1960—2015年岷江上游松潘縣降水變化與旱澇災(zāi)害

侯雨樂， 趙景波

（1.阿壩師范學院資源與環(huán)境學院，四川汶川623002； 2.中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，陜西西安710061；3.陜西師范大學 地理科學與旅游學院，陜西 西安710062）

降水是影響自然地理環(huán)境的重要氣候因子，也是人類賴以生存的主要水資源之一.降水時空分布及其變化對地球表層系統(tǒng)會產(chǎn)生重大影響［1］.在全球氣候變化的區(qū)域響應(yīng)背景下，極端降水事件給各地水資源分布、社會生產(chǎn)生活帶來了不利影響.區(qū)域降水規(guī)律及其重大氣候事件受到國際社會的廣泛關(guān)注［2-3］，也取得了大量有意義的研究成果.徐瑛麗［4］對1951—2014年間杭州市降水變化特征進行了研究，分析表明年降水變化不顯著，但單次降水強度有增大的趨勢.馬夢陽等［5］指出海河流域極端降水指數(shù)與ENSO等現(xiàn)象關(guān)系密切.張晨等［6］研究表明汾河流域的年、夏季和汛期降水量均呈不顯著的遞減趨勢.顧朝軍等［7］基于黃土高原近50多年來的降水和氣溫實測資料，指出黃土高原有向暖干化發(fā)展的主要趨勢，但冬季暖濕化現(xiàn)象明顯.松潘縣地處岷江上游區(qū)，是成都平原的生態(tài)屏障，氣候變化對岷江上游水資源特別是旱澇等自然災(zāi)害的影響已引起學者高度重視.降水和氣溫是影響川西高原地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵要素，研究岷江上游地區(qū)降水特征和格局變化分析是川西地區(qū)經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的急迫需求，需要開展更全面的深入研究［8-9］.

本文基于岷江上游區(qū)降水數(shù)據(jù)的數(shù)理分析，試圖揭示本區(qū)域降水變化規(guī)律、旱澇災(zāi)害及成因等問題，以更全面掌握松潘縣氣候變化規(guī)律、岷江上游流域水資源變化趨勢，對自然災(zāi)害預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、上游生態(tài)環(huán)境保護等保障經(jīng)濟社會發(fā)展工作具有重要的科學意義和實用價值.

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況松潘縣位于青藏高原東緣，32°06′～33°09′N、102°38′～104°15′E之間，地處四川省阿壩藏族羌族自治州東北部，面積約8 485.9 km2.松潘縣地處川西高原與龍門山的過渡地帶，地貌東西差異明顯，由東南陡峻狹窄的溝谷向西北緩而開闊的丘狀高原過渡，以高山為主，總的地形是西北高，東南低［10］.地形起伏顯著，最高處雪寶頂海拔達5 588 m，縣城海拔2 850 m.松潘縣是岷江水系的河源及干流上游區(qū)［11］.由于地形復雜，溝谷縱橫，松潘小氣候類型多樣且災(zāi)害性天氣頻繁，降水分布不均，暴雨多發(fā)生在6—7月，雨季降水量占全年降水量的72%以上，多年平均氣溫5.7℃，多年平均降水量727.9 mm.

1.2 數(shù)據(jù)與分析方法氣象數(shù)據(jù)采用自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.gov.cn）提供的中國地面氣候資料月值降水數(shù)據(jù)集（1960—2015年），以歷年不同季節(jié)和全年降水量作為研究對象，其中，將12月至次年2月劃為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，即以氣象劃分法對降水數(shù)據(jù)進行處理.利用SPSS、MATLAB等軟件去分析降水、旱澇災(zāi)害分布特征，揭示降水、旱澇與氣候變化之間的關(guān)聯(lián)性，以期更好解譯松潘縣等地氣候變化的內(nèi)在成因與規(guī)律.以下是本文主要分析方法的計算公式及過程.

1）趨勢性分析.利用線性回歸方程（1）［12］定量分析松潘縣降水的線性變化，同時利用滑動平均法對降水序列進行擬合，找出降水變化規(guī)律.滑動平均法可較好地消除由于受周期和隨機波動的干擾，顯示降水發(fā)展方向.

式中，x表示時間序列（a），y表示降水序列（mm），斜率a表示氣候傾向率（mm/Da）.

