嘉陵江流域近50年降水量演变规律分析

段文明，穆兴民，，高 鹏，，王 飞，，白 桦

（1.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

随着全球气候变暖，降水在时空分布上也正在发生着改变，而降水的变化又是引发旱、涝等极端自然灾害的直接因素。在我国，流域尺度上的降水时空变异研究逐渐受到重视。冯强[1]等对我国降水的时空变化与暴雨洪涝灾害进行了研究，指出不同流域的降水时空分布状况存在着较大差异。丁永建[2]针对1955—1995年黑河流域降水的时空特征进行了分析，认为在空间上，流域内降水由西北向东南呈现明显的增加趋势；40a来黑河流域降水在波动中呈现出增加之势。褚健婷等[3]选取海河流域1958—2007近50a的降雨资料进行了时空变化分析，指出除春季降水量略有增加外，海河流域的降水整体上呈减少趋势；降水从南向北，从沿海到内陆逐渐减少。刘引鸽[4]利用1951—2001年陕北黄土高原24个测站的降水资料，分析了陕北黄土高原降水时空变化特征，指出陕北黄土高原地区年平均降水量南多北少，近51a来降水总体上呈减少趋势。

近年来，嘉陵江流域旱涝、泥石流、水土流失等自然灾害频繁发生，给流域内的经济发展造成严重损失，这些自然灾害发生与降水量的时空变化分布有很大的关系。目前，针对嘉陵江流域降雨研究主要集中在人类活动和气候变化对嘉陵江流域径流泥沙的影响[5－7]，应用模型对降水量进行适当的预测[8]等方面，而对于流域内近50a来降水量的时空变化分布特征研究甚少。本文基于嘉陵江流域12个气象站点的降雨实测资料，对流域近50a降雨时空变化特征进行分析，为流域气象、水文旱涝、泥石流等自然灾害的预警和防治提供理论基础。

1 研究流域概况

嘉陵江流域发源于秦岭南麓，是长江第二大支流，干流全长1 120km，流域面积约16万km2，地势总体为西、北、东高，东南面最低；流经陕西、甘肃、四川、重庆等四省（市），分嘉陵江、渠江、涪江三大水系，干流自北向南，渠江自东北向西南，涪江自西北向东南，三大水系在合川附近汇合，构成扇形向心水系；嘉陵江流域大部分属亚热带湿润季风气候，气候温和，四季分明，雨水充沛；嘉陵江流域是长江各大支流中水土流失比较严重的地区，是长江上游重点产沙区域之一。

2 资料与方法

2.1 资 料

研究区域为嘉陵江流域，选取嘉陵江流域12个气象站，并按嘉陵江上游、中下游、涪江、渠江等四片分析。12站逐日降水资料来源于中国气象数据共享网，资料年限为1960—2009年，区域年降水量为区域内各站点降水量的算术平均。

2.2 方 法

降水量空间分布采用普通克里格（Ordinary kriging）插值方法做降水量的等值线图[9]；采用Mann—Kendall方法（简称 MK 方法）[11－12]及线性回归方法进行降水量年际变化趋势分析；利用Morlet复小波对年降水量小波分析，分析降水的周期性[10]；利用降水集度统计方法[13]，分析降水的地域分异规律。采用累积距平百分率[14]和距平百分率分析降水量变化的阶段性与异常年份。

降水集度（precipitation concentration index，PCI）可以表征年内降水量的分布特征，其计算式如下：

式中：Pi——某站第i月的降水量。当PCI＜10，降水年内分配均衡，差异不大；当10≤PCI≤20，降水呈现季节性变化；PCI＞20时，降水月际变化显著。

降水量异常年份采用年距平百分率（ΔR%）判定，具体标准见表1[15]。

表1 降水量年型划分标准

3 结果与分析

3.1 降水量空间变化特征

基于流域内12个及流域周边37个气象站点的1960—2009年降水量序列，采用普通克里格空间插值方法，绘制流域内多年平均年降水量等值线，由图1分析表明，流域面平均降水量910.5mm，最多年份为1 190mm（1983年），最少的年份为650.6mm（1997年）。年降水量由东南的1 100.4mm向西北逐渐递减到550.8mm，其空间差异较大。降水量相对高值区集中在渠江段，约1 100.4mm左右，相对低值区集中在嘉陵江上游段，约550.8mm左右。嘉陵江流域降水量空间分布与我国降水量东南多、西北少，从东南向西北递减的空间分布是一致的，说明研究区域的降水仍受东亚季风的影响。

3.2 降水量年际变化特征

对于嘉陵江流域年降水量的年际变化趋势分别采用MK方法和线性趋势分析法计算各站点MK检验值和降雨倾向系数，并采用普通克里格插值方法进行空间插值，得出流域内降水量MK检验值等值线分布图和降水量趋势分布图（如图2和图3所示）。分析表明，近50a嘉陵江流域降水量整体呈现减少趋势。嘉陵江上游降水量减少（武都附近地区有增加趋势，但不显著），且上游的东北部和西北地区降水量减少趋势比较显著，嘉陵江上游中部地区减少趋势不显著，降水倾向系数为负值，幅度－8.11～0mm／a；嘉陵江中下游降水量有增加趋势，但趋势不显著，降水倾向系数多为负值（除嘉陵江中下游下半段为正值），幅度为－3.34～1.39mm／a；涪江段上游呈减少趋势，下游呈增加趋势，但趋势都不显著，降水倾向系数多为负值，幅度为－8.11～0mm／a；渠江段降水量呈增加趋势，但不显著，降水倾向系数为正值，在0～1.39mm／a。

