香溪河流域近60年來降雨量變化趨勢及突變分析

劉惠英, 任洪玉, 張平倉, 魯向暉, 張昕川

(1.南昌工程學(xué)院, 南昌330099; 2.長江科學(xué)院水土保持研究所, 武漢 430012; 3.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 武漢 430000)

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香溪河流域近60年來降雨量變化趨勢及突變分析

劉惠英1, 任洪玉2, 張平倉2, 魯向暉1, 張昕川3

(1.南昌工程學(xué)院, 南昌330099; 2.長江科學(xué)院水土保持研究所, 武漢 430012; 3.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 武漢 430000)

為研究香溪河流域多年降雨特征，以流域1952—2011年10個(gè)雨量站日降雨資料為基礎(chǔ)，得到流域面雨量序列。分別采用線性回歸、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)、M-K突變檢驗(yàn)、Sen′s斜率估計(jì)和小波分析等方法，對流域60 a來降水量的年、季變化趨勢和突變進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明：香溪河流域年降水量以0.66 mm/a速率減少；春、秋季節(jié)降水量呈下降趨勢，下降速率分別為0.33，0.81 mm/a，冬季降水量輕微下降趨勢，夏季降水量呈上升趨勢，速率為0.5 mm/a；年均和四季變化均未通過5%的顯著性檢驗(yàn)。研究時(shí)段內(nèi)，年降水量發(fā)生了三次突變，分別在1954年，1989年，2006年。夏季降雨突變發(fā)生時(shí)間與年突變發(fā)生時(shí)間一致；春、秋、冬三季降雨在60 a內(nèi)發(fā)生突變的時(shí)間分散、多變。

香溪河流域; 降雨量; 趨勢分析; 突變分析

在全球變暖的大背景下，各地的降水等氣候要素發(fā)生了顯著的變化。相對于全球氣溫的持續(xù)升高，降水量的變化和區(qū)域分布有很大的不確定性，不同區(qū)域的降水特征亦有不同。研究區(qū)域降水的變化，能更準(zhǔn)確地揭示氣候變化對區(qū)域降水的影響[1]。近幾十年來，因旱澇災(zāi)害造成的損失和影響也越來越嚴(yán)重，災(zāi)害不僅直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，而且其持續(xù)累積會使土地資源退化、水資源耗竭、生態(tài)環(huán)境受到破壞，制約可持續(xù)發(fā)展[2]。

三峽工程自2003年6月蓄水以來，通過跟蹤監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)水質(zhì)總體良好，但香溪河、大寧河等部分支流庫灣回水區(qū)段出現(xiàn)了春季藻華，引起了各方關(guān)注[3-5]。三峽庫區(qū)支流面積約為水庫總面積的三分之一，支流庫灣水體水質(zhì)變化對庫區(qū)水體環(huán)境將產(chǎn)生直接的影響。因此，進(jìn)行庫區(qū)流域雨量變化趨勢及突變性分析，對了解長江上游山地氣候變化、揭示降水的歷史演變規(guī)律及區(qū)域氣候具有重要意義。能為進(jìn)一步探討長江流域水文氣候變化特征及演變規(guī)律奠定基礎(chǔ)，為長江流域水資源綜合開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1　區(qū)域概況

香溪河流域地處長江流域上游，發(fā)源于神農(nóng)架南麓，系長江三峽大壩壩前第一條支流[6]，位于湖北省西北部，流域總面積3 183 km2，自然落差1 540 m，興山站多年平均流量為36.76 m3/s。興山境內(nèi)流長78 km，秭歸境內(nèi)流11.1 km，為峽谷型河流[7]。三條主要支流為古夫河、高嵐河以及九沖河。香溪河有東西兩個(gè)源頭：東源于神農(nóng)架林區(qū)螺馬店，為東河；西源于大神農(nóng)架山南的紅河，為西河。東西兩河流至響淮相匯為香溪河，由北向南縱貫興山縣全境，至游家河入秭歸縣后又匯屈平河之水，于香溪鎮(zhèn)東注入長江，匯長江之水流入西陵峽，下泄至三峽大壩。

流域內(nèi)有三峽水文分區(qū)1 000～3 000 km2區(qū)域代表站興山水文站，該站降雨監(jiān)測目前現(xiàn)存完整資料始于1935年，連續(xù)觀測日降雨量始于1951年12月；徑流監(jiān)測始于1958年。測站位于香溪河畔的興山縣高陽鎮(zhèn)，地理位置：東徑110°45′，北緯31°13′，屬二類精度國家重要站。

