梅江流域長系列枯水期降水演變特征規律分析

高玉丹

(廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

1 概述

氣候變化將引起降水、徑流的時空變化，進而增加了干旱、洪澇等極端氣候事件發生的頻次[1]。在全球變暖背景下，區域間、雨季和旱季的降水對比度將更激烈[2]。眾多學者采用Mann-Kendall檢驗、小波分析等方法對降雨的多尺度時空變化進行了研究，如鄒磊等[3]發現海河流域春秋季降水呈增加趨勢，而夏冬季降水呈減少趨勢；范菲蕓等[4]基于125個雨量站資料分析了1956—2010年廣東省春旱和秋旱期的降雨時空分布，發現春旱降水南少北多，而秋旱期降水空間分布與之相反；徐林春等[5]發現廣東省年內汛期(6月)降雨有所增大，非汛期有所減小。

枯水期降水對農業的意義重大，在緩解旱情的同時也可能破壞農作物的生長發育[6]。近年來，梅江流域在枯水期出現多次極端天氣，僅在2016年枯水期期間遭到多次暴雨襲擊，形成3場枯水期大洪水，2017—2018年枯水期期間又連續出現旱情，然而目前針對枯水期降水演變特征的研究較少[7-8]，因此，研究區域內枯水期降水的演變特征對于了解區域枯水時期內降水發展動態、防洪抗旱、供水規劃、維護河流健康等具有重要意義[9]。

2 資料與方法

2.1 研究區概況

梅江是韓江的主流[10]，是梅州市最主要的河流，發源于汕尾陸豐與河源紫金交界的烏突山七星崠，上游稱琴江，流經五華縣水寨與五華河匯合后稱梅江，自西南向東北流至五華琴口匯北琴江，至水寨河口(以上稱琴江)匯五華河后稱梅江，于興寧水口匯寧江，在畬坑進入梅縣區，在長沙進入梅江區，然后匯程江于梅城，在西陽再入梅縣區，匯石窟河于丙村，匯松源河于松口后，突然向右90°轉彎，切過蓮花山脈進入大埔，在三河壩附近與汀江、梅潭河匯合后稱韓江。梅江全長為307 km，流域集雨面積為14 061 km2，河床比降為0.4‰。梅江在梅州境內河長為271 km，集雨面積為10 424 km2。

2.2 研究數據和方法

本文選用梅江流域內70個雨量站1959—2018年枯水期實測降水數據(雨量觀測點空間分布示意見圖1)，10月到次年的3月為枯水期，數據經過質量控制，通過了三性檢查，流域面平均降水量為區域內站點降水量的算術平均值，通過分析計算比對，揭示該流域枯水期總降水量與枯水期各月降水量的時空演變特征。對梅江流域降水量數據的處理分析主要是基于Matlab、Arcgis等軟件實現的。數據來源：廣東省水文局梅州水文分局。

圖1 梅江流域降水量觀測點空間分布示意

本次研究主要運用累積距平法[11]、Mann-Kendall檢測法(以下簡稱M-K法)[12]、Sen’s斜率法[13]對梅江流域枯水期的年際和年內降水量進行趨勢分析和突變狀況檢驗，并結合累積距平法對可能存在的虛假突變時間點進行剔除，確定符合實際的降水突變情況。其中M-K法置信水平值取0.05，其相應的統計量值為±1.96。

3 結果分析

3.1 枯水期年降水時程變化特征

流域枯水期多年平均降水量為387.7 mm，極大值出現在1982—1983年，降水量為1 218.1 mm，極小值出現在1954—1955年，降水量為151.0 mm。通過線性回歸得到梅江流域內枯水期年降水量的時間變化趨勢(如圖2所示)，總體上，梅江流域枯水期降水量呈現波動增加趨勢，增加速率約為1.4 mm/a，降水量的變化趨勢未通過95%的置信水平顯著性檢驗。

根據圖2中的累積距平曲線可知，梅江流域60 a來枯水期共發生了3次明顯的突變(1974年、1998年和2011年)，存在明顯的“降”、“升”、“降”階段性變化特征：即1960—1974年降水量表現為下降趨勢，低于多年平均降水量；1974—1998年降水量呈現上升趨勢，并于1983年達到了歷年降水量最高值；1998—2011年降水量呈持續下降趨勢。

