羅 瀟，廖春花，羅 菁，譚詩琪

(1.湖南省氣象服務(wù)中心，長沙 410118； 2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118； 3.湖南省氣候中心，長沙 410118)

0 引 言

資水位于湖南中部地區(qū)，是四水流域的第三大支流，其源頭分左右兩支。右支夫夷水發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)資源縣顛覆嶺，左支赧水發(fā)源于湖南省城步縣青山黃馬界，兩河在邵陽縣雙江口匯合，流經(jīng)邵陽市、新邵、新化、安化、桃江等市縣，于益陽市甘溪港注入洞庭湖[1-2]。資水流域干流全長653 km，流域總面積2.8×104km2，流域內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，從上游至下游依次為高山峽谷地帶、盆地、沖擊臺(tái)地、低矮丘陵區(qū)和沖擊平原地帶[3]。資水流域洪水和干旱災(zāi)害交替、頻繁發(fā)生，根據(jù)歷史氣象資料，流域內(nèi)有兩個(gè)暴雨中心，一個(gè)位于上游隆回縣六都寨附近，另一個(gè)位于安化縣梅城一帶，該區(qū)是湖南省最大的暴雨區(qū)之一[4]。在全球氣候變暖的背景下，資水流域極端降水事件頻發(fā)，給流域氣候趨勢預(yù)測、流域內(nèi)水庫防洪調(diào)度及水資源開發(fā)利用等帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

對于流域降水的研究，過去的討論分析多基于站點(diǎn)降水資料[5-7]。如李兵等[8]檢驗(yàn)分析了湖南省資水流域 14 個(gè)國家氣象站 1980-2016 年汛期(4-9月份)暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨集中度、暴雨集中期的時(shí)空分布與演變特征，研究發(fā)現(xiàn)湖南省資水流域暴雨日數(shù)(暴雨量)時(shí)空變化上整體具有較好的一致性，但年均暴雨日數(shù)大的地區(qū)更容易發(fā)生偏澇或偏旱。由于站點(diǎn)降水的觀測網(wǎng)密度低或測站布局不合理，導(dǎo)致站點(diǎn)降水大小不能很好地反映流域整個(gè)面上的降水情況，因此有了面雨量這一說法的提出[9-12]。隨著高分辨率再分析資料的不斷更新完善，其在流域面雨量上的應(yīng)用也越來越廣[13-16]。因此，本文應(yīng)用新一代中國全球大氣再分析降水資料，按流域分區(qū)分析資水流域近40年雨量的變化情況，以期為資水流域防汛抗洪、水資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文在文獻(xiàn)[17]對再分析資料進(jìn)行對比評估的基礎(chǔ)上，選用與湖南省實(shí)況降水最接近的中國區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集，中國區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集(China Meteorological Forcing Dataset，CMFD)是中國科學(xué)院青藏高原研究所開發(fā)的一套近地面氣象與環(huán)境要素再分析數(shù)據(jù)集。本文用到的是CMFD的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率0.1°×0.1°，時(shí)間為1979-2018年。

1.2 方 法

應(yīng)用格點(diǎn)平均值法，將再分析格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到資水流域每個(gè)分區(qū)的逐日面雨量。運(yùn)用線性趨勢法計(jì)算近40年面雨量的變化趨勢。相關(guān)定義如下：

根據(jù)文獻(xiàn)[18]給出的流域面雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)子流域24 h面雨量≥15 mm，定義為一個(gè)大雨日；當(dāng)子流域24 h面雨量≥30 mm，定義為一個(gè)暴雨日；當(dāng)子流域24 h面雨量≥60 mm，定義為一個(gè)大暴雨日。

