段文明，穆興民，，高 鵬，，王 飛，，白 樺

（1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

隨著全球氣候變暖，降水在時(shí)空分布上也正在發(fā)生著改變，而降水的變化又是引發(fā)旱、澇等極端自然災(zāi)害的直接因素。在我國，流域尺度上的降水時(shí)空變異研究逐漸受到重視。馮強(qiáng)[1]等對我國降水的時(shí)空變化與暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行了研究，指出不同流域的降水時(shí)空分布狀況存在著較大差異。丁永建[2]針對1955—1995年黑河流域降水的時(shí)空特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為在空間上，流域內(nèi)降水由西北向東南呈現(xiàn)明顯的增加趨勢；40a來黑河流域降水在波動(dòng)中呈現(xiàn)出增加之勢。褚健婷等[3]選取海河流域1958—2007近50a的降雨資料進(jìn)行了時(shí)空變化分析，指出除春季降水量略有增加外，海河流域的降水整體上呈減少趨勢；降水從南向北，從沿海到內(nèi)陸逐漸減少。劉引鴿[4]利用1951—2001年陜北黃土高原24個(gè)測站的降水資料，分析了陜北黃土高原降水時(shí)空變化特征，指出陜北黃土高原地區(qū)年平均降水量南多北少，近51a來降水總體上呈減少趨勢。

近年來，嘉陵江流域旱澇、泥石流、水土流失等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給流域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重?fù)p失，這些自然災(zāi)害發(fā)生與降水量的時(shí)空變化分布有很大的關(guān)系。目前，針對嘉陵江流域降雨研究主要集中在人類活動(dòng)和氣候變化對嘉陵江流域徑流泥沙的影響[5－7]，應(yīng)用模型對降水量進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)測[8]等方面，而對于流域內(nèi)近50a來降水量的時(shí)空變化分布特征研究甚少。本文基于嘉陵江流域12個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨實(shí)測資料，對流域近50a降雨時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，為流域氣象、水文旱澇、泥石流等自然災(zāi)害的預(yù)警和防治提供理論基礎(chǔ)。

1 研究流域概況

嘉陵江流域發(fā)源于秦嶺南麓，是長江第二大支流，干流全長1 120km，流域面積約16萬km2，地勢總體為西、北、東高，東南面最低；流經(jīng)陜西、甘肅、四川、重慶等四省（市），分嘉陵江、渠江、涪江三大水系，干流自北向南，渠江自東北向西南，涪江自西北向東南，三大水系在合川附近匯合，構(gòu)成扇形向心水系；嘉陵江流域大部分屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，雨水充沛；嘉陵江流域是長江各大支流中水土流失比較嚴(yán)重的地區(qū)，是長江上游重點(diǎn)產(chǎn)沙區(qū)域之一。

2 資料與方法

2.1 資 料

研究區(qū)域?yàn)榧瘟杲饔颍x取嘉陵江流域12個(gè)氣象站，并按嘉陵江上游、中下游、涪江、渠江等四片分析。12站逐日降水資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，資料年限為1960—2009年，區(qū)域年降水量為區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)降水量的算術(shù)平均。

2.2 方 法

降水量空間分布采用普通克里格（Ordinary kriging）插值方法做降水量的等值線圖[9]；采用Mann—Kendall方法（簡稱 MK 方法）[11－12]及線性回歸方法進(jìn)行降水量年際變化趨勢分析；利用Morlet復(fù)小波對年降水量小波分析，分析降水的周期性[10]；利用降水集度統(tǒng)計(jì)方法[13]，分析降水的地域分異規(guī)律。采用累積距平百分率[14]和距平百分率分析降水量變化的階段性與異常年份。

降水集度（precipitation concentration index，PCI）可以表征年內(nèi)降水量的分布特征，其計(jì)算式如下：

式中：Pi——某站第i月的降水量。當(dāng)PCI＜10，降水年內(nèi)分配均衡，差異不大；當(dāng)10≤PCI≤20，降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化；PCI＞20時(shí)，降水月際變化顯著。

降水量異常年份采用年距平百分率（ΔR%）判定，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1[15]。

