曾欽文, 謝俊駒, 巫燕輝, 李思玲

(1.成都信息工程大學(xué), 成都 610225 ; 2.龍川縣氣象局, 廣東 龍川 517300;3.河源市氣象局, 廣東 河源 517000； 4.連平縣氣象局，廣東 連平 517100)

降水是影響地球水資源循環(huán)和利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)等的必要因素[1-3]，暴雨則是容易引發(fā)洪澇等災(zāi)害，給人民生活生產(chǎn)造成嚴重的經(jīng)濟損失，同時，降水對改變生態(tài)環(huán)境以及社會經(jīng)濟生活也有非常重要的影響[4-5]，研究區(qū)域降水量和暴雨的分布和變化特征，對于分析氣候變化背景下的水循環(huán)以及氣候預(yù)測等具有非常重要的意義[6-7]。19世紀以來，由于氣候變暖，水循環(huán)加快，降雨特征也發(fā)生了較大的變化，從而影響暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險的增加。因此，降水量和暴雨變化特征研究引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[8-9]。許多學(xué)者從年、季等不同時間尺度[10-12]，采用線性回歸、Mann-Kendall檢驗、滑動平均等不同分析方法對不同地區(qū)的降水或暴雨的時空變化趨勢進行了研究[13-14]。并得出了許多有指導(dǎo)性意義的局地水文氣候的特征，為當(dāng)?shù)睾侠硎褂盟馁Y源有重要的意義。

東江流域地跨廣東、江西兩省，是珠江流域第三大水系，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，是江西南部地區(qū)、廣東河源、惠州以及珠三角、香港等城市的重要供水水源[15-16]。近百年來，由于氣候變化加劇，水資源循環(huán)加快，降水和暴雨特征也相應(yīng)的發(fā)生了較大的變化，從而導(dǎo)致了東江流域地表徑流和洪水的增加[17-19]。因此，研究氣候變化對東江流域的影響，揭示局部水文氣象變化特征及其演變規(guī)律，以期了解該流域的降水和暴雨氣候變化特征，及充分了解和利用氣候資源，保障東江流域的生態(tài)環(huán)境和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東江流域地跨廣東、江西兩省，是珠江流域第三大水系，屬亞熱帶季風(fēng)氣候,發(fā)源于江西省尋烏椏髻缽山，流經(jīng)廣東省、河源，惠州、到東莞經(jīng)虎門入海，地勢南低北高，海拔為0～1 500 m，干流全長約560 km，流域面積約3.5×104km2[20-21]。目前，東江中上游地區(qū)城市化程度較低，水土保持較好，是廣東省水源涵養(yǎng)重點保護區(qū)。近年來，氣候變化對東江中上游水資源循環(huán)有很大的影響，本研究選定為東江流域的中上游為研究對象。研究東江中上游流域降水量和暴雨日數(shù)的變化特征，為進一步研究東江流域水資源循環(huán)等研究做鋪墊。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象局數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，選取1965—2017年東江中上游及其周邊區(qū)域8個國家氣象站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，具體包括連平、新豐、和平、尋烏、龍川、龍門、東源、紫金國家氣象站，所有站點數(shù)據(jù)均通過嚴格的質(zhì)量控制，包括極值和時間一致性檢驗，數(shù)據(jù)的完整性和可靠性高；按照華南汛期劃分標準：4—9月為汛期，其中4—6月為前汛期，7—9月為后汛期。暴雨日定義為日降水量≥50 mm 的降水日數(shù)；研究方法包括線性趨勢法、相關(guān)分析法、5 a滑動平均、Mann-Kendall 突變檢驗和滑動t檢驗突變點、Morlet小波分析等方法[22-23]。同時，利用ArcGIS 10.0對東江中上游降水量和暴雨日數(shù)的空間變化做制圖分析，趨勢系數(shù)采用p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水和暴雨日的空間特征

