嘉陵江流域近50年降水量演變規(guī)律分析

段文明，穆興民，，高 鵬，，王 飛，，白 樺

（1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

隨著全球氣候變暖，降水在時空分布上也正在發(fā)生著改變，而降水的變化又是引發(fā)旱、澇等極端自然災(zāi)害的直接因素。在我國，流域尺度上的降水時空變異研究逐漸受到重視。馮強[1]等對我國降水的時空變化與暴雨洪澇災(zāi)害進行了研究，指出不同流域的降水時空分布狀況存在著較大差異。丁永建[2]針對1955—1995年黑河流域降水的時空特征進行了分析，認為在空間上，流域內(nèi)降水由西北向東南呈現(xiàn)明顯的增加趨勢；40a來黑河流域降水在波動中呈現(xiàn)出增加之勢。褚健婷等[3]選取海河流域1958—2007近50a的降雨資料進行了時空變化分析，指出除春季降水量略有增加外，海河流域的降水整體上呈減少趨勢；降水從南向北，從沿海到內(nèi)陸逐漸減少。劉引鴿[4]利用1951—2001年陜北黃土高原24個測站的降水資料，分析了陜北黃土高原降水時空變化特征，指出陜北黃土高原地區(qū)年平均降水量南多北少，近51a來降水總體上呈減少趨勢。

近年來，嘉陵江流域旱澇、泥石流、水土流失等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給流域內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重損失，這些自然災(zāi)害發(fā)生與降水量的時空變化分布有很大的關(guān)系。目前，針對嘉陵江流域降雨研究主要集中在人類活動和氣候變化對嘉陵江流域徑流泥沙的影響[5－7]，應(yīng)用模型對降水量進行適當(dāng)?shù)念A(yù)測[8]等方面，而對于流域內(nèi)近50a來降水量的時空變化分布特征研究甚少。本文基于嘉陵江流域12個氣象站點的降雨實測資料，對流域近50a降雨時空變化特征進行分析，為流域氣象、水文旱澇、泥石流等自然災(zāi)害的預(yù)警和防治提供理論基礎(chǔ)。

1 研究流域概況

嘉陵江流域發(fā)源于秦嶺南麓，是長江第二大支流，干流全長1 120km，流域面積約16萬km2，地勢總體為西、北、東高，東南面最低；流經(jīng)陜西、甘肅、四川、重慶等四?。ㄊ校旨瘟杲?、渠江、涪江三大水系，干流自北向南，渠江自東北向西南，涪江自西北向東南，三大水系在合川附近匯合，構(gòu)成扇形向心水系；嘉陵江流域大部分屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，雨水充沛；嘉陵江流域是長江各大支流中水土流失比較嚴重的地區(qū)，是長江上游重點產(chǎn)沙區(qū)域之一。

2 資料與方法

2.1 資 料

研究區(qū)域為嘉陵江流域，選取嘉陵江流域12個氣象站，并按嘉陵江上游、中下游、涪江、渠江等四片分析。12站逐日降水資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，資料年限為1960—2009年，區(qū)域年降水量為區(qū)域內(nèi)各站點降水量的算術(shù)平均。

2.2 方 法

降水量空間分布采用普通克里格（Ordinary kriging）插值方法做降水量的等值線圖[9]；采用Mann—Kendall方法（簡稱 MK 方法）[11－12]及線性回歸方法進行降水量年際變化趨勢分析；利用Morlet復(fù)小波對年降水量小波分析，分析降水的周期性[10]；利用降水集度統(tǒng)計方法[13]，分析降水的地域分異規(guī)律。采用累積距平百分率[14]和距平百分率分析降水量變化的階段性與異常年份。

降水集度（precipitation concentration index，PCI）可以表征年內(nèi)降水量的分布特征，其計算式如下：

式中：Pi——某站第i月的降水量。當(dāng)PCI＜10，降水年內(nèi)分配均衡，差異不大；當(dāng)10≤PCI≤20，降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化；PCI＞20時，降水月際變化顯著。

降水量異常年份采用年距平百分率（ΔR%）判定，具體標準見表1[15]。

表1 降水量年型劃分標準

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量空間變化特征

基于流域內(nèi)12個及流域周邊37個氣象站點的1960—2009年降水量序列，采用普通克里格空間插值方法，繪制流域內(nèi)多年平均年降水量等值線，由圖1分析表明，流域面平均降水量910.5mm，最多年份為1 190mm（1983年），最少的年份為650.6mm（1997年）。年降水量由東南的1 100.4mm向西北逐漸遞減到550.8mm，其空間差異較大。降水量相對高值區(qū)集中在渠江段，約1 100.4mm左右，相對低值區(qū)集中在嘉陵江上游段，約550.8mm左右。嘉陵江流域降水量空間分布與我國降水量東南多、西北少，從東南向西北遞減的空間分布是一致的，說明研究區(qū)域的降水仍受東亞季風(fēng)的影響。

