1951─2012年三峽庫區降水時空變化研究

陳祥義，肖文發，黃志霖，曾立雄

中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所//國家林業局森林生態環境重點實驗室，北京 100091

1951─2012年三峽庫區降水時空變化研究

陳祥義，肖文發，黃志霖*，曾立雄

中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所//國家林業局森林生態環境重點實驗室，北京 100091

對區域降水時空分布變化趨勢的分析可以為區域水資源的合理管理與利用提供參考，利用三峽庫區及周邊共27個氣象站點的逐月降水數據，通過線性傾向統計、滑動平均兩種方法對三峽庫區1951─2012年年均、雨季、旱季降水與降水日數的變化趨勢進行了研究，并利用多元回歸分析對三峽庫區內年均降水量和降水日數的空間分布情況進行了分析。結果表明，三峽庫區近62 a來的年均、年均雨季、年均旱季降水量和年均降水日數都有減少趨勢，年均降水日數的減少趨勢比降水量的減少趨勢更加顯著，并且降水日數明顯減少的時間要早于降水量，這表明平均每個降水日內的降水量呈增加的趨勢，也即短歷時強降雨事件呈增加趨勢。多年平均降水量與經度（P=0.081）、緯度（P=0.367）的相關性均不顯著，而與海拔高度（P=1.90E-4）達到極顯著相關水平。多年平均降水日數與經度（P=0.539）相關系不顯著，而與緯度（P=8.77E-4）和海拔高度（P=1.82E-12）均達到極顯著相關。降水量和降水日數均與海拔高度達到極顯著正相關，可以利用海拔高度相對準確預測研究區內年降水和降水日數的空間分布特征，海拔每升高100 m，對應降水量與降水日數分別約增加30 mm、4.5 d。

三峽庫區；降水量； 降水日數；海拔；線性趨勢；多元回歸分析

全球氣候變化受到越來越多的關注，降水變化和氣溫變化是氣候變化的兩種主要表現形式。水資源作為人類社會生存發展的主要限制，其管理與利用成為人類可持續發展成敗的關鍵。水資源的合理利用與配置必須建立在對區域水資源的時空分布和變化趨勢的準確把握基礎上。降水作為水資源的直接補給形式以及整個流域水循環的輸入來源，準確預測其時空分布和變化趨勢可為水資源的合理利用配置提供參考。

三峽庫區作為三峽水庫的淹沒區和主要集水區，其區域內的降水變化將直接影響到三峽水庫及下游的防汛抗旱調度。針對三峽庫區不同降水特征前人已進行了一些研究，發現三峽庫區最大連續5 d降水量線性變化趨勢不顯著，但是在未來氣候變化背景下呈增加趨勢（張天宇等，2010），夏季（6─8月）降水也呈增加趨勢（廖要明等，2008；鄭剛等，2009），但三峽大壩建成前后的年降水和四季降水沒有明顯變化（張樹奎等，2013）。已有研究主要集中在降水量的變化，而對表征降水年內分布均勻程度的降水日數變化還研究較少。對年內降水變化的分析主要以春、夏、秋、冬4季為時間尺度，而對作為流域水文調控主要依據的雨季、旱季的降水變化研究較少。

我國氣象監測規定日降水量（或夾有霧、露、霜量）大于或等于0.1 mm為一個降水日（顧鈞禧等，1994）。降水日數可以在一定程度上表征降水在年內分布均勻情況，如年降水量不變的情況下降水日數越多說明降水在年內分布越均勻。本文在對三峽庫區多年平均降水、降水日數分析的基礎上，分析雨季（4─9月）、旱季（10月─次年3月）的降水以及降水日數的變化，同時分析了庫區多年平均降水量、降水日數與站點經度、緯度和海拔高度之間的相關性，探究庫區降水時空分布規律，可為三峽水庫年際或中長期水庫庫容調度和水資源的合理利用提供參考，保證長江中下游居民的生活生產用水安全。

