東江流域面雨量的氣候變化特征

李思萍，曾欽文，陳銀蘭，鐘東良，巫燕輝

（1.河源市氣象局，廣東河源 517000；2.汕尾市氣象局，廣東汕尾 516600）

東江是珠江水系干流之一，跨江西、廣東兩省，發(fā)源于尋烏縣椏髻缽山，自東北向西南流經(jīng)河源市龍川縣、東源縣、源城區(qū)、紫金縣，以及惠州市博羅縣、惠城區(qū)等地流入珠江三角洲東部，擔(dān)負(fù)著上述地區(qū)生產(chǎn)和生活用水的重要供水任務(wù)［1－2］。東江流域地勢南低北高，南、北部年均降水量差異大［3－4］，東、西部毗鄰粵北和粵東暴雨中心，防汛抗洪形勢異常嚴(yán)峻。

面雨量是指某區(qū)域（流域）內(nèi)單位面積的平均降水量，能客觀反映該區(qū)域（流域）降水情況［5－6］。流域面雨量與江河徑流來水量、水庫攔蓄泄洪能力密切相關(guān)，是評價流域水資源的重要參數(shù)，同時是水循環(huán)、氣候－水文模式等研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［6－7］。已有諸多研究對我國眾多江河流域的面雨量計算方法、雨洪關(guān)系等展開深入討論［8－11］，但目前東江流域面雨量的氣候變化特征仍有待研究。本研究通過分析近55年東江流域面雨量的氣候變化特征，探索東江流域出現(xiàn)不同量級面雨量的特征和規(guī)律，以期為提高流域面雨量預(yù)測水平打下基礎(chǔ)，同時為防汛抗旱、水庫科學(xué)調(diào)度等決策工作提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

基于1967—2021年東江流域臨近的尋烏、定南、新豐、和平、連平、龍川、河源、紫金、博羅、惠東、惠陽、深圳等共12個國家氣象站（當(dāng)日）20：00至次日20：00的日降水量資料，參考東江流域面雨量的精確度評價結(jié)果［8－9］，通過泰森多邊形法估算12個站點控制流域面積的權(quán)重值計算東江流域逐日面雨量，其中上游站點尋烏、定南、和平、龍川的權(quán)重系數(shù)分別為0.11、0.07、0.09、0.08，中游連平、新豐、河源、紫金的權(quán)重系數(shù)分別為0.07、0.06、0.14、0.11，下游站點博羅、惠陽、惠東、深圳的權(quán)重系數(shù)分別為0.05、0.06、0.12、0.04（圖1）。

圖1 東江流域范圍內(nèi)氣象站點構(gòu)建泰森多邊形網(wǎng)示意圖

依據(jù)我國江河面雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）［12］，統(tǒng)計東江流域不同量級面雨量及其日數(shù)。以24 h流域暴雨定義作為1個流域暴雨日；每年暴雨日面雨量的累加為年暴雨面雨量；每年流域暴雨日的總數(shù)為年暴雨日數(shù)；年暴雨面雨量與年暴雨日數(shù)的比值即為年暴雨面雨量強度。

表1 江河流域面雨量等級標(biāo)準(zhǔn)

本研究通過線性趨勢法、距平分析、相關(guān)分析法等分析面雨量變化趨勢特征，采用Morlet小波功率譜分析周期變化特征，并利用Mann－Kendall檢驗和滑動t檢驗突變點，具體研究方法的原理參見參考文獻(xiàn)［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域面雨量年際變化

1967—2021年東江流域年平均面雨量為1 764.5 mm，最大值為2 552.5 mm（2016年），最小值為1 097.3mm（2021年）。東江流域面雨量年際變化氣候傾向率為每10年減少17.86 mm，減少趨勢不顯著；中上游面雨量年際變化呈減少趨勢，下游面雨量年際變化呈增加趨勢。從單站降雨量的年際變化趨勢來看，僅博羅、惠陽為增長，其余站點為減少（變化趨勢均未通過0.05顯著性檢驗）。依據(jù)降水距平百分率分析面雨量旱（澇）年的變化情況，旱年指降水距平百分率≤－25%、澇年指降水距平百分率≥25%。結(jié)果表明，近55年東江流域有3年旱年、5年澇年，澇多于旱（圖2）。旱年集中在多個年代際初期：20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)00年代和20年代；澇年集中在多個年代際中期：20世紀(jì)70年代、80年代和90年代，以及21世紀(jì)00年代和10年代。

