贛江上游章水流域極端降水時空變化特征

劉裕輝，劉惠英，盧怡詩

(南昌工程學院 水利與生態工程學院，江西 南昌 330099)

1 研究背景

降水是檢驗氣候變化、揭示氣候變化對生態環境響應的重要因子之一[1]。其時空變化特征及其對地表生態系統的影響是水文學和生態學的重要議題，已引起學術界的高度關注[2-3]。降水尤其是極端降水事件所引起洪水、滑坡、水土流失等的自然災害，已經直接或間接地對全球生態系統穩定及社會經濟發展造成嚴重影響，對極端氣候事件的研究已經成為了全球變化研究的重要課題之一[4-6]。目前，國內外學者在極端降水事件研究方面已經取得了大量成果[6-10]，時光訓等[11]利用M-K檢驗法、主成分分析等方法分析了長江流域14個極端降水指數的時空變化特征，發現強降水在鄱陽湖流域大部分區域呈顯著增加趨勢；任玉玉等[12]運用絕對閾值和相對閾值法對江西省近50年的極端降水事件進行研究，指出該地區極端降水事件的強度和頻率均有增加趨勢，高冰等[13]采用百分位閾值對鄱陽湖1961-2010年的極端降水事件進行研究，指出贛江流域的極端降水強度存在增大趨勢；吳丹瑞等[14]對贛南地區1956-2013年極端氣候研究，指出贛南地區極端降水事件正在加劇；王永文等[15]發現贛江上游章水流域1955-2015年降水量存在增加趨勢；目前學者們對于長江流域、鄱陽湖流域的極端降水研究[16-21]中缺乏對贛江西源頭章水流域的相關研究，且研究時選用的極端降水指數偏少，未能充分描述出區域極端降水的時空演變規律，對于極端降水未來持續性的研究還不夠深入[18]。本文采用線性趨勢、modified Mann-Kendall非參數檢驗法、累積距平法、Pettitt突變檢驗法、小波分析、Hurst指數分析和克里金插值等方法對贛江上游章水流域12個分別由絕對閾值法、相對閾值法、持續指標法[22]選取的極端降水指數的時空變化特征及未來趨勢進行分析，本研究對研究區域降水極值事件的時空變化特征與未來持續性具有重要意義，并可為長江流域資源的開發與保護提供科學的參考依據。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區概況與數據來源

贛江是鄱陽湖水系的最大支流，長江的八大支流之一，贛州市以上為其上游區域，有東、西兩源，即西源章水、東源貢水[23]。西源章水是贛江上游左岸一級支游，位于羅霄山脈東南面(113°43′～115°00′E,25°15′～26°12′N)。流域跨越江西、湖南兩省7個縣(市、區)，南接桃江和珠江流域，北毗遂川江流域，西鄰洞庭湖水系，東入贛江[23-25]，總集水面積7 683 km2。章水發源于崇義縣聶都鄉，干流自西南向東北流經崇義、大余、南康、章貢4縣(區)，全長230 km；上猶江是章水的最大支流，發源于諸廣山脈東側，長204 km，集水面積4 647 km2，于南康區三江口并入章水；章水在贛州市八鏡臺左岸與貢水匯流始稱為贛江[15,24]。流域地貌以丘陵和低山為主，西南高，東西低，邊緣巖層為變質巖[24]，河流多數起源于邊緣山脈，且河流密布，共有各級支流500多條，為混合水系，山間河谷發育良好，大小盆地散落其間[23-25]。流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，年均水面蒸發量1 060 mm，年均氣溫18.7℃，無霜期長，多暴雨，是江西省的四大暴雨中心之一[15,23-25]。

本文所用的日降水資料均來源于長江水利委員會編撰的水文資料年鑒，考慮到數據序列的連續性和完整性，舍棄了建站較晚的站點后最終選取了1957-2016年章水流域內具有代表性的15個雨量站點逐日降水資料。選用的日降水數據在進行極端降水指數計算前，已經進行過多次的嚴格審核及一致性檢驗，篩查數據中的異常值。章水流域水系、地形和雨量站點分布見圖1。

