江西省錦江流域降水變化特征研究

黃旭華，王永文，李喻鑫

(1.江西省水利科學研究院，南昌 330029；2.南昌工程學院，南昌 330099)

在全球氣候變暖的大背景下，各地的氣候要素發(fā)生了顯著的變化。降雨作為氣象因子之一，主要受地形和氣流的影響。但降雨量的變化和分布有極大的不確定性，各地變化特征迥異[1-4]。水多、水少、水渾日益成為社會關(guān)注的熱點，嚴重制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，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[5,6]。同時，因旱澇災(zāi)害而導致的損失和影響也越來越嚴重[6]。惡劣天氣條件尤其是極端降水會對山體穩(wěn)定性造成威脅，極易引發(fā)山洪、滑坡，泥石流等自然災(zāi)害。研究區(qū)域降水的變化，能更準確地揭示氣候變化對區(qū)域降水的影響[1,6]。了解不同尺度下降雨量的時空變化，對理解區(qū)域水文循環(huán)、研究氣候變化和防治洪旱災(zāi)害等具有重要意義[7]。

江西雨量豐沛，河流水系發(fā)達。正確處理人與自然，人與水的關(guān)系，充分考慮水資源和水環(huán)境的承載能力，是江西在發(fā)展中面臨的重要機遇和挑戰(zhàn)[7]。贛江為江西省第一大河，贛江是鄱陽湖流域的最大支流，是江西的黃金水道，也是全國水運主通道之一。錦江是贛江下游左岸一級支流，古名笛河，錦河之名始于晉末。據(jù)史書記載，錦江中下游從1647年到1858年，先后發(fā)生大洪水8次，以1809年(嘉慶十四年)最嚴重。1913年洪水最大。建國后，錦江下游高安城區(qū)1973年發(fā)生超20年一遇洪水，過警戒水位2.58 m；1978年又發(fā)生最為嚴重的旱災(zāi)，受災(zāi)面積占流域面積12%，經(jīng)濟損失超2 000 余萬元。因此，對錦江流域降雨變化特征進行研究，對了解丘陵區(qū)降水的歷史演變規(guī)律、揭示區(qū)域氣候變化具有重要意義。為進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、旱澇防治提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

錦江乃贛江第二大支流，發(fā)源于贛湘兩省交界的幕阜山脈東麓，自西向東流經(jīng)袁州、萬載、上高、宜豐、高安、豐城、新建(縣、市、區(qū))等地，于南昌市新建縣市汊對岸注入贛江，全長307 km[5,7]。錦江流域(114°00′～115°39′E，27°59′～28°23′N)，集水面積7 886 km2，呈狹長狀，整體地勢為西北高東南低，山脈走向多為東西走向，流域內(nèi)河網(wǎng)密布、水系發(fā)達，上游河段為源頭至宜豐縣石市鎮(zhèn)，為低山區(qū)，中游河段為石市鎮(zhèn)至高安市區(qū)，多丘陵，下游河段為高安市區(qū)至新建縣龍王廟，為平原區(qū)[5-7]；流域南靠袁水，西毗淥水，北臨修河、遼河，東入贛江。錦江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，濕潤溫和，四季分明、降水充沛，無霜期長，流域多暴雨，西北部地區(qū)乃江西省的暴雨區(qū)，土地利用類型主要以林地和水田為主，且存在不同程度的水土流失[5-7]。

2 資料與方法

2.1 資料來源

文中降水資料均來自長江水利委員會編撰的水文資料年鑒，為了保證降水資料的連續(xù)性及代表性，最終選取了錦江流域的9個雨量站1957-2013年逐日降水資料(見圖1)。選用的降水資料也經(jīng)過多次審核，檢驗其異常值，保證了數(shù)據(jù)分析的可靠性及一致性。根據(jù)當?shù)氐牧饔驙顩r及氣候特征，可將錦江流域分為上、中、下游流域，文中的上游站點為危坊站，中游站點為宜豐站、滄上站、上高站、村前站、高安站，下游為鄧埠站、松湖街站、市汊站[7]；季節(jié)的劃分為：春季(3-5月)，夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-次年2月)[1]。

2.2 研究方法原理

(1)線性趨勢法是一種簡單常見的趨勢分析方法，能直觀的展現(xiàn)數(shù)據(jù)趨勢變化；即采用線性擬合的方法，把氣候要素的變化轉(zhuǎn)換成時間i的一元線性方程:

Yi=Ati+B

(1)

