贛江流域1966-2015年降水量多尺度時空變化特征分析

魯向暉, 張海娜, 胡羊羊

(1.南昌工程學院 江西省樟樹繁育與開發利用工程研究中心, 南昌 330099;2.南昌工程學院 水利與生態工程學院, 南昌 330099; 3.南昌工程學院 瑤湖學院, 南昌 330099)

IPCC第4、5、6次評估報告均指出全球氣候變化環境下，陸面降水模式發生重大改變。全球的降水量在較長的時間尺度上隨著氣溫的升高而增加，大部分地區干濕兩季的降水量呈增大趨勢；全球降水量在空間上的差異顯著，未來一段時間內中、高緯度的降水量可能增加，且濕潤地區與干旱地區的降水量差異將進一步增大；在熱帶及中緯度的陸地區域，極端降水的出現頻率將增大[1-3]。已有研究者對全球氣候變化背景下的不同區域降水變化格局進行了分析：孫秀博等[4]研究表明，全國在20世紀60—80年代和2000年以來處于少雨期，20世紀90年代為多雨期；王潤等[5]利用文獻綜述法和CMIP5中的模式數據對漢江流域1961—2049年降水量變化進行了研究，發現漢江流域過去50年及未來的30年內，降水無顯著的變化趨勢；張宏利等[6]運用累積距平曲線與信噪對比法對渭河流域時間尺度的降水特征進行了研究，近50 a降雨量具有明顯的階段性，但年降水量未發生突變；王利娜等[7]對海河流域近50 a降水量時空變化特征研究得出，海河流域年降水量呈小幅增大趨勢，且四季變化不一致；王秀娜等[8]利用1960—2017年河西地區日降水量資料分析結果認為，小雨降水日數增加但降雨強度呈下降趨勢，小到中雨降水日數及強度均有增加趨勢。已有的研究結果均表明，受全球氣候變化的影響，區域降水量的空間分布格局也將會發生改變，且不同區域的變化趨勢各不相同，目前尚未有贛江流域降水量受全球氣候變化影響的特征研究，因此，本研究的開展，對于指導贛江流域農業生產應對全球氣候變化、制定預防氣候變化危害具有重要意義。

贛江是鄱陽湖流域的最大支流，是江西省土壤侵蝕最為嚴重的流域。近年來贛江流域季節性干旱頻發，對農業生產及社會發展產生了較大的影響[9]，而降水量的時空演變則是影響贛江流域水土流失狀況及季節性干旱災害重要因素之一。本文以贛江流域1966—2015年的多站點逐日降水量資料，采用時間序列經典數理統計方法分析近50 a來降水量時空分布特征，揭示贛江流域降水量的變化規律，為水土保持措施布局和預防季節性干旱提供依據。

1 研究區概況

贛江流域面積為83 500 km2，占鄱陽湖流域面積的51.5%，流域東西寬度平均為148 km，南北最長550 km，流域形狀為不規則四邊形(圖1)。地貌類型主要有山地、丘陵、低丘、平原及水域，分別占流域面積的43.9%，20.8%，31.5%，3.9%。研究區地處亞熱帶濕潤季風氣候區，春夏主要是梅雨季節，秋冬兩季降雨量較少，四季分明，無霜期較長，年降雨量處于1 400～1 800 mm，多年平均降雨量1 643.75 mm(1966—2015年)，多年平均氣溫為17.8℃，多年平均蒸發量1 550 mm。據《江西河湖大典》資料顯示，贛江流域歷史上特大旱災發生在1963年、1978年、1986年、1991年，近期主要大旱災主要發生在2003年、2004年、2007年、2009年、2011年。

圖1 贛江流域氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資 料

分析資料為贛江流域內及其周邊27個氣象站1966—2015年日降水量數據，其中位于流域內的站點11個，位于流域周邊的站點16個(圖1)。資料來自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn)。本文中有15個站點在2014年5月存在1～6日的數據缺失(絕大部分缺失兩天)，但由于占比較小(<0.1%)，因此將缺失的日雨量按0計算。

2.2 方 法

降水量的年際變化趨勢采用一元線性回歸和Mann-Kendall(M-K)法分析[10]。降水量階段性分析采用累積距平法進行，采用克里金插值法(Kriging)對降水量空間變化進行分析。贛江流域季節劃分時間為：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)，汛期指4—9月。由于一元線性回歸、累積距平等方法已在時間序列分析中廣泛使用，具體計算方法本文不在贅述。

采用Matlab小波分析工具箱中的Morlet小波為母函數對降水時間序列進行分析[11]，找出降水量變化的主要特征。本文先對降水資料作標準化處理，再進行小波分析，以降低噪聲影響。