2　資料和方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文所用1952—2010年降水?dāng)?shù)據(jù)來自長江水利委員會編撰的水文年鑒。雨量資料包括興山站(1952—2011年)、水果園站(1970—2011年)，中陽埡站(1977—2011年)，鄭家坪站(1960—2011年)，紅花站(1976—2011年)，九沖站(1960—2011年)，南陽河站(1961—2011年)，青山站(1970—2001年)，水月寺站(1965—2011年)，峽口站(1961—2011年)，張官店站(2002—2011年)的逐日實(shí)測雨量。青山站從2002年后停測，用鄰近的張官店站代替。對原始降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，組成以4—9月為豐水期、10月到次年3月為枯水期、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季的降水序列，分別對其平均值、最大值、最小值、變差系數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到流域面雨量特征量[8]。

2.2數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1面雨量流域面雨量的計(jì)算用泰森多邊形法在ArcGIS 10.0平臺下計(jì)算。由于興山站建站時(shí)間早于其它氣象站，為了得到與興山站相同時(shí)間序列的降水?dāng)?shù)據(jù)，1952—1960年缺測的數(shù)據(jù)以興山站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)直接進(jìn)行線性回歸插補(bǔ)；其余時(shí)段缺測數(shù)據(jù)按照站點(diǎn)鄰近原則和站間雨量相關(guān)性大小采用多元線性回歸進(jìn)行插補(bǔ)。對插補(bǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)后最終確定水果園、中陽埡、鄭家坪、紅花、九沖、南陽河、青山站、水月寺和峽口1952—2011年的降水序列，進(jìn)而計(jì)算流域面雨量。

2.2.2趨勢分析方法趨勢分析分別采用線性回歸和Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)兩種方法。線性回歸是一種最簡單的表示趨勢變化的方法。Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法[9-12]是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，適用于類型變量和順序變量。被廣泛應(yīng)用于水文和氣象要素時(shí)間序列的趨勢變化。Manner-Kendall在研究突變時(shí)不僅能明確突變發(fā)生的時(shí)間，還能檢測突變發(fā)生的區(qū)域。

2.2.3Sen′s斜率估計(jì)對于時(shí)間序列(x1,x2,…,xn)，通過計(jì)算傾斜度指標(biāo)β，得到單調(diào)趨勢度量因子。通過下式計(jì)算得到：

(1)

式中：Median——中位數(shù)函數(shù)。β>0表示趨勢上升，即變量隨時(shí)間增大；β<0表示趨勢下降，變量隨時(shí)間下降[6,13]。

2.2.4周期分析小波函數(shù)是指具有震蕩特性、且能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)，目前有很多小波函數(shù)可以選用，本文選用Morlet小波進(jìn)行小波分析。通過計(jì)算不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)反映系統(tǒng)在該時(shí)間尺度下的變化特征。通過對小波系數(shù)進(jìn)行分析，可以識別年降雨量時(shí)間序列的多時(shí)間尺度周期性和突變性[14-16]。

3　結(jié)果與分析

3.1流域降雨量基本特征

香溪河流域?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候。春季雨水頗豐；夏季炎熱雨量集中；秋季多陰雨，冬季多雨雪，多年降雨特征見表1。流域多年平均面雨量為1 052.43 mm，但降雨年際變化很大，在統(tǒng)計(jì)時(shí)限內(nèi)最大和最小年降雨量比值達(dá)2.23；降雨的76.3%集中在豐水期，夏季降雨占了全年的44%。

冬季降雨變化劇烈，變差系數(shù)為0.49，冬季降雨變幅很大，最大降雨和最小降雨比值達(dá)6.96；秋季變差系數(shù)次之，為0.32，春夏兩季降雨變差系數(shù)相對較小。最大月降水出現(xiàn)在7月，占全年降水量15.65%，最小降水量出現(xiàn)在1月，占全年降水量的1.8%。上述特征均表明該區(qū)域是是一個(gè)旱、澇災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域。

3.2流域降雨量年代際特征

表2給出了流域60 a來面雨量變化的年代特征。總體看來，面雨量呈現(xiàn)一種波動(dòng)性。1982—1991年為降雨最多的時(shí)段，達(dá)到了1 149.43 mm/a，時(shí)段夏季模比值更是達(dá)到了1.17。1992—2001年是最少的時(shí)段，只有916.19 mm/a，同時(shí)發(fā)現(xiàn)這個(gè)時(shí)段的春、夏、秋三季降雨也是60 a中降雨最少的時(shí)段，但冬季降雨和別的時(shí)段相比卻較多，模比達(dá)到1.16。冬季模比雖然大于1，但因冬季降雨在全年中所占比重最小(見表1)，年值所代表的時(shí)段仍然為降雨最小時(shí)段。

