岷江流域近65年降水量時(shí)空變化特征分析

杜 聰，李 洪，由麗華，宋文武*，馬龍偉

(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

受全球變暖影響頻發(fā)的各種極端氣候?yàn)?zāi)害，嚴(yán)重影響了人類(lèi)的日常生活與生產(chǎn)活動(dòng)。IPCC在第五次全球氣候評(píng)估報(bào)告中指出，隨著全球平均地表溫度的上升，中高緯度地區(qū)的極端降水事件頻率增加、強(qiáng)度加大[1]。岷江流域不僅是成都平原的主要水源地，也是保障長(zhǎng)江上游地區(qū)生態(tài)安全的屏障，了解岷江流域的降水時(shí)空變化特征，為當(dāng)?shù)刂贫ǚ篮榕c排澇等策略提供重要依據(jù)，對(duì)相關(guān)區(qū)域人類(lèi)的生態(tài)、生活、生產(chǎn)的保護(hù)具有重要的意義。

針對(duì)區(qū)域降水趨勢(shì)變化和突變特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。B.Nyikadzino等[2]采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析了Limpopo河流域的降水和徑流突變特征，結(jié)果表明流域內(nèi)降水活動(dòng)有顯著減少的趨勢(shì)，但極端降水次數(shù)和徑流量呈上升趨勢(shì)。彭菊等[3]通過(guò)分析貴州省1960—2014年的年、最大月降水量的時(shí)空變化特征，得出了地形地貌和季風(fēng)對(duì)貴州省境內(nèi)的降水量有顯著影響，年均降水量總體有下降趨勢(shì)并表現(xiàn)出從南向北遞減的空間分布格局。洪美玲等[4]使用反距離權(quán)重插值法和Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)怒江流域內(nèi)年際降水特征、年內(nèi)強(qiáng)度特征以及極端降水事件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明怒江流域中、下游集中了流域內(nèi)的絕大部分降水量，流域內(nèi)極端降水量和極端降水次數(shù)的變化趨勢(shì)相符，總體上呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)。Abiot Ketema等[5]評(píng)估了埃塞俄比亞Tikur Wuha流域1978—2017年水文要素的月、季和年變化趨勢(shì)，結(jié)果表明該流域年均降水量以20.8 mm/10a的速率下降，但流域內(nèi)氣溫和徑流量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。張藝玄等[6]對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)1958—2017年的暴雨變化特征進(jìn)行了趨勢(shì)變化分析及突變檢驗(yàn)，分析結(jié)果表明1988年是近60年長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨變化顯著的突變點(diǎn)，且該年后年均暴雨量、暴雨日數(shù)和暴雨強(qiáng)度較1988年前顯著增加。黃建剛等[7]針對(duì)貢水流域內(nèi)近60年的降雨量和流域面雨量序列進(jìn)行多時(shí)間尺度特性分析，發(fā)現(xiàn)貢水流域自1957年以來(lái)多年平均降雨量以1.39 mm/a的速率緩慢增長(zhǎng)，不存在顯著變化趨勢(shì)和突變情況。孫雯等[8]對(duì)西江流域夏季降水量的空間分布和變化規(guī)律及成因進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)西江流域夏季降水重心呈東西走向分布且有向東南沿海移動(dòng)的趨勢(shì)。鄒雄媛等[9]對(duì)贛江流域自20 世紀(jì)后半期以來(lái)的極端降水事件進(jìn)行分析，結(jié)果表明贛江流域內(nèi)極端降水量(R95)、極端降水強(qiáng)度(RI95)、連續(xù)五日最大降水量(RX5day)和一日最大降水量(RX1day)等極端降水指數(shù)呈現(xiàn)自東北平原丘陵區(qū)向西南山地丘陵區(qū)遞減的空間分布格局，極端降水天數(shù)(RD95)則呈現(xiàn)自西向東遞減的趨勢(shì)。

