1 引言
三峡库区位于中国腹地， 其地形地貌与气候条件独特， 是长江流域的重要生态功能区和典型生态脆弱区（章家恩和徐琪， 1997）。三峡库区地形以山地为主， 陡坡比例较高， 因而极易受极端天气影响（董钊煜等， 2020）。由于全球气候变化及人类活动的影响， 近年来三峡库区极端降水频发且强度较大， 这对三峡库区的生态环境及经济效益已经造成了十分严重的影响（姜彤等， 2018； 景丞等， 2016； 周杰等， 2021； 邓承之等， 2021）。因此， 对三峡库区极端降水的时空变化特征进行分析具有相当重要的意义。
近年来， 不少学者对三峡库区的极端降水时空变化特征进行了研究。三峡库区最大连续5天降水量存在显著的2年和5年左右的年际变化周期（张天宇等， 2010）； 三峡库区汛期极端降水量空间分布表现为西南部和东北部地区相对较少， 中部、 东南部相对较多（张天宇等， 2011）； 汛期极端降水发生频次的最主要空间模态是主体一致性， 同时存在东西和南北相反变化的差异（刘晓冉等， 2012）； 三峡库区极端降水事件正在向强度大、 周期短的方向演化（董钊煜等， 2020）； 1955 -2014年来三峡库区降水变化总体上呈现出微弱的线性减少趋势（周小英等， 2017）。
然而， 现有关于降水的研究大多以天为时间尺度， 比如利用日雨量资料对降水过程进行评估（吴振玲等， 2012）、 对极端降水时空变化进行分析（陈金雨等， 2021； 韦志刚等， 2021； 陈子凡等， 2022）、 对日降水量的时间变异性进行研究（Wu et al， 2021）、 研究水汽环流模式（Liu et al， 2021）等。由于三峡库区内的极端降水具有突发性、 局地性、 强度大等特点（矫梅燕， 2014； 王芬等， 2017）， 以日为单位的研究方法对这种短时强降水发生时段的捕捉能力较低， 难以满足气象服务的精细化需求（王莉萍等， 2018）。从小时尺度出发， 探讨三峡库区极端降水的时空分布特征， 发现三峡库区极端小时降水的规律， 对库区气候及气候效应的认识和理解将起到较好的补充作用。
2 研究区域与研究方法
2.1 资料和研究区域
三峡库区位于长江中上游， 是指包括东起湖北宜昌， 西至重庆江津， 受长江三峡工程淹没的地区； 其地属亚热带湿润季风气候， 地形以山地为主， 陡坡比例较高， 降水丰富， 极易受极端天气影响（章家恩和徐琪， 1997； 矫梅燕， 2014）。短时强降水频发且强度大， 是当地主要的灾害性天气之一（张天宇等， 2011）。
本文所研究的三峡库区分布有35个国家基本气象观测站， 海拔177.9~786.9 m， 包括湖北省秭归、 鹤峰等12个气象站点和重庆市沙坪坝、 武隆、 綦江等23个气象站点（图1 ）。基于1998 -2020年三峡库区35个国家气象站观测的逐小时降水资料， 其经过较为严格的质量控制和检查， 具有较高的可靠性和准确性。文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局审核的《气象应用底图》［审图号： GS（2017）3320号］制作的， 底图无修改。
2.2 研究方法
在某一特定时段内， 假设局部发生第i场降水， 将三峡库区发生≥20 mm·h-1降水的测站数记作n 强， 将第i个测站发生强降水的小时数记作为m 强 i， 则该时段小时强降水发生频次为N 强， 计算式为
类似地， 定义发生≥50 mm·h-1极端强降水频次N 极端。
若特定时间内共发生N 强站次的小时强降水， 将第i次的小时强降水量记为p 强 i。则小时强降水量P 强的计算式为
类似地， 定义发生小时极端强降水量P 极端。
在这一特定时间内， 强降水小时雨强I 强的计算式为
类似地， 定义发生极端强降水小时雨强I 极端。
此外， 由于小时降水数据时间序列长度为23年， 故本研究对比分析2010年前后两个年代际之间三峡库区小时极端降水的变化特征。
3 结果分析
3.1 小时极端降水的年际变化
1998 -2020年三峡库区小时强降水平均每年发生134.5次［图2 （a）］。除2001年和2012年以外， 其他年份的小时强降水均发生100次以上， 平均每站每年发生超过3次； 超过150次的共5年， 其中发生在2000年后有3年。1998年强降水发生频次最高， 达257次。由于1998年强降水发生频次异常偏多， 若不考虑该年， 1999 -2020年强降水发生总频次未显示出明显的变化趋势。
1998 -2020年间仅5年小时极端强降水发生次数在4次以下， 有12年小时极端强降水发生次数在6站次及以上， 其中1998年的小时极端强降水发生次数高达13次［图2 （b）］。与小时强降水年变化特征类似， 在剔去1998年后， 1999 -2020年极端强降水发生站次未显示出显著的变化趋势。
