韓會(huì)明，郭紅虎，游文蓀，簡(jiǎn)洪福

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

氣候變化背景下，氣溫降水等氣象要素異常情況頻繁，使氣象氣候科學(xué)的研究一直為熱點(diǎn)方向[1，2]。降水作為水循環(huán)中基本組成部分，其受氣候變化的影響因地區(qū)差異而存在區(qū)別，針對(duì)區(qū)域降水變化的研究，以流域?yàn)檠芯繉?duì)象更能準(zhǔn)確地揭示區(qū)域降水的空間變化及其受氣候變化的影響[3]。隨著全球變暖，贛江流域極端降水事件明顯增多，由于區(qū)域條件的復(fù)雜性，降水的變化相較于氣溫更為復(fù)雜，其變化模式及地區(qū)差異都有著很大的未定性[4～6]，降水作為贛江流域水量最主要的補(bǔ)給來(lái)源[7]，4～6月降水集中成災(zāi)，常引發(fā)山洪和洪澇災(zāi)害，2013年5月，流域南部信豐縣發(fā)生一起山洪致使5名人員遇難；7月以后高溫少雨，伏秋旱常發(fā)，2019年7月末至11月期間，贛江流域各地降水極少，大部分地區(qū)同期降水低于往年7成左右。探究贛江流域降水時(shí)空特征對(duì)該地區(qū)的旱澇治理，保障人民生命安全和正常生產(chǎn)生活具有重要意義。

本文以贛江流域及其周邊44個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)的1960～2018年逐月降水量和降水日數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用氣候傾斜率、累積距平法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、小波周期分析和EOF分解等方法對(duì)贛江流域降水進(jìn)行研究，了解贛江流域歷史降水的時(shí)空變化規(guī)律，以期為該地區(qū)防洪抗旱減災(zāi)工作和水資源的合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

贛江流域（113°30'～116°40'E，24°29'～29°11'N）屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，干流全長(zhǎng)約823km，流域面積約為8.28萬(wàn)km2，其中98.45%位于江西省境內(nèi)，四季分明，霜凍期短，年均氣溫18.3°C。流域東邊為武夷山脈、粵山，南部為大庾嶺和九連山，西部為羅霄山脈，干流從南向北流經(jīng)江西省贛州市、吉安市、宜春市、南昌市和九江市，流域內(nèi)河網(wǎng)密布，水量充足，流域面積3 000～10 000km2的主要一級(jí)支流有10條。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 研究區(qū)概況

本研究利用江西省水文局提供的贛江流域及周邊44個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)59年間（1960～2018年）的逐月降水量，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，其完整性達(dá)到99%以上，對(duì)數(shù)據(jù)丟失的極個(gè)別月份參考鄰近站點(diǎn)進(jìn)行線性插補(bǔ)，其中流域年降水量由各站點(diǎn)加權(quán)平均得到。

1.3 研究方法

1.3.1 降水累積距平

累積距平通過(guò)曲線的變化趨勢(shì)直觀的判斷氣象要素的變化過(guò)程的不連續(xù)現(xiàn)象[8]，根據(jù)曲線的拐點(diǎn)來(lái)判斷突變的可能時(shí)間[9]，對(duì)于降水序列i，時(shí)刻t的累積距平值為：

1.3.2 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

滑動(dòng)t檢驗(yàn)是氣象水文序列突變檢驗(yàn)中常用的方法，用于檢驗(yàn)兩個(gè)隨機(jī)樣本平均值的顯著性差異[10，11]。對(duì)于樣本容量為n的單一時(shí)間序列，可人為設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，將時(shí)間序列分為前后兩個(gè)子序列，子序列長(zhǎng)度為n1和n2，其均值為x1和x2，方差為s1和s2，定義統(tǒng)計(jì)量為：

t遵循自由度u=n1-n2-2，查t分布表得到臨界值為t0，比較統(tǒng)計(jì)量t和臨界值t0之間的關(guān)系，如果t絕對(duì)值≧t0，則說(shuō)明兩個(gè)子序列有顯著差異，存在突變；反之亦然。為了減小基準(zhǔn)點(diǎn)選取過(guò)程中人為的影響，在具體實(shí)踐中需要不斷的變動(dòng)基準(zhǔn)點(diǎn)，以增加檢驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。

1.3.3 小波分析

小波分析是一種常用的水文氣象數(shù)據(jù)研究中時(shí)頻多分辨率分析方法[11，12]，通過(guò)對(duì)母小波或基小波的平移或伸縮，得到一系列的子小波，而原始數(shù)據(jù)信息可表述為這些子小波的疊加，小波變換公式為：

