白龍江流域甘肅段2015—2018年汛期降水特征

何金梅，閆昕旸，李曉琴

(甘肅省氣象服務(wù)中心,蘭州 730020)

白龍江流域地處青藏高原與川西北高原交錯帶，是中國西部亞熱帶和暖溫帶的過渡帶,受東南季風的控制，降雨主要集中在6—9月，降水量占全年總降水量的60%[1],降雨時間集中且雨量大，加之流域內(nèi)山高溝深、巖層疏松、地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境脆弱，導(dǎo)致河道徑流多以洪水形式出現(xiàn)，容易出現(xiàn)滑坡泥石流等自然災(zāi)害，對水資源利用和當?shù)鼐用駧砗芏嗖焕绊慬2]，因此作為觸發(fā)泥石流的強降水是氣象服務(wù)關(guān)注的重中之重。近年來針對白龍江流域在氣象、水文方面的研究受到眾多學(xué)者的重視。王莉萍等[3]應(yīng)用改進的中國區(qū)域降水過程綜合強度評估方法，統(tǒng)計分析了1961—2016年全國七個主要流域的降水過程次數(shù)和強度等級的變化規(guī)律。張曉曉等[4-5]以白龍江流域1961—2010年氣象站資料為基礎(chǔ)，綜合運用多種方法研究指出，該區(qū)域在研究時段內(nèi)的年降水量呈“多—少—多—少”的波動變化，整體微弱減少，且徑流顯著減少。趙艷萍等[6]通過分析指出，白龍江流域的降水在20世紀90年代中期之前趨勢不顯著，90年代呈下降趨勢。劉東飛等[7]根據(jù)白龍江流域1965—2011年5個氣象站點的逐日降水資料計算極端降水指數(shù)，分析指出1970年代初期到1980年代中期白龍江流域極端降水指數(shù)均顯著增加，1990年代中期之后顯著減少，其中大雨日數(shù)發(fā)生了減少突變；各站點強降水次數(shù)變化特征差異顯著，迭部和武都長期減少趨勢最明顯。除了關(guān)注流域尺度上的降水時空變異外，也有許多學(xué)者利用氣象和水文資料對流域內(nèi)降水與徑流相關(guān)關(guān)系及變化趨勢進行了研究[2,8-11]。

以上對白龍江流域內(nèi)氣候、徑流變化的研究大多是利用氣象站點人工觀測資料，研究了該流域2010年前氣象及水文要素的變化，對近幾年的研究較少；另外由于過去研究區(qū)域內(nèi)人工觀測的氣象站點分布稀少且空間分布不均勻，若干站點平均結(jié)果難以準確反映研究區(qū)降水量的整體變化情況。近十年來隨著我國區(qū)域自動氣象站的建設(shè)，使得自動觀測的時間和空間密度大大超過了人工觀測，可更加客觀地反應(yīng)局地小氣候規(guī)律。國內(nèi)大多數(shù)省市氣象局在各領(lǐng)域的氣象服務(wù)中,對不同時段的區(qū)域站資料也都已經(jīng)展開了多元化的應(yīng)用[12-16]。本文利用白龍江流域甘肅段135個區(qū)域站和5個自動站2015—2018年逐時降水資料，分析該流域汛期(5—9月)的降水分布及其特征變化，揭示該流域近4 a內(nèi)降水變化趨勢及局地分布特征，以期為流域內(nèi)生態(tài)修復(fù)、地質(zhì)災(zāi)害治理提供依據(jù)。

1 資料方法

1.1 研究區(qū)域概況

白龍江流域甘肅段地處甘肅南部地區(qū)，發(fā)源于岷山北麓，是長江水系嘉陵江的一級支流，呈西北—東南向的狹長梭形，東北部和西北部分別與西漢水流域和洮河流域接壤，西部以岷山為界，連接四川省岷江流域，南部則以摩天嶺和四川涪江流域為鄰，在甘肅省境內(nèi)行政區(qū)域涉及甘南藏族自治州的迭部、舟曲，隴南市的宕昌、武都、文縣等。白龍江流域甘肅段流路長381.5 km，流域面積17 846.3 km2,占整個白龍江流域面積的83%。根據(jù)河道等級劃分規(guī)定，境內(nèi)3級以上支流主要有白龍江主河道，上游的達拉溝、多兒溝、岷江河、拱壩河及下游的白水江、大團魚河、廣坪河等8條。

