贛江流域降水時空分布特征

韓會明，郭紅虎，游文蓀，簡洪福

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

氣候變化背景下，氣溫降水等氣象要素異常情況頻繁，使氣象氣候科學(xué)的研究一直為熱點方向[1，2]。降水作為水循環(huán)中基本組成部分，其受氣候變化的影響因地區(qū)差異而存在區(qū)別，針對區(qū)域降水變化的研究，以流域為研究對象更能準(zhǔn)確地揭示區(qū)域降水的空間變化及其受氣候變化的影響[3]。隨著全球變暖，贛江流域極端降水事件明顯增多，由于區(qū)域條件的復(fù)雜性，降水的變化相較于氣溫更為復(fù)雜，其變化模式及地區(qū)差異都有著很大的未定性[4～6]，降水作為贛江流域水量最主要的補給來源[7]，4～6月降水集中成災(zāi)，常引發(fā)山洪和洪澇災(zāi)害，2013年5月，流域南部信豐縣發(fā)生一起山洪致使5名人員遇難；7月以后高溫少雨，伏秋旱常發(fā)，2019年7月末至11月期間，贛江流域各地降水極少，大部分地區(qū)同期降水低于往年7成左右。探究贛江流域降水時空特征對該地區(qū)的旱澇治理，保障人民生命安全和正常生產(chǎn)生活具有重要意義。

本文以贛江流域及其周邊44個國家氣象站點的1960～2018年逐月降水量和降水日數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用氣候傾斜率、累積距平法、滑動t檢驗、小波周期分析和EOF分解等方法對贛江流域降水進行研究，了解贛江流域歷史降水的時空變化規(guī)律，以期為該地區(qū)防洪抗旱減災(zāi)工作和水資源的合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

贛江流域（113°30'～116°40'E，24°29'～29°11'N）屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，干流全長約823km，流域面積約為8.28萬km2，其中98.45%位于江西省境內(nèi)，四季分明，霜凍期短，年均氣溫18.3°C。流域東邊為武夷山脈、粵山，南部為大庾嶺和九連山，西部為羅霄山脈，干流從南向北流經(jīng)江西省贛州市、吉安市、宜春市、南昌市和九江市，流域內(nèi)河網(wǎng)密布，水量充足，流域面積3 000～10 000km2的主要一級支流有10條。

1.2 數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)概況

本研究利用江西省水文局提供的贛江流域及周邊44個國家氣象站點59年間（1960～2018年）的逐月降水量，數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，其完整性達到99%以上，對數(shù)據(jù)丟失的極個別月份參考鄰近站點進行線性插補，其中流域年降水量由各站點加權(quán)平均得到。

1.3 研究方法

1.3.1 降水累積距平

累積距平通過曲線的變化趨勢直觀的判斷氣象要素的變化過程的不連續(xù)現(xiàn)象[8]，根據(jù)曲線的拐點來判斷突變的可能時間[9]，對于降水序列i，時刻t的累積距平值為：

1.3.2 滑動t檢驗

滑動t檢驗是氣象水文序列突變檢驗中常用的方法，用于檢驗兩個隨機樣本平均值的顯著性差異[10，11]。對于樣本容量為n的單一時間序列，可人為設(shè)置基準(zhǔn)點，將時間序列分為前后兩個子序列，子序列長度為n1和n2，其均值為x1和x2，方差為s1和s2，定義統(tǒng)計量為：

t遵循自由度u=n1-n2-2，查t分布表得到臨界值為t0，比較統(tǒng)計量t和臨界值t0之間的關(guān)系，如果t絕對值≧t0，則說明兩個子序列有顯著差異，存在突變；反之亦然。為了減小基準(zhǔn)點選取過程中人為的影響，在具體實踐中需要不斷的變動基準(zhǔn)點，以增加檢驗結(jié)果的科學(xué)性。

1.3.3 小波分析

小波分析是一種常用的水文氣象數(shù)據(jù)研究中時頻多分辨率分析方法[11，12]，通過對母小波或基小波的平移或伸縮，得到一系列的子小波，而原始數(shù)據(jù)信息可表述為這些子小波的疊加，小波變換公式為：

式中：C為小波函數(shù)變換系數(shù)。

1.3.4 經(jīng)驗正交分解

主成分分析方法（Principal component analysis）在氣象上常稱為經(jīng)驗正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，EOF），是從多變量序列中提取相互獨立的新變量序列，用于降低原始數(shù)據(jù)的維度[13，14]。EOF分析通過較少的幾種空間分布模態(tài)對原氣象變量場進行描述，基本涵蓋原變量場的信息[15]。選用贛江流域44個站點以及各站點59年的降水量數(shù)據(jù)組成二維矩陣，設(shè)站點數(shù)序列為m，各站點年降水量時間序列為n，則站點時間序列Xm,n可以通過特征向量a→（載荷）建立與主成分Ym,n之間的線性關(guān)系，可表達為：

