雅礱江流域降水時空變化特征分析

萬 浩 齊明臣 李紅梅

(重慶烏江電力有限公司，重慶 409000)

全球氣候變化問題日益突出，氣候變化引起的一系列問題受到國內外學者的高度關注。氣候變化使得水資源的分布、循環以及生態系統發生改變，降水作為氣候變化的重要指標，對生態系統的變化起著重要的作用。陳書軍等[1]采用降雨集中指數、降雨異常指數和夏季長周期旱澇急轉指數等參數分析了湖北省區域內旱澇急轉特性和降雨時空變化特征，結果表明，湖北省洪澇災害風險不斷增加，尤其是鄂西南最為突出，降雨年代際變化特征明顯。莫崇勛等[2]采用線性趨勢、Morlet小波分析和相關函數等方法系統分析了廣西桂林市的四季降雨變化趨勢、突變及周期特征。李寶等[3]利用1973—2018年北京市通州區逐日降雨數據，統計了五個等級降雨發生頻次和降雨累計值，分析了通州區不同等級降雨空間分布特征。汪飛等[4]分別采用線性回歸法、Mann-Kendall檢驗研究了瀾滄江流域近40年的年平均氣溫和降水、四季平均氣溫和降水的時空變化特征和突變特征。

雅礱江流域作為我國十二大水電基地之一，其間分布著諸如錦屏一級、錦屏二級、二灘等大型水電站。對雅礱江流域水文氣象變化特征的分析日益受到人們的重視。但現有的研究幾乎是都集中在徑流趨勢特征分析，并沒有將雅礱江流域單獨作為一個系統對流域的降水變化進行深入的研究[5-7]。本研究的主要目的是利用1960—2018年的年和季節尺度上的日降水量，研究雅礱江流域降水的時空分布、趨勢、突變和周期，同時對降水變化的原因進行了探討。這樣的研究有利于降低災害風險，減少災害的發生，合理分配水資源，支持氣候變化條件下的水資源管理決策。

1 研究區概況

雅礱江是金沙江的最大支流，全長1571km，總落差3192m，流域面積13.6萬km2，河口多年平均流量為1860m3/s。雅礱江流域屬川西高原氣候區，受高空西風大氣環流及西南季風的影響，流域內氣候條件十分復雜。雅礱江流域多年平均氣溫為-4.9～19.7℃，降水量在上游區為600～800mm，中游區1000～1400mm，下游區900～1300mm。由于獨特的地質構造及氣候條件，雅礱江流量豐沛，全流域水能理論蘊藏量約3840萬kW，占長江流域總量的13.8%。流域內已建成大小水電站22座。本文選取了雅礱江流域內9個氣象站點數據進行降水特征分析(見圖1)，9個站點1960—2018年逐日雨量資料來源于中國氣象數據網。

圖1 雅礱江流域氣象站點分布示意圖

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗法由于其計算簡便，不受異常值干擾，現已被廣泛應用于時間序列趨勢和突變檢驗中[8]。

對于具有n個樣本容量的時間序列x1，x2，…,xn，檢驗的統計變量S計算為

(1)

其中

統計變量Z通過下式計算：

(2)

在Mann-Kendall檢驗中，檢驗單調趨勢的斜率β計算如下：

基于HTML5技術，采用Bootstrap框架實現移動設備端和桌面端界面自適應。試驗結果表明，自適應效果良好，不僅能節約開發成本和開發時間，降低軟件維護成本，而且可為船舶智能監控系統的開發及其他B/S架構軟件的開發提供技術支持和可靠保障。

(3)

當Mann-Kendall檢驗進一步用于檢驗序列突變時，通過構造一秩序列

(4)

其中

(5)

定義統計變量：

(6)

式中：E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

將時間序列按逆序排列，重復上述計算過程，并使UBk=-UFk，如果UFk和UBk這兩條曲線出現交點，那么交點對應的時刻就是突變位置。

2.2 小波分析

小波分析作為一種可調時頻的分析方法，能對時間序列進行多尺度變化特征分析，得到主要尺度變化過程，最終確定時間序列的周期變化特征。對于時間序列f(t)，連續小波變換計算過程如下[9]：

(7)

ψ(t)=eicte-t2/2

(8)

