盤龍河流域降水時空分布特征研究

郭文雅 李代華 王葵 范德方 覃信龍 王龍

摘要 利用盤龍河流域22個雨量站1978—2018年的降水量觀測資料，采用Mann-Kendall法、Morlet小波分析法、克里金插值法、3年滑動平均法、降水距平法、降水累積距平法對近41年來該流域降水量變化趨勢進(jìn)行研究。結(jié)果表明：近41年來盤龍河流域降水量呈明顯增加趨勢的是年及夏季、冬季，而在春季、秋季的降水量則相對較少;降水量在空間分布上呈現(xiàn)從上游到下游逐漸減少的趨勢;在周期上，年降水量存在5個不同的主振蕩周期，而春季、夏季、秋季、冬季降水量均存在3個主振蕩周期;年際變化上，年、春季和秋季降水量均呈下降趨勢，傾向率分別為-6.19、-5.00和 -14.00 mm/10 a，其中在夏季和冬季傾向率分別為8.75、6.27 mm/10 a，降水量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

關(guān)鍵詞 降水量;變化特征;空間分布;盤龍河流域

中圖分類號 P 426.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）20-0224-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.060

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Precipitation in Panlong River Basin

GUO Wen-ya LI Dai-hua WANG Kui1 et al

（1.College of Water Conservancy，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201;2.Wenshan Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau， Wenshan， Yunnan 663000）

Abstract Using the precipitation observation data of 22 precipitation stations in Panlong River Basin from 1978 to 2018，the Mann-Kendall method， Morlet wavelet analysis method， Kriging interpolation method， 3-year moving average method， precipitation anomaly method， precipitation cumulative distance Pingfa were used to study the change trends of precipitation in the basin in the past 41 years.The results showed that in the past 41 years， the precipitation in the Panlong River Basin had shown a significant increase in annual， summer and winter， while the precipitation in spring and autumn was relatively small;the spatial distribution of precipitation showed a gradual decrease trend from upstream to downstream.In terms of cycle， there were 5 different main oscillation periods for annual precipitation， and there were 3 main oscillation periods for precipitation in spring， summer， autumn and winter.In terms of interannual changes， the precipitation in the annual， spring and autumn all showed a downward trend， with tendency rates of -6.19， -5.00 and -14.00 mm/10 a respectively;in summer and winter， the trend rates were 8.75 and 6.27 mm/10a， respectively， and the precipitation showed a gradual upward trend.

Key words Precipitation;Change characteristics;Spatial distribution;Panlong River Basin

基金項(xiàng)目 云南省教育廳基金項(xiàng)目（2020J0246）。

作者簡介 郭文雅（1994—），女，河南太康人，碩士研究生，研究方向：區(qū)域水資源開發(fā)與利用。

*通信作者，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事區(qū)域水資源開發(fā)與利用方面的研究。

收稿日期 2021-03-04

在對氣候變化進(jìn)行描述的過程中一個相對關(guān)鍵的指標(biāo)就是降水量。通過對降水量變化規(guī)律的描述可以有效分析該地區(qū)氣候變化情況，這對提高降水預(yù)測能力、減少洪澇災(zāi)害損失有重要意義[1]。我國研究學(xué)者對于降水研究相對較多，其中符傳博等[2]對云南省降水時空分布特征進(jìn)行了研究;劉瑜等[3]研究了云南省降水與氣溫變化特征;萬云霞等[4]研究了云南省秋季降水變化的特征及其成因;劉新有等[5]重點(diǎn)研究的是怒江流域降水情況，其中在進(jìn)行研究的過程中重點(diǎn)是對該地區(qū)降水趨勢以及不同區(qū)域降水量不同的原因進(jìn)行分析;董徐艷等[6-7]同樣研究了云南省在全球變暖的大環(huán)境下不同地區(qū)降水量的時空分布特性;楊丹麗等[8]研究的是不同時間段降水強(qiáng)度以及降水天數(shù)的變化特征。雖然上述研究學(xué)者對于降水研究相對較多，但是對于盤龍河流域的降水情況研究相對較少[9]，而且大部分研究都停留在2010年之前，最近幾年的研究成果更少。所以加強(qiáng)對該地區(qū)的降水情況研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