2）Mann-Kendall突變性分析.假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)（X1，X2，…，Xn）是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；n為樣本數(shù)量；假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj是不相同年份對應(yīng)的數(shù)據(jù)，檢驗的統(tǒng)計量Sgn為符號函數(shù)；S為正態(tài)分布，其均值為0.S的方差記為Var（S），則

式中，i是時間序列數(shù)據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)，ei為時間序列數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)的個數(shù).當n＞10時，標準的正態(tài)系統(tǒng)變量

在給定的α置信水平上，如果｜Z｜≥Z（1-a）/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢.對于統(tǒng)計量Z，大于0時是上升趨勢；小于0時是下降趨勢.當‖Z‖≥1.28，‖Z‖≥1.64，‖Z‖≥2.32時，分別表示通過了信度90%、95%和99%的顯著性檢驗.

再定義統(tǒng)計變量

UFk為標準正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若｜UFk｜＞Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化，將時間序列x按逆序排列，再按照上式計算，同時使

通過分析統(tǒng)計序列UFk和UBk可以進一步分析序列x的趨勢變化，且可以明確突變的時間，指出突變的區(qū)域.若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢；小于0則表明呈下降趨勢；當超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著.如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時刻［13］.

3）周期性分析.功率譜分析是以傅里葉變換為基礎(chǔ)的頻域分析方法，根據(jù)不同頻率波的方差貢獻診斷出序列的主要周期.對于一個樣本量為n的離散時間序列x1，x2，……，xn，可以使用傅立葉變化進行功率譜估計［14］.時間序列xt展成的傅里葉級數(shù)

式中，a0、ak和bk皆為傅里葉級數(shù)，ω是基波角頻率，k為波數(shù)，k=1，2，…，［n/2］，［］表示取整.不同波數(shù)k的功率譜值

4）趨勢性分析.R/S趨勢分析法是一種研究時間序列的分形理論［13，15］，基于MATLAB對近55 a降水序列進行Hurst指數(shù)計算，可預(yù)測松潘縣未來的降水持續(xù)性特征.若H（Hurst系數(shù)）＞0.5，表示未來趨勢與過去一致.R/S分析的基本原理是設(shè)在時刻t1，t2，…，tn處取得的相應(yīng)時間序列為ξ1，ξ2，…，ξn，對于任意整數(shù)τ＞0，該事件序列的平均為

用X（t）表示累積離差，則

把同一個τ值所對應(yīng)的最大X（t）值和最小X（t）值值之差稱為極差，并記為

Hurst標準偏差

其中，c為常數(shù)，H即是Hurst系數(shù).

5）旱澇等級分析.標準化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）可監(jiān)測旱澇嚴重程度，SPI負值代表雨量偏少，正值則代表雨量偏多［16］.利用SPI數(shù)據(jù)及國家氣象標準（GB/T20481—2017）的旱澇等級可來反饋松潘縣旱澇變化情況.標準化降水指數(shù)是先求出降水量τ分布概率，然后進行正態(tài)標準化而得出.

2 結(jié)果與分析

2.1 1960—2015年松潘縣降水量季節(jié)、年代際變化降水量的線性回歸、5 a滑動平均和年降水距平值變化分析（圖1）得出，松潘縣在1960—2015年間降水序列的氣候變化傾向率是1.09 mm/Da，降水量總體上呈現(xiàn)略增趨勢.近55 a降水量在526～940 mm間波動，多年平均降水量為719.69 mm，1975年降水量達到最大值，1970年最低.春季、秋季降水量分別占多年平均降水量的28%和27%，夏季降水量占多年平均降水量的42%，冬季降水占比最小，僅占3%.

圖1 松潘縣1960—2015年降水量變化Fig.1 The variation of the annual precipitation in Songpan region during 1960—2015

松潘縣季節(jié)性及年際性降水有明顯的豐枯變化，分布極不均勻，易引發(fā)旱澇等自然災(zāi)害.對降水距平值進行最小二乘法擬合，呈現(xiàn)了鋸齒狀波動變化特點.1960—1969年間降水距平值多為負值，可認定為少雨期.1970—1983年期間降水距平值大都為正值，是多雨期.1984—2012年間降水量多在年均降水值以下，是少雨期.2013年以后降水量又大增，進入多雨期.

