岷江上游地區(qū)中雨以上降水變化特征分析

李金建， 劉希勝， 王銳婷， 楊 濤

(1.四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川成都610072;2.青海省水文水資源勘測(cè)局，青海 西寧810001;3.四川省大氣探測(cè)中心，四川成都610072)

0 引言

降水過程是全球水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，為眾多的江河提供了水分補(bǔ)給，其變化特征一直以來都是氣候變化、水資源等領(lǐng)域的重要研究對(duì)象［1-5］，眾多學(xué)者利用不同的方法、指標(biāo)，針對(duì)區(qū)域降水量、雨日、降水強(qiáng)度等要素的變化做了大量研究［6-10］。

岷江作為長(zhǎng)江流域流量最大的支流，發(fā)源于四川省岷山南麓，整個(gè)流域均在四川境內(nèi)，也是四川省重要的河流之一，其上游5縣位于青藏高原向四川盆地的過渡地帶，一方面，較強(qiáng)的降水是徑流補(bǔ)給的重要來源;另一方面，也容易造成山洪、滑坡、泥石流等災(zāi)害，尤其是2008年汶川地震以來，該區(qū)域?yàn)榈卣鹬貫?zāi)區(qū)，地震導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境更加脆弱［11］，一遇降雨，尤其是較強(qiáng)的降雨過程(中雨及其以上)極易發(fā)生滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，因此，中雨以上降水具有怎樣的分配特征，變化趨勢(shì)如何等，對(duì)于區(qū)域水資源的開發(fā)利用，生態(tài)環(huán)境保護(hù)等都有重要意義，有必要進(jìn)行針對(duì)性的研究。雖然，已有學(xué)者探討了岷江流域年降水以及汛期降水的變化特征［12-13］，但對(duì)于中雨以上量級(jí)的降水特征的研究不多，基于此，采用1966～2012年47年的氣象觀測(cè)資料，分析岷江上游地區(qū)中雨以上降水變化特征，旨在為該地區(qū)防澇抗旱、水資源合理利用等提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1．1 數(shù)據(jù)來源

研究采用四川省氣象局信息中心提供的岷江上游5縣氣象站1966～2012年逐日降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，在逐日降水資料基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析得到每個(gè)站點(diǎn)建站以來的中雨以上降水序列(含降水量及降水日數(shù))。

1．2 研究方法

首先利用Mann-Kendall(MK)法［13］對(duì)岷江上游地區(qū)中雨以上雨量、雨日進(jìn)行突變檢驗(yàn)，尋求可能的突變點(diǎn)，然后應(yīng)用滑動(dòng) t檢驗(yàn)(MTT)法［14］和 Yamamoto法［14］，對(duì)可能的突變點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，增強(qiáng)突變分析結(jié)果的可信度。

采用Morlet小波變換分析岷江上游地區(qū)中雨以上雨量、雨日的周期變化特征。Morlet小波變換原理見文獻(xiàn)［15-16］。在進(jìn)行小波變換時(shí)，為了減弱“頭部影響”在序列兩端產(chǎn)生的誤差，利用對(duì)稱外延法［15］對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行擴(kuò)展。

2 結(jié)果與分析

2．1 年內(nèi)分配特征

對(duì)岷江上游5縣(茂縣、松潘、汶川、理縣和黑水)氣象站1966～2012年年總降水量及年中雨以上降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各站降水量及中雨以上降水量均有較大的差異，從多年平均狀況來看，5站多年平均降水量分別為471.7 mm、719.3 mm、502.9 mm、611.6 mm和822.3 mm;中雨以上降水量則分別為185 mm、330 mm、198.5 mm、244 mm和445.9 mm。盡管數(shù)值上有較大差異，但是從中雨以上降水量占全年總降水量的比重來看，各均達(dá)到較高的比重，其中茂縣最小，也達(dá)到39.2%，黑水最大，可達(dá)54.2%。由此可見，中雨以上降水量對(duì)于全年降水變化具有重要的作用，研究其變化特征無論對(duì)降水，還是河流徑流變化都具有重要意義。

