岷江流域近65年降水量時空變化特征分析

杜 聰，李 洪，由麗華，宋文武*，馬龍偉

(1.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039；2.四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610091)

受全球變暖影響頻發的各種極端氣候災害，嚴重影響了人類的日常生活與生產活動。IPCC在第五次全球氣候評估報告中指出，隨著全球平均地表溫度的上升，中高緯度地區的極端降水事件頻率增加、強度加大[1]。岷江流域不僅是成都平原的主要水源地，也是保障長江上游地區生態安全的屏障，了解岷江流域的降水時空變化特征，為當地制定防洪與排澇等策略提供重要依據，對相關區域人類的生態、生活、生產的保護具有重要的意義。

針對區域降水趨勢變化和突變特征，國內外學者對此進行了大量研究。B.Nyikadzino等[2]采用Mann-Kendall突變檢驗法分析了Limpopo河流域的降水和徑流突變特征，結果表明流域內降水活動有顯著減少的趨勢，但極端降水次數和徑流量呈上升趨勢。彭菊等[3]通過分析貴州省1960—2014年的年、最大月降水量的時空變化特征，得出了地形地貌和季風對貴州省境內的降水量有顯著影響，年均降水量總體有下降趨勢并表現出從南向北遞減的空間分布格局。洪美玲等[4]使用反距離權重插值法和Kendall非參數檢驗法對怒江流域內年際降水特征、年內強度特征以及極端降水事件進行了分析，結果表明怒江流域中、下游集中了流域內的絕大部分降水量，流域內極端降水量和極端降水次數的變化趨勢相符，總體上呈波動性上升趨勢。Abiot Ketema等[5]評估了埃塞俄比亞Tikur Wuha流域1978—2017年水文要素的月、季和年變化趨勢，結果表明該流域年均降水量以20.8 mm/10a的速率下降，但流域內氣溫和徑流量呈現顯著的上升趨勢。張藝玄等[6]對長江中下游地區1958—2017年的暴雨變化特征進行了趨勢變化分析及突變檢驗，分析結果表明1988年是近60年長江中下游地區暴雨變化顯著的突變點，且該年后年均暴雨量、暴雨日數和暴雨強度較1988年前顯著增加。黃建剛等[7]針對貢水流域內近60年的降雨量和流域面雨量序列進行多時間尺度特性分析，發現貢水流域自1957年以來多年平均降雨量以1.39 mm/a的速率緩慢增長，不存在顯著變化趨勢和突變情況。孫雯等[8]對西江流域夏季降水量的空間分布和變化規律及成因進行了定量分析，發現西江流域夏季降水重心呈東西走向分布且有向東南沿海移動的趨勢。鄒雄媛等[9]對贛江流域自20 世紀后半期以來的極端降水事件進行分析，結果表明贛江流域內極端降水量(R95)、極端降水強度(RI95)、連續五日最大降水量(RX5day)和一日最大降水量(RX1day)等極端降水指數呈現自東北平原丘陵區向西南山地丘陵區遞減的空間分布格局，極端降水天數(RD95)則呈現自西向東遞減的趨勢。

但目前針對岷江流域地區這方面的研究不多，國內研究學者對岷江流域的研究主要集中在徑流、產沙、氣溫變化等方面。如董炳江等[10]針對岷江流域汛期暴雨產沙特性進行研究，發現岷江流域受暴雨洪水影響導致流域侵蝕量增大，河流來沙量大幅度增加。王俊鴻等[11]利用經驗模態分解法針對岷江上中游地區的年徑流量序列進行了周期、趨勢和統計分析，結果發現岷江上中游地區自1956年來徑流量持續減少，徑流的低頻周期的離散程度在高頻周期的基礎上呈倍數放大。甄英等[12]對岷江流域1955—2014年的氣溫資料進行了分析，分析結果表明岷江流域近60年來氣溫呈上升趨勢并以由北向南溫度遞增的規律變化。郭衛等[13]通過還原岷江流域高場站的天然徑流過程并以此分析，發現岷江流域徑流變化趨勢呈現顯著下降。馬亞麗等[14]利用SWAT模型對岷江上游高緯度地區進行融雪計算分析，結果表明岷江上游地區降水和融雪是徑流的主要來源，且降融雪量占比隨著河流由上至下逐漸降低。徐留興[15]基于小波分析對岷江上游年徑流時間序列變化進行多時間尺度分析，揭示了岷江上游天然年徑流存在5年、13年和24年左右的周期性變化。倪春迪[16]利用“3S”技術模擬岷江上游植被空間格局及氣象變化，研究表明徑流與植被、降水和氣溫等關系密切，且存在明顯的季節動態。周大杰等[17]對岷江流域汛期降水時空特征進行了分析，發現岷江流域汛期降水時間呈下降趨勢，并存在周期性變化。