雨季開始：定義為每年3月份后，日降水量≥25 mm(或3 d總降水量≥50 mm的第1天)，且其后兩旬中任意一旬降水量超過歷年同期平均期，該日為雨季開始日期。

雨水集中期：定義為雨季(3-7月份)中任意連續(xù)10 d降水總量最多的出現(xiàn)時(shí)段。

資水流域分區(qū)見圖1。資水流域大體呈南北走向，從南至北依次為羅家廟以上、羅冷區(qū)間、柘溪庫區(qū)和資水下游。

圖1 資水流域(紅色區(qū)域)空間分布及分區(qū)情況

2 資水流域面雨量的時(shí)間變化

2.1 年總面雨量的年際變化

統(tǒng)計(jì)資水流域近40年逐年面雨量隨時(shí)間的變化，見圖2。資水流域年面雨量變化趨勢呈現(xiàn)緩慢增加的特征，增加的速率為每10年1.5 mm。年總面雨量最大的年份為2002年，最大年總面雨量為2 037.7 mm，年總面雨量最少出現(xiàn)在2011年，為1 009.6 mm。從各個(gè)分區(qū)年面雨量的時(shí)間分布來看(圖略)，4個(gè)分區(qū)中柘溪庫區(qū)和資水下游面雨量呈現(xiàn)增加趨勢，增加速率分別為每10年5.2和56.8 mm；羅家廟以上和羅冷區(qū)間面雨量呈現(xiàn)減少趨勢，羅家廟以上減少速率為每10年31.9 mm，羅冷區(qū)間減少速率為每10年24 mm。

圖2 資水流域年累計(jì)面雨量逐年變化(單位：mm)

2.2 四季面雨量的年際變化

從全流域及各分區(qū)春季面雨量的逐年變化來看，近40年資水流域各分區(qū)春季面雨量均呈現(xiàn)為減少的趨勢。其中，羅家廟以上面雨量減少的速率最大，為每10年減少18.4 mm；而柘溪庫區(qū)減少的速率最小，為每10年減少6.2 mm。全流域面雨量減少速率為每10年減少12.8 mm，其中春季面雨量最大的年份為1991年，最小的年份為1999年，說明資水流域面雨量在20世紀(jì)年際變率最大。另外還可以看出，進(jìn)入21世紀(jì)后，資水流域面雨量年際變率顯著減小(圖3)。

圖3 資水流域全區(qū)春季累計(jì)面雨量逐年變化(單位：mm)

近40年資水流域4個(gè)分區(qū)中，柘溪庫區(qū)和資水下游夏季面雨量呈現(xiàn)增加趨勢，增加速率分別為每10年8.5和36.8 mm；羅家廟以上和羅冷區(qū)間面雨量呈現(xiàn)減少趨勢，羅家廟以上減少速率為每10年15 mm，羅冷區(qū)間減少速率為每10年9.2 mm；全流域夏季面雨量為增加的趨勢，增加的速率為每10年5.3 mm。此外還可看出，由于夏季面雨量在全年總面雨量中所占比重最大，因此夏季面雨量的年際變化也主導(dǎo)了年總面雨量的年際變化趨勢(圖略)。

近40年資水流域4個(gè)分區(qū)中，資水下游秋季面雨量呈現(xiàn)增加趨勢，增加速率為每10年24.5 mm，其他3個(gè)分區(qū)秋季面雨量呈現(xiàn)減少趨勢，減少的速率分別為羅家廟以上每10年減少7.8 mm，羅冷區(qū)間為每10年減少8.7 mm，柘溪庫區(qū)為每10年減少0.8 mm；全流域秋季面雨量為緩慢增加的趨勢，增加的速率為每10年1.8 mm(圖略)。

近40年資水流域4個(gè)分區(qū)及全流域冬季面雨量均呈增加的趨勢。羅家廟以上和羅冷區(qū)間增加的速率為每10年9.4 mm，柘溪庫區(qū)每10年增加3.7 mm，資水下游每10年增加6.4 mm，資水流域全區(qū)冬季面雨量增加的速率為每10年7.2 mm(圖略)。

