近56年岷江降水時空演變特征分析

覃方靈，敖天其，2，陳 婷，3，祝 瑩，張 興，高丹陽

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川省氣象服務中心，四川 成都 610072)

全球氣候變化背景下，全球氣候規(guī)律發(fā)生改變，極端氣候事件頻發(fā)，人們逐漸意識到氣象水文要素對人類社會和自然生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響力[1]。氣象水文要素直接影響著水資源量與水資源系統(tǒng)結構，掌握氣象水文的時空演變規(guī)律有利于水資源的合理開發(fā)與利用。長江作為中國第一大河，對國家的整體發(fā)展占有重要戰(zhàn)略地位。而近年來長江流域的旱澇災害問題十分突出。尤其長江上游地區(qū)，具有充沛的水能資源，掌握該地區(qū)的氣象水文過程演變規(guī)律對于流域水資源科學利用具有重要意義[2]。

岷江是長江上游重要的一級支流，發(fā)源于岷山，流經阿壩州、成都、眉山、樂山、宜賓等地，在宜賓市城區(qū)匯入長江[3]。岷江水量豐富，是成都平原重要的水資源，因此其氣象水文的演變過程也受到了部分學者的關注。徑流往往直接反映水資源變化情況，杜華明[4]研究了岷江流域的徑流演變過程，發(fā)現近52 a(1961年～2012年)岷江流域的年徑流量呈顯著下降趨勢；郭衛(wèi)等[5]同樣研究了岷江流域徑流多年變化趨勢，并采用RVA法分析現有梯級水庫運行對岷江河流水文情勢的影響程度。而岷江上游區(qū)域因地處青藏高原邊緣的高山峽谷區(qū)，生境脆弱，對氣候變化極為敏感，成為了學者重點研究的區(qū)域?？道诘萚6]對岷江上游氣象水文因子的長時間序列周期性變化進行了分析；丁海舟[1]對岷江上游的9個氣象水文要素非年際變化的非平穩(wěn)度和變化趨勢進行了研究；黃瑾[7]利用遙感方法結合同期氣溫、降水、徑流等氣象水文數據，反演出了岷江上游區(qū)域的生態(tài)水資源量?？偟膩碚f，岷江徑流的變化規(guī)律以及岷江上游的水文氣象變化特征受到許多學者的關注，但人們對岷江整個區(qū)域降水的時空演變特征研究甚少。

降水作為水循環(huán)的重要部分，其變化必定會引起水循環(huán)的變化，從而引起水資源時空分布的變化。研究降水變化規(guī)律對于水資源分布情況及洪旱災害的發(fā)生具有重要指示作用。本研究以岷江作為研究區(qū)，通過定義的降水指標并采用不同的方法對比分析岷江降水的空間分布及時空演變特征。

1 研究數據

本研究以岷江作為研究區(qū)，采用的數據為岷江24個站點1961年～2016年的逐日降水觀測數據，站點位置分布如圖1所示。數據已經質量控制和均一化處理，由四川省氣象局數據探測中心提供。缺測的站點日降水資料采用線性回歸插補進行處理，即將相鄰站點同時段數據做時間序列回歸處理，以保證數據的完整性[8]。

圖1 岷江氣象站點分布

2 研究方法

本研究選取的降水指標包括年降水總量(ATP)、年降水總天數(ATD)和5 d最大降水量(RX5 d)，利用選取的指標對岷江降水的空間分布及時間演變特征進行了分析。

本研究對岷江降水時間序列的研究包括空間分布、趨勢分析、突變點檢驗和周期性分析。對空間分布的研究采用克里金插值法[9-10]，對岷江研究區(qū)降水序列的趨勢分析和24個站點年際變化趨勢空間分布采用了線性趨勢分析法和Mann-Kendall(MK)檢驗法[11]，采用MK檢驗法和累積距平分析法[12]檢驗降水序列的突變點[13-14]，采用Morlet小波分析法對降水序列的周期性進行了分析[15]。各研究方法的原理和具體算法在參考文獻中已有詳細表述，在此不再贅述。通過對岷江降水空間分布、降水時空變化趨勢、突變點檢驗、周期性幾個方面進行分析，可以基本了解岷江降水的時空演變規(guī)律，為水資源利用和洪旱災害防范工作的規(guī)劃提供依據。

