渠江流域降水時空分布特征

孟澤坤，王 彬

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，重慶縉云山三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，北京 100083)

近年來，在全球氣候變化背景下，降水時空分布更加不均勻，極端天氣事件明顯增多，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，針對降雨時空變異性的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)。我國位于歐亞大陸東部，東臨西太平洋，海陸熱力差異明顯，季風(fēng)氣候是主要的氣候特征之一，降水等氣象要素存在明顯的時空變異性。渠江流域是長江上游水系含沙量最大的河流——嘉陵江左岸的最大支流，流域降水量受季風(fēng)的影響表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，同時受地形、地貌、土壤、地質(zhì)等條件的影響，該流域氣象水文要素空間特征差異大，水土流失嚴(yán)重，徑流含沙量高。近年來，渠江流域洪水災(zāi)害頻發(fā)。2011年“9·18”暴雨洪災(zāi)中，渠江流域發(fā)生了歷史上最大洪水，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)141億元。2021年7月，強(qiáng)降雨導(dǎo)致渠江流域部分中小河流發(fā)生超警戒超保證洪水，渠江干流三匯站洪峰流量接近歷史峰值，人民生命財產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。此外，長江流域中三峽水系、洞庭湖水系、鄱陽湖水系等34條河流形勢也非常嚴(yán)峻。因此，針對渠江流域降水及暴雨事件的時空分布特征的研究是極有必要的。

現(xiàn)有研究表明，嘉陵江流域降水量整體呈下降趨勢，但支流渠江流域變化趨勢與其相反。嘉陵江流域年降水量存在35年和21年的周期性變化，各季節(jié)降雨量存在很大的差異，夏季和冬季降水量增加，春季降水量呈微弱減少趨勢，秋季降水量顯著減少。渠江流域位于嘉陵江流域東南部，年均降水量較大，夏季降水量增加趨勢最顯著。此外，杜華明等對嘉陵江流域的研究表明，年平均暴雨日數(shù)與年平均降水量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.84(<0.01)，年平均降水量的多少是影響年平均暴雨出現(xiàn)日數(shù)的重要因素；羅玉等研究發(fā)現(xiàn)，2005年開始四川盆地的極端日降水事件明顯增多；符艷紅等研究指出，嘉陵江流域東南部——渠江流域降水日數(shù)最多；袁夢等對渠江流域1970—2012年降水資料分析研究得出，渠江流域汛期降水量增大，暴雨頻率增加，降水趨于極端的結(jié)論。

現(xiàn)有的研究多是對嘉陵江流域進(jìn)行整體的研究，針對渠江流域的深入研究較少，且渠江流域位于嘉陵江流域東部，受季風(fēng)影響更為明顯，其降水量在時間和空間上的表現(xiàn)與嘉陵江整體趨勢存在差異。因此，本文從年、季節(jié)2個尺度對渠江流域的降水量進(jìn)行時空分布特征研究，以期揭示渠江流域降水時空分異規(guī)律，并對渠江流域汛期暴雨事件的時空分布特征進(jìn)行了研究，為該地區(qū)乃至長江流域季風(fēng)氣候區(qū)防范全球氣候變化影響下的洪澇災(zāi)害提供理論依據(jù)。

1 流域概況

渠江是長江支流嘉陵江左岸最大的支流，流經(jīng)四川、陜西、重慶。流域地跨東經(jīng)106°28′—109°00′，北緯30°00′—32°48′，面積3.7萬km。渠江流域地勢北部高南部低，海拔178～2 669 m。土壤類型以棕壤、黃棕壤、紫色土為主。渠江流域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候溫和、雨量充沛，平均降水量變化于785.65～1 737.01 mm。受季風(fēng)性氣候的影響，流域降水量年內(nèi)分布不均，多集中在5—9月，約占全年降水量的63%。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本研究收集整理了渠江流域內(nèi)部及外緣共13個基本站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。其中，流域內(nèi)部氣象站點(diǎn)3個，外緣補(bǔ)充站點(diǎn)10個(表1)。達(dá)川站、巴中站、萬源站、高坪站、閬中站、廣元站6個站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料為1961—2020年逐日降雨量，萬州站、沙坪壩站、安康站、石泉站、漢中站、略陽站、佛坪站7個站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料為1961—2020年逐月降雨量。

