1951─2012年三峡库区降水时空变化研究

陈祥义，肖文发，黄志霖，曾立雄

中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所//国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 100091

1951─2012年三峡库区降水时空变化研究

陈祥义，肖文发，黄志霖*，曾立雄

中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所//国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 100091

对区域降水时空分布变化趋势的分析可以为区域水资源的合理管理与利用提供参考，利用三峡库区及周边共27个气象站点的逐月降水数据，通过线性倾向统计、滑动平均两种方法对三峡库区1951─2012年年均、雨季、旱季降水与降水日数的变化趋势进行了研究，并利用多元回归分析对三峡库区内年均降水量和降水日数的空间分布情况进行了分析。结果表明，三峡库区近62 a来的年均、年均雨季、年均旱季降水量和年均降水日数都有减少趋势，年均降水日数的减少趋势比降水量的减少趋势更加显著，并且降水日数明显减少的时间要早于降水量，这表明平均每个降水日内的降水量呈增加的趋势，也即短历时强降雨事件呈增加趋势。多年平均降水量与经度（P=0.081）、纬度（P=0.367）的相关性均不显著，而与海拔高度（P=1.90E-4）达到极显著相关水平。多年平均降水日数与经度（P=0.539）相关系不显著，而与纬度（P=8.77E-4）和海拔高度（P=1.82E-12）均达到极显著相关。降水量和降水日数均与海拔高度达到极显著正相关，可以利用海拔高度相对准确预测研究区内年降水和降水日数的空间分布特征，海拔每升高100 m，对应降水量与降水日数分别约增加30 mm、4.5 d。

三峡库区；降水量； 降水日数；海拔；线性趋势；多元回归分析

全球气候变化受到越来越多的关注，降水变化和气温变化是气候变化的两种主要表现形式。水资源作为人类社会生存发展的主要限制，其管理与利用成为人类可持续发展成败的关键。水资源的合理利用与配置必须建立在对区域水资源的时空分布和变化趋势的准确把握基础上。降水作为水资源的直接补给形式以及整个流域水循环的输入来源，准确预测其时空分布和变化趋势可为水资源的合理利用配置提供参考。

三峡库区作为三峡水库的淹没区和主要集水区，其区域内的降水变化将直接影响到三峡水库及下游的防汛抗旱调度。针对三峡库区不同降水特征前人已进行了一些研究，发现三峡库区最大连续5 d降水量线性变化趋势不显著，但是在未来气候变化背景下呈增加趋势（张天宇等，2010），夏季（6─8月）降水也呈增加趋势（廖要明等，2008；郑刚等，2009），但三峡大坝建成前后的年降水和四季降水没有明显变化（张树奎等，2013）。已有研究主要集中在降水量的变化，而对表征降水年内分布均匀程度的降水日数变化还研究较少。对年内降水变化的分析主要以春、夏、秋、冬4季为时间尺度，而对作为流域水文调控主要依据的雨季、旱季的降水变化研究较少。

我国气象监测规定日降水量（或夹有雾、露、霜量）大于或等于0.1 mm为一个降水日（顾钧禧等，1994）。降水日数可以在一定程度上表征降水在年内分布均匀情况，如年降水量不变的情况下降水日数越多说明降水在年内分布越均匀。本文在对三峡库区多年平均降水、降水日数分析的基础上，分析雨季（4─9月）、旱季（10月─次年3月）的降水以及降水日数的变化，同时分析了库区多年平均降水量、降水日数与站点经度、纬度和海拔高度之间的相关性，探究库区降水时空分布规律，可为三峡水库年际或中长期水库库容调度和水资源的合理利用提供参考，保证长江中下游居民的生活生产用水安全。