三峡库区平均每年发生强降水与极端强降水分别为134.5次和5.5次（表1 ）， 小时强降水频次的均方差较大， 但小时极端强降水的相对离散程度更高， 变异系数接近50%。可见， 小时雨强越大， 极端降水发生频次越小， 其年际变化增大， 时间变异性增强。
表1 强降水、 极端强降水发生频次的主要统计特征Table 1 Main statistical characteristics of the frequency of heavy precipitation and extreme heavy precipitation |
| 小时雨量 /（mm·h-1） | 年平均总 频次/次 | 次数均方差 | 变异系数 /% |
|---|---|---|---|
| ≥20 | 134.5 | 35.3 | 26.3 |
| ≥50 | 5.5 | 2.6 | 47.6 |
分别对1998 -2009年与2010 -2020年强降水与极端强降水发生次数的年平均值、 均方差值、 变异系数进行统计， 如表2 所示。从表2 中可以得出， 2010年后小时强降水和小时极端强降水的年平均发生总频次均有小幅度的减少， 同时均伴随着变异系数的减小， 这表明2010年后三峡库区小时强降水和小时极端强降水发生总站次呈减少状况， 其年际变化也在减小。
表2 强降水、 极端强降水发生频次统计特征的年代际变化Table 2 Interdecadal variation of statistical characteristics of frequency of heavy precipitation and extreme heavy precipitation |
| 小时雨量 /（mm·h-1） | 1998 -2009年 | 2010 -2020年 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平均总频次/次 | 总频次均方差 | 变异系数/% | 年均总频次/次 | 总频次均方差 | 变异系数/% | |
| ≥20 | 140.8（130.2） | 42.8（23.2） | 30.4（17.8） | 127.6 | 25.3 | 19.8 |
| ≥50 | 6.1（5.5） | 2.9（2.1） | 48.3（37.9） | 4.8 | 2.1 | 44.3 |
括号内数字表示剔除1998年后的统计值 |
3.2 小时极端降水的空间分布
1998 -2020年三峡库区小时强降水总体格局是南北两侧山区发生频次较高， 干流河谷区相对频次较低［图3 （a）］。各气象站点中， 湖北中部局部区域发生小时强降水次数最多， 年均发生5~6次； 石柱-南川及巫山-兴山一线等区域年小时强降水发生次数偏少， 均在3次以下； 其余大部分测站年平均小时强降水发生次数在3~5次。极端强降水发生次数最多的区域分布在湖北省建始、 长阳一带以及重庆巴南局部， 年均发生0.3~0.4次［图3 （b）］； 鹤峰、 恩施区域的强降水发生次数较多， 但极端强降水发生次数偏少， 年均仅发生0.1~0.2次。库区东南部的湖北省建始、 长阳测站的小时强降水和极端强降水发生次数均较多， 该区域为极端降水的多发区。
三峡库区多年平均强降水量的空间分布表现出西北-东南区域强降水量较大， 东北、 西南区域强降水量较小的分布特征［图4 （a）］； 湖北中部的强降水量多于其他地区， 其中鹤峰测站的强降水量尤为突出， 年强降水量达193.7 mm。以鹤峰站点为代表， 尽管库区中东部多年平均强降水量较大， 但其强降水的年平均雨强不足29.0 mm·h-1［图4 （b）］。这与该区域强降水发生频次有关， 平均每年强降水发生5.0~7.5次， 较其他地区偏多， 而极端强降水发生次数偏少， 平均每年发生0~0.2次。该区域的强降水具有强度较小、 历时偏长、 总量较大的特点； 相较而言， 库区东南部和东北部等地区不仅强降水频次多、 强降水量大， 而且年平均强降水小时雨强也较大， 为30.0~33.5 mm·h-1。
三峡库区强降水总降水量与强降水历时（站点频次）的关联性强于降水强度。全区域各测站年平均强降水量与年平均强降水历时的相关系数平均值为0.97， 其中奉节—宣恩、 垫江—北碚、 彭水与兴山一带的相关系数达到0.98以上； 而全区各测站多年平均强降水量与强降水小时雨强的相关系数为0.33， 其中三峡库区中部的石柱—彭水、 巫山—巴东一带两者的相关系数在0.5以上（图略）。可见， 三峡库区年强降水总量受强降水频次和强降水小时雨强共同影响， 受降水频次的影响更强， 但存在一定的区域上的差异。