但目前針對(duì)岷江流域地區(qū)這方面的研究不多，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)岷江流域的研究主要集中在徑流、產(chǎn)沙、氣溫變化等方面。如董炳江等[10]針對(duì)岷江流域汛期暴雨產(chǎn)沙特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)岷江流域受暴雨洪水影響導(dǎo)致流域侵蝕量增大，河流來(lái)沙量大幅度增加。王俊鴻等[11]利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法針對(duì)岷江上中游地區(qū)的年徑流量序列進(jìn)行了周期、趨勢(shì)和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)岷江上中游地區(qū)自1956年來(lái)徑流量持續(xù)減少，徑流的低頻周期的離散程度在高頻周期的基礎(chǔ)上呈倍數(shù)放大。甄英等[12]對(duì)岷江流域1955—2014年的氣溫資料進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明岷江流域近60年來(lái)氣溫呈上升趨勢(shì)并以由北向南溫度遞增的規(guī)律變化。郭衛(wèi)等[13]通過(guò)還原岷江流域高場(chǎng)站的天然徑流過(guò)程并以此分析，發(fā)現(xiàn)岷江流域徑流變化趨勢(shì)呈現(xiàn)顯著下降。馬亞麗等[14]利用SWAT模型對(duì)岷江上游高緯度地區(qū)進(jìn)行融雪計(jì)算分析，結(jié)果表明岷江上游地區(qū)降水和融雪是徑流的主要來(lái)源，且降融雪量占比隨著河流由上至下逐漸降低。徐留興[15]基于小波分析對(duì)岷江上游年徑流時(shí)間序列變化進(jìn)行多時(shí)間尺度分析，揭示了岷江上游天然年徑流存在5年、13年和24年左右的周期性變化。倪春迪[16]利用“3S”技術(shù)模擬岷江上游植被空間格局及氣象變化，研究表明徑流與植被、降水和氣溫等關(guān)系密切，且存在明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)。周大杰等[17]對(duì)岷江流域汛期降水時(shí)空特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)岷江流域汛期降水時(shí)間呈下降趨勢(shì)，并存在周期性變化。

綜合現(xiàn)有研究不難發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)岷江流域氣候變化研究尚少，本次研究通過(guò)選取年降水量、最大季降水量?jī)蓚€(gè)特征變量，采用線性趨勢(shì)分析法、累積距平檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)岷江流域降水量進(jìn)行趨勢(shì)變化分析及突變檢驗(yàn)，探討岷江流域降水量的年際和季節(jié)性演變規(guī)律，為岷江流域防洪排澇等策略提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

岷江流域地處四川盆地西部邊緣(99°42′～104°40′E，28°20′～33°38′N(xiāo))，總流域面積近13.6萬(wàn) km2，干流河道全長(zhǎng)約735 km。流域內(nèi)水量豐沛，水力資源豐富，徑流主要來(lái)源為流域降水，部分由上游高山融雪補(bǔ)給。流域降水量受季節(jié)影響，夏季高溫多雨而冬季溫和少雨，多年平均氣溫約14℃，多年平均降水量約900 mm，5—10月為汛期，降水量可占到全年降水量的80%以上，土地利用類(lèi)型以耕地、林地和草地為主，流域內(nèi)人口、城市多聚集于岷江中下游和沱江流域。

受地形地貌影響，岷江流域上游地區(qū)兼具川西高原氣候區(qū)和川東盆地亞熱帶氣候區(qū)的特點(diǎn)。上游北部寒冷高原區(qū)多年平均氣溫不到10℃，多年平均年降水量不足700 mm，多年平均年蒸發(fā)量超過(guò)1 000 mm。中部汶川一帶受下沉氣流的影響，焚風(fēng)效應(yīng)顯著，呈現(xiàn)干燥少雨、風(fēng)大、蒸發(fā)量大的特點(diǎn)，降水量不足600 mm，多年蒸發(fā)量超過(guò)800 mm，遠(yuǎn)大于降雨量。下部映秀至都江堰段屬盆地亞熱帶氣候區(qū)，氣候環(huán)境與中上段大相徑庭，降水量大而蒸發(fā)少，多年平均氣溫維持在15℃左右，多年平均年降水量超1 000 mm，年降水日數(shù)可達(dá)200 d左右，雨日較多，日照少，多年平均年蒸發(fā)量不足800 mm?？偟恼f(shuō)來(lái)，岷江上游地區(qū)跨越2個(gè)不同的自然氣候區(qū)，汶川以上氣溫低、雨量少且強(qiáng)度很小，蒸發(fā)量大；汶川以下氣溫高、降雨多，強(qiáng)度大，蒸發(fā)小。