岷江上游5縣多年平均的中雨以上降水量及雨日數(shù)的月變化趨勢(shì)圖如圖1所示。從圖1可以看出，降水量和雨日具有相似的分配特征，1～3月及11～12月降水量和雨日數(shù)都比較少，從4月份開始增加，但每個(gè)站之間又略有差異，其中茂縣、理縣和汶川均呈單峰型，最大平均降雨量分別出現(xiàn)在8月、6月和8月，而最大平均雨日數(shù)則分別出現(xiàn)在6月、6月和8月;松潘和黑水均表現(xiàn)為雙峰型，松潘最大平均降雨量和最大平均雨日數(shù)均在9月達(dá)到最大值，次大值出現(xiàn)在6月(其中5、6月份的平均雨日數(shù)相同)，黑水最大平均降雨量和最大平均雨日數(shù)均在6月達(dá)到最大值，9月次之。

圖1 岷江上游中雨以上降水量及雨日數(shù)月變化

2．2 趨勢(shì)變化特征

岷江上游5縣中雨以上雨量、雨日的逐年變化、5年滑動(dòng)平均以及線性變化趨勢(shì)如圖2所示。從圖2可以看出，就整體變化趨勢(shì)而言，5個(gè)站的雨量和雨日的年際變化趨勢(shì)都不顯著(除理縣的雨量、雨日以及黑水的雨日呈微弱上升趨勢(shì)外，其余均表現(xiàn)為微弱的下降趨勢(shì)，均未通過0.05顯著度檢驗(yàn))，但是，在不同的時(shí)間段則呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。從5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，茂縣雨量(圖2a)、雨日(圖2b)均在20世紀(jì)70年代末以前、80年代中期至90年代初及21世紀(jì)初以來呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，減少趨勢(shì)則主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初及90年代;松潘雨量(圖2c)、雨日(圖2d)在20世紀(jì)60年代末至70年代初、80年代中期至90年代初以及21世紀(jì)初以來呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，減少趨勢(shì)主要出現(xiàn)在70年代初至80年代中期及90年代初至90年代中期，而90年代末至21世紀(jì)初則變化不明顯;汶川雨量(圖2e)、雨日(圖2f)則在20世紀(jì)60年代末70年代初、80年代初中期以及90年代中期至21世紀(jì)10年代末表現(xiàn)為較明顯的下降趨勢(shì)，而在20世紀(jì)70年代中期至80年代初、80年代后期至90年代初及21世紀(jì)10年代末以來呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì);理縣雨量(圖2g)、雨日(圖2h)則在20世紀(jì)60年代末至70年代初、70年代后期、80年代中至90年代初及21世紀(jì)10年代中期以來呈上升趨勢(shì)，而在70年代中期、80年代初以及90年代呈現(xiàn)下降趨勢(shì);黑水雨量(圖2i)、雨日(圖2j)上升趨勢(shì)主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代末至70年代初、80年代中期至90年代初及21世紀(jì)以來，下降趨勢(shì)則主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初以及90年代。

岷江上游5縣中雨以上降水年際年代際變化特征與川西高原［17］乃至盆地西部［18］夏季降水變化具有較好的一致性，而其特殊的地理位置，使降水變化受到多種環(huán)流系統(tǒng)的綜合影響［19］，研究表明，當(dāng)研究區(qū)及周邊地區(qū)降水處于偏多階段時(shí)，東亞中高緯地區(qū)多呈現(xiàn)較強(qiáng)的兩脊一槽環(huán)流型，同時(shí)西太副高整體偏北;而當(dāng)降水處于偏少階段時(shí)，東亞中高緯地區(qū)很少出現(xiàn)或者僅表現(xiàn)為較弱的兩脊一槽環(huán)流型，貝湖以南地區(qū)的槽區(qū)減弱甚至為脊區(qū)，同時(shí)西太副高整體偏南［17-18］;20世紀(jì)80年代末以來，夏季副熱帶高壓的強(qiáng)度偏強(qiáng)，西界偏西，北界偏南，與西南大部分地區(qū)的降水減少有重要聯(lián)系［20］。

圖2 各站雨量、雨日逐年變化曲線

為進(jìn)一步探明各個(gè)站點(diǎn)降水的共性變化特征，對(duì)岷江上游5縣中雨以上雨量、雨日進(jìn)行EOF分析，其前3個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn)率如表1所示，結(jié)果表明兩者的第1主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為49.53%和46.78%，且相應(yīng)的荷載值均為正值，同時(shí)，無論雨量還是雨日的第1主成分時(shí)間系數(shù)與各站的相關(guān)系數(shù)也均通過0.001的信度檢驗(yàn)(表2)，表明第1主成分時(shí)間系數(shù)的演變能夠反映區(qū)域雨量、雨日的共性變化特征。