3 結果與分析

3.1 降水量年際變化

贛江流域1966—2015年多年平均降水量為1 643.75 mm；汛期為1 120.13 mm，占年降水量的68.2%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量為633.90，567.09，221.81，220.95 mm，分別占年降水量的38.6%，34.5%，13.5%，13.2%(表1)。秋季和冬季降水量的極值比和變異系數較大，年降水量的極值比和變異系數值最小，表明秋季和冬季的降水量年際波動劇烈，而年均降水量波動較小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量的M-K檢驗統計量均大于0但小于1.96，表明贛江流域1966—2015年的年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不顯著的增加趨勢；春季降水量M-K檢驗統計量小于0且大于-1.96，表明春季降水量呈不顯著的減少趨勢。

表1 贛江流域1966-2015年不同時間尺度降水量變化特征值

線性回歸分析顯示，年、汛期、夏季、秋季和冬季的降水量增加速率分別為1.74，0.81，1.69，0.40，0.34 mm/a，春季的降水量減小速率為0.69 mm/a(圖2)。5 a滑動平均值曲線顯示：年尺度上，贛江流域近50 a的年降水量在1966—1990年波動較小，而1991年之后波動較大，總體呈增加趨勢。夏季和汛期降水量都在1991年以后出現較大波動變化，呈現上升趨勢；春季、秋季、冬季降水量年際變化波動較小，其中，春季呈現出減少趨勢，秋季和冬季呈現出增加趨勢，但變化趨勢均不顯著。

圖2 贛江流域1966-2015年不同時間尺度降水量年際變化

對研究區域中涉及到的27個站點年降水量變化趨勢分析顯示，大部分站點呈現增加趨勢，且顯著增加的站點數達12個(44.4%)，顯著減少的站點僅3個(11.1%)；汛期降水量以不顯著增加趨勢為主，站點達18個，占比66.7%；春季降水量不顯著增加和顯著增加的站點相同，各有13個，各占比48.1%，無顯著減少的站點；夏季、秋季和冬季降水量均以不顯著減少為主，三者站點分別為16，13，14個，占比分別為59.3%，48.1%，51.9%(圖3)。

圖3 贛江流域1966-2015年各站點不同時間尺度降水量變化趨勢統計

3.2 降水量的階段性變化

贛江流域1966—2015年降水量具有明顯的階段性特征，對不同時間尺度降水量進行累積距平分析(圖4)，以持續5年以上的變化為基準，除秋季降水量無明顯階段性(整體表現為隨機波動)外(圖4E)，其他時間尺度降水量均具有明顯的階段特征。

春季和夏季可分為4個階段(表2)，但時間存在差異。春季第一階段1966—1979年，無明顯階段性變化，第二階段1980—1984年呈現上升趨勢，第三階段1985—2006年無明顯階段性變化，第四階段為2007—2016年，為先波動下降后上升趨勢(圖4C)；夏季4個階段為1966—1977年、1978—1992年、1993—2002年和2003—2015年，其中1966—1977年和2003—2015年兩個階段均無明顯階段性變化，1978—1992年和1993—2002年兩個階段分別呈現為降低和上升趨勢(圖4D)。冬季可分為3個階段，為1966—1987年、1988—1997年和1998—2015年，分別對應無明顯階段性變化、波動上升和波動下降趨勢(圖4F)。年、汛期、夏季的降水變化趨勢有一定的相似性。

圖4 贛江流域1966-2015年不同時間尺度降水量累積距平曲線

年和汛期降水量可分為4個階段(表2，圖4A—B)，第一個階段1966—1984年，其中年降水量表現為平水特征，而汛期降水量在該階段呈上升趨勢，表現為豐水特點；年降水量第二階段為1985—1991年，汛期降水量第二階段為1985—1992年，降水量均有所下降，對應枯水特征；年降水量第三階段為1992—2002年，汛期降水量第三階段為1993—2002年，該階段二者降水量增加，為豐水階段；第四階段2003—2015年，降水量減少，為枯水階段。

表2 贛江流域1966-2015年不同時間尺度降水量階段特征

3.3 降水量的周期變化

對贛江流域1966—2015年降水量進行小波分析，年降水量具有8，22，32 a的主變化周期(圖5A)，短周期變化劇烈，長周期變化較為穩定，且存在4個降水周期豐枯交替年時間序列，分別為1974—1980年、1986—1990年、1996—2001年、2004—2011年。汛期降水量具有10，24，32 a的主變化周期，長周期及短周期變化均具有明顯的規律性，有4個豐枯交替年時間段(圖5B)：1974—1978年、1988—1990年、1996—2002年、2004—2010年。春季降水量具有14，20，26 a的主變化周期(圖5C)，長周期變化呈現不規律性，短周期變化波動不大，有1個豐枯交替年時間序列，即1984—1988年。夏季降水具有26，30 a的主變化周期(圖5D)，整個時間序列的周期性變化規律性不明顯，有主要兩個豐枯交替年時間段：1986—1992年、1994—1998年。秋季降水量具有7，14，20，30 a的主變化周期(圖5E)，長周期變化具有明顯的不穩定性，短周期變化不顯著，具有多個豐枯交替年時間段：1970—1980年、1988—1992年、1994—1996年、2000—2004年、2006—2012年。冬季降水量的主變化周期不明顯，降水量在近50 a內變化不大，不存在豐枯交替年時間序列(圖5F)。