1.2 流域代表站與資料選取

根據(jù)1:25萬GIS地理信息、白龍江流域甘肅段3級以上河流走向分布及該區(qū)域參與中國氣象局質(zhì)量考核的氣象站空間分布，對8條支流5 km范圍內(nèi)氣象站進行遴選，最終選取135個區(qū)域站和5個自動站(圖1)，分析資料選取經(jīng)氣候?qū)W界限值和區(qū)域界限值方法質(zhì)量控制后連續(xù)性良好的2015—2018年5—9月的逐時降水觀測資料。

圖1 白龍江流域甘肅段氣象站分布

1.3 方法及特征量定義

為了分析白龍江流域降水變化特征，包括流域平均降水量和降雨日數(shù)、降水次數(shù)的日變化、降水過程等，針對支流內(nèi)各站統(tǒng)計逐時降水，得到流域內(nèi)的最大降水過程、小時最大降水量，運用算術(shù)平均法計算該流域內(nèi)汛期平均降水量、降雨日數(shù)。

降雨日數(shù)：當日08時(北京時，下同)到次日08時內(nèi)任意時次出現(xiàn)小時降水量≥0.1 mm時計為一個降雨日，流域(支流)的平均降雨日數(shù)按流域(支流)內(nèi)所有區(qū)域站降雨日數(shù)的算術(shù)平均統(tǒng)計。

降水過程：按某站在一次降水中出現(xiàn)的小時降水量≥0.1 mm，且間歇時間不足6 h視為1次降水過程，間歇時間≥6 h則視為2次降水過程；流域內(nèi)最大降水過程指該流域內(nèi)任意站所有降水過程中累計降水量最大的一次過程。

降水次數(shù)日變化：統(tǒng)計流域和支流內(nèi)所有區(qū)域站和自動站在逐時出現(xiàn)降水的次數(shù)，再作算術(shù)平均。

2 流域降水特征

2.1 汛期降水量時空分布

2015—2018年白龍江流域甘肅段汛期平均降水量為332 mm，但受地理環(huán)境和降水性質(zhì)的影響，各支流的降水量分布不均勻，差異較大，下游地區(qū)的降水量整體多于上游地區(qū)。8個支流中廣坪河降水量最多，達到830 mm；相鄰的大團魚河降水量為459 mm，位居第二，另外在拱壩河及岷江上游地區(qū)降水量較多；而下游的白水江降水量是8個支流中最少的，只有239 mm。白龍江主河道汛期平均降水量也只有331 mm。

圖2為白龍江流域甘肅段2015—2018年逐年汛期平均降水量分布圖。整個流域汛期降水的空間分布特征為廣坪河境內(nèi)降水最多，這一區(qū)域也是地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)[17]；拱壩河和大團魚河次之。整個流域內(nèi)汛期的平均降水量逐年增多，2015年汛期平均降水量為260 mm，2018年達到457 mm，平均每年約增加66 mm；流域內(nèi)8個支流除了上游的達拉溝在2016年、2017年，多兒溝、拱壩河、岷江在2016年降水量減少外，其余各支流汛期平均降水量均逐年增多，且下游的廣坪河在2017年增長最為明顯，平均降水量從2016年的636 mm增長到2017年1 052 mm，增幅約65%。初步分析其原因，2017年5、6、8月冷空氣活動頻繁，冷暖空氣常在甘肅南部匯合，使隴南中東部地區(qū)降水較常年偏多5成左右。流域內(nèi)各區(qū)域站降水量差異大，下游廣坪河境內(nèi)武都縣的裕河站，平均年降水量達到837 mm，而上游岷江境內(nèi)舟曲縣的梁家壩站卻不足100 mm，這充分說明白龍江流域甘肅段汛期降水分布的局地特性明顯。

圖2 2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段逐年平均降水量分布

2.2 降雨日數(shù)分布

圖3為2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段逐年降雨日數(shù)與4 a平均降水量。流域內(nèi)平均降雨日數(shù)達拉溝和多兒溝支流最多為77 d，白水江支流最少為59 d，單站降雨日數(shù)最多的站位于甘南東南部和隴南南部地區(qū)，為90～110 d。流域內(nèi)平均降雨日數(shù)與平均降水量的空間分布不一致，降水量最多的廣坪河降雨日數(shù)只有71 d，位居所有支流的第5位。流域內(nèi)降雨日數(shù)多的年份各支流降雨日數(shù)相差不大，降雨日數(shù)少的年份各支流間相差較大。2017年流域內(nèi)平均降雨日數(shù)最多， 各支流降雨日數(shù)相差19 d； 2016年平均降雨日數(shù)最少，各支流間的降雨日數(shù)差26 d。各支流降雨日數(shù)逐年變化不同，大團魚河和廣坪河逐年增多，白龍江、多兒溝、拱壩河、岷江2017年最多，達拉溝2017年最少，白水江流域變化不大。