式中：c為常數，且當c≥5時Morlet小波就能近似滿足允許性條件，本文取c=6.2。

2.3 有序聚類分析

有序聚類分析方法作為一種序列突變檢驗方法，其思想是尋求不同類之間離差平方和最大，同類之間離差平方和最小[10]。設可能的突變點為τ，計算方法如下：

(9)

其中

當S取得最小值時，此時對應的τ為最優二分點，進而可推斷為最可能的突變點。

3 結果與分析

3.1 降水特征分析

雅礱江流域1960—2018年全年、季平均降水的基本資料，包括平均值、最大值、最小值、變化量和變異系數見表1。從表1中可以看出，雅礱江流域多年平均降水量為720.98mm，變異系數Cv為0.1(變異系數Cv反映序列的相對離散程度)，說明流域降水的年際變化較為穩定。

表1 雅礱江流域1960—2018年降水數據

雅礱江流域月降水分布特征見圖2，可以看出7月降水量最大；6—9月為主要降水時段，降水量占全年的76.1%；12月至次年2月降水量較少，僅占全年降水量的1.6%。雅礱江流域1960—2018年年平均降水量變化曲線見圖3。結合5年滑動平均曲線可以看出，雅礱江流域年平均降水變化經歷了6個過程：1960—1973年、1991—1996年、2003—2011年處于減少趨勢；1973—1991年、1996—2002年、2012—2018年處于增加趨勢。雅礱江流域10年平均降水量分布見表2，可以看出雅礱江流域1960—2019年降水量整體呈增長趨勢，其中1960—1979年降水量最少，流域處于枯水期。

圖2 雅礱江流域月降雨分布

圖3 雅礱江流域1960—2018年年平均降水量變化

表2 雅礱江流域10年平均降水量分布 單位：mm

雅礱江流域9個氣象站點的年、季平均降水量空間分布見圖4。在季節尺度上，9個站點中有4個站點春季平均降水量在100mm以上，整體分布從西向東呈逐漸遞增趨勢。夏季各站點的平均降水量都大于250mm，下游的4個站點夏季平均降水量均大于500mm，較中上游4個站點明顯更大。秋季各站點平均降水量均在150mm左右，夏秋兩季流域降雨空間分布上呈現出從西北向東南逐漸遞增趨勢。9個站點中有4個站點冬季平均降水量在10mm以上，鹽源冬季平均降水量最小，只有7mm，冬季流域平均降水量空間分布顯現出從西北向東南逐漸遞減趨勢。由于近60%的年降水量集中在夏季，年降水量與夏季降水具有相似的空間分布，年降水量最高的是西昌站(1004.73mm)，最低的是清水河站(475.22mm)。

圖4 雅礱江流域1960—2018年季平均降水量空間分布

3.2 降水趨勢分析

利用Mann-Kendall對雅礱江流域年降水和季節降水變化趨勢進行分析，結果見圖5，流域降水在年際分布和季度分布中，都處于增長趨勢。其中，年降水、春季降水處于顯著增長趨勢，夏季、秋季、冬季降水量增長趨勢不明顯。計算趨勢變化衡量指標β，年序列、春季、夏季、秋季、冬季分別為1.32mm/a、0.61mm/a、0.27mm/a、0.18mm/a、0.05mm/a，年降水序列增長趨勢最為明顯，四季中春季降水增長趨勢最大。

圖5 Mann-Kendall 檢驗值Z及傾斜度β變化

對1960—2018年各氣象站平均降水量的變化趨勢進行分析(見表3)，流域內7個氣象站點年降水量呈增長趨勢，但只有2個站點在0.05水平上有顯著增長趨勢。相比之下，九龍、鹽源的年降水量呈減少趨勢，但在0.05水平上并沒有顯著趨勢。在季節尺度上，所有站點的春季降水量均呈上升趨勢，其中清水河、石渠有顯著上升趨勢，而夏季、秋季、冬季雖有站點降水量呈下降趨勢，但僅占站點總數的1/3，而且下降趨勢也無顯著性。總體而言，雅礱江流域降水量在各個尺度均表現為增長趨勢。

