1961-2010年怒江流域降雨時(shí)空變化

洪美玲, 何士華

(昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院, 昆明 650500)

基于全球氣候變暖的影響，水文循環(huán)改變了水資源的時(shí)空重分配。雖然怒江流域人口與經(jīng)濟(jì)體稀疏，但怒江流域作為我國(guó)西南重要水系之一，降雨變化特征復(fù)雜，了解該流域降雨時(shí)空變化特征，對(duì)當(dāng)?shù)刂贫ǚ篮榕c排澇等策略具有重要意義。

目前，對(duì)怒江流域的研究成果較多，大部分集中在按區(qū)段劃分研究，在整個(gè)流域多尺度綜合時(shí)空方面的降雨變化研究較少。劉新有等[1]利用泰森多邊形法、小波分析法、R/S分析法研究怒江流域云南區(qū)段降雨時(shí)空變化；劉春錄[2]對(duì)怒江州怒江流域的降雨特性從年內(nèi)降雨、垂直方向分布、地形影響分布特性進(jìn)行研究；樊輝等[3]運(yùn)用TFPW-MK檢驗(yàn)和重復(fù)迭代變化診斷等方法，分析了近幾十年來(lái)怒江流域氣候要素空間格局和變化特征；姚治君等[4]利用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對(duì)怒江流域降水、平均氣溫及徑流等要素單調(diào)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并基于各要素時(shí)空變化特點(diǎn)，分析降水和氣溫的變化對(duì)徑流變化可能存在的影響；羅賢等[5]對(duì)怒江流域近50 a來(lái)中上游枯季徑流變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行研究分析。本文利用流域內(nèi)6個(gè)站點(diǎn)的降雨資料，通過(guò)反距離權(quán)重插值法、Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、線性回歸分析法分析怒江流域的降雨時(shí)空變化特征。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

怒江流域位于我國(guó)西南部位，發(fā)源于西藏自治區(qū)北部唐古拉山南麓的安多縣境內(nèi)，呈北西—南東向流經(jīng)西藏自治區(qū)、云南省，出境后流經(jīng)緬甸匯入印度洋，屬于國(guó)際河流。怒江干流上至今沒(méi)有一座水電站、攔河壩，保持著高度的自然性。

怒江從河源至河口全長(zhǎng)3 240 km2，中國(guó)部分2 013 km2，整體上多年平均降雨量為896 mm。怒江流域總地勢(shì)西北高、東南低，高原、高山、峽谷、盆地交錯(cuò)，地形多變復(fù)雜。上游地處青藏高原東南部，除海拔5 500～6 000 m的高大雪峰外山勢(shì)平緩，河谷平淺，湖沼廣布，屬于高原地貌；中游處于青藏高原向云貴高原過(guò)渡的橫斷山區(qū)，地勢(shì)海拔在3 000 m以上，山高谷深，河道縱比降大，水流湍急；下游怒江州瀘水縣六庫(kù)鎮(zhèn)以南為云貴高原區(qū)，地勢(shì)多為山丘、盆谷、壩子，海拔在1 700～2 000 m。怒江流域狹長(zhǎng)，支流眾多，兩岸支流大多垂直入江，干支流構(gòu)成羽狀水系。上游河流補(bǔ)給以冰雪融水為主，進(jìn)入云南境內(nèi)，水量以雨水補(bǔ)給為主，大部分集中在夏季，干濕兩季分明，時(shí)空分布不均，水力資源較為豐富。

流域氣候類型多樣且復(fù)雜多變，氣溫總體上由北向南遞增。怒江上游屬于高原氣候區(qū)，氣溫較低，常年降雨較少；怒江中游立體氣候突出，降雨量增加；怒江下游地區(qū)主要受西南海洋季風(fēng)氣候和東南季風(fēng)氣候影響，氣溫上升，多雨，流域中下游區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)[6]。怒江流域獨(dú)特的峽谷地形和氣候條件形成我國(guó)西南與東南亞重要的生態(tài)廊道。