圖3 2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段逐年降雨日數(shù)與4 a平均降水量分布

2.3 降水的日變化

統(tǒng)計2015—2018年汛期8條河流境內(nèi)所有氣象站逐小時降水的分布情況，按算術(shù)平均法計算每條支流降水的日變化(圖4)。分析發(fā)現(xiàn)，整個白龍江流域甘肅段降水出現(xiàn)次數(shù)呈單峰型，夜間出現(xiàn)降水多于白天。一天中12—17時出現(xiàn)降水次數(shù)少，其中15時最少；18時后降水次數(shù)逐漸增多，01時達到最多；之后逐漸減少。各個支流降水的日變化與整個流域的分布相似，均為白天出現(xiàn)降水的次數(shù)少于夜間，差異體現(xiàn)在降水次數(shù)出現(xiàn)峰谷的時間不同。多兒溝在12時降水出現(xiàn)最少，而大團魚在17時最少，其余各支流在15—16時最少；各個支流都是從18時以后降水次數(shù)明顯增多，其中，白龍江和拱壩河在23時最多，岷江22時最多，廣坪河07時最多，其余各河流03—04時最多。

圖4 2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段降水次數(shù)日變化

將白龍江流域甘肅段內(nèi)每個小時的降水量按小于10.0 mm、10.0～19.9 mm、大于等于20.0 mm進行分段統(tǒng)計(表1)，結(jié)果表明：小時降水小于10.0 mm的在一天中任何時次出現(xiàn)的頻率均在70%以上，其中01—16時出現(xiàn)相對較多，占總降水次數(shù)的80%～93%。小時降水量在10.0～19.9 mm之間的頻率白天小于夜間，其中在06時、08—09時、12—13時出現(xiàn)頻率相對較小，占6.3%～9.0%，以06時最少；17時以后逐漸增多，在18、20、21時頻率達到20%～23%，以20時最大，其余時次為10%～20%之間。小時降水量≥20.0 mm的降水在每個小時均可出現(xiàn)，白天少于夜間，除了在03時、06—10時、13—15時出現(xiàn)頻率相對較小，均小于2%，以06時、09時最少，只有0.7%，其余時次為2.0%～7.9%；18時以后增大，21時達到最大；之后出現(xiàn)頻率逐漸減小。

表1 2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段分段降水量的逐小時占比分布 %

為了更好地揭示白龍江流域甘肅段降水日變化特征，分別統(tǒng)計各支流中小雨、中雨、大雨、暴雨及大暴雨的累計雨量及降水日數(shù)的占比(表2)。流域內(nèi)各支流降水日數(shù)均以小雨居多，除廣坪河境內(nèi)占比為69.1%外，其余各支流占比均大于等于80%；各支流的分級降水量占比顯示，廣坪河境內(nèi)暴雨占比多(27.4%)，大團魚河和拱壩河支流的中雨占比多，其余各支流均小雨占比多。50 mm以上的暴雨在下游的廣坪河、大團魚河及白龍江流域主河道的下游地區(qū)不僅出現(xiàn)次數(shù)多，而且日降雨量也大，2018年7月10日受強對流天氣影響，上述地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨，最大降水量在隴南文縣中廟氣象站，為203.5 mm；流域上游地區(qū)暴雨出現(xiàn)相對較少，特別是達拉溝近4 a沒出現(xiàn)過，多兒溝只有1站次出現(xiàn)，降水量也只有57.2 mm。

表2 2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段分級降雨量與降雨日數(shù)占比分布%

河流名稱小雨中雨大雨暴雨大暴雨雨量日數(shù)雨量日數(shù)雨量日數(shù)雨量日數(shù)雨量日數(shù)岷江39.784.338.212.816.42.55.40.40.30.0廣坪河15.369.123.217.521.97.527.44.712.21.1大團魚河29.680.036.615.119.33.511.81.32.70.1白龍江40.184.437.312.715.62.45.60.51.40.1拱壩河37.081.839.614.718.43.14.50.40.50.0多兒溝46.387.436.810.515.42.01.50.1——達拉溝51.788.242.711.25.60.6————白水江47.888.435.09.613.91.83.40.2——

