岷江上游地区中雨以上降水变化特征分析

2015-12-02李金建刘希胜王锐婷

成都信息工程大学学报 2015年4期

李金建，刘希胜，王锐婷，杨涛

(1.四川省农业气象中心，四川成都610072;2.青海省水文水资源勘测局，青海西宁810001;3.四川省大气探测中心，四川成都610072)

0 引言

降水过程是全球水分循环的重要环节，为众多的江河提供了水分补给，其变化特征一直以来都是气候变化、水资源等领域的重要研究对象［1-5］，众多学者利用不同的方法、指标，针对区域降水量、雨日、降水强度等要素的变化做了大量研究［6-10］。

岷江作为长江流域流量最大的支流，发源于四川省岷山南麓，整个流域均在四川境内，也是四川省重要的河流之一，其上游5县位于青藏高原向四川盆地的过渡地带，一方面，较强的降水是径流补给的重要来源;另一方面，也容易造成山洪、滑坡、泥石流等灾害，尤其是2008年汶川地震以来，该区域为地震重灾区，地震导致生态环境更加脆弱［11］，一遇降雨，尤其是较强的降雨过程(中雨及其以上)极易发生滑坡、泥石流等次生地质灾害，因此，中雨以上降水具有怎样的分配特征，变化趋势如何等，对于区域水资源的开发利用，生态环境保护等都有重要意义，有必要进行针对性的研究。虽然，已有学者探讨了岷江流域年降水以及汛期降水的变化特征［12-13］，但对于中雨以上量级的降水特征的研究不多，基于此，采用1966～2012年47年的气象观测资料，分析岷江上游地区中雨以上降水变化特征，旨在为该地区防涝抗旱、水资源合理利用等提供科学参考依据。

1 数据来源与研究方法

1．1 数据来源

研究采用四川省气象局信息中心提供的岷江上游5县气象站1966～2012年逐日降水观测数据，在逐日降水资料基础上，通过计算分析得到每个站点建站以来的中雨以上降水序列(含降水量及降水日数)。

1．2 研究方法

首先利用Mann-Kendall(MK)法［13］对岷江上游地区中雨以上雨量、雨日进行突变检验，寻求可能的突变点，然后应用滑动 t检验(MTT)法［14］和 Yamamoto法［14］，对可能的突变点进行验证，增强突变分析结果的可信度。

采用Morlet小波变换分析岷江上游地区中雨以上雨量、雨日的周期变化特征。Morlet小波变换原理见文献［15-16］。在进行小波变换时，为了减弱“头部影响”在序列两端产生的误差，利用对称外延法［15］对时间序列进行扩展。

2 结果与分析

2．1 年内分配特征

对岷江上游5县(茂县、松潘、汶川、理县和黑水)气象站1966～2012年年总降水量及年中雨以上降水量进行统计发现，各站降水量及中雨以上降水量均有较大的差异，从多年平均状况来看，5站多年平均降水量分别为471.7 mm、719.3 mm、502.9 mm、611.6 mm和822.3 mm;中雨以上降水量则分别为185 mm、330 mm、198.5 mm、244 mm和445.9 mm。尽管数值上有较大差异，但是从中雨以上降水量占全年总降水量的比重来看，各均达到较高的比重，其中茂县最小，也达到39.2%，黑水最大，可达54.2%。由此可见，中雨以上降水量对于全年降水变化具有重要的作用，研究其变化特征无论对降水，还是河流径流变化都具有重要意义。

岷江上游5县多年平均的中雨以上降水量及雨日数的月变化趋势图如图1所示。从图1可以看出，降水量和雨日具有相似的分配特征，1～3月及11～12月降水量和雨日数都比较少，从4月份开始增加，但每个站之间又略有差异，其中茂县、理县和汶川均呈单峰型，最大平均降雨量分别出现在8月、6月和8月，而最大平均雨日数则分别出现在6月、6月和8月;松潘和黑水均表现为双峰型，松潘最大平均降雨量和最大平均雨日数均在9月达到最大值，次大值出现在6月(其中5、6月份的平均雨日数相同)，黑水最大平均降雨量和最大平均雨日数均在6月达到最大值，9月次之。

