全球变暖背景下青藏高原雨涝灾害有逐渐增多趋势，为掌握其变化规律，利用青藏高原1980-2019年逐日降水量资料并引入雨涝指数概念，分析近40年青藏高原雨涝时空变化特征。结果显示：采用降水相当强度计算的雨涝指数与青海和西藏的实际洪涝灾情基本吻合，可以表征青藏高原实际的雨涝情况。青藏高原雨涝空间差异非常大，利用REOF将其分为6个雨涝区域，其中河湟谷地、雅鲁藏布江流域、横断山脉南部和川西高原东侧雨涝日数超过20 d。不同区域的雨涝日数年际变化差异明显，雅鲁藏布江流域和横断山脉南部雨涝日数总体没有明显的变化趋势，其他几个区域的雨涝日数以增加趋势为主，21世纪以来的增加趋势尤其显著。突变检验发现不同区域的雨涝日数年际突变差异很大，突变时间在不同年代均有发生。周期分析发现不同区域雨涝日数周期变化规律各不相同，总体上以2-3年和10-14年周期为主。本研究表明青藏高原主要为轻到中度雨涝，并且区域差异较大，雨涝日数总体上有增加趋势，并且存在突变和周期变化。(图8 表2 参47)
关键词
青藏高原;雨涝指数;降水相当强度;突变;周期
论文《青藏高原雨涝指数时空变化特征》发表在《应用与环境生物学报》，版权归《应用与环境生物学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
1 引言
雨涝是指长时间降水过多或区域性暴雨及局地短时强降水引起的江河洪水泛滥、农田和城乡淹没、土壤水分过剩，从而造成财产损失和人员伤亡的一种气象灾害[1]。我国幅员辽阔，地形复杂，河流众多，季风气候十分显著，是世界上雨涝灾害最为严重的国家之一。以往有关雨涝灾害的研究主要集中在我国中东部的雨涝频发和高影响区，涉及我国西部尤其是青藏高原地区的研究还很少。
青藏高原被称为世界“第三极”，河流湖泊众多[15]，是我国重要的生态安全屏障和水资源战略储备区[16]。全球变暖背景下青藏高原整体表现出暖湿化现象[17]，其中弱降水呈减少趋势，强降水呈增加趋势[18-19]，而强降水引发的雨涝及其连锁效应会扩大灾害的范围和损失[20]。青藏高原海拔高，远离海洋，降水量较同纬度东部地区少，雨涝灾害频率相对较小，但近几十年青藏高原极端降水呈现增多增强的变化趋势，而且由于青藏高原自然生态更加脆弱，地形更为复杂，所以洪涝灾害造成的局地危害往往更大[21-23]。统计表明1961-2010年，青藏高原共发生洪涝灾害1506次，并且呈显著增加趋势[24]。
青藏高原是气候变化的敏感区和生态环境脆弱区，预计21世纪中后期青藏高原降水将呈增加趋势，雨涝灾害也将更频繁[25-26]，同时土地利用的变化也将导致青藏高原对雨涝灾害更加敏感[27]。目前有关青藏高原地区雨涝灾害的研究少见，本文利用较新的观测资料，引入雨涝指数概念，研究近40年青藏高原雨涝灾害的时空变化规律，期望可以深化对青藏高原气候变化的科学认识，为青藏高原雨涝灾害预警、生态保护和农业可持续发展提供有力支撑。
2 资料与方法
2.1 资料
气象资料为青藏高原地区219个气象站的逐日降水量(单位为mm)，涉及甘肃、青海、四川、西藏、新疆和云南6个省份，选取其中观测资料时间达到30年(1980-2019年)的157个站。1991-2017年青海年洪涝灾害次数资料源于青海省气象灾情数据库和《青海灾害年鉴》，西藏1998-2019年洪涝导致的农作物受灾面积资料源于《中国统计年鉴》。
2.2 降水相当强度
日降水量的大小是引起洪涝灾害的最主要致灾因子，Lu等提出极端降水事件中持续时间和强度的关系(extreme intensity duration, EID)，根据EID理论利用单站的逐日降水量计算m天内不同天数组合的降水强度，然后选取最大值作为降水相当强度[28]。
[
R_{e}=max_{n=1,m} R_{i}(n)
]
式中：(R_{e})为降水相当强度，(R_{i}(n)=frac{1}{n}sum_{j=1}^{n} R_{i-n+j}n^{a})表示第i天降水强度，i为日序号，n表示天数，a为指数衰减系数(0
2.3 雨涝指数
为进行降水致灾损失的定量估算，反映暴雨与洪涝灾害的关系，引入陈鲜艳等建立的雨涝指数[29]。假设某日降水强度达到一定阈值后出现灾害，构建能反映导致洪涝灾害强度的单站雨涝指数(I_{F})，计算公式如下：
