受地形等因素的影响降水较少，随着重现期的增加，持续无降水日数会逐渐增加，金沙江下游会逐渐成为CDD的高值区域，史雯雨等的研究说明金沙江流域从20世纪90年代开始加速升温，可见，未来该流域暖干化程度将会日益突出。横断山区南北降水差异较大，北部高原区降水少，不同重现期下PRCPTOT和RX1day在高原区的变化不大，发生极端降水事件的可能较小，研究表明夏季来自孟加拉湾和南海的水汽对年降水总量的贡献较大,极端降水事件造成的洪涝灾害可能较多发生在夏季。气温极值的空间分布格局对重现期的变化不敏感，极端高温易发生在南部的金沙江下游流域以及元江流域。横断山区南部干热气候是区域环境的主导因素，深切的河谷使得干热效应增加，同时人为因素造成的坡地退化也对干热效应有着重要影响,极端高温主要在横断山区的干旱河谷中频繁发生，在2 a和5 a一遇的重现期下，小范围的部分区域就有40 ℃左右高温出现，可见极端高温正在逐渐变得普遍，在50 a和100 a一遇的情况下，金沙江下游和元江流域甚至会出现45 ℃以上的高温。
4 结 论
(1) 1970—2019年50a间，极端降水指数在横断山区大部分区域的变化都不太显著。比较各极端降水指数的空间分布和变化趋势，极端降水的相对指数、绝对指数和强度指数在空间分布上十分相似，可见降水量丰富的地区往往容易发生极端降水事件，横断山区的北部青藏高原区发生极端降水事件的强度和频率不及南部，横断山区西部和南部边缘地区发生极端降水事件的频次和强度较大。横断山区中西部区域持续无降水日数较长，普遍在80 d以上，年降水总量小、在500 mm以下，相较于其他地区发生干旱的风险可能较大。
(2) 1970—2019年50a间，横断山区变暖的趋势十分显著。横断山区的气候条件区域差异明显，北部的气温日较差较大，东部的气温日较差小，横断山区南部平均冰冻日数在1 d左右，植物生长期达到了356.6 d, 几乎全年是植物生长期。北部高原区平均热夜日数是1.6 d, 南部则达到了35.9 d。不同极端气温指数在空间分布差异显著，极端暖指数普遍上升，极端冷指数普遍下降，极端暖事件发生的频次和强度在横断山区普遍上升。
(3) 横断山区北部青藏高原区在不同重现期下的降水均较少，在800mm以下，且变化不大，发生极端强降水的可能性要小于南部，横断山区的东南部边缘在不同重现期下，发生降水的持续性和降水强度都比较大，相比于其他地区，更易发生极端降水事件。横断山区气温的极大值和极小值在空间分布上大致是北低南高。随着重现期的增加，气温的极大值和极小值在整个区域内都在上升，其空间分布格局变化不大。横断山区南部元江流域和东部的金沙江下游流域40 ℃左右的高温可能会出现的越来越普遍，在50 a一遇和100 a一遇的情况下，金沙江下游、大渡河和元江下游部分地区有出现42 ℃以上高温的可能，极少数地区可能会出现45 ℃以上的高温。
水利水电技术（中英文）
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