1.2 研究區(qū)資料

怒江流域共有13個(gè)雨量站點(diǎn)，但由于較多站點(diǎn)缺測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，插補(bǔ)精度差，本次研究選用流域內(nèi)分布較均勻的6個(gè)站點(diǎn)，數(shù)據(jù)采用全國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的怒江流域那曲、索縣、丁青、貢山、保山、臨滄6個(gè)雨量站點(diǎn)1961—2010年24 h降雨資料，其中缺失數(shù)據(jù)由周圍站點(diǎn)降雨序列插補(bǔ)得到。研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)分布如圖1所示。

1.3 研究方法

流域的年際降雨變化主要從年降雨量的分布、降雨的季節(jié)分配、全年降雨日數(shù)、降雨的年際變化(最大年降水量與最小年降水量的比值)方面來(lái)分析，指標(biāo)參考于水利部黃河水利委員會(huì)發(fā)布的關(guān)于黃河流域降水特征分析一文。唐亦漢等[7]在近50 a珠江流域降雨多尺度時(shí)空變化特征及其影響一文中也采用了年均降雨量和年降雨日率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析珠江流域的年際將于變化。

圖1 怒江流域站點(diǎn)分布

對(duì)于流域極端降雨事件，本文以世界氣象組織氣象委員會(huì)及氣候變率和可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃推薦的50種極端氣候?yàn)榛A(chǔ)，選取2種極端降水指數(shù)分析怒江流域年極端降水的變化趨勢(shì)[8]。

因此，針對(duì)怒江流域降雨時(shí)空分布變化，本文采用年均降雨量和年降雨日率兩個(gè)指數(shù)分析年際降雨變化，季度降雨集中性(PCI)和月降雨集中性(FI6)表示流域內(nèi)的降雨集中性[7]，采用年極端降水量(R99p)和年極端降水日數(shù)(R99%)分析流域內(nèi)極端降雨變化。降雨指數(shù)詳見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 怒江流域年際降雨變化

2.1.1 年均降雨量分析 怒江流域降雨均值量在400～1 700 mm(圖2)，從年際降雨的空間分布規(guī)律看，整個(gè)區(qū)域降雨量呈現(xiàn)出由流域上游向中游逐漸遞增，貢山附近(即西藏與云南交界處)達(dá)到最大值，再逐漸向下游減少的趨勢(shì)，總體上表現(xiàn)為南多北少，空間分布復(fù)雜不均。流域最上游(即流域內(nèi)西藏中東部)海拔較高，降雨量相對(duì)較少，主要以融雪補(bǔ)給為主，降雨量分布在400～650 mm，流域中游(青藏高原與云貴高原過(guò)渡區(qū))海拔稍有降低，地形逐漸變成深山峽谷，山河切割，降水量逐漸增加，流域下游(即瀘水縣六庫(kù)以南地區(qū))平均海拔在2 000 m以下，降雨量在1 000～1 700 mm，降雨量相對(duì)較為豐沛。

表1 降雨指數(shù)

2.1.2 年降雨日率分析 怒江流域降雨日率分布在29%～60%，降雨量變化趨勢(shì)和降雨日率基本一致，流域上游降雨日率最低，向流域中下游逐漸增加，在貢山附近達(dá)到最大值，然后向下游減少。在流域的6個(gè)站點(diǎn)中，有50%的站點(diǎn)的降雨日率存在顯著上升趨勢(shì)(α=0.05)，集中在流域上游，即西藏部分地區(qū)(圖3A)。