2.3 面雨量的年內(nèi)變化

資水全區(qū)年平均面雨量1 499.2 mm，面雨量主要集中在3-8月份，月平均面雨量均在100 mm以上。同時(shí)全年逐月面雨量變化呈現(xiàn)雙峰型，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在6月份，為230 mm；第二個(gè)峰值出現(xiàn)在10月份，為88.2 mm；資水全區(qū)全年面雨量最少的月份在12月份，為48.2 mm(圖4)。資水全區(qū)年平均大雨日數(shù)28.4 d，年平均暴雨日數(shù)為7.8 d。從逐月分布來看，大雨日數(shù)在4、5、6月份最多，暴雨日數(shù)在5、6、7月份最多，其中6月份不論是大雨日數(shù)還是暴雨日數(shù)均達(dá)到全年的最高值，這與資水全區(qū)6月份面雨量峰值是吻合的。從逐月最大日面雨量的分布來看，資水全區(qū)6、7、8這3個(gè)月出現(xiàn)的最大日面雨量相對較大，說明這3個(gè)月出現(xiàn)極端降水的概率較大，全年除了3月份，其他月份的最大日面雨量均達(dá)到大暴雨級(jí)別，8月份的最大日面雨量最大，出現(xiàn)在2007年，為99.6 mm，但未達(dá)到特大暴雨級(jí)別(圖5)。

圖4 資水流域月平均累計(jì)面雨量分布

圖5 資水流域最大日面雨量及大雨和暴雨日數(shù)的逐月分布

資水各分區(qū)面雨量的年內(nèi)分布與資水全區(qū)的分布特征基本一致(圖略)，即面雨量主要集中在3-8月份，全年面雨量最少的月份在12月份，且逐月面雨量變化呈現(xiàn)雙峰型，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在6月份，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在10月份。

3 極端降水特征

圖6為資水全區(qū)逐年最大日面雨量年際變化。由圖6可以看到，年最大日面雨量呈現(xiàn)出逐年增大的趨勢，增大的速率為5 mm/10 a，所有年份的最大日面雨量級(jí)均在暴雨以上。其中，有34年最大日面雨量達(dá)到大暴雨以上級(jí)別，占比為85%，最大日面雨量出現(xiàn)在2007年，為99.6 mm，未達(dá)到特大暴雨級(jí)別。圖7統(tǒng)計(jì)了逐年最大日面雨量出現(xiàn)的月份。由圖7可知，資水全區(qū)年最大日雨量主要分布于5-7月份，一共出現(xiàn)28次，占比為70%，其中出現(xiàn)在6和7月份的次數(shù)最多，均為10次。

圖6 資水流域逐年日最大面雨量分布(單位：mm)

圖7 資水流域年最大日面雨量所在月份分布

4 雨季特征

自電力部門開始關(guān)注氣象服務(wù)開始，電力部門非常關(guān)注雨季特征，尤其是雨水集中期的降水和雨季開始的時(shí)間，因?yàn)檫@與各大水庫防洪蓄洪、保水蓄水、迎峰度夏的決策息息相關(guān)。因此，接下來著重分析資水流域各分區(qū)雨水集中期的面雨量特征及各分區(qū)的雨季開始時(shí)間。

4.1 雨水集中期

從羅家廟以上逐年雨水期中期面雨量的變化來看(圖8)，整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，雨水集中期面雨量最大的年份為1996年，10天最大累計(jì)面雨量為366.9 mm；雨水集中期面雨量最少的年份為2015年，10天最大累計(jì)面雨量90.2 mm。羅冷區(qū)間整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，雨水集中期面雨量最大的年份為1996年，10天最大累計(jì)面雨量為360.1 mm；雨水集中期面雨量最少的年份為2018年，10天最大累計(jì)面雨量89.4 mm。柘溪庫區(qū)整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，雨水集中期面雨量最大的年份為1990年，10天最大累計(jì)面雨量為324.4 mm；雨水集中期面雨量最少的年份為2018年，10天最大累計(jì)面雨量117.6 mm。資水下游整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，雨水集中期面雨量最大的年份為1998年，10天最大累計(jì)面雨量為358.4 mm；雨水集中期面雨量最少的年份為2013年，10天最大累計(jì)面雨量106.3 mm。

圖8 資水流域逐年雨水集中期面雨量的變化(單位：mm)

從雨水集中期所在月份統(tǒng)計(jì)圖來看(圖9)，各分區(qū)雨水集中期均主要分布在3-7月份，其中出現(xiàn)在6月份的次數(shù)最多，各分區(qū)占比在37.5%～55%之間。

