近56年岷江降水时空演变特征分析

覃方灵，敖天其，2，陈 婷，3，祝 莹，张 兴，高丹阳

(1.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；3.四川省气象服务中心，四川 成都 610072)

全球气候变化背景下，全球气候规律发生改变，极端气候事件频发，人们逐渐意识到气象水文要素对人类社会和自然生态系统有着重要的影响力[1]。气象水文要素直接影响着水资源量与水资源系统结构，掌握气象水文的时空演变规律有利于水资源的合理开发与利用。长江作为中国第一大河，对国家的整体发展占有重要战略地位。而近年来长江流域的旱涝灾害问题十分突出。尤其长江上游地区，具有充沛的水能资源，掌握该地区的气象水文过程演变规律对于流域水资源科学利用具有重要意义[2]。

岷江是长江上游重要的一级支流，发源于岷山，流经阿坝州、成都、眉山、乐山、宜宾等地，在宜宾市城区汇入长江[3]。岷江水量丰富，是成都平原重要的水资源，因此其气象水文的演变过程也受到了部分学者的关注。径流往往直接反映水资源变化情况，杜华明[4]研究了岷江流域的径流演变过程，发现近52 a(1961年～2012年)岷江流域的年径流量呈显著下降趋势；郭卫等[5]同样研究了岷江流域径流多年变化趋势，并采用RVA法分析现有梯级水库运行对岷江河流水文情势的影响程度。而岷江上游区域因地处青藏高原边缘的高山峡谷区，生境脆弱，对气候变化极为敏感，成为了学者重点研究的区域。康磊等[6]对岷江上游气象水文因子的长时间序列周期性变化进行了分析；丁海舟[1]对岷江上游的9个气象水文要素非年际变化的非平稳度和变化趋势进行了研究；黄瑾[7]利用遥感方法结合同期气温、降水、径流等气象水文数据，反演出了岷江上游区域的生态水资源量。总的来说，岷江径流的变化规律以及岷江上游的水文气象变化特征受到许多学者的关注，但人们对岷江整个区域降水的时空演变特征研究甚少。

降水作为水循环的重要部分，其变化必定会引起水循环的变化，从而引起水资源时空分布的变化。研究降水变化规律对于水资源分布情况及洪旱灾害的发生具有重要指示作用。本研究以岷江作为研究区，通过定义的降水指标并采用不同的方法对比分析岷江降水的空间分布及时空演变特征。

1 研究数据

本研究以岷江作为研究区，采用的数据为岷江24个站点1961年～2016年的逐日降水观测数据，站点位置分布如图1所示。数据已经质量控制和均一化处理，由四川省气象局数据探测中心提供。缺测的站点日降水资料采用线性回归插补进行处理，即将相邻站点同时段数据做时间序列回归处理，以保证数据的完整性[8]。

图1 岷江气象站点分布

2 研究方法

本研究选取的降水指标包括年降水总量(ATP)、年降水总天数(ATD)和5 d最大降水量(RX5 d)，利用选取的指标对岷江降水的空间分布及时间演变特征进行了分析。

本研究对岷江降水时间序列的研究包括空间分布、趋势分析、突变点检验和周期性分析。对空间分布的研究采用克里金插值法[9-10]，对岷江研究区降水序列的趋势分析和24个站点年际变化趋势空间分布采用了线性趋势分析法和Mann-Kendall(MK)检验法[11]，采用MK检验法和累积距平分析法[12]检验降水序列的突变点[13-14]，采用Morlet小波分析法对降水序列的周期性进行了分析[15]。各研究方法的原理和具体算法在参考文献中已有详细表述，在此不再赘述。通过对岷江降水空间分布、降水时空变化趋势、突变点检验、周期性几个方面进行分析，可以基本了解岷江降水的时空演变规律，为水资源利用和洪旱灾害防范工作的规划提供依据。

