雅礱江流域降水時(shí)空變化特征分析

萬 浩 齊明臣 李紅梅

(重慶烏江電力有限公司，重慶 409000)

全球氣候變化問題日益突出，氣候變化引起的一系列問題受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。氣候變化使得水資源的分布、循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變，降水作為氣候變化的重要指標(biāo)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的變化起著重要的作用。陳書軍等[1]采用降雨集中指數(shù)、降雨異常指數(shù)和夏季長(zhǎng)周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)等參數(shù)分析了湖北省區(qū)域內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)特性和降雨時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，湖北省洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，尤其是鄂西南最為突出，降雨年代際變化特征明顯。莫崇勛等[2]采用線性趨勢(shì)、Morlet小波分析和相關(guān)函數(shù)等方法系統(tǒng)分析了廣西桂林市的四季降雨變化趨勢(shì)、突變及周期特征。李寶等[3]利用1973—2018年北京市通州區(qū)逐日降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了五個(gè)等級(jí)降雨發(fā)生頻次和降雨累計(jì)值，分析了通州區(qū)不同等級(jí)降雨空間分布特征。汪飛等[4]分別采用線性回歸法、Mann-Kendall檢驗(yàn)研究了瀾滄江流域近40年的年平均氣溫和降水、四季平均氣溫和降水的時(shí)空變化特征和突變特征。

雅礱江流域作為我國(guó)十二大水電基地之一，其間分布著諸如錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)、二灘等大型水電站。對(duì)雅礱江流域水文氣象變化特征的分析日益受到人們的重視。但現(xiàn)有的研究幾乎是都集中在徑流趨勢(shì)特征分析，并沒有將雅礱江流域單獨(dú)作為一個(gè)系統(tǒng)對(duì)流域的降水變化進(jìn)行深入的研究[5-7]。本研究的主要目的是利用1960—2018年的年和季節(jié)尺度上的日降水量，研究雅礱江流域降水的時(shí)空分布、趨勢(shì)、突變和周期，同時(shí)對(duì)降水變化的原因進(jìn)行了探討。這樣的研究有利于降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，減少災(zāi)害的發(fā)生，合理分配水資源，支持氣候變化條件下的水資源管理決策。

1 研究區(qū)概況

雅礱江是金沙江的最大支流，全長(zhǎng)1571km，總落差3192m，流域面積13.6萬km2，河口多年平均流量為1860m3/s。雅礱江流域?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū)，受高空西風(fēng)大氣環(huán)流及西南季風(fēng)的影響，流域內(nèi)氣候條件十分復(fù)雜。雅礱江流域多年平均氣溫為-4.9～19.7℃，降水量在上游區(qū)為600～800mm，中游區(qū)1000～1400mm，下游區(qū)900～1300mm。由于獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造及氣候條件，雅礱江流量豐沛，全流域水能理論蘊(yùn)藏量約3840萬kW，占長(zhǎng)江流域總量的13.8%。流域內(nèi)已建成大小水電站22座。本文選取了雅礱江流域內(nèi)9個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行降水特征分析(見圖1)，9個(gè)站點(diǎn)1960—2018年逐日雨量資料來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 雅礱江流域氣象站點(diǎn)分布示意圖

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法由于其計(jì)算簡(jiǎn)便，不受異常值干擾，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)中[8]。

對(duì)于具有n個(gè)樣本容量的時(shí)間序列x1，x2，…,xn，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算為

(1)

其中

統(tǒng)計(jì)變量Z通過下式計(jì)算：

(2)

在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)單調(diào)趨勢(shì)的斜率β計(jì)算如下：

基于HTML5技術(shù)，采用Bootstrap框架實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備端和桌面端界面自適應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)效果良好，不僅能節(jié)約開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間，降低軟件維護(hù)成本，而且可為船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及其他B/S架構(gòu)軟件的開發(fā)提供技術(shù)支持和可靠保障。

(3)

當(dāng)Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)一步用于檢驗(yàn)序列突變時(shí)，通過構(gòu)造一秩序列

(4)

其中

(5)

定義統(tǒng)計(jì)變量：

(6)

式中：E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

將時(shí)間序列按逆序排列，重復(fù)上述計(jì)算過程，并使UBk=-UFk，如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變位置。

2.2 小波分析

小波分析作為一種可調(diào)時(shí)頻的分析方法，能對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行多尺度變化特征分析，得到主要尺度變化過程，最終確定時(shí)間序列的周期變化特征。對(duì)于時(shí)間序列f(t)，連續(xù)小波變換計(jì)算過程如下[9]：

(7)

ψ(t)=eicte-t2/2

(8)

式中：c為常數(shù)，且當(dāng)c≥5時(shí)Morlet小波就能近似滿足允許性條件，本文取c=6.2。

2.3 有序聚類分析

有序聚類分析方法作為一種序列突變檢驗(yàn)方法，其思想是尋求不同類之間離差平方和最大，同類之間離差平方和最小[10]。設(shè)可能的突變點(diǎn)為τ，計(jì)算方法如下：