圖2 梅江流域1959—2018年枯水期降水趨勢變化示意

3.2 枯水期年降水空間變化特征

通過對梅州流域內70個降水量觀測點枯季降水量進行分析，得到多年平均降水量的空間分布(見圖3a)，降水量空間分布差異較大，呈現由北向南遞減分布。各站降水量介于289.9～491.6 mm之間，其中降雨量最大的觀測點是位于松源河的桂竹園站，多年平均降水量為491.6 mm，降雨量最小的觀測點是位于琴江的大坪站，多年平均降水量為289.9 mm；面平均降雨而言，位于最北部的松源河面降水量最大(443.4 mm)，而位于南部的琴江面降水量最小(345.5 mm)，與觀測點降水系列趨勢一致。對所有站點的雨量數據進行M-K法趨勢檢驗，得到各觀測點的M-K值的空間分布(見圖3b)，70個觀測站中，降水量呈增加趨勢的有52個，呈減少趨勢的有18個，總體枯水期降水量呈不顯著上升趨勢；從空間來看，南部呈上升趨勢，北部呈下降趨勢。通過對數據的進一步分析得到各觀測站點的降雨年變化率(見圖3c)，其中僅4個觀測站的降水量增加率大于2 mm/a，1個觀測站的降水量減小率小于2 mm/a，其余觀測站的變化均在2 mm/a以內。

圖3 梅江流域1959-2018年枯水期降水趨勢空間分布

3.3 枯水期年內各月降水特征分析

梅江流域枯水期各月降水量空間差異性見圖4。從單月來看，12月雨量變化范圍最小，對應的空間變化最小，反之3月雨量變化范圍最大，對應的空間變化最大。各月之間對比，前枯水期(10—12月)的多年平均降水量明顯少于后枯水期(1—3月)，其中，前枯水期降水總量僅占總枯水期降水量的33.8%，后枯水期降水總量僅占總枯水期降水量的65.6%；12月多年平均降水量最小，僅為37.5 mm，3月為125.2 mm降水量最大。

圖4 梅江流域1959—2018年枯水期各月降水量箱型示意

采用Sen’s斜率法分析梅江流域枯水期各月降水量變化特征(見圖5～6)。由圖5～6可知：1月、11月降水量總體呈不顯著上升趨勢，70個雨量降水量觀測點中都是有69個站點呈上升趨勢，但均未通過置信區間檢驗；2月、3月降水量總體呈不顯著下降趨勢，其中北部地區有若干站點通過置信區間檢驗，呈顯著下降；10月降水量總體趨勢不明顯，梅江干流左岸總體呈不顯著下降趨勢，右岸總體呈不顯著上升趨勢；12月降水量70個觀測站全部呈上升趨勢，通過置信區間的檢驗，總體呈顯著上升趨勢，其中石窟河和松源河的降水量上升趨勢明顯。

圖5 梅江流域枯水期1—3月降水趨勢空間分布示意

4 結語

基于梅江流域70個降水量觀測點1959—2018年枯水期長系列降水資料數據，采用數理統計手段，從年尺度到月尺度，從時間到空間，分析了梅江流域枯水期降水時空波動特性。

圖6 梅江流域枯水期10—12月降水趨勢空間分布示意

1) 梅江流域枯水期面平均降水量總體趨勢呈波動不顯著增加趨勢，增加速率約為1.4mm/a，年際差異較大，介于387.7～1 218.1mm之間，分階段存在明顯的“降”、“升”、“降”變化特征。在空間上，枯水期降水量總體呈現北多南少，北部有下降，南部有上升的趨勢。

2) 從枯水期各月降水情況來看，前枯水期(10—12月)的多年平均降水量明顯少于后枯水期(1—3月)；各月之間多年平均降水量差別較大，3月降水量最大，但呈不顯著下降趨勢，12月降水量最小，但呈顯著上升趨勢。在空間上，北部地區河流水系變化較為顯著，尤其是石窟河和松源河，12月呈顯著上升趨勢，2月、3月呈顯著下降趨勢，該區域需做好汛前干旱預警。

3) 通過本文對梅江流域枯水期降水量的時空演變特征分析，可為進一步加深對梅江流域氣候變化的理解，對流域旱澇災害應對、雨洪資源利用及水資源優化配置提供科學支撐。枯水期降水量的時空分布規律與大氣環流ENSO事件、太陽黑子、人類活動、流域下墊面干濕程度、汛期降水量等因素息息相關，因此，有必要進行降雨因子驅動因素識別及分析，為提前做好防洪抗旱準備奠定基礎。