式中：A為回歸系數(shù)；B為回歸常數(shù)，以最小二乘法確定A、B的值，采用回歸系數(shù)A的數(shù)值來描述趨勢變化快慢的程度[2]。

(2)Mann-Kendall趨勢檢驗法屬于非參數(shù)檢驗，被廣泛運用于水文時間序列的趨勢特征分析，可以用來判斷趨勢變化是否具有顯著性。

在Mann-Kendall趨勢檢驗法中，設(shè)時間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本。

(2)

其中：

(3)

Z=

(4)

式中：Z的正負表示該序列的增減趨勢，Z的絕對值在分別不小于1.64、1.96、2.58時表示通過了0.1、0.05、0.01的顯著性檢驗[2,3]。

(3) Pettitt突變檢驗法與M-K趨勢檢驗法相似，假設(shè)時間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本。

(5)

其中：

(6)

可見，這里的秩序列S是第i時刻大于或小于第j時刻數(shù)值個數(shù)的累積個數(shù)。

若t0時刻滿足：

Kt0=max|S|

(7)

則時間t0為突變點

計算其統(tǒng)計量：

P=2exp[-6Kt0(n3+n2)]

(8)

當P分別不大于0.1、0.05、0.01檢驗臨界值時，則序列發(fā)生了顯著突變。

(4)累計距平是一種可以用來判斷突變時間的簡便方法，可以利用其曲線的上下起伏來判斷其突變發(fā)生的大致時間。對于序列某一刻的累計距平值為：

(9)

將全部的累計距平值計算出來，即可繪制累計距平曲線，再用其曲線判斷出其突變時間的大致范圍，還可以用其判斷變化趨勢[2]。

(5)小波分析法對處理具有偏態(tài)特性的水文數(shù)據(jù)時間序列具有獨特的優(yōu)點，能夠從時、頻域上準確揭示序列細微的變化特征，小波方差可以更加準確地判斷出水文數(shù)據(jù)序列存在的主周期及不同時間尺度的震蕩強度[4,8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 錦江流域年降水量基本特征

統(tǒng)計上中下游及流域面降雨量的均值、傾向率、最大值、最小值、變差系數(shù)作為特征值，結(jié)果表明(表1)，流域的多年平均降水量為1 617.5 mm，空間分布為上游到下游遞減的趨勢，降水量在上中下游及流域面上均呈現(xiàn)出上升趨勢，其中上升趨勢最顯著的為下游流域，其多年變幅每10 a為15.64 mm，上升趨勢最緩慢的為上游流域，其多年變幅10 a僅為0.34 mm，流域面上的降水變化趨勢每10 a為9.59 mm，主要受中下游的降水變化的影響，在統(tǒng)計年限內(nèi)，年降水量最大值出現(xiàn)在上游流域(2 408.5 mm)，最小值出現(xiàn)在下游流域(1 021.1 mm)，錦江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，冬季受蒙古或西伯利亞冷高控制，盛行西北風，夏季多為副熱帶高壓控制，盛行西南風，春夏之交，冷暖氣團交綏于境內(nèi)，形成梅水連綿[9]，錦江流域上游地區(qū)偏西，受季風影響比較強烈，流域降水較多，下游地區(qū)偏東，受季風影響減弱，降水相對較少。從降水量變差系數(shù)看，變化趨勢最為激烈的是下游的年降水量，變差系數(shù)為0.19，變化趨勢較為平緩的為中游流域，變差系數(shù)較為0.16。

表1 錦江流域1957-2013年各地區(qū)年降水量特征

3.2 錦江流域年降水量年代際變化

統(tǒng)計上中下游及流域面降雨量的不同年代模比值，結(jié)果表明(表2)，在流域面上，20世紀90年代是錦江流域降水較多的年代，其模比值達到了1.09，其上中下游流域亦為統(tǒng)計年限內(nèi)模比值的最大值，流域面上的年降水量呈現(xiàn)“偏少-偏多-偏少”的變化趨勢，中游流域的變化趨勢與之相同，上、下游流域卻與之不同，上游流域的變化趨勢為“偏多-偏少-偏多-偏少”，下游流域為“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少”的波動性變化趨勢。

表2 錦江流域1957-2013年各地區(qū)降雨量年代變化特征

注：模比值=年段均值/多年均值[8]。

3.3 錦江流域季降水量基本特征

整體來看，各季降水量最多的為上游流域，下游流域的各季降水量均為最少，各季降水量的空間分布大致都為上游到下游歷經(jīng)降水量遞減的變化趨勢，各地的降水量主要集中在春季，其次是夏季、冬季，秋季降水量最小。從表3可以看出，錦江下游流域春季降水占全年降水量的40.39%，而秋季降水只占全年降水量的11.83%，夏季、秋季、冬季在不同區(qū)域均呈現(xiàn)出上升趨勢，其中增幅最多為中游流域的夏季降水，其增幅每10 a為24.46 mm，春季降水在不同區(qū)域均呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度最大的為上游流域，其減少的幅度每10 a為-20.91 mm。多年平均的降雨集中期主要集中在4-6月，與錦江流域所處氣候環(huán)境相吻合，此段時間正值江南梅雨季節(jié)，降雨量較豐富。

