贛江上游平江流域近30年不同量級降雨時空分布特征

劉聲洪, 劉惠英, 羅萍, 朱俊杰, 蘭盈盈

(南昌工程學院 水利與生態工程學院, 南昌 330099)

在全球變暖的背景下，我國降雨結構發生了明顯地變化，不同強度降雨雨量和雨日變化趨勢表現出不同的空間分異格局[1]。不同量級降雨作為主要氣候因子，是旱澇等自然災害發生的直接原因，其變化趨勢特征研究具有重要的意義[2-4]。已有研究表明，在過去50 a(1961—2010年)中國西部，小雨、中雨、大雨對降雨量增量起主導作用，而在中國東部暴雨降水強度在降雨量貢獻中起主導作用[5]。但研究同時發現我國現代降雨量變化趨勢具有明顯的地域性差異，全國平均沒有表現出顯著增加或減少的長期變化，但強降雨事件頻率和降雨量出現明顯增多，而小雨事件特別是痕量降雨事件顯著減少[6-8]。上述研究表明，我國降雨結構及時空變化在全球氣候變暖的背景下具有明顯地區域性及規律性[1-11]，然而同時發現目前研究缺乏對不同量級降雨多時間尺度的研究。因此，對不同量級降雨在不同區域[2,12-13]的多時間尺度的研究非常有必要。

贛江是江西省五大水系之冠，為江西省第一大河，主河道全長823 km，流域面積8.35萬km2，占鄱陽湖流域面積的51%[14-15]。已有眾多學者對其進行研究，結果表明：贛江流域降雨量年內分配不均，年降雨量集中在流域東部和西北部，近幾十年來，贛江流域降雨量呈現顯著上升趨勢極端降水指數上游、中游的I95和中游的I99，在0.05顯著性水平下，顯著上升[16-20]。但目前的許多研究大都集中在年尺度上，對于季、月尺度尤其在小時尺度上的研究相對較少[15-23]。平江流域為贛江上游右岸的一級支流，大部分面積處于江西興國縣境內，而興國縣水土流失嚴重為全國水土保持8個重點治理區之一[23-25]。已有學者研究表明，平江流域降雨侵蝕力的時空分布特征與流域內降水時空分布基本一致[23]。本文采用贛江上游平江流域9個雨量站點1989—2018年逐小時降水數據，選取小雨、中雨、大雨、暴雨4個降雨量級，利用更高精度的小時降水數據，從小時尺度[26-28]來分析流域的降雨特征。研究可為流域的災害防治及水資源綜合開發利用提供參考依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 區域概況

平江為贛江上游右岸一級支流，又稱興國江，位于江西省南部；主要由瀲江(東河)、濊水(北河)在興國縣城東南方向獅子口匯合，經埠口、龍口流入贛縣江口入貢水；流域地處東經115°04′—115°52′，北緯25°57′—26°37′，主河道長148 km、比降1.26‰、流域面積2 851 km2；地貌以低山、丘陵為主，局部有中山、低山地分布，地處華南地層區，構造單元為贛中南褶隆贛州—吉安凹陷，主要為石炭紀和白堊紀砂巖、變質巖和第四紀松散堆積物，極易發生水土流失，受亞熱帶季風氣候影響，雨量充沛，氣候溫暖，多年平均降雨量1 585 mm，平均氣溫18.8℃，無霜期284 d，日照為1 861.4 h[14,23]。

1.2 數據來源

本文使用的降水數據來源于江西省水文局，為保證資料的連續性及代表性，選用贛江上游平江流域內翰林橋、田村、龍口、富口、長竹、興國、崇勝、城岡、澄江共9個站點1989—2018年的逐小時降水數據，雨量站點位置見圖1。

圖1 平江流域雨量站點分布

1.3 研究方法

本文將逐小時降雨數據按當日08：00至次日08：00為今日降雨，按水文行業標準，將降雨分為4個不同強度的降雨量級。日降雨在0.1～9.9 mm為小雨，在10～24.9 mm為中雨，在25～49.9 mm為大雨，在≥50 mm為暴雨。根據流域氣候特征，季節劃分為：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12-翌年2月)。本文采用1989—2018年共30 a的逐小時降雨數據，為分析小時降雨的時空分布特征，以10 a為界劃分為前期(1989—1998年)、中期(1999—2008年)和后期(2009—2018年)共3個階段。

