長江上游降水特征及時空演變規(guī)律

汪曼琳 萬新宇 鐘平安 張宇 劉暢

摘要：基于長江上游1960年-2014年80個國家氣象站的降水量資料，統(tǒng)計分析了長江上游降水量特征，并且通過繪制空間分布圖，采用Mann-Kendall法、Pettitt法、Morlet小波分析法檢驗(yàn)降水量時間序列，綜合分析了長江上游降水量的時空演變特征。結(jié)果表明，長江上游1960年-2014年多年平均降水量為900.8 mm，平均年降水總量為8 925.1 m³，降水量年際變化大，年降水量極值比為1.5，冬季極值比達(dá)3.9，降水量年內(nèi)分布很不均勻，汛期占80%以上；空間上，長江上游降水量呈現(xiàn)東南部降水量大，西北部小的分布特征；時間上，長江上游年降水量總體上呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，年降水量在1985年發(fā)生了突變，長江上游年降水量變化周期由強(qiáng)到弱依次為28 a、13 a、8 a，各分區(qū)變化周期以28 a為主。

關(guān)鍵詞：長江上游；降水量特征；時空演變；Mann-Kendall；Pettitt；Morlet小波

中圖分類號：TV125 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0065-07

Abstract：Based on the precipitation data （1960-2014） from 80 meteorological stations in upper reaches of the Yangtze River，we studied the characteristics of precipitation.Besides，the temporal and spatial evolution was analyzed by drawing the spatial distribution map and using Mann-Kendall test，Pettitt test，Morlet wavelet analysis method.The results showed that，during 1960 to 2014，the mean annual precipitation depth of upper reaches of the Yangtze River was 900.8 mm and the mean annual precipitation volume was 8925.1 m³，the annual variation of precipitation was great，the ratio of extreme annual precipitation was 1.5 and reached 3.9 in winter，monthly and the seasonal mean precipitation was very uneven，and the precipitation in flood season accounted for more than 80%；spatially，precipitation was large in southeast and small in northwest；temporally，significant negative trend was detected in annual precipitation in upper reaches of the Yangtze River，and the abrupt change took place in 1985，the primary period of precipitation in upper reaches of the Yangtze River was 28 a，13 a，8 a in the descending order of strength，and the period of precipitation in the partitions was mainly 28 a.

Key words：upper reaches of the Yangtze River；characteristics of precipitation；temporal and spatial evolution；Mann-Kendall；Pettitt；Morlet wavelet

長江上游幅員遼闊，氣候復(fù)雜，地形多變，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[1]。近幾十年，全球氣候變暖背景下[2]，長江上游降水特征亦發(fā)生顯著變化[3-4]，加之日趨激烈的人類活動[5-6]，加劇了該地區(qū)水資源的不確定性[7-10]，因此，進(jìn)行長江上游降水特征及演變規(guī)律研究對該區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和旱澇災(zāi)害防治具有重要的指導(dǎo)意義。

目前已有不少研究涉及長江上游降水變化[11-15]，但內(nèi)容多為降水量時程變化趨勢分析，且較為籠統(tǒng)，如：孫甲嵐等[11]基于整個長江上游面平均降水量，利用Mann-Kendall法分析了降水變化趨勢，但未考慮降水空間差異性。部分研究考慮了降水空間的差異性，如：王艷君等[12]研究長江上游1991年-2000年氣候及徑流變化趨勢時，將研究區(qū)劃分為長江上游干流、源區(qū)及金沙江流域、川江流域三部分，分析了三個區(qū)域的降水時程變化趨勢；馮亞文等[13]將長江上游分為屏山站以上與以下兩部分，分別分析了年、季的降水量變化趨勢及速率。除此之外，更全面地分析長江上游降水特征及其時空演變規(guī)律的研究還鮮有發(fā)表。

本文以長江上游降水為研究對象，采用1960年1月-2015年2月降水量資料，首先將長江上游按自然流域劃分成5個分區(qū)，統(tǒng)計分析長江上游及各分區(qū)的降水量特征；其次，通過繪制空間分布圖描述降水空間分布及變化規(guī)律；最后，采用目前普遍認(rèn)可的Mann-Kendall法、Pettitt法、Morlet小波分析法對降水進(jìn)行變化趨勢、突變特征、周期特征分析[16]。研究結(jié)果可為長江上游水資源合理開發(fā)利用、水庫群聯(lián)合調(diào)度提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

長江從源頭到湖北宜昌為長江上游，地處中國西南部，介于97.37-110.18°E，21.13-34.33°N，面積100×10⁴ km²。研究區(qū)地勢西高東低，西部屬橫斷山脈和青藏高原，平均海拔3 000～5 000 m，東南部海拔多在500 m以下。區(qū)內(nèi)氣候類型復(fù)雜，西部高原和山地屬寒帶氣候，長冬無夏，其余大部分地區(qū)受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛、熱量豐富。