從東江中上游年降水量的空間分布可知，年降水量總體呈西南多東北少的空間分布特征，其中，東北地區(qū)為1 672～1 849 mm，西南地區(qū)為1 937～2 202 mm，極大值出現(xiàn)在中游的龍門地區(qū)，為2 202.1 mm；極小值為上游的尋烏地區(qū)，為1 672.8 mm。根據(jù)年降水量年代際變化特征(表1)可知，年降水量具有較明顯的年代際變化特征，具體表現(xiàn)為20 世紀70年代降水量最多，60年代最少。除80年代外，其他年代氣候傾向率均為正值，說明年代際內(nèi)總體呈前后多，中間少的分布特征。

從東江中上游年暴雨日數(shù)的空間分布可知，年暴雨日數(shù)總體也呈東北少西南多的分布特征，跟年降水量空間分布具有有很好的對應(yīng)性，其中，極大值也出現(xiàn)在中游的龍門地區(qū)，為10.0 d，極小值則出現(xiàn)在上游的和平、尋烏地區(qū)，分別為5.4 d，5.8 d。年暴雨日數(shù)空間分布大致為東北地區(qū)為5～7 d，西南地區(qū)為8～10 d。根據(jù)東江中上游年暴雨日數(shù)年代際變化(表1)可知，年暴雨日數(shù)也有較明顯的年代際變化特征，其中，20 世紀80 年代最多，70年代最少，除60年代、70年代外，其他年代氣候傾向率均為負值，表明暴雨日數(shù)在年代際內(nèi)總體呈前多后少的分布特征。就東江中上游年平均降水量和暴雨日數(shù)相關(guān)性檢驗來看，其相關(guān)系數(shù)為0.865(通過了0.005 顯著性檢驗)，說明東江中上游平均年降水量與年暴雨日數(shù)的時間分布上有較好的相關(guān)性。

2.2 年降水和暴雨日氣候特征

圖1A為1965—2017年東江中上游8個國家觀測站空間平均年降水量的時間序列圖。東江中上游平均年降水量為1 828.8 mm，極大值為2 699.2 mm，出現(xiàn)在2 016 年,極小值為1 181.2 mm，出現(xiàn)在1991年。年降水量氣候傾向率為-1.818 mm/10 a，呈減少趨勢，但減少趨勢不顯著(不能通過0.05顯著性檢驗)。上游地區(qū)平均年降水量呈增多趨勢，以尋烏為上游代表站，其氣候傾向率為38.610 mm/10 a(通過了0.05顯著性水平檢驗)，表明增多趨勢較為顯著。中游則呈減少趨勢，以龍門為代表站，其氣候傾向率為-14.200 mm/10 a(不能通過0.05顯著性檢驗)，說明中游減少趨勢不顯著。具體到年降水量變化的空間分布上，除尋烏、和平、新豐呈增多趨勢外，其余均呈現(xiàn)減少趨勢，且東北地區(qū)的尋烏增多最為顯著。

表1 1965-2017年東江中上游降水量和暴雨日數(shù)年代際平均變化

圖1B為1965—2017 年東江中上游8個氣象站空間平均后的年暴雨日數(shù)時間序列。平均年暴雨日為7.0 d，極大值為12.4 d，出現(xiàn)在2016年，極小值為3.4 d，出現(xiàn)在1991年，年暴雨日極大(小)值出現(xiàn)的時間與年降水量的極值時間一致。平均年暴雨日呈現(xiàn)輕微增多趨勢，氣候傾向率為0.003 d/10 a，不能通過0.05顯著性檢驗，說明增多趨勢并不顯著。從年暴雨日數(shù)空間分布可知，除尋烏、新豐地區(qū)暴雨日數(shù)略增多外，其余地區(qū)暴雨日數(shù)呈減少趨勢，且與年降水量增多趨勢一致，東北部的尋烏一帶增多最為顯著。

圖1 1965-2017年東江中上游空間平均年降水量、暴雨日數(shù)時間演變

2.3 年降水和暴雨日突變分析

從1965—2017年東江中上游空間平均年降水量Mann-Kendall 檢驗結(jié)果(圖2A)可知，在2003年之前，UF的值大部分大于0，說明年降水量在2003年之前，總體呈現(xiàn)上升趨勢，但UF的值總體未超過信度的上限，說明上升趨勢并不顯著。2003年之后，UF的值大多在小于0范圍內(nèi)，說明年降水量在2003年之后，總體呈現(xiàn)下降趨勢，但UF的值未超過信度的下限，說明總體下降趨勢也不顯著。從Mann-Kendall 檢驗結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，在0.05的置性水平下，UB與UF存在多個交點，并不能直觀看出年降水量發(fā)生突變的年份，因此需進一步通過滑動t檢驗來驗證，結(jié)合兩種突變檢驗結(jié)果，表明年降水量在1973年前后、1991年前后存在突變。