表1 降水量年型劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量空間變化特征

基于流域內(nèi)12個(gè)及流域周邊37個(gè)氣象站點(diǎn)的1960—2009年降水量序列，采用普通克里格空間插值方法，繪制流域內(nèi)多年平均年降水量等值線，由圖1分析表明，流域面平均降水量910.5mm，最多年份為1 190mm（1983年），最少的年份為650.6mm（1997年）。年降水量由東南的1 100.4mm向西北逐漸遞減到550.8mm，其空間差異較大。降水量相對高值區(qū)集中在渠江段，約1 100.4mm左右，相對低值區(qū)集中在嘉陵江上游段，約550.8mm左右。嘉陵江流域降水量空間分布與我國降水量東南多、西北少，從東南向西北遞減的空間分布是一致的，說明研究區(qū)域的降水仍受東亞季風(fēng)的影響。

3.2 降水量年際變化特征

對于嘉陵江流域年降水量的年際變化趨勢分別采用MK方法和線性趨勢分析法計(jì)算各站點(diǎn)MK檢驗(yàn)值和降雨傾向系數(shù)，并采用普通克里格插值方法進(jìn)行空間插值，得出流域內(nèi)降水量MK檢驗(yàn)值等值線分布圖和降水量趨勢分布圖（如圖2和圖3所示）。分析表明，近50a嘉陵江流域降水量整體呈現(xiàn)減少趨勢。嘉陵江上游降水量減少（武都附近地區(qū)有增加趨勢，但不顯著），且上游的東北部和西北地區(qū)降水量減少趨勢比較顯著，嘉陵江上游中部地區(qū)減少趨勢不顯著，降水傾向系數(shù)為負(fù)值，幅度－8.11～0mm／a；嘉陵江中下游降水量有增加趨勢，但趨勢不顯著，降水傾向系數(shù)多為負(fù)值（除嘉陵江中下游下半段為正值），幅度為－3.34～1.39mm／a；涪江段上游呈減少趨勢，下游呈增加趨勢，但趨勢都不顯著，降水傾向系數(shù)多為負(fù)值，幅度為－8.11～0mm／a；渠江段降水量呈增加趨勢，但不顯著，降水傾向系數(shù)為正值，在0～1.39mm／a。

圖1 嘉陵江流域多年平均年降雨量空間分布

圖2 1960－2009年降水量MK檢驗(yàn)值分布

圖3 1960－2009年降水量趨勢分布

3.3 降水量年內(nèi)變化特征

3.3.1 降水量的季節(jié)分布規(guī)律及其趨勢性變化特征

由公式（1）計(jì)算各站點(diǎn)逐年降水集度，并采用普通克里格插值進(jìn)行空間插值，得出降雨集度空間分布圖（圖4），分析降水的地域分異規(guī)律。結(jié)果表明流域內(nèi)降水集中指數(shù)（PCI）在12～20附近，11≤PCI≤20，即降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化，嘉陵江流域中部地區(qū)月降雨量較其他區(qū)域相對集中。

圖4 嘉陵江流域降水集度空間分布

一般將3—5月劃為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季。整體來看，各季節(jié)降水量最多的都是渠江地區(qū)，嘉陵江上游各季節(jié)降水量都是最少的。各地區(qū)的降水量主要集中在夏季，其次為秋、春季節(jié)，冬季降水量最少，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。由表2可以看出，嘉陵江上游夏季降水量占全年的50.0%，而冬季的降水量僅占全年的2.1%，春、夏、秋季的降水量都有減少的趨勢，夏季減少的幅度最大，達(dá)0.880mm／a，冬季降雨傾向系數(shù)基本保持不變。嘉陵江中下游夏季降水量最大，占全年的49.9%，秋、春次之，冬季最少，僅占3.6%，春、夏、秋季降水都有減少趨勢，秋季減少趨勢最大，為2.208mm／a，冬季有增加趨勢，但很不顯著。涪江地區(qū)夏季降水占全年的55.0%，春、秋和冬季的降水量分別占全年的18.6%，23.3%和3.1%，春、夏、秋、冬降水量都有減少趨勢，夏、秋兩季減少的幅度較大，分別為1.239mm／a，1.266mm／a。渠江地區(qū)夏季降水量占全年的46.7%，其次為秋、春兩季，冬季最少，春、秋兩季降水量有減少趨勢，秋季減少較大，為2.653mm／a，夏、冬有增加趨勢，夏季增加幅度較大，為2.722mm／a。