3 結果與分析

3.1 空間分布格局

由降水量空間化結果(見圖2)可以看出，在春季，岷江中游東部地區(qū)降水較少，但研究區(qū)內絕大部分地區(qū)春季降水量只占全年降水量不超過20%。除春季外，岷江各時段降水量空間分布情況基本一致，大體上呈現出南部降水多于北部的局面。而從春季、秋季以及全年平均降雨分布圖可以看出，在相對南部來說降水較少的北部地區(qū)中，黑水縣成為了北部相對來說降水較多的地區(qū)。岷江研究區(qū)內降水量最大的地區(qū)為南部的雅安市地區(qū)(名山站點所在區(qū)域)。雅安市地區(qū)又被稱為“雅安天漏”，位于青藏高原東緣， 為青藏高原向四川盆地的過渡帶?；诟咴?盆地的特殊地形，在復合地形與大氣環(huán)流的相互作用下，使得“雅安天漏”地區(qū)水汽雖不如沿海充沛，卻成為我國內陸的一個降水中心[16]。

圖2 岷江1961年～2016年不同時段降水空間分布

對于多年平均年降水量而言，研究區(qū)的年降水量基本高于500 mm。根據標準劃分，我國半濕潤地區(qū)年降水量一般為400～800 mm，濕潤地區(qū)年降水量大于800 mm。由此可知，研究區(qū)南部屬于濕潤地區(qū)，北部部分地區(qū)屬于半濕潤地區(qū)，這樣的降水分布情況與岷江的氣候特征相一致。岷江上游屬高原氣候區(qū)，中下游屬亞熱帶氣候區(qū)，降水量隨地勢由北向南增多。岷江的降水集中于汛期，大部分地區(qū)汛期降水量占全年降水量的70%以上，汛期降水是決定岷江旱澇年景的主要因素。

3.2 降水趨勢分析

以24個站點逐日降水的算數平均值作為研究區(qū)逐日面平均雨量，基于岷江研究區(qū)面雨量分析3個降水指標的年際變化趨勢(見圖3)。線性傾向分析表明，從1961年～2016年ATP表現出了相當明顯的下降趨勢，線性下降傾向率約為25.7 mm/10 a。ATD指標線性下降傾向率為4.9 d/10 a，而RX5 d無明顯的變化趨勢。此外，3個指標均通過MK檢驗法95%置信度的顯著性檢驗(見表1)，結果與線性趨勢分析結果基本一致。也就是說，在過去的56年間岷江年降水量呈現出明顯的下降趨勢，年降水天數雖然同樣減少，但趨勢不如年降水量劇烈，意味著近56年不僅年降水日數在減少，降水日的日降水量也在減少。而RX5 d多年來幾乎保持不變，這一定程度上說明了即使年降水量在下降，但在一年中的某個集中降水時段的降水強度并未發(fā)生改變，意味著其他時段的降水量會明顯減少，這有可能導致旱災風險的增加。

表1 降水指數變化趨勢顯著性檢驗結果

圖3 降水指標變化趨勢

利用MK檢驗對岷江研究區(qū)24個站點的降水指標變化趨勢進行分析，并進行了置信度為95%的顯著性檢驗。從岷江研究區(qū)降水指標ATP從1961年～2016年的傾向率空間分布(見圖4a)可以看出，岷江上游降水表現出上升的趨勢。岷江中下游整體呈下降趨勢，中下游的20個氣象站點中呈下降趨勢的站點占了85%，其中僅崇州、新津地區(qū)多年降水呈顯著上升趨勢。岷江研究區(qū)ATD多年變化整體呈下降趨勢，其中下降趨勢顯著的站點數占了總站點數的79%(見圖4b)。岷江上游RX5 d多年變化趨勢呈上升趨勢，下游呈下降趨勢(見圖4c)。岷江上游在ATP和RX5 d上升的情況下，ATD呈下降趨勢，這意味這極端降水的風險將會增加。中下游大部分地區(qū)ATP和ATD指標多年變化整體呈顯著下降趨勢，而RX5 d多年變化雖呈下降趨勢，但其中75%的站點數據呈現出的下降趨勢并不明顯，因此岷江中下游地區(qū)更容易出現洪旱急轉的現象。

圖4 降水指標年際變化趨勢空間分布

3.3 降水突變分析

本研究使用累積距平法和MK檢驗法和對降水序列進行突變分析。通過累積距平曲線的變化趨勢對降水指標進行階段性的分析。當曲線呈上升趨勢，說明對應降水指標相對偏大；反之，則偏小。