[
I_{F}=
egin{cases}
frac{R_{d}}{R_{y}} & R_{d}
lnleft(frac{R_{d}}{R_{y}} ight)+1 & R_{d}geq R_{y}
end{cases}
]
其中(R_{y})为暴雨致灾强度阈值，参照雨涝气候指数行业标准[30]并进行反复对比试验，最终确定年降水量<200 mm的站点，(R_{y}=15) mm;200 mm≤年降水量<400 mm的站点，(R_{y}=25) mm;年降水量≥400 mm的站点，(R_{y}=50) mm。(R_{d})为降水强度，用降水相当强度((R_{e}))表示。雨涝指数等级划分见表1。
表1 雨涝指数等级划分表 Table 1 Classification of flood-waterlogging index grades
| 等级 Grade | 雨涝程度 Degree | 指数 Index |
| 1 | 无涝 No waterlogging | [0, 0.5) |
| 2 | 轻涝 Light waterlogging | [0.5, 1.0) |
| 3 | 中涝 Moderate waterlogging | [1.0, 1.5) |
| 4 | 重涝 Heavy waterlogging | [1.5, 2.0) |
| 5 | 特涝 Extreme waterlogging | [2.0, ∞) |
2.4 旋转经验正交函数展开(REOF)分析
经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)可把原变量场分解为正交函数的线性组合，构成少数互不相关的典型模态代替原始变量场，每个典型模态都含有尽量多的原始场信息。旋转经验正交函数(REOF)可克服EOF分析的局限性，旋转后的典型空间分布结构清晰，不但可以较好地反映不同地域的变化，还可以反映不同地域的相关分布状况，成为分离变量场典型空间结构的一种新倾向[31]。
3 时空变化特征
首先根据公式(1)和(2)计算所有气象站点1980-2019年的逐日雨涝指数(I_{F})，然后根据表1，统计不同雨涝等级的年雨涝日数。
3.1 实际灾情对比
青藏高原地区山高坡陡，强降水汇流时间短，极易导致山洪暴发，造成人员伤亡和财产损失[32]。青藏高原雨涝高发区主要在东部和南部，其中河湟谷地最为显著，其次是藏南河谷以及横断山脉南部，羌塘高原地区雨涝灾害发生最少[33]。
1991-2017年青海年洪涝灾害次数与年平均雨涝日数的年际变化非常一致，二者相关系数为0.57，通过了99%信度检验。1998-2019年西藏洪涝导致的农作物受灾面积与年平均雨涝日数的年际变化趋势一致性也非常好，二者相关系数为0.48，通过了95%信度检验。即与实际雨涝灾害的比较可知，雨涝指数(I_{F})可以反映青藏高原雨涝的实际情况。
3.2 EOF和REOF分析
青藏高原所有站点都可能发生轻度及以上级别的雨涝，其中川西高原东部、攀西地区、西藏中部、青海东部与甘肃交界地区年平均轻涝以上日数超过20 d，局地超过40 d;川西高原北部到西藏东北部、青藏高原西北部在10 d以下。川西高原东部、西藏中部和青海东北部等地中涝以上日数超过4 d，青藏高原其余大部均在2 d以下。青藏高原大部分站点重涝以上日数不到1 d，特涝日数不到0.1 d。即青藏高原主要为轻到中度的雨涝，重、特涝主要出现在川西高原东部个别站点。
对青藏高原157个站1980-2019年轻涝及以上日数资料场进行EOF分析，其中前6个模态通过了显著性检验，累计方差贡献率为41.38%。REOF分析前6个模态空间分布差异较大，旋转后各模态解释方差更接近，总方差贡献率保持不变，各模态反映局地雨涝分布特征。最后将青藏高原雨涝划分为河湟谷地、川西北、雅鲁藏布江流域、横断山脉南部、羌塘高原-柴达木盆地和三江源区，与前6个模态相对应。
其中河湟谷地溪河众多、土质疏松，属于人口和农业密集区，降水极易引发雨涝灾害;川西北地区降水量较大，地势落差大，尤其川西高原与四川盆地过渡地带，强降水往往伴随山洪、泥石流等次生灾害;雅鲁藏布江流域是西藏经济和人口集中区，流域内地势较高，降水充沛，雨涝频繁且影响较大;横断山脉南部地区受南亚季风影响，汛期暴雨频繁，雨涝灾害对当地农业和旅游业影响较大;羌塘高原-柴达木盆地区位于青藏高原西北部，人烟稀少，主要是高寒草原荒漠地区，气候寒冷干燥，是青藏高原雨涝风险最低的区域;三江源区地处青藏高原腹地，地势高耸，河湖众多，但人口稀疏，雨涝灾害风险相对较小。