2.2 研究方法

2.2.1 指數選取 對于極端降水事件的研究方法很多，一般有絕對閾值法、相對閾值法及持續性指數[22]。根據我國氣候特征，絕對閾值通常選取大雨及以上的事件為極端降水事件，而由于流域的大暴雨事件較少，故將極端降水僅分為大雨和暴雨兩種，將大暴雨劃分至暴雨中，共選取了大雨量(P25)、大雨日數(R25)、暴雨量(P50)、暴雨日數(R50)4個極端降水指數。同時研究發現，我國地域之間氣候差異明顯，僅采用絕對閾值法定義會與實際情況產生偏差。因此亦采用了國際上通用的百分數閾值法，即相對閾值法，取95%、99%作為極端降水事件的閾值，共選取了強降水量(R95p)、強降水貢獻率(R95t)、極強降水量(R99p)、強降水貢獻率(R99t)4個極端降水指數，其具體算法參照文獻[26]。除此之外，還根據持續性指數法選取了最大濕潤天數(CWD)、最大干旱天數(CDD)、年最大日雨量(RX1)和年連續5日最大雨量(RX5)極端降水指數[27]，利用這些極端降水指數能夠充分對區域極端降水事件進行分析。各極端降水指數及其定義見表1。

圖1 章水流域水系、地形和雨量站點分布

表1 各極端降水指數的類型、名稱及定義

2.2.2 研究方法

(1) 趨勢分析。采用線性趨勢及modified Mann-Kendall(MMK)非參數趨勢檢驗法進行趨勢分析，線性趨勢被廣泛運用到水文時間序列的趨勢特征分析中[28]；目前的研究很少考慮到降水數據之間存在的自相關性，而MMK非參數趨勢檢驗法首先對原數據的自相關性進行處理后再進行計算，并且在計算過程中考慮了序列中出現數據相同的狀況，其原理見參考文獻[29]。

(2) 突變分析。采用累計距平突變檢驗法、Pettitt法來檢測突變。累計距平突變檢驗法可以利用其曲線明顯的上下變化，診斷出其發生突變的大致時間[28,30]；Pettitt突變檢驗法只能檢測出一個突變點，并且判斷出突變點是否具有顯著性[31]。兩種方法同時進行突變檢驗，相互驗證，能有效地避免單個檢驗方法出現的局限性，提高突變點的確定性和可信度。

(3) 周期分析。采用小波分析法對周期變化進行研究，Morlet小波是非正交小波，具有良好的時頻域局部性。在對時間序列進行分析時，小波系數的實部變化可用來判斷數據的變化趨勢，小波方差隨尺度的變化過程可以用來判斷多長周期的振動強度，也可以用來確認某時間序列中主要存在的周期成分[28,32]。

(4) 持續性分析。未來持續性預測分析采用R/S理論進行研究，其中Hurst指數值的大小可用來判斷趨勢性成分的持續性及反持續性強度的大小。Hurst指數分級如表2所示[33]。

3 結果分析

3.1 極端降水指數的時間變化特征

3.1.1 極端降水基本特征 為了分析贛江上游章水流域1957-2016年不同類型下的12種極端降水指數的基本特征，統計在流域尺度上各極端降水指數的平均值、最大值、最小值及變差系數，統計結果見表3。

表2 Hurst指數分級表

由表3可知，章水流域多年平均大雨量(P25)和暴雨量(P50)達到767.80和302.94 mm/a，分別占多年平均年降雨量的49.42%和19.50%。大雨日數(R25)達到了17.86 d，暴雨日數(R50)達到了4.34 d。而強降水量(R95p)和極強降水量(R99p)分別為410.92 mm/d和139.16 mm/d，分別占年降雨總量的26.45%(R95t)和8.96%(R99t)。對比兩種不同閾值發現，章水流域日強降水強度大于25 mm/d，極強降水強度大于50 mm/d。因此導致兩種不同指數的年占比不一致，閾值指數的占比大于百分指數的占比。最大濕潤天數(CWD)和最大干旱天數(CDD)分別達到8.99 d/a和32.42 d/a，流域年最大日降雨量(RX1)為91.51 mm，連續5日最大雨量(RX5)達到164.10 mm，尤其是CWD與CDD的極大值分別為14.33、66.15 d，以上特征均表明章水流域是一個洪、旱頻發且洪、旱嚴重的區域。