3 结果与分析

3.1 空间分布格局

由降水量空间化结果(见图2)可以看出，在春季，岷江中游东部地区降水较少，但研究区内绝大部分地区春季降水量只占全年降水量不超过20%。除春季外，岷江各时段降水量空间分布情况基本一致，大体上呈现出南部降水多于北部的局面。而从春季、秋季以及全年平均降雨分布图可以看出，在相对南部来说降水较少的北部地区中，黑水县成为了北部相对来说降水较多的地区。岷江研究区内降水量最大的地区为南部的雅安市地区(名山站点所在区域)。雅安市地区又被称为“雅安天漏”，位于青藏高原东缘， 为青藏高原向四川盆地的过渡带。基于高原-盆地的特殊地形，在复合地形与大气环流的相互作用下，使得“雅安天漏”地区水汽虽不如沿海充沛，却成为我国内陆的一个降水中心[16]。

图2 岷江1961年～2016年不同时段降水空间分布

对于多年平均年降水量而言，研究区的年降水量基本高于500 mm。根据标准划分，我国半湿润地区年降水量一般为400～800 mm，湿润地区年降水量大于800 mm。由此可知，研究区南部属于湿润地区，北部部分地区属于半湿润地区，这样的降水分布情况与岷江的气候特征相一致。岷江上游属高原气候区，中下游属亚热带气候区，降水量随地势由北向南增多。岷江的降水集中于汛期，大部分地区汛期降水量占全年降水量的70%以上，汛期降水是决定岷江旱涝年景的主要因素。

3.2 降水趋势分析

以24个站点逐日降水的算数平均值作为研究区逐日面平均雨量，基于岷江研究区面雨量分析3个降水指标的年际变化趋势(见图3)。线性倾向分析表明，从1961年～2016年ATP表现出了相当明显的下降趋势，线性下降倾向率约为25.7 mm/10 a。ATD指标线性下降倾向率为4.9 d/10 a，而RX5 d无明显的变化趋势。此外，3个指标均通过MK检验法95%置信度的显著性检验(见表1)，结果与线性趋势分析结果基本一致。也就是说，在过去的56年间岷江年降水量呈现出明显的下降趋势，年降水天数虽然同样减少，但趋势不如年降水量剧烈，意味着近56年不仅年降水日数在减少，降水日的日降水量也在减少。而RX5 d多年来几乎保持不变，这一定程度上说明了即使年降水量在下降，但在一年中的某个集中降水时段的降水强度并未发生改变，意味着其他时段的降水量会明显减少，这有可能导致旱灾风险的增加。

表1 降水指数变化趋势显著性检验结果

图3 降水指标变化趋势

利用MK检验对岷江研究区24个站点的降水指标变化趋势进行分析，并进行了置信度为95%的显著性检验。从岷江研究区降水指标ATP从1961年～2016年的倾向率空间分布(见图4a)可以看出，岷江上游降水表现出上升的趋势。岷江中下游整体呈下降趋势，中下游的20个气象站点中呈下降趋势的站点占了85%，其中仅崇州、新津地区多年降水呈显著上升趋势。岷江研究区ATD多年变化整体呈下降趋势，其中下降趋势显著的站点数占了总站点数的79%(见图4b)。岷江上游RX5 d多年变化趋势呈上升趋势，下游呈下降趋势(见图4c)。岷江上游在ATP和RX5 d上升的情况下，ATD呈下降趋势，这意味这极端降水的风险将会增加。中下游大部分地区ATP和ATD指标多年变化整体呈显著下降趋势，而RX5 d多年变化虽呈下降趋势，但其中75%的站点数据呈现出的下降趋势并不明显，因此岷江中下游地区更容易出现洪旱急转的现象。

图4 降水指标年际变化趋势空间分布

3.3 降水突变分析

本研究使用累积距平法和MK检验法和对降水序列进行突变分析。通过累积距平曲线的变化趋势对降水指标进行阶段性的分析。当曲线呈上升趋势，说明对应降水指标相对偏大；反之，则偏小。