從1965—2017年東江中上游暴雨日數(shù)Mann-Kendall檢驗結(jié)果(圖2B)可知，UF的值總體未超過信度的上限或下限，說明年暴雨日數(shù)上升或下降趨勢也均不顯著。年暴雨日數(shù)和年降水量的上升或下降趨勢有很好的對應(yīng)性，年暴雨日數(shù)也在2003年之前總體呈不顯著的上升趨勢，之后則呈不顯著的下降趨勢；年暴雨日UF與UB 曲線也均存在多個突變點，也初步判斷為突變點，同樣通過滑動t檢驗來進一步驗證，通過兩種檢驗方法表明，年暴雨日數(shù)在2005年前后、2008年前后存在突變點。

圖2 1965-2017年東江中上游空間平均年降水量(A)、年暴雨日數(shù)(B)Mann-Kendall 檢驗

2.4 汛期降水和暴雨日數(shù)及年代際特征

從東江中上游流域汛期、前(后)汛期平均降水量的趨勢變化圖(圖3A，B，C)可知，汛期平均降水量為1 405.9 mm，占年降水量的76.9%，說明降水主要集中在汛期，其中，汛期平均降水量極大值為1 998.3 mm，出現(xiàn)在1 973 年，極小值為883.7 mm，出現(xiàn)在1991年。從汛期降水變化趨勢(圖3A)可知,汛期降水以-12.836 mm/10 a速率減少，相關(guān)系數(shù)為0.081，不能通過0.05的顯著性水平檢驗，表明汛期降水減少趨勢并不顯著。從5 a滑動平均曲線來看，1965—2017年東江中上游的降水量總體上呈增減相間的波動趨勢，其中1975—1990年減少趨勢最明顯。

近53 a平均前汛期降水量為860 mm，占汛期總降水量的61.2%,降水量極大值為1 298.7 mm，出現(xiàn)在2 005 年，極小值為363.3 mm，出現(xiàn)在2002年。根據(jù)前汛期降水量變化趨勢(圖3B)可知,前汛期降水量以-18.892 mm/10 a速率減少，相關(guān)系數(shù)為0.135，不能通過0.05的顯著性水平檢驗，表明前汛期降水量減少趨勢也不顯著。根據(jù)5 a滑動平均曲線(圖3B)可知，近53 a東江中上游前汛期降水量總體上呈現(xiàn)減少趨勢的變化特征，主要表現(xiàn)為1974—2001年呈緩慢下降趨勢，2002—2007年呈緩上升趨勢，之后又呈下降趨勢。

近53 a平均后汛期降水量為545.9 mm，占汛期總降水量的38.8%，極大值為768.1 mm，出現(xiàn)在2013 年，極小值為322.8 mm，出現(xiàn)在1989年。從后汛期降水量變化趨勢(圖3C)可知，后汛期降水量以6.056 mm/10 a速率增加，相關(guān)系數(shù)為0.067(不能通過0.05的顯著性檢驗)，表明后汛期降水增加趨勢也不顯著。從5 a滑動平均變化趨勢可知后汛期降水量總體上呈波動性增減趨勢，且階段性變化較為明顯。

根據(jù)汛期降水量年代際平均變化可知(表2)，汛期降水量年代際變化較大，20 世紀70年代偏多，其他年代偏少；前汛期除90年代偏少外，其余年代相對偏多；后汛期則20 世紀90年代偏多，80年代明顯偏少。

