漢江上游漢中區域不同等級降水日數的氣候變化特征分析

胡江波,黎 穎

(漢中市氣象局，陜西 漢中 723000)

1 引言

降水不僅是一個重要的氣候要素，也是一個關鍵的水文要素，其對區域水資源時空分布、生態環境形成演變以及對工農業生產起著決定性的影響[1]。近年來，在全球氣候變暖的背景下，旱澇災害不斷加劇，洪澇災害的發生不僅與降水量有一定關系，而且與降水日數的多少也有密切的關系[2～10]。研究表明，受氣候變化影響，中國幅員遼闊，降水具有區域性和季節性差異，不同區域的不同等級降水也存在明顯的空間差異，對旱澇的貢獻也不盡相同[11]，也對工農業生產和生態環境構成了嚴重威脅[12]。

漢江上游是南水北調的中線工程的水源地，負責供給南水北調中線工程70%以上的水，保證了“一江清水送北京”。其旱澇變化與京津供水密不可分，旱澇事件不僅對農業生產及社會活動造成災害，也將影響到南水北調中線工程調水的穩定性。漢江上游漢中區域處于中國南北氣候過渡帶，屬于亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，降水較充沛，但年內分配不均，年際變化較大，旱澇災害頻繁，對區域農業生產、經濟增長和社會發展產生了深遠影響。在全球氣候變化和局地城市化進程的共同影響下，漢江上游漢中區域降水特征也在發生變化，降水的變化將會直接影響京、津地區的供水安全，因而受到各方面的關注。

本文利用1981～2020年近40 a漢江上游漢中區域11個氣象觀測站逐日降水資料，分析了漢江上游漢中區域不同等級降水日數氣候變化特征，研究了各等級降水日數與總降水量關系。以期為漢江上游漢中區域水資源調控及防災減災提供科學依據。

2 資料與方法

采用1981～2020年近40 a漢江上游漢中區域11個氣象觀測站逐日降水資料，數據經過質量檢驗，無缺測資料，資料序列完整，具有代表性。參照中國氣象局降水等級劃分標準，將日降水量劃分為小雨、中雨、大雨及暴雨4個等級，各等級分別對應一個小雨日、中雨日、大雨日及暴雨日。本文所用的分析方法主要有：相關系數、線性趨勢及Mann-Kendall檢驗等[13～16]，并對上述統計方法進行了顯著性檢驗。

3 不同等級降水日數的空間分布特征

3.1 空間分布

由1981～2020年漢中區域11個氣象觀測站各等級年平均降水日數的空間分布可見(圖1)，總雨日數的高值區位于巴山區的寧強、鎮巴一帶，次高值區位于秦嶺南麓的佛坪、留壩一帶，其中寧強年降水日數最多，達145.3 d，其次為鎮巴，為137.9 d，漢中平川縣區是總降水日數的低值區，其中洋縣最少，為116.4 d(圖1a)。小雨日數分布(圖1b)與總雨日數相似，均為巴山區寧強年小雨日數最多，為114.9 d，平川縣區漢臺最少，為92.2 d。中雨日數的分布也與總雨日數相似(圖1c)，巴山區鎮巴最多，達20.3 d，平川縣城固最少，為15.3 d。大雨日數在5.7～8.5 d，高值區位于巴山區鎮巴(8.5d)，低值區位于漢中中西部地區，呈現出從北向南遞增的空間分布趨勢(圖1d)。暴雨日數也呈現從北向南遞增的空間分布趨勢(圖1e)，其中鎮巴暴雨日數達到5.2 d，為區域內暴雨日數最多的地區，暴雨日數最少區域為城固，僅為1.5 d。

比較不同等級降水日數的空間分布特征可知，總雨日數與小雨日數、中雨日數的分布特征相似，均呈現出從中部平川縣區向南、北部山區遞增的空間分布特征，高值區位于巴山區；大雨日數及暴雨數日基本呈現從北向南遞增的空間分布規律；漢中區域多年平均小雨日數為99.4 d，中雨日數為17.3 d，大雨日數為6.9 d，暴雨日數最少，僅為2.3 d。