表1 氣象站基本情況

本文根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)法劃分各季節(jié)，春、夏、秋、冬4個季節(jié)分別為3—5月、6—8月、9—11月、12月至翌年2月。文中的汛期均指各年5—9月。本文將一日內(nèi)24 h累計(jì)降水量≥50 mm記為1個暴雨日。

2.2 分析方法

2.2.1 降水傾向率 流域降水的傾向率采用一次線性方程式表示：

=+(=1，2，…,)

(1)

式中：為降水量(mm)；為時間(a)；為常數(shù)項(xiàng)；為線性趨勢的斜率。

2.2.2 Kriging空間插值法 采用較其他傳統(tǒng)方法更為可靠和精確的Kriging空間插值法，依據(jù)協(xié)方差函數(shù)進(jìn)行空間建模和插值，基于區(qū)域樣本點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)待估點(diǎn)鄰域樣本點(diǎn)的空間位置關(guān)系，對待估點(diǎn)進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)。本研究采用普通克里金法，選用球面模型作為變異函數(shù)理論模型，對降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算。

(2)

式中：()為點(diǎn)處雨量估計(jì)值(mm)；()為站點(diǎn)的實(shí)測雨量(mm)；為站點(diǎn)的權(quán)重；為雨量站數(shù)量。

2.2.3 累積距平法 距平是指某時段的要素值與同一時段該要素平均值的差值，距平值可以直觀地反映出序列的變化情況。當(dāng)累積距平曲線呈上升趨勢時，表示序列距平值增加，序列呈增加趨勢；當(dāng)累積距平曲線呈下降趨勢時，表示序列距平值減小，序列呈下降趨勢。對于時間序列，累積距平可表示為：

(3)

2.2.4 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法 Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可用于不符合正態(tài)分布特征的時間序列數(shù)據(jù)的長期趨勢分析。該方法計(jì)算過程簡單，檢測范圍寬，干擾度小，應(yīng)用范圍廣，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[19]。

2.2.4 Wavelet分析 小波(Wavelet)分析是在傅里葉(Fourier)分析基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。本文使用Morlet小波函數(shù)對序列的變化趨勢進(jìn)行分析。

(4)

式中：為常數(shù)；e為虛數(shù)；為時間(a)。

對于時間序列，其連續(xù)小波變換為：

(5)

為了判斷序列的主要周期，進(jìn)行小波方差計(jì)算,即將小波系數(shù)的平方值在域積分，其計(jì)算公式為:

(6)

小波方差隨的變化過程即為小波方差圖，對應(yīng)峰值處的尺度稱為該序列的主要時間尺度，曲線最高點(diǎn)所對應(yīng)的時間尺度為第1主周期。

3 結(jié)果與分析

3.1 年尺度降雨量時空分布特征

3.1.1 年尺度降雨時間變化特征 渠江流域近60年平均降水量為1 126.17 mm，年均降水量為785.65～1 737.01 mm，年降水量最大值與最小值分別出現(xiàn)在1983年和2001年。流域年降水量整體呈增加趨勢，趨勢方程為=0.69-251.38，年降水量以6.9 mm/10 a的速率增加，60年增長量為41.40 mm，增加趨勢不顯著?；瑒悠骄幚砗?，年降水量增加趨勢減弱，傾向率為3.3 mm/10 a，60年增長量為19.8 mm(圖2)。1980—1985年渠江流域年降水量呈大幅增加趨勢，1992—2003年，年降水量呈大幅減少趨勢，其他年代波動趨勢較緩，這與段文明等對嘉陵江1960—2009年降水量的研究結(jié)論一致。近60年渠江流域年降水量波動趨勢明顯，年降水量距平值呈正負(fù)值交替變化，降水偏多年28年，偏少年32年，整體呈上升趨勢。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布位置

圖2 1961-2020年渠江年降水量變化情況

對渠江流域年降水量進(jìn)行M—K突變檢驗(yàn)，UF、UB均在U水平線內(nèi)，年際變化趨勢不明顯(圖3)。1963—1977年、1981—1992年、2010—2020年，UF>0，降水量在這3個階段呈上升趨勢。1978—1980年、1993—2009年，UF<0，降水量呈下降趨勢。在0.05的置信區(qū)間內(nèi)，UF、UB 2條曲線交點(diǎn)較多，分別為1963年、1970年、1971年、1976年、1980年、1983年、2003年、2015年和2018年，表明渠江流域年降水存在多個突變點(diǎn)，波動劇烈。1984—2004年，UF和UB曲線無交點(diǎn)，渠江流域年降水量變化趨勢比較穩(wěn)定，無較大波動，這與杜華明等在嘉陵江流域所得結(jié)論相似。