式中：C為小波函數(shù)變換系數(shù)。

1.3.4 經(jīng)驗(yàn)正交分解

主成分分析方法（Principal component analysis）在氣象上常稱(chēng)為經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，EOF），是從多變量序列中提取相互獨(dú)立的新變量序列，用于降低原始數(shù)據(jù)的維度[13，14]。EOF分析通過(guò)較少的幾種空間分布模態(tài)對(duì)原氣象變量場(chǎng)進(jìn)行描述，基本涵蓋原變量場(chǎng)的信息[15]。選用贛江流域44個(gè)站點(diǎn)以及各站點(diǎn)59年的降水量數(shù)據(jù)組成二維矩陣，設(shè)站點(diǎn)數(shù)序列為m，各站點(diǎn)年降水量時(shí)間序列為n，則站點(diǎn)時(shí)間序列Xm,n可以通過(guò)特征向量a→（載荷）建立與主成分Ym,n之間的線性關(guān)系，可表達(dá)為：

2 結(jié)果與分析

2.1 降水年內(nèi)分布特征

統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)各站點(diǎn)多年月均降水量，得到多年月平均降水的年內(nèi)分布特征，如圖2。流域降水年內(nèi)分配不均勻，6月降水最多，為259.4mm，占全年降水的16.2%，12月降水最少，為50.3mm，占全年的3.1%；汛期（3～8月）降水占年內(nèi)降水總量的72.2%，而主汛期（4～6月）年均降水為707.1mm，占到年內(nèi)降水總量比重高達(dá)44.1%。3月開(kāi)始降水量增加明顯，直至6月達(dá)到峰值，7月開(kāi)始明顯下降。這一降水特點(diǎn)主要由于每年3月期間，東南方向的季風(fēng)開(kāi)始盛行，降水迅速增多；5～6月勢(shì)力相當(dāng)?shù)睦渑瘹鈭F(tuán)相遇，使兩者間相對(duì)靜止而產(chǎn)生靜止鋒，降水激增。7～8月間受副熱帶高壓氣團(tuán)影響，降水量相較6月有所下降，冬春時(shí)節(jié)受到西伯利亞干冷氣團(tuán)南下的影響，降水量達(dá)到最低值。

贛江流域雖降水豐沛，但降水的年內(nèi)分配不均造成降水與農(nóng)作物需水期不匹配，降水多集中于4～6月，7～8月月降水量一般只有100mm左右，而蒸發(fā)量一般大于150mm，部分年份可達(dá)200mm以上，大大超過(guò)降水量，9～10月降水量一般在100mm以下，也小于蒸發(fā)量。贛江流域主要農(nóng)作物（含糧食和經(jīng)濟(jì)作物）的生長(zhǎng)期一般在4月初至10月下旬，每年7～8月“雙搶”季節(jié)，而此時(shí)往往降水偏少、蒸發(fā)量大，易導(dǎo)致作物缺水，晚稻成長(zhǎng)收到影響，易因旱成災(zāi)[16]。

2.2 降水年際分布特征

圖2 降水量的逐月變化

圖3 降水量的逐年變化

根據(jù)贛江流域及其周邊44個(gè)站點(diǎn)的降水量資料，利用5年滑動(dòng)平均和一元線性回歸法，得到流域年平均降水量變化圖，見(jiàn)圖3。從圖3可知，贛江流域多年年平均降水量的范圍為1 067.4～2 081mm，平均降水量為1 606.77mm，1963年降水最少，1975年降水最多，兩者相差1013.6mm?？傮w來(lái)看，年降水量在波動(dòng)中增加，年均增加幅度為18.8mm/10年；從5年滑動(dòng)平均可以看出，59年間呈現(xiàn)出4個(gè)升降周期，1962～1965年處于迅速下降階段，并達(dá)到歷史最低點(diǎn)，1965～1975年迅速上升，1975～1978 年處于下降階段，1978～1983 年呈上升趨勢(shì)，1983～1987年為下降趨勢(shì)，1987～1996為上升趨勢(shì)，1997～2005 呈下降趨勢(shì)，2005～2016 呈上升趨勢(shì)，其中包括了幾個(gè)小波動(dòng)。

2.3 空間分布特征

圖4 降水量空間分布圖

根據(jù)各站點(diǎn)逐月降水量計(jì)算多年年平均降水量，并通過(guò)Arcgis10.2軟件的反距離權(quán)重方法對(duì)降水量進(jìn)行空間插值，得到了1960～2018年贛江流域年平均降水的空間分布圖。如圖4所示，贛江流域總體降水呈現(xiàn)出“中間少四周多”的格局，流域中部的泰和、萬(wàn)安、遂川、贛縣、上猶和南康多年平均降水較少，年均降水量不足1 500mm，其中泰和縣為流域內(nèi)年均降水最少的地區(qū)，為1 406.8mm。流域中部降水少，主要與贛江流域的地形、氣候等密不可分，該地區(qū)丘陵與山地相連，群山環(huán)繞東部為武夷山脈，南部為九連山，西部為大庾嶺，北部是天湖山，不利于水汽輸送，降水最少。西部的井岡山一帶為流域年均降水最多的地區(qū)，多年平均降水為1 906.2mm，該地區(qū)處于羅霄山脈中段，地勢(shì)高，水汽難于翻越，容易形成降水。東部地區(qū)年均降水量?jī)H次于井岡山地區(qū)，多年平均降水量在1 800mm以上，東部山脈高程較低，夏季時(shí)節(jié)東南季風(fēng)盛行，攜帶了大量水汽，易于產(chǎn)生較多的降水。