表1 中雨以上雨量及雨日前3個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn)率

表2 第1主成分時(shí)間系數(shù)與各站點(diǎn)雨量、雨日相關(guān)系數(shù)

圖3給出雨量、雨日的第1主成分時(shí)間系數(shù)(PC1)變化特征，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，與各站點(diǎn)的情況相似，雨量PC1與雨日PC1變化具有非常高的一致性，從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)看，區(qū)域整體呈微弱的下降趨勢(shì)，但不同階段，仍表現(xiàn)比較明顯的波動(dòng)，從圖3的5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，區(qū)域雨量、雨日均在20世紀(jì)60年代末至70年代初、90年代中至21世紀(jì)初處于偏少階段，而在70年代中至80年代初、80年代末至90年代中表現(xiàn)為偏多階段。這些特征也是各個(gè)站點(diǎn)序列表現(xiàn)出來共性特點(diǎn)，這種結(jié)果進(jìn)一步顯示了利用第1主成分時(shí)間系數(shù)表征區(qū)域變化特征的可行性。

圖3 區(qū)域雨量PC1及雨日PC1變化曲線

2．3 突變特征

前面利用EOF分析，得到代表整個(gè)區(qū)域雨量、雨日變化曲線，即雨量PC1及雨日PC1，下面將主要利用這兩條序列分析區(qū)域變化特征。

圖4 區(qū)域雨量、雨日MK檢驗(yàn)

首先利用MK法對(duì)雨量PC1及雨日PC1進(jìn)行突變檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示，兩者具有十分相似的變化特征，兩者均在20世紀(jì)70年代中至90年代的大部分時(shí)段UF值＞0，表明雨量、雨日有增加的趨勢(shì)，而21世紀(jì)以來UF值基本＜0，雨量、雨日有減少的趨勢(shì);UF和UB曲線在±1.96信度線之間有3個(gè)交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1995年、2008年及2011年，但后2個(gè)交點(diǎn)(2008年和2011年)，只能視為同一個(gè)時(shí)期，必然只能保留一個(gè)突變點(diǎn)，綜合考慮氣候突變意義、序列長(zhǎng)度等因素，保留2008年的突變點(diǎn)。

為進(jìn)一步的驗(yàn)證MK方法檢測(cè)的突變點(diǎn)，對(duì)區(qū)域可能突變年前后不同時(shí)段作滑動(dòng)t檢驗(yàn)(MTT)以及信噪比檢驗(yàn)(Yamamoto)，見表3。分別取 n1=n2=2、3、4，對(duì)區(qū)域雨量而言，1995年的突變點(diǎn)，利用MTT檢驗(yàn)，當(dāng) n1=n2=3時(shí)通過0.05的信度檢驗(yàn);利用Yamamot檢驗(yàn)，則當(dāng)n1=n2=2、3時(shí)通過0.01的信度檢驗(yàn)。2008年的突變點(diǎn)，利用MTT檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=2、4時(shí)通過0.01的信度檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=3時(shí)通過0.05的信度檢驗(yàn);利用Yamamot檢驗(yàn)，則當(dāng)n1=n2=2、3時(shí)通過0.01的信度檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=4時(shí)通過了0.05的信度檢驗(yàn)。對(duì)區(qū)域雨日而言，1995年的突變點(diǎn)，利用MTT檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=2、3時(shí)通過了0.05的信度檢驗(yàn);利用Yamamot檢驗(yàn)，則當(dāng)n1=n2=2、3時(shí)通過了0.01的信度檢驗(yàn)。2008年的突變點(diǎn)，利用MTT檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=3、4時(shí)通過0.05的信度檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=3時(shí)通過0.05的信度檢驗(yàn);利用Yamamot檢驗(yàn)，則當(dāng)n1=n2=3時(shí)通過0.01的信度檢驗(yàn)，當(dāng)n1=n2=3、4時(shí)通過0.05的信度檢驗(yàn)。綜上，通過兩種方法的佐證，這兩個(gè)突變點(diǎn)具有一定的可信性。