图1 岷江上游中雨以上降水量及雨日数月变化

2．2 趋势变化特征

岷江上游5县中雨以上雨量、雨日的逐年变化、5年滑动平均以及线性变化趋势如图2所示。从图2可以看出，就整体变化趋势而言，5个站的雨量和雨日的年际变化趋势都不显著(除理县的雨量、雨日以及黑水的雨日呈微弱上升趋势外，其余均表现为微弱的下降趋势，均未通过0.05显著度检验)，但是，在不同的时间段则呈现不同的变化趋势。从5年滑动平均曲线可以看出，茂县雨量(图2a)、雨日(图2b)均在20世纪70年代末以前、80年代中期至90年代初及21世纪初以来呈现上升趋势，减少趋势则主要出现在20世纪80年代初及90年代;松潘雨量(图2c)、雨日(图2d)在20世纪60年代末至70年代初、80年代中期至90年代初以及21世纪初以来呈现上升趋势，减少趋势主要出现在70年代初至80年代中期及90年代初至90年代中期，而90年代末至21世纪初则变化不明显;汶川雨量(图2e)、雨日(图2f)则在20世纪60年代末70年代初、80年代初中期以及90年代中期至21世纪10年代末表现为较明显的下降趋势，而在20世纪70年代中期至80年代初、80年代后期至90年代初及21世纪10年代末以来呈现明显的上升趋势;理县雨量(图2g)、雨日(图2h)则在20世纪60年代末至70年代初、70年代后期、80年代中至90年代初及21世纪10年代中期以来呈上升趋势，而在70年代中期、80年代初以及90年代呈现下降趋势;黑水雨量(图2i)、雨日(图2j)上升趋势主要出现在20世纪60年代末至70年代初、80年代中期至90年代初及21世纪以来，下降趋势则主要出现在20世纪80年代初以及90年代。

岷江上游5县中雨以上降水年际年代际变化特征与川西高原［17］乃至盆地西部［18］夏季降水变化具有较好的一致性，而其特殊的地理位置，使降水变化受到多种环流系统的综合影响［19］，研究表明，当研究区及周边地区降水处于偏多阶段时，东亚中高纬地区多呈现较强的两脊一槽环流型，同时西太副高整体偏北;而当降水处于偏少阶段时，东亚中高纬地区很少出现或者仅表现为较弱的两脊一槽环流型，贝湖以南地区的槽区减弱甚至为脊区，同时西太副高整体偏南［17-18］;20世纪80年代末以来，夏季副热带高压的强度偏强，西界偏西，北界偏南，与西南大部分地区的降水减少有重要联系［20］。

图2 各站雨量、雨日逐年变化曲线

为进一步探明各个站点降水的共性变化特征，对岷江上游5县中雨以上雨量、雨日进行EOF分析，其前3个模态的方差贡献及累积方差贡献率如表1所示，结果表明两者的第1主成分的方差贡献率分别为49.53%和46.78%，且相应的荷载值均为正值，同时，无论雨量还是雨日的第1主成分时间系数与各站的相关系数也均通过0.001的信度检验(表2)，表明第1主成分时间系数的演变能够反映区域雨量、雨日的共性变化特征。

表1 中雨以上雨量及雨日前3个特征向量方差贡献率

表2 第1主成分时间系数与各站点雨量、雨日相关系数

图3给出雨量、雨日的第1主成分时间系数(PC1)变化特征，由图3可以发现，与各站点的情况相似，雨量PC1与雨日PC1变化具有非常高的一致性，从长期变化趋势看，区域整体呈微弱的下降趋势，但不同阶段，仍表现比较明显的波动，从图3的5年滑动平均曲线可以看出，区域雨量、雨日均在20世纪60年代末至70年代初、90年代中至21世纪初处于偏少阶段，而在70年代中至80年代初、80年代末至90年代中表现为偏多阶段。这些特征也是各个站点序列表现出来共性特点，这种结果进一步显示了利用第1主成分时间系数表征区域变化特征的可行性。