長江上游長4 504 km，宜賓以上為金沙江，長3 464 km，宜賓至宜昌為長江上游干流，長1 040 km。主要支流有北岸的岷江、沱江、嘉陵江，以及南岸的烏江。按自然流域，長江上游可以分成金沙江流域、岷沱江流域、嘉陵江流域、烏江流域和上游干流區(qū)間5個分區(qū)，見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用研究區(qū)域內(nèi)80個國家氣象站（NMO）1960年1月至2015年2月逐月降水資料。資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/）。所選站點(diǎn)在流域位置分布（圖1）。80個氣象站的缺測月份數(shù)占總月份數(shù)的平均值為0.2%。由于研究區(qū)面積遼闊，站點(diǎn)分布稀疏，臨近站的觀測數(shù)據(jù)相關(guān)度不高，因此對缺測數(shù)據(jù)采用本站前后兩年該月值的平均值來插補(bǔ)，以保證氣象要素序列的完整性和連續(xù)性。長江上游及各分區(qū)的降水量采用算術(shù)平均法計算。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

長江上游降水量的趨勢變化規(guī)律分析，采用世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法——Mann-Kendall檢驗(yàn)法。

3.1 降水量特征分析

統(tǒng)計結(jié)果表明，長江上游1960年-2014年多年平均年降水量為900.8 mm，其中夏季、汛期（4月-9月）分別為473.3 mm、747.3 mm，占多年年平均的52.5%、83.0%。金沙江、岷沱江、嘉陵江、烏江、干流區(qū)間1960年-2014年多年平均年降水量分別為700.1 mm、999.2 mm、946.3 mm、1 097.2 mm、1 172.2 mm，就5個分區(qū)而言，降水量空間上呈東南部大于西北部的整體布局。各分區(qū)中金沙江降水量最小，而降水總量占全長江上游最大，達(dá)39.2%。其余特征值見表1。

近55年來，長江上游地區(qū)最大年降水量為1 126.1 mm（1968年），最小年降水量為762.7 mm（2006年），極值比為1.5。春、夏、秋季、汛期、枯季的降水量極值比在1.7～2.0，冬季降水量年際變化大，極值比為3.9。各分區(qū)極值比特征與整個長江上游一致。長江上游及其各分區(qū)歷年季降水極大、極小值均分別出現(xiàn)在夏季、冬季。而對于月降水極大值，金沙江、烏江、干流區(qū)間與長江上游整體一致，出現(xiàn)在7月，岷沱江、嘉陵江出現(xiàn)在8月；對于月降水極小值，各區(qū)間均出現(xiàn)在12月和1月。

長江上游降水量年內(nèi)分布很不均勻，如圖2所示，1月、2月、3月、11月、12月占全年降水量的1%～3%，4月和10月占6%～7%，降水主要分布在夏季（或者說是汛期），7月、8月、6月降水最多，其次是9月、5月，分別占19.4%、16.9%、16.2%、13.3%、11.0%，夏季在50%以上，汛期在80%以上。降水季節(jié)變化明顯，夏季最大，冬季最小。各分區(qū)降水年內(nèi)分布特征與整體基本一致，春季、秋季略有不同。

3.2 降水量空間分布

繪制長江上游1960年-2014年多年平均年降水量分布見圖3。就長江上游80個氣象站觀測值而言，長江上游整體上呈現(xiàn)東南部降水量大，西北部降水量小的分布特征。金沙江降水量明顯小于其他分區(qū)，在290～1 130 mm之間，空間上呈西北狹長地區(qū)降水量較小、南部地區(qū)降水量較大的特點(diǎn)。岷沱江各地區(qū)降水量差異巨大，在620～1 750 mm之間，并呈明顯的北部小、南部大的分布特點(diǎn)，極大值點(diǎn)出現(xiàn)在位于四川省境內(nèi)的峨眉山站。嘉陵江多數(shù)地區(qū)降水量分布均勻，東部略大于西部，南部略大于北部，降水量變化范圍為470～1 250 mm。烏江和干流區(qū)間的降水量普遍偏大，且分布較為均勻，降水量變化范圍分別為970～1 340 mm、1 070～1 260 mm。

3.3 降水量時程演變

3.3.1 降水量變化趨勢

采用M-K法檢驗(yàn)長江上游80個國家氣象站1960年-2014年降水量變化趨勢，結(jié)果見圖4。80個氣象站中，有65個站（占81.25%）呈現(xiàn)減少趨勢，其中28個站（占35%）減少趨勢很顯著（顯著性水平0.01）；15個站（占18.75%）呈增加趨勢，且有2個站（占2.5%）增加趨勢很顯著（顯著性水平0.01）。即長江上游各站點(diǎn)降水量整體上呈現(xiàn)減少趨勢，且趨勢顯著。具有增加趨勢的站點(diǎn)主要集中在金沙江流域，其中，乾寧、會澤兩站降水量增加趨勢很顯著，與其臨近站變化趨勢特征存在差異。這種差異可能是由乾寧、會澤兩站海拔高度均高于其臨近站導(dǎo)致。