表3 突變點(diǎn)的信度檢驗(yàn)(MTT、Yamamot)

大量研究表明，20世紀(jì)以來，氣候存在明顯的突變現(xiàn)象，在20世紀(jì)初、20世紀(jì)20年代、60年代和90年代是突變現(xiàn)象出現(xiàn)的主要時(shí)段［21-25］，但是，由于局地性差異，不同地區(qū)突變點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間也存在一定的差異［26］，檢測(cè)的1995年突變點(diǎn)與90年代出現(xiàn)的大范圍的氣候突變相符，而2008年的突變點(diǎn)還有待更多研究進(jìn)一步驗(yàn)證。

2．4 周期變化分析

將岷江上游區(qū)域雨量PC1、區(qū)域雨日PC1進(jìn)行Morlet小波變換，得到小波變換實(shí)部，如圖5所示。由圖可以看出，兩者具有一致的周期變化特征，周期變化明顯，干濕交替顯著。10年以上的年代際變化主要存在準(zhǔn)18年周期振蕩和準(zhǔn)12年周期振蕩，其中準(zhǔn)18年周期表現(xiàn)顯著且穩(wěn)定，貫穿整個(gè)時(shí)域，在過去47年間始終存在，且主周期幾乎不變，強(qiáng)度較強(qiáng)，主要經(jīng)歷5次干濕更替，其轉(zhuǎn)換點(diǎn)分別為1970年、1980年、1989年、1998年和 2008年，其中 1966～1970年、1981～1989年及1999～2007年為偏干(或雨日偏少)階段，1971～1980年、1990～1998年及2008～2012年為偏濕(或雨日偏多)階段。從這個(gè)時(shí)間尺度來看，研究區(qū)域目前正處于降水偏多時(shí)期，且未來一段時(shí)間內(nèi)仍將呈偏多的狀態(tài)。而準(zhǔn)12年周期振蕩則在20世紀(jì)80年代中后期逐漸轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)10年周期振蕩。10年以下尺度周期變化特征則已2年為中心的周期與4年為中心的周期的轉(zhuǎn)化，20世紀(jì)80年代初以前主要表現(xiàn)為2年為中心的周期，80年代中其分化為2年周期和4年周期這兩個(gè)主振蕩周期，自20世紀(jì)80年代中期開始4年為中心的周期振蕩顯著且穩(wěn)定的存在，到目前為止，該周期振蕩由7個(gè)偏干階段和6個(gè)偏濕階段組成;而自80年代中期分化以來，2年周期則表現(xiàn)出時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的態(tài)勢(shì)，其在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初信號(hào)較強(qiáng)，其他時(shí)段信號(hào)較弱，甚至與4年周期相融合。

圖5 區(qū)域雨量、雨日小波變換實(shí)部圖

3 結(jié)論

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從年內(nèi)分配特征、趨勢(shì)分析、突變及周期變化等角度，對(duì)岷江上游地區(qū)中雨以上降水量及雨日進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論:

(1)岷江上游5縣多年平均的中雨以上降水量以及雨日具有相似的年內(nèi)分配特征，均表現(xiàn)為1～3月及11～12月降水量和雨日數(shù)較少，而4～9月為較為集中期。

(2)利用EOF分析，獲取代表區(qū)域中雨以上降水量以及雨日的序列，即第1主成分時(shí)間系數(shù)(雨量PC1與雨日PC1)，表明區(qū)域中雨以上降水量以及雨日均呈微弱的下降趨勢(shì)，其5年滑動(dòng)平均曲線表明20世紀(jì)60年代末至70年代初、90年代中至21世紀(jì)初處于降水(雨日)偏少階段，而在70年代中至80年代初、80年代末至90年代中表現(xiàn)為降水(雨日)偏多階段。

(3)通過MK法，并以滑動(dòng)t檢驗(yàn)法及YAMAMOT法為佐證，發(fā)現(xiàn)區(qū)域中雨以上降水量以及雨日在1995年和2008年存在突變現(xiàn)象。

(4)區(qū)域雨量、雨日具有一致的周期變化特征，干濕交替顯著。10年以上尺度存在2個(gè)主要振蕩模態(tài)，中心周期分別為12年、10年;10年以下的年際變化也存在2個(gè)主要振蕩模態(tài)，中心周期分別為4年、2年。

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