3.3 小时极端降水的年代际变化
2010年后三峡库区大部分区域年平均强降水量有所减少［图5 （a）］。总体而言， 全区年平均强降水量减小了10.4 mm， 东部地区强降水量增加、 西部地区减少。三峡库区西部的重庆地区多年平均强降水量减小15.5 mm； 湖北中部区域年均增加16.1 mm。湖北中部的建始-来凤一带增幅较为明显， 邻近5站的年强降水雨量平均增加16.1 mm， 并形成以建始为中心的分布状况。
强降水小时雨强的变化情况呈南北方向的“增加—减少”带状交替分布［图5 （b）］。其中秭归—长阳一线、 咸丰—奉节一线、 垫江—南川一线、 沙坪坝—江津一线区域呈减少状况， 年平均减少0~2 mm·h-1及以上； 其余地区强降水小时雨强增大， 年平均增加0~6 mm·h-1。强降水雨强显示增加特征的站点占48.6%。另外， 部分地区如武隆-云阳一线， 其多年平均强降水量在减少， 但年平均强降水小时雨强却在增加。
如图6 （a）所示， 三峡库区2010年前后年平均强降水发生次数空间分布表现出较为明显的差异性。湖北近一半地区建库后年平均强降水发生次数增加0~3次， 其中建始一带年均强降水发生次数在2次以上； 重庆绝大部分地区年平均强降水发生次数减少0~2次及以上， 仅有巴南、 丰都等区域的强降水发生次数年均增加0~1次。总体有31.4%的站点多年平均小时强降水量与发生次数有所增加， 图中建始—鹤峰一带2010 -2020年间的多年平均强降水次数比1998 -2009年的要增加1~3次， 即强降水发生向建始—鹤峰一带集中。
三峡库区2010年前后多年平均极端强降水发生次数的“增加—减少”呈现西南—东北向的带状交替分布。其中三峡库区东部的五峰—宜昌一线、 中部的宣恩—兴山一线、 西部的巴南—梁平一线等区域的多年平均极端降水发生次数呈增加状况， 年均增加0.0~0.5次； 其余地区与上述地区情况相反， 呈减少状况， 年均减少0.0~0.25次及以上。总体来看， 三峡库区极端降水发生次数增加和减少情况大致各为一半。
绝大部分地区多年平均极端降水发生次数仍维持在0.0~0.5次， 整体变化不大； 重庆东北局域多年平均极端降水发生次数有小范围的减少， 年均减少0.0~0.25次； 重庆中部的丰都—垫江一带的多年平均极端降水发生次数有小幅度的增加， 年均增加0.0~0.2次。
4 讨论与结论
4.1 讨论
三峡地区短时强降水的发生机制较为复杂， 既受到高原气候、 亚热带季风气候以及地形的影响（李强等， 2017； 郑腾飞等， 2017）， 也受到库区城市发展引起的土地利用变化与周边复杂的地形耦合作用影响（Wu et al， 2006）； 印度洋海温、 西北太平洋副热带高压、 西南低涡等大尺度因素也可能造成库区极端降水异常偏多（李强等， 2020； 方德贤等， 2020； Cui et al， 2021）。另外， 三峡大坝水体下垫面面积增加产生的气候效应， 与大尺度气候系统叠加， 也可能导致局地极端降水频发（张强等， 2004）。三峡库区极端降水成因机制仍需要从不同角度持续关注和探讨。此外， 本文基于1998年以来的气象观测站小时降水数据研究得出了三峡库区极端降水的一些规律， 仍存在数据来源相对单一和暂未涉及小时强降水的持续性问题， 后续将利用多源数据进一步加强库区极端降水及持续性降水研究。
4.2 结论
本研究利用1998 -2020年三峡库区35个气象测站的小时降水资料， 围绕小时强降水（≥20 mm·h-1）和小时极端强降水（≥50 mm·h-1）的总降水量、 历时（频次）、 强度等指标， 分析极端降水发生的时空变化特征， 并对比分析了2010年前后小时极端降水变化特征， 主要结论如下：
（1） 1998年三峡库区小时强降水与极端强降水发生次数与强度均异常偏多。若剔除该年， 1999 -2020年小时强降水与极端强降水发生总频次均无显著变化趋势。近23年的小时强降水平均每年每站发生3.8次， 大部分站点年均发生3.0~5.0次； 小时极端强降水年均发生5.5次， 大部分站点年均发生<0.25次， 中部山区的建始—鹤峰一带年均发生次数较多。
（2） 三峡库区年均强降水量、 小时强降水雨强空间分布差异较大。2010年后年平均小时强降水量减小了10.4 mm， 减小的区域主要发生在三峡库区西部的重庆地区， 该区域年平均减小15.5 mm。
（3） 总体有31.4%的站点年平均小时强降水量与发生次数有所增加， 湖北中部的建始—宣恩一带增幅较为明显， 邻近5站的年强降水雨量平均增加16.1 mm， 并形成以建始为中心的分布状况。强降水雨强显示增加特征站点占48.6%， 强降水雨强增加的范围进一步增大。武隆—长阳一带在强降水量减少的情况下， 小时强降水雨强却在增加。