東江中上游流域降水及暴雨日的氣候變化特征

曾欽文, 謝俊駒, 巫燕輝, 李思玲

(1.成都信息工程大學, 成都 610225 ; 2.龍川縣氣象局, 廣東 龍川 517300;3.河源市氣象局, 廣東 河源 517000； 4.連平縣氣象局，廣東 連平 517100)

降水是影響地球水資源循環和利用、農業生產、生態系統等的必要因素[1-3]，暴雨則是容易引發洪澇等災害，給人民生活生產造成嚴重的經濟損失，同時，降水對改變生態環境以及社會經濟生活也有非常重要的影響[4-5]，研究區域降水量和暴雨的分布和變化特征，對于分析氣候變化背景下的水循環以及氣候預測等具有非常重要的意義[6-7]。19世紀以來，由于氣候變暖，水循環加快，降雨特征也發生了較大的變化，從而影響暴雨洪澇災害風險的增加。因此，降水量和暴雨變化特征研究引起了國內外眾多學者的關注[8-9]。許多學者從年、季等不同時間尺度[10-12]，采用線性回歸、Mann-Kendall檢驗、滑動平均等不同分析方法對不同地區的降水或暴雨的時空變化趨勢進行了研究[13-14]。并得出了許多有指導性意義的局地水文氣候的特征，為當地合理使用水文資源有重要的意義。

東江流域地跨廣東、江西兩省，是珠江流域第三大水系，屬亞熱帶季風氣候，是江西南部地區、廣東河源、惠州以及珠三角、香港等城市的重要供水水源[15-16]。近百年來，由于氣候變化加劇，水資源循環加快，降水和暴雨特征也相應的發生了較大的變化，從而導致了東江流域地表徑流和洪水的增加[17-19]。因此，研究氣候變化對東江流域的影響，揭示局部水文氣象變化特征及其演變規律，以期了解該流域的降水和暴雨氣候變化特征，及充分了解和利用氣候資源，保障東江流域的生態環境和防災減災提供參考。

1 資料和研究方法

1.1 研究區概況

東江流域地跨廣東、江西兩省，是珠江流域第三大水系，屬亞熱帶季風氣候,發源于江西省尋烏椏髻缽山，流經廣東省、河源，惠州、到東莞經虎門入海，地勢南低北高，海拔為0～1 500 m，干流全長約560 km，流域面積約3.5×104km2[20-21]。目前，東江中上游地區城市化程度較低，水土保持較好，是廣東省水源涵養重點保護區。近年來，氣候變化對東江中上游水資源循環有很大的影響，本研究選定為東江流域的中上游為研究對象。研究東江中上游流域降水量和暴雨日數的變化特征，為進一步研究東江流域水資源循環等研究做鋪墊。

1.2 數據來源與研究方法

本研究數據來源于中國氣象局數據網(http:∥data.cma.cn/)，選取1965—2017年東江中上游及其周邊區域8個國家氣象站的逐日降水數據作為基礎資料，具體包括連平、新豐、和平、尋烏、龍川、龍門、東源、紫金國家氣象站，所有站點數據均通過嚴格的質量控制，包括極值和時間一致性檢驗，數據的完整性和可靠性高；按照華南汛期劃分標準：4—9月為汛期，其中4—6月為前汛期，7—9月為后汛期。暴雨日定義為日降水量≥50 mm 的降水日數；研究方法包括線性趨勢法、相關分析法、5 a滑動平均、Mann-Kendall 突變檢驗和滑動t檢驗突變點、Morlet小波分析等方法[22-23]。同時，利用ArcGIS 10.0對東江中上游降水量和暴雨日數的空間變化做制圖分析，趨勢系數采用p<0.05。

2 結果與分析

2.1 年降水和暴雨日的空間特征

從東江中上游年降水量的空間分布可知，年降水量總體呈西南多東北少的空間分布特征，其中，東北地區為1 672～1 849 mm，西南地區為1 937～2 202 mm，極大值出現在中游的龍門地區，為2 202.1 mm；極小值為上游的尋烏地區，為1 672.8 mm。根據年降水量年代際變化特征(表1)可知，年降水量具有較明顯的年代際變化特征，具體表現為20 世紀70年代降水量最多，60年代最少。除80年代外，其他年代氣候傾向率均為正值，說明年代際內總體呈前后多，中間少的分布特征。