图1 嘉陵江流域多年平均年降雨量空间分布

图2 1960－2009年降水量MK检验值分布

图3 1960－2009年降水量趋势分布

3.3 降水量年内变化特征

3.3.1 降水量的季节分布规律及其趋势性变化特征

由公式（1）计算各站点逐年降水集度，并采用普通克里格插值进行空间插值，得出降雨集度空间分布图（图4），分析降水的地域分异规律。结果表明流域内降水集中指数（PCI）在12～20附近，11≤PCI≤20，即降水呈现季节性变化，嘉陵江流域中部地区月降雨量较其他区域相对集中。

图4 嘉陵江流域降水集度空间分布

一般将3—5月划为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季。整体来看，各季节降水量最多的都是渠江地区，嘉陵江上游各季节降水量都是最少的。各地区的降水量主要集中在夏季，其次为秋、春季节，冬季降水量最少，属于典型的大陆性季风气候区。由表2可以看出，嘉陵江上游夏季降水量占全年的50.0%，而冬季的降水量仅占全年的2.1%，春、夏、秋季的降水量都有减少的趋势，夏季减少的幅度最大，达0.880mm／a，冬季降雨倾向系数基本保持不变。嘉陵江中下游夏季降水量最大，占全年的49.9%，秋、春次之，冬季最少，仅占3.6%，春、夏、秋季降水都有减少趋势，秋季减少趋势最大，为2.208mm／a，冬季有增加趋势，但很不显著。涪江地区夏季降水占全年的55.0%，春、秋和冬季的降水量分别占全年的18.6%，23.3%和3.1%，春、夏、秋、冬降水量都有减少趋势，夏、秋两季减少的幅度较大，分别为1.239mm／a，1.266mm／a。渠江地区夏季降水量占全年的46.7%，其次为秋、春两季，冬季最少，春、秋两季降水量有减少趋势，秋季减少较大，为2.653mm／a，夏、冬有增加趋势，夏季增加幅度较大，为2.722mm／a。

3.3.2 逐月降水量分布规律 对比分析各区域的逐月降水量可以看出（图5），各区域降水主要集中在5—9月，这5个月的降水量总和占全年降水量的80%左右，7月降水量最大，而1月、2月和12月的降水量所占比例很小，这与季节降水分布是一致的。各区域逐月的降水量占全年降水量的比例相差不大。

表2 各季节降水比例及降水倾向系数值

图5 嘉陵江流域各区域各月降水所占比例

3.4 降水量周期性变化

选用Morlet复小波对嘉陵江上游、嘉陵江中下游、涪江和渠江1960—2009年降水量序列实行一维连续小波变换，并分别绘制小波方差图。由图6分析表明，嘉陵江流域近50a降水量具有显著的周期性变化，嘉陵江上游、嘉陵江中下游、涪江、渠江的第1，2主周期相同，分别是35a，21a，即嘉陵江流域降水存在35a，21a的周期。

图6 嘉陵江流域1960－2009年降水量序列小波方差

3.5 降水量变化的阶段性和异常年份

嘉陵江流域降水距平累积百分率变化如图7所示，降水量在年际间的随机变化中表现出丰、平、枯的阶段性特征。嘉陵江流域各区域年际变化的阶段性有一定的差异，从大致时间看，嘉陵江上游存在两个显著的丰水段即1960—1969年、1975—1985年；两个显著的枯水段即1970—1974年、1991—2010年；一个平水段即1986—1990年。嘉陵江中下游存在两个显著的丰水段即1960—1969年、2006—2010年；一个显著的枯水段即1990—1997年；三个显著的平水段即1970—1975年、1976—1989年、1998—2005年。渠江存在两个显著的丰水段即1979—1986年、2003—2010年；两个显著的枯水段即1975—1978年、1987—2002年；一个显著的平水段即1960—1974年。涪江存在两个显著的丰水段即1960—1968年、1973—1986年；两个显著的枯水段即1969—1972年、1987—2010年。

图7 嘉陵江流域降水量距平百分率年际变化

通过计算年降水量距平百分率，根据表1统计嘉陵江流域降水异常年份，嘉陵江流域内异常降水年见表3。近50a降水中，嘉陵江流域内降水以正常年份居多，偏多年份多于偏少年份，异常偏多和异常偏少的年份基本没有，个别小区域出现异常偏多年份。嘉陵江上、中下游降水偏多年数多于涪江、渠江区域，降水偏少年数嘉陵江上、中下游、涪江和渠江基本一样。

表3 嘉陵江流域降水异常年份

4 结论

（1）流域面平均降水量910.5mm，受东亚季风气候的影响，流域内的降水量空间分布不均匀，自东南向西北逐渐递减。

（2）嘉陵江流域整体近50a降水量有减少趋势，但趋势不显著。流域内降水的年代集中指数（PCI）较稳定，在12～20之间，即降水呈现季节性变化，嘉陵江流域中部地区月降雨量较其他区域相对集中，夏季降水量占全年降水量比例最高，秋、春次之，冬季最少，降水量集中在5—9月；春秋季降水有减少趋势，夏季除渠江有增加趋势外都有减少趋势，冬季变化趋势不明显。

（3）近50a降水量存在35a，21a的周期变化；各区域年际变化具有一定的阶段性，流域整体处于一个丰—平—枯的降水阶段。近50a降水中，嘉陵江流域内降水以正常年份居多，降水偏多年份多于偏少年份，异常偏多和异常偏少的年份基本没有，嘉陵江上、中下游降水偏多年数多于涪江、渠江区域，降水偏少年数嘉陵江上、中下游、涪江和渠江基本一样。

（4）虽然近50a降水量有减少趋势，但年内降水量却相对集中，且集中于夏秋两季，因此仍要做好汛期的洪涝、水土流失等灾害的防治措施以及春冬的防旱工作，减少自然灾害对流域内社会、经济的影响。

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