2.4 強降水過程時空分布特征

2.4.1 最大降水過程 持續(xù)的強降水過程往往容易引發(fā)白龍江流域的地質(zhì)災(zāi)害，為了掌握該地區(qū)強降水過程特性，分析了2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段每月最大降水過程及其累計降水量、持續(xù)時間以及過程中小時最大降水量(圖5)。由圖5可見，白龍江流域甘肅段5、6月的最大降水過程從空間分布上主要集中在拱壩河、廣坪河、岷江和大團魚河，時間上最大降水過程均出現(xiàn)在2015年，累計降水量分別達147.5 mm、160.5 mm。2018年6月降水過程的累計雨量較大，其余時間過程雨量都不大，在45～75 mm之間。5、6月降雨過程持續(xù)時間較長，但過程中小時最大降水量較小，特別是2017年和2018年都在20 mm以下，說明5、6月流域內(nèi)的降水性質(zhì)多以穩(wěn)定性降水為主。

圖5 2015—2018年汛期白龍江流域甘肅段最大降水過程的累計降水量、持續(xù)時間及小時最大降水量

7月白龍江流域最大降水過程主要分布在岷江、廣坪河和白龍江主河道上。2018年7月白龍江主河道境內(nèi)最大降水過程的累計雨量達298 mm，是4 a中汛期白龍江流域甘肅段出現(xiàn)的最大降水過程，從7月8日06時開始到11日08時結(jié)束，持續(xù)時間長達75 h，但此次降水過程中小時最大降水量并不大，只有25.4 mm。分析發(fā)現(xiàn)，造成這次降水過程的主要系統(tǒng)是西伸的副熱帶高壓和青藏高原東移的短波槽，兩者共同影響使冷暖空氣在白龍江流域上空交匯形成降水。2015年7月岷江境內(nèi)最大降水過程的累計雨量78 mm，雖然持續(xù)時間只有3 h，但小時最大降水量卻達到了70.8 mm，此次降水過程屬于對流性降水過程。2016年和2017年7月的降水過程持續(xù)時間長，且小時降水量均未超過20 mm，屬于穩(wěn)定性降水過程。

8月流域內(nèi)最大降水過程主要分布在廣坪河和白龍江主河道上。最大的降水過程出現(xiàn)在2017年8月19日19時到22日13時的廣坪河境內(nèi)五馬站，過程累計雨量為294.2 mm，且小時雨量大，最大達到了52.1 mm。分析發(fā)現(xiàn)，這次降水主要是受高空冷槽底部分裂冷空氣配合副高外圍暖濕氣流共同影響形成的。其余年份8月最大降水過程累計雨量較小，持續(xù)時間較短，均屬于副高內(nèi)部的暖區(qū)降水。

9月流域內(nèi)最大降水過程主要分布在大團魚河、廣坪河和白龍江主河道上。2016年和2017年累計雨量小，小時降水量也小，屬于穩(wěn)定性降水過程。2015年和2018年累計雨量均較大，其中2015年的降水過程屬于穩(wěn)定性降水；而2018年9月1—2日出現(xiàn)在廣坪河的過程主要是受高空槽和低層切變線東移影響形成的，午后有對流性降水存在。

2.4.2 短時強降水 短時強降水指1 h內(nèi)累計降水量≥20 mm的降水過程，具有突發(fā)性強、來勢猛、降水時間集中的特點，因此產(chǎn)生的危害更大。白龍江流域甘肅段各支流境內(nèi)的短時強降水分布特征：白龍江主河道4 a中出現(xiàn)短時強降水最多，達155站次，且一天任何時次均可出現(xiàn)，01—16時出現(xiàn)頻率相對較小，其中以10時最??；17時以后到前半夜頻率增大，其中23時最大，達14.8%。其他支流中岷江出現(xiàn)的短時強降水天氣最多(96站次)，白水江次之(61站次)，廣坪河、大團魚和拱壩河依次有25、27和37站次，多兒溝只出現(xiàn)4站次，達拉溝在4 a中沒有出現(xiàn)。各支流中短時強降水夜間出現(xiàn)的次數(shù)大于白天，其中岷江、白水江多出現(xiàn)在傍晚前后，分別在19時和21時出現(xiàn)次數(shù)最多，而拱壩河則在01時、廣坪河和大團魚在02時出現(xiàn)次數(shù)最多。4 a中各支流最大小時降水量多出現(xiàn)在7、8月，其中2017年8月6日15時岷江境內(nèi)的前貫橋電站最大小時降水量達73.9 mm，為流域內(nèi)最大；排在第二位的是白龍江主河道的隴南市武都區(qū)五鳳山，在2017年8月6日23時降水量為68.8 mm；第三位出現(xiàn)在廣坪河的隴南市武都區(qū)裕河，2018年8月16日04時的降水量57.8 mm；其他支流最大小時降水量在45 mm以下。