表3 錦江流域1957-2013年各地區(qū)季降水量所占百分比及傾向率統(tǒng)計表

注：帶*表示通過了Mann-Kendall趨勢檢驗0.1的顯著性水平。

3.4 錦江流域各區(qū)域逐月分布規(guī)律

對比錦江流域各區(qū)域及流域面上的逐月降水百分比可以看出，降水量主要集中在4-6月，這4個月降水量占年降水量的45.72%左右，6月份是降水量最大的月份(15.74%)，而9-12月的降水量所占比例較小(22.22%)，這與季節(jié)降水分配較為符合，各地區(qū)的各月份降水量所占百分比與流域面上相差不大。

3.5 錦江流域各區(qū)域突變分析

錦江流域各地區(qū)的年和季節(jié)降水量的突變分析分別采用Pettitt突變分析(表4)和累積距平(圖3)進行綜合分析，從表4可以看出，春季、夏季、秋季的突變較為一致，分別為春季(1984年)、夏季(1991年)、秋季(1980年)，其中中游流域的夏季突變通過了0.1顯著性水平。年降水量及冬季降水量在不同區(qū)域的突變值較為分散。由于Pettitt突變分析只能檢驗出一個突變點，所以本文加以累積距平綜合分析，從圖3可以看出，年降水量(a)其上中下游及流域較為明顯的同一突變點為1991年，春季降水量(b)較為明顯的同一突變點為1984年，夏季降水量較為明顯的同一突變點為1991年附近，秋季降水較為明顯的同一突變點為1980年、1991年、1996年，冬季降水較為明顯的同一突變點為1986年。

圖2 錦江流域各區(qū)域1957-2013年月降水量所占百分比

表4 錦江流域各區(qū)域1957-2013年P(guān)ettitt突變統(tǒng)計表

注：帶*表示通過0.1的顯著性水平。

3.6 錦江流域各區(qū)域周期分析

選用Morlet小波分析對錦江流域上中下游及流域面上的1957-2013年年降水量序列實行一維連續(xù)小波變換，并分別繪制出小波方差圖(圖4)。結(jié)果表明，錦江流域1957-2013年降水量明顯的主周期性，不同區(qū)域的年降水量的主周期均為31 a，次周期分別為流域(13 a)、上游流域(14 a)、 中游流域(11 a)、下游流域(12 a)，但均不明顯。

圖3 錦江流域各區(qū)域1957-2013年累積距平圖

圖4 錦江流域各區(qū)域1957-2013年小波方差圖

4 結(jié) 論

(1) 流域面上多年平均年降水量為1 617.5 mm，空間分布為從上游到下游遞減的特征，且每10 a以9.59 mm的趨勢上升，其上升趨勢主要受到中下游的影響，在流域面上20世紀90年代是錦江流域降水較多的年代，其模比值達到了1.09，年降水量呈現(xiàn)“偏少-偏多-偏少”的變化趨勢，中游流域與之相同，上、下游流域為波動性變化。

(2) 季節(jié)降水量最多的為上游流域，下游流域最少，各季的空間分布大致都為上游到下游歷經(jīng)遞減的變化趨勢，各地的降水量主要集中在春季，其次是夏季、冬季，秋季降水量最小。夏季、秋季、冬季呈上升趨勢，春季降水呈下降趨勢，其中上游流域的春季降水量、中游流域的春、夏兩季降水量均通過了Mann-Kendall趨勢檢驗0.1的顯著性水平。

(3)逐月降水量主要集中在4-6月，占年降水量的45.72%左右，6月降水量最大，而9-12月的降水量所占比例較小，這與季節(jié)降水分配較為符合，各地區(qū)各月份所占降水百分比與流域面上相差不大。

(4)春季、夏季、秋季的突變較為一致，分別為春季(1984年)、夏季(1991年)、秋季(1980年)，其中中游流域的夏季突變還通過0.1顯著性水平。年降水量及冬季降水量在不同區(qū)域的突變值較為分散。而從累積距平分析，年降水量(a)其上中下游及流域較為明顯的同一突變點為1991年，冬季降水較為明顯的同一突變點為1986年。秋季降水較為明顯的同一突變點除了1980年外，還有1991年、1996年，

(5)錦江流域1957-2013年降水量的周期性變化，不同區(qū)域的年降水量的主周期較為明顯，均為31 a；次周期為13 a左右，不明顯。

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