(9)

其中

當(dāng)S取得最小值時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的τ為最優(yōu)二分點(diǎn)，進(jìn)而可推斷為最可能的突變點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征分析

雅礱江流域1960—2018年全年、季平均降水的基本資料，包括平均值、最大值、最小值、變化量和變異系數(shù)見表1。從表1中可以看出，雅礱江流域多年平均降水量為720.98mm，變異系數(shù)Cv為0.1(變異系數(shù)Cv反映序列的相對(duì)離散程度)，說明流域降水的年際變化較為穩(wěn)定。

表1 雅礱江流域1960—2018年降水?dāng)?shù)據(jù)

雅礱江流域月降水分布特征見圖2，可以看出7月降水量最大；6—9月為主要降水時(shí)段，降水量占全年的76.1%；12月至次年2月降水量較少，僅占全年降水量的1.6%。雅礱江流域1960—2018年年平均降水量變化曲線見圖3。結(jié)合5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，雅礱江流域年平均降水變化經(jīng)歷了6個(gè)過程：1960—1973年、1991—1996年、2003—2011年處于減少趨勢(shì)；1973—1991年、1996—2002年、2012—2018年處于增加趨勢(shì)。雅礱江流域10年平均降水量分布見表2，可以看出雅礱江流域1960—2019年降水量整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中1960—1979年降水量最少，流域處于枯水期。

圖2 雅礱江流域月降雨分布

圖3 雅礱江流域1960—2018年年平均降水量變化

表2 雅礱江流域10年平均降水量分布 單位：mm

雅礱江流域9個(gè)氣象站點(diǎn)的年、季平均降水量空間分布見圖4。在季節(jié)尺度上，9個(gè)站點(diǎn)中有4個(gè)站點(diǎn)春季平均降水量在100mm以上，整體分布從西向東呈逐漸遞增趨勢(shì)。夏季各站點(diǎn)的平均降水量都大于250mm，下游的4個(gè)站點(diǎn)夏季平均降水量均大于500mm，較中上游4個(gè)站點(diǎn)明顯更大。秋季各站點(diǎn)平均降水量均在150mm左右，夏秋兩季流域降雨空間分布上呈現(xiàn)出從西北向東南逐漸遞增趨勢(shì)。9個(gè)站點(diǎn)中有4個(gè)站點(diǎn)冬季平均降水量在10mm以上，鹽源冬季平均降水量最小，只有7mm，冬季流域平均降水量空間分布顯現(xiàn)出從西北向東南逐漸遞減趨勢(shì)。由于近60%的年降水量集中在夏季，年降水量與夏季降水具有相似的空間分布，年降水量最高的是西昌站(1004.73mm)，最低的是清水河站(475.22mm)。

圖4 雅礱江流域1960—2018年季平均降水量空間分布

3.2 降水趨勢(shì)分析

利用Mann-Kendall對(duì)雅礱江流域年降水和季節(jié)降水變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5，流域降水在年際分布和季度分布中，都處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，年降水、春季降水處于顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，夏季、秋季、冬季降水量增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。計(jì)算趨勢(shì)變化衡量指標(biāo)β，年序列、春季、夏季、秋季、冬季分別為1.32mm/a、0.61mm/a、0.27mm/a、0.18mm/a、0.05mm/a，年降水序列增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯，四季中春季降水增長(zhǎng)趨勢(shì)最大。

圖5 Mann-Kendall 檢驗(yàn)值Z及傾斜度β變化

對(duì)1960—2018年各氣象站平均降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析(見表3)，流域內(nèi)7個(gè)氣象站點(diǎn)年降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但只有2個(gè)站點(diǎn)在0.05水平上有顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。相比之下，九龍、鹽源的年降水量呈減少趨勢(shì)，但在0.05水平上并沒有顯著趨勢(shì)。在季節(jié)尺度上，所有站點(diǎn)的春季降水量均呈上升趨勢(shì)，其中清水河、石渠有顯著上升趨勢(shì)，而夏季、秋季、冬季雖有站點(diǎn)降水量呈下降趨勢(shì)，但僅占站點(diǎn)總數(shù)的1/3，而且下降趨勢(shì)也無顯著性?？傮w而言，雅礱江流域降水量在各個(gè)尺度均表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表3 流域測(cè)站降水量Mann-Kendall趨勢(shì)分析