图3 区域雨量PC1及雨日PC1变化曲线

2．3 突变特征

前面利用EOF分析，得到代表整个区域雨量、雨日变化曲线，即雨量PC1及雨日PC1，下面将主要利用这两条序列分析区域变化特征。

图4 区域雨量、雨日MK检验

首先利用MK法对雨量PC1及雨日PC1进行突变检测，结果如图4所示，两者具有十分相似的变化特征，两者均在20世纪70年代中至90年代的大部分时段UF值＞0，表明雨量、雨日有增加的趋势，而21世纪以来UF值基本＜0，雨量、雨日有减少的趋势;UF和UB曲线在±1.96信度线之间有3个交点，分别出现在1995年、2008年及2011年，但后2个交点(2008年和2011年)，只能视为同一个时期，必然只能保留一个突变点，综合考虑气候突变意义、序列长度等因素，保留2008年的突变点。

为进一步的验证MK方法检测的突变点，对区域可能突变年前后不同时段作滑动t检验(MTT)以及信噪比检验(Yamamoto)，见表3。分别取 n1=n2=2、3、4，对区域雨量而言，1995年的突变点，利用MTT检验，当 n1=n2=3时通过0.05的信度检验;利用Yamamot检验，则当n1=n2=2、3时通过0.01的信度检验。2008年的突变点，利用MTT检验，当n1=n2=2、4时通过0.01的信度检验，当n1=n2=3时通过0.05的信度检验;利用Yamamot检验，则当n1=n2=2、3时通过0.01的信度检验，当n1=n2=4时通过了0.05的信度检验。对区域雨日而言，1995年的突变点，利用MTT检验，当n1=n2=2、3时通过了0.05的信度检验;利用Yamamot检验，则当n1=n2=2、3时通过了0.01的信度检验。2008年的突变点，利用MTT检验，当n1=n2=3、4时通过0.05的信度检验，当n1=n2=3时通过0.05的信度检验;利用Yamamot检验，则当n1=n2=3时通过0.01的信度检验，当n1=n2=3、4时通过0.05的信度检验。综上，通过两种方法的佐证，这两个突变点具有一定的可信性。

表3 突变点的信度检验(MTT、Yamamot)

大量研究表明，20世纪以来，气候存在明显的突变现象，在20世纪初、20世纪20年代、60年代和90年代是突变现象出现的主要时段［21-25］，但是，由于局地性差异，不同地区突变点出现的时间也存在一定的差异［26］，检测的1995年突变点与90年代出现的大范围的气候突变相符，而2008年的突变点还有待更多研究进一步验证。

2．4 周期变化分析

将岷江上游区域雨量PC1、区域雨日PC1进行Morlet小波变换，得到小波变换实部，如图5所示。由图可以看出，两者具有一致的周期变化特征，周期变化明显，干湿交替显著。10年以上的年代际变化主要存在准18年周期振荡和准12年周期振荡，其中准18年周期表现显著且稳定，贯穿整个时域，在过去47年间始终存在，且主周期几乎不变，强度较强，主要经历5次干湿更替，其转换点分别为1970年、1980年、1989年、1998年和 2008年，其中 1966～1970年、1981～1989年及1999～2007年为偏干(或雨日偏少)阶段，1971～1980年、1990～1998年及2008～2012年为偏湿(或雨日偏多)阶段。从这个时间尺度来看，研究区域目前正处于降水偏多时期，且未来一段时间内仍将呈偏多的状态。而准12年周期振荡则在20世纪80年代中后期逐渐转化为准10年周期振荡。10年以下尺度周期变化特征则已2年为中心的周期与4年为中心的周期的转化，20世纪80年代初以前主要表现为2年为中心的周期，80年代中其分化为2年周期和4年周期这两个主振荡周期，自20世纪80年代中期开始4年为中心的周期振荡显著且稳定的存在，到目前为止，该周期振荡由7个偏干阶段和6个偏湿阶段组成;而自80年代中期分化以来，2年周期则表现出时强时弱的态势，其在20世纪90年代至21世纪初信号较强，其他时段信号较弱，甚至与4年周期相融合。

图5 区域雨量、雨日小波变换实部图

3 结论

利用统计学方法，从年内分配特征、趋势分析、突变及周期变化等角度，对岷江上游地区中雨以上降水量及雨日进行分析，主要得到以下结论:

