張小南

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)漢江水文水資源勘測(cè)局，湖北 襄陽(yáng) 441000）

1 研究背景

受人類活動(dòng)及自然環(huán)境影響，氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件發(fā)生幾率大幅增加[1]。并且氣候具有明顯的區(qū)域性特征，各區(qū)域間存在明顯的差異[2]。國(guó)內(nèi)外中眾多學(xué)者基于不同空間尺度與時(shí)間尺度做出大量研究，Tabari[3]等對(duì)伊朗1966 年～2005 年的年降水量變化趨勢(shì)展開研究，并發(fā)現(xiàn)局部地區(qū)的年降水量呈增加趨勢(shì)。Gocic M[4]運(yùn)用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)塞爾維亞局部地區(qū)多組氣象數(shù)據(jù)資料的年際和季節(jié)趨勢(shì)進(jìn)行空間特征分析。朱鵬[5]利用Mann-Kendall 檢驗(yàn)驗(yàn)證了北疆地區(qū)降雨量存在明顯上升趨勢(shì)，并依賴小波分析對(duì)不同時(shí)間尺度降雨資料的分析發(fā)現(xiàn)其周期習(xí)性變化規(guī)律。張洪亮[6]采用了滑動(dòng)平均的方法分析了年降雨的變化趨勢(shì)，張文對(duì)年降雨量時(shí)間變化趨勢(shì)研究中則利用一元線性回歸進(jìn)行分析描述。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)局部降雨變化趨勢(shì)分析的研究中不僅改進(jìn)了方法，并且對(duì)年降雨時(shí)序研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)充。類如，王鵬云[7]利用模比差積曲線和滑動(dòng)平均曲線將降雨的時(shí)間序列劃分為枯水期和豐水期，并以此確定局部降雨周期。

漢江流域是南水北調(diào)中線工程的水源地，流域降水強(qiáng)度大、驟發(fā)性強(qiáng)、時(shí)空分布不均。降雨情況對(duì)于水資源有重大影響，充分了解降雨極值的變化能夠幫助我們進(jìn)行流域水資源再分配，同時(shí)對(duì)于防汛抗旱有著重大意義。因此，就流域尺度而言，研究區(qū)域內(nèi)降雨量時(shí)間變化趨勢(shì)，對(duì)預(yù)防或減輕其災(zāi)害損失，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究區(qū)概況

漢江是長(zhǎng)江最大的支流，流經(jīng)陜西、湖北、河南等六個(gè)省市，其中干流流經(jīng)湖北、陜西兩省，全長(zhǎng)1577 km。

中上游多以丘陵坡地為主，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，植被良好，雨量充沛。降水量年內(nèi)分布不均，主要分布于5 月～10 月，年際變化較大，多年平均降雨量為800 mm～1200 mm。漢江中上游洪水期徑流多由降水補(bǔ)給，平水期徑流多由地下水補(bǔ)給。歷史上漢江流域水患頻發(fā)，洪水多由局部暴雨和持續(xù)連陰雨造成，典型洪水如1935 年、1954 年、1964 年、1983 年、1998 年和2005 年等。

本文選取漢江中上游流域，研究采用漢江中上游向家坪、長(zhǎng)沙壩、白河、黃龍灘四個(gè)水文站的降水系列進(jìn)行分析，這四個(gè)站能獲得的降水系列較長(zhǎng)，能較好地代表漢江中上游降水情況，漢江流域各測(cè)站示意圖見圖1。

圖1 研究站點(diǎn)分布圖

3 研究方法

Mann-Kendall 檢驗(yàn)法受異常值的干擾較小，且不需要序列服從一定的分布，因此廣泛用于分析水文及氣象要素序列的變化趨勢(shì)。降水量是具有時(shí)間序列的自然樣本，Mann-Kendall檢驗(yàn)定義一個(gè)時(shí)間序列Yi（i=1，2，3，…，n），Ci是樣本Yi大于Yj的累積數(shù)：

原序列為無趨勢(shì)自然序列，則此序列的數(shù)學(xué)期望為：

方差為：

Xk的標(biāo)準(zhǔn)化為：

Xk逆序排列后，再次標(biāo)準(zhǔn)化，得UB。本次研究中，由于降水時(shí)空尺度變異較大，其變化趨勢(shì)的顯著性相對(duì)較弱，故選取較低的趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。本文將顯著水平設(shè)為0.05，對(duì)應(yīng)該顯著水平的Zα/2為1.96，對(duì)應(yīng)的置信水平為95%。即若UF、UB 曲線在置信區(qū)間內(nèi)，則此序列未發(fā)生顯著變化；若UF、UB在置信區(qū)間內(nèi)有交點(diǎn)，則此交點(diǎn)可能為突變點(diǎn)；UF＞0，則時(shí)間序列是上升趨勢(shì)，若大于1.96，此序列顯著上升；UF＜0，則時(shí)間序列是下降趨勢(shì)，若小于-1.96，此序列顯著下降。

