長江上游甘孜流域歷史降雨時空變化分析

蒲 婭，朱 朋

（長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局攀枝花分局， 四川 攀枝花 617000）

1 研究區概況

甘孜流域為長江流域上游的一部分， 流域面積約3.28萬km2。 流域內海拔3343～5813m，以高海拔山區為主，地處川西高原氣候區，流域內降雨主要集中在5—10月，多年年均降雨量596.8mm。由于該流域海拔高差較大，且為峽谷地形，適合開發水力資源，因此修建了一系列水電站，為流域內居民供電［1］。 降雨變化會影響到流域內水電站群的發電效益， 嚴重的情況會影響到水電站群的安全運行。 本文根據流域內降雨站點的降雨數據， 分析甘孜流域1980—2018年間降雨的時空變化趨勢， 為流域水電站群的運行策略制定提供數據支撐［2-3］。

2 研究方法及數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 趨勢分析法

趨勢分析法［4］是指通過對有關指標的變化趨勢進行分析，找到該指標的發展方向的一種研究方法的總稱，比較常用的為回歸方法。 本研究只針對降雨這一要素進行趨勢變化分析，因此，選用適用于單變量趨勢分析的一元線性回歸法， 對流域內3個降雨站點的降雨數據進行趨勢分析。 一元線性回歸模型如下：

式中 y為因變量的值；x為自變量的值；b為常數項。

本研究中，為研究降雨隨時間變化的趨勢，以年份為自變量，年降雨量為因變量，分析年降雨量的歷史變化趨勢。

2.1.2 突變檢驗法

常見的突變檢驗分析方法有Mann－Kendall檢驗法、有序聚類法、滑動T檢驗法和R/S檢驗法等［5］。 其中，Mann－Kendall檢驗法［6］具有以下特征：①不需要對數據序列進行分布檢驗，不用剔除極值；②允許數據序列存在缺測值，可為不連續的序列；③其主要分析對象為數據序列的數量級，而非數據本身；④對時間序列檢驗時，不用考慮其是否為線性趨勢。基于以上四點，該方法獲得了世界氣象組織的推薦，在世界各地被廣泛應用，具有一定的權威性。 因此，本研究選用Mann－Kendall檢驗法對流域內3個降雨站點的降雨數據進行突變檢驗。

Mann－Kendall的原理為利用符號規則：

將時間序列X構造為一個秩序列：

假設時間序列隨機獨立，則可定義統計量：

再將序列按降序排列，構造統計量，從而形成統計量U的雙曲線，給定顯著性水平a=0.05，當兩條曲線交點位于置信區間［－1.96，1.96］時，則可將對應的時間點作為可能的突變點。

2.2 數據來源

本研究所使用的數據下載于中國氣象數據網，根據坐標篩選，甘孜流域內降雨站點有3個，其站點編號分別為：56034，56038，56146。 所獲取的降雨數據尺度為日尺度， 時間范圍為1980年1月1日—2018年12月31日。 降雨站點的空間分布如圖1。

圖1 流域概況圖

3 結果

3.1 降雨時空趨勢變化分析

由圖2和圖3可知， 流域內3個降雨站點的降雨變化趨勢均為增加。 年均降雨量從上游的56034站（528mm）往下游的56146站（662mm）逐級增加，表明流域內降雨量存在空間差異性。 1980—2018年間，56034，56038 和56146 號 站 點 的 年 降 雨 量 分 別 以0.684，1.9553，0.8313mm/a的速度增長。 其中，56034號站點的變化趨勢較為明顯，呈現先下降，后增加的趨勢，但整體仍表現為增加。 而56038和56146號站點變化趨勢則沒有56034號站點明顯， 其變化較為散亂，整體為增長趨勢。 需要通過進一步的突變診斷分析其變化趨勢。

圖2 甘孜流域1980—2018年降雨趨勢分析

圖3 甘孜流域1980—2018年降雨量統計

對于月均降雨而言，從圖4可看出：每個站點的各月降雨分配都比較相似，降雨量主要集中在5—10月，而11—4月降雨量較少。 整體來說，56146站點的各月降雨量在3個站點里基本都是最高的，說明該站點全年降水都比其他兩個站點要多。 56034站點和56038站點降雨最多的月份為7月，而56146站點降雨最多的月份為6月，且明顯高于其他月份。

結合圖1～圖4可發現， 流域內上游降雨量最少，下游降雨量最多，中游降雨量介于上下游之間。 流域內降雨整體變化趨勢為逐年增加， 并且中游的降雨量增加趨勢最為明顯。 造成這種現象的原因可能是流域通過徑流將上游水資源輸送到下游， 使下游水量增加，加速了下游的水循環過程，使其降雨增加。

圖4 各站點月均降雨量

3.2 M-K檢驗

根據Mann-Kendall檢驗法，甘孜流域內3個降雨站點的年降雨數據被用來進行突變診斷， 結果如圖5。可以發現：56034站降雨的M-K檢驗結果中，UFk和UBk線出現多次交叉，分別在1982，2011，2015， 2017年，且都在置信區間內，說明該站點的降雨變化趨勢發生了4次轉變。 56038站降雨在2016年發生一次突變，其變化趨勢在該年發生了改變。 而對于56146站降雨而言，其交點較多，總共有11個交點，結合圖2中該站點降雨時程分布， 可發現該站點逐年的降雨波動極大，對檢驗結果有一定影響。綜合圖2和圖5，可認為該站點降雨突變點為1990和2000年。

圖5 甘孜流域1980—2018年降雨M-K檢驗

4 結語

甘孜流域內降雨自1980—2018年， 整體呈現上升趨勢。 上游、 中游和下游的年降雨量分別以0.684，1.9553，0.8313mm/a的速度增長。 流域內降雨主要集中在5—10月，而且逐月降雨和年降雨量的空間分布具有相似性。經M-K突變檢驗，上游站點降雨突變年份為1982，2011，2015，2017年，中游站點突變年份為2016年，下游站點突變年份為1990和2000年。面對逐年增長的降雨量， 流域內徑流量將出現一定增長，能帶來一定的發電效益。