2.5 降水月分布特征

白龍江流域汛期月降水量7月最多，6月次多，8月最少，5月次少；降水日數(shù)9月最多，6月次多，8月最少，7月次少。各支流月降水分布不同，拱壩河6月降水最多，其余各支流7月最多，廣坪河和大團魚河分別在5月和9月最少，其余各支流8月最少；降水日數(shù)大團魚河、多兒溝和達拉溝分別在7月、5月和6月最多，其余各支流均在9月最多，廣坪河5月最少，其余各支流均8月最少。

流域內(nèi)中雨以下量級的累計雨量及降水日數(shù)各月差異都不大；大雨及以上量級的累計雨量和降水日數(shù)均是7月最多、8月次多、9月最少、5月次少。各支流中大雨都在7、8月出現(xiàn)次數(shù)多、累計雨量大。岷江和廣坪河在8月暴雨出現(xiàn)次數(shù)最多、累計雨量最大，大團魚、白龍江、拱壩河、白水江多出現(xiàn)在7月，多兒溝只在7月出現(xiàn)過一次暴雨；流域中的大暴雨天氣多出現(xiàn)在岷江(8月)、廣坪河(6—9月)、大團魚河(7月)、白龍江(5月、7—9月)、拱壩河(6月)，以7月白龍江出現(xiàn)次數(shù)最多。

3 結(jié)論

本文利用白龍江流域境內(nèi)區(qū)域氣象站、自動氣象站小時降水資料，分析了2015—2018年汛期降水分布特征，得到以下結(jié)論。

(1)整個白龍江流域甘肅段汛期的平均降水量逐年增加，近4 a汛期平均降水量分布與逐年分布在空間上相似，均為下游的廣坪河最多，該區(qū)域也是地質(zhì)災(zāi)害的高密度區(qū)，拱壩河和大團魚河次之；受地理環(huán)境和降水性質(zhì)的影響，流域內(nèi)降水的局地特性明顯，短時強降水天氣主要出現(xiàn)在白龍江主河道上。

(2)流域內(nèi)平均降雨日數(shù)與平均降水量的空間分布不一致，平均降水量多的地方并不是降雨日數(shù)多的地方，說明該流域內(nèi)的短時強降水天氣更值得關(guān)注；降雨日數(shù)多的年份(2017年)則各支流降雨日數(shù)分布較均勻，降雨日數(shù)少的年份(2016年)則各支流間差異大；各支流平均降雨日數(shù)逐年的變化特征不明顯。

(3)流域內(nèi)各支流的平均降水量、降雨日數(shù)與短時強降水天氣在空間分布上并不一致，平均降水量最多的廣坪河降雨日數(shù)在8條支流中只排第5；降水量最少的達拉溝和多兒溝，降水日數(shù)卻最多，但短時強降水天氣最少，特別是達拉溝4 a中都沒有出現(xiàn)短時強降水；白水江汛期平均降水量和降雨日數(shù)都最少，但境內(nèi)出現(xiàn)的短時強降水天氣卻位居第二。

(4)白龍江流域甘肅段白天降水次數(shù)均小于夜間，18時以后降水次數(shù)增多；各支流的降水多出現(xiàn)在22—23時、03—04時這兩個時段；流域內(nèi)量級較大的降水多出現(xiàn)在夜間，其中短時強降水在21時出現(xiàn)最多，各支流中短時強降水天氣出現(xiàn)時間不一致，多發(fā)生在19—21時和凌晨01—02時這兩個時段。

(5)流域內(nèi)的最大降水過程的累計雨量、持續(xù)時間及小時最大降水量之間關(guān)系隨著季節(jié)變化明顯，5、6月的降水性質(zhì)以穩(wěn)定性為主，累計雨量不大，持續(xù)時間較長，小時降水量較小；7、8月的降水過程主要受副高外圍暖濕氣流和冷空氣的共同影響，大雨以上量級的降水增多，累計雨量大，持續(xù)時間較短，但小時降水量較大；9月以穩(wěn)定性降水為主，累計雨量較大，持續(xù)時間長，小時降水量小。