采用線性傾向估計法[1,29]來估算平江流域1989—2018年不同量級降雨變化速率(b)，b>0，表示呈上升趨勢；b<0，表示呈下降趨勢；|b|值表示上升或下降的速率。應用皮爾遜P-Ⅲ型曲線來估算降雨重現期。運用Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗法[22,29]來檢驗時間序列顯著性，當Z1-а/2小于90%，95%及99%置信水平分別對應的|Z|時，表示上升或下降趨勢達到該置信水平檢驗的要求，其對應的|Z|分別為1.64，1.96，2.58，且在年、季、月尺度上進行檢驗時，按流域氣候特征劃分季節使得冬季時間序列為29其余各尺度均為30。通過Morlet小波分析法[29-32]來分析時間序列的周期性，小波系數為正表示研究對象在該時段為偏多期，為負時表示研究對象在該時段為偏少期，零值則對應著突變點。空間插值采用反距離權重插值法[33-34]，采樣點離插值點越近，權重越大；反之，采樣點離插值點越遠，權重就越小。

2 結果與分析

2.1 不同量級降雨的時間分布特征

2.1.1 不同量級降雨的年際變化特征 根據降雨數據，計算各量級降雨基本特征見表1。平江流域在1989—2018年小雨年均值為297.21 mm，最大、小值分別為367.53 mm，237.53 mm，標準差為2.38 mm，以6.12 mm/10 a的速率下降；小雨主要集中在春季，夏、冬季次之，秋季最小，春、冬季呈下降趨勢，夏、秋季呈上升趨勢；月雨量集中在1—6月且呈“雙峰”型，主峰出現在3月，均值為42.52 mm，次峰出現在8月，均值為25.45 mm，最小值出現在10月，均值為11.04 mm。

表1 平江流域1989-2018年不同量級降雨基本特征值

中雨與小雨分布相似但值更大，年均值為474.42 mm，最大、小值為674.28 mm，332.36 mm，標準差為10.04 mm，以4.87 mm/10 a的速率下降；中雨主要集中在春季，夏季次之，秋季最小，冬季次之，春、冬季呈下降趨勢，夏、秋季呈上升趨勢；月雨量集中在2—8月且呈“多峰”型，主峰分別出現在4月，均值為66.99 mm，次峰出現在8月、11月其均值分別為47.18 mm，23.57 mm，最小值出現在12月，均值為14.93 mm。

大雨量年均值為473.46 mm，與中雨雨量極其接近，最大、小值為862.69 mm，221.66 mm，標準差為15.03 mm，以3.96 mm/10 a的速率上升；大雨量從大到小依次排序為春、夏、秋、冬，春、秋季呈上升趨勢，夏、冬季呈下降趨勢；月雨量集中在3—8月且呈“多峰”型，主峰分別出現在6月，均值為82.26 mm，次峰出現在8月、11月其均值分別為47.09 mm，24.57 mm，最小值出現在12月，均值為15.19 mm。

暴雨雨量表現極端，年均值為349.12 mm，最大、小值為745.56 mm，104.68 mm，標準差為43.82 mm，以14.73 mm/10 a的速率上升；暴雨量主要集中在夏季均值為183.96 mm占年暴雨量的52.99%，春季次之，冬季最小均值僅為10.23 mm占年暴雨量的2.95%，秋季次之，各季均呈上升趨勢；月雨量集中在5—8月且呈“單峰”型，峰值出現在6月，均值為82.60 mm，8—9月雨量驟降其均值從46.61 mm降至17.39 mm，最小值出現在1月，均值為2.88 mm。