(1)岷江上游5县多年平均的中雨以上降水量以及雨日具有相似的年内分配特征，均表现为1～3月及11～12月降水量和雨日数较少，而4～9月为较为集中期。

(2)利用EOF分析，获取代表区域中雨以上降水量以及雨日的序列，即第1主成分时间系数(雨量PC1与雨日PC1)，表明区域中雨以上降水量以及雨日均呈微弱的下降趋势，其5年滑动平均曲线表明20世纪60年代末至70年代初、90年代中至21世纪初处于降水(雨日)偏少阶段，而在70年代中至80年代初、80年代末至90年代中表现为降水(雨日)偏多阶段。

(3)通过MK法，并以滑动t检验法及YAMAMOT法为佐证，发现区域中雨以上降水量以及雨日在1995年和2008年存在突变现象。

(4)区域雨量、雨日具有一致的周期变化特征，干湿交替显著。10年以上尺度存在2个主要振荡模态，中心周期分别为12年、10年;10年以下的年际变化也存在2个主要振荡模态，中心周期分别为4年、2年。

［1］牛存稳，张利平，夏军.华北地区降水量的小波分析［J］.干旱区地理，2004，27(1):66-70.

［2］匡正，李仲贞，林一骅.华北降水时间序列资料的小波分析［J］.气候与环境研究，2000，5(3):312-317.

［3］左洪超，吕世华，胡隐樵.中国近50a气温及降水量的变化趋势分析［J］.高原气象，2004，23(2):238-244.

［4］李少娟，何大明，张一平.纵向岭谷区降水量时空变化及其地域分异规律［J］.科学通报，2007，52:51-63.

［5］杨辉，宋正山.华北地区水资源多时间尺度分析［J］.高原气象，1999，18(4):496-508.

［6］张琪，李跃清.近48年西南地区降水量和雨日的气候变化特征［J］.高原气象，2014，33(2):372-383.

［7］陈少勇，任燕，乔立，等.中国西北地区大雨以上降水日数的时空分布特征［J］.资源科学，2011，33(5):958-965.

［8］孙善磊，周锁铨，金博，等.淮海地区降水周期及突变特征分析［J］.气象科学，2010，30(2):221-227.

［9］ Huang J，Sun S，Xue Y，et al.Spatial and Temporal Variability of Precipitation and Dryness/Wetness During 1961-2008 in Sichuan Province［J］.West China.Water Resources Management，2014，28(6):1655-1670.

［10］苏布达，姜彤，任国玉，等.长江流域极端降水时空分布和趋势［J］.气候变化研究进展，2006，2(1):9-14.

［11］徐新良，江东，庄大方，等.汶川地震灾害核心区生态环境影响评估［J］.生态学报，2008，28(12):5899-5908.

［12］周大杰，张明珠，俞火亘，等.岷江流域汛期降水时空特征研究［J］.水文，2009，29(4):26-33.

［13］张明珠，俞火亘，宋新山，等.岷江上游及青衣江流域近50年来降水变化特征分析［J］.南水北调与水利科技，2008，6(3):46-53.

［14］魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术［M］.北京:气象出版社，2007:10-116.

［15］吴洪宝，吴蕾.气候变率诊断和预测方法［M］.北京:气象出版社，2005:33-245.

［16］林振山，邓自旺.子波气候诊断技术的研究［M］.北京:气象出版社，1999:1-38.

［17］陈权亮，刘晓冉，范广洲，等.川西高原夏季降水变化特征及其异常年环流形势［J］.中国沙漠，2010，30(3):706-711.

［18］周长艳，李跃清，房静，等.高原东侧川渝盆地东西部夏季降水及其大尺度环流特征［J］.高原山地气象研究，2008，28(2):1-9.

［19］徐裕华.西南气候［M］.北京:气象出版社，1991:201-312.

［20］慕巧珍，王绍武，朱锦红，等.近百年夏季西太平洋副热带高压的变化［J］.大气科学，2001，25(6):787-797.

［21］符淙斌.气候突变现象的研究［J］.大气科学，1994，18(3):373-384.