1 研究区概况

三峡库区是指三峡大坝建成后蓄水淹没所涉及的地区，西起重庆江津、东至湖北宜昌市，包括重庆市所辖22个县（区）和湖北省所辖4个县（图1）。研究区地处亚热带的北缘，属亚热带大陆性季风气候，温暖湿润，四季分明，光照水热充足。年均温18.0 ℃，年均空气相对湿度77%，无霜期307 d，全年平均日照时数1200～1600 h，多年平均日照率25%，年降水量950～1590 mm，且75%左右集中在4─9月，5─9月多有暴雨出现。受地形的影响，局地气候明显，年均温和年降雨量高于同纬度的中国东部地区（潘磊等，2012）。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文所用数据源于国家科技基础条件平台中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/）中三峡库区内及周边共27个气象站点（图1）1951─2012年的月降水数据，气象站点基本信息见表1。在数据统计过程中，对个别站点某年之中月降水数据统计不全的年份进行了剔除。

图1 研究区气象站点分布Fig. 1 The distribution of weather stations in the study area

表1 站点基本信息统计表Table 1 Basic information and statistic characteristics of the weather stations

2.2 研究方法

常用的气象趋势统计方法主要有线性倾向估计、滑动平均、累计距平、3次样条函数等方法（魏凤英，2007）。线性倾向估计、滑动平均方法因简单易懂、直观明了，在当今气象趋势统计中应用较多（冯亚文等，2013；李珊珊等，2012）。所以本文主要应用这两种方法对长江流域三峡库区的多年平均、雨季以及旱季的平均降水量和降水日数的变化趋势进行分析，同时利用线性回归方法对不同站点的降水量、降水日数与经度、纬度和海拔之间的关系进行了分析。

3 结果分析

3.1 降水、降水日数时间变化趋势分析

3.1.1 降水、降水日数年际变化趋势分析

三峡库区近 62年来的平均年降水量为 1167 mm，最高降水量为1954年的1538 mm，最低降水量为2001年的853 mm，最高降水量约为最低降水量的1.8倍，这说明三峡库区年际降水差异较大，存在明显的丰水年、枯水年。从1950年到2000年平均年降水量在均线附近波动，2000年以后降水量呈减少趋势，总的线性倾向率为-11.8 mm/10a（图2a）。自由度为60所对应的相关系数显著性水平分别为r0.05=0.2500，r0.01=0.3248，而r=0.1382

三峡库区近 62年来的平均年降水日数为 140 d，最高降水日数为1954年的175 d，最低降水日数为2011年的117 d，最高降水日数为最低降水日数的1.50倍。从20世纪50年代到90年代初期年降水日数在均线附近波动，且大部分在均线之上，而从20世纪90年代初期至今年降水日数出现了明显的下降趋势，总的线性倾向率为-3.04d/10a（图2b）。r=0.4715>r0.01=0.3248，说明在0.01显著性水平下降水日数的减少趋势达到极显著水平。

图2 三峡库区年均降水量Fig. 2 Change trend of average annual precipitation and average annual rainy days in TGRA

综上分析得知，降水量减少趋势弱于降水日数减少趋势，这表明每个降水日内的降水量有增加趋势，这会导致短历时强降水的出现，容易引发山洪、泥石流等地质灾害。

3.1.2 雨季、旱季降水、降水日数变化趋势分析

三峡库区近 60年平均雨季降水量约为 877 mm，平均旱季降水量为292 mm，雨季降水量约为旱季降水量的3倍，雨季降水量约占到全年平均降水量的75%。从图3a和4a可以看出，雨季、旱季降水量的线性倾向率分别为-8.92、-2.0 mm/10a，线性相关系数r分别为0.1058、0.0632，均小于r0.05的值，所以雨季、旱季降水量的减少趋势与年均降水量的减少趋势一样也是不显著的。

图3 三峡库区雨季降水量Fig. 3 Change trend of precipitation and rainy days of rainy season in TGRA

三峡库区多年平均雨季降水日数约为78 d，平均旱季降水日数为62 d，平均雨季降水日数约为平均旱季降水日数的1.26倍，明显小于雨季、旱季降水量之比的3倍，这表明雨季、旱季降水日数相差不大，而雨季每个降水日内的降水量显著高于旱季每个降水日的降水量，从而导致了降水量在年内的分布不均。雨季、旱季降水日数的线性倾向率分别为-1.648、-1.329 d/10a（图3b、图4b），线性相关系数r分别为0.3521、0.3286，均大于r0.05，小于r0.01，所以雨季、旱季降水日数的减少趋势在 0.05显著性水平上是显著的。