汛期暴雨日數(shù)為6.0 d，占全年的85.7%，出現(xiàn)暴雨日數(shù)最多的年份為1968年，為10.8 d，最少的年份為2009年，為1.9 d(圖3D)。從汛期暴雨日數(shù)變化趨勢(圖3D)可看出,汛期暴雨日數(shù)以0.16 d/10 a的速率遞減，且減少幅度小，減少趨勢不明顯(不能通過0.05的顯著性檢驗)。從5 a滑動平均曲線來看，汛期暴雨日數(shù)總體上呈現(xiàn)波動性增減趨勢，階段性變化較明顯。

前汛期平均暴雨日數(shù)為4.0 d，占汛期的66.7%，出現(xiàn)暴雨日數(shù)最多的年份為1968年，為7.8 d，最少的年份為1999年、2002年，均為1.1 d(圖3E)。從前汛期暴雨日數(shù)變化趨勢(圖3E)可看出,前汛期暴雨日數(shù)以-0.18 d/10 a的速率減少，減少幅度同樣較小，且減少趨勢不明顯。從5 a滑動平均曲線來看，前汛期暴雨日數(shù)總體上也呈波動性增減趨勢，階段性變化也較明顯。

后汛期平均暴雨日數(shù)為2.0 d，出現(xiàn)暴雨日數(shù)最多的年份為1997年，為5.0 d，最少的年份為1965年，為0.3 d(圖3F)。從后汛期暴雨日數(shù)變化趨勢(圖3F)可看出,后汛期暴雨日數(shù)以0.02 d/10 a的速率遞增，但不能通過0.05的顯著性檢驗，說明后汛期暴雨日數(shù)增加趨勢不明顯。從5 a滑動平均曲線來看，后汛期暴雨日數(shù)總體上也呈波動性增減趨勢，階段性波動較大。

根據(jù)汛期暴雨日數(shù)年代際平均變化可知(表2)，汛期平均暴雨日數(shù)年代際總體變化不大，大致為20世紀60年代略偏多，21世紀10年代略偏少；前汛期平均暴雨日4.0 d，年代際變化幅度較大，大致為20世紀80年代較多，為5.0 d，90年代較少，為3.1 d；后汛期平均暴雨日2.0 d，年代際變化也較大，其中20世紀90年代較多，為2.5 d，80年代相對較少，僅為0.6 d。

圖3 1965-2017年東江中上游空間平均汛期降水(A)、前汛期降水(B)、后汛期降水(C)和汛期暴雨日數(shù)(D)、前汛期暴雨日數(shù)(E)、后汛期暴雨日數(shù)(F)時間演變

2.5 汛期降水和暴雨日數(shù)空間變化

2.5.1 汛期降水空間變化 1965—2017年東江中上游汛期、前汛期和后汛期降水量的空間分布特征總體相似，且與前面分析的年降水量空間分布特征也大致相似，均表現(xiàn)為由東北向西南方向逐漸增大的分布特征。汛期、前汛期、后汛期降水量極大值區(qū)均出現(xiàn)在西南地區(qū)的龍門地區(qū)，分別為1 700.8 mm，1 152.2 mm和618.6 mm，低值區(qū)為上游的尋烏地區(qū)，分別為1 246.2 mm，751.8 mm和488.6 mm。汛期、前(后)汛期降水量變化趨勢在空間分布上存在一定的區(qū)域性差異性，其中汛期和前汛期在中游上多表現(xiàn)出減少趨勢，最大減幅均出現(xiàn)在龍門地區(qū)，分別為-32.26 mm/10 a和-34.44 mm/10 a，但總體減少趨勢并不顯著；后汛期變化趨勢則表現(xiàn)為增多趨勢，最大增幅則出現(xiàn)在尋烏地區(qū)，為18.21 mm/10 a，增多趨勢較為顯著。而位于東部的龍川、紫金則出現(xiàn)輕微的減弱趨勢，減幅介于-4.24～-2.22 mm/10 a。