盤龍河位于云南省東南部，主要支流有疇陽河、德厚河、馬塘河、順甸河、猛硐河、董金河、布都河、岔河等。盤龍河是文山州水系的重要動脈，是全國一條重要的國際河流以及連接越南的紐帶，戰(zhàn)略地位十分突出[10]。因此，研究盤龍河流域降水的時空分布特征，分析其盤龍河流域降水的時空演變規(guī)律，為后續(xù)研究盤龍河流域水資源合理開發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)以及該地區(qū)以農(nóng)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)作物發(fā)展提供參考信息。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該研究數(shù)據(jù)資料選用云南省文山州段盤龍河流域1978—2018年22個雨量站點(diǎn)（表1）逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于云南省水文水資源局文山分局。其研究范圍在22°88′～23°77′N、100°75′～104°84′E，流域22個雨量站點(diǎn)分布見圖1。

1.2 分析方法

1.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法。

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，廣泛應(yīng)用于水文氣象研究領(lǐng)域[11]。通過計算統(tǒng)計量Z對序列趨勢變化的顯著性進(jìn)行雙邊檢驗(yàn)，當(dāng)Z的絕對值大于一定顯著性水平α下的臨界值時，即可認(rèn)為所分析序列在統(tǒng)計意義上存在顯著性變化趨勢。其中Z的絕對值大小體現(xiàn)了變化趨勢的大小[12]。

假設(shè)一時間序列y y y …，yn，其檢驗(yàn)計算公式[13-15]如下：

S=ni=2i-1j=1sign（yi-yj）（1）

式中，sign（）符號函數(shù)，當(dāng)（Xi-Xj）≤0時，sign（Xi-Xj）數(shù)值分別為-1、0、1[13-15]。

在對Z值進(jìn)行計算時，采用的計算公式[13-15]如下：

Z=（S-1）/n（n-1）（2n+5）/18S>0

0S=0

（S+1）/n（n-1）（2n+5）/18S<0

（2）

Z值的正負(fù)分別代表樣本系列變化趨勢的增加和減少[16];統(tǒng)計量Z值用│Z│的大小反映樣本系列的變化趨勢是否顯著，通過計算發(fā)現(xiàn)│Z│值大于1.64、1.96、2.58，說明樣本系列分別通過了90%、95%、99%的置信度檢驗(yàn)[17-18]。

1.2.2 Morlet小波分析法。

小波變換的本質(zhì)指的是通過對氣候系統(tǒng)中不同頻率和時間結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致綜合性研究來實(shí)現(xiàn)對有價值信息的提取。在該研究中使用的是Morlet小波，其函數(shù)形式如下：

φ（t）=e-t22eiw0t（3）

式中，w0為常數(shù)，通常取6.2;i為虛數(shù)。其中該小波連續(xù)變化的形式為：

Hf（a，b）=1a∫+∞-∞f（t）（t-ba）（4）

式中，a表示與小波周期（時間參數(shù)b）有關(guān)的尺度參數(shù)。其中小波變換系數(shù)用Hf（a，b）表示。通過對小波方差進(jìn)行計算可以實(shí)現(xiàn)對時間序列主周期數(shù)值的確定，其中該數(shù)據(jù)的積分形式可以通過下式表示[19]：

Var（a）=∫+∞-∞Hf（a，b）2db（5）

1.2.3 克里金空間插值法。

克里金插值法是在1951年由D.G.Krige第一次提出來的一種空間插值方法，后經(jīng)過法國著名研究學(xué)者G.Matheron進(jìn)行了進(jìn)一步的深化和發(fā)展。該方法的空間插值公式[20]如下：

Z（y0）=ni=1γiZ（yi）（6）

式中，Z（y0）和Z（yi）分別表示未知、已知樣本點(diǎn)的具體數(shù)值;n表示樣本個數(shù);γi表示第i個未知樣點(diǎn)所占比例。

相比于傳統(tǒng)方法，該方法具有獨(dú)有的優(yōu)勢：它除了考慮到每個已知樣本點(diǎn)的空間相關(guān)性之外，還顯示給定估計點(diǎn)值的估計精度的方差[21]。這種方法既可以客觀地反映定律，又具有較高的估計精度，所以成為插補(bǔ)氣象要素的重要方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 盤龍河流域降水量空間分布