從各時(shí)段的模比值還可發(fā)現(xiàn)，春、夏、秋三季模比變化不大，但冬季變化最大，最小為0.75，最大為1.19，是所有模比值中的極值。此結(jié)果和前文多年平均冬季降雨的變差系數(shù)最大是一致的。

表1　香溪河流域1952-2011年降雨量變化特征

表2　香溪河流域1952-2011年面雨量年代變化特征

注：模比值=年段均值/多年均值。

3.3流域年降雨量變化趨勢

對1952—2011年香溪河流域年面雨量序列，分別采用M-K趨勢檢驗(yàn)、Sen′s斜率估計(jì)和線性回歸三種方法計(jì)算流域各時(shí)段的統(tǒng)計(jì)值Z，β，b，并取95%置信度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。表明，三種方法均表明香溪河流域年降水量呈減少趨勢，降水量多年平均減少幅度為0.6～0.7 mm/a，但都沒有通過顯著性水平α=0.05的檢驗(yàn)。說明流域年降雨雖然總體趨勢在減少，但是并不顯著。

不管是線性回歸還是5 a滑動(dòng)平均，年降雨量都呈現(xiàn)下降趨勢，這和M-K趨勢統(tǒng)計(jì)值的結(jié)果一致(圖1a)。從5 a滑動(dòng)平均圖上發(fā)現(xiàn)，降雨量有幾次明顯的上升過程：1966—1969年，1976—1982年，1999—2002年；下降過程：1956—1959年，1969—1976年，1987—1993年，2002—2006年；其中1967—1971年的5 a平均降雨量最大，為1286.35 mm，1997—2001年5 a平均降雨量最少，為969.31 mm。流域年降水量總體減少趨勢下，變化呈波動(dòng)性。

表3　香溪河流域面雨量3種趨勢分析方法統(tǒng)計(jì)參數(shù)

3.4季降雨趨勢變化

根據(jù)流域氣候特征進(jìn)行四季劃分后，用M-K檢驗(yàn)法[9-12]得出的流域季降水量的統(tǒng)計(jì)值見表3。發(fā)現(xiàn)：春、秋季節(jié)的Z值為負(fù)值，表明這兩個(gè)季節(jié)流域降水量呈下降趨勢；夏、冬兩季Z值接近為正，這兩季多年來降雨為上升態(tài)勢。因各季統(tǒng)計(jì)值Z的絕對值均小于1.96，表明變化降趨勢不顯著。

(1) 春季降水量呈下降趨勢，降水量減少幅度為0.33 mm/a。春季平均降水量為277.06 mm，年最大降水437.51 mm(1959年)，最小降水為142.90 mm(2000年)。對于5 a滑動(dòng)平均值來說，1966—1970年的春季平均降水量最大(333.19 mm)，1997—2001年的春季平均降水量最小(210.27 mm)(圖1b)。

(2) 夏季降水量呈增加態(tài)勢。線形趨勢和Sen′s斜率估計(jì)值都在0.5 mm/a左右。5 a滑動(dòng)平均圖顯示1980—1984年是夏季降雨最多的5 a，1973—1977年是夏季降雨最小的5 a。1978—1984年是一個(gè)降雨明顯增加的時(shí)段，而1985—1992年是降雨明顯減小時(shí)段(圖1c)。

(3) 秋季降水在四季中下降趨勢最明顯，減少速率為0.81 mm/a，從20世紀(jì)80年代開始至今降水量一直呈下降趨勢，并且20世紀(jì)80年代的下降最為明顯。從1988年開始年降雨低于多年秋季均值(圖1d)。

(4) 冬季降水量變化最小，變化趨勢基本水平。但冬季降雨量年際變化大，在整個(gè)60 a中呈現(xiàn)明顯的“兩谷一峰”。但是線形趨勢分析和Sen′s斜率估計(jì)值兩種方法得到的年變化趨勢不同(圖1e)。

3.5降雨量突變分析

3.5.1年突變從M-K突變分析圖上UFk和UBk的交點(diǎn)(圖2)表明年降雨量在1954年，1989年，2006年發(fā)生了突變，但因在臨界值范圍以內(nèi)[9]突變并不顯著。1989年的突變也可以從5 a滑動(dòng)平均圖上看到。流域年降雨的穩(wěn)定上升態(tài)勢從1970年開始一直持續(xù)到1996年，而后開始下降，1996年是上升轉(zhuǎn)為下降的趨勢轉(zhuǎn)折點(diǎn)；1996年至今降雨量一直呈下降趨勢。

圖1　香溪河流域降水趨勢分析

3.5.2季降雨量突變分析(1) 春季降水量在1955年、1979年、2007年發(fā)生了突變，從1956年開始一直到1981年春季降雨處于上升趨勢，從1982年開始至今又逐步下降(圖2b)。