圖5 贛江流域1966—2015年不同時間尺度降水量小波系數等值線

3.4 降水量空間分布

贛江流域1966—2015年年均降水量呈現明顯的南部少、北部多的分布特征，宜豐、永豐、寧都一線以東是降水偏多區域(圖6A)。整體上，降水量少于多年平均值(1 643.75 mm)的地區占大多數，大于1 700 mm的地區極少，贛州及其周邊地區降水量是全省最小的區域。汛期降水的空間分布總體上呈中部及西部地區少，東部、南部及北部外圍地區多的分布特征(圖6B)。比較年降水量和汛期降水量的空間分布圖發現，贛江流域降水量在這兩個時期的空間分布具有一定的相識性。

春季降水的空間分布與全年降水的空間分布有一定的相似性，呈現南少北多的分布特征(圖6C)，這也和春季降水量占全年比重較多有關(表1)。總體上春季降水量以600～700 mm居多，主要分布于中部地區，春季的降水空間呈現不均勻分布。夏季降水的空間分布是全年中分布最均勻的一個季節(圖6D)，降水量主要集中在550～600 mm，僅贛州站及其周邊區域降水量處于500～550 mm，因此，夏季降水空間分布相對均勻，且波動不大。秋季和冬季降水量各站點相差不大，但兩個季節的空間分布情況有所不同(圖6E和6F)；秋季降水空間分布呈南北兩端少，中部地區相對較多的格局；冬季降水空間分布則是呈由南向北逐步遞增的趨勢?？傮w上，贛江流域降水量在4個季節的空間分布特征表現出明顯的差異。

圖6 贛江流域1966-2015年不同時期降水量空間分布

贛江流域降水空間分布的形成與多個因素有關，降水量與經度、緯度以及海拔的偏相關分析表明(表3)，除秋季降水量外，其他尺度降水量均與經度顯著相關；而只有年降水量與緯度顯著相關；表明經度是影響贛江流域降水量空間分布的主要地理主軸。海拔對降水量亦有較大的影響，年、汛期和秋季降水量均呈顯著的相關性，偏相關系數0.6以上，達極顯著水平。

表3 1956-2015年贛江流域27個氣象站點不同

4 結 論

(1) 贛江流域1966—2015年多年平均降水量為1 643.75 mm；汛期為1 120.13 mm，占年降水量的68.2%；春季、夏季、秋季、冬季的平均降水量為633.90，567.09，221.81，220.95 mm，分別占年降水量的38.6%，34.5%，13.5%，13.2%。秋季和冬季的降水量年際波動劇烈，而年均降水量波動較小。年、汛期、夏季、秋季和冬季降水量呈不顯著的增加趨勢；春季和冬季的降水量呈不顯著的減少趨勢。贛江流域27個雨量站點年降水量顯著增加的站點數達12個，顯著減少的站點僅3個；汛期降水量以不顯著增加趨勢為主，站點達18個；春季降水量顯著增加的站點有13個，無顯著減少的站點；夏季、秋季和冬季降水量均以不顯著減少為主，站點分別為16，13，14個。

(2) 1966—2015年贛江流域降水量變化在年、汛期、夏季、秋季與春季、冬季分別呈不顯著的增加與減少趨勢(p>0.05)；贛江流域不同時間尺度的降水量均具明顯的階段性，年和汛期降水量均可分為1966—1984年(豐水)，1985—1991年(汛期為1992年)(枯水)，1992(汛期為1993年)—2002年(豐水)和2003—2015年(枯水)4個階段。春季和夏季降水量具有4個變化階段，冬季降水量具有3個階段的變化特征，而秋季降水量變化整體以隨機性為主。

(3) 贛江流域1966—2015年降雨量的主變化周期在年際為8，22，32 a，汛期為10，24，32 a；春季、夏季和秋季的降水量主周期分別為14，20，26 a和26，30 a以及7，14，20，30 a，而冬季降水無變化周期。

(4) 1966—2015年贛江流域的全年和春季降水量呈南少北多的分布格局；汛期和夏季降水量空間分布較均勻，無明顯的空間差異；秋季降水量呈南北兩端少、中部多的分布格局，而冬季降水量呈由北向南遞減的變化趨勢。不同尺度降水量受經度和海拔變化的影響較大，受緯度變化影響較小。