2.1.1 年降水量空間分布。

1978—2018年盤龍河流域年平均降水量為1 135 mm，最多和最少年降水量分別為1 521 mm（1978年）和831 mm（2009年），硯山新寨的年最少降水量為790 mm，而勐硐站的最大年降雨量為1 882 mm。從圖2可以看出，年降水量的空間分布主要呈現(xiàn)在中游和下游，上游偏少，41年年降水量為790～1 882 mm，降水量多的地區(qū)主要集中在流域的下游，即馬關(guān)新寨—木亮—天?！马弦粠?根據(jù)Mann-Kendall方法的計算和分析（表2），流域22個雨量站中，有10個站的年降水量呈增加趨勢，12個站的年降水量呈減少趨勢，呈上升趨勢的雨量站主要集中在流域的中游、上游，呈下降趨勢的雨量站則出現(xiàn)在流域的下游地區(qū);其中，上游高枧槽站和稼依站年降水量Z值已通過90%和95%置信度檢驗(yàn)，且增加趨勢顯著，下游豆豉店站和勐硐站的年降水量Z值通過了90%置信度檢驗(yàn)，下降趨勢顯著。

2.1.2 季降水量空間分布。

從盤龍河流域4個季節(jié)不同時間段降水量的空間分布特征（圖3）可以看出，春季、夏季、秋季、冬季的降水量分別在148～287、435～913、149～386和41～105 mm，降水量在空間分布上呈現(xiàn)出從上游到下游逐漸減少的特征。從流域整體上分析，降水量相對較少的地區(qū)為中下游部分地區(qū)。春季、夏季、秋季和冬季降水量較多的地區(qū)主要集中在流域上游的德厚、秉烈、稼依、硯山新寨一帶，德厚、稼依、硯山新寨及下游的木亮、勐硐、天保一帶，德厚、稼依、硯山新寨及下游的木亮、勐硐、天保一帶，硯山新寨、稼依、伍鳳村、德厚一帶;其稼依站、木亮站、硯山新寨站、稼依站分別為春季、夏季、秋季和冬季降水量的最大，最大值依次為287、913、386和105 mm;在表2中通過 Mann-Kendall法對計算分析進(jìn)行檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在春季、夏季、秋季、冬季4個不同季節(jié)中，降水量上升的站點(diǎn)分別有9、16、18、21個，降水量下降的站點(diǎn)分別有13、6、18、1個。其中中游、上游流域站點(diǎn)大部分呈現(xiàn)降水量上升趨勢，而下游地區(qū)則相反。上游秉烈站Z值春季、夏季的降水量分別通過了99%、95%的置信度檢驗(yàn)，減少趨勢比較明顯;上游伍鳳村站的秋季降水量Z值通過了99%置信度檢驗(yàn)，下游豆豉店站和稼依站的秋季降水量Z值均通過了95%置信度檢驗(yàn)，勐硐站通過了90%置信度檢驗(yàn)，減少趨勢顯著;下游天保站Z值春季和冬季降水量均通過了95%置信度檢驗(yàn)，減少趨勢顯著，然而，天保站的夏季和秋季降水量Z值都通過了 99%置信度檢驗(yàn)，增加趨勢顯著;中游高枧槽、偏巖站的夏季降水量Z值通過了90%置信度檢驗(yàn)，上游硯山新寨、文山黃草壩、古木站的冬季降水量Z值通過了95% 置信度檢驗(yàn)，增加趨勢顯著。

2.2 盤龍河流域降水量 Morlet 小波周期分析

結(jié)合 MATLAB2018b和 Excel 軟件，研究了盤龍河流域 1978—2018年降水量在不同時間尺度下的變化規(guī)律，利用Morlet小波分析對年、四季降水量進(jìn)行了周期性分析。

2.2.1 年降水量 Morlet小波周期分析。

從圖4可以看出，近41年整個流域年降水量存在5個主振蕩周期，分別是385、5.84、9.49、20.35和30.84年。其中在第1個周期中年降水量振蕩相對較強(qiáng);5.84年為降水量第2個主周期，而這個周期的降水量振蕩貫穿整個時間尺度;9.49年左右的時間尺度較為明顯，而20.35年的時間尺度僅在1980—2010年表現(xiàn)明顯，30.84年左右的時間尺度周期變化表現(xiàn)不明顯。

