江西省錦江流域降水變化特征研究

黃旭華，王永文，李喻鑫

(1.江西省水利科學研究院，南昌 330029；2.南昌工程學院，南昌 330099)

在全球氣候變暖的大背景下，各地的氣候要素發生了顯著的變化。降雨作為氣象因子之一，主要受地形和氣流的影響。但降雨量的變化和分布有極大的不確定性，各地變化特征迥異[1-4]。水多、水少、水渾日益成為社會關注的熱點，嚴重制約著經濟社會的可持續發展，而且其持續累積會使土地資源退化、水資源耗竭、生態環境受到破壞，制約可持續發展[5,6]。同時，因旱澇災害而導致的損失和影響也越來越嚴重[6]。惡劣天氣條件尤其是極端降水會對山體穩定性造成威脅，極易引發山洪、滑坡，泥石流等自然災害。研究區域降水的變化，能更準確地揭示氣候變化對區域降水的影響[1,6]。了解不同尺度下降雨量的時空變化，對理解區域水文循環、研究氣候變化和防治洪旱災害等具有重要意義[7]。

江西雨量豐沛，河流水系發達。正確處理人與自然，人與水的關系，充分考慮水資源和水環境的承載能力，是江西在發展中面臨的重要機遇和挑戰[7]。贛江為江西省第一大河，贛江是鄱陽湖流域的最大支流，是江西的黃金水道，也是全國水運主通道之一。錦江是贛江下游左岸一級支流，古名笛河，錦河之名始于晉末。據史書記載，錦江中下游從1647年到1858年，先后發生大洪水8次，以1809年(嘉慶十四年)最嚴重。1913年洪水最大。建國后，錦江下游高安城區1973年發生超20年一遇洪水，過警戒水位2.58 m；1978年又發生最為嚴重的旱災，受災面積占流域面積12%，經濟損失超2 000 余萬元。因此，對錦江流域降雨變化特征進行研究，對了解丘陵區降水的歷史演變規律、揭示區域氣候變化具有重要意義。為進一步探討長江流域水文氣候變化特征及演變規律奠定基礎，為長江流域水資源綜合開發利用、旱澇防治提供參考依據。

1 研究區域概況

錦江乃贛江第二大支流，發源于贛湘兩省交界的幕阜山脈東麓，自西向東流經袁州、萬載、上高、宜豐、高安、豐城、新建(縣、市、區)等地，于南昌市新建縣市汊對岸注入贛江，全長307 km[5,7]。錦江流域(114°00′～115°39′E，27°59′～28°23′N)，集水面積7 886 km2，呈狹長狀，整體地勢為西北高東南低，山脈走向多為東西走向，流域內河網密布、水系發達，上游河段為源頭至宜豐縣石市鎮，為低山區，中游河段為石市鎮至高安市區，多丘陵，下游河段為高安市區至新建縣龍王廟，為平原區[5-7]；流域南靠袁水，西毗淥水，北臨修河、遼河，東入贛江。錦江流域屬亞熱帶季風氣候區，濕潤溫和，四季分明、降水充沛，無霜期長，流域多暴雨，西北部地區乃江西省的暴雨區，土地利用類型主要以林地和水田為主，且存在不同程度的水土流失[5-7]。

2 資料與方法

2.1 資料來源

文中降水資料均來自長江水利委員會編撰的水文資料年鑒，為了保證降水資料的連續性及代表性，最終選取了錦江流域的9個雨量站1957-2013年逐日降水資料(見圖1)。選用的降水資料也經過多次審核，檢驗其異常值，保證了數據分析的可靠性及一致性。根據當地的流域狀況及氣候特征，可將錦江流域分為上、中、下游流域，文中的上游站點為危坊站，中游站點為宜豐站、滄上站、上高站、村前站、高安站，下游為鄧埠站、松湖街站、市汊站[7]；季節的劃分為：春季(3-5月)，夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-次年2月)[1]。

2.2 研究方法原理

(1)線性趨勢法是一種簡單常見的趨勢分析方法，能直觀的展現數據趨勢變化；即采用線性擬合的方法，把氣候要素的變化轉換成時間i的一元線性方程:

Yi=Ati+B

(1)