岷江流域中下游位于聞名全國(guó)的青衣江暴雨區(qū)，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，流域內(nèi)水資源豐富。在地理位置、地形制約和季風(fēng)環(huán)流的共同影響下，氣候變化穩(wěn)定，雨熱同期。流域內(nèi)大部分處于暴雨區(qū)，降水量自西北向東南遞增，北部寶興地區(qū)多年平均降雨量不足800 mm，而東部雅安地區(qū)可達(dá)1 800 mm，滎經(jīng)麓池地區(qū)超過(guò)2 400 mm，7—9月降水量約占全年60%左右，而3—5月的春灌期不足20%。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源

降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn)提供的《中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集》[18]。為保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對(duì)于個(gè)別站點(diǎn)的缺失數(shù)據(jù)則采用臨近站點(diǎn)數(shù)據(jù)插補(bǔ)，最后得到岷江流域內(nèi)的50個(gè)氣象站點(diǎn)1956—2020年的逐日降水量數(shù)據(jù)，各站點(diǎn)的名稱(chēng)、經(jīng)緯度、觀測(cè)場(chǎng)海拔高度及所在地地貌單元等信息見(jiàn)圖1。

圖1 岷江流域及各流域單元區(qū)氣象站點(diǎn)空間分布

2.2 研究方法

針對(duì)岷江流域50個(gè)氣象站點(diǎn)1956—2020年的降水日值數(shù)據(jù)，選取年降水量、最大季降水量2個(gè)特征變量，通過(guò)數(shù)據(jù)篩選和統(tǒng)計(jì)，得到了岷江流域年降水量、最大季降水量的年際變化和季節(jié)性變化趨勢(shì)，為更好反映岷江流域地區(qū)降水量的變化趨勢(shì)和突變情況，采用線性趨勢(shì)法對(duì)降水量變化進(jìn)行趨勢(shì)分析，并通過(guò)累積距平檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)分析特征變量的突變情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量空間分布特征

采用Kriging插值法[19]得到的1956—2020年岷江流域多年平均降水量、最大季平均降水量空間分布情況見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，1956—2020年65年間，岷江流域多年平均降水量、最大季平均降水量高值中心均出現(xiàn)在岷江流域中游雅安中東部、眉山西南部和樂(lè)山北部地區(qū)，多年平均降水量最高可達(dá)1 783 mm，最大季平均降水量超過(guò)900 mm。岷江流域多年平均降水量和最大季平均降水量的空間分布特征基本保持一致，總體上呈現(xiàn)出自西北部高原地區(qū)向東南部盆地地區(qū)遞增的空間分布格局，流域中下游地區(qū)降水充沛，水資源豐富，上游地區(qū)則普遍缺少降水，水資源較為稀缺。

a)多年平均降水量

3.2 年降水量變化趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)

3.2.1年降水量變化趨勢(shì)

圖3為岷江流域及各流域單元區(qū)年降水量變化趨勢(shì)，不難看出，岷江流域年降水量在2020年達(dá)到峰值1 156 mm，上游、中游和下游地區(qū)年降水量峰值分別為2020年的972 mm、2018年的1 569 mm和1961年的1 558 mm；岷江流域年降水量最小值為1972年的806 mm，與峰值差距超過(guò)300 mm，上游、中游和下游年降水量最小值分別為2002年的581 mm、2006年的1 029 mm、2011年的722 mm。

為更好地反映岷江流域及各流域單元區(qū)年降水量的趨勢(shì)變化，采用線性傾向率[20]來(lái)描述氣象要素的變化幅度，由圖3可以看出，從區(qū)域整體的角度分析，岷江流域1956—2020年65年內(nèi)的年降水量有略微上升的趨勢(shì)，變化傾向率為1.028 mm/10a；從各個(gè)流域單元區(qū)的角度來(lái)看，上游地區(qū)年降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，線性傾向率為11.711 mm/10a；中游地區(qū)年降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，線性傾向率為-11.916 mm/10a；下游地區(qū)降水量下降趨勢(shì)最為明顯，線性傾向率高達(dá)-29.103 mm/10a。

b)全流域與中游

c)全流域與下游

3.2.2年降水量突變檢驗(yàn)

