渠江流域降水时空分布特征

孟泽坤，王 彬

(北京林业大学水土保持学院，重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站，北京 100083)

近年来，在全球气候变化背景下，降水时空分布更加不均匀，极端天气事件明显增多，旱涝灾害频发，针对降雨时空变异性的研究逐渐成为研究热点。我国位于欧亚大陆东部，东临西太平洋，海陆热力差异明显，季风气候是主要的气候特征之一，降水等气象要素存在明显的时空变异性。渠江流域是长江上游水系含沙量最大的河流——嘉陵江左岸的最大支流，流域降水量受季风的影响表现出明显的季节性差异，同时受地形、地貌、土壤、地质等条件的影响，该流域气象水文要素空间特征差异大，水土流失严重，径流含沙量高。近年来，渠江流域洪水灾害频发。2011年“9·18”暴雨洪灾中，渠江流域发生了历史上最大洪水，经济损失高达141亿元。2021年7月，强降雨导致渠江流域部分中小河流发生超警戒超保证洪水，渠江干流三汇站洪峰流量接近历史峰值，人民生命财产安全受到严重威胁。此外，长江流域中三峡水系、洞庭湖水系、鄱阳湖水系等34条河流形势也非常严峻。因此，针对渠江流域降水及暴雨事件的时空分布特征的研究是极有必要的。

现有研究表明，嘉陵江流域降水量整体呈下降趋势，但支流渠江流域变化趋势与其相反。嘉陵江流域年降水量存在35年和21年的周期性变化，各季节降雨量存在很大的差异，夏季和冬季降水量增加，春季降水量呈微弱减少趋势，秋季降水量显著减少。渠江流域位于嘉陵江流域东南部，年均降水量较大，夏季降水量增加趋势最显著。此外，杜华明等对嘉陵江流域的研究表明，年平均暴雨日数与年平均降水量存在显著正相关关系，相关系数为0.84(<0.01)，年平均降水量的多少是影响年平均暴雨出现日数的重要因素；罗玉等研究发现，2005年开始四川盆地的极端日降水事件明显增多；符艳红等研究指出，嘉陵江流域东南部——渠江流域降水日数最多；袁梦等对渠江流域1970—2012年降水资料分析研究得出，渠江流域汛期降水量增大，暴雨频率增加，降水趋于极端的结论。

现有的研究多是对嘉陵江流域进行整体的研究，针对渠江流域的深入研究较少，且渠江流域位于嘉陵江流域东部，受季风影响更为明显，其降水量在时间和空间上的表现与嘉陵江整体趋势存在差异。因此，本文从年、季节2个尺度对渠江流域的降水量进行时空分布特征研究，以期揭示渠江流域降水时空分异规律，并对渠江流域汛期暴雨事件的时空分布特征进行了研究，为该地区乃至长江流域季风气候区防范全球气候变化影响下的洪涝灾害提供理论依据。

1 流域概况

渠江是长江支流嘉陵江左岸最大的支流，流经四川、陕西、重庆。流域地跨东经106°28′—109°00′，北纬30°00′—32°48′，面积3.7万km。渠江流域地势北部高南部低，海拔178～2 669 m。土壤类型以棕壤、黄棕壤、紫色土为主。渠江流域属于亚热带湿润季风气候，气候温和、雨量充沛，平均降水量变化于785.65～1 737.01 mm。受季风性气候的影响，流域降水量年内分布不均，多集中在5—9月，约占全年降水量的63%。

2 材料与方法

2.1 数据资料

本研究收集整理了渠江流域内部及外缘共13个基本站点的气象数据，数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。其中，流域内部气象站点3个，外缘补充站点10个(表1)。达川站、巴中站、万源站、高坪站、阆中站、广元站6个站点数据资料为1961—2020年逐日降雨量，万州站、沙坪坝站、安康站、石泉站、汉中站、略阳站、佛坪站7个站点数据资料为1961—2020年逐月降雨量。

表1 气象站基本情况

本文根据气象统计法划分各季节，春、夏、秋、冬4个季节分别为3—5月、6—8月、9—11月、12月至翌年2月。文中的汛期均指各年5—9月。本文将一日内24 h累计降水量≥50 mm记为1个暴雨日。

2.2 分析方法

2.2.1 降水倾向率 流域降水的倾向率采用一次线性方程式表示：

=+(=1，2，…,)

(1)

式中：为降水量(mm)；为时间(a)；为常数项；为线性趋势的斜率。

2.2.2 Kriging空间插值法 采用较其他传统方法更为可靠和精确的Kriging空间插值法，依据协方差函数进行空间建模和插值，基于区域样本点的实测数据，根据待估点邻域样本点的空间位置关系，对待估点进行无偏最优估计。本研究采用普通克里金法，选用球面模型作为变异函数理论模型，对降雨数据进行插值计算。

