漢江流域降水時空演變特征研究

潘鑫，秦創(chuàng)創(chuàng)

摘要：為研究漢江流域降水時空演變規(guī)律，基于漢江流域內23個氣象站點1959～2019年的降水資料，采用線性趨勢法、小波分析法、滑動平均差法和反距離權重法等多種統(tǒng)計分析方法，分析該流域的降水演變規(guī)律。結果表明：1959～2019年，漢江流域降水量呈現(xiàn)出不明顯的上升趨勢，在1978年、1989年和2001年檢測出突變點，降水變化的主周期為26 a；漢江流域的多年平均降水量整體呈現(xiàn)出“東高西低、南高北低”的分布特征，不同年代降水量的空間分布特征差異較大。

關鍵詞：漢江流域； 降水量； 時空演變； 突變檢測； 周期分析

中圖法分類號：P333? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.002

文章編號：1006-0081（2024）03-0012-04

0引言

在氣候變化和人類活動的共同作用下，洪澇、干旱等極端事件頻發(fā)，影響了流域內天然水循環(huán)過程［1］。降水作為水循環(huán)過程中重要的一環(huán)，對氣候變化響應十分敏感。以全球變暖為主要特征的氣候變化導致大氣中水汽含量增加，縮短了原有的水循環(huán)過程，導致極端降水事件發(fā)生日趨頻繁［2-3］。漢江流域地處亞熱帶季風區(qū)，氣候變化頻繁，在全球氣候發(fā)生較大變化的背景下，流域旱澇事件頻發(fā)，旱澇急轉事件時有發(fā)生，對該地區(qū)造成了嚴重影響［4］，基于此，對該流域的降水演變規(guī)律進行研究具有重要意義。當前，對于漢江流域降水演變規(guī)律研究已有豐富成果［5-7］，以往的研究多采用較為成熟的方法，本文采用滑動平均差法［8］等多種方法分析了漢江流域近60 a來降水時空演變規(guī)律，研究成果對漢江流域水安全問題、水資源開發(fā)利用和水資源管理具有參考作用。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)域概況

漢江是長江最大的支流［9］，干流全長為1 577 km，流域面積為15.9萬km2。流域位于北緯30°8′～34°11′，東經(jīng)106°12′～114°14′之間（圖1）。漢江流域多年平均氣溫為13.5 ℃，多年平均降水量為900 mm，降水量年內分配極不均勻，降水主要集中在5～10月，期間降水量約占全年降水量的75%［10］。該階段內多發(fā)強降水事件，洪澇災害頻發(fā)。

1.2數(shù)據(jù)來源及預處理

本文以1959～2019年漢江流域內23個國家氣象站點的逐日降水資料為研究數(shù)據(jù)，資料來源于國家氣象數(shù)據(jù)中心（http：∥www.nmic.cn/）；所用的DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為90 m，來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：∥www.gscloud.cn）。對于部分站點的缺測數(shù)據(jù)，利用有完整數(shù)據(jù)且具有較好相關關系的臨近站點對其進行插補，通過計算得到各站點的年降水數(shù)據(jù)，將其統(tǒng)計成多年平均降水量以及不同年代際的平均降水量。

2研究方法

本文采用泰森多邊形法計算漢江流域的面平均雨量，采用線性趨勢法、Mann-Kendall法和R/S分析法研究漢江流域降水變化趨勢［11］，采用小波分析法［12］判斷該流域降水量的變化周期，通過滑動平均差對降水序列進行突變點檢測。采用反距離權重法［13］對該流域的降水量進行空間插值，分析流域降水的空間分布特征。

3結果分析

3.1降水趨勢演變分析

1959～2019年，漢江流域多年平均降水量為895.9 mm，1966年年降水量為599.2 mm，是年降水量最小年份，比多年平均降水量少33.1%。2017年降水量為1 269.2 mm，是年降水量最大年份，比多年平均降水量多41.7%。不同年代降水特征見表1。除20世紀70年代、20世紀90年代距平值為負外，其他年代距平值均為正值，表明漢江流域降水量多處于偏多階段。從變差系數(shù)Cv上看，各年代變差系數(shù)值差別較小，降水年際變化波動較小。

漢江流域1959～2019年逐年降水量演變情況如圖2所示。由線性回歸方程可知，流域的年降水量整體呈現(xiàn)出上升趨勢，上升率為0.30 mm/a。對該流域的降水序列進行Mann-Kendall趨勢分析，統(tǒng)計量Z=0.30＞0，但未通過95%顯著性檢驗（|Z|>1.96），說明該流域的降水序列呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢。

為研究未來一段時間內漢江流域降水量變化趨勢，對該序列進行R/S分析，結果如圖3所示。由圖3可知，該序列的Hurst指數(shù)為0.526，大于0.5，表明漢江流域降水量序列未來的變化趨勢將與歷史變化趨勢相同，呈現(xiàn)出上升趨勢，具有正持續(xù)性。但是，由于H指數(shù)較為接近0.5，變化會服從布朗運動，時間序列的持續(xù)性較弱。

3.2降水變化周期分析

采用Morlet小波對漢江流域降水序列進行周期分析。在進行小波分析前，先對原序列進行降噪處理。為避免有用信號丟失，通過多次試驗的方法，最終選擇了db4小波進行5層分解，選用Heuristic SURE法中軟閾值方式對原序列進行降噪處理。水文序列受到季節(jié)變化的影響，容易產(chǎn)生偽周期，因此還需將降噪后的序列進行標準化處理后，才進行小波分析。