3.2 氣候變化趨勢

分析漢中區域不同等級降水日數空間氣候變化趨勢可知(圖2)，漢中區域總雨日數都呈下降趨勢，中東部區域是總雨日數下降最快的地區，6個縣區通過了0.05水平的F檢驗，佛坪總雨日數下降趨勢最明顯，達到5.1 d/10 a(圖2a)。小雨降水日數在區域內也表現出下降趨勢，城固、西鄉通過了0.05水平的F檢驗，佛坪通過0.01水平的F檢驗(圖2b)。中雨降水日數在略陽、寧強、留壩、鎮巴呈現上升趨勢，留壩通過了0.05水平的F檢驗，其余縣區則表現為下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗(圖2c)。大雨日數的氣候變化趨勢中，留壩、佛坪中雨日數的回歸系數為正值，其余8個縣區中雨日數的回歸系數為負值，均未通過顯著性檢驗(圖2d)。暴雨日數均為減少趨勢，且均未通過顯著性檢驗(圖2e)。綜合分析表明，近40a來漢中區域總雨日數、小雨日數和暴雨日數均表現為減少趨勢，而中雨日數及大雨日數局部呈上升趨勢，但是大部分地區表現為下降趨勢。

圖1 1981～2020年研究區不同等級降水日數空間分布(單位：d)

4 不同等級降水日數的時間變化

4.1 年際變化

圖3給出了1981～2020年漢中區域不同等級降水日數年際變化情況。各等級降水日數總體上表現為減少趨勢，其中，總雨日數及小雨日數線性變率通過了0.05水平的顯著性檢驗，中雨日數、大雨日數及暴雨日數雖然也呈現出減少趨勢，但是未能通過顯著性檢驗。

漢中區域多年平均總雨日數為125.9 d，年總雨日數最多的年份為1989年(148.5 d)，較常年偏多22.6 d，年總雨日數最少年份為2013年(105.3 d)，較常年偏少20.6 d。6次多項式擬合曲線表明，年總雨日數20世紀80年代初到1991年為偏多時段，90年代初到2017年為偏少時段，2017年之后又年總雨日數又逐漸增加(圖3a)。多年平均小雨日數為99.4 d，年小雨日數最多年份為1984年(120.5 d)，較常年偏多21.1 d，年小雨日數最少年份為2013年(21.9 d)，小雨日數的變化趨勢與總雨日數相似，也表現為20世紀80年代初到1991年為偏多時段，90年代初到2017年為偏少時段，之后逐漸增加(圖3b)。中雨日數80年代為偏多時段，90年代初到2009年為偏少時段，2010年以后又緩慢上升(圖3c)。大雨日數的變化趨勢與中雨日數大體相似，80年代為偏多時段，90年代初到2004年基本為偏少，2005年之后有呈現出偏多(圖3d)。暴雨日數與其他等級降水日數分布明顯不同，呈現波動性變化，20世紀80年代初期到中期為暴雨日數偏多時段，20世紀中后期到2004年轉為偏少時段，從2005年開始2014年又轉為相對偏多階段，2015年之后暴雨日數表現為下降趨勢(圖3e)。

圖中陰影區表示回歸系數通過0.05顯著性水平的F檢驗

4.2 不同等級降水日數的突變檢驗

氣候突變指從一種穩定態(或持續穩定的變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩定態(或持續穩定的變化趨勢)的現象[17,18]。Mann-Kendall檢驗(以下簡稱M-K檢驗)能夠分析序列的趨勢變化，而且還能夠明確突變開始的時間、突變區域，是一種常用的突變檢測方法[1]。分析1981～2020年漢中區域總雨日數的M-K檢驗(圖4a)，在20世紀90年代以前，UB和UF曲線在置信區范圍內相交2次，最后一次相交為1989年，UF曲線后續呈現出逐漸下降趨勢，因此確定總雨日的突變年份為1989年。對于小雨日數，從20世紀80年代初開始，UF曲線呈現波動性減少趨勢，UF和UB曲線相交于1992年，且位于置信區間內，在2007年達到了顯著性水平并持續至今(圖4b)，因此，小雨日數的突變年份為1992年。