(2)

式中：()为点处雨量估计值(mm)；()为站点的实测雨量(mm)；为站点的权重；为雨量站数量。

2.2.3 累积距平法 距平是指某时段的要素值与同一时段该要素平均值的差值，距平值可以直观地反映出序列的变化情况。当累积距平曲线呈上升趋势时，表示序列距平值增加，序列呈增加趋势；当累积距平曲线呈下降趋势时，表示序列距平值减小，序列呈下降趋势。对于时间序列，累积距平可表示为：

(3)

2.2.4 Mann-Kendall趋势检验法 Mann-Kendall方法是一种非参数统计检验方法，可用于不符合正态分布特征的时间序列数据的长期趋势分析。该方法计算过程简单，检测范围宽，干扰度小，应用范围广，具体计算方法见参考文献[19]。

2.2.4 Wavelet分析 小波(Wavelet)分析是在傅里叶(Fourier)分析基础上发展而来的。本文使用Morlet小波函数对序列的变化趋势进行分析。

(4)

式中：为常数；e为虚数；为时间(a)。

对于时间序列，其连续小波变换为：

(5)

为了判断序列的主要周期，进行小波方差计算,即将小波系数的平方值在域积分，其计算公式为:

(6)

小波方差随的变化过程即为小波方差图，对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度，曲线最高点所对应的时间尺度为第1主周期。

3 结果与分析

3.1 年尺度降雨量时空分布特征

3.1.1 年尺度降雨时间变化特征 渠江流域近60年平均降水量为1 126.17 mm，年均降水量为785.65～1 737.01 mm，年降水量最大值与最小值分别出现在1983年和2001年。流域年降水量整体呈增加趋势，趋势方程为=0.69-251.38，年降水量以6.9 mm/10 a的速率增加，60年增长量为41.40 mm，增加趋势不显著。滑动平均处理后，年降水量增加趋势减弱，倾向率为3.3 mm/10 a，60年增长量为19.8 mm(图2)。1980—1985年渠江流域年降水量呈大幅增加趋势，1992—2003年，年降水量呈大幅减少趋势，其他年代波动趋势较缓，这与段文明等对嘉陵江1960—2009年降水量的研究结论一致。近60年渠江流域年降水量波动趋势明显，年降水量距平值呈正负值交替变化，降水偏多年28年，偏少年32年，整体呈上升趋势。

图1 研究区域及气象站点分布位置

图2 1961-2020年渠江年降水量变化情况

对渠江流域年降水量进行M—K突变检验，UF、UB均在U水平线内，年际变化趋势不明显(图3)。1963—1977年、1981—1992年、2010—2020年，UF>0，降水量在这3个阶段呈上升趋势。1978—1980年、1993—2009年，UF<0，降水量呈下降趋势。在0.05的置信区间内，UF、UB 2条曲线交点较多，分别为1963年、1970年、1971年、1976年、1980年、1983年、2003年、2015年和2018年，表明渠江流域年降水存在多个突变点，波动剧烈。1984—2004年，UF和UB曲线无交点，渠江流域年降水量变化趋势比较稳定，无较大波动，这与杜华明等在嘉陵江流域所得结论相似。

图3 1961-2020渠江流域降水量M-K突变检验

1961—2020年渠江流域年降水存在多个振荡中心，主振荡周期分别是27年、15年和7年。小波方差在27年左右达到最大值，27年是其第1主周期。在27年尺度上，年降水量呈现“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”波动变化。15年尺度上，年降水量呈现“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少”12次交替(图4)。

图4 降水量Morlet小波变换实部时频分布与小波方差

3.1.2 年尺度降雨空间变化特征 渠江流域多年平均降水量存在明显的空间变异性，呈现由西部向东北部递增的趋势(图5)，最高降水量位于东北部万源地区，多年平均降水量为1 230～1 250 mm。降水量最小值位于流域西部巴中地区，多年平均降水量为1 130～1 150 mm，低于最高多年平均降水量8.00%～8.13%。渠江流域地处四川盆地东缘，地势东北高西南低，受地势抬升和山脉的阻挡，东南季风裹挟的大量水汽集中在流域东南部，形成地形雨，致使渠江流域东部、南部降水较为丰沛，西北部降水量较少。

图5 60年平均降水量与年降水量倾向率分布

渠江流域年降水量变化倾向率也存在明显的空间差异。多年平均降水倾向率呈由西北部向东南部递增的趋势，倾向率为正值的区域居多，即渠江流域整体年降水呈增加趋势，东部及南部增加趋势较快，年降水倾向率为10～15 mm/10 a，60年降水量增长60～90 mm。西北部降水倾向率<-5 mm/10 a，60年降水量减少30～60 mm。在全球气候变暖背景下，极端强降水事件频发，渠江流域暴雨频率增加可能是引起流域东部降水量增加的原因之一。