綜上所述，近30 a平江流域降雨由中、大雨占主導地位，小雨量最小，暴雨量次之，其占總降雨的比率分別為18.64%，29.76%，29.70%，21.90%；從雨量最大值可以看出，大、暴雨量的最大值較大，說明流域洪澇災害主要由大、暴雨引起，6月暴雨量最大值高達284.08 mm；標準差按小雨、中雨、大雨、暴雨的順序依次增大；年小雨、年中雨量呈下降趨勢，年大雨、年暴雨量呈上升趨勢，說明流域降雨有向極端降雨發展的趨勢，這與任國玉等[6-8]研究我國降水時空變異規律具有一致性，與王永文等[15]研究贛江流域極端降水的變化規律相吻合。結合平江流域易發生水土流失這一特點，得出未來由于極端降雨增加可能會影響流域農業發展。

2.1.2 降雨重現期 基于以上結論，為探究降雨的發展規律。以9個雨量站1989—2018年共971個不重復數值的降雨事件作為樣本，利用皮爾遜P-Ⅲ型曲線來估算降雨重現期，其特征值見表2。由表2可見，樣本統計參數EX，CV，CS，CS/CV(倍比)分別為54.02 mm，0.71，1.23，1.73，50 mm雨量對應的設計頻率為46%，即暴雨的發生概率約為兩年一遇，而五十年一遇的雨量為155.2 mm、百年一遇的雨量為175.5 mm，千年一遇的雨量為240.3 mm。當極端降雨事件發生頻率增加時，五十年一遇、百年一遇及千年一遇降雨發生的概率也會增加，這可能會對當地經濟尤其是農業的發展產生巨大的影響。

表2 P-Ⅲ型曲線設計特征值

2.2 不同量級降雨時空分布特征

2.2.1 年尺度上的空間分布特征 1989—2018年平江流域不同量級降雨年雨量表現出明顯的空間分異特征(圖2)。小雨總體上呈現西低東高的分布特征，在流域中部興國站附近存在1個低值中心，值為290.37 mm。中雨量分布具有較強的區域性，但總體來看流域表現出中部低四周高的分布特征，在城岡、長竹、田村、富口站附近存在4個高值中心其值為480～505 mm，在興國和龍口站附近具有2個低值中心其值為422～460 mm。大雨和小雨的分布規律一致，大體上表現為西低東高的特征，且相比小雨，大雨雨量帶層次分明在流域東北部形成10個高值的雨量帶其值為480～505 mm。暴雨量表現出南低北高的分布特征，具有較強的層次性，在流域北部城岡、崇勝站附近存在兩個2高值中心其值為422～460 mm，在龍口、富口2站存在1個低值中心其值為246～290 mm。

根據M-K趨勢檢驗結果顯示，小雨量總體呈現下降趨勢，中雨量東北部表現為上升其余地區為下降趨勢，大雨量為西部上升東部下降趨勢，暴雨量由西北向東南方向表現出平行的過渡帶其特征為上升—下降—上升，但各量級降雨年雨量僅中、大雨個別站點通過顯著性檢驗。

圖2 平江流域1989-2018年不同量級降雨及Z值年尺度上的空間分布

2.2.2 季尺度上的空間分布特征 圖3為平江流域1989—2018年不同量級降雨季雨量及其變化趨勢的空間分布特征。小雨在各季的空間分布各異，春季有較強的規律性表現出西低東高的分布特征，秋季具有中部低南北端高的分布特征，夏、冬季無明顯特征。中雨分布具有較強的區域性在各季度易形成降雨中心，春季形成2個192～200 mm及1個200～235 mm的高值中心，夏季形成2個143～160 mm的高值中心，秋季形成1個71～75 mm的高值中心，冬季形成2個82～95 mm的高值中心和一條82～95 mm雨量帶。大雨在季尺度上有統一的規律性，各季總體表現出西低東高的分布特征，且各季都形成降雨中心，表現明顯的是春季流域東南部和夏季流域北部均形成1個192～200 mm的高值中心。暴雨在季度上的分布規律相似，春、夏季與年雨量大體上表現出一致的南低北高的分布特征，春、夏季在流域北部形成降雨高值中心，秋、冬季雨量小，最小為9～13 mm，然秋季北部和冬季南部降雨相對較大。

