汉江流域降水时空演变特征研究

潘鑫，秦创创

摘要：为研究汉江流域降水时空演变规律，基于汉江流域内23个气象站点1959～2019年的降水资料，采用线性趋势法、小波分析法、滑动平均差法和反距离权重法等多种统计分析方法，分析该流域的降水演变规律。结果表明：1959～2019年，汉江流域降水量呈现出不明显的上升趋势，在1978年、1989年和2001年检测出突变点，降水变化的主周期为26 a；汉江流域的多年平均降水量整体呈现出“东高西低、南高北低”的分布特征，不同年代降水量的空间分布特征差异较大。

关键词：汉江流域； 降水量； 时空演变； 突变检测； 周期分析

中图法分类号：P333             文献标志码：A                 DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.002

文章编号：1006-0081（2024）03-0012-04

0引言

在气候变化和人类活动的共同作用下，洪涝、干旱等极端事件频发，影响了流域内天然水循环过程［1］。降水作为水循环过程中重要的一环，对气候变化响应十分敏感。以全球变暖为主要特征的气候变化导致大气中水汽含量增加，缩短了原有的水循环过程，导致極端降水事件发生日趋频繁［2-3］。汉江流域地处亚热带季风区，气候变化频繁，在全球气候发生较大变化的背景下，流域旱涝事件频发，旱涝急转事件时有发生，对该地区造成了严重影响［4］，基于此，对该流域的降水演变规律进行研究具有重要意义。当前，对于汉江流域降水演变规律研究已有丰富成果［5-7］，以往的研究多采用较为成熟的方法，本文采用滑动平均差法［8］等多种方法分析了汉江流域近60 a来降水时空演变规律，研究成果对汉江流域水安全问题、水资源开发利用和水资源管理具有参考作用。

1研究区概况与数据

1.1研究区域概况

汉江是长江最大的支流［9］，干流全长为1 577 km，流域面积为15.9万km2。流域位于北纬30°8′～34°11′，东经106°12′～114°14′之间（图1）。汉江流域多年平均气温为13.5 ℃，多年平均降水量为900 mm，降水量年内分配极不均匀，降水主要集中在5～10月，期间降水量约占全年降水量的75%［10］。该阶段内多发强降水事件，洪涝灾害频发。

1.2数据来源及预处理

本文以1959～2019年汉江流域内23个国家气象站点的逐日降水资料为研究数据，资料来源于国家气象数据中心（http：∥www.nmic.cn/）；所用的DEM数据空间分辨率为90 m，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：∥www.gscloud.cn）。对于部分站点的缺测数据，利用有完整数据且具有较好相关关系的临近站点对其进行插补，通过计算得到各站点的年降水数据，将其统计成多年平均降水量以及不同年代际的平均降水量。

2研究方法

本文采用泰森多边形法计算汉江流域的面平均雨量，采用线性趋势法、Mann-Kendall法和R/S分析法研究汉江流域降水变化趋势［11］，采用小波分析法［12］判断该流域降水量的变化周期，通过滑动平均差对降水序列进行突变点检测。采用反距离权重法［13］对该流域的降水量进行空间插值，分析流域降水的空间分布特征。

3结果分析

3.1降水趋势演变分析

1959～2019年，汉江流域多年平均降水量为895.9 mm，1966年年降水量为599.2 mm，是年降水量最小年份，比多年平均降水量少33.1%。2017年降水量为1 269.2 mm，是年降水量最大年份，比多年平均降水量多41.7%。不同年代降水特征见表1。除20世纪70年代、20世纪90年代距平值为负外，其他年代距平值均为正值，表明汉江流域降水量多处于偏多阶段。从变差系数Cv上看，各年代变差系数值差别较小，降水年际变化波动较小。

汉江流域1959～2019年逐年降水量演变情况如图2所示。由线性回归方程可知，流域的年降水量整体呈现出上升趋势，上升率为0.30 mm/a。对该流域的降水序列进行Mann-Kendall趋势分析，统计量Z=0.30＞0，但未通过95%显著性检验（|Z|>1.96），说明该流域的降水序列呈现不明显的上升趋势。

