漢江中上游流域降水變化趨勢研究

張小南

（長江水利委員會漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000）

1 研究背景

受人類活動及自然環(huán)境影響，氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件發(fā)生幾率大幅增加[1]。并且氣候具有明顯的區(qū)域性特征，各區(qū)域間存在明顯的差異[2]。國內(nèi)外中眾多學(xué)者基于不同空間尺度與時間尺度做出大量研究，Tabari[3]等對伊朗1966 年～2005 年的年降水量變化趨勢展開研究，并發(fā)現(xiàn)局部地區(qū)的年降水量呈增加趨勢。Gocic M[4]運用Mann-Kendall 趨勢檢驗對塞爾維亞局部地區(qū)多組氣象數(shù)據(jù)資料的年際和季節(jié)趨勢進行空間特征分析。朱鵬[5]利用Mann-Kendall 檢驗驗證了北疆地區(qū)降雨量存在明顯上升趨勢，并依賴小波分析對不同時間尺度降雨資料的分析發(fā)現(xiàn)其周期習(xí)性變化規(guī)律。張洪亮[6]采用了滑動平均的方法分析了年降雨的變化趨勢，張文對年降雨量時間變化趨勢研究中則利用一元線性回歸進行分析描述。

國內(nèi)外學(xué)者在對局部降雨變化趨勢分析的研究中不僅改進了方法，并且對年降雨時序研究內(nèi)容的擴充。類如，王鵬云[7]利用模比差積曲線和滑動平均曲線將降雨的時間序列劃分為枯水期和豐水期，并以此確定局部降雨周期。

漢江流域是南水北調(diào)中線工程的水源地，流域降水強度大、驟發(fā)性強、時空分布不均。降雨情況對于水資源有重大影響，充分了解降雨極值的變化能夠幫助我們進行流域水資源再分配，同時對于防汛抗旱有著重大意義。因此，就流域尺度而言，研究區(qū)域內(nèi)降雨量時間變化趨勢，對預(yù)防或減輕其災(zāi)害損失，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 研究區(qū)概況

漢江是長江最大的支流，流經(jīng)陜西、湖北、河南等六個省市，其中干流流經(jīng)湖北、陜西兩省，全長1577 km。

中上游多以丘陵坡地為主，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，植被良好，雨量充沛。降水量年內(nèi)分布不均，主要分布于5 月～10 月，年際變化較大，多年平均降雨量為800 mm～1200 mm。漢江中上游洪水期徑流多由降水補給，平水期徑流多由地下水補給。歷史上漢江流域水患頻發(fā)，洪水多由局部暴雨和持續(xù)連陰雨造成，典型洪水如1935 年、1954 年、1964 年、1983 年、1998 年和2005 年等。

本文選取漢江中上游流域，研究采用漢江中上游向家坪、長沙壩、白河、黃龍灘四個水文站的降水系列進行分析，這四個站能獲得的降水系列較長，能較好地代表漢江中上游降水情況，漢江流域各測站示意圖見圖1。

圖1 研究站點分布圖

3 研究方法

Mann-Kendall 檢驗法受異常值的干擾較小，且不需要序列服從一定的分布，因此廣泛用于分析水文及氣象要素序列的變化趨勢。降水量是具有時間序列的自然樣本，Mann-Kendall檢驗定義一個時間序列Yi（i=1，2，3，…，n），Ci是樣本Yi大于Yj的累積數(shù)：

原序列為無趨勢自然序列，則此序列的數(shù)學(xué)期望為：

方差為：

Xk的標(biāo)準(zhǔn)化為：

Xk逆序排列后，再次標(biāo)準(zhǔn)化，得UB。本次研究中，由于降水時空尺度變異較大，其變化趨勢的顯著性相對較弱，故選取較低的趨勢顯著性檢驗標(biāo)準(zhǔn)。本文將顯著水平設(shè)為0.05，對應(yīng)該顯著水平的Zα/2為1.96，對應(yīng)的置信水平為95%。即若UF、UB 曲線在置信區(qū)間內(nèi)，則此序列未發(fā)生顯著變化；若UF、UB在置信區(qū)間內(nèi)有交點，則此交點可能為突變點；UF＞0，則時間序列是上升趨勢，若大于1.96，此序列顯著上升；UF＜0，則時間序列是下降趨勢，若小于-1.96，此序列顯著下降。

