梅江流域长系列枯水期降水演变特征规律分析

高玉丹

(广东省水文局梅州水文分局，广东 梅州 514000)

1 概述

气候变化将引起降水、径流的时空变化，进而增加了干旱、洪涝等极端气候事件发生的频次[1]。在全球变暖背景下，区域间、雨季和旱季的降水对比度将更激烈[2]。众多学者采用Mann-Kendall检验、小波分析等方法对降雨的多尺度时空变化进行了研究，如邹磊等[3]发现海河流域春秋季降水呈增加趋势，而夏冬季降水呈减少趋势；范菲芸等[4]基于125个雨量站资料分析了1956—2010年广东省春旱和秋旱期的降雨时空分布，发现春旱降水南少北多，而秋旱期降水空间分布与之相反；徐林春等[5]发现广东省年内汛期(6月)降雨有所增大，非汛期有所减小。

枯水期降水对农业的意义重大，在缓解旱情的同时也可能破坏农作物的生长发育[6]。近年来，梅江流域在枯水期出现多次极端天气，仅在2016年枯水期期间遭到多次暴雨袭击，形成3场枯水期大洪水，2017—2018年枯水期期间又连续出现旱情，然而目前针对枯水期降水演变特征的研究较少[7-8]，因此，研究区域内枯水期降水的演变特征对于了解区域枯水时期内降水发展动态、防洪抗旱、供水规划、维护河流健康等具有重要意义[9]。

2 资料与方法

2.1 研究区概况

梅江是韩江的主流[10]，是梅州市最主要的河流，发源于汕尾陆丰与河源紫金交界的乌突山七星岽，上游称琴江，流经五华县水寨与五华河汇合后称梅江，自西南向东北流至五华琴口汇北琴江，至水寨河口(以上称琴江)汇五华河后称梅江，于兴宁水口汇宁江，在畲坑进入梅县区，在长沙进入梅江区，然后汇程江于梅城，在西阳再入梅县区，汇石窟河于丙村，汇松源河于松口后，突然向右90°转弯，切过莲花山脉进入大埔，在三河坝附近与汀江、梅潭河汇合后称韩江。梅江全长为307 km，流域集雨面积为14 061 km2，河床比降为0.4‰。梅江在梅州境内河长为271 km，集雨面积为10 424 km2。

2.2 研究数据和方法

本文选用梅江流域内70个雨量站1959—2018年枯水期实测降水数据(雨量观测点空间分布示意见图1)，10月到次年的3月为枯水期，数据经过质量控制，通过了三性检查，流域面平均降水量为区域内站点降水量的算术平均值，通过分析计算比对，揭示该流域枯水期总降水量与枯水期各月降水量的时空演变特征。对梅江流域降水量数据的处理分析主要是基于Matlab、Arcgis等软件实现的。数据来源：广东省水文局梅州水文分局。

图1 梅江流域降水量观测点空间分布示意

本次研究主要运用累积距平法[11]、Mann-Kendall检测法(以下简称M-K法)[12]、Sen’s斜率法[13]对梅江流域枯水期的年际和年内降水量进行趋势分析和突变状况检验，并结合累积距平法对可能存在的虚假突变时间点进行剔除，确定符合实际的降水突变情况。其中M-K法置信水平值取0.05，其相应的统计量值为±1.96。

3 结果分析

3.1 枯水期年降水时程变化特征

流域枯水期多年平均降水量为387.7 mm，极大值出现在1982—1983年，降水量为1 218.1 mm，极小值出现在1954—1955年，降水量为151.0 mm。通过线性回归得到梅江流域内枯水期年降水量的时间变化趋势(如图2所示)，总体上，梅江流域枯水期降水量呈现波动增加趋势，增加速率约为1.4 mm/a，降水量的变化趋势未通过95%的置信水平显著性检验。

根据图2中的累积距平曲线可知，梅江流域60 a来枯水期共发生了3次明显的突变(1974年、1998年和2011年)，存在明显的“降”、“升”、“降”阶段性变化特征：即1960—1974年降水量表现为下降趋势，低于多年平均降水量；1974—1998年降水量呈现上升趋势，并于1983年达到了历年降水量最高值；1998—2011年降水量呈持续下降趋势。