根據M-K檢驗結果顯示，小雨量在春、冬季呈下降趨勢，夏(南部除外)、秋季呈上升趨勢，其中春季翰林橋站通過p=0.05的顯著性檢驗，春、秋、冬三季均有少數站點通過p=0.01的顯著性檢驗。中雨量在春、冬季呈下降趨勢且田村站春季、翰林橋站冬季雨量通過p=0.05的顯著性檢驗且冬季富口站通過p=0.01的顯著性檢驗，夏、秋季呈上升趨勢但未通過顯著性檢驗。大雨量在春季呈西升東降，夏季呈南升北降，秋季總體呈上升趨勢，冬季總體呈下降趨勢，各季降雨均未通過顯著性檢驗。暴雨量變化趨勢規律性較差，秋季降雨呈下降趨勢且崇勝站雨量通過p=0.05的顯著性檢驗。

圖3 平江流域1989-2018年不同量級降雨及Z值季尺度上的空間分布

綜上分析得，春、夏季降雨豐沛且流域北部雨量較大，尤其是中、大、暴雨量在流域北部均形成降雨高值中心；而秋、冬季降雨不足，流域南部雨量相對較大；各量級降雨季雨量僅少數站點通過p=0.05的顯著性檢驗，降雨變化趨勢并不明顯。

2.2.3 月尺度上的空間分布特征 由圖4看出，小雨因雨量整體偏小在月尺度上的空間分布無明顯地差異，但較穩定，1—12月雨量為8～44 mm。相比年、季尺度，小雨量在月尺度上的變化趨勢更為明顯。小雨量2月有4個站點、5月有1個站點通過p=0.05的顯著性檢驗呈下降趨勢其中2月長竹站通過p=0.01的顯著性檢驗，6月有1個站點、11月有2個站點通過p=0.05的顯著性檢驗且呈上升趨勢其中11月富口站通過p=0.01的顯著性檢驗，其余月份無顯著變化。

月中雨量具有鮮明地空間分異格局，其中3月、8月、11月中雨量呈現西低東高，2月呈現中部低南北高，7月由西南向東北方向呈現高—低—高的分布特征，且在3月、5—6月、10月有多個降雨高值中心形成，其余月份無明顯地空間分異特征。中雨量在2月基本通過p=0.05的顯著性檢驗呈下降趨勢，11月基本通過p=0.01的顯著性檢驗呈上升趨勢，12月富口站通過p=0.05的顯著性檢驗呈上升趨勢，其余月份無顯著變化。

圖4 平江流域1989-2018年不同量級降雨及Z值月尺度上的空間分布

大雨量在1—2月、6—8月、10月總體表現出西低東高的分布特征，5月在龍口附近形成92～130 mm的高值中心，其余月份未表現出明顯地空間分異格局。大雨量在2—3月均有1個站點通過p=0.05的顯著性檢驗呈下降趨勢， 11月有4個站點通過p=0.05的顯著性檢驗呈上升趨勢，8月、11月均有少數站點通過p=0.10的顯著性檢驗分別呈下降、上升趨勢，其余月份無顯著變化。

暴雨量的空間分布在月尺度上較其他量級降雨高度統一且年內分配極度不均，雨量在4—8月總體呈現南低北高的分布特征但流域南端雨量較大，5月崇勝、城岡站附近共形成1個82～92 mm的高值中心，6月崇勝、城岡站附近各形成1個92～130 mm的高值中心，7—8月崇勝站附近形成高值中心。暴雨量僅8月城岡站通過p=0.05的顯著性檢驗呈下降趨勢，其余月份無顯著變化。

總而言之，月小雨量空間分布不明顯，中、大雨量在多個月份表現出西低東高的分布特征但中雨規律性總體較差，暴雨量在4—8月雨量較大的月份呈現南低北高的分布特征且在流域北部多形成降雨高值中心。因此在總降雨中暴雨量雖不大，但其年內分配及空間分布極度不均造成雨量主要集中在5—6月流域北部。據M-K趨勢檢驗顯示，中雨量在月尺度上變化明顯，2月基本通過p=0.05的顯著性檢驗呈顯著下降趨勢、11月基本通過p=0.01的顯著性檢驗呈顯著上升趨勢，小、大、暴雨量有部分地區的地區呈顯著變化。

2.3 逐小時降雨時空分布特征

本文參照方德賢等[27](2008—2016年重慶地區降水時空分布特征)的逐小時降雨的空間特征，且為更好地反映出小時尺度上的時空分布特征，將整個階段分為前期(1989—1998年)、中期(1999—2008年)和后期(2009—2018年)3個階段。