上述內(nèi)容表明了岷江流域及各流域單元區(qū)的年降水量變化趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究此種變化趨勢(shì)存在突變與否，通過(guò)累積距平檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)年降水量進(jìn)行突變分析及檢驗(yàn)。

圖4為岷江流域及各流域單元區(qū)的年降水量累積距平分析，從圖中的降水量累積距平曲線可以直觀地看出：1956—2020年岷江流域年降水量累積距平大體上可劃分成4個(gè)階段，1956—1967年的年降水量累積距平呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；1967—1990年整體波動(dòng)較大，無(wú)顯著變化；1990—2012年呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)；2012年后又逆勢(shì)上升。上游地區(qū)1956—1974年的年降水量累積距平為下降趨勢(shì)；1974—1992年近20年間變化平緩，雖小有波動(dòng)但無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)；1992—2010年總體平緩略有下降，波動(dòng)較大；2010年后呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。中游地區(qū)1956—1961年的年降水量累積距平的上升趨勢(shì)顯著；1961—1992年30年間有大幅度波動(dòng)，總體變化趨勢(shì)略有增加；1992—2017年呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；在2017年后復(fù)現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。下游地區(qū)1956—1991年的年降水量累積距平整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，1991—2017年則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，而后突然增加。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

進(jìn)一步采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)岷江流域及各流域單元區(qū)1956—2020年的年降水量變化進(jìn)行突變檢驗(yàn)，由于這里主要針對(duì)年降水量的年際變化進(jìn)行分析，因此選取兩子序列長(zhǎng)度n1=n2=10，并取置信度α=0.05。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，1956—2020年岷江流域年降水量變化在1966、2010年附近均突破臨界值，說(shuō)明此處可能存在突變情況，結(jié)合此前的累積距平檢驗(yàn)結(jié)果，可知岷江流域年降水量在1966、1985年有突變點(diǎn)。上游地區(qū)年降水量變化在研究期內(nèi)有2次突破臨界值，對(duì)比累積距平檢驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明岷江流域上游地區(qū)年降水量在1974、2010年發(fā)生了突變。中游地區(qū)年降水量變化在1966、1922年附近變化幅度較大，但并不顯著。下游地區(qū)的年降水量變化在1990年附近通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，結(jié)合累積距平檢驗(yàn)結(jié)果分析，可判斷岷江流域下游地區(qū)年降水量的突變情況發(fā)生在1990年。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

3.3 最大季降水量變化趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)

3.3.1最大季降水量變化趨勢(shì)

圖6為1956—2020年岷江流域及各流域單元區(qū)最大季降水量變化趨勢(shì)，由圖中不難看出，岷江流域最大季降水量峰值為2020年的703 mm，上游、中游和下游地區(qū)峰值分別為2020年的587 mm、1961年的997 mm和1958年的1 059 mm；岷江流域最大季降水量最低值出現(xiàn)在2006年(387 mm)，其中上游、中游和下游地區(qū)最低值分別在1997年(293 mm)、1982年(467 mm)和2006年(344 mm)取得。

由圖6不難發(fā)現(xiàn)，岷江流域1956—2020年65年的最大季降水量呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢(shì)，線性傾向率為-0.897 mm/10a；上游地區(qū)最大季降水量變化表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，線性傾向率為4.408 mm/10a；中游地區(qū)最大季降水量以-6.705 mm/10a的線性傾向率逐年減少；趨勢(shì)變化幅度最大的區(qū)域是流域下游地區(qū)，線性傾向率高達(dá)-18.493 mm/10a。

a)全流域與上游

b)全流域與中游

c)全流域與下游

3.3.2最大季降水量突變檢驗(yàn)