图2 梅江流域1959—2018年枯水期降水趋势变化示意

3.2 枯水期年降水空间变化特征

通过对梅州流域内70个降水量观测点枯季降水量进行分析，得到多年平均降水量的空间分布(见图3a)，降水量空间分布差异较大，呈现由北向南递减分布。各站降水量介于289.9～491.6 mm之间，其中降雨量最大的观测点是位于松源河的桂竹园站，多年平均降水量为491.6 mm，降雨量最小的观测点是位于琴江的大坪站，多年平均降水量为289.9 mm；面平均降雨而言，位于最北部的松源河面降水量最大(443.4 mm)，而位于南部的琴江面降水量最小(345.5 mm)，与观测点降水系列趋势一致。对所有站点的雨量数据进行M-K法趋势检验，得到各观测点的M-K值的空间分布(见图3b)，70个观测站中，降水量呈增加趋势的有52个，呈减少趋势的有18个，总体枯水期降水量呈不显著上升趋势；从空间来看，南部呈上升趋势，北部呈下降趋势。通过对数据的进一步分析得到各观测站点的降雨年变化率(见图3c)，其中仅4个观测站的降水量增加率大于2 mm/a，1个观测站的降水量减小率小于2 mm/a，其余观测站的变化均在2 mm/a以内。

图3 梅江流域1959-2018年枯水期降水趋势空间分布

3.3 枯水期年内各月降水特征分析

梅江流域枯水期各月降水量空间差异性见图4。从单月来看，12月雨量变化范围最小，对应的空间变化最小，反之3月雨量变化范围最大，对应的空间变化最大。各月之间对比，前枯水期(10—12月)的多年平均降水量明显少于后枯水期(1—3月)，其中，前枯水期降水总量仅占总枯水期降水量的33.8%，后枯水期降水总量仅占总枯水期降水量的65.6%；12月多年平均降水量最小，仅为37.5 mm，3月为125.2 mm降水量最大。

图4 梅江流域1959—2018年枯水期各月降水量箱型示意

采用Sen’s斜率法分析梅江流域枯水期各月降水量变化特征(见图5～6)。由图5～6可知：1月、11月降水量总体呈不显著上升趋势，70个雨量降水量观测点中都是有69个站点呈上升趋势，但均未通过置信区间检验；2月、3月降水量总体呈不显著下降趋势，其中北部地区有若干站点通过置信区间检验，呈显著下降；10月降水量总体趋势不明显，梅江干流左岸总体呈不显著下降趋势，右岸总体呈不显著上升趋势；12月降水量70个观测站全部呈上升趋势，通过置信区间的检验，总体呈显著上升趋势，其中石窟河和松源河的降水量上升趋势明显。

图5 梅江流域枯水期1—3月降水趋势空间分布示意

4 结语

基于梅江流域70个降水量观测点1959—2018年枯水期长系列降水资料数据，采用数理统计手段，从年尺度到月尺度，从时间到空间，分析了梅江流域枯水期降水时空波动特性。

图6 梅江流域枯水期10—12月降水趋势空间分布示意

1) 梅江流域枯水期面平均降水量总体趋势呈波动不显著增加趋势，增加速率约为1.4mm/a，年际差异较大，介于387.7～1 218.1mm之间，分阶段存在明显的“降”、“升”、“降”变化特征。在空间上，枯水期降水量总体呈现北多南少，北部有下降，南部有上升的趋势。

2) 从枯水期各月降水情况来看，前枯水期(10—12月)的多年平均降水量明显少于后枯水期(1—3月)；各月之间多年平均降水量差别较大，3月降水量最大，但呈不显著下降趋势，12月降水量最小，但呈显著上升趋势。在空间上，北部地区河流水系变化较为显著，尤其是石窟河和松源河，12月呈显著上升趋势，2月、3月呈显著下降趋势，该区域需做好汛前干旱预警。

3) 通过本文对梅江流域枯水期降水量的时空演变特征分析，可为进一步加深对梅江流域气候变化的理解，对流域旱涝灾害应对、雨洪资源利用及水资源优化配置提供科学支撑。枯水期降水量的时空分布规律与大气环流ENSO事件、太阳黑子、人类活动、流域下垫面干湿程度、汛期降水量等因素息息相关，因此，有必要进行降雨因子驱动因素识别及分析，为提前做好防洪抗旱准备奠定基础。