表3 1957-2016年章水流域各極端降水指數的特征值

3.1.2 極端降水指數的變化趨勢 分別采用線性趨勢和MMK非參數檢驗法分析12個極端降水指數的年際變化趨勢。1957-2016年章水流域各極端降水指標的年際變化趨勢見圖2。圖2顯示，閾值指數的P25、R25、P50、R50均表現為不顯著性的上升趨勢，其變化率分別為11.36 mm/10a、0.27 d/10a、2.60 mm/10a和0.06 d/10a(圖2(a)～2(d))；除P50的最大值為1961年外，P25、R25、R50的最大值均為2016年，而所有閾值指數的區域平均最小值均為1963年。百分指數的R95p、R95t呈不顯著上升趨勢，其變化率分別為4.46 mm/10a和0.14 %/10a(圖2(e)～2(f))；R99p、R99t整體呈現不顯著性的下降趨勢，其傾向率分別為-1.62 mm/10a、-0.11%/10a；R95p、R95t的最大值出現在2016年，而R99p、R99t的最大值出現在1961年，最小值與閾值指數相同，均出現在1963年(圖2(g)～2(h))；除了CWD傾向率為0.09 d/10a，呈現不顯著的上升趨勢外，其他絕對指數CDD、RX1、RX5的傾向率分別為-0.57 d/10a、-0.72 mm/10a、-0.42 mm/10a，均表現為不顯著的下降趨勢，其最大值出現的時間各不相同，分別為1994年(CWD)、2007年(CDD)、1961年(RX1)、2002年(RX5)，RX1、RX5的最小值均為1963年，CWD為2004年、CDD為2002年(圖2(i)～2(l))。綜上所述，閾值指數、百分指數的R95p、R95t及絕對指數的CWD均呈現不顯著的上升趨勢，而其余5個指數為不顯著的下降趨勢，所有指數均未通過modified Mann-Kendall(MMK)非參數趨勢檢驗法的α=0.05顯著性水平檢驗。P50、R99p、R99t 、RX1的區域平均最大值均出現在1961年，而P25、R25、R50、R95p、R95t均為2016年，所有閾值指數和百分指數、絕對指數的RX1、RX5的區域平均最小值均為1963年。

3.1.3 極端降水指數的突變檢驗 為分析贛江上游章水流域1957-2016年不同類型的12種極端降水指數(區域平均值)的突變年份，選擇累積距平和 Pettitt法兩種方法進行突變檢驗。Pettitt法可以檢驗突變點是否具有顯著性，而累積距平可用于序列整體的變化趨勢檢測。

圖2 1957-2016年章水流域各極端降水指標的年際變化趨勢

用累積距平和Pettitt法對12個極端降水指數進行檢測，對突變結果進行對比發現：大雨量(P25)和大雨日數(R25)的突變發生在1991年；而暴雨量及日數(P50、R50)、強降水量及貢獻率(R95p、R95t)、極強降水量及貢獻率(R99p、R99t)共6個指數的突變均發生在1985年；而CDD和RX5的突變分別發生在1996和1965年，CWD和RX1的突變分別發生在1989和1992年。雖然各指數突變年份不一，但總體來看，大強度降雨突變發生在1985年前后。而絕對指數類在20世紀90年代先后發生了突變。但所有的突變均不顯著。

3.1.4 極端降水指數的周期變化 對1957-2016年研究流域12個極端降水指數進行Morlet小波分析，結果見圖3。圖3表明，所有的極端降水指標普遍存在33～34 a的變化周期，其變化大致為“偏多-偏少-偏多”，且其震蕩周期表現最為顯著，振幅最強。除了33～34 a的第一主周期外，閾值指數的P25、R25及絕對指數的CWD均存在較為顯著的14 a震蕩周期，其歷經了7個“偏多-偏少”的周期變化，而閾值指數的R50及百分指數的R95p則存在較為顯著的9 a震蕩周期，其歷經了11個“偏多-偏少”的周期變化，百分指數的R95t、R99p、R99t和閾值指數的P50及絕對指數的CDD、RX1、RX5則存在較為顯著的20 a震蕩周期，其歷經了5個“偏多-偏少”的周期變化。不同類型的各極端降水指數的變化周期均是以1988年為中間軸呈左右對稱的分布狀況。

3.1.5 極端降水指數的未來持續性 對研究區各極端降水指數的未來趨勢采用線性趨勢與Hurst指數相結合的方法進行預測，各極端降水指數的時間變化特征及持續性分析見表4。結果發現閾值指數的P25、R25具有很弱的反持續性強度，即P25、R25的未來趨勢可能與過去不同，其增加趨勢將可能減弱，R95p、CWD、CDD具有很弱的持續性強度，P50、R50、R99p、CDD具有較弱的持續性強度，R95t、R99t及RX5具有較強的持續性強度，表明這些指數的未來趨勢將與過去趨勢相同，百分閾值的R99p、R99t及絕對指數的CDD、RX1、RX5的減少趨勢將更為顯著，閾值指數的P50、R50、百分指數的R95p、R95t及絕對指數的CWD的增加趨勢將更為顯著。