2 結(jié)果與分析

2.1 降水年內(nèi)分布特征

統(tǒng)計流域內(nèi)各站點多年月均降水量，得到多年月平均降水的年內(nèi)分布特征，如圖2。流域降水年內(nèi)分配不均勻，6月降水最多，為259.4mm，占全年降水的16.2%，12月降水最少，為50.3mm，占全年的3.1%；汛期（3～8月）降水占年內(nèi)降水總量的72.2%，而主汛期（4～6月）年均降水為707.1mm，占到年內(nèi)降水總量比重高達44.1%。3月開始降水量增加明顯，直至6月達到峰值，7月開始明顯下降。這一降水特點主要由于每年3月期間，東南方向的季風(fēng)開始盛行，降水迅速增多；5～6月勢力相當(dāng)?shù)睦渑瘹鈭F相遇，使兩者間相對靜止而產(chǎn)生靜止鋒，降水激增。7～8月間受副熱帶高壓氣團影響，降水量相較6月有所下降，冬春時節(jié)受到西伯利亞干冷氣團南下的影響，降水量達到最低值。

贛江流域雖降水豐沛，但降水的年內(nèi)分配不均造成降水與農(nóng)作物需水期不匹配，降水多集中于4～6月，7～8月月降水量一般只有100mm左右，而蒸發(fā)量一般大于150mm，部分年份可達200mm以上，大大超過降水量，9～10月降水量一般在100mm以下，也小于蒸發(fā)量。贛江流域主要農(nóng)作物（含糧食和經(jīng)濟作物）的生長期一般在4月初至10月下旬，每年7～8月“雙搶”季節(jié)，而此時往往降水偏少、蒸發(fā)量大，易導(dǎo)致作物缺水，晚稻成長收到影響，易因旱成災(zāi)[16]。

2.2 降水年際分布特征

圖2 降水量的逐月變化

圖3 降水量的逐年變化

根據(jù)贛江流域及其周邊44個站點的降水量資料，利用5年滑動平均和一元線性回歸法，得到流域年平均降水量變化圖，見圖3。從圖3可知，贛江流域多年年平均降水量的范圍為1 067.4～2 081mm，平均降水量為1 606.77mm，1963年降水最少，1975年降水最多，兩者相差1013.6mm?？傮w來看，年降水量在波動中增加，年均增加幅度為18.8mm/10年；從5年滑動平均可以看出，59年間呈現(xiàn)出4個升降周期，1962～1965年處于迅速下降階段，并達到歷史最低點，1965～1975年迅速上升，1975～1978 年處于下降階段，1978～1983 年呈上升趨勢，1983～1987年為下降趨勢，1987～1996為上升趨勢，1997～2005 呈下降趨勢，2005～2016 呈上升趨勢，其中包括了幾個小波動。

2.3 空間分布特征

圖4 降水量空間分布圖

根據(jù)各站點逐月降水量計算多年年平均降水量，并通過Arcgis10.2軟件的反距離權(quán)重方法對降水量進行空間插值，得到了1960～2018年贛江流域年平均降水的空間分布圖。如圖4所示，贛江流域總體降水呈現(xiàn)出“中間少四周多”的格局，流域中部的泰和、萬安、遂川、贛縣、上猶和南康多年平均降水較少，年均降水量不足1 500mm，其中泰和縣為流域內(nèi)年均降水最少的地區(qū)，為1 406.8mm。流域中部降水少，主要與贛江流域的地形、氣候等密不可分，該地區(qū)丘陵與山地相連，群山環(huán)繞東部為武夷山脈，南部為九連山，西部為大庾嶺，北部是天湖山，不利于水汽輸送，降水最少。西部的井岡山一帶為流域年均降水最多的地區(qū)，多年平均降水為1 906.2mm，該地區(qū)處于羅霄山脈中段，地勢高，水汽難于翻越，容易形成降水。東部地區(qū)年均降水量僅次于井岡山地區(qū)，多年平均降水量在1 800mm以上，東部山脈高程較低，夏季時節(jié)東南季風(fēng)盛行，攜帶了大量水汽，易于產(chǎn)生較多的降水。