3.3 降水突變分析

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和序列聚類分析兩種方法對(duì)雅礱江流域的年季降水序列進(jìn)行突變分析，結(jié)果見圖6。春季UF和UB在1995年交匯，而最佳分割點(diǎn)顯示為1998年，結(jié)合降水實(shí)測(cè)資料分析，1998年前后，年降水平均增加了約20mm，相比于1995年變化更大，雖然診斷結(jié)果不同，但將1998年作為突變年更為合理。夏季UF和UB在2005年之后有多處交匯，而最佳分割點(diǎn)為1979年，兩種方法檢測(cè)結(jié)果時(shí)間間隔較大，因此我們認(rèn)為沒有發(fā)生突變。秋季UF和UB也相交于多處，最佳分割點(diǎn)為1962年和2015年，兩種方法結(jié)合分析確定出1962年為秋季降水序列突變點(diǎn)。冬季降水量的UF和UB在20世紀(jì)70年代和80年代有多次交匯，最佳分割點(diǎn)是在1976年，綜合來看，將1976年作為冬季降水突變年更為合適。從圖6(e)～圖6(j)分析來看，UF和UB交點(diǎn)為1980年和2008年，最佳分割點(diǎn)為1980年和1984年，綜合來看，將突變年劃分為1980年更合適。采用以上兩種方法對(duì)雅礱江流域內(nèi)9個(gè)氣象站點(diǎn)進(jìn)行降水序列的突變分析，結(jié)果見表4，上游站點(diǎn)較下游站點(diǎn)年季降水序列發(fā)生突變的情況更多，且上游降水突變主要集中在20世紀(jì)80年代左右，而下游站點(diǎn)突變則集中在2000年之后。

圖6 雅礱江流域降水序列的M-K檢驗(yàn)和序列聚類分析

表4 流域測(cè)站降水突變所在年份統(tǒng)計(jì)

3.4 降水變化周期分析

降水的周期變化導(dǎo)致徑流的漲落，正確認(rèn)識(shí)降雨的周期變化具有重要意義。利用小波分析確定降水序列的周期，雅礱江流域降水的小波變換時(shí)頻見圖7，流域年降水量的周期分別為28年、15年和8年。春季降水量的周期為28年、22年和5年；夏季降水量的周期為28年和8年；秋季降水量的周期為22年和11年；冬季降水量的周期為28年、9年和3年。流域各站點(diǎn)降水年際周期變化統(tǒng)計(jì)見表5。從表5可知，流域內(nèi)各站點(diǎn)年降水的周期集中在28年和8年，春季降水的周期集中在29年和10年，夏季降水的周期集中在28年和8年，秋季降水的周期集中在21年和11年，冬季降水的周期集中在22年和10年。

圖7 雅礱江流域降雨序列年、季小波變換時(shí)頻

表5 流域各站點(diǎn)降水年際周期變化統(tǒng)計(jì) 單位：年

3.5 降水變化原因分析

全球變暖影響了雅礱江流域降水的變化。特別是20世紀(jì)90年代以來，大氣中二氧化碳濃度的不斷增加導(dǎo)致了全球變暖。較高的平均氣溫會(huì)導(dǎo)致較高的蒸發(fā)率、較高的水蒸氣含量，從而加速水文循環(huán)。全球變暖的一個(gè)重要后果是大氣濕度增加、雷暴活動(dòng)和大規(guī)模風(fēng)暴活動(dòng)增加。在全球變暖的背景下，受大氣環(huán)流和人類活動(dòng)的影響，雅礱江流域的降水模式發(fā)生了變化。

大尺度大氣環(huán)流導(dǎo)致雅礱江流域降水變化。東亞夏季風(fēng)的進(jìn)退在很大程度上決定了降水季節(jié)的時(shí)間和降水量的大小。其他類似季風(fēng)的環(huán)流，如西太平洋副熱帶高壓、索馬里急流和熱帶氣旋，以及在中高緯度的一個(gè)阻塞的高、低槽，也對(duì)研究區(qū)域的降水變化產(chǎn)生了影響[11]。

另一方面，人類活動(dòng)對(duì)降水也有著重要影響，人類活動(dòng)不僅改變了地表和大氣之間的熱、水和動(dòng)量的交換，而且也改變了城市上空大氣的組成。人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的土地利用變化影響著當(dāng)?shù)氐乃臍庀筮^程，對(duì)降水也有顯著影響。

4 結(jié) 論

本文分析了1960—2018年雅礱江流域年、季降水序列時(shí)空分布特征、趨勢(shì)、突變和周期變化。根據(jù)以上分析，得出以下主要結(jié)論：

a.雅礱江流域降水年、季空間分布不均勻，總體呈現(xiàn)出從西北向東南遞增的趨勢(shì)。10年平均降水量從20世紀(jì)60年代開始處于遞增趨勢(shì)。

b.1960—2018年流域年降水量呈增加趨勢(shì)，主要原因是春季降水量增加。流域內(nèi)9個(gè)站點(diǎn)中有7個(gè)站點(diǎn)年平均降水量呈遞增趨勢(shì)，其中清水河和道孚的年平均降水量呈顯著增加趨勢(shì)，木里和鹽源的年平均降水量則呈遞減趨勢(shì)。

c.雅礱江流域年降水序列突變點(diǎn)出現(xiàn)在1980年，流域的降水變化周期一般為4～8年、10～15年、26～28年。由于各測(cè)點(diǎn)的自然地形、地理位置和人為活動(dòng)的不同，各測(cè)點(diǎn)的突變結(jié)果和時(shí)期結(jié)果也不同。