從東江中上游年暴雨日數的空間分布可知，年暴雨日數總體也呈東北少西南多的分布特征，跟年降水量空間分布具有有很好的對應性，其中，極大值也出現在中游的龍門地區，為10.0 d，極小值則出現在上游的和平、尋烏地區，分別為5.4 d，5.8 d。年暴雨日數空間分布大致為東北地區為5～7 d，西南地區為8～10 d。根據東江中上游年暴雨日數年代際變化(表1)可知，年暴雨日數也有較明顯的年代際變化特征，其中，20 世紀80 年代最多，70年代最少，除60年代、70年代外，其他年代氣候傾向率均為負值，表明暴雨日數在年代際內總體呈前多后少的分布特征。就東江中上游年平均降水量和暴雨日數相關性檢驗來看，其相關系數為0.865(通過了0.005 顯著性檢驗)，說明東江中上游平均年降水量與年暴雨日數的時間分布上有較好的相關性。

2.2 年降水和暴雨日氣候特征

圖1A為1965—2017年東江中上游8個國家觀測站空間平均年降水量的時間序列圖。東江中上游平均年降水量為1 828.8 mm，極大值為2 699.2 mm，出現在2 016 年,極小值為1 181.2 mm，出現在1991年。年降水量氣候傾向率為-1.818 mm/10 a，呈減少趨勢，但減少趨勢不顯著(不能通過0.05顯著性檢驗)。上游地區平均年降水量呈增多趨勢，以尋烏為上游代表站，其氣候傾向率為38.610 mm/10 a(通過了0.05顯著性水平檢驗)，表明增多趨勢較為顯著。中游則呈減少趨勢，以龍門為代表站，其氣候傾向率為-14.200 mm/10 a(不能通過0.05顯著性檢驗)，說明中游減少趨勢不顯著。具體到年降水量變化的空間分布上，除尋烏、和平、新豐呈增多趨勢外，其余均呈現減少趨勢，且東北地區的尋烏增多最為顯著。

表1 1965-2017年東江中上游降水量和暴雨日數年代際平均變化

圖1B為1965—2017 年東江中上游8個氣象站空間平均后的年暴雨日數時間序列。平均年暴雨日為7.0 d，極大值為12.4 d，出現在2016年，極小值為3.4 d，出現在1991年，年暴雨日極大(小)值出現的時間與年降水量的極值時間一致。平均年暴雨日呈現輕微增多趨勢，氣候傾向率為0.003 d/10 a，不能通過0.05顯著性檢驗，說明增多趨勢并不顯著。從年暴雨日數空間分布可知，除尋烏、新豐地區暴雨日數略增多外，其余地區暴雨日數呈減少趨勢，且與年降水量增多趨勢一致，東北部的尋烏一帶增多最為顯著。

圖1 1965-2017年東江中上游空間平均年降水量、暴雨日數時間演變

2.3 年降水和暴雨日突變分析

從1965—2017年東江中上游空間平均年降水量Mann-Kendall 檢驗結果(圖2A)可知，在2003年之前，UF的值大部分大于0，說明年降水量在2003年之前，總體呈現上升趨勢，但UF的值總體未超過信度的上限，說明上升趨勢并不顯著。2003年之后，UF的值大多在小于0范圍內，說明年降水量在2003年之后，總體呈現下降趨勢，但UF的值未超過信度的下限，說明總體下降趨勢也不顯著。從Mann-Kendall 檢驗結果還可以發現，在0.05的置性水平下，UB與UF存在多個交點，并不能直觀看出年降水量發生突變的年份，因此需進一步通過滑動t檢驗來驗證，結合兩種突變檢驗結果，表明年降水量在1973年前后、1991年前后存在突變。

從1965—2017年東江中上游暴雨日數Mann-Kendall檢驗結果(圖2B)可知，UF的值總體未超過信度的上限或下限，說明年暴雨日數上升或下降趨勢也均不顯著。年暴雨日數和年降水量的上升或下降趨勢有很好的對應性，年暴雨日數也在2003年之前總體呈不顯著的上升趨勢，之后則呈不顯著的下降趨勢；年暴雨日UF與UB 曲線也均存在多個突變點，也初步判斷為突變點，同樣通過滑動t檢驗來進一步驗證，通過兩種檢驗方法表明，年暴雨日數在2005年前后、2008年前后存在突變點。