1 研究區概況

三峽庫區是指三峽大壩建成后蓄水淹沒所涉及的地區，西起重慶江津、東至湖北宜昌市，包括重慶市所轄22個縣（區）和湖北省所轄4個縣（圖1）。研究區地處亞熱帶的北緣，屬亞熱帶大陸性季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，光照水熱充足。年均溫18.0 ℃，年均空氣相對濕度77%，無霜期307 d，全年平均日照時數1200～1600 h，多年平均日照率25%，年降水量950～1590 mm，且75%左右集中在4─9月，5─9月多有暴雨出現。受地形的影響，局地氣候明顯，年均溫和年降雨量高于同緯度的中國東部地區（潘磊等，2012）。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文所用數據源于國家科技基礎條件平臺中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn/）中三峽庫區內及周邊共27個氣象站點（圖1）1951─2012年的月降水數據，氣象站點基本信息見表1。在數據統計過程中，對個別站點某年之中月降水數據統計不全的年份進行了剔除。

圖1 研究區氣象站點分布Fig. 1 The distribution of weather stations in the study area

表1 站點基本信息統計表Table 1 Basic information and statistic characteristics of the weather stations

2.2 研究方法

常用的氣象趨勢統計方法主要有線性傾向估計、滑動平均、累計距平、3次樣條函數等方法（魏鳳英，2007）。線性傾向估計、滑動平均方法因簡單易懂、直觀明了，在當今氣象趨勢統計中應用較多（馮亞文等，2013；李珊珊等，2012）。所以本文主要應用這兩種方法對長江流域三峽庫區的多年平均、雨季以及旱季的平均降水量和降水日數的變化趨勢進行分析，同時利用線性回歸方法對不同站點的降水量、降水日數與經度、緯度和海拔之間的關系進行了分析。

3 結果分析

3.1 降水、降水日數時間變化趨勢分析

3.1.1 降水、降水日數年際變化趨勢分析

三峽庫區近 62年來的平均年降水量為 1167 mm，最高降水量為1954年的1538 mm，最低降水量為2001年的853 mm，最高降水量約為最低降水量的1.8倍，這說明三峽庫區年際降水差異較大，存在明顯的豐水年、枯水年。從1950年到2000年平均年降水量在均線附近波動，2000年以后降水量呈減少趨勢，總的線性傾向率為-11.8 mm/10a（圖2a）。自由度為60所對應的相關系數顯著性水平分別為r0.05=0.2500，r0.01=0.3248，而r=0.1382

三峽庫區近 62年來的平均年降水日數為 140 d，最高降水日數為1954年的175 d，最低降水日數為2011年的117 d，最高降水日數為最低降水日數的1.50倍。從20世紀50年代到90年代初期年降水日數在均線附近波動，且大部分在均線之上，而從20世紀90年代初期至今年降水日數出現了明顯的下降趨勢，總的線性傾向率為-3.04d/10a（圖2b）。r=0.4715>r0.01=0.3248，說明在0.01顯著性水平下降水日數的減少趨勢達到極顯著水平。

圖2 三峽庫區年均降水量Fig. 2 Change trend of average annual precipitation and average annual rainy days in TGRA

綜上分析得知，降水量減少趨勢弱于降水日數減少趨勢，這表明每個降水日內的降水量有增加趨勢，這會導致短歷時強降水的出現，容易引發山洪、泥石流等地質災害。

3.1.2 雨季、旱季降水、降水日數變化趨勢分析

三峽庫區近 60年平均雨季降水量約為 877 mm，平均旱季降水量為292 mm，雨季降水量約為旱季降水量的3倍，雨季降水量約占到全年平均降水量的75%。從圖3a和4a可以看出，雨季、旱季降水量的線性傾向率分別為-8.92、-2.0 mm/10a，線性相關系數r分別為0.1058、0.0632，均小于r0.05的值，所以雨季、旱季降水量的減少趨勢與年均降水量的減少趨勢一樣也是不顯著的。

圖3 三峽庫區雨季降水量Fig. 3 Change trend of precipitation and rainy days of rainy season in TGRA

三峽庫區多年平均雨季降水日數約為78 d，平均旱季降水日數為62 d，平均雨季降水日數約為平均旱季降水日數的1.26倍，明顯小于雨季、旱季降水量之比的3倍，這表明雨季、旱季降水日數相差不大，而雨季每個降水日內的降水量顯著高于旱季每個降水日的降水量，從而導致了降水量在年內的分布不均。雨季、旱季降水日數的線性傾向率分別為-1.648、-1.329 d/10a（圖3b、圖4b），線性相關系數r分別為0.3521、0.3286，均大于r0.05，小于r0.01，所以雨季、旱季降水日數的減少趨勢在 0.05顯著性水平上是顯著的。