表3 流域測站降水量Mann-Kendall趨勢分析

3.3 降水突變分析

采用Mann-Kendall檢驗法和序列聚類分析兩種方法對雅礱江流域的年季降水序列進行突變分析，結果見圖6。春季UF和UB在1995年交匯，而最佳分割點顯示為1998年，結合降水實測資料分析，1998年前后，年降水平均增加了約20mm，相比于1995年變化更大，雖然診斷結果不同，但將1998年作為突變年更為合理。夏季UF和UB在2005年之后有多處交匯，而最佳分割點為1979年，兩種方法檢測結果時間間隔較大，因此我們認為沒有發生突變。秋季UF和UB也相交于多處，最佳分割點為1962年和2015年，兩種方法結合分析確定出1962年為秋季降水序列突變點。冬季降水量的UF和UB在20世紀70年代和80年代有多次交匯，最佳分割點是在1976年，綜合來看，將1976年作為冬季降水突變年更為合適。從圖6(e)～圖6(j)分析來看，UF和UB交點為1980年和2008年，最佳分割點為1980年和1984年，綜合來看，將突變年劃分為1980年更合適。采用以上兩種方法對雅礱江流域內9個氣象站點進行降水序列的突變分析，結果見表4，上游站點較下游站點年季降水序列發生突變的情況更多，且上游降水突變主要集中在20世紀80年代左右，而下游站點突變則集中在2000年之后。

圖6 雅礱江流域降水序列的M-K檢驗和序列聚類分析

表4 流域測站降水突變所在年份統計

3.4 降水變化周期分析

降水的周期變化導致徑流的漲落，正確認識降雨的周期變化具有重要意義。利用小波分析確定降水序列的周期，雅礱江流域降水的小波變換時頻見圖7，流域年降水量的周期分別為28年、15年和8年。春季降水量的周期為28年、22年和5年；夏季降水量的周期為28年和8年；秋季降水量的周期為22年和11年；冬季降水量的周期為28年、9年和3年。流域各站點降水年際周期變化統計見表5。從表5可知，流域內各站點年降水的周期集中在28年和8年，春季降水的周期集中在29年和10年，夏季降水的周期集中在28年和8年，秋季降水的周期集中在21年和11年，冬季降水的周期集中在22年和10年。

圖7 雅礱江流域降雨序列年、季小波變換時頻

表5 流域各站點降水年際周期變化統計 單位：年

3.5 降水變化原因分析

全球變暖影響了雅礱江流域降水的變化。特別是20世紀90年代以來，大氣中二氧化碳濃度的不斷增加導致了全球變暖。較高的平均氣溫會導致較高的蒸發率、較高的水蒸氣含量，從而加速水文循環。全球變暖的一個重要后果是大氣濕度增加、雷暴活動和大規模風暴活動增加。在全球變暖的背景下，受大氣環流和人類活動的影響，雅礱江流域的降水模式發生了變化。

大尺度大氣環流導致雅礱江流域降水變化。東亞夏季風的進退在很大程度上決定了降水季節的時間和降水量的大小。其他類似季風的環流，如西太平洋副熱帶高壓、索馬里急流和熱帶氣旋，以及在中高緯度的一個阻塞的高、低槽，也對研究區域的降水變化產生了影響[11]。

另一方面，人類活動對降水也有著重要影響，人類活動不僅改變了地表和大氣之間的熱、水和動量的交換，而且也改變了城市上空大氣的組成。人類活動驅動的土地利用變化影響著當地的水文氣象過程，對降水也有顯著影響。

4 結 論

本文分析了1960—2018年雅礱江流域年、季降水序列時空分布特征、趨勢、突變和周期變化。根據以上分析，得出以下主要結論：

a.雅礱江流域降水年、季空間分布不均勻，總體呈現出從西北向東南遞增的趨勢。10年平均降水量從20世紀60年代開始處于遞增趨勢。

b.1960—2018年流域年降水量呈增加趨勢，主要原因是春季降水量增加。流域內9個站點中有7個站點年平均降水量呈遞增趨勢，其中清水河和道孚的年平均降水量呈顯著增加趨勢，木里和鹽源的年平均降水量則呈遞減趨勢。

c.雅礱江流域年降水序列突變點出現在1980年，流域的降水變化周期一般為4～8年、10～15年、26～28年。由于各測點的自然地形、地理位置和人為活動的不同，各測點的突變結果和時期結果也不同。