從年降雨量和年降雨日率兩個(gè)指標(biāo)的變化分析，年際降雨量和年降雨日率均變化明顯，年際均降雨量和年降雨日率成正比，變化較一致。這樣的變化趨勢(shì)主要受制于不同的氣候作用，怒江流域南北狹長(zhǎng)，氣候變化顯著，怒江上游屬于高原氣候，多受高原氣流影響；中下游屬于典型的季風(fēng)氣候區(qū)，處于印度洋、太平洋水汽交匯區(qū)，主要受西南季風(fēng)控制和東南季風(fēng)影響，怒江流域的海拔差和氣候條件是影響降雨分布的主要因素[4]。

2.2 怒江流域年內(nèi)降雨集中性

2.2.1 季度降雨集中性分析 如圖3B所示，怒江流域的PCI分布在12%～24%，多年均值為18%，流域內(nèi)季度降雨集中性表現(xiàn)為由流域上游向中游減小，再向下游稍有增加，整體上呈現(xiàn)由北向南逐漸減少。流域中下游的降雨季度集中性為流域內(nèi)最弱，PCI小于15%，存在輕微季度集中性；流域最上游(那曲、索縣、洛隆、比如地區(qū))為流域最高，其次為丁青地區(qū)，即八宿以上流域PCI均大于20%，存在高度季度集中性；流域內(nèi)其他地區(qū)PCI介于15%～20%，存在季度集中性。

相對(duì)于多年P(guān)CI均值比較，以八宿地區(qū)為界限，流域內(nèi)八宿以北地區(qū)，降雨季度集中性增加，八宿以南地區(qū)低于均值。由50 a降雨量的變化趨勢(shì)分析，PCI高區(qū)存在降低趨勢(shì)，PCI低區(qū)趨勢(shì)基本不變，總體上流域內(nèi)的降雨季度集中性程度區(qū)域均勻化[9]。

圖2 年均降雨量分布

2.2.2 月降雨集中性 怒江流域FI6集中在40%～70%，多年均值為55%(大于50%)。如圖3C所示，流域內(nèi)FI6分布復(fù)雜，總體趨勢(shì)呈現(xiàn)由南東向北西逐漸降低。除流域上游部分的月降雨集中性低于50%外，流域其他地區(qū)降雨在最大降雨月的集中度較高。1961—2010年共50 a的數(shù)據(jù)分析，季度降雨集中性和月份降雨集中性總體上呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，F(xiàn)I6低區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，F(xiàn)I6高區(qū)呈上升趨勢(shì)，月份降雨集中性表現(xiàn)為區(qū)域極端化。

2.3 怒江流域極端降雨

我國(guó)通常把日降水量超過(guò)50 mm的降水事件稱之為暴雨，把日降水量超過(guò)25 mm的稱為大雨[8]。但是，對(duì)于不同的地區(qū)，由于地域差異，極端強(qiáng)降雨事件是不能完全用全國(guó)統(tǒng)一的固定的日降水量定義的。本文引用翟盤茂[10]等對(duì)極端降雨事件的閾值。把研究時(shí)間段(1961—2010年)雨日(日降水量≥0.1 mm)降水量分布在第99個(gè)百分位值的50 a平均值定義為極端降水事件的閾值，當(dāng)該地區(qū)某日降水量超過(guò)閾值，就為極端降水事件。

通過(guò)SPSS分析處理怒江流域1961—2010年的雨日數(shù)值，將第99個(gè)百分位值作為該流域的極端降水閾值，見(jiàn)表2 。

2.3.1 極端降水量分析 由圖4可知，1967—1979年為大波谷，1979年之后年際極端降水量變化差值較大，但50 a來(lái)怒江流域極端降水量整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中極端降水量最大值出現(xiàn)在2010年，為153.82 mm。本文采用怒江流域的6個(gè)站點(diǎn)中，除索縣變化趨勢(shì)略微下降外，其余5個(gè)站點(diǎn)的極端降雨量變化整體都為波動(dòng)上升，且丁青的上升趨勢(shì)最為平緩。