3.2 季节尺度降水时空分布特征

渠江流域处于亚热带季风气候区，降水季节间差异较大。在季节尺度上量化降水的时空分布特征，有助于细化分析渠江流域降水时空分异规律，区分流域内部各季节降水量分布重点区域。

3.2.1 季节尺度降水量的时间变化特征 1961—2020年渠江流域各季节多年平均降水量分别为春季257.23 mm，夏季530.46 mm，秋季321.38 mm，冬季38.59 mm，各季节降水量呈波动变化。春季降水量随年份增加呈下降趋势，趋势不显著，倾向率为-4.1 mm/10 a，60年降水量减少24.6 mm；夏季降水量呈上升趋势，倾向率为16.9 mm/10 a，60年增加101.4 mm；秋季降水量呈下降趋势，倾向率为-7 mm/10 a，60年减少42 mm；冬季降水量呈增加趋势，倾向率为0.78 mm/10 a，60年减少4.68 mm(图6)。5年滑动平均处理后，春、夏、冬季降水量变化趋势均有所减缓(图7)。其中，夏季降水量上升趋势显著，倾向率为14.1 mm/10 a(<0.05)，较处理前减少2.8 mm/10 a；秋季降水量下降趋势增强，倾向率为-7.7 mm/10 a(<0.05)。

图6 各季节降水量年际变化

图7 5年滑动平均处理后季节降水量变化趋势

渠江流域春季降水量在1961—1979年间呈上升趋势，1980后主要呈下降趋势(图8)，UF、UB均在U水平线内，年际变化趋势不明显。1975—2005年间，无突变点，突变点集中在1961—1975年和近15年间。夏季降水量除1970年、1972年和1973年外，皆呈上升趋势，1982—1997年、2010—2015年上升趋势尤为显著(<0.05)，1961—1970年突变点较多，但近15年仅有2016年发生了突变。渠江流域秋季降水量在1977—2010年区间内呈下降趋势，1997—2003年，下降趋势最为显著(<0.05)，突变发生情况同春季相似。冬季降水量在上世纪90年代前主要呈下降趋势，90年代后主要呈上升趋势。上世纪90年代由于西太平洋副热带高压的增强，渠江流域的年降水量整体呈减少趋势，但由于流域处于亚热带季风气候区，季节间差异较大，各季节降水量趋势各异。出现春季和秋季降水量减少，夏季和冬季降水增加的现象。

图8 1961-2020年各季节降水量M-K检验

3.2.2 不同季节降水量的空间分布特征 渠江流域各季节多年平均降水量差别较大，存在明显的空间差异。春季多年平均降水量呈现由西北部向东南部递增的趋势(图9)，流域东南部达川地区降水量为305～320 mm，西部巴中地区春季多年平均降水量为230～260 mm。流域东部受季风影响大，夏季、秋季降水量相对较高，两季多年平均降水量的空间分布情况相似，都呈由流域北部向流域南部递减的趋势。夏季、秋季多年平均降雨量最低值均出现在流域南部达川地区，夏季降水量为515～530 mm，秋季降水量为310～320 mm。流域东北部万源地区夏季和秋季降水量最多，夏季降水量在600 mm左右，秋季降水量在350 mm左右。冬季多年平均降水量呈由东北部向南部递增的趋势，平均降水量为38.35 mm，南部达川地区雨量较多，高于平均水平14.73%～25.16%。春季和冬季，渠江流域受季风的影响较小，雨量高值区由海拔较高的流域东北部向海拔较低的流域南部移动，形成春、冬季与夏、秋季降水量相异的分布格局。

图9 1961-2020年各季节多年平均降水量分布

渠江流域春季降水倾向率整体呈下降趋势，流域东部下降趋势最快(图10)，降水倾向率在-7.5～-5.5 mm/10 a，流域东部60年降水量减少33～45 mm。夏季降水量呈上升趋势，倾向率的空间分布情况与降水量的分布情况相似，流域北部上升趋势最显著，降水倾向率在18～23 mm/10 a，60年降水量增加108～138 mm。秋季降水整体呈下降趋势，降水倾向率以巴中地区为负值中心和达川地区为正值中心辐射分布。流域西部巴中地区降水倾向率-17.5～-14 mm/10 a，60年降水量减少84～105 mm，东南部达川地区秋季降水量以0～3.5 mm/10 a的趋势缓慢增加。冬季降水量整体上升趋势在0.3～1.5 mm/10 a，增长趋势缓慢，流域东南部达川地区上升趋势最缓。