圖3 1961-2020渠江流域降水量M-K突變檢驗(yàn)

1961—2020年渠江流域年降水存在多個振蕩中心，主振蕩周期分別是27年、15年和7年。小波方差在27年左右達(dá)到最大值，27年是其第1主周期。在27年尺度上，年降水量呈現(xiàn)“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”波動變化。15年尺度上，年降水量呈現(xiàn)“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少”12次交替(圖4)。

圖4 降水量Morlet小波變換實(shí)部時頻分布與小波方差

3.1.2 年尺度降雨空間變化特征 渠江流域多年平均降水量存在明顯的空間變異性，呈現(xiàn)由西部向東北部遞增的趨勢(圖5)，最高降水量位于東北部萬源地區(qū)，多年平均降水量為1 230～1 250 mm。降水量最小值位于流域西部巴中地區(qū)，多年平均降水量為1 130～1 150 mm，低于最高多年平均降水量8.00%～8.13%。渠江流域地處四川盆地東緣，地勢東北高西南低，受地勢抬升和山脈的阻擋，東南季風(fēng)裹挾的大量水汽集中在流域東南部，形成地形雨，致使渠江流域東部、南部降水較為豐沛，西北部降水量較少。

圖5 60年平均降水量與年降水量傾向率分布

渠江流域年降水量變化傾向率也存在明顯的空間差異。多年平均降水傾向率呈由西北部向東南部遞增的趨勢，傾向率為正值的區(qū)域居多，即渠江流域整體年降水呈增加趨勢，東部及南部增加趨勢較快，年降水傾向率為10～15 mm/10 a，60年降水量增長60～90 mm。西北部降水傾向率<-5 mm/10 a，60年降水量減少30～60 mm。在全球氣候變暖背景下，極端強(qiáng)降水事件頻發(fā)，渠江流域暴雨頻率增加可能是引起流域東部降水量增加的原因之一。

3.2 季節(jié)尺度降水時空分布特征

渠江流域處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水季節(jié)間差異較大。在季節(jié)尺度上量化降水的時空分布特征，有助于細(xì)化分析渠江流域降水時空分異規(guī)律，區(qū)分流域內(nèi)部各季節(jié)降水量分布重點(diǎn)區(qū)域。

3.2.1 季節(jié)尺度降水量的時間變化特征 1961—2020年渠江流域各季節(jié)多年平均降水量分別為春季257.23 mm，夏季530.46 mm，秋季321.38 mm，冬季38.59 mm，各季節(jié)降水量呈波動變化。春季降水量隨年份增加呈下降趨勢，趨勢不顯著，傾向率為-4.1 mm/10 a，60年降水量減少24.6 mm；夏季降水量呈上升趨勢，傾向率為16.9 mm/10 a，60年增加101.4 mm；秋季降水量呈下降趨勢，傾向率為-7 mm/10 a，60年減少42 mm；冬季降水量呈增加趨勢，傾向率為0.78 mm/10 a，60年減少4.68 mm(圖6)。5年滑動平均處理后，春、夏、冬季降水量變化趨勢均有所減緩(圖7)。其中，夏季降水量上升趨勢顯著，傾向率為14.1 mm/10 a(<0.05)，較處理前減少2.8 mm/10 a；秋季降水量下降趨勢增強(qiáng)，傾向率為-7.7 mm/10 a(<0.05)。

圖6 各季節(jié)降水量年際變化

圖7 5年滑動平均處理后季節(jié)降水量變化趨勢

渠江流域春季降水量在1961—1979年間呈上升趨勢，1980后主要呈下降趨勢(圖8)，UF、UB均在U水平線內(nèi)，年際變化趨勢不明顯。1975—2005年間，無突變點(diǎn)，突變點(diǎn)集中在1961—1975年和近15年間。夏季降水量除1970年、1972年和1973年外，皆呈上升趨勢，1982—1997年、2010—2015年上升趨勢尤為顯著(<0.05)，1961—1970年突變點(diǎn)較多，但近15年僅有2016年發(fā)生了突變。渠江流域秋季降水量在1977—2010年區(qū)間內(nèi)呈下降趨勢，1997—2003年，下降趨勢最為顯著(<0.05)，突變發(fā)生情況同春季相似。冬季降水量在上世紀(jì)90年代前主要呈下降趨勢，90年代后主要呈上升趨勢。上世紀(jì)90年代由于西太平洋副熱帶高壓的增強(qiáng)，渠江流域的年降水量整體呈減少趨勢，但由于流域處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季節(jié)間差異較大，各季節(jié)降水量趨勢各異。出現(xiàn)春季和秋季降水量減少，夏季和冬季降水增加的現(xiàn)象。