为研究未来一段时间内汉江流域降水量变化趋势，对该序列进行R/S分析，结果如图3所示。由图3可知，该序列的Hurst指数为0.526，大于0.5，表明汉江流域降水量序列未来的变化趋势将与历史变化趋势相同，呈现出上升趋势，具有正持续性。但是，由于H指数较为接近0.5，变化会服从布朗运动，时间序列的持续性较弱。

3.2降水变化周期分析

采用Morlet小波对汉江流域降水序列进行周期分析。在进行小波分析前，先对原序列进行降噪处理。为避免有用信号丢失，通过多次试验的方法，最终选择了db4小波进行5层分解，选用Heuristic SURE法中软阈值方式对原序列进行降噪处理。水文序列受到季节变化的影响，容易产生伪周期，因此还需将降噪后的序列进行标准化处理后，才进行小波分析。

图4为汉江流域1959～2019年降水量序列的小波方差图。由图4可以看出，汉江流域的降水序列存在两个明显极值，分别是26 a和13 a，说明该流域的降水序列存在着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为汉江流域降水过程的第一主周期，这一周期的波动决定该流域年降水量的变化特性。从图4可以看出，该流域降水过程可能还存在大于60 a尺度的周期变化，但鉴于序列长度为61 a，无法确定该流域的降水序列是否存在大于60 a的大尺度周期。

3.3降水序列突变点分析

根据降水序列周期分析的结果，对汉江流域1959～2019年降水序列采用滑动平均差法进行突变点检测，序列周期p=26，检测结果如图5所示。考虑到资料长度所带来的影响，综合考虑ΔM（ΔM表示前后子序列的均值差，ΔM的极大值点表示样本点前后子序列均值发生了急剧变化）的值后，可判断该流域的降水序列在1978年、1989年和2001年发生了突变。在1989年时的突变较为明显，在该年份前后降水量大幅下降。

3.4降水空间分布规律

采用反距离权重法对汉江流域各站点的多年平均降水量进行空间插值，插值结果如图6所示。由图6可知，汉江流域降水量存在较大的空间差异性，各区域降水量差异明显，整体呈现出“东多西少、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，武汉站为降水量的高值中心，多年平均降水量高达1 256 mm；而上游降水量偏少，降水量在700～900 mm之间，上游商县站为降水低值中心，多年平均降水量为688 mm。

为进一步分析汉江流域降水空间分布的演变规律，以每10 a为一个年代际，采用反距离权重法，对该流域1960～2019年间不同年代际的平均降水量进行插值，结果如图7所示。结果表明：不同年代间降水空间分布差异较大。20世纪60～80年代和21世纪00年代，汉江流域的降水呈现出中下游地区和上游河源地区偏高，其余地区偏低的特征，即“两头多、中间少”的空间分布规律。20世纪90年代的降水量整体呈现出“东多西少、南多北少”的空間分布规律，降水在下游地区偏高，其余地区降水量差距不大。值得注意的是，21世纪10年代降水空间分布特征与之前差别较大，降水量不再集中于下游地区，而是转移到上游区域，在该时段内各区域降水量差异较大。

各年代降水高值中心差异较大。20世纪60～70年代，汉江流域的降水高值中心位于中游地区的桐柏站。20世纪80～90年代，降水高值中心转移到了下游的武汉站。21世纪00年代，该流域存在两个降水高值中心，分别位于中游桐柏站和下游的武汉站。21世纪10年代，降水高值中心转移到了上游的商县站，与往年差异较大，在研究时段内降水高值中心首次出现在上游地区。通过以上分析可知：在21世纪以前，汉江流域的降水高值中心随着时间的推移由中游地区逐渐转移至下游地区；进入21世纪后，降水高值中心又逐渐向中上游地区转移；而各年代的降水低值中心均在商县站附近。

4结论

（1） 1959～2019年，汉江流域的多年平均降水量为895.9 mm，降水年际变化波动较小，整体呈现出不明显的上升趋势，且这种趋势具有持续性。

（2） 汉江流域的降水周期变化存在着26 a和16 a的时间尺度，其中26 a为该流域降水变化的第一主周期。该流域的降水序列于1978年、1989年和2001年发生突变。

（3） 汉江流域的降水存在明显的空间差异性，降水分布不均匀。多年平均降水量整体呈现出“东高西低、南高北低”的分布特征，不同年代间降水量的空间分布规律存在明显的差异。

参考文献：

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（编辑：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