3.3.2 逐月降水量分布規(guī)律 對比分析各區(qū)域的逐月降水量可以看出（圖5），各區(qū)域降水主要集中在5—9月，這5個(gè)月的降水量總和占全年降水量的80%左右，7月降水量最大，而1月、2月和12月的降水量所占比例很小，這與季節(jié)降水分布是一致的。各區(qū)域逐月的降水量占全年降水量的比例相差不大。

表2 各季節(jié)降水比例及降水傾向系數(shù)值

圖5 嘉陵江流域各區(qū)域各月降水所占比例

3.4 降水量周期性變化

選用Morlet復(fù)小波對嘉陵江上游、嘉陵江中下游、涪江和渠江1960—2009年降水量序列實(shí)行一維連續(xù)小波變換，并分別繪制小波方差圖。由圖6分析表明，嘉陵江流域近50a降水量具有顯著的周期性變化，嘉陵江上游、嘉陵江中下游、涪江、渠江的第1，2主周期相同，分別是35a，21a，即嘉陵江流域降水存在35a，21a的周期。

圖6 嘉陵江流域1960－2009年降水量序列小波方差

3.5 降水量變化的階段性和異常年份

嘉陵江流域降水距平累積百分率變化如圖7所示，降水量在年際間的隨機(jī)變化中表現(xiàn)出豐、平、枯的階段性特征。嘉陵江流域各區(qū)域年際變化的階段性有一定的差異，從大致時(shí)間看，嘉陵江上游存在兩個(gè)顯著的豐水段即1960—1969年、1975—1985年；兩個(gè)顯著的枯水段即1970—1974年、1991—2010年；一個(gè)平水段即1986—1990年。嘉陵江中下游存在兩個(gè)顯著的豐水段即1960—1969年、2006—2010年；一個(gè)顯著的枯水段即1990—1997年；三個(gè)顯著的平水段即1970—1975年、1976—1989年、1998—2005年。渠江存在兩個(gè)顯著的豐水段即1979—1986年、2003—2010年；兩個(gè)顯著的枯水段即1975—1978年、1987—2002年；一個(gè)顯著的平水段即1960—1974年。涪江存在兩個(gè)顯著的豐水段即1960—1968年、1973—1986年；兩個(gè)顯著的枯水段即1969—1972年、1987—2010年。

圖7 嘉陵江流域降水量距平百分率年際變化

通過計(jì)算年降水量距平百分率，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)嘉陵江流域降水異常年份，嘉陵江流域內(nèi)異常降水年見表3。近50a降水中，嘉陵江流域內(nèi)降水以正常年份居多，偏多年份多于偏少年份，異常偏多和異常偏少的年份基本沒有，個(gè)別小區(qū)域出現(xiàn)異常偏多年份。嘉陵江上、中下游降水偏多年數(shù)多于涪江、渠江區(qū)域，降水偏少年數(shù)嘉陵江上、中下游、涪江和渠江基本一樣。

表3 嘉陵江流域降水異常年份

4 結(jié)論

（1）流域面平均降水量910.5mm，受東亞季風(fēng)氣候的影響，流域內(nèi)的降水量空間分布不均勻，自東南向西北逐漸遞減。

（2）嘉陵江流域整體近50a降水量有減少趨勢，但趨勢不顯著。流域內(nèi)降水的年代集中指數(shù)（PCI）較穩(wěn)定，在12～20之間，即降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化，嘉陵江流域中部地區(qū)月降雨量較其他區(qū)域相對集中，夏季降水量占全年降水量比例最高，秋、春次之，冬季最少，降水量集中在5—9月；春秋季降水有減少趨勢，夏季除渠江有增加趨勢外都有減少趨勢，冬季變化趨勢不明顯。

（3）近50a降水量存在35a，21a的周期變化；各區(qū)域年際變化具有一定的階段性，流域整體處于一個(gè)豐—平—枯的降水階段。近50a降水中，嘉陵江流域內(nèi)降水以正常年份居多，降水偏多年份多于偏少年份，異常偏多和異常偏少的年份基本沒有，嘉陵江上、中下游降水偏多年數(shù)多于涪江、渠江區(qū)域，降水偏少年數(shù)嘉陵江上、中下游、涪江和渠江基本一樣。

（4）雖然近50a降水量有減少趨勢，但年內(nèi)降水量卻相對集中，且集中于夏秋兩季，因此仍要做好汛期的洪澇、水土流失等災(zāi)害的防治措施以及春冬的防旱工作，減少自然災(zāi)害對流域內(nèi)社會、經(jīng)濟(jì)的影響。

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