圖7為岷江流域及各流域單元區(qū)最大季降水量累積距平分析，直觀反映了岷江流域最大季降水量的變化趨勢(shì)：1956—2020年岷江流域最大季降水量累積距平大體上可分為5個(gè)階段，1956—1966、1982—1993、2017—2020年3段時(shí)間內(nèi)的最大季降水量累積距平呈上升趨勢(shì)，1966—1982、1993—2017年期間最大季降水量累計(jì)曲線呈下降趨勢(shì)。上游地區(qū)1956—1967年的最大季降水量累積距平呈上升趨勢(shì)，1967—1978年急劇下降，1978年后復(fù)現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)并保持增長(zhǎng)至1993年，1993年后呈下降趨勢(shì)，2009年后逆勢(shì)上升，至2020年達(dá)到峰值。中游地區(qū)1963—1983、1991—2017年2個(gè)時(shí)段內(nèi)的最大季降水量累積距平曲線整體呈下降趨勢(shì)，其余時(shí)間保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。下游地區(qū)在1962年之前最大季降水量累積距平上升迅速，1962—1991年期間降水量波動(dòng)較大但總體上呈小幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，1991年后降水一反往常，降水量迅速下降直至2017年后方才出現(xiàn)微小的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

岷江流域及各流域單元區(qū)1956—2020年的最大季降水量突變檢驗(yàn)分析見(jiàn)圖8。由圖8a可知，岷江流域最大季降水量變化在研究期內(nèi)3次突破臨界值，對(duì)比之前的累積距平檢驗(yàn)結(jié)果，表明研究序列在1966、1992、2009年有突變點(diǎn)。由圖8b可以看到，岷江流域上游地區(qū)最大季降水量變化的突變情況發(fā)生在1966、1979、2010年。從圖8c中不難看出，中游地區(qū)最大季降水量變化在1983、1991年附近突破臨界值，聯(lián)合累積距平檢驗(yàn)分析可知，中游地區(qū)最大季降水量變化在1983年和1991年均發(fā)生了突變情況。圖8d表明，下游地區(qū)最大季降水量變化波動(dòng)較為平緩，在60年代后長(zhǎng)期保持下降趨勢(shì)，降水量突變也發(fā)生在這一時(shí)期。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

4 結(jié)論

基于岷江流域50個(gè)氣象站點(diǎn)1956—2020年的逐日降水量數(shù)據(jù)，利用年降水量、最大季降水量作為降水特征變量，并采用線性趨勢(shì)分析、累積距平檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)降水特征變量進(jìn)行趨勢(shì)變化分析及突變檢驗(yàn)，得到了以下結(jié)論。

a)岷江流域1956—2020年的年降水量總體上呈現(xiàn)出自西北部高原地區(qū)向東南部盆地地區(qū)遞增的空間分布格局，上、中、下游流域段的雨量分布存在明顯差異，上游地區(qū)多位于高原氣候區(qū)，受地形變化影響，降水量少而蒸發(fā)量大，中、下游地區(qū)處于青衣江暴雨區(qū)，流域內(nèi)降水充沛。

b)1956—2020年岷江流域年降水量整體上體以1.028 mm/10a的變化率緩慢上升，上升趨勢(shì)變化穩(wěn)定，不存在大變幅。上游地區(qū)年降水量以11.711 mm/10a的速率逐年增加，2017年后這種趨勢(shì)一度越過(guò)0.05的顯著性水平，表明岷江上游地區(qū)年降水量的上升趨勢(shì)是十分顯著的。岷江流域中、下游地區(qū)由于降水量豐富，降水量代際變化幅度較大但總體上呈減少趨勢(shì)。

c)岷江流域降水量的空間分布極為不均，整體自西北向東南方向遞增，降水量集中于流域中游地區(qū)，降水量突變年份較多，研究結(jié)果對(duì)深入了解岷江流域降水時(shí)空變化特征具有重要意義，流域管理部門(mén)應(yīng)提前做好應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害等措施，可充分利用紫坪鋪水庫(kù)的蓄豐補(bǔ)枯能力，汛期保障下游安全，枯水期保障下游工農(nóng)業(yè)及生活用水，對(duì)于下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有積極作用。