2.2 1960—2015年干濕變化周期分析MATLAB軟件的功率譜和Morlet小波分析都可很好地確定降水變化周期的主要頻率［17］.功率譜分析表明（圖2），1960—2015年間松潘縣降水存在約5.75 a的主周期變化規(guī)律.小波分析結(jié)果顯示（圖3），根據(jù)1960—2000年間松潘縣降水存在10～15 a的中震蕩周期；20世紀末至今存在約8.5 a的變化周期（圖3a）.可認為松潘縣降水存在5.75、8.5和10～15 a的震蕩變化.為更好地明確岷江上游地區(qū)當代降水周期變化，再選擇汶川縣、茂縣、都江堰市的降水量進行小波分析（圖3b、c、d）.結(jié)果表明，1951—2016年間茂縣降水存在約17 a的顯著周期，同時，在1951—1988年還有約6 a短周期；2000年以來也存在一個約9 a的短周期.1951—2016年間汶川縣降水存在約5、10 a的震蕩周期，且貫穿始終.1955—2015年間都江堰市降水量變化周期在5 a附近震蕩.表征岷江上游區(qū)降水變化周期較為同步，本文降水數(shù)據(jù)分析有較高的科學性.

圖2 松潘縣年降水量功率譜分析Fig.2 Power spectrum analysis of annual precipitation in Songpan region

圖3 小波分析下的岷江上游地區(qū)降水量周期Fig.3 Period change of annual precipitation under wavelet analysis

2.3 1960—2015年松潘縣降水量R/S趨勢分析對松潘縣降水數(shù)據(jù)進行R/S處理，得到春夏秋冬4個季節(jié)降水數(shù)值的赫斯特指數(shù)分別為0.62、0.67、0.52、0.74，均大于0.5，存在明顯的Hurst現(xiàn)象，即降水有較強的長期規(guī)律重復特點，未來松潘縣與近55 a以來降水變化趨勢一致的可能性較大.根據(jù)松潘縣近55 a降水有少雨—多雨—少雨—多雨的變化特點，可推測未來松潘縣降水仍會出現(xiàn)增多趨勢.這與史培軍等［18］提出的中國西部地區(qū)降水量呈緩慢上升趨勢、西北—青藏高原呈暖濕趨勢等結(jié)論相吻合.據(jù)松潘縣年鑒及政府官網(wǎng)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，2013年以來本區(qū)降水增多.

2.4 1960-2015年旱澇災(zāi)害等級與頻率變化分析計算12個月尺度下的SPI（12）數(shù)值，引用國家氣象標準（GB/T20481—2017）對應(yīng)的SPI旱澇等級，做出松潘縣近55 a的旱澇災(zāi)害等級與頻次變化表（表1），同時繪制旱澇災(zāi)害等級序列圖（圖4）.1961—2015年間松潘地區(qū)旱澇頻繁，每2.39 a就發(fā)生一次，旱澇災(zāi)害頻率為41.81%.重澇、中澇的發(fā)生頻率都是5.36%；輕澇的發(fā)生頻率是7.14%；輕旱、中旱的發(fā)生頻率分別是14.29%、7.14%.

表1 1961—2015年松潘縣旱澇等級及頻次Tab.1 Classifications and frequencies of drought-flood disasters during 1961—2015 in Songpan

由圖4可知，松潘縣SPI（12）代表的旱澇災(zāi)害大致經(jīng)歷了4個變化階段：下降—上升—下降—上升.即1961—1970年初，SPI（12）降低且多小于0，旱災(zāi)較為頻繁，1970—1971年連續(xù)兩年發(fā)生中度旱災(zāi).20世紀70年代中葉到20世紀80年代中葉時期的SPI（12）多大于0，本階段較常年更為濕潤多雨，1975—1976連續(xù)兩年發(fā)生重澇.20世紀80年代中后期到2013年，SPI（12）又幾乎小于0，變?yōu)楦珊灯?，在本世紀初旱災(zāi)較多.2013年后又變得多雨，2015年松潘縣重澇.

圖4 松潘縣SPI（12）旱澇災(zāi)害等級序列Fig.4 Grade sequences of drought-flood disasters under SPI（12）standard in Songpan region

為更加直觀反映出松潘縣旱澇災(zāi)害的年際變化特點，以10 a為時間間距計算出各年代階段旱澇災(zāi)害頻率變化圖（圖5）.可以看出，旱災(zāi)頻次的平均值為2.4次/Da，洪災(zāi)頻次的平均值為2次/Da；從1990年代開始，本區(qū)旱澇災(zāi)害有明顯增多趨勢.

圖5 松潘縣年代際旱澇災(zāi)害頻率變化Fig.5 Frequency Variations of drought-flood disasters in Songpan region

2.5 降水量與旱澇災(zāi)害的突變檢驗利用M-K檢驗分析（圖6）得到松潘縣降水靜態(tài)統(tǒng)計量Z=0.45＜1.64，表明松潘縣年降水量有不顯著的增加態(tài)勢.