4 區(qū)域降雨分析

對(duì)漢江流域內(nèi)1956 年～2018 年的汛期降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖2。

圖2 1956年～2018 年漢江中上游流域年降水量變化趨勢(shì)

圖中結(jié)果表明，漢江流域中上游地區(qū)除向家坪地區(qū)降雨量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)較為平緩。長(zhǎng)沙壩站以下流域降雨量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)較為平緩。其中越靠近下游下降趨勢(shì)越為顯著。以向家坪流域?yàn)槔?，區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為795.0 mm，最大降水量為1982 年1154.3 mm，最小降水量為1966 年470.4 mm，豐枯極值比為2.45，降水量年際變化較大，表1 詳列了各測(cè)點(diǎn)的降雨量枯豐極值比。

表1 漢江流域中上游各水文站降雨量年際變化

對(duì)比圖1，不僅可以發(fā)現(xiàn)漢江流域降雨量年際變化較大，局部表現(xiàn)為規(guī)律性的漲落態(tài)勢(shì)，在長(zhǎng)沙壩與黃龍灘地區(qū)，年際降雨量變化明顯高于上游向家坪。各測(cè)站均出現(xiàn)了部分年份降雨量連續(xù)增加或者連續(xù)下降的趨勢(shì)，并且越靠近下游，趨勢(shì)越為顯著。年際降雨趨勢(shì)中不僅存在連續(xù)的降雨變化趨勢(shì)，更存在“陡增”和“陡落”現(xiàn)象。表明漢江流域降雨年際變化具有顯著的隨機(jī)性。圖3 為利用Mann-Kendal 檢驗(yàn)法對(duì)漢江流域上游各測(cè)站降雨量數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)結(jié)果。

圖3 漢江中上游流域年降水量MK 曲線

如圖3 所示，UF、UB 兩條趨勢(shì)線相互交織均有不止一個(gè)交點(diǎn)，降雨量變化趨勢(shì)發(fā)生過多次轉(zhuǎn)折。對(duì)比各測(cè)站，可見向家坪站與黃龍灘站交點(diǎn)相對(duì)稀少且明顯，其中向家坪站于1990 年（35 年）、2003 年（48 年）、2007 年（52 年）、2011 年（56 年）、2016 年（61 年）相交；黃龍灘站于1962 年、1963 年、1970 年、1971 年、1973 年、1985 年、1986 年、2011 年、2018 年出現(xiàn)明顯相交。而位于兩測(cè)站中間的白河與長(zhǎng)沙壩站，除部分年份存在明顯相交，其中長(zhǎng)沙壩站UF、UB 曲線在1956 年～1965 年、1973 年～1984 年頻繁相交，降雨量在這兩個(gè)階段呈現(xiàn)波動(dòng)式變化，頻繁突變上升或突變下降。白河站于1956 年～1980 年交點(diǎn)密集出現(xiàn)，相比之下，具有更為連續(xù)的變化序列，降雨量呈現(xiàn)震蕩變化。

從UF 曲線值看，1956 年～1989 年區(qū)間內(nèi)向家坪UF 曲線值均大于0，區(qū)域年降水量持續(xù)增加，但在1984 年UF 值超過臨界值1.96，表明此點(diǎn)上升趨勢(shì)顯著。

而對(duì)圖3（b）分析可得，在1966 年～1973 年，UF 曲線值均小于0，表明長(zhǎng)沙壩站降雨量經(jīng)歷五六十年代震蕩之后，進(jìn)入持續(xù)減少期，但是減少不顯著。1973 年～1984 年降水量減少趨勢(shì)變緩，1983 年～1991 年UF 值大于0，這階段長(zhǎng)沙壩降雨量呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)不顯著。1992 年～2018 年，UF 值絕大多數(shù)都小于0，長(zhǎng)沙壩降雨量呈下降趨勢(shì)，其中2002 年、2005 年、2006年均為突變年份。

圖3（c）中白河站1982 年～2018 年UF 值均小于0，并且在1999 年～2003 年UF 曲線值顯著低于臨界值-1.96，故白河區(qū)域降水量呈明顯下降趨勢(shì)。

與上游測(cè)站對(duì)比，黃龍灘站降水量在1970 年～2018 年處于不斷減少的趨勢(shì)。而1968 年前，UF 曲線值在0 點(diǎn)上下波動(dòng)變化，區(qū)域內(nèi)降雨量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

漢江中上游流域及其分區(qū)的年降水量受空間分布影響顯著，其上游向家坪區(qū)域呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而靠近下游的各測(cè)站則表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其顯著性水平東部高于西部。而對(duì)于降雨突變時(shí)段，上下游基本呈現(xiàn)一直性，但明顯下游突變時(shí)段更為連續(xù)與集中，呈現(xiàn)明顯的流域性、空間群發(fā)性。