圖2 1965-2017年東江中上游空間平均年降水量(A)、年暴雨日數(B)Mann-Kendall 檢驗

2.4 汛期降水和暴雨日數及年代際特征

從東江中上游流域汛期、前(后)汛期平均降水量的趨勢變化圖(圖3A，B，C)可知，汛期平均降水量為1 405.9 mm，占年降水量的76.9%，說明降水主要集中在汛期，其中，汛期平均降水量極大值為1 998.3 mm，出現在1 973 年，極小值為883.7 mm，出現在1991年。從汛期降水變化趨勢(圖3A)可知,汛期降水以-12.836 mm/10 a速率減少，相關系數為0.081，不能通過0.05的顯著性水平檢驗，表明汛期降水減少趨勢并不顯著。從5 a滑動平均曲線來看，1965—2017年東江中上游的降水量總體上呈增減相間的波動趨勢，其中1975—1990年減少趨勢最明顯。

近53 a平均前汛期降水量為860 mm，占汛期總降水量的61.2%,降水量極大值為1 298.7 mm，出現在2 005 年，極小值為363.3 mm，出現在2002年。根據前汛期降水量變化趨勢(圖3B)可知,前汛期降水量以-18.892 mm/10 a速率減少，相關系數為0.135，不能通過0.05的顯著性水平檢驗，表明前汛期降水量減少趨勢也不顯著。根據5 a滑動平均曲線(圖3B)可知，近53 a東江中上游前汛期降水量總體上呈現減少趨勢的變化特征，主要表現為1974—2001年呈緩慢下降趨勢，2002—2007年呈緩上升趨勢，之后又呈下降趨勢。

近53 a平均后汛期降水量為545.9 mm，占汛期總降水量的38.8%，極大值為768.1 mm，出現在2013 年，極小值為322.8 mm，出現在1989年。從后汛期降水量變化趨勢(圖3C)可知，后汛期降水量以6.056 mm/10 a速率增加，相關系數為0.067(不能通過0.05的顯著性檢驗)，表明后汛期降水增加趨勢也不顯著。從5 a滑動平均變化趨勢可知后汛期降水量總體上呈波動性增減趨勢，且階段性變化較為明顯。

根據汛期降水量年代際平均變化可知(表2)，汛期降水量年代際變化較大，20 世紀70年代偏多，其他年代偏少；前汛期除90年代偏少外，其余年代相對偏多；后汛期則20 世紀90年代偏多，80年代明顯偏少。

汛期暴雨日數為6.0 d，占全年的85.7%，出現暴雨日數最多的年份為1968年，為10.8 d，最少的年份為2009年，為1.9 d(圖3D)。從汛期暴雨日數變化趨勢(圖3D)可看出,汛期暴雨日數以0.16 d/10 a的速率遞減，且減少幅度小，減少趨勢不明顯(不能通過0.05的顯著性檢驗)。從5 a滑動平均曲線來看，汛期暴雨日數總體上呈現波動性增減趨勢，階段性變化較明顯。

前汛期平均暴雨日數為4.0 d，占汛期的66.7%，出現暴雨日數最多的年份為1968年，為7.8 d，最少的年份為1999年、2002年，均為1.1 d(圖3E)。從前汛期暴雨日數變化趨勢(圖3E)可看出,前汛期暴雨日數以-0.18 d/10 a的速率減少，減少幅度同樣較小，且減少趨勢不明顯。從5 a滑動平均曲線來看，前汛期暴雨日數總體上也呈波動性增減趨勢，階段性變化也較明顯。

后汛期平均暴雨日數為2.0 d，出現暴雨日數最多的年份為1997年，為5.0 d，最少的年份為1965年，為0.3 d(圖3F)。從后汛期暴雨日數變化趨勢(圖3F)可看出,后汛期暴雨日數以0.02 d/10 a的速率遞增，但不能通過0.05的顯著性檢驗，說明后汛期暴雨日數增加趨勢不明顯。從5 a滑動平均曲線來看，后汛期暴雨日數總體上也呈波動性增減趨勢，階段性波動較大。

根據汛期暴雨日數年代際平均變化可知(表2)，汛期平均暴雨日數年代際總體變化不大，大致為20世紀60年代略偏多，21世紀10年代略偏少；前汛期平均暴雨日4.0 d，年代際變化幅度較大，大致為20世紀80年代較多，為5.0 d，90年代較少，為3.1 d；后汛期平均暴雨日2.0 d，年代際變化也較大，其中20世紀90年代較多，為2.5 d，80年代相對較少，僅為0.6 d。