長江上游及其各分區(qū)年降水量變化趨勢檢驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，1960年-2014年長江上游降水量正以1.34 mm/a的速率減少，統(tǒng)計意義上通過了顯著性水平0.05的檢驗(yàn)，認(rèn)為減少趨勢很顯著。各分區(qū)中，金沙江與長江上游整體不一致，有不顯著的增加趨勢，增加速率為0.08 mm/a，年變化量占多年平均的0.01%；其他分區(qū)降水量均發(fā)生了減少，其中岷沱江、干流區(qū)間減少趨勢顯著，四個分區(qū)減少的速率為0.94～2.85 mm/a，降水量年變化量占多年平均降水量的0.10%～0.24%。

3.3.2 降水量突變特征

采用Pettitt法對長江上游及其各分區(qū)的年降水量序列進(jìn)行突變分析，結(jié)果見表3。各分區(qū)中，岷沱江降水量在1969年發(fā)生不顯著突變，而金沙江、嘉陵江、烏江、干流區(qū)間降水量均在1984年發(fā)生了突變，其中烏江、干流區(qū)間分別通過了顯著性水平0.05、0.01的檢驗(yàn)。就整個長江上游而言，1985年為突變點(diǎn)，且通過了顯著性水平為0.1的檢驗(yàn)，因此認(rèn)為長江上游年降水量在1985年發(fā)生了突變，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[9]相一致。

以突變點(diǎn)為界，將整個研究時期劃分為兩個時間段，分析長江上游及其各分區(qū)的突變前后的均值可知，長江上游突變后較突變前降水量減少了4.3%。各分區(qū)中，金沙江流域突變后較突變前有所增加，變化率為3.4%；其他分區(qū)均在突變后發(fā)生了減少，變化率為3.7%～8.9%。通過t檢驗(yàn)可知，長江上游年降水量突變前均值后在0.05的顯著性水平下存在明顯差異，烏江、干流區(qū)間兩段均值也存在明顯差異。對長江上游及其各分區(qū)兩段年降水量的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行F檢驗(yàn)，沒有顯著差異。突變前后變異系數(shù)也相近，降水量年際變化程度并未發(fā)生明顯變化。

3.3.3 降水量周期分析

利用Morlet小波對長江上游及其各分區(qū)年降水量序列進(jìn)行檢驗(yàn)，得到變換系數(shù)等值線圖（圖5）。由圖5（a）可見，在26～30 a的尺度上，長江上游年降水量表現(xiàn)出較明顯的豐枯交替特征，是研究時段內(nèi)影響長江上游年降水量的主要時間尺度。目前（2015年）長江上游年降水量正處于一個偏豐期的起始，未來降水量會有所增加。在準(zhǔn)13 a、準(zhǔn)8 a分別有嵌套在大尺度下的相對較弱的周期變化特征。各分區(qū)年降水量周期變化特征與長江上游整體一致性較好，其中嘉陵江在準(zhǔn)8 a、準(zhǔn)13 a、準(zhǔn)18 a的尺度上周期特征明顯，與整體周期性略有不同，特別是其短周期成分及演變較突出，而在大尺度上成分相對復(fù)雜。

從Morlet小波方差圖（圖6）可見，在28 a、13 a、8 a處分別有3個波峰，波動能量依次減弱，因此認(rèn)為長江上游年降水量在這3個尺度有顯著的震蕩周期。同樣對各分區(qū)進(jìn)行周期分析，各分區(qū)年降水量周期均以28 a為主，結(jié)果匯總于表4。

4 結(jié)論

（1）長江上游1960年-2014年多年平均年降水量為900.8 mm，年降水總量為8 925.1 m³。長江上游地區(qū)降水量年際變化大，年降水量極值比為1.5，冬季極值比達(dá)3.9。降水量年內(nèi)分布很不均勻，7月、8月、6月降水最多，夏季在50%以上，汛期占80%以上。

（2）長江上游降水量空間分布不均，呈現(xiàn)東南部降水量大，西北部小的分布特征。金沙江降水量明顯要小于其他分區(qū)，烏江、干流區(qū)間降水量普遍較大，且分布較均勻。

（3）長江上游及其部分分區(qū)年降水量總體上呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，在1985年左右發(fā)生了突變；長江上游年降水量變化周期由強(qiáng)到弱依次為28 a、13 a、8 a，各分區(qū)變化周期以28 a為主，目前長江上游降水量已進(jìn)入新的偏豐期，未來一段時間降水會有所增加。

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