圖6 松潘縣年降水量的M-K變化曲線Fig.6 The Mann-Kendall test of the annual precipitation in Songpan region

1961—1972年間UF值幾乎都小于0，表明降水主要呈下降趨勢，為相對干旱少雨期.1973—1984年UF大于0，降水呈增多趨勢，處于相對濕潤多雨期.1985—2012年間，UF值又幾乎都小于0，除20世紀90年代早中期降水較多之外，整體上降水偏少且波動微弱，為相對干旱少雨期.2013年以后UF大于0，是降水增多時期.松潘縣年降水量的UF和UB曲線在顯著性水平0.05區(qū)間內(nèi)有多個交點突變點（1967、1973、1976、2013年），都通過了臨界線的顯著性檢驗.在1967年降水距平值是96.81 mm，比1966年有所增加，但之后又由豐水年變?yōu)榭菟?1973年降水距平值由1972年的-64.89 mm激增到157.21 mm，年降水大增，年后降水又減少.1976年前后兩年的降水變化也比較劇烈.1967、1973、1976年是在各自少雨多雨期內(nèi)降水量的突變點，但并沒有改變年降水豐枯期階段的劃分.這與本文前面對松潘縣干濕旱澇階段劃分特征基本一致.為了更好地檢測年代際尺度的突變信號，再利用滑動T檢驗曲線，得出

結(jié)果顯示降水在2013年均值發(fā)生顯著變化.2013年當年的距平值為-100.89 mm，是典型的枯水年，2013年后降水距平值為正，降水近幾年皆偏多.2013年可認為既是降水突變點也是豐枯交替點，降水由偏少轉(zhuǎn)為升高趨勢.2013年后本地實測年降水量偏多，洪災(zāi)多發(fā)，進一步驗證了本文分析結(jié)論的可靠性.2013年7月上旬，受大范圍連續(xù)強降雨影響，松潘縣境內(nèi)連續(xù)發(fā)生洪澇、泥石流等災(zāi)害，農(nóng)作物損失慘重.2018年6—7月松潘縣遭遇連續(xù)性暴雨襲擊，引發(fā)洪澇災(zāi)害，85%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，多處道路中斷，民房被淹.受持續(xù)、強降雨的影響，2019年6月、9月松潘縣等地發(fā)生山洪、泥石流災(zāi)害，多處經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施受損嚴重.

3 討論

3.1 降水量、旱澇災(zāi)害與ENSO事件關(guān)系ENSO事件是影響我國氣候變化的主要因素［19］.根據(jù)許武成等［20］及中國氣象局國家氣候中心（http：//cmdp.ncc-cma.net/pred/cn＿enso＿index.php）等研究成果與數(shù)據(jù)整理出1960—2015年間的29次ENSO事件，其中有17次暖事件和12次冷事件，將其與松潘縣旱澇災(zāi)害發(fā)生年份進行比較.結(jié)果表明：在ENSO發(fā)生年或次年發(fā)生了18次不同等級的旱澇災(zāi)害，發(fā)生機率為62.07%.在厄爾尼諾事件年前后發(fā)生洪災(zāi)5次，旱災(zāi)5次；在拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生年前后發(fā)生洪災(zāi)4次、旱災(zāi)4次.岷江上游區(qū)在近五十多年間降水變化周期較為同步，存在約5年、10年左右的震蕩周期.據(jù)張強等［21］研究，ENSO事件周期主要為5.67、10.46年，本地區(qū)干濕周期與ENSO事件周期上呈現(xiàn)出一定程度的同步性.在正常年份，本地平均年降水量是708 mm.；厄爾尼諾事件年均降水為718.01 mm，在拉尼娜事件年均降水是746.12 mm，松潘縣年降水量對ENSO的冷暖事件的響應(yīng)不同.再利用SPSS軟件的Pearson相關(guān)分析功能計算出ENSO事件與松潘縣旱澇事件的相關(guān)系數(shù)為0.057，顯示兩者不相關(guān).以上分析表明，在ENSO事件年附近，本地降水量波動可能性變大，但無進一步的可靠證據(jù)證明兩者間存在更顯著的相關(guān)關(guān)系.這與鄭浩等［22］研究相對一致，川西高原區(qū)氣溫降水變化與ENSO事件的相關(guān)性極不顯著，ENSO事件對研究地區(qū)旱澇災(zāi)害的影響不明顯.