圖3 1957-2016年章水流域各極端降水指標的小波變化實部值分布

表4 各極端降水指數的時間變化特征統計及持續性分析

3.2 極端降水指數的空間特征

3.2.1 極端降水指數的空間分布 對贛江上游章水流域各站點的12種端降水指數(多年平均值)的空間分布特征采用ArcGIS10.1軟件的普通克里金法進行插值分析[34]，如圖4所示。由圖4可看出，閾值指數的高值中心均在章水流域西南區域的內良站附近，低值區域主要分布在流域的東部區域田頭-麻桑-贛州一帶，所有閾值指數的整體空間分布大致相同，均為由西南向東北遞減；百分指數的R95p高值中心也在章水流域西南區域的內良站附近，整體空間分布與閾值指數相同，而R95t的高值區域為東南區域，低值中心為西北區域的鵝形站附近，空間分布為由東南向西北遞減，R99p的高值區域為流域西部區域，低值區域與閾值指數大致相同，整體空間分布為內良-文英-鵝形一帶向兩邊遞減，其極強降水量為西多北少，R99t的空間分布大致與R95t相同，其高值區域位于為東南區域，低值中心為西北區域的鵝形站附近；絕對指數的CWD的高值中心為流域西南區域的內良站附近，低值區域位于流域的東部區域，整體空間分布為從西向東呈現遞減趨勢，而CDD的高值區域位于流域東南邊緣區域，低值區域為流域西北區域的鵝形站一帶，整體空間分布為由東南向西北區域遞減，RX1的高值區域有兩個，分別是西南區域的內良-河洞一帶及西北區域的鵝形站附近，其低值區域與閾值指數相同，整體空間分布為兩個高值區域向低值區域遞減，RX5的高值區域與RX1相似，低值區域亦位于流域東部的田頭-贛州一帶，空間分布與RX1相似。

圖4 1957-2016年章水流域極端降水指標多年平均值的空間分布

3.2.2 極端降水指數的空間變化 將1957-2016年研究流域各極端降水指數變化趨勢的空間分布特征采用線性趨勢的傾向率及MMK非參數檢驗法的Z值(α=0.05)進行分析，結果見圖5。圖5表明，所有閾值指數站點趨勢以上升趨勢為主，這與流域均值的多年趨勢檢驗一致，其中呈現上升趨勢的站點比例為66.7% (P25)、53.3% (R25)、66.7% (P50)、80% (R50)，主要集中在流域東南部部分區域，其中P25的內良站呈明顯上升趨勢且具有顯著性。R25有4個站點具有明顯上升趨勢，且其中3個站點具有顯著性，R50的鵝形站呈現明顯下降趨勢且具有顯著性，窯下壩(二)站也具有顯著下降趨勢。百分位指數除了R95p的站點趨勢以上升趨勢為主外，其余指數的站點呈現正負趨勢的數目差別不大，只有R99p的兩個站點存在明顯的下降趨勢，且其中的樟斗站具有顯著性，其中R95p、R99t呈上升趨勢的站點主要分布在流域的西南區域及下游的東北區域。絕對指數的CWD與RX5的站點趨勢以上升趨勢為主，且兩者呈上升趨勢的站點主要分布在流域的西南部區域及東部區域，而CDD與RX1站點趨勢以下降趨勢為主，CDD呈現下降趨勢的站點主要分布在流域的中部區域，而RX1主要分布在流域內的大部分區域，只有流域東南部的邊沿區域呈現上升趨勢，其中CDD有兩個明顯下降的站點且其中的內良站具有顯著性，RX1也有兩個明顯下降的站點且其中的樟斗站具有顯著性。

4 結 論

本文采用趨勢、突變、周期、Hurst指數、克里金插值等方法對1957-2016年贛江上游章水流域不同類型的12個極端降水指數的時空變化特征及未來持續性進行分析，主要結論如下。

(1)所有的閾值指數(P25、R25、P50、R50)均呈上升趨勢，但P25、R25的上升趨勢將可能減弱，而P50、R50的上升趨勢將得到加強；百分指數的R95p、R95t呈上升趨勢，而R99p、R99t卻呈下降趨勢，并且兩者的趨勢將得到加強；絕對指數中，除CWD呈上升趨勢外，其余指數(CDD、RX1、RX5)均呈下降趨勢，且所有絕對指數的過去趨勢在未來將得到加強，所有極端降水指數的過去趨勢均不具有顯著性。

(2) 所有的極端降水指數在1957-2016年均未發生顯著的突變，但是大強度降雨在1985年前后有較明顯的變化。

(3)所有的極端降水指標普遍存在33～34 a的變化周期，其變化大致為“偏多-偏少-偏多”，且其變化周期均是以1988年為中間軸呈左右對稱的分布狀況。

(4)所有的閾值指數、百分指數的R95p及絕對指數的CWD、RX1、RX5的高值中心均在章水流域西南區域的內良站附近，低值區域主要分布在流域的東部區域，且其空間整體分布大致相同，均為由西南向東北遞減；而極端降水貢獻率卻是由東南向西北呈現遞減趨勢，CDD是從東向西呈現遞減趨勢。多數極端降水指數的高值中心(內良站)呈上升趨勢，低值的流域東部呈現下降趨勢。