圖3 年降雨日率、PCI、FI6空間分布

表2 1961-2010年怒江流域降水量閾值 mm

從圖5的M-K檢驗(yàn)結(jié)果看，UF曲線未超過(guò)臨界值，表明極端降水量減少或增加未達(dá)到顯著水平，但是，在1978年極端降水量減少，將至-1.96臨界值，在2005年極端降水量增多，將至+1.96臨界值；1983—1984年前后，UF，UB曲線在±1.96范圍內(nèi)相交，極端降水量由低值向高值轉(zhuǎn)變，但未發(fā)生明顯的突變現(xiàn)象。2007—2009年前后，兩條曲線再次相交，UF曲線未超過(guò)1.96臨界線，綜上說(shuō)明1984年之后沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象。

圖4 怒江流域極端降水量

2.3.2 極端降水日數(shù)分析 圖4和圖6比較，從時(shí)間變化序列看，年極端降水日數(shù)與年極端降水量變化趨勢(shì)基本一致，1967—1979年為一大波谷，之后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。極端降水日數(shù)最多的年份為1985年，其次為2010年。在6個(gè)雨量站點(diǎn)中，索縣的極端降水日數(shù)趨勢(shì)略微下降，其余5個(gè)雨量站點(diǎn)均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中，丁青的上升趨勢(shì)最為平緩。

圖5 M-K突變檢驗(yàn)

從圖7可以看出，M-K突變檢驗(yàn)看，1967—1982年極端降水日數(shù)減少超過(guò)顯著水平，1982—1988年UF<0，呈下降趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)緩慢。在1998年UF和UB曲線相交，說(shuō)明在1998年極端降雨量突變開始，之后兩條曲線又有多次相交，但均未超過(guò)臨界線，則表示1998—2010年沒(méi)有發(fā)生明顯的突變現(xiàn)象。

圖6 怒江流域極端降水日數(shù)

圖7 M-K突變檢驗(yàn)

3 結(jié) 論

結(jié)合年際降雨、年內(nèi)降雨和極端降雨分析，將怒江流域大致上分為3個(gè)區(qū)域：a區(qū)流域上游(青藏高原東南部)；b區(qū)流域中游(青藏高原與云貴高原過(guò)渡區(qū))；c區(qū)流域下游(云南瀘水縣六庫(kù)以南區(qū))。

a區(qū)降雨量最少，季度性降雨較強(qiáng)但趨勢(shì)逐漸降低，月份降雨集中性最弱且極端降雨閾值最低，極端降雨有上升趨勢(shì)但趨勢(shì)較緩。不利于水資源的分配與利用，應(yīng)該加強(qiáng)該地區(qū)的節(jié)水、保水設(shè)施與區(qū)域性供水[11]。

b區(qū)降雨量豐富，年內(nèi)季度降雨集中性最低，月份降雨集中性最強(qiáng)且強(qiáng)度逐漸上升，極端降雨閾值相對(duì)a區(qū)較大。該地區(qū)降水利于區(qū)域內(nèi)的水資源分配，但是年內(nèi)降雨強(qiáng)度呈明顯上升趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)注意侵蝕性降雨同時(shí)加強(qiáng)水土流失的預(yù)防與治理。

c區(qū)全年降雨量較為豐沛，年降雨日趨勢(shì)平穩(wěn)，年內(nèi)降雨集中性趨勢(shì)平穩(wěn)，利于該地區(qū)水資源年內(nèi)分配，但極端降雨閾值最高且有上升的趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)?shù)胤篮榕c加強(qiáng)泥石流治理[12]。

怒江流域50 a來(lái)的極端降雨量和極端降雨日數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)[13]，20世紀(jì)80年代以前呈減少趨勢(shì)，1980年之后，極端降水量和極端降水日數(shù)波動(dòng)性增強(qiáng)，但未發(fā)生明顯的突變。按照50 a來(lái)怒江流域極端降水事件的分析，2010年之后極端降水日數(shù)和極端降水量增加，造成怒江流域水土加速流失。