2.4 突變分析

對贛江流域59年降水量時間序列分別采用累積距平和滑動t檢驗兩種方法進行突變分析。分析圖5降水累積距平過程發(fā)現(xiàn)，降水累積距平值在1991年達到最低點，隨后持續(xù)升高，在2002年達到第二峰值（僅次于1962年）隨后開始驟降，表明降水量在1991年和2002年發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折；通過滑動t檢驗進行驗證，圖6檢驗結(jié)果表明，1991年和2002年降水量的3次滑動t檢驗統(tǒng)計量均大于α＝0.05顯著水平的臨界值，說明1991年和2002年前后降水量發(fā)生較大的變化，1991年的改變相比2002年更為顯著。兩種分析結(jié)果一致，因此認(rèn)為1960～2018年間贛江流域降水突變年份為1991年和2002年，其中1991年降水出現(xiàn)了由少到多的突變，2002年為由多到少的突變。

2.5 周期分析

為了進一步揭示贛江流域年降水量時間尺度的周期變化特征，利用Morlet小波分析方法對贛江流域近60年來年降水量進行分析。如圖7所示，從小波等值線圖中可以看出（等值線圖中，深色區(qū)域表示正值，降水多，淺色區(qū)域表示負(fù)值，降水少），贛江流域年降水量存在多個周期的震蕩，33～37年的大時間尺度上振蕩周期明顯，10～13年和15～20年的振蕩周期都呈現(xiàn)出了20世紀(jì)90年代前由高到低，20世紀(jì)90年代后再轉(zhuǎn)高的變化特點，5～8年振蕩周期也貫穿整個時期，年降水量經(jīng)歷了多個交替和循環(huán)，43～45年的大時間尺度上震蕩較弱，從1975年以后開始顯現(xiàn)。結(jié)合小波方差圖，降水主要存在多個周期，其中第一主周期為35年，震蕩最強，小波方差最大，還伴有6年、12年和18年的次周期。

圖5 降水量累積距平圖

圖6 降水量滑動t檢驗圖

圖7 降水小波分析

2.6 降水量的EOF分析

對贛江流域44個氣象站點59年的降水?dāng)?shù)據(jù)進行EOF分析，前3個特征向量的方差貢獻率依次為65.5%、12.6%、4.8%，其累計貢獻率已經(jīng)達到了82.9%，所以選用前3個模態(tài)詳細(xì)分析贛江流域降水場空間特征的多樣性，3種模態(tài)空間分布如圖8。

第一模態(tài)所對應(yīng)的的載荷向量均為正數(shù)且都大于0.6，說明贛江流域降水的分布具有較好的流域一致性，即同濕或同干，載荷向量的高值地區(qū)主要集中在贛江流域的中東部，高值中心點位于吉安縣、吉水縣、永豐縣和樂安縣等地。

第二模態(tài)反映了贛江流域降水量空間分布的縱向差異，降水量的載荷向量以北緯27°附近為界，呈現(xiàn)出南正北負(fù)的特征，這種特征主要表現(xiàn)為北部的平原地區(qū)和南部的丘陵山地地區(qū)的干濕相反，北部偏濕則南部偏干，反之亦然。

第三模態(tài)主要反映了贛江流域中部與南部和北部之間的差異性，中部為負(fù)南北為正，負(fù)值的中心點位于中西部地區(qū)的井岡山市等地，井岡山站的海拔為843m，也是所有站點中海拔最高的，載荷空間上以井岡山地區(qū)為中心為波狀向外一層層擴散，這也主要反應(yīng)了地勢對降水空間場的影響。北部的正值普遍高于南部，說明了在不同干旱年份的表現(xiàn)上中部與北部的差異要大于中部和南部。

圖8 降水序列EOF分解

3 結(jié)論

本文以1960～2018年贛江流域及周邊44個氣象站點的降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用累積距平、滑動t檢驗、小波分析和經(jīng)驗正交分解方法對降水量時空特征進行分析，該流域降水特征如下：

（1）降水量1～6月逐漸增多，6月達到峰值，之后減少，汛期降水占年降水總量的72.2%，降水時間上的集中使得流域內(nèi)洪澇災(zāi)害多發(fā)，應(yīng)積極做好防御洪澇災(zāi)害的工作。受山脈地形影響，降水量空間上呈現(xiàn)“中間多四周少”的分布。

（2）降水量在1991年出現(xiàn)了由少到多的突變，2002年為由多到少的突變，存在35年的主周期和6年、12年和18年的次周期。

（3）基于EOF分解，贛江流域降水的前三個模態(tài)累計貢獻率為82.9%，降水的空間分布場類型主要為一致型、南北相反型、中部與南北相反型。