从图5a可以看出，自1961年，ATP呈波动上升的趋势，波动上升阶段出现4个较为明显的突变年份，为1965年、1968年、1972年和1985年。ATP波动上升的趋势于1990年发生突变，1990年后ATP呈波动下降趋势，即1990年前为岷江降水量偏多的时期，1990年后为降水量偏少的时期。ATD自1961年起呈波动上升趋势，1993年发生突变，降水日数开始减少(见图5b)。RX5 d时间序列则呈现出明显的波动(见图5c)，在1961年～2016年间存在多个极值点，但由多年趋势变化分析可知其变化趋势并不显著，因此认为RX5 d时间序列不是突变序列。其中1965年、1976年和2007年为由下降趋势转变为上升趋势的极值点，1968年、1991年和2013年为由上升趋势转为下降趋势的极值点，1965年～1968年、1976年～1991年和2007年～2013年为岷江5 d最大降水偏大的时期。

图5 岷江降水指标累积距平曲线

根据MK统计量的意义可知，当UF和UB两条曲线超过临界线，表明上升或下降趋势显著。两条曲线在临界线之间的交点对应的时刻就是突变开始的时刻。本文给定显著性水平α=0.05，临界值为±1.96。突变分析表明(见图6)，岷江研究区的年降水量和年降水天数的变化趋势均为突变现象。由图6a可知，ATP的突变年份有1965年、1969年、1972年和1975年，1961年～1990年，ATP呈相对平稳的波动趋势；1990年后呈下降趋势，这与累积距平曲线出现的下降的时间相一致；1997年后下降趋势显著。ATD的突变发生在1991年左右，1994年后下降趋势显著(见图6b)。从图6c来看，RX5 d时间序列出现了多个突变点，但其上升与下降趋势均不显著，整体没有超出显著性水平。累积距平法与MK检验法对3个降水指标突变检测的结果统计见表2，2种方法分析结果存在差异，但体现出的阶段性变化大体上具有一致性。

图6 岷江降水指标MK检验曲线

3.4 周期性分析

利用Morlet小波分析法对岷江近56年降水周期进行分析，结果如图7所示。根据小波方差图确定各降水指数演化过程中的主周期，降水指数的年际和年代际周期统计见表2。

表2 降水指数的年际和年代际周期 a

图7 Morlet小波系数实部等值线及方差

各降水指标主周期的波动控制着其在整个时间域内的变化特征。岷江的ATP时间序列演变过程中存在着3～9 a、10～20 a和21～32 a的3类尺度周期变化规律，从小波方差图来看在32 a时间尺度上具有最强的周期震荡，第2主周期在15 a左右。ATD时间序列存在3～6 a、7～15 a和16～32 a 3类尺度周期变化，最强主周期为28 a左右，第2主周期在12 a左右，在最强主周期中从1961年～2016年存在“多-少-多-少-多-少-多”的变化过程。RX5 d时间序列存在3～6 a、7～13 a、14～20 a和21～32 a的周期变化规律，最强主周期为28 a左右，第2主周期在15 a左右。RX5 d在28 a左右的大尺度周期中，从1961年～2016年存在着明显的“多-少-多-少-多-少-多”的变化过程。

4 结 论

(1)春季岷江中游东部地区降水较少，此外岷江其他时段降水量空间分布情况基本一致，大体上呈现出南部降水多于北部的局面。降水集中于汛期，大部分地区汛期降水量占全年降水量的70%以上。南部的“雅安天漏”是研究区内降水量最大的地区。

(2)岷江的年降水总量(ATP)、年降水总天数(ATD)2个降水指标时间序列近56 a呈现出显著的下降趋势，极端降水指标RX5 d无明显趋势变化。

(3)岷江上游近56 a降水量和最大5 d降水量呈上升趋势，降水日数呈下降趋势，因此极端降水的风险有所增加，中下游地区大部分地区ATP和ATD指标多年变化整体呈显著下降趋势，而RX5 d多年变化虽呈下降趋势，但其中75%的站点数据呈现出的下降趋势并不显著，因此岷江中下游地区更容易出现洪旱急转的现象。

(4)ATD时间序列的突变点出现在1991年左右，ATP和RX5 d在近56 a存在多个突变点。ATD在累积距平法和MK检验法中检验出突变年份分别为1993和1991年。累积距平法和MK检验法的分析结果虽然存在差异，但是在大体的趋势变化和部分突变年份上的分析结果呈现出一致性。

(5)岷江的ATP、ATD和RX5 d时间序列的最强主周期均为年代际周期，分别在32、28 a和28 a左右。