2.2.2 季降水量 Morlet 小波周期分析。

從圖5可以看出，春季、夏季、秋季和冬季降水量主振蕩周期均為3個，分別是3.86、6.26和15.42年;21.81、 5.45和9.49年;30.84、3.59和2.21年;10.90、21.81和2.54年。振蕩周期最強(qiáng)、最明顯的為第一主周期，春季、夏季、秋季和冬季降水量第一主周期分別是3.86、21.81、30.84和10.90年，且貫穿整個周期;626、5.45、3.59和21.81年分別為第二主周期，春季降水量的第二主周期振蕩僅表現(xiàn)在1990—2000年;第三主周期為15.42、9.49、2.21和2.54年，春季降水量的第三主周期僅表現(xiàn)在1990—2010年，而夏季降水量在9.49年的時間尺度上，僅在1970—1989年表現(xiàn)明顯。從四季的第一主周期時間尺度上看盤龍河流域，整體上流域四季降水量在1980—1999年開始呈減小趨勢逐漸進(jìn)入一個枯水期。

2.3 盤龍河流域降水的年際變化特征

2.3.1 年降水量變化。

從圖6可以看出，近41年盤龍河流域年降水量呈鋸齒狀，其中降水量最少和最多的年份分別是在2009和1978年，降水量分別為831.5、1 521.4 mm，兩者之間差值為689.9 mm;該流域41年的平均降水量為1 135.0 mm，高于平均降水量的年份有20個，低于平均降水量的年份有21個?？捎镁€性方程y=-0.618 5x+2 359.87來擬合年降水量的變化過程，傾向率為-6.19 mm/10 a，即盤龍河流域的年降水量每10年可能減少6.19 mm。近41年該流域年降水量整體上呈減少趨勢，但沒通過置信度檢驗(yàn)，減少趨勢不明顯。

從表3可以看出，1978—1987和2008—2018年的降水距平百分率均為正，分別為4.73%和1.44%，降水量相對較多;通過分析發(fā)現(xiàn)這2個時期的降水量呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢，降水量相對充足;1988—1997和1998—2007年降水距平百分率均為負(fù)，分別為-1.13%和-5.03%，降水量偏少，表明這2個時期盤龍河流域降水量呈減少趨勢。

從1978—2018年盤龍江流域降水距平百分率變化情況（圖7）可以看出，整體上降水量的年際分布并不均勻，1978—1980、2008—2009年發(fā)生了旱澇交替的自然災(zāi)害;1987—1989、1991—1993、1998—2000、2009—2011年降水量持續(xù)偏少，而2012—2015年降水量持續(xù)偏多。

2.3.2 季降水量變化。

盤龍河流域的降水量隨季節(jié)變化表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律。從盤龍河流域春季、夏季、秋季、冬季降水量年際變化（圖8）可以看出，春季、秋季降水量呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢，而夏季、冬季降水量則呈上升趨勢。秋季降水量年際變化的線性傾向率是-14.00 mm/10 a，即秋季降水以每10年減少14.00 mm的速率變化，通過了0.10顯著性檢驗(yàn)，但未通過0.05顯著性檢驗(yàn)，下降較明顯;春季降水量年際變化的線性傾向率為-5.00 mm/10 a，說明該流域春季降水量正以每10年5.00 mm的速率減少，且沒有通過005顯著性檢驗(yàn);冬季降水量年際變化的線性傾向率為6.27 mm/10 a，即冬季降水以每10年增加6.27 mm的速率變化，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)，上升不明顯;而夏季降水量變化的線性傾向率為8.75 mm/10 a，也沒有通過0.05顯著性檢驗(yàn)。從3年滑動平均趨勢線看，春季降水量小范圍波動下降;夏季降水量整體上是振蕩下降的趨勢;秋季降水量在1983年出現(xiàn)峰值，之后急速下降;冬季降水量總體呈增加趨勢，有2個明顯的峰值，一個是 1994 年，另一個是 2015 年。

1978—2018年盤龍河流域春季、夏季、秋季、冬季的多年平均降水量分別為217.6、615.8、239.7、58.8 mm，超出平均降水量的年份為相對多雨年份，低于平均降水量的年份則為相對少雨年份。盤龍河流域春季、夏季、秋季、冬季降水距平的年際變化如圖9所示，每個季節(jié)分別從與多年平均降水量相近（降水距平在-5.0～5.0 mm）、高于多年平均降水量（降水距平大于5.0 mm）和低于多年平均降水量（降水距平<5.0 mm）3個方面比較，從圖中可以看出，1978—2018年春季降水量與平均值相近的年份共有2年，占總年份的4.9%;高于和低于平均降水量的分別有16和23年，分別占總年份的39.0%和56.1%;由此可見，盤龍河流域春季相對多雨時期低于相對少雨時期。夏季降水距平圖顯示，各年降水量與平均值相近的年份同樣是2年，占總年份的4.9%;高于平均值的有18年，低于平均值的有21年，分別占總年份的43.9%、51.2%;可見，盤龍河流域夏季相對多雨時期略低于相對少雨時期。從秋季降水距平圖上看，各年降水量與平均降水量持平、高于、低于的年份分別有4、17、20年，分別占總年份的97%、41.5%和48.8%，秋季多雨期略低于少雨期。由冬季降水距平圖可知，盤龍河流域各年降水量高于平均值的年份有14年，而低于平均值的有23年，與平均值持平的年份有4年，所占比例分別是34.1%、56.1%和9.8%，少雨期的年份遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了多雨期。