圖8 1961-2020年各季節(jié)降水量M-K檢驗(yàn)

3.2.2 不同季節(jié)降水量的空間分布特征 渠江流域各季節(jié)多年平均降水量差別較大，存在明顯的空間差異。春季多年平均降水量呈現(xiàn)由西北部向東南部遞增的趨勢(圖9)，流域東南部達(dá)川地區(qū)降水量為305～320 mm，西部巴中地區(qū)春季多年平均降水量為230～260 mm。流域東部受季風(fēng)影響大，夏季、秋季降水量相對較高，兩季多年平均降水量的空間分布情況相似，都呈由流域北部向流域南部遞減的趨勢。夏季、秋季多年平均降雨量最低值均出現(xiàn)在流域南部達(dá)川地區(qū)，夏季降水量為515～530 mm，秋季降水量為310～320 mm。流域東北部萬源地區(qū)夏季和秋季降水量最多，夏季降水量在600 mm左右，秋季降水量在350 mm左右。冬季多年平均降水量呈由東北部向南部遞增的趨勢，平均降水量為38.35 mm，南部達(dá)川地區(qū)雨量較多，高于平均水平14.73%～25.16%。春季和冬季，渠江流域受季風(fēng)的影響較小，雨量高值區(qū)由海拔較高的流域東北部向海拔較低的流域南部移動，形成春、冬季與夏、秋季降水量相異的分布格局。

圖9 1961-2020年各季節(jié)多年平均降水量分布

渠江流域春季降水傾向率整體呈下降趨勢，流域東部下降趨勢最快(圖10)，降水傾向率在-7.5～-5.5 mm/10 a，流域東部60年降水量減少33～45 mm。夏季降水量呈上升趨勢，傾向率的空間分布情況與降水量的分布情況相似，流域北部上升趨勢最顯著，降水傾向率在18～23 mm/10 a，60年降水量增加108～138 mm。秋季降水整體呈下降趨勢，降水傾向率以巴中地區(qū)為負(fù)值中心和達(dá)川地區(qū)為正值中心輻射分布。流域西部巴中地區(qū)降水傾向率-17.5～-14 mm/10 a，60年降水量減少84～105 mm，東南部達(dá)川地區(qū)秋季降水量以0～3.5 mm/10 a的趨勢緩慢增加。冬季降水量整體上升趨勢在0.3～1.5 mm/10 a，增長趨勢緩慢，流域東南部達(dá)川地區(qū)上升趨勢最緩。

圖10 60年季節(jié)降水傾向率分布

3.3 汛期暴雨事件時空分布特征

3.3.1 暴雨天數(shù)年際變化特征 60年間，渠江流域汛期暴雨日數(shù)平均為4.28日，暴雨日數(shù)介于1.05～8.49天。暴雨日數(shù)整體呈增加趨勢，暴雨日數(shù)以0.21 d/10 a的速率增加，增加趨勢不顯著。滑動平均處理后，暴雨日數(shù)的增加趨勢稍有減弱，傾向率為0.17 d/10 a(圖11)。

圖11 1961-2020年汛期暴雨日數(shù)年際變化與暴雨日數(shù)距平變化

1961—2020年渠江流域汛期暴雨日數(shù)波動明顯，其中1961年暴雨日數(shù)最少為1.05天，1983年暴雨日數(shù)達(dá)到60年最大值8.49天。1961—2010年，暴雨日數(shù)累積距平值為負(fù)值，2002年后累積距平值上升趨勢，在-2～3浮動。其中，1979—1985年、2003—2015年暴雨日數(shù)明顯偏多，這與袁夢等所得2003—2012年渠江流域暴雨發(fā)生頻率及汛期最大雨強(qiáng)增大的結(jié)論相匹配。