綜合現有研究不難發現，目前針對岷江流域氣候變化研究尚少，本次研究通過選取年降水量、最大季降水量兩個特征變量，采用線性趨勢分析法、累積距平檢驗和滑動t檢驗對岷江流域降水量進行趨勢變化分析及突變檢驗，探討岷江流域降水量的年際和季節性演變規律，為岷江流域防洪排澇等策略提供借鑒。

1 研究區域概況

岷江流域地處四川盆地西部邊緣(99°42′～104°40′E，28°20′～33°38′N)，總流域面積近13.6萬 km2，干流河道全長約735 km。流域內水量豐沛，水力資源豐富，徑流主要來源為流域降水，部分由上游高山融雪補給。流域降水量受季節影響，夏季高溫多雨而冬季溫和少雨，多年平均氣溫約14℃，多年平均降水量約900 mm，5—10月為汛期，降水量可占到全年降水量的80%以上，土地利用類型以耕地、林地和草地為主，流域內人口、城市多聚集于岷江中下游和沱江流域。

受地形地貌影響，岷江流域上游地區兼具川西高原氣候區和川東盆地亞熱帶氣候區的特點。上游北部寒冷高原區多年平均氣溫不到10℃，多年平均年降水量不足700 mm，多年平均年蒸發量超過1 000 mm。中部汶川一帶受下沉氣流的影響，焚風效應顯著，呈現干燥少雨、風大、蒸發量大的特點，降水量不足600 mm，多年蒸發量超過800 mm，遠大于降雨量。下部映秀至都江堰段屬盆地亞熱帶氣候區，氣候環境與中上段大相徑庭，降水量大而蒸發少，多年平均氣溫維持在15℃左右，多年平均年降水量超1 000 mm，年降水日數可達200 d左右，雨日較多，日照少，多年平均年蒸發量不足800 mm。總的說來，岷江上游地區跨越2個不同的自然氣候區，汶川以上氣溫低、雨量少且強度很小，蒸發量大；汶川以下氣溫高、降雨多，強度大，蒸發小。

岷江流域中下游位于聞名全國的青衣江暴雨區，屬亞熱帶濕潤氣候區，流域內水資源豐富。在地理位置、地形制約和季風環流的共同影響下，氣候變化穩定，雨熱同期。流域內大部分處于暴雨區，降水量自西北向東南遞增，北部寶興地區多年平均降雨量不足800 mm，而東部雅安地區可達1 800 mm，滎經麓池地區超過2 400 mm，7—9月降水量約占全年60%左右，而3—5月的春灌期不足20%。

2 數據來源與研究方法

2.1 降水數據來源

降水數據來源于國家青藏高原科學數據中心(https://data.tpdc.ac.cn)提供的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集》[18]。為保障數據的連續性，對于個別站點的缺失數據則采用臨近站點數據插補，最后得到岷江流域內的50個氣象站點1956—2020年的逐日降水量數據，各站點的名稱、經緯度、觀測場海拔高度及所在地地貌單元等信息見圖1。

圖1 岷江流域及各流域單元區氣象站點空間分布

2.2 研究方法

針對岷江流域50個氣象站點1956—2020年的降水日值數據，選取年降水量、最大季降水量2個特征變量，通過數據篩選和統計，得到了岷江流域年降水量、最大季降水量的年際變化和季節性變化趨勢，為更好反映岷江流域地區降水量的變化趨勢和突變情況，采用線性趨勢法對降水量變化進行趨勢分析，并通過累積距平檢驗和滑動t檢驗分析特征變量的突變情況。