從盤龍河流域春季、夏季、秋季、冬季降水累積距平的年際變化（圖10）可以看出，從1978年開始春季降水量累積距平曲線波動上升，1984—1994年降水量累積距平為正，是區(qū)域的多雨期，1990年達(dá)到峰值，為292.8 mm;2005年之后，曲線呈現(xiàn)下降趨勢，最小值出現(xiàn)在2014年，累積距平值為-43.6 mm;2001—2013年雨水量相對充沛，是區(qū)域多雨期;整體上，流域在1978—2018年春季降水共有35年累積距平值為正，6年為負(fù)，說明春季降水以多雨期居多。

夏季，1978—1982年降水量的總累積距平大于0，說明雨量非常充沛;從1979年開始降水量累積距平曲線波動下降，1987—2007年降水量累積距平為負(fù)，是區(qū)域的少雨期，最小值出現(xiàn)在1992年，累積距平值為-322.9 mm;1993年之后，曲線呈現(xiàn)上升趨勢，2008年達(dá)到此階段的峰值，為99.1 mm;2008年之后累積距平值再次跌至負(fù)值;整體上，流域在1978—2018年夏季降水共有34年累積距平值為正，7年為負(fù)，說明夏季降水以少雨期居多。

秋季，1980—1993和1994—2006年降水量累積距平曲線呈先上后下的趨勢，但是累積距平值均大于0，說明秋季降水在此27年間是雨水充沛期，最大值出現(xiàn)在2007年，降水量累積距平值達(dá)488.8 mm;2006年之后，這11年的降水量累積距平值都為負(fù)，說明此階段降水缺乏。

冬季，整體上曲線呈現(xiàn)5次“下降—上升”的交替變化趨勢，2018年是曲線最高點(diǎn)，累積距平值為1.6 mm，2012年是曲線最低點(diǎn)，累積距平值為 -200.9 mm;在1978—2018年僅有1

年的降水量累積距平值大于0，說明在該流域冬季降水大多數(shù)處于少雨期，降水相對較少。

總體而言，盤龍河流域夏季、冬季的雨量相對較少，多處于少雨期，特別是冬季，少雨期占整體的 97.60%;春季降水少雨期與多雨期交替變化，而秋季降水則多處于多雨期，雨量較多。

3 結(jié)論

（1）空間分布上，近41年盤龍河流域年降水量主要呈現(xiàn)在中游和下游，上游偏少;春、夏、秋、冬四季降水量主要呈現(xiàn)出從上游向下游逐漸減少的特點(diǎn);年、夏季和冬季降水量呈增加趨勢，春季、秋季則呈減少趨勢，均沒有通過顯著性檢驗(yàn)。

（2）周期變化上，近41年盤龍河流域年降水量有5個主振蕩周期，分別是3.85、5.84、9.49、20.35和30.84年;在4個季節(jié)中的降水量主振蕩周期均具有3個，其數(shù)值分別為386、6.26和15.42年;21.81、 5.45和9.49年;30.84、3.59和2.21年;10.90、21.81和2.54年;整體上流域降水量在20世紀(jì)80—90年代左右開始呈減小趨勢逐漸進(jìn)入一個枯水期。

（3）年際變化上，近41年盤龍河流域年、春季、秋季降水量均呈下降趨勢，傾向率分別為-6.19、-5.00和 -14.00 mm/10 a;而降水量呈上升趨勢的是夏季和冬季，傾向率分別為8.75、6.27 mm/10 a。整個流域少雨期的年份超過了多雨期，降水量呈減少趨勢，但沒通過置信度檢驗(yàn)，減少趨勢不顯著。

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