2.3.1 逐小時降雨時間分布特征 整體來看，逐小時降雨在07：00—08：00呈現先增后減的趨勢，在09：00—06：00(次日)呈現遞增的趨勢。統計表明(表3)，平江流域前、中、后期逐小時降雨變化明顯，前期降雨主要集中在07：00—08：00，中期降雨集中在07：00—08：00，15：00—19：00，后期降雨集中在15：00—18：00。09：00至次日06：00小時雨量隨前、中、后期的發展有遞增的現象，先由0.99～1.83 mm增至1.32～2.03 mm后增至1.96～2.69 mm。而07：00—08：00雨量隨時間的變化為先增后減的趨勢，雨量由1.73～2.24 mm增至2.46～2.80 mm再減至2.11～2.21 mm。以最值來看，07：00—08：00雨量最大值變化最為顯著，07：00的小時雨量最大值變化為4.64～4.67～2.26 mm，08：00的小時雨量最大值變化為5.60～4.67～2.97 mm，各時段小時雨量最小值變化相同均隨時間遞增。流域小時雨量標準差變化具有一致性，各時段雨量標準差在前期至后期的變化過程中均隨時間減小，表明各時段降雨越來越穩定。因此，可將前、中、后期按照穩定性劃分為不穩定期、較穩定期、穩定期。

表3 平江流域1989-2018年逐小時降雨量基本特征 mm

2.3.2 逐小時降雨空間分布特征 在李喻鑫等[23]的研究中發現平江流域1989—2018年降雨侵蝕力在空間上具有自東北向中南遞減，而后向西南遞增的特點，且最大值出現在流域北部城岡站附近，最小值出現在流域中南部龍口站附近。而在本文研究中發現，平江流域小時降雨量在前、中期的空間分布上也具有相同特征。于前期，小時雨量在各時段上基本為自東北向西南表現出先減后增的空間分布特征，且各時段最大值與最小值出現的區域也分別為城岡站和龍口站附近，最突出的時段為08：00，其最大值為5.60 mm、最小值為0.73 mm；于中期，雨帶相比與前期有向兩側擴散的趨勢，因此有部分時段的空間分布特征有所改變，但總體上大多數時段也表現出自東北向西南表現出先減后增的空間分異格局，雨量最大值出現在08：00城岡站附近為4.67 mm，最小值出現在23：00田村在附近為0.67 mm。

與前、中期相比，后期降雨空間分布差異較小，雨帶在空間上隨時間的推移表現出自中部向兩側擴散的特征。08：00雨量增加了1.07 mm表現最為顯著，此外15：00—18：00雨量增加了0.64～0.70 mm，其余時段雨量也均表現出增加趨勢，說明前—中期各時段雨量在雨帶由中部向兩側擴散的過程中呈增加趨勢。中—后期雨量在雨帶由中部向兩側擴散的過程中并非完全是呈增加趨勢。縱觀整個階段，后期各時段降雨的空間分布呈現出非常均勻的狀態，因此若分析流域降雨得空間分布差異應從前、中期入手。在研究前期，流域北部極易形成降雨高值中心，在11：00—12：00，20：00—21：00，02：00—06：00等多個時段形成唯一的高值中心，而在各時段流域南部降雨均較小。在中期，流域北部雨量仍然較大，在08：00城岡站雨量為4.67 mm，前、中期小時雨量主要集中在流域北部。

通過以上分析得：總體上，平江流域小時降雨隨時間變化顯著增加，造成這一結果的原因可能是研究時段恰好處于該流域降雨增加的時段。小時降雨在07：00—08：00呈現先增后減的趨勢，在09：00—06：00(次日)呈現遞增的趨勢。降雨侵蝕力與小時雨量(前、中期)的空間分布具有一致性，共同表現為自東北向中南遞減，而后向西南遞增的特點，且最大值出現在流域北部城岡站附近，最小值出現在流域中南部龍口站附近。雨帶在空間上隨時間的推移表現出自中部向兩側擴散的特征，前、中期雨量集中在流域北部，后期雨量空間分布差異較小，整體來說1989—2018年小時雨量在流域北部相對集中。