图10 60年季节降水倾向率分布

3.3 汛期暴雨事件时空分布特征

3.3.1 暴雨天数年际变化特征 60年间，渠江流域汛期暴雨日数平均为4.28日，暴雨日数介于1.05～8.49天。暴雨日数整体呈增加趋势，暴雨日数以0.21 d/10 a的速率增加，增加趋势不显著。滑动平均处理后，暴雨日数的增加趋势稍有减弱，倾向率为0.17 d/10 a(图11)。

图11 1961-2020年汛期暴雨日数年际变化与暴雨日数距平变化

1961—2020年渠江流域汛期暴雨日数波动明显，其中1961年暴雨日数最少为1.05天，1983年暴雨日数达到60年最大值8.49天。1961—2010年，暴雨日数累积距平值为负值，2002年后累积距平值上升趋势，在-2～3浮动。其中，1979—1985年、2003—2015年暴雨日数明显偏多，这与袁梦等所得2003—2012年渠江流域暴雨发生频率及汛期最大雨强增大的结论相匹配。

渠江流域汛期暴雨日数年际变化呈不显著的缓慢上升趋势(图12)。汛期暴雨日数增加的趋势与渠江流域夏季降水量增加相匹配，同时与嘉陵江流域的变化趋势一致。1965年、1983年和1984年暴雨日数有增加趋势，2014年有减少趋势(<0.05)。2002—2020年，暴雨日数有持续上升趋势。在U的置信区间内，UF、UB 2条曲线交点较多，分别为1962年、1970年、1971年、1972年、1977年、1988年和1996年，渠江暴雨日数存在多个突变点，波动剧烈。

图12 1961-2020年汛期暴雨日数M-K检验

1961—2020年渠江流域汛期暴雨日数有明显的周期性变化并存在多个振荡中心(图13)，主振荡周期分别是14年、21年和7年，振荡周期与年降水量变化相似。小波方差在14年左右达到最大值，14年是其第1主周期。在14年尺度上，暴雨日数呈现“偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”14次波动变化。21年尺度上，暴雨日数呈现“偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多—偏少—偏多”9次交替变化。

图13 1961-2020年汛期暴雨日数小波实部与小波方差

3.3.2 暴雨日数空间分布特征 渠江流域多年平均暴雨日数呈由西南部向东北部递增的趋势(图14)，该趋势与夏季降水量分布趋势相似。暴雨日数最大值位在东北部万源地区，多年平均暴雨日数在4.7～4.9天。暴雨日数最小值位于流域南部达川地区，多年平均暴雨日数在3.7～3.9天。

图14 渠江流域多年平均汛期暴雨日数分布与流域各气象站点汛期暴雨日数变化趋势

渠江流域内部站点汛期暴雨日数均呈上升趋势，外缘站点广元站呈缓慢下降趋势，趋势不显著。呈上升趋势的地区中，流域南部达川地区的上升趋势最快为0.36 d/10 a，高于流域整体上升趋势0.15 d/10 a，其他地区上升趋势由快到慢分别是流域西部巴中地区、流域东北部万源地区、流域外西南部高坪地区、流域外西部阆中地区。渠江流域暴雨发生频率整体呈上升趋势，南部、西部低海拔地区的趋势较为明显。虽东北部上升趋势较缓，但是暴雨的主要集中区域，洪涝灾害的防范工作仍需加强。

4 结 论

(1)渠江流域60年年均降水量为1 126.17 mm，年降水量整体呈缓慢上升趋势，降水倾向率为6.9 mm/10 a，流域年降水量波动剧烈，存在27年、15年的周期性变化。渠江流域多年平均降水量呈由西部向东北部递增的趋势，降水量高值区位于流域东北部万源地区，低值区位于西部巴中地区。年降水量倾向率呈由西北部向东南部递增的趋势，东部及南部降水倾向率为10～15 mm/10 a。

(2)渠江流域降水呈季节性变化，春季、秋季降水量呈下降趋势，夏季、冬季降水量呈上升趋势。5年滑动平均表明，夏季倾向率为16.9 mm/10 a，秋季降水倾向率为-7.7 mm/10 a。4个季节降水量波动明显，突变点较多，春、夏、秋季突变点主要集中于1961—1980年和2010—2020年间，冬季突变点集中于1985—2005年间。渠江流域春、夏、秋、冬四季降水倾向率最高值分别位于流域南部、东北部、东南部、西部。

(3)渠江流域年均汛期暴雨日数为4.28天，暴雨日数整体呈增加趋势，增加速率为0.21 d/10 a。渠江流域汛期暴雨日数波动明显，1965年、1983年、1984年有显著增加趋势。汛期暴雨日数有明显的周期性变化，并存在14年、21年多个振荡中心。渠江流域多年平均暴雨日数呈由西南部向东北部递增的趋势，流域南部达川地区的上升趋势最快，高于流域整体上升趋势0.15 d/10 a。