3 結果與分析

3.1 降水量空間分布特征

采用Kriging插值法[19]得到的1956—2020年岷江流域多年平均降水量、最大季平均降水量空間分布情況見圖2。從圖2中可以看出，1956—2020年65年間，岷江流域多年平均降水量、最大季平均降水量高值中心均出現在岷江流域中游雅安中東部、眉山西南部和樂山北部地區，多年平均降水量最高可達1 783 mm，最大季平均降水量超過900 mm。岷江流域多年平均降水量和最大季平均降水量的空間分布特征基本保持一致，總體上呈現出自西北部高原地區向東南部盆地地區遞增的空間分布格局，流域中下游地區降水充沛，水資源豐富，上游地區則普遍缺少降水，水資源較為稀缺。

a)多年平均降水量

3.2 年降水量變化趨勢及突變檢驗

3.2.1年降水量變化趨勢

圖3為岷江流域及各流域單元區年降水量變化趨勢，不難看出，岷江流域年降水量在2020年達到峰值1 156 mm，上游、中游和下游地區年降水量峰值分別為2020年的972 mm、2018年的1 569 mm和1961年的1 558 mm；岷江流域年降水量最小值為1972年的806 mm，與峰值差距超過300 mm，上游、中游和下游年降水量最小值分別為2002年的581 mm、2006年的1 029 mm、2011年的722 mm。

為更好地反映岷江流域及各流域單元區年降水量的趨勢變化，采用線性傾向率[20]來描述氣象要素的變化幅度，由圖3可以看出，從區域整體的角度分析，岷江流域1956—2020年65年內的年降水量有略微上升的趨勢，變化傾向率為1.028 mm/10a；從各個流域單元區的角度來看，上游地區年降水量呈增長趨勢，線性傾向率為11.711 mm/10a；中游地區年降水量呈現下降趨勢，線性傾向率為-11.916 mm/10a；下游地區降水量下降趨勢最為明顯，線性傾向率高達-29.103 mm/10a。

b)全流域與中游

c)全流域與下游

3.2.2年降水量突變檢驗

上述內容表明了岷江流域及各流域單元區的年降水量變化趨勢，為進一步研究此種變化趨勢存在突變與否，通過累積距平檢驗和滑動t檢驗對年降水量進行突變分析及檢驗。

圖4為岷江流域及各流域單元區的年降水量累積距平分析，從圖中的降水量累積距平曲線可以直觀地看出：1956—2020年岷江流域年降水量累積距平大體上可劃分成4個階段，1956—1967年的年降水量累積距平呈現上升趨勢；1967—1990年整體波動較大，無顯著變化；1990—2012年呈現出明顯的下降趨勢；2012年后又逆勢上升。上游地區1956—1974年的年降水量累積距平為下降趨勢；1974—1992年近20年間變化平緩，雖小有波動但無明顯的上升或下降趨勢；1992—2010年總體平緩略有下降，波動較大；2010年后呈現出上升趨勢。中游地區1956—1961年的年降水量累積距平的上升趨勢顯著；1961—1992年30年間有大幅度波動，總體變化趨勢略有增加；1992—2017年呈現明顯下降趨勢；在2017年后復現增長趨勢。下游地區1956—1991年的年降水量累積距平整體呈現上升的趨勢，1991—2017年則表現為下降趨勢，而后突然增加。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

進一步采用滑動t檢驗對岷江流域及各流域單元區1956—2020年的年降水量變化進行突變檢驗，由于這里主要針對年降水量的年際變化進行分析，因此選取兩子序列長度n1=n2=10，并取置信度α=0.05。檢驗結果見圖5，1956—2020年岷江流域年降水量變化在1966、2010年附近均突破臨界值，說明此處可能存在突變情況，結合此前的累積距平檢驗結果，可知岷江流域年降水量在1966、1985年有突變點。上游地區年降水量變化在研究期內有2次突破臨界值，對比累積距平檢驗結果，說明岷江流域上游地區年降水量在1974、2010年發生了突變。中游地區年降水量變化在1966、1922年附近變化幅度較大，但并不顯著。下游地區的年降水量變化在1990年附近通過了95%的顯著性檢驗，結合累積距平檢驗結果分析，可判斷岷江流域下游地區年降水量的突變情況發生在1990年。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