2.4 不同量級降雨周期性分析

對平江流域1989—2018年不同量級降雨及總降雨的時間序列進行Morlet小波分析(圖略)，可以看出各量級降雨與總降雨的周期性變化。年小雨量小波方差在27～28 a尺度下表現最為顯著，為主周期，期間經歷2次“偏少—偏多”的交替循環。年中雨量小波方差在26～27 a尺度下表現最為顯著，說明在26～27 a尺度下周期震蕩最劇烈，其次為7～8 a和4～5 a，分別為第一、二、三主周期且分別經歷2，6，12次“偏少—偏多”的交替循環。年大雨量具有3個主周期，分別為26～27 a，7～8 a和12～13 a，其中26～27 a尺度下周期震蕩最劇烈，期間經歷了2次“偏少—偏多”的交替循環。年暴雨量小波方差圖中存在3個峰值，其第一、二和三主周期為4～5 a，25～26 a和9～10 a，分別經歷9，2次“偏少—偏多”的交替循環和5次偏多—偏少”的交替循環。總降雨量小波方差存在3個峰值，其第一、二和三主周期分別為26～27 a，7～8 a和4～5 a，分別經歷2，6，8次“偏少—偏多”的交替循環。

因小、中、大和暴雨雨量組成總降雨量，所以總降雨量受年中、大雨量的影響第一、二主周期表現為26～27 a，7～8 a，受年暴雨量的影響第三主周期表現為4～5 a。

3 結 論

(1) 在1989—2018年流域小、中、大和暴雨多年均值分別為297.15 mm，473.57 mm，470.82 mm，344.34 mm，占年總雨量的比率分別為18.64%，29.76%，29.70%，21.90%，中、大雨占主導地位。各量級降雨年內分配不均，降雨主要集中在春、夏季，小雨集中在1—6月，峰值為3月，最小值為10月；中雨集中在2—8月，峰值為4月，最小值為12月；大雨集中在3—8月，峰值為6月，最小值為12月；暴雨集中在5—8月，起伏大，峰值為6月，最小值為1月。50 mm的暴雨重現期約為兩年一遇，五十年、百年及千年一遇的雨量分別為155.2 mm，175.5 mm，240.3 mm。

(2) 暴雨較其余量級具有良好的空間分布規律，其在各時間尺度表現出明顯的“南低北高”的空間分布特征尤其是春、夏兩季表現突出；小雨、大雨在各尺度上總體為“西低東高”的空間分異格局，但在月尺度上小雨的空間分布較不明顯其特征主要體現在年、季尺度上；中雨相對于其余量級降雨其規律性較差，在尺度上空間差異較大但流域中部降雨較小。

(3) 根據線性傾向估計顯示，年小雨、年中雨量呈下降趨勢，年大雨、年暴雨量呈上升趨勢且年暴雨量上升幅度大，說明流域降雨有向極端降雨發展的趨勢。據M-K檢驗結果，各量級降雨于年、季尺度上變化不明顯僅少數站點通過p=0.01或0.05的顯著性檢驗；于月尺度上，中雨量變化顯著，2月中雨量通過p=0.05的顯著性檢驗呈下降趨勢，11月中雨量通過p=0.01的顯著性檢驗呈上升趨勢，其余量級降雨變化趨勢不明顯。

(4) 平江流域1989—2018年小時降雨在07：00—08：00呈現先增后減的趨勢，在09：00—06：00(次日)呈現遞增的趨勢。本文小時雨量(前、中期)的空間分布與前人[23]研究平江流域降雨侵蝕力的空間分布特征具有一致性，共同表現為自東北向中南遞減，而后向西南遞增的特點，且最大值出現在流域北部城岡站附近，最小值出現在流域中南部龍口站附近。雨帶在空間上隨時間的推移表現出自中部向兩側擴散的特征，雨量主要集中在流域北部。

(5) 不同量級降雨具有明顯的周期性變化，總降雨量受中、大雨年降雨量的影響第一、二主周期表現為26～27 a，7～8 a，受暴雨年降雨量的第一主周期的影響第三主周期表現為4～5 a。