圖3 1965-2017年東江中上游空間平均汛期降水(A)、前汛期降水(B)、后汛期降水(C)和汛期暴雨日數(D)、前汛期暴雨日數(E)、后汛期暴雨日數(F)時間演變

2.5 汛期降水和暴雨日數空間變化

2.5.1 汛期降水空間變化 1965—2017年東江中上游汛期、前汛期和后汛期降水量的空間分布特征總體相似，且與前面分析的年降水量空間分布特征也大致相似，均表現為由東北向西南方向逐漸增大的分布特征。汛期、前汛期、后汛期降水量極大值區均出現在西南地區的龍門地區，分別為1 700.8 mm，1 152.2 mm和618.6 mm，低值區為上游的尋烏地區，分別為1 246.2 mm，751.8 mm和488.6 mm。汛期、前(后)汛期降水量變化趨勢在空間分布上存在一定的區域性差異性，其中汛期和前汛期在中游上多表現出減少趨勢，最大減幅均出現在龍門地區，分別為-32.26 mm/10 a和-34.44 mm/10 a，但總體減少趨勢并不顯著；后汛期變化趨勢則表現為增多趨勢，最大增幅則出現在尋烏地區，為18.21 mm/10 a，增多趨勢較為顯著。而位于東部的龍川、紫金則出現輕微的減弱趨勢，減幅介于-4.24～-2.22 mm/10 a。

2.5.2 汛期暴雨日數空間變化 汛期、前(后)汛期暴雨日數空間分布特征也總體相似，且與前面分析的年暴雨日數、汛期、前(后)汛期降水量的空間分布特征也有很好的對應性，極大值均出現在西南部的龍門地區，且呈由東北向西南方向逐漸增大的分布特征。出現這種分布特征主要是受地形因素影響：因西南地區地處九連山脈的迎風坡，導致西南風輸送上來的暖濕氣流容易在迎風坡造成輻合抬升，從而形成大范圍降水，且西南角還處于九連山和青云山所形成的喇叭口地形當中，受喇叭地形所形成的狹管效應，也非常有利于水汽在該處的輻合抬升，再加上天氣系統的疊加影響，則非常容易產生強降水，從而導致西南部為降水和暴雨日數的大值區。

表2 1965-2017年東江中上游汛期降水量及暴雨日數年代際平均變化

汛期、前(后)汛期暴雨日數變化趨勢在空間分布上也存在一定的區域性差異，其中汛期和前汛期除東北部的尋烏地區外，其余均表現為減少趨勢，但減少趨勢不顯著；后汛期變化趨勢則表現為北部的尋烏和西部的連平、新豐地區呈增多趨勢，其余地區均呈減少趨勢，其中東北部的尋烏增多較為顯著。

2.6 汛期降水量和暴雨日數突變分析

從1965—2017年東江中上游汛期((圖4A)、前汛期((圖4B)、后汛期((圖4C)降水量Mann-Kendall 檢驗結果可知，在置信度0.05水平下，東江中上游汛期、前汛期和后汛期降水整體呈不顯著增加或減少趨勢。其中，汛期、前汛期降水出現多個突變點，振蕩劇烈。

觀察UF 線((圖4D)可知，汛期降水量在1987年之前，UF 曲線大部分位于大于0的范圍內，1987年之后UF 曲線均處于小于0的范圍，說明1 987 年之后，汛期降水量總體呈下降趨勢(圖4A)，但均未超出信度，說明汛期降水增加或減少趨勢不顯著。結合滑動t檢驗(圖4G)判斷突變，可知汛期降水量在1972年、1986年、2007年發生突變。

前汛期降水量(4B)則UF 線在1986年之前大部分位于大于0的范圍內，1 986之后，UF 曲線則均在小于0的范圍內，說明1 986 年之后，前汛期降水量總體呈下降趨勢(圖4B)，與汛期降水量變化有很好的對應性。結合滑動t檢驗(圖4H)判斷突變，可知前汛期降水量在1971年、2005年發生突變。

后汛期降水量(8 c)在置信度0.05水平下，UF 曲線一直在大于0的范圍內，說明后汛期降水量總體呈上升趨勢，但大部分并未超過信度，說明上升趨勢總體不顯著。結合滑動t檢驗(圖4I)判斷突變，可知后汛期降水量未發生突變。