圖9 資水流域雨水集中期所在月份分布

4.2 雨季開始

表1統(tǒng)計(jì)了資水流域各分區(qū)1979-2018年逐年雨季開始的時(shí)間。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，羅家廟以上雨季開始的時(shí)間主要集中在3月份，40年間一共有16年雨季從4月份開始，占所有年份的40%；其中又以3月中旬為最多，一共有7年。雨季開始最早的年份為2009年，開始于當(dāng)年的3月1日；雨季開始最晚的年份為1983年，開始于當(dāng)年的6月18日。

表1 資水流域各分區(qū)雨季開始時(shí)間逐旬累計(jì)次數(shù)

羅冷區(qū)間雨季開始的時(shí)間主要集中在3月份，40年間一共有17年雨季從4月份開始，占所有年份的42.5%；其中又以3月下旬為最多，一共有7年。雨季開始最早的年份為2009年，開始于當(dāng)年的3月1日；雨季開始最晚的年份為2007年，開始于當(dāng)年的6月7日。

柘溪庫區(qū)雨季開始的時(shí)間主要集中在3月份，40年間一共有21年雨季從4月份開始，占所有年份的52.5%；其中又以3月上旬為最多，一共有9年。雨季開始最早的年份為1992和2009年，開始于當(dāng)年的3月1日；雨季開始最晚的年份為2011年，開始于當(dāng)年的6月2日。

資水下游雨季開始的時(shí)間主要集中在3月份，40年間一共有23年雨季從4月份開始，占所有年份的57.5%；其中又以3月上旬為最多，一共有10年。雨季開始最早的年份為1992和2009年，開始于當(dāng)年的3月1日；雨季開始最晚的年份為1988年，開始于當(dāng)年的6月20日。

5 結(jié) 論

利用統(tǒng)計(jì)分析及線性傾向估計(jì)等方法，通過對再分析資料計(jì)算得到的資水流域面雨量隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

1) 資水流域4個(gè)分區(qū)中柘溪庫區(qū)和資水下游面雨量呈現(xiàn)增加趨勢，羅家廟以上和羅冷區(qū)間面雨量呈現(xiàn)減少趨勢，資水流域全區(qū)年面雨量變化趨勢呈現(xiàn)緩慢增加的特征，增加的速率為每10年1.5 mm。春季面雨量呈現(xiàn)為減少的趨勢，全流域面雨量減少速率為每10年減少12.8 mm，其他3個(gè)季節(jié)面雨量均呈現(xiàn)為增加的趨勢，但是增加的趨勢緩慢，增加速率均在10 mm/10 a以下。

2) 資水流域面雨量主要集中在3-8月份，月平均面雨量均在100 mm以上，同時(shí)全年逐月面雨量變化呈現(xiàn)雙峰型，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在6月份，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在10月份，全年面雨量最少的月份在12月份。資水全區(qū)年平均大雨日數(shù)28.4 d，年平均暴雨日數(shù)為7.8 d，大雨日數(shù)在4、5、6月份最多，暴雨日數(shù)在5、6、7月份最多。全年除了3月份，其他月份的最大日面雨量均達(dá)到大暴雨級(jí)別，8月份的最大日面雨量最大，出現(xiàn)在2007年，為99.6 mm。資水各分區(qū)面雨量的年內(nèi)分布與資水全區(qū)的分布特征基本一致。

3) 資水全區(qū)逐年年最大日面雨量呈現(xiàn)出逐年增大的趨勢，所有年份的最大日面雨量級(jí)均在暴雨以上，其中有34年最大日面雨量達(dá)到大暴雨以上級(jí)別，占比為85%；資水全區(qū)年最大日雨量主要分布于5-7月份，一共出現(xiàn)28次，占比為70%，其中出現(xiàn)在6和7月份的次數(shù)最多，均為10次。

4) 羅家廟以上和羅冷區(qū)間兩個(gè)分區(qū)逐年雨水期中期面雨量整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，而柘溪庫區(qū)和資水下游為上升趨勢，各分區(qū)雨水集中期均主要分布在3-7月份，其中出現(xiàn)在6月份的次數(shù)最多。各分區(qū)雨季開始的時(shí)間均集中在3月份。