3.2 降水、降水日數空間變化分析

3.2.1 降水空間變化分析

對三峽庫區 27個氣象站點的多年平均降水量與經度、緯度和海拔高度進行回歸分析，得到回歸方程（1）：

式中：Q——多年平均降水量（mm）；x——經度（°）；y——緯度（°）；z——站點海拔高度（m）。

圖4 三峽庫區旱季降水量Fig. 4 Change trend of precipitation and rainy days of dry season in TGRA

表2 多年平均降水量與經度、緯度、海拔回歸分析統計表Table 2 Statistical table of regression analysis between average annual rainfall and longitude, latitude, altitude

分析得知，復相關系數r=0.721，P=6.338E-4< 0.001，這表明回歸方程的線性關系是極顯著的。多年平均降水量與經度（P=0.081）、緯度（P=0.367）之間的相關性是不顯著的，多年平均降水量與海拔高度（P=1.899E-4）呈極顯著正相關（表2），這表明多年平均降水的空間差異主要受海拔高度的影響。對多年平均降水量與海拔進行回歸分析，得到回歸方程（2），結果表明海拔每升高100 m，對應降水量約增加30 mm。利用Arcgis 9.2進行柵格計算得到三峽庫區多年平均降水量空間分布如圖 5所示。

圖5 三峽庫區多年平均降水量空間分布Fig. 5 Spatial distribution of average annual precipitation in TGRA

3.2.2 降水日數空間變化分析

對三峽庫區 27個氣象站點的多年平均降水日數與經度、緯度和海拔高度進行回歸分析，得到回歸方程（3）：

式中：D——多年平均降水日數（d）；x——經度（°）；y——緯度（°）；z——站點海拔高度（m）。

分析得知，復相關系數r=0.958，P=1.386E-12，這表明回歸方程的線性關系是極顯著的。多年平均降水日數與經度之間的相關性是不顯著的（P=0.539），多年平均降水日數與緯度（P=8.77E-4）和海拔高度（P=1.82E-12）呈極顯著正相關（表3），多年平均降水日數的空間差異主要受海拔高度的影響。僅對多年平均降水日數與海拔進行回歸分析，得到回歸方程（4），結果表明僅用海拔對降水日數的回歸模擬可以達到精度要求，海拔每升高100 m，對應降水日數約增加4.5 d。利用Arcgis 9.2進行柵格計算得到三峽庫區多年平均降水日數空間分布如圖6所示。

表3 多年平均降水日數與經度、緯度、海拔回歸分析統計表Table 3 Statistical table of regression analysis between average annual rainy days and longitude, latitude, altitude

圖6 三峽庫區多年平均降水日數空間分布Fig. 6 Spatial distribution of average annual rainy days in TGRA

4 結論與討論

4.1 結論

（1）三峽庫區年降水量在 2000年之前在均線附近波動，之后呈減少趨勢，但減少趨勢不是很明顯。年降水日數在 1995年之前在均線附近波動，之后呈現顯著的減少趨勢。降水日數的減少趨勢大于降水量的減少趨勢，這表明降水日內平均降水量有增加的趨勢，降水日內容易出現短時強降雨。

（2）雨季、旱季降水量在多年均線附近波動，減少趨勢均不顯著。而雨季、旱季降水日數在1995年之前在多年均線附近波動，之后呈顯著減少趨勢，降水日數在研究時段內整體呈現顯著的減少趨勢。雨季降水量的減少可以緩解流域內防洪調控壓力，但同時也要注意短歷時極端降水事件可能造成的洪峰。旱季降水量的減少則會對下游旱季工農業用水以及航運等造成很大的壓力。