圖4為漢江流域1959～2019年降水量序列的小波方差圖。由圖4可以看出，漢江流域的降水序列存在兩個明顯極值，分別是26 a和13 a，說明該流域的降水序列存在著26 a和13 a的主周期。而且，由于26 a的小波方差值最大，因此26 a為漢江流域降水過程的第一主周期，這一周期的波動決定該流域年降水量的變化特性。從圖4可以看出，該流域降水過程可能還存在大于60 a尺度的周期變化，但鑒于序列長度為61 a，無法確定該流域的降水序列是否存在大于60 a的大尺度周期。

3.3降水序列突變點分析

根據(jù)降水序列周期分析的結果，對漢江流域1959～2019年降水序列采用滑動平均差法進行突變點檢測，序列周期p=26，檢測結果如圖5所示?？紤]到資料長度所帶來的影響，綜合考慮ΔM（ΔM表示前后子序列的均值差，ΔM的極大值點表示樣本點前后子序列均值發(fā)生了急劇變化）的值后，可判斷該流域的降水序列在1978年、1989年和2001年發(fā)生了突變。在1989年時的突變較為明顯，在該年份前后降水量大幅下降。

3.4降水空間分布規(guī)律

采用反距離權重法對漢江流域各站點的多年平均降水量進行空間插值，插值結果如圖6所示。由圖6可知，漢江流域降水量存在較大的空間差異性，各區(qū)域降水量差異明顯，整體呈現(xiàn)出“東多西少、南多北少”的分布特征。下游降水量普遍偏多，多年平均降水量均高于1 000 mm，其中，武漢站為降水量的高值中心，多年平均降水量高達1 256 mm；而上游降水量偏少，降水量在700～900 mm之間，上游商縣站為降水低值中心，多年平均降水量為688 mm。

為進一步分析漢江流域降水空間分布的演變規(guī)律，以每10 a為一個年代際，采用反距離權重法，對該流域1960～2019年間不同年代際的平均降水量進行插值，結果如圖7所示。結果表明：不同年代間降水空間分布差異較大。20世紀60～80年代和21世紀00年代，漢江流域的降水呈現(xiàn)出中下游地區(qū)和上游河源地區(qū)偏高，其余地區(qū)偏低的特征，即“兩頭多、中間少”的空間分布規(guī)律。20世紀90年代的降水量整體呈現(xiàn)出“東多西少、南多北少”的空間分布規(guī)律，降水在下游地區(qū)偏高，其余地區(qū)降水量差距不大。值得注意的是，21世紀10年代降水空間分布特征與之前差別較大，降水量不再集中于下游地區(qū)，而是轉移到上游區(qū)域，在該時段內各區(qū)域降水量差異較大。

各年代降水高值中心差異較大。20世紀60～70年代，漢江流域的降水高值中心位于中游地區(qū)的桐柏站。20世紀80～90年代，降水高值中心轉移到了下游的武漢站。21世紀00年代，該流域存在兩個降水高值中心，分別位于中游桐柏站和下游的武漢站。21世紀10年代，降水高值中心轉移到了上游的商縣站，與往年差異較大，在研究時段內降水高值中心首次出現(xiàn)在上游地區(qū)。通過以上分析可知：在21世紀以前，漢江流域的降水高值中心隨著時間的推移由中游地區(qū)逐漸轉移至下游地區(qū)；進入21世紀后，降水高值中心又逐漸向中上游地區(qū)轉移；而各年代的降水低值中心均在商縣站附近。

4結論

（1） 1959～2019年，漢江流域的多年平均降水量為895.9 mm，降水年際變化波動較小，整體呈現(xiàn)出不明顯的上升趨勢，且這種趨勢具有持續(xù)性。

（2） 漢江流域的降水周期變化存在著26 a和16 a的時間尺度，其中26 a為該流域降水變化的第一主周期。該流域的降水序列于1978年、1989年和2001年發(fā)生突變。

（3） 漢江流域的降水存在明顯的空間差異性，降水分布不均勻。多年平均降水量整體呈現(xiàn)出“東高西低、南高北低”的分布特征，不同年代間降水量的空間分布規(guī)律存在明顯的差異。

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（編輯：李慧）

Study on temporal and spatial evolution law of precipitation in Hanjiang River Basin

PAN Xin1，2，QIN Chuangchuang3

（1.Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，China；2.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.PowerChina Urban Planniing & Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，China）

Abstract： In order to study the temporal and spatial evolution law of precipitation in Hanjiang River Basin，based on the precipitation data of 23 meteorological stations in the Hanjiang River Basin from 1959 to 2019，various statistical analysis methods such as linear trend method，wavelet analysis method，moving average difference method and inverse distance weight method were uesd to analyze the precipitation evolution law of the basin.The results showed that the precipitation in Hanjiang River Basin presented an insignificant upward trend from 1959 to 2019.The abrupt points were detected in 1978，1989 and 2001，and the main period of precipitation change was 26 years.The annual average precipitation in Hanjiang River Basin presented the distribution characteristics of high in the east，low in the west，high in the south and low in the north，and the spatial distribution characteristics of precipitation in different years were quite different.

Key words： Hanjiang River Basin； precipitation； temporal and spatial evolution； mutation detection； periodicity analysis