式中：A為回歸系數；B為回歸常數，以最小二乘法確定A、B的值，采用回歸系數A的數值來描述趨勢變化快慢的程度[2]。

(2)Mann-Kendall趨勢檢驗法屬于非參數檢驗，被廣泛運用于水文時間序列的趨勢特征分析，可以用來判斷趨勢變化是否具有顯著性。

在Mann-Kendall趨勢檢驗法中，設時間序列數據(x1，x2，…，xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本。

(2)

其中：

(3)

Z=

(4)

式中：Z的正負表示該序列的增減趨勢，Z的絕對值在分別不小于1.64、1.96、2.58時表示通過了0.1、0.05、0.01的顯著性檢驗[2,3]。

(3) Pettitt突變檢驗法與M-K趨勢檢驗法相似，假設時間序列數據(x1，x2，…，xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本。

(5)

其中：

(6)

可見，這里的秩序列S是第i時刻大于或小于第j時刻數值個數的累積個數。

若t0時刻滿足：

Kt0=max|S|

(7)

則時間t0為突變點

計算其統計量：

P=2exp[-6Kt0(n3+n2)]

(8)

當P分別不大于0.1、0.05、0.01檢驗臨界值時，則序列發生了顯著突變。

(4)累計距平是一種可以用來判斷突變時間的簡便方法，可以利用其曲線的上下起伏來判斷其突變發生的大致時間。對于序列某一刻的累計距平值為：

(9)

將全部的累計距平值計算出來，即可繪制累計距平曲線，再用其曲線判斷出其突變時間的大致范圍，還可以用其判斷變化趨勢[2]。

(5)小波分析法對處理具有偏態特性的水文數據時間序列具有獨特的優點，能夠從時、頻域上準確揭示序列細微的變化特征，小波方差可以更加準確地判斷出水文數據序列存在的主周期及不同時間尺度的震蕩強度[4,8]。

3 結果與分析

3.1 錦江流域年降水量基本特征

統計上中下游及流域面降雨量的均值、傾向率、最大值、最小值、變差系數作為特征值，結果表明(表1)，流域的多年平均降水量為1 617.5 mm，空間分布為上游到下游遞減的趨勢，降水量在上中下游及流域面上均呈現出上升趨勢，其中上升趨勢最顯著的為下游流域，其多年變幅每10 a為15.64 mm，上升趨勢最緩慢的為上游流域，其多年變幅10 a僅為0.34 mm，流域面上的降水變化趨勢每10 a為9.59 mm，主要受中下游的降水變化的影響，在統計年限內，年降水量最大值出現在上游流域(2 408.5 mm)，最小值出現在下游流域(1 021.1 mm)，錦江流域屬亞熱帶季風氣候，冬季受蒙古或西伯利亞冷高控制，盛行西北風，夏季多為副熱帶高壓控制，盛行西南風，春夏之交，冷暖氣團交綏于境內，形成梅水連綿[9]，錦江流域上游地區偏西，受季風影響比較強烈，流域降水較多，下游地區偏東，受季風影響減弱，降水相對較少。從降水量變差系數看，變化趨勢最為激烈的是下游的年降水量，變差系數為0.19，變化趨勢較為平緩的為中游流域，變差系數較為0.16。

表1 錦江流域1957-2013年各地區年降水量特征

3.2 錦江流域年降水量年代際變化

統計上中下游及流域面降雨量的不同年代模比值，結果表明(表2)，在流域面上，20世紀90年代是錦江流域降水較多的年代，其模比值達到了1.09，其上中下游流域亦為統計年限內模比值的最大值，流域面上的年降水量呈現“偏少-偏多-偏少”的變化趨勢，中游流域的變化趨勢與之相同，上、下游流域卻與之不同，上游流域的變化趨勢為“偏多-偏少-偏多-偏少”，下游流域為“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少”的波動性變化趨勢。

表2 錦江流域1957-2013年各地區降雨量年代變化特征

注：模比值=年段均值/多年均值[8]。

3.3 錦江流域季降水量基本特征

整體來看，各季降水量最多的為上游流域，下游流域的各季降水量均為最少，各季降水量的空間分布大致都為上游到下游歷經降水量遞減的變化趨勢，各地的降水量主要集中在春季，其次是夏季、冬季，秋季降水量最小。從表3可以看出，錦江下游流域春季降水占全年降水量的40.39%，而秋季降水只占全年降水量的11.83%，夏季、秋季、冬季在不同區域均呈現出上升趨勢，其中增幅最多為中游流域的夏季降水，其增幅每10 a為24.46 mm，春季降水在不同區域均呈現下降趨勢，下降幅度最大的為上游流域，其減少的幅度每10 a為-20.91 mm。多年平均的降雨集中期主要集中在4-6月，與錦江流域所處氣候環境相吻合，此段時間正值江南梅雨季節，降雨量較豐富。