圖2 1967—2021年東江流域面雨量年際變化分布

總體上，東江流域面雨量在20世紀(jì)90年代以前有著約5～10年的豐（或枯）水期交替特征，即1967—1972年少雨、1973—1983年多雨、1984—1991年少雨；而自20世紀(jì)90年代末以來，豐（或枯）水期交替時間縮短至3～5年為主，即1992—1998年多雨、1999—2004年少雨、2005—2008年多雨、2009—2014年少雨、2015—2019年多雨、2020—2021年少雨。流域面雨量豐（或枯）水期交替時間間隔縮短、交替趨于頻繁。年面雨量功率譜曲線上的兩個峰值分別對應(yīng)周期尺度為準(zhǔn)4.5和準(zhǔn)5.7年（圖3），并通過0.05顯著性水平的紅噪音檢驗，可見流域面雨量豐（或枯）水期存在顯著的2～5和5～7年周期振蕩。

圖3 東江流域面雨量功率譜曲線圖

圖4 1967—2021年東江流域月平均面雨量及線性傾斜率分布

2.2 流域面雨量月際變化

近55年東江流域4—8月的月平均面雨量均在200 mm以上，遠(yuǎn)高于其它月份，屬于多雨季；常年平均面雨量達(dá)1 227 mm，占全年面雨量69.5%；少雨季主要在10月至次年2月，月平均面雨量在100 mm以下，常年平均面雨量約占全年的14.7%。此外，前汛期4—6月年平均面雨量較后汛期7—9月偏多34%。對各月平均面雨量進(jìn)行一元線性回歸分析得到其變化趨勢（未通過0.05顯著性檢驗），可見2、4—5、7—10月均為減少趨勢，尤以5、10月的面雨量減少趨勢最大；1、3、6、11—12月為增加趨勢，以6、11月的面雨量增加趨勢最大?？梢?—6、10—11月的面雨量變化趨勢差異大，出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)的可能性較大。各季節(jié)面雨量年際變化上，春、秋和冬季均呈減少趨勢，夏季為增加趨勢（均未通過0.05顯著性檢驗）。

近55年東江流域年均雨日為206 d，其中中雨日數(shù)占21.5%、大雨日數(shù)占11.5%、暴雨及以上量級日數(shù)占6.1%（表2）。在不同量級面雨量日數(shù)的月際變化上，3—9月雨日居多，年均雨日19 d以上；8月最多，年均雨日達(dá)25 d；10月—次年1月雨日偏少，尤以12月最少。從各量級雨日對應(yīng)的降水量上看出，中雨占25%、大雨占28%、暴雨及以上量級占33%。前汛期雨日較后汛期偏少，但前汛期面雨量達(dá)到大雨、暴雨和大暴雨量級的日數(shù)多于后汛期；后汛期面雨量為小雨和中雨量級的日數(shù)多于前汛期，且特大暴雨量級僅出現(xiàn)在后汛期。

表2 1967—2021年東江流域各月不同量級面雨量日數(shù)統(tǒng)計結(jié)果 d

2.3 流域面雨量突變

綜合Mann-Kendall突變檢驗和滑動t檢驗法分析近55年東江流域年面雨量、不同量級面雨量及日數(shù)的突變特征，年面雨量的突變檢驗結(jié)果（圖5）表明，20世紀(jì)70至80年代UF統(tǒng)計值大于0，并在20世紀(jì)80年代初通過0.05顯著性水平，表明20世紀(jì)70至80年代面雨量主要呈增加趨勢，從20世紀(jì)90年代開始年際變化差異趨于明顯。UF和UB曲線首次相交于2004年，之后于2020年出現(xiàn)第2次相交，通過滑動t檢驗得出突變年份為1991年?？梢?，自20世紀(jì)90年代以來年面雨量變化趨勢不顯著，主要為階段性不顯著增加或減少的交替變化趨勢，突變時間為1991年（通過信度水平0.05的顯著性檢驗）；另一突變時間在2004年之后的UF統(tǒng)計值穩(wěn)定在0線附近，面雨量變化趨勢開始穩(wěn)定表現(xiàn)為階段性不顯著的增減交替變化。業(yè)務(wù)上與防汛減災(zāi)工作直接相關(guān)的流域面雨量量級主要是中雨、大雨和暴雨及以上降水［14］，經(jīng)檢驗不同量級面雨量及日數(shù)序列的突變特征（表3）可以看出，除暴雨以上量級面雨量的突變不顯著外，中雨量級和日數(shù)均在2002年出現(xiàn)顯著突變，大雨量級則在1983年。