（3）多年平均降水量與經度（P=0.081）、緯度（P=0.367）的相關性均不顯著，而與海拔高度（P=1.90E-4）達到極顯著相關水平。多年平均降水日數與經度（P=0.539）相關系不顯著，而與緯度（P=8.77E-4）和海拔高度（P=1.82E-12）均達到極顯著相關。降水量和降水日數均與海拔高度極顯著正相關，可以利用海拔高度預測研究區內年降水和降水日數的空間分布特征，海拔每升高100 m，對應降水量與降水日數分別約增加 30 mm、4.5 d。

4.2 討論

（1）在本研究空間尺度范圍內，對降水特性空間分布特征影響的顯著性排序為海拔>緯度>經度，也即局地范圍內的降水空間分布主要受地形的影響，但在區域或全球尺度范圍內，降水的空間分布主要受到緯度或經度的影響。有研究發現在全國尺度上夏季降水量與海拔高度之間是負相關的，并且降水量在海拔高度上的分布還存在分段現象（盧愛剛等，2008）。

（2）地形是影響降水的重要因子。山地對水汽具有阻擋抬升作用，容易形成降雨。隨著海拔的升高，降水量與降水日數均有增加趨勢，由此構成了山地的水塔功能（魯春霞等，2007）。在水資源嚴重缺乏的今天，山地的水塔功能受到越來越多的關注（Immerzeel et al.，2010；Messerli et al.，2004），對降水量與海拔之間關系的研究可以幫助更加全面的掌握區域降水的空間分布，為區域水資源綜合利用以及低地河流防洪調控提供參考。三峽庫區監測站點降水量、降水日數與站點海拔高度之間關系非常密切，在分析水資源空間分布時要充分考慮地形的影響。

（3）對降水空間分布特性進行分析時，由于能夠獲取的高海拔氣象站點較少，所以研究結論可能會存在一定的不確定性。

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Spatiotemporal Distribution of Precipitation in Three Gorges Reservoir Area (TGRA) during 1951─2012

CHEN Xiangyi, XIAO Wenfa, HUANG Zhilin, ZENG Lixiong
Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration//Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

Analysis on the spatial and temporal distribution of precipitation could provide useful reference for the management and utilization of regional water resources. By using monthly precipitation data of 27 weather stations within and around Three Gorges Reservoir Area (TGRA), the changing trend of precipitation in TGRA from 1951 to 2012 (62 years) were analyzed through linear tendency estimation and moving average methods. The spatial distribution of precipitation and total number of precipitation days were also analyzed through multivariate regression method. The results showed that the average annual precipitation, average annual precipitation in the rainy season, average annual precipitation of the dry season and average annual rainy days all presented a decreasing tendency. The average annual rainy days decreased more significantly than the average annual precipitation, and the start time of average annual rainy days was earlier than that of average annual precipitation, which indicated that the precipitation depth in a rainy day would increase, which also means that there will be more intensified rainstorms. The average annual precipitation was found has no significant correlations with longitude (P=0.081) and latitude (P=0.367), while has a strong correlation with the altitude (P=1.90E-4). Furthermore, the average annual rainy days were also found to have a strong positive correlation with both the latitude (P=8.77E-4) and altitude (P=1.82E-12), while has no significant correlation with longitude (P=0.539). Owing to the strong positive correlations between altitude, precipitation and the rainy days, the altitude could be possibly used for predicting the spatial distribution of precipitation and rainy days. According to the forecast model, precipitation and rainy days would increase about 30mm and 4.5 days respectively, with each increase of 100m in the altitude

Three Gorges Reservoir Area; precipitation; rainy days; altitude; linear trend; multivariate regression analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.008

X16；P426

A

1674-5906（2015）08-1310-06

陳祥義，肖文發，黃志霖，曾立雄. 1951─2012年三峽庫區降水時空變化研究[J]. 生態環境學報, 2015, 24(8): 1310-1315.

CHEN Xiangyi, XIAO Wenfa, HUANG Zhilin, ZENG Lixiong. Spatiotemporal Distribution of Precipitation in Three Gorges Reservoir Area (TGRA) during 1951─2012 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1310-1315.

“十二五”科技支撐計劃課題（2015BAD07B04）

陳祥義（1986年生），男，博士研究生，主要從事流域水文方面研究。E-mail: chenxiangyichen@163.com *通信作者：黃志霖，男，副研究員，主要從事景觀生態、水土保持研究。Email: hzlin66@163.com

2015-03-23