3.2 降水量年際變化特征

對于嘉陵江流域年降水量的年際變化趨勢分別采用MK方法和線性趨勢分析法計算各站點MK檢驗值和降雨傾向系數(shù)，并采用普通克里格插值方法進行空間插值，得出流域內(nèi)降水量MK檢驗值等值線分布圖和降水量趨勢分布圖（如圖2和圖3所示）。分析表明，近50a嘉陵江流域降水量整體呈現(xiàn)減少趨勢。嘉陵江上游降水量減少（武都附近地區(qū)有增加趨勢，但不顯著），且上游的東北部和西北地區(qū)降水量減少趨勢比較顯著，嘉陵江上游中部地區(qū)減少趨勢不顯著，降水傾向系數(shù)為負值，幅度－8.11～0mm／a；嘉陵江中下游降水量有增加趨勢，但趨勢不顯著，降水傾向系數(shù)多為負值（除嘉陵江中下游下半段為正值），幅度為－3.34～1.39mm／a；涪江段上游呈減少趨勢，下游呈增加趨勢，但趨勢都不顯著，降水傾向系數(shù)多為負值，幅度為－8.11～0mm／a；渠江段降水量呈增加趨勢，但不顯著，降水傾向系數(shù)為正值，在0～1.39mm／a。

圖1 嘉陵江流域多年平均年降雨量空間分布

圖2 1960－2009年降水量MK檢驗值分布

圖3 1960－2009年降水量趨勢分布

3.3 降水量年內(nèi)變化特征

3.3.1 降水量的季節(jié)分布規(guī)律及其趨勢性變化特征

由公式（1）計算各站點逐年降水集度，并采用普通克里格插值進行空間插值，得出降雨集度空間分布圖（圖4），分析降水的地域分異規(guī)律。結(jié)果表明流域內(nèi)降水集中指數(shù)（PCI）在12～20附近，11≤PCI≤20，即降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化，嘉陵江流域中部地區(qū)月降雨量較其他區(qū)域相對集中。

圖4 嘉陵江流域降水集度空間分布

一般將3—5月劃為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季。整體來看，各季節(jié)降水量最多的都是渠江地區(qū)，嘉陵江上游各季節(jié)降水量都是最少的。各地區(qū)的降水量主要集中在夏季，其次為秋、春季節(jié)，冬季降水量最少，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。由表2可以看出，嘉陵江上游夏季降水量占全年的50.0%，而冬季的降水量僅占全年的2.1%，春、夏、秋季的降水量都有減少的趨勢，夏季減少的幅度最大，達0.880mm／a，冬季降雨傾向系數(shù)基本保持不變。嘉陵江中下游夏季降水量最大，占全年的49.9%，秋、春次之，冬季最少，僅占3.6%，春、夏、秋季降水都有減少趨勢，秋季減少趨勢最大，為2.208mm／a，冬季有增加趨勢，但很不顯著。涪江地區(qū)夏季降水占全年的55.0%，春、秋和冬季的降水量分別占全年的18.6%，23.3%和3.1%，春、夏、秋、冬降水量都有減少趨勢，夏、秋兩季減少的幅度較大，分別為1.239mm／a，1.266mm／a。渠江地區(qū)夏季降水量占全年的46.7%，其次為秋、春兩季，冬季最少，春、秋兩季降水量有減少趨勢，秋季減少較大，為2.653mm／a，夏、冬有增加趨勢，夏季增加幅度較大，為2.722mm／a。

3.3.2 逐月降水量分布規(guī)律 對比分析各區(qū)域的逐月降水量可以看出（圖5），各區(qū)域降水主要集中在5—9月，這5個月的降水量總和占全年降水量的80%左右，7月降水量最大，而1月、2月和12月的降水量所占比例很小，這與季節(jié)降水分布是一致的。各區(qū)域逐月的降水量占全年降水量的比例相差不大。

表2 各季節(jié)降水比例及降水傾向系數(shù)值

圖5 嘉陵江流域各區(qū)域各月降水所占比例

3.4 降水量周期性變化

選用Morlet復(fù)小波對嘉陵江上游、嘉陵江中下游、涪江和渠江1960—2009年降水量序列實行一維連續(xù)小波變換，并分別繪制小波方差圖。由圖6分析表明，嘉陵江流域近50a降水量具有顯著的周期性變化，嘉陵江上游、嘉陵江中下游、涪江、渠江的第1，2主周期相同，分別是35a，21a，即嘉陵江流域降水存在35a，21a的周期。

圖6 嘉陵江流域1960－2009年降水量序列小波方差

3.5 降水量變化的階段性和異常年份

嘉陵江流域降水距平累積百分率變化如圖7所示，降水量在年際間的隨機變化中表現(xiàn)出豐、平、枯的階段性特征。嘉陵江流域各區(qū)域年際變化的階段性有一定的差異，從大致時間看，嘉陵江上游存在兩個顯著的豐水段即1960—1969年、1975—1985年；兩個顯著的枯水段即1970—1974年、1991—2010年；一個平水段即1986—1990年。嘉陵江中下游存在兩個顯著的豐水段即1960—1969年、2006—2010年；一個顯著的枯水段即1990—1997年；三個顯著的平水段即1970—1975年、1976—1989年、1998—2005年。渠江存在兩個顯著的豐水段即1979—1986年、2003—2010年；兩個顯著的枯水段即1975—1978年、1987—2002年；一個顯著的平水段即1960—1974年。涪江存在兩個顯著的豐水段即1960—1968年、1973—1986年；兩個顯著的枯水段即1969—1972年、1987—2010年。