3.2 降水量、旱澇災(zāi)害與夏季風活動強弱關(guān)系川西地區(qū)夏季水汽主要源于西南季風［23］，夏季風強弱直接影響川西地區(qū)降水多寡和旱澇災(zāi)害［24］.洪災(zāi)與年降水大增或季節(jié)性暴雨息息相關(guān)，旱災(zāi)與年降水銳減或季節(jié)性缺水密切相聯(lián).基于本地氣象數(shù)據(jù)資料以及國家氣象標準劃分的旱澇等級，統(tǒng)計出松潘縣1961—2015年降水量距平值與旱澇災(zāi)害等級變化圖（圖7），旱災(zāi)年降水量平均距平值為-80.45 mm；洪災(zāi)年降水量平均距平值為80.94 mm，本區(qū)旱澇災(zāi)害大都是由降水量劇變引發(fā)的，夏季風活動增強是引起洪澇災(zāi)害的主要原因；夏季風活動減弱是旱災(zāi)多發(fā)的主要原因.在年降水距平值變化顯著的年份本地都有較大旱澇災(zāi)害發(fā)生.有些年份降水過度集中也會出現(xiàn)洪災(zāi)，2012年7月初遭遇罕見暴雨，岷江河水暴漲，17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度受災(zāi).1986年6月中旬，境內(nèi)連降暴雨，達63.7 mm，致使河水猛漲，發(fā)生泥石流，大面積農(nóng)作物被淹被毀，直接損失5百余萬元［25］，根據(jù)統(tǒng)計1986全年降水偏少，為輕旱年.

圖7 松潘縣1961—2015年降水量距平值與旱澇災(zāi)害等級Fig.7 Annual precipitation anomaly and drought-flood disaster grades in Songpan region during 1961—2015

李金建等［26］重建了1837—2009年松潘高原地區(qū)5月降水序列，指出1993—2009年為其中的一個偏濕階段；1960—1992年為偏干氣候時段，但其中有多次正負突變.重建的降水序列周期中有2～4 a的周期振蕩.本文對1960—2015年間松潘縣SPI指數(shù)的旱澇災(zāi)害進行功率譜計算，旱澇災(zāi)害也存在約4 a的震蕩規(guī)律.同時分析表明松潘縣在1960—1969年間是少雨期，1970—1983年是多雨期，是對李金建重建降水序列的進一步驗證和補充.1991—2010年本區(qū)域洪災(zāi)頻次增加，主要是由于季節(jié)性降水增多引發(fā)，松潘縣當前進入多雨期.2019年“8·20強降雨洪澇泥石流災(zāi)害”造成松潘全縣直接經(jīng)濟損失超過1.1億元，全縣受災(zāi)群眾5 491人，據(jù)都江堰地面氣象站數(shù)據(jù)顯示累積降雨量117.6 mm.9月12日境內(nèi)大部出現(xiàn)25 mm以上降水，且局部有超過50 mm的降水.2019全年松潘縣較往年濕潤多雨.

4 結(jié)論

通過對松潘縣等岷江上游區(qū)的降水特征、旱澇災(zāi)害變化規(guī)律及其成因進行的分析探討，及對重建的降水序列周期和干濕變化階段進行的對比驗證等討論，得出以下結(jié)論：

松潘縣1960—2015年間降水序列的氣候傾向率是1.09mm/10a，降水量總體上呈現(xiàn)不顯著的略增趨勢.季節(jié)性及年際性降水分布極不均勻.近55 a間降水存在少雨—多雨—少雨—多雨的變化特點，有約5.75、8.5和10～15 a的震蕩變化周期.2013年既是降水突變點也是枯豐交替點，由偏少轉(zhuǎn)為升高.2013后以后松潘縣降水仍是增多趨勢.

1961—2015年松潘縣旱澇頻發(fā)，1960—1969年、1984—2012年是少雨期，從1990年代開始，旱澇災(zāi)害明顯增多；1970—1983年是洪災(zāi)多發(fā)期.在年降水距平值變化顯著的年份本地都有較大旱澇災(zāi)害發(fā)生.夏季風活動增強、降水過度集中是引起洪澇災(zāi)害的主要原因，夏季風活動減弱是旱災(zāi)多發(fā)的主要原因.2013年以來洪災(zāi)多發(fā)，加上極端降水事件頻發(fā)等因素疊加影響，未來洪災(zāi)機率增加.

松潘縣降水對ENSO冷暖事件的響應(yīng)不同.在ENSO事件年附近，本地降水量波動可能性大，但無進一步的可靠證據(jù)表征兩者間存在更顯著的相關(guān)性.

致謝阿壩師范學院校級重點項目（ASA19-13）和黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室項目（SKLLQG1428）對本文予以了支持，謹致謝意！