2.5.2 汛期暴雨日數(shù)空間變化 汛期、前(后)汛期暴雨日數(shù)空間分布特征也總體相似，且與前面分析的年暴雨日數(shù)、汛期、前(后)汛期降水量的空間分布特征也有很好的對應(yīng)性，極大值均出現(xiàn)在西南部的龍門地區(qū)，且呈由東北向西南方向逐漸增大的分布特征。出現(xiàn)這種分布特征主要是受地形因素影響：因西南地區(qū)地處九連山脈的迎風(fēng)坡，導(dǎo)致西南風(fēng)輸送上來的暖濕氣流容易在迎風(fēng)坡造成輻合抬升，從而形成大范圍降水，且西南角還處于九連山和青云山所形成的喇叭口地形當(dāng)中，受喇叭地形所形成的狹管效應(yīng)，也非常有利于水汽在該處的輻合抬升，再加上天氣系統(tǒng)的疊加影響，則非常容易產(chǎn)生強降水，從而導(dǎo)致西南部為降水和暴雨日數(shù)的大值區(qū)。

表2 1965-2017年東江中上游汛期降水量及暴雨日數(shù)年代際平均變化

汛期、前(后)汛期暴雨日數(shù)變化趨勢在空間分布上也存在一定的區(qū)域性差異，其中汛期和前汛期除東北部的尋烏地區(qū)外，其余均表現(xiàn)為減少趨勢，但減少趨勢不顯著；后汛期變化趨勢則表現(xiàn)為北部的尋烏和西部的連平、新豐地區(qū)呈增多趨勢，其余地區(qū)均呈減少趨勢，其中東北部的尋烏增多較為顯著。

2.6 汛期降水量和暴雨日數(shù)突變分析

從1965—2017年東江中上游汛期((圖4A)、前汛期((圖4B)、后汛期((圖4C)降水量Mann-Kendall 檢驗結(jié)果可知，在置信度0.05水平下，東江中上游汛期、前汛期和后汛期降水整體呈不顯著增加或減少趨勢。其中，汛期、前汛期降水出現(xiàn)多個突變點，振蕩劇烈。

觀察UF 線((圖4D)可知，汛期降水量在1987年之前，UF 曲線大部分位于大于0的范圍內(nèi)，1987年之后UF 曲線均處于小于0的范圍，說明1 987 年之后，汛期降水量總體呈下降趨勢(圖4A)，但均未超出信度，說明汛期降水增加或減少趨勢不顯著。結(jié)合滑動t檢驗(圖4G)判斷突變，可知汛期降水量在1972年、1986年、2007年發(fā)生突變。

前汛期降水量(4B)則UF 線在1986年之前大部分位于大于0的范圍內(nèi)，1 986之后，UF 曲線則均在小于0的范圍內(nèi)，說明1 986 年之后，前汛期降水量總體呈下降趨勢(圖4B)，與汛期降水量變化有很好的對應(yīng)性。結(jié)合滑動t檢驗(圖4H)判斷突變，可知前汛期降水量在1971年、2005年發(fā)生突變。

后汛期降水量(8 c)在置信度0.05水平下，UF 曲線一直在大于0的范圍內(nèi)，說明后汛期降水量總體呈上升趨勢，但大部分并未超過信度，說明上升趨勢總體不顯著。結(jié)合滑動t檢驗(圖4I)判斷突變，可知后汛期降水量未發(fā)生突變。

在置信度0.05水平下，汛期暴雨日數(shù)(圖4D)、前汛期暴雨日數(shù)((圖4E)，UF和UB兩條曲線出現(xiàn)多個交點，說明汛期、前汛期暴雨日數(shù)存在多個突變點，振蕩劇烈。觀察汛期暴雨日數(shù)UF線(4D)可知，2003年之前，UF值大于0 或者很少小于0，2003年之后UF 小于0 或者很少大于0，且均未超出信度，說明1965—2003年的汛期暴雨日數(shù)呈上升趨勢，2003年之后總體呈下降趨勢，但總體上升或下降趨勢不顯著。結(jié)合滑動t檢驗(圖4J)判斷突變，可知汛期暴雨日數(shù)在2003年、2008年前后發(fā)生突變。

前汛期暴雨日數(shù)(圖4E)則在1991年之前，UF值大于0 或者很少小于0，1991年之后，UF值均小于0，且均未超出信度，說明1965—1991年的前汛期暴雨日數(shù)總體呈上升趨勢，1991年后總體呈下降趨勢，但總體上升或下降趨勢也不顯著。結(jié)合滑動t檢驗(圖4K)判斷突變，可知前汛期暴雨日數(shù)在1972年、2004年前后發(fā)生突變。