3.3 最大季降水量變化趨勢及突變檢驗

3.3.1最大季降水量變化趨勢

圖6為1956—2020年岷江流域及各流域單元區最大季降水量變化趨勢，由圖中不難看出，岷江流域最大季降水量峰值為2020年的703 mm，上游、中游和下游地區峰值分別為2020年的587 mm、1961年的997 mm和1958年的1 059 mm；岷江流域最大季降水量最低值出現在2006年(387 mm)，其中上游、中游和下游地區最低值分別在1997年(293 mm)、1982年(467 mm)和2006年(344 mm)取得。

由圖6不難發現，岷江流域1956—2020年65年的最大季降水量呈現出逐年減少的趨勢，線性傾向率為-0.897 mm/10a；上游地區最大季降水量變化表現出增長趨勢，線性傾向率為4.408 mm/10a；中游地區最大季降水量以-6.705 mm/10a的線性傾向率逐年減少；趨勢變化幅度最大的區域是流域下游地區，線性傾向率高達-18.493 mm/10a。

a)全流域與上游

b)全流域與中游

c)全流域與下游

3.3.2最大季降水量突變檢驗

圖7為岷江流域及各流域單元區最大季降水量累積距平分析，直觀反映了岷江流域最大季降水量的變化趨勢：1956—2020年岷江流域最大季降水量累積距平大體上可分為5個階段，1956—1966、1982—1993、2017—2020年3段時間內的最大季降水量累積距平呈上升趨勢，1966—1982、1993—2017年期間最大季降水量累計曲線呈下降趨勢。上游地區1956—1967年的最大季降水量累積距平呈上升趨勢，1967—1978年急劇下降，1978年后復現增長趨勢并保持增長至1993年，1993年后呈下降趨勢，2009年后逆勢上升，至2020年達到峰值。中游地區1963—1983、1991—2017年2個時段內的最大季降水量累積距平曲線整體呈下降趨勢，其余時間保持增長趨勢。下游地區在1962年之前最大季降水量累積距平上升迅速，1962—1991年期間降水量波動較大但總體上呈小幅度增長趨勢，1991年后降水一反往常，降水量迅速下降直至2017年后方才出現微小的增長趨勢。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

岷江流域及各流域單元區1956—2020年的最大季降水量突變檢驗分析見圖8。由圖8a可知，岷江流域最大季降水量變化在研究期內3次突破臨界值，對比之前的累積距平檢驗結果，表明研究序列在1966、1992、2009年有突變點。由圖8b可以看到，岷江流域上游地區最大季降水量變化的突變情況發生在1966、1979、2010年。從圖8c中不難看出，中游地區最大季降水量變化在1983、1991年附近突破臨界值，聯合累積距平檢驗分析可知，中游地區最大季降水量變化在1983年和1991年均發生了突變情況。圖8d表明，下游地區最大季降水量變化波動較為平緩，在60年代后長期保持下降趨勢，降水量突變也發生在這一時期。

a)全流域

b)上游

c)中游

d)下游

4 結論

基于岷江流域50個氣象站點1956—2020年的逐日降水量數據，利用年降水量、最大季降水量作為降水特征變量，并采用線性趨勢分析、累積距平檢驗和滑動t檢驗對降水特征變量進行趨勢變化分析及突變檢驗，得到了以下結論。

a)岷江流域1956—2020年的年降水量總體上呈現出自西北部高原地區向東南部盆地地區遞增的空間分布格局，上、中、下游流域段的雨量分布存在明顯差異，上游地區多位于高原氣候區，受地形變化影響，降水量少而蒸發量大，中、下游地區處于青衣江暴雨區，流域內降水充沛。

b)1956—2020年岷江流域年降水量整體上體以1.028 mm/10a的變化率緩慢上升，上升趨勢變化穩定，不存在大變幅。上游地區年降水量以11.711 mm/10a的速率逐年增加，2017年后這種趨勢一度越過0.05的顯著性水平，表明岷江上游地區年降水量的上升趨勢是十分顯著的。岷江流域中、下游地區由于降水量豐富，降水量代際變化幅度較大但總體上呈減少趨勢。

c)岷江流域降水量的空間分布極為不均，整體自西北向東南方向遞增，降水量集中于流域中游地區，降水量突變年份較多，研究結果對深入了解岷江流域降水時空變化特征具有重要意義，流域管理部門應提前做好應對洪澇災害等措施，可充分利用紫坪鋪水庫的蓄豐補枯能力，汛期保障下游安全，枯水期保障下游工農業及生活用水，對于下游地區經濟社會發展具有積極作用。