渠江流域汛期暴雨日數(shù)年際變化呈不顯著的緩慢上升趨勢(圖12)。汛期暴雨日數(shù)增加的趨勢與渠江流域夏季降水量增加相匹配，同時與嘉陵江流域的變化趨勢一致。1965年、1983年和1984年暴雨日數(shù)有增加趨勢，2014年有減少趨勢(<0.05)。2002—2020年，暴雨日數(shù)有持續(xù)上升趨勢。在U的置信區(qū)間內(nèi)，UF、UB 2條曲線交點(diǎn)較多，分別為1962年、1970年、1971年、1972年、1977年、1988年和1996年，渠江暴雨日數(shù)存在多個突變點(diǎn)，波動劇烈。

圖12 1961-2020年汛期暴雨日數(shù)M-K檢驗(yàn)

1961—2020年渠江流域汛期暴雨日數(shù)有明顯的周期性變化并存在多個振蕩中心(圖13)，主振蕩周期分別是14年、21年和7年，振蕩周期與年降水量變化相似。小波方差在14年左右達(dá)到最大值，14年是其第1主周期。在14年尺度上，暴雨日數(shù)呈現(xiàn)“偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”14次波動變化。21年尺度上，暴雨日數(shù)呈現(xiàn)“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”9次交替變化。

圖13 1961-2020年汛期暴雨日數(shù)小波實(shí)部與小波方差

3.3.2 暴雨日數(shù)空間分布特征 渠江流域多年平均暴雨日數(shù)呈由西南部向東北部遞增的趨勢(圖14)，該趨勢與夏季降水量分布趨勢相似。暴雨日數(shù)最大值位在東北部萬源地區(qū)，多年平均暴雨日數(shù)在4.7～4.9天。暴雨日數(shù)最小值位于流域南部達(dá)川地區(qū)，多年平均暴雨日數(shù)在3.7～3.9天。

圖14 渠江流域多年平均汛期暴雨日數(shù)分布與流域各氣象站點(diǎn)汛期暴雨日數(shù)變化趨勢

渠江流域內(nèi)部站點(diǎn)汛期暴雨日數(shù)均呈上升趨勢，外緣站點(diǎn)廣元站呈緩慢下降趨勢，趨勢不顯著。呈上升趨勢的地區(qū)中，流域南部達(dá)川地區(qū)的上升趨勢最快為0.36 d/10 a，高于流域整體上升趨勢0.15 d/10 a，其他地區(qū)上升趨勢由快到慢分別是流域西部巴中地區(qū)、流域東北部萬源地區(qū)、流域外西南部高坪地區(qū)、流域外西部閬中地區(qū)。渠江流域暴雨發(fā)生頻率整體呈上升趨勢，南部、西部低海拔地區(qū)的趨勢較為明顯。雖東北部上升趨勢較緩，但是暴雨的主要集中區(qū)域，洪澇災(zāi)害的防范工作仍需加強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)渠江流域60年年均降水量為1 126.17 mm，年降水量整體呈緩慢上升趨勢，降水傾向率為6.9 mm/10 a，流域年降水量波動劇烈，存在27年、15年的周期性變化。渠江流域多年平均降水量呈由西部向東北部遞增的趨勢，降水量高值區(qū)位于流域東北部萬源地區(qū)，低值區(qū)位于西部巴中地區(qū)。年降水量傾向率呈由西北部向東南部遞增的趨勢，東部及南部降水傾向率為10～15 mm/10 a。

(2)渠江流域降水呈季節(jié)性變化，春季、秋季降水量呈下降趨勢，夏季、冬季降水量呈上升趨勢。5年滑動平均表明，夏季傾向率為16.9 mm/10 a，秋季降水傾向率為-7.7 mm/10 a。4個季節(jié)降水量波動明顯，突變點(diǎn)較多，春、夏、秋季突變點(diǎn)主要集中于1961—1980年和2010—2020年間，冬季突變點(diǎn)集中于1985—2005年間。渠江流域春、夏、秋、冬四季降水傾向率最高值分別位于流域南部、東北部、東南部、西部。

(3)渠江流域年均汛期暴雨日數(shù)為4.28天，暴雨日數(shù)整體呈增加趨勢，增加速率為0.21 d/10 a。渠江流域汛期暴雨日數(shù)波動明顯，1965年、1983年、1984年有顯著增加趨勢。汛期暴雨日數(shù)有明顯的周期性變化，并存在14年、21年多個振蕩中心。渠江流域多年平均暴雨日數(shù)呈由西南部向東北部遞增的趨勢，流域南部達(dá)川地區(qū)的上升趨勢最快，高于流域整體上升趨勢0.15 d/10 a。