從圖5a可以看出，自1961年，ATP呈波動上升的趨勢，波動上升階段出現4個較為明顯的突變年份，為1965年、1968年、1972年和1985年。ATP波動上升的趨勢于1990年發(fā)生突變，1990年后ATP呈波動下降趨勢，即1990年前為岷江降水量偏多的時期，1990年后為降水量偏少的時期。ATD自1961年起呈波動上升趨勢，1993年發(fā)生突變，降水日數開始減少(見圖5b)。RX5 d時間序列則呈現出明顯的波動(見圖5c)，在1961年～2016年間存在多個極值點，但由多年趨勢變化分析可知其變化趨勢并不顯著，因此認為RX5 d時間序列不是突變序列。其中1965年、1976年和2007年為由下降趨勢轉變?yōu)樯仙厔莸臉O值點，1968年、1991年和2013年為由上升趨勢轉為下降趨勢的極值點，1965年～1968年、1976年～1991年和2007年～2013年為岷江5 d最大降水偏大的時期。

圖5 岷江降水指標累積距平曲線

根據MK統(tǒng)計量的意義可知，當UF和UB兩條曲線超過臨界線，表明上升或下降趨勢顯著。兩條曲線在臨界線之間的交點對應的時刻就是突變開始的時刻。本文給定顯著性水平α=0.05，臨界值為±1.96。突變分析表明(見圖6)，岷江研究區(qū)的年降水量和年降水天數的變化趨勢均為突變現象。由圖6a可知，ATP的突變年份有1965年、1969年、1972年和1975年，1961年～1990年，ATP呈相對平穩(wěn)的波動趨勢；1990年后呈下降趨勢，這與累積距平曲線出現的下降的時間相一致；1997年后下降趨勢顯著。ATD的突變發(fā)生在1991年左右，1994年后下降趨勢顯著(見圖6b)。從圖6c來看，RX5 d時間序列出現了多個突變點，但其上升與下降趨勢均不顯著，整體沒有超出顯著性水平。累積距平法與MK檢驗法對3個降水指標突變檢測的結果統(tǒng)計見表2，2種方法分析結果存在差異，但體現出的階段性變化大體上具有一致性。

圖6 岷江降水指標MK檢驗曲線

3.4 周期性分析

利用Morlet小波分析法對岷江近56年降水周期進行分析，結果如圖7所示。根據小波方差圖確定各降水指數演化過程中的主周期，降水指數的年際和年代際周期統(tǒng)計見表2。

表2 降水指數的年際和年代際周期 a

圖7 Morlet小波系數實部等值線及方差

各降水指標主周期的波動控制著其在整個時間域內的變化特征。岷江的ATP時間序列演變過程中存在著3～9 a、10～20 a和21～32 a的3類尺度周期變化規(guī)律，從小波方差圖來看在32 a時間尺度上具有最強的周期震蕩，第2主周期在15 a左右。ATD時間序列存在3～6 a、7～15 a和16～32 a 3類尺度周期變化，最強主周期為28 a左右，第2主周期在12 a左右，在最強主周期中從1961年～2016年存在“多-少-多-少-多-少-多”的變化過程。RX5 d時間序列存在3～6 a、7～13 a、14～20 a和21～32 a的周期變化規(guī)律，最強主周期為28 a左右，第2主周期在15 a左右。RX5 d在28 a左右的大尺度周期中，從1961年～2016年存在著明顯的“多-少-多-少-多-少-多”的變化過程。

4 結 論

(1)春季岷江中游東部地區(qū)降水較少，此外岷江其他時段降水量空間分布情況基本一致，大體上呈現出南部降水多于北部的局面。降水集中于汛期，大部分地區(qū)汛期降水量占全年降水量的70%以上。南部的“雅安天漏”是研究區(qū)內降水量最大的地區(qū)。

(2)岷江的年降水總量(ATP)、年降水總天數(ATD)2個降水指標時間序列近56 a呈現出顯著的下降趨勢，極端降水指標RX5 d無明顯趨勢變化。

(3)岷江上游近56 a降水量和最大5 d降水量呈上升趨勢，降水日數呈下降趨勢，因此極端降水的風險有所增加，中下游地區(qū)大部分地區(qū)ATP和ATD指標多年變化整體呈顯著下降趨勢，而RX5 d多年變化雖呈下降趨勢，但其中75%的站點數據呈現出的下降趨勢并不顯著，因此岷江中下游地區(qū)更容易出現洪旱急轉的現象。

(4)ATD時間序列的突變點出現在1991年左右，ATP和RX5 d在近56 a存在多個突變點。ATD在累積距平法和MK檢驗法中檢驗出突變年份分別為1993和1991年。累積距平法和MK檢驗法的分析結果雖然存在差異，但是在大體的趨勢變化和部分突變年份上的分析結果呈現出一致性。

(5)岷江的ATP、ATD和RX5 d時間序列的最強主周期均為年代際周期，分別在32、28 a和28 a左右。