分析1981～2020年漢中區域其它等級雨日數(中雨日數、大雨日數和暴雨日數)M-K檢驗可知，UB和UF曲線交點位于端點末尾處，在此后也未能突破α=0.05的臨界線，因此，中雨日數、大雨日數和暴雨日數在研究時段內沒有發生突變。

圖3 1981～2020年研究區不同等級降水日數年際變化

圖4 1981～2020年研究區總雨日數及小雨日數時間變化的M-K檢驗

5 不同等級降水日數和總降水量關系

對各等級的降水日數和總降水量時間變化(1981～2020年漢中區域11個氣象觀測站平均的時間序列)的相關性進行分析可知(表1)。

小雨日數、中雨日數與總雨日數的相關系數通過了0.01水平的顯著性檢驗，達到極顯著水平，大雨日數與總雨日數的相關系數通過了0.05水平的顯著性檢驗，達到顯著水平。暴雨日數和總雨日數的相關系數未通過顯著性檢驗。說明小雨日數、中雨日數和大雨日數對總雨日數均有明顯影響，其中小雨日數對總雨日數影響最大。中雨日數、大雨日數和暴雨日數與總降水量的相關系數均達到極顯著水平，對總降水量有著十分明顯的影響，其中，大雨日數和暴雨日數與總降水量的相關系數更是達到0.84以上，表明總降水量貢獻率最主要來源于大雨日數和暴雨日數。

表1 1981～2020年漢中區域不同等級降水日數和總降水量相關系數

6 結論與討論

(1)近40 a漢中區域總雨日數與小雨日數、中雨日數的均呈現出從中部平川縣區向南、北部山區遞增的空間分布特征；大雨日數及暴雨數日基本呈現從北向南遞增的空間分布規律；從漢中區域不同等級降水日數空間氣候變化趨勢來看，近40 a來總雨日數、小雨日數和暴雨日數均表現為減少趨勢，而中雨日數及大雨日數局部呈上升趨勢，但是大部分地區表現為下降趨勢。

(2)近40 a漢中區域不同等級降水日數總體上表現為減少趨勢，其中，總雨日數及小雨日數線性變率通過了0.05水平的顯著性檢驗，中雨日數、大雨日數及暴雨日數雖然也呈現出減少趨勢，但是未能通過顯著性檢驗。

(3)漢中區域小雨日數與總雨日數的變化趨勢相似，均表現為20世紀80年代初到1991年為偏多時段，90年代初到2017年為偏少時段，之后逐漸增加。中雨日數80年代為偏多時段，90年代初到2009年為偏少時段，2010年以后又緩慢上升。大雨日數的變化趨勢與中雨日數大體相似，80年代為偏多時段，90年代初到2004年基本為偏少，2005年之后有呈現出偏多。暴雨日數與其他等級降水日數分布明顯不同，呈現波動性變化，20世紀80年代初期到中期為暴雨日數偏多時段，20世紀中后期到2004年轉為偏少時段，從2005～2014年又轉為相對偏多階段，2015年之后暴雨日數表現為下降趨勢。總雨日數的突變年份為1989年，小雨日數的突變年份為1992年，中雨日數、大雨日數和暴雨日數在研究時段內沒有發生突變。

(4)漢中區域小雨日數、中雨日數和大雨日數對總雨日數均有明顯影響，其中小雨日數對總雨日數影響最大。中雨日數、大雨日數和暴雨日數與總降水量的相關系數均達到極顯著水平，其中，大雨日數和暴雨日數與總降水量的相關系數更是達到0.84以上，表明總降水量貢獻率最主要來源于大雨日數和暴雨日數。

(5)研究結論有助于加深對漢江上游漢中區域不同等級降水事件的理解和認識，事實上漢中區域的降水不僅受到秦嶺及巴山特殊地形的影響，還與環流背景、水汽輸送等因素的有關，后續還要做進一步研究。