(2) 夏季降水量在60 a間共發(fā)生了4次的突變：1954年，1978年，1989年，2006年。1957—1980年呈下降趨勢，1982—1997年一直處于上升趨勢，2000年后至今是先下降后上升趨勢，以2005年為界(圖2c)。

(3) 秋季降水量突變發(fā)生在1990年，1992年，1995年。1955—1975年的降水量統(tǒng)計(jì)值均超過了臨界線，說明此時(shí)段秋季降水量增加趨勢顯著，從1 960開始到1990年秋季降水一直呈上升趨勢，1993年之后下降趨勢越來越明顯(圖2d)。

圖2　香溪河流域降水量突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析

(4) 冬季突變發(fā)生在1958年，1984年，2009年?？傏厔轂?965—1989年呈減小，從1990年至今為增大趨勢(圖2e)。

3.6降水量的周期分析

選用Morlet復(fù)小波對流域1952—2011年降水量序列實(shí)行一維連續(xù)小波變換，并繪制小波方差圖(圖3)。由圖3分析表明，香溪河流域近60 a降水量具有顯著的周期性變化，第1，2周期相同，分別是41 a，25 a，即香溪河流域降水存在41 a，25 a的變化周期(圖2e)。

圖3　香溪河流域1952-2011年流域年降水量小波方差

4　結(jié) 論

(1) 60 a來流域年均降雨量為1052.43 mm，流域降雨以0.66 mm/a減少。年降水的44%集中在夏季，冬季只占6.68%，變差系數(shù)以冬季最高達(dá)0.49，秋、夏、春季依次減小。年降水總量和春、秋、冬三季降雨量均呈減小趨勢，但變化不顯著；只有夏季降雨呈增加趨勢。

(2) 年降雨3次突變發(fā)生的時(shí)間和夏季降雨突變時(shí)間發(fā)生一致，并且兩者變化趨勢一樣，表明夏季降雨決定了全年降雨的特征；春秋兩季降雨在60 a內(nèi)都呈現(xiàn)先增后減的趨勢，發(fā)生突變的時(shí)間分散、多變；冬季降雨突變頻繁，有明顯的“兩峰一谷”存在。降水要素所表現(xiàn)出來的變化特征是單純的氣象水文周期性的表現(xiàn)，還是由于氣候變化的影響，尚有待深人研究。

(3) 年降雨量和各季降雨量變化雖不顯著，但多年變差系數(shù)較大，降雨年內(nèi)和年際分布不均，流域是在7—9月用水高峰時(shí)段可利用水資源量相對減少，加劇供水用水矛盾，導(dǎo)致該流域旱、澇災(zāi)害發(fā)生機(jī)率增大，給流域內(nèi)的水利工程的調(diào)度和用水企業(yè)用水增加了難度。因此實(shí)施科學(xué)水量調(diào)度，合理配置流域水資源在空間和時(shí)間分布，提高水資源利用率，是解決流域用水的根本方法。

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Analysis of Characteristics of Variation and Abrup Change of Precipitation in Xiangxi River Watershed over the Past 60 Years

LIU Huiying1, REN Hongyu2, ZHANG Pingcang2, LU Xianghui1, ZHANG Xinchuan3

(1.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2.Yangtze River Scientific ResearchInstitute,Wuhan430012,China; 3.YangtzeRiverWaterResourceProtectionInstitute,Wuhan430010,China)

The change trend of precipitation over the past 60 years in the Xiangxi River watershed was investigated using observed time series data from ten available rain gauges. Based on the ways of non-parametric trend test (linear regression，moving average method，Sen′s slope estimator and Mann-Kendall trend test)， the change trend was analyzed. Mann-Kendall rank statistic test was also used to examine abrupt change for precipitation (using the 5% significance level). The results showed that precipitation had presented the decreasing trend at the rate of 0.66 mm per year in general. The precipitation in spring and autumn presented the decrease trend with the magnitude of 0.33，0.81 mm per year, respectively; while the summer precipitation increased at the rate of 0.5 mm per year. The obvious abrupt change points of annual and summer precipitation happened in the year of 1954，1989 and 2006. The abrupt change points in other three reasons are complex.

Xiangxi River watershed; precipitation; trend analysis; abrupt change analysis

2014-07-23

2014-09-09

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301059);江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(JXSB201303);江西省自然科學(xué)基金(20132BAB203032)

劉惠英(1973—),女,陜西鳳翔人，講師,在讀博士,主要從事坡面土壤侵蝕和流域水體監(jiān)測方面研究。E-mail:jlfx7401@163.com

張平倉(1961—),男，陜西渭南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕方面研究。E-mail:zhangpc@mail.crsri.cn

TV125;TV121

A

1005-3409(2015)04-0282-05