表3 1967—2021年東江流域不同量級面雨量及相應(yīng)日數(shù)的突變特征

圖5 1967—2021年東江流域面雨量Mann－Kendall突變檢驗（a）和滑動t檢驗（b）

2.4 突變年份前后不同量級面雨量變化

以置信水平95%來確定東江流域不同量級面雨量及日數(shù)序列突變時間，結(jié)合UF統(tǒng)計值判斷突變年份前后的變化趨勢特征如表3所示，可見中雨量級面雨量于2002年發(fā)生顯著突變，2002年以前變化趨勢以增減交替為主，期間僅在1972、1977、1991年出現(xiàn)減少趨勢，2002年之后維持不顯著增加趨勢，日數(shù)則在2002年以后呈減少趨勢，可見21世紀(jì)以來中雨面雨量強度有所增強。大雨量級面雨量和日數(shù)在突變年份1983年前后的變化趨勢相一致，均為前增后減的趨勢。暴雨以上量級面雨量及日數(shù)的年際變化呈不顯著減少趨勢，并且無通過檢驗的突變年份，但通過計算暴雨面雨量降水距平值發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)10年代各年代際暴雨面雨量和日數(shù)較常年值偏多（或偏少）的年份數(shù)量相差不大，將年降水距平百分率＞50%（或＜－50%）達(dá)中澇（或中旱）級別以上降水定為降水異常年份。暴雨面雨量達(dá)中澇或中旱級別以上年份共有7年，其中有6年降水異常年份出現(xiàn)在2000年之后（中旱及中澇年份各占50%）；2000年之后的暴雨面雨量強度年際變化序列呈緩慢增強的變化趨勢（未通過0.05顯著性水平檢驗），可見自2000年以來降水極端性的特征突顯，防汛抗旱形勢愈加嚴(yán)峻（圖6）。

圖6 1967—2021年東江流域年暴雨面雨量距平、暴雨日數(shù)和暴雨強度的年際變化

3 結(jié)論

1）東江流域年面雨量呈不顯著減少趨勢，中上游面雨量年際變化呈減少趨勢，下游面雨量為增加趨勢。澇年多于旱年，旱年和澇年分別集中在多個年代際的初期和中期。豐（或枯）水期存在2～5和5～7年顯著振蕩周期，20世紀(jì)90年代以來豐（或枯）水期交替間隔時間縮短，交替趨于頻繁。

2）東江流域春、秋、冬季面雨量呈減少趨勢，夏季為增加趨勢。多雨季、少雨季分別主要集中在4—8、10月—次年2月，其中5—6、10—11月的面雨量變化趨勢差異大，出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)的可能性較大。

3）東江流域前汛期年平均面雨量較后汛期偏多，雨日較后汛期偏少，前汛期面雨量達(dá)到大雨、暴雨和大暴雨量級的日數(shù)多于后汛期，但后汛期面雨量為小雨和中雨量級的日數(shù)多于前汛期，且特大暴雨量級僅出現(xiàn)在后汛期。

4）東江流域面雨量在20世紀(jì)90年代開始年際變化差異趨于明顯，并在1991、2004年發(fā)生突變，主要表現(xiàn)為階段性不顯著的增減交替變化趨于穩(wěn)定。除暴雨以上量級面雨量的突變特征不顯著外，中雨、大雨量級分別在2002、1983年發(fā)生顯著突變。

5）中雨量級面雨量在2002年以前呈增減交替變化，21世紀(jì)以來為增加趨勢；大雨量級面雨量在突變年份1983年前后呈前增后減的變化特征；暴雨以上量級面雨量的年際變化呈不顯著減少趨勢，但21世紀(jì)以來年暴雨面雨量異常偏多（或偏少）年份劇增，極端性特征突顯。