3.2 降水、降水日数空间变化分析

3.2.1 降水空间变化分析

对三峡库区 27个气象站点的多年平均降水量与经度、纬度和海拔高度进行回归分析，得到回归方程（1）：

式中：Q——多年平均降水量（mm）；x——经度（°）；y——纬度（°）；z——站点海拔高度（m）。

图4 三峡库区旱季降水量Fig. 4 Change trend of precipitation and rainy days of dry season in TGRA

表2 多年平均降水量与经度、纬度、海拔回归分析统计表Table 2 Statistical table of regression analysis between average annual rainfall and longitude, latitude, altitude

分析得知，复相关系数r=0.721，P=6.338E-4< 0.001，这表明回归方程的线性关系是极显著的。多年平均降水量与经度（P=0.081）、纬度（P=0.367）之间的相关性是不显著的，多年平均降水量与海拔高度（P=1.899E-4）呈极显著正相关（表2），这表明多年平均降水的空间差异主要受海拔高度的影响。对多年平均降水量与海拔进行回归分析，得到回归方程（2），结果表明海拔每升高100 m，对应降水量约增加30 mm。利用Arcgis 9.2进行栅格计算得到三峡库区多年平均降水量空间分布如图 5所示。

图5 三峡库区多年平均降水量空间分布Fig. 5 Spatial distribution of average annual precipitation in TGRA

3.2.2 降水日数空间变化分析

对三峡库区 27个气象站点的多年平均降水日数与经度、纬度和海拔高度进行回归分析，得到回归方程（3）：

式中：D——多年平均降水日数（d）；x——经度（°）；y——纬度（°）；z——站点海拔高度（m）。

分析得知，复相关系数r=0.958，P=1.386E-12，这表明回归方程的线性关系是极显著的。多年平均降水日数与经度之间的相关性是不显著的（P=0.539），多年平均降水日数与纬度（P=8.77E-4）和海拔高度（P=1.82E-12）呈极显著正相关（表3），多年平均降水日数的空间差异主要受海拔高度的影响。仅对多年平均降水日数与海拔进行回归分析，得到回归方程（4），结果表明仅用海拔对降水日数的回归模拟可以达到精度要求，海拔每升高100 m，对应降水日数约增加4.5 d。利用Arcgis 9.2进行栅格计算得到三峡库区多年平均降水日数空间分布如图6所示。

表3 多年平均降水日数与经度、纬度、海拔回归分析统计表Table 3 Statistical table of regression analysis between average annual rainy days and longitude, latitude, altitude

图6 三峡库区多年平均降水日数空间分布Fig. 6 Spatial distribution of average annual rainy days in TGRA

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）三峡库区年降水量在 2000年之前在均线附近波动，之后呈减少趋势，但减少趋势不是很明显。年降水日数在 1995年之前在均线附近波动，之后呈现显著的减少趋势。降水日数的减少趋势大于降水量的减少趋势，这表明降水日内平均降水量有增加的趋势，降水日内容易出现短时强降雨。

（2）雨季、旱季降水量在多年均线附近波动，减少趋势均不显著。而雨季、旱季降水日数在1995年之前在多年均线附近波动，之后呈显著减少趋势，降水日数在研究时段内整体呈现显著的减少趋势。雨季降水量的减少可以缓解流域内防洪调控压力，但同时也要注意短历时极端降水事件可能造成的洪峰。旱季降水量的减少则会对下游旱季工农业用水以及航运等造成很大的压力。

（3）多年平均降水量与经度（P=0.081）、纬度（P=0.367）的相关性均不显著，而与海拔高度（P=1.90E-4）达到极显著相关水平。多年平均降水日数与经度（P=0.539）相关系不显著，而与纬度（P=8.77E-4）和海拔高度（P=1.82E-12）均达到极显著相关。降水量和降水日数均与海拔高度极显著正相关，可以利用海拔高度预测研究区内年降水和降水日数的空间分布特征，海拔每升高100 m，对应降水量与降水日数分别约增加 30 mm、4.5 d。