4 區(qū)域降雨分析

對漢江流域內(nèi)1956 年～2018 年的汛期降雨量數(shù)據(jù)進行線性回歸以及相關(guān)統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2。

圖2 1956年～2018 年漢江中上游流域年降水量變化趨勢

圖中結(jié)果表明，漢江流域中上游地區(qū)除向家坪地區(qū)降雨量整體呈現(xiàn)上升趨勢，且上升趨勢較為平緩。長沙壩站以下流域降雨量整體呈現(xiàn)下降趨勢，且下降趨勢較為平緩。其中越靠近下游下降趨勢越為顯著。以向家坪流域為例，區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為795.0 mm，最大降水量為1982 年1154.3 mm，最小降水量為1966 年470.4 mm，豐枯極值比為2.45，降水量年際變化較大，表1 詳列了各測點的降雨量枯豐極值比。

表1 漢江流域中上游各水文站降雨量年際變化

對比圖1，不僅可以發(fā)現(xiàn)漢江流域降雨量年際變化較大，局部表現(xiàn)為規(guī)律性的漲落態(tài)勢，在長沙壩與黃龍灘地區(qū)，年際降雨量變化明顯高于上游向家坪。各測站均出現(xiàn)了部分年份降雨量連續(xù)增加或者連續(xù)下降的趨勢，并且越靠近下游，趨勢越為顯著。年際降雨趨勢中不僅存在連續(xù)的降雨變化趨勢，更存在“陡增”和“陡落”現(xiàn)象。表明漢江流域降雨年際變化具有顯著的隨機性。圖3 為利用Mann-Kendal 檢驗法對漢江流域上游各測站降雨量數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果。

圖3 漢江中上游流域年降水量MK 曲線

如圖3 所示，UF、UB 兩條趨勢線相互交織均有不止一個交點，降雨量變化趨勢發(fā)生過多次轉(zhuǎn)折。對比各測站，可見向家坪站與黃龍灘站交點相對稀少且明顯，其中向家坪站于1990 年（35 年）、2003 年（48 年）、2007 年（52 年）、2011 年（56 年）、2016 年（61 年）相交；黃龍灘站于1962 年、1963 年、1970 年、1971 年、1973 年、1985 年、1986 年、2011 年、2018 年出現(xiàn)明顯相交。而位于兩測站中間的白河與長沙壩站，除部分年份存在明顯相交，其中長沙壩站UF、UB 曲線在1956 年～1965 年、1973 年～1984 年頻繁相交，降雨量在這兩個階段呈現(xiàn)波動式變化，頻繁突變上升或突變下降。白河站于1956 年～1980 年交點密集出現(xiàn)，相比之下，具有更為連續(xù)的變化序列，降雨量呈現(xiàn)震蕩變化。

從UF 曲線值看，1956 年～1989 年區(qū)間內(nèi)向家坪UF 曲線值均大于0，區(qū)域年降水量持續(xù)增加，但在1984 年UF 值超過臨界值1.96，表明此點上升趨勢顯著。

而對圖3（b）分析可得，在1966 年～1973 年，UF 曲線值均小于0，表明長沙壩站降雨量經(jīng)歷五六十年代震蕩之后，進入持續(xù)減少期，但是減少不顯著。1973 年～1984 年降水量減少趨勢變緩，1983 年～1991 年UF 值大于0，這階段長沙壩降雨量呈上升趨勢，趨勢不顯著。1992 年～2018 年，UF 值絕大多數(shù)都小于0，長沙壩降雨量呈下降趨勢，其中2002 年、2005 年、2006年均為突變年份。

圖3（c）中白河站1982 年～2018 年UF 值均小于0，并且在1999 年～2003 年UF 曲線值顯著低于臨界值-1.96，故白河區(qū)域降水量呈明顯下降趨勢。

與上游測站對比，黃龍灘站降水量在1970 年～2018 年處于不斷減少的趨勢。而1968 年前，UF 曲線值在0 點上下波動變化，區(qū)域內(nèi)降雨量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

漢江中上游流域及其分區(qū)的年降水量受空間分布影響顯著，其上游向家坪區(qū)域呈現(xiàn)上升趨勢，而靠近下游的各測站則表現(xiàn)出下降趨勢，其顯著性水平東部高于西部。而對于降雨突變時段，上下游基本呈現(xiàn)一直性，但明顯下游突變時段更為連續(xù)與集中，呈現(xiàn)明顯的流域性、空間群發(fā)性。