在置信度0.05水平下，汛期暴雨日數(圖4D)、前汛期暴雨日數((圖4E)，UF和UB兩條曲線出現多個交點，說明汛期、前汛期暴雨日數存在多個突變點，振蕩劇烈。觀察汛期暴雨日數UF線(4D)可知，2003年之前，UF值大于0 或者很少小于0，2003年之后UF 小于0 或者很少大于0，且均未超出信度，說明1965—2003年的汛期暴雨日數呈上升趨勢，2003年之后總體呈下降趨勢，但總體上升或下降趨勢不顯著。結合滑動t檢驗(圖4J)判斷突變，可知汛期暴雨日數在2003年、2008年前后發生突變。

前汛期暴雨日數(圖4E)則在1991年之前，UF值大于0 或者很少小于0，1991年之后，UF值均小于0，且均未超出信度，說明1965—1991年的前汛期暴雨日數總體呈上升趨勢，1991年后總體呈下降趨勢，但總體上升或下降趨勢也不顯著。結合滑動t檢驗(圖4K)判斷突變，可知前汛期暴雨日數在1972年、2004年前后發生突變。

后汛期暴雨日數(圖4E)在置信度0.05水平下，UF 和UB 兩條曲線在2011年前后出現交點，結合滑動t檢驗(圖4L)進一步判斷突變，可知后汛期暴雨日數確實在2011年前后發生突變。觀察圖中UF 線可以看出，UF值均大于0，說明后汛期暴雨日數總體呈上升趨勢，且大部分置于信度之間，說明上升趨勢也總體不顯著。

2.7 小波分析

對東江中上游年平均降水量和年暴雨日數的時間序列進行Morlet復數小波變換(圖5)。結果顯示，東江中上游平均年降水量存在2 a，4～5 a，8～10 a周期變化，其中，8～10 a為最明顯，2 a的小周期振蕩變化具有全域性的特征。對應的小波方差可知，8～10 a為年降水量的第1 主周期、4～5 a，2 a為次周期。年暴雨日數則存在2～4 a，5～6 a，8～10 a周期變化。與年降水量的周期有很好的對應性。其中2～4 a的振蕩周期具有全域性的變化特征，5～6 a主要在21世紀年代之后最為明顯，而8～10 a振蕩周期在70年代初至90年代末最為明顯。

3 結 論

(1) 近53 a東江中上游年降水量呈現出不顯著的減少趨勢，減少速率為1.818 mm/10 a，年暴雨日數則呈不顯著增加趨勢，增加速率為0.003 d/10 a。汛期、前(后)汛期降水量和暴雨日數的變化趨勢有所不同，但有很好的對應性，其中汛期、前汛期降水量和暴雨日數均呈不顯著減少趨勢，后汛期降水量和暴雨日數則呈不顯著增加趨勢。

圖4 1965-2017年東江中上游空間平均降水量、暴雨日數Mann-Kendall 檢驗和t檢驗

(2) 近53 a東江中上游年、汛期、前(后)汛期降水量和暴雨日數總體呈西南多東北少的分布，其中降水量和暴雨日數極大值區在西南部的龍門地區，極小值區在東北部的尋烏、和平地區；降水量和暴雨日數趨勢變化在中游總體表現為不顯著的減少趨勢，上游地區則表現為較為顯著的增多趨勢。

(3) 汛期是東江中上游降水和暴雨發生的集中時段，近53 a年東江中上游降水量和暴雨主要出現在汛期。且前汛期多、后汛期少，其中汛期降水量占全年的76.9%、暴雨日數占全年的85.7%，且降水量和暴雨主要集中在前汛期，分別占汛期的61.2%，66.7%。

(4) 近53 a東江中上游年、汛期、前(后)汛期降水量和暴雨日數年代際變化較為明顯。汛期降水量在1972年、1986年、2007年發生突變。前汛期降水量在1971年、2005年發生突變。后汛期降水量未發生突變。汛期暴雨日數在2003年、2008年前后發生突變。前汛期暴雨日數在1972年、2004年前后發生突變。后汛期暴雨日數在2011年前后發生突變。

圖5 1965-2017年東江中上游空間平均年降水量和年暴雨日數的Morlet小波分析及小波方差

(5) 東江中上游平均年降水量存在2 a，4～5 a，8～10 a的振蕩周期，其中，8～10 a為最明顯，2 a的小周期振蕩變化具有全域性的特征。年暴雨日數則存在2～4 a，5～6 a，8～10 a振蕩周期，與年降水量的周期有很好的對應性，其中2～4 a的振蕩周期具有全域性的變化特征。