圖7 嘉陵江流域降水量距平百分率年際變化

通過計算年降水量距平百分率，根據(jù)表1統(tǒng)計嘉陵江流域降水異常年份，嘉陵江流域內(nèi)異常降水年見表3。近50a降水中，嘉陵江流域內(nèi)降水以正常年份居多，偏多年份多于偏少年份，異常偏多和異常偏少的年份基本沒有，個別小區(qū)域出現(xiàn)異常偏多年份。嘉陵江上、中下游降水偏多年數(shù)多于涪江、渠江區(qū)域，降水偏少年數(shù)嘉陵江上、中下游、涪江和渠江基本一樣。

表3 嘉陵江流域降水異常年份

4 結(jié)論

（1）流域面平均降水量910.5mm，受東亞季風(fēng)氣候的影響，流域內(nèi)的降水量空間分布不均勻，自東南向西北逐漸遞減。

（2）嘉陵江流域整體近50a降水量有減少趨勢，但趨勢不顯著。流域內(nèi)降水的年代集中指數(shù)（PCI）較穩(wěn)定，在12～20之間，即降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化，嘉陵江流域中部地區(qū)月降雨量較其他區(qū)域相對集中，夏季降水量占全年降水量比例最高，秋、春次之，冬季最少，降水量集中在5—9月；春秋季降水有減少趨勢，夏季除渠江有增加趨勢外都有減少趨勢，冬季變化趨勢不明顯。

（3）近50a降水量存在35a，21a的周期變化；各區(qū)域年際變化具有一定的階段性，流域整體處于一個豐—平—枯的降水階段。近50a降水中，嘉陵江流域內(nèi)降水以正常年份居多，降水偏多年份多于偏少年份，異常偏多和異常偏少的年份基本沒有，嘉陵江上、中下游降水偏多年數(shù)多于涪江、渠江區(qū)域，降水偏少年數(shù)嘉陵江上、中下游、涪江和渠江基本一樣。

（4）雖然近50a降水量有減少趨勢，但年內(nèi)降水量卻相對集中，且集中于夏秋兩季，因此仍要做好汛期的洪澇、水土流失等災(zāi)害的防治措施以及春冬的防旱工作，減少自然災(zāi)害對流域內(nèi)社會、經(jīng)濟的影響。

[1]馮強.我國降水的時空變化與暴雨洪澇災(zāi)害[J].自然災(zāi)害學(xué)報，1998，7（1）：87－93.

[2]丁永建，葉佰生，周文娟.黑河流域過去40a來降水時空分布特征[J].冰川凍土，1999，21（1）：42－48.

[3]褚健婷，夏軍，許崇育，等.海河流域氣象和水文降水資料對比分析及時空變異[J].地理學(xué)報，2009，64（9）：1083－1092.

[4]劉引鴿.陜北黃土高原降水的變化趨勢分析[J].干旱區(qū)研究，2007，24（1）：49－55.

[5]許炯心.人類活動和降水變化對嘉陵江流域侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].地理科學(xué)，2006，26（4）：432－437.

[6]陳桂亞，Clarke D.氣候變化對嘉陵江流域水資源量的影響分析[J].長江科學(xué)院院報，2007，24（4）：14－18.

[7]高鵬，穆興民，王煒.長江支流嘉陵江水沙變化趨勢及其驅(qū)動因素分析[J].水土保持研究，2010，17（4）：57－61.

[8]向田恬，陳華，郭家力，等.氣候變化對嘉陵江流域降水變化影響分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2010，8（1）：75－77.

[9]許家琦，舒紅.降水?dāng)?shù)據(jù)空間插值的時間尺度效應(yīng)[J].測繪信息與工程，2009，34（3）：29－30.

[10]王文圣，丁晶，李躍清.水文小波分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[11]徐宗學(xué)，張玲，阮本清.北京地區(qū)降雨量時空分布規(guī)律分析[J].干旱區(qū)地理，2006，4（2）：186－192.

[12]Zbigniew W K，Alice R.Detection trend and other changes in hydrological data[M].WMO／TD－No.1013.Geneva，2000.

[13]Olive J E.Monthly precipitation distribution.A comparative index[J].The Professional Geographer，1980，32（3）：300－309.

[14]穆興民，李靖，王飛，等.黃河天然徑流量年際變化過程分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境.2003，17（2）：1－5.

[15]魏淑秋.農(nóng)業(yè)氣象統(tǒng)計[M].福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，1985.