后汛期暴雨日數(shù)(圖4E)在置信度0.05水平下，UF 和UB 兩條曲線在2011年前后出現(xiàn)交點，結(jié)合滑動t檢驗(圖4L)進一步判斷突變，可知后汛期暴雨日數(shù)確實在2011年前后發(fā)生突變。觀察圖中UF 線可以看出，UF值均大于0，說明后汛期暴雨日數(shù)總體呈上升趨勢，且大部分置于信度之間，說明上升趨勢也總體不顯著。

2.7 小波分析

對東江中上游年平均降水量和年暴雨日數(shù)的時間序列進行Morlet復(fù)數(shù)小波變換(圖5)。結(jié)果顯示，東江中上游平均年降水量存在2 a，4～5 a，8～10 a周期變化，其中，8～10 a為最明顯，2 a的小周期振蕩變化具有全域性的特征。對應(yīng)的小波方差可知，8～10 a為年降水量的第1 主周期、4～5 a，2 a為次周期。年暴雨日數(shù)則存在2～4 a，5～6 a，8～10 a周期變化。與年降水量的周期有很好的對應(yīng)性。其中2～4 a的振蕩周期具有全域性的變化特征，5～6 a主要在21世紀年代之后最為明顯，而8～10 a振蕩周期在70年代初至90年代末最為明顯。

3 結(jié) 論

(1) 近53 a東江中上游年降水量呈現(xiàn)出不顯著的減少趨勢，減少速率為1.818 mm/10 a，年暴雨日數(shù)則呈不顯著增加趨勢，增加速率為0.003 d/10 a。汛期、前(后)汛期降水量和暴雨日數(shù)的變化趨勢有所不同，但有很好的對應(yīng)性，其中汛期、前汛期降水量和暴雨日數(shù)均呈不顯著減少趨勢，后汛期降水量和暴雨日數(shù)則呈不顯著增加趨勢。

圖4 1965-2017年東江中上游空間平均降水量、暴雨日數(shù)Mann-Kendall 檢驗和t檢驗

(2) 近53 a東江中上游年、汛期、前(后)汛期降水量和暴雨日數(shù)總體呈西南多東北少的分布，其中降水量和暴雨日數(shù)極大值區(qū)在西南部的龍門地區(qū)，極小值區(qū)在東北部的尋烏、和平地區(qū)；降水量和暴雨日數(shù)趨勢變化在中游總體表現(xiàn)為不顯著的減少趨勢，上游地區(qū)則表現(xiàn)為較為顯著的增多趨勢。

(3) 汛期是東江中上游降水和暴雨發(fā)生的集中時段，近53 a年東江中上游降水量和暴雨主要出現(xiàn)在汛期。且前汛期多、后汛期少，其中汛期降水量占全年的76.9%、暴雨日數(shù)占全年的85.7%，且降水量和暴雨主要集中在前汛期，分別占汛期的61.2%，66.7%。

(4) 近53 a東江中上游年、汛期、前(后)汛期降水量和暴雨日數(shù)年代際變化較為明顯。汛期降水量在1972年、1986年、2007年發(fā)生突變。前汛期降水量在1971年、2005年發(fā)生突變。后汛期降水量未發(fā)生突變。汛期暴雨日數(shù)在2003年、2008年前后發(fā)生突變。前汛期暴雨日數(shù)在1972年、2004年前后發(fā)生突變。后汛期暴雨日數(shù)在2011年前后發(fā)生突變。

圖5 1965-2017年東江中上游空間平均年降水量和年暴雨日數(shù)的Morlet小波分析及小波方差

(5) 東江中上游平均年降水量存在2 a，4～5 a，8～10 a的振蕩周期，其中，8～10 a為最明顯，2 a的小周期振蕩變化具有全域性的特征。年暴雨日數(shù)則存在2～4 a，5～6 a，8～10 a振蕩周期，與年降水量的周期有很好的對應(yīng)性，其中2～4 a的振蕩周期具有全域性的變化特征。