4.2 讨论

（1）在本研究空间尺度范围内，对降水特性空间分布特征影响的显著性排序为海拔>纬度>经度，也即局地范围内的降水空间分布主要受地形的影响，但在区域或全球尺度范围内，降水的空间分布主要受到纬度或经度的影响。有研究发现在全国尺度上夏季降水量与海拔高度之间是负相关的，并且降水量在海拔高度上的分布还存在分段现象（卢爱刚等，2008）。

（2）地形是影响降水的重要因子。山地对水汽具有阻挡抬升作用，容易形成降雨。随着海拔的升高，降水量与降水日数均有增加趋势，由此构成了山地的水塔功能（鲁春霞等，2007）。在水资源严重缺乏的今天，山地的水塔功能受到越来越多的关注（Immerzeel et al.，2010；Messerli et al.，2004），对降水量与海拔之间关系的研究可以帮助更加全面的掌握区域降水的空间分布，为区域水资源综合利用以及低地河流防洪调控提供参考。三峡库区监测站点降水量、降水日数与站点海拔高度之间关系非常密切，在分析水资源空间分布时要充分考虑地形的影响。

（3）对降水空间分布特性进行分析时，由于能够获取的高海拔气象站点较少，所以研究结论可能会存在一定的不确定性。

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Spatiotemporal Distribution of Precipitation in Three Gorges Reservoir Area (TGRA) during 1951─2012

CHEN Xiangyi, XIAO Wenfa, HUANG Zhilin, ZENG Lixiong
Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration//Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

Analysis on the spatial and temporal distribution of precipitation could provide useful reference for the management and utilization of regional water resources. By using monthly precipitation data of 27 weather stations within and around Three Gorges Reservoir Area (TGRA), the changing trend of precipitation in TGRA from 1951 to 2012 (62 years) were analyzed through linear tendency estimation and moving average methods. The spatial distribution of precipitation and total number of precipitation days were also analyzed through multivariate regression method. The results showed that the average annual precipitation, average annual precipitation in the rainy season, average annual precipitation of the dry season and average annual rainy days all presented a decreasing tendency. The average annual rainy days decreased more significantly than the average annual precipitation, and the start time of average annual rainy days was earlier than that of average annual precipitation, which indicated that the precipitation depth in a rainy day would increase, which also means that there will be more intensified rainstorms. The average annual precipitation was found has no significant correlations with longitude (P=0.081) and latitude (P=0.367), while has a strong correlation with the altitude (P=1.90E-4). Furthermore, the average annual rainy days were also found to have a strong positive correlation with both the latitude (P=8.77E-4) and altitude (P=1.82E-12), while has no significant correlation with longitude (P=0.539). Owing to the strong positive correlations between altitude, precipitation and the rainy days, the altitude could be possibly used for predicting the spatial distribution of precipitation and rainy days. According to the forecast model, precipitation and rainy days would increase about 30mm and 4.5 days respectively, with each increase of 100m in the altitude

Three Gorges Reservoir Area; precipitation; rainy days; altitude; linear trend; multivariate regression analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.008

X16；P426

A

1674-5906（2015）08-1310-06

陈祥义，肖文发，黄志霖，曾立雄. 1951─2012年三峡库区降水时空变化研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8): 1310-1315.

CHEN Xiangyi, XIAO Wenfa, HUANG Zhilin, ZENG Lixiong. Spatiotemporal Distribution of Precipitation in Three Gorges Reservoir Area (TGRA) during 1951─2012 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1310-1315.

“十二五”科技支撑计划课题（2015BAD07B04）

陈祥义（1986年生），男，博士研究生，主要从事流域水文方面研究。E-mail: chenxiangyichen@163.com *通信作者：黄志霖，男，副研究员，主要从事景观生态、水土保持研究。Email: hzlin66@163.com

2015-03-23