2.4 突變分析

對(duì)贛江流域59年降水量時(shí)間序列分別采用累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)兩種方法進(jìn)行突變分析。分析圖5降水累積距平過(guò)程發(fā)現(xiàn)，降水累積距平值在1991年達(dá)到最低點(diǎn)，隨后持續(xù)升高，在2002年達(dá)到第二峰值（僅次于1962年）隨后開(kāi)始驟降，表明降水量在1991年和2002年發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折；通過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，圖6檢驗(yàn)結(jié)果表明，1991年和2002年降水量的3次滑動(dòng)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量均大于α＝0.05顯著水平的臨界值，說(shuō)明1991年和2002年前后降水量發(fā)生較大的變化，1991年的改變相比2002年更為顯著。兩種分析結(jié)果一致，因此認(rèn)為1960～2018年間贛江流域降水突變年份為1991年和2002年，其中1991年降水出現(xiàn)了由少到多的突變，2002年為由多到少的突變。

2.5 周期分析

為了進(jìn)一步揭示贛江流域年降水量時(shí)間尺度的周期變化特征，利用Morlet小波分析方法對(duì)贛江流域近60年來(lái)年降水量進(jìn)行分析。如圖7所示，從小波等值線圖中可以看出（等值線圖中，深色區(qū)域表示正值，降水多，淺色區(qū)域表示負(fù)值，降水少），贛江流域年降水量存在多個(gè)周期的震蕩，33～37年的大時(shí)間尺度上振蕩周期明顯，10～13年和15～20年的振蕩周期都呈現(xiàn)出了20世紀(jì)90年代前由高到低，20世紀(jì)90年代后再轉(zhuǎn)高的變化特點(diǎn)，5～8年振蕩周期也貫穿整個(gè)時(shí)期，年降水量經(jīng)歷了多個(gè)交替和循環(huán)，43～45年的大時(shí)間尺度上震蕩較弱，從1975年以后開(kāi)始顯現(xiàn)。結(jié)合小波方差圖，降水主要存在多個(gè)周期，其中第一主周期為35年，震蕩最強(qiáng)，小波方差最大，還伴有6年、12年和18年的次周期。

圖5 降水量累積距平圖

圖6 降水量滑動(dòng)t檢驗(yàn)圖

圖7 降水小波分析

2.6 降水量的EOF分析

對(duì)贛江流域44個(gè)氣象站點(diǎn)59年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行EOF分析，前3個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率依次為65.5%、12.6%、4.8%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了82.9%，所以選用前3個(gè)模態(tài)詳細(xì)分析贛江流域降水場(chǎng)空間特征的多樣性，3種模態(tài)空間分布如圖8。

第一模態(tài)所對(duì)應(yīng)的的載荷向量均為正數(shù)且都大于0.6，說(shuō)明贛江流域降水的分布具有較好的流域一致性，即同濕或同干，載荷向量的高值地區(qū)主要集中在贛江流域的中東部，高值中心點(diǎn)位于吉安縣、吉水縣、永豐縣和樂(lè)安縣等地。

第二模態(tài)反映了贛江流域降水量空間分布的縱向差異，降水量的載荷向量以北緯27°附近為界，呈現(xiàn)出南正北負(fù)的特征，這種特征主要表現(xiàn)為北部的平原地區(qū)和南部的丘陵山地地區(qū)的干濕相反，北部偏濕則南部偏干，反之亦然。

第三模態(tài)主要反映了贛江流域中部與南部和北部之間的差異性，中部為負(fù)南北為正，負(fù)值的中心點(diǎn)位于中西部地區(qū)的井岡山市等地，井岡山站的海拔為843m，也是所有站點(diǎn)中海拔最高的，載荷空間上以井岡山地區(qū)為中心為波狀向外一層層擴(kuò)散，這也主要反應(yīng)了地勢(shì)對(duì)降水空間場(chǎng)的影響。北部的正值普遍高于南部，說(shuō)明了在不同干旱年份的表現(xiàn)上中部與北部的差異要大于中部和南部。

圖8 降水序列EOF分解

3 結(jié)論

本文以1960～2018年贛江流域及周邊44個(gè)氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用累積距平、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、小波分析和經(jīng)驗(yàn)正交分解方法對(duì)降水量時(shí)空特征進(jìn)行分析，該流域降水特征如下：

（1）降水量1～6月逐漸增多，6月達(dá)到峰值，之后減少，汛期降水占年降水總量的72.2%，降水時(shí)間上的集中使得流域內(nèi)洪澇災(zāi)害多發(fā)，應(yīng)積極做好防御洪澇災(zāi)害的工作。受山脈地形影響，降水量空間上呈現(xiàn)“中間多四周少”的分布。

（2）降水量在1991年出現(xiàn)了由少到多的突變，2002年為由多到少的突變，存在35年的主周期和6年、12年和18年的次周期。

（3）基于EOF分解，贛江流域降水的前三個(gè)模態(tài)累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.9%，降水的空間分布場(chǎng)類(lèi)型主要為一致型、南北相反型、中部與南北相反型。