表3 錦江流域1957-2013年各地區季降水量所占百分比及傾向率統計表

注：帶*表示通過了Mann-Kendall趨勢檢驗0.1的顯著性水平。

3.4 錦江流域各區域逐月分布規律

對比錦江流域各區域及流域面上的逐月降水百分比可以看出，降水量主要集中在4-6月，這4個月降水量占年降水量的45.72%左右，6月份是降水量最大的月份(15.74%)，而9-12月的降水量所占比例較小(22.22%)，這與季節降水分配較為符合，各地區的各月份降水量所占百分比與流域面上相差不大。

3.5 錦江流域各區域突變分析

錦江流域各地區的年和季節降水量的突變分析分別采用Pettitt突變分析(表4)和累積距平(圖3)進行綜合分析，從表4可以看出，春季、夏季、秋季的突變較為一致，分別為春季(1984年)、夏季(1991年)、秋季(1980年)，其中中游流域的夏季突變通過了0.1顯著性水平。年降水量及冬季降水量在不同區域的突變值較為分散。由于Pettitt突變分析只能檢驗出一個突變點，所以本文加以累積距平綜合分析，從圖3可以看出，年降水量(a)其上中下游及流域較為明顯的同一突變點為1991年，春季降水量(b)較為明顯的同一突變點為1984年，夏季降水量較為明顯的同一突變點為1991年附近，秋季降水較為明顯的同一突變點為1980年、1991年、1996年，冬季降水較為明顯的同一突變點為1986年。

圖2 錦江流域各區域1957-2013年月降水量所占百分比

表4 錦江流域各區域1957-2013年Pettitt突變統計表

注：帶*表示通過0.1的顯著性水平。

3.6 錦江流域各區域周期分析

選用Morlet小波分析對錦江流域上中下游及流域面上的1957-2013年年降水量序列實行一維連續小波變換，并分別繪制出小波方差圖(圖4)。結果表明，錦江流域1957-2013年降水量明顯的主周期性，不同區域的年降水量的主周期均為31 a，次周期分別為流域(13 a)、上游流域(14 a)、 中游流域(11 a)、下游流域(12 a)，但均不明顯。

圖3 錦江流域各區域1957-2013年累積距平圖

圖4 錦江流域各區域1957-2013年小波方差圖

4 結 論

(1) 流域面上多年平均年降水量為1 617.5 mm，空間分布為從上游到下游遞減的特征，且每10 a以9.59 mm的趨勢上升，其上升趨勢主要受到中下游的影響，在流域面上20世紀90年代是錦江流域降水較多的年代，其模比值達到了1.09，年降水量呈現“偏少-偏多-偏少”的變化趨勢，中游流域與之相同，上、下游流域為波動性變化。

(2) 季節降水量最多的為上游流域，下游流域最少，各季的空間分布大致都為上游到下游歷經遞減的變化趨勢，各地的降水量主要集中在春季，其次是夏季、冬季，秋季降水量最小。夏季、秋季、冬季呈上升趨勢，春季降水呈下降趨勢，其中上游流域的春季降水量、中游流域的春、夏兩季降水量均通過了Mann-Kendall趨勢檢驗0.1的顯著性水平。

(3)逐月降水量主要集中在4-6月，占年降水量的45.72%左右，6月降水量最大，而9-12月的降水量所占比例較小，這與季節降水分配較為符合，各地區各月份所占降水百分比與流域面上相差不大。

(4)春季、夏季、秋季的突變較為一致，分別為春季(1984年)、夏季(1991年)、秋季(1980年)，其中中游流域的夏季突變還通過0.1顯著性水平。年降水量及冬季降水量在不同區域的突變值較為分散。而從累積距平分析，年降水量(a)其上中下游及流域較為明顯的同一突變點為1991年，冬季降水較為明顯的同一突變點為1986年。秋季降水較為明顯的同一突變點除了1980年外，還有1991年、1996年，

(5)錦江流域1957-2013年降水量的周期性變化，不同區域的年降水量的主周期較為明顯，均為31 a；次周期為13 a左右，不明顯。

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