1980年代以来，河湟谷地雨涝日数呈逐渐增多的变化趋势;川西北1980年代到1990年代末逐渐减少，随后逐渐增多;雅鲁藏布江流域和横断山脉南部雨涝日数年际波动大，没有明显的变化趋势;羌塘高原-柴达木盆地雨涝日数1980年代以来逐渐增多;三江源区雨涝日数1980年代到2010年代逐渐减少，随后逐渐增多。
3.3 突变检验
青藏高原6个分区雨涝日数年际变化的MK检验结果显示，河湟谷地雨涝日数在2003年出现突变点，雨涝日数由少转多;川西北在1986年出现突变点，雨涝日数由多变少，2018年再次出现由少转多的突变;雅鲁藏布江流域在1985年出现突变点，雨涝日数由少转多;横断山脉南部出现多个突变点，其中1984年由少转多的突变最明显;羌塘高原-柴达木盆地出现3个突变点，分别在1995年、2001年和2009年，先后出现由多转少，由少转多和由多转少的突变;三江源区在2017年出现突变点，雨涝日数由少转多。
3.4 周期分析
青藏高原6个分区雨涝日数小波变换系数及其对应的小波方差分析表明，各区域周期变化规律各不相同：
- 河湟谷地：2年和11年周期，2年周期除80年代末期至90年代中期中断外均存在，11年周期主要出现在90年代末以来;
- 川西北：2-3年、5年、7年和9年周期，7年周期最显著，主要在1990-2019年;
- 雅鲁藏布江流域：2年、4-5年、10年和14年周期，2年周期主要在1998-2019年;
- 横断山脉南部：2年、8年和14-15年周期，8年周期在1980-2019年持续存在;
- 羌塘高原-柴达木盆地：3年、5年、8年和13-14年周期，8年周期持续存在;
- 三江源区：3年、5-6年、9年和14-15年周期，14年周期持续存在。
总体上以2-3年和10-14年周期为主，大多数显著周期与极端降水周期基本吻合，强降水可能是青藏高原雨涝日数周期变化的主导因子。
4 讨论
以往针对青藏高原地区雨涝的研究相对较少，一些全国尺度的研究往往使用单一雨涝致灾阈值，更多的研究集中在我国中东部地区[34-39]。但统计显示雨涝是青藏高原地区的主要气象灾害之一，其发生频次仅次于冰雹，造成的伤亡和直接经济损失仅次于雪灾[40]，而且全球变暖背景下青藏高原地区雨涝灾害风险日益增大[16]，迫切需要掌握其时空变化特征。
研究发现青藏高原不同级别雨涝日数空间分布差异较大，雨涝高发区与已有研究基于灾情数据和洪涝灾害临界阈值确定的高风险区基本一致[33,41]。突变分析表明，青藏高原大部分地区雨涝日数在20世纪80年代出现由少转多的突变，这与青藏高原由暖干到暖湿的年代际变化[42-43]相一致，80年代以来青藏高原小雨呈减少趋势，中雨、大雨和暴雨均呈增加趋势[44]，雨涝日数的突变很可能与强降水的显著增加有关。
5 结论
引入了分级降水相当强度的雨涝指数，可以较好地表征青藏高原雨涝的时空变化特征。从整体上看，青藏高原主要以轻到中度雨涝为主，大部分地区年雨涝日数在20 d以上。但青藏高原雨涝的空间差异很大，可分为河湟谷地、川西北、雅鲁藏布江流域、横断山脉南部、羌塘高原-柴达木盆地和三江源区等6个区域。
从年际变化趋势看，雅鲁藏布江流域和横断山脉南部的雨涝日数没有明显的变化趋势，河湟谷地和羌塘高原-柴达木盆地1980年代开始出现增多趋势，川西北和三江源21世纪00年代开始出现增多趋势。从周期变化来看，各区域的年际和年代际周期各不相同，并且均有阶段性特征，主要集中在2-3年和10-14年。
本研究建立了一种适合青藏高原的雨涝指数，并分区域探讨了其变化规律，可以为科学认识气候变暖背景下青藏高原雨涝灾害的时空变化特征以及科学应对雨涝灾害提供数据和技术支撑。因可用气象观测站点较少，且空间分布不均，加之灾情资料不够全面，后续还需利用精细化的气象数据和灾情资料进行对比验证，